Микросварка проволочных выводов

Микросварка проволочных выводов или проволочный монтаж^[1] — технологический этап производства полупроводниковых приборов, на котором контактные площадки кристалла полупроводника соединяются проволочными проводниками с внешними выводами корпуса или выводной рамки. В полупроводниковой промышленности преобладает холодная сварка поверхностей, находящихся в твёрдой фазе, без плавления металлов^[2]. Нагрев рабочей области применяется лишь для удаления примесей и при необходимости — для размягчения металла, а нагрев рабочего инструмента — для очистки и прокаливания проволоки, и для препятствования оттоку тепла от рабочей области^[2].

Микросварка выводов заказной БИС суперкомпьютера Amdahl 5860 (1980-е годы). Соединения золотой проволоки с контактными площадками кристалла выполнены шариком, соединения с металлизацией керамической подложки — клином

В XX веке соединения внутри интегральных схем производились золотой или алюминиевой микропроволокой; в XXI веке, по мере удорожания золота, его постепенно заменила медь. В силовых полупроводниковых приборах соединение производится алюминиевой проволокой, двуслойными или плакированными лентами из цветных металлов и сплавов. По данным 2018 года, микросварка абсолютно доминировала над монтажом перевёрнутого кристалла, монтажом на ленточный носитель^[англ.] и иными альтернативными беспроволочными технологиями соединения. В производстве интегральных схем для автомобилестроения микросварка занимала 90 % мирового рынка^[3].

Материалы

В микросхемотехнике используется проволока из алюминия, золота или меди диаметром от 5 до 150 мкм^[1]. С течением времени калибры проволоки и размеры контактных площадок уменьшались, а плотность монтажа и количество выводов возрастали. Например, в 2010-е годы испытательные лаборатории Intel использовали алюминиевую проволоку диаметром 25,4 мкм и контактные площадки 53×60 мкм^[4].Практическая плотность такого монтажа с 4-5 рядами контактных площадок достигала 20 выводов на 1 мм² общей площади кристалла. В 2018 году Intel анонсировал новый внутренний стандарт — диаметр проволоки 17,8 мкм и размер контактных площадок 30×37 мкм^[4].

По данным США 2010 года, основным материалом проволочного монтажа было золото^[5], очищенное до 99,999 % (чистота 5N или «пять девяток»). Значительно реже используются сплавы 99 % золота с 1 % кадмия, палладия, церия и иных легирующих элементов^[6][7]. Золото хорошо проводит электрический ток, химически инертно и чрезвычайно пластично; оно позволяет формировать сварочные шарики и петли выводов нужной формы с минимальными механическими усилиями. Алюминиевая проволока не столь пластична, она не образует сварочного шарика и потому непригодна для сварки встык. В производстве интегральных схем преобладает алюминий, легированный 1 % кремния; в силовых и термически нагруженных приборах предпочтительны чистый алюминий и алюминий-магниевые сплавы^[5][8].

В 2010—2020-е годы происходит постепенное замещение золотой проволоки медью^[3][9]. Медь в микроэлектронном производстве очищается до 99,9 % (3N) или 99,99 % (4N)^[6]. Чем выше степень очистки, тем металл пластичнее, но даже лучшие образцы меди уступают в пластичности золоту. Легирование меди ухудшает пластичность, и потому не применяется^[8][10]. Формирование проволочных петель из меди сложнее, чем из золота, а более твёрдые медные шарики способны повреждать свариваемые давлением поверхности^[5][8]. Медь химически активна, оксидные плёнки на её поверхности вынуждают применять значительно бо́льшее давление при сварке^[11]. Во избежание окисления плавка медного сварочного шарика проводится в атмосфере 95 % азота и 5 % водорода^[8][10].

Способы сварки

По данным 2010 года, в производстве интегральных схем преобладали три типа сварки: термокомпрессионная, термозвуковая и ультразвуковая сварка (УЗС)^[7][12]. Термокомпрессионные и термозвуковые установки позволяют создавать сварные соединения шариком (встык) и клином (внахлёст). Обе формы соединения применяются совместно: шарик — при сварке оплавленного торца проволоки с контактной площадкой кристалла, клин — при сварке проволоки с выводной рамкой. Ультразвуковая сварка пригодна только для соединений клином^[7].

Термокомпрессионная и термозвуковая сварка

Этапы соединения «шарик-клин»
(1) электродуговое формирование шарика (2) опускание капилляра с шариком (3) сварка шарика (4) подъём капилляра (5) формирование петли, опускание капилляра, сварка клина (6) отрыв проволоки от клина, подъём капилляра^[13]

Соединения «шарик-клин»

Основой рабочего инструмента термокомпрессионной и термозвуковой сварки служит трубчатый капилляр из вольфрам-кобальтового сплава или керамики^[14]. Золотая или медная проволока подаётся вертикально через центральное отверстие, сформированное литьём, электроискровой или электрохимической прошивкой^[15]. Нижний, рабочий торец капилляра заканчивается профилированной воронкой, которая задаёт форму шарикового соединения с кристаллом^[14][16].

В начале цикла сварки стартовый конец проволоки, выступающий за рабочий торец капилляра, расплавляется электрической дугой c образованием контактного шарика^[17]. Капилляр с шариком перемещается к контактной площадке кристалла и опускается на неё вертикально^[18] с усилием порядка 20…200 г. При термокомпрессионной сварке соединение образуется исключительно за счёт взаимной диффузии металлов в результате их сжатия и локального нагрева до температуры 250…350°С^[2]. При термозвуковой сварке температура рабочей зоны не превышает 150°С, но к действию нагрева добавляется энергия поперечных ультразвуковых колебаний капилляра с частотой 60 кГц и мощностью 1…2 Вт. Время сварки в обоих случаях не превышает 200 мс^[2]. Прочность сварного шва равна прочности привариваемой проволоки^[19].

Затем рабочий инструмент поднимается вертикально вверх и перемещается горизонтально к позиции второй точки сварки (на выводной рамке или на металлизированной подложке), а потом опускается на неё, образуя проволочную петлю; излишки проволоки втягиваются обратно в капилляр. В высокоскоростных установках используется и более сложные, реверсивные траектории движения, позволяющие формировать высокие проволочные петли с наибольшими возможными радиусами кривизны и соединять поверхности в разных уровнях. Капилляр прижимает проволоку к свариваемой поверхности и производит термокомпресионную или термозвуковую сварку внахлёст. В то время, как капилляр остаётся прижатым, расположенный выше него захват вытягивает находящуюся в капилляре проволоку вверх, и она отрывается от зоны сварки^[18]. Из-за концентрации напряжений и дефектов в зоне надрыва прочность соединения внахлёст значительно уступает прочности соединения встык^[19].

Ультразвуковая сварка

Соединения «клин-клин»

В ультразвуковой сварке внахлёст применяются клиновидные рабочие инструменты с коротким боковым каналом для подачи проволоки под углом сбоку^[14]. Диффузия свариваемых металлов достигается совместным действием ультразвуковых колебаний и силы прижима проволоки к поверхности^[20]. Колебания проволоки разрушают оксидные плёнки, очищают поверхности и формируют металлургическое соединение^[21][22]. Нагрев необходим лишь при использовании золотой проволоки^[21].

Ультразвуковая сварка клином имеет ряд преимуществ перед схемой «шарик-клин». Размер контактной площадки под клин, при прочих равных условиях, меньше чем размер площадки под шарик. Возможна пошаговая, многоточечная сварка одного и того же соединения с протяжённым пятном контакта двух металлов — что необходимо, например, при монтаже сверхвысокочастотных приборов на основе арсенида галлия c особо узкими контактными площадками. Она более пригодна для работы в глубоких полостях и корпусах, так как физический размер рабочего клина может превышать наибольшую высоту капилляра термозвуковой сварки. Главное же преимущество УЗС - в возможности применять не золотую, а алюминиевую проволоку^[21]. Недостатки ультразвуковой сварки — невысокая механическая прочность соединения^[19] и его строгая направленность. Для изменения ориентации проволочных соединений необходимо либо поворачивать рабочий стол, либо применять особые поворотные головки^[23].