eng
Выпуск #4-5/2009
В.Морозов.
Контактные соединения бескорпусных компонентов на гибком носителе с ленточными выводами. Часть I
Контактные соединения бескорпусных компонентов на гибком носителе с ленточными выводами. Часть I
Просмотры: 2034
Надежность и воспроизводимость качества контактных узлов – едва ли не главные требования при изготовлении радиоэлектронной аппаратуры. Вот почему выявление взаимосвязи и влияния физико-механических характеристик, структуры, состояния поверхности соединяемых материалов на формирование монолитных контактных соединений с помощью ультразвуковой микросварки при сборке и монтаже микроэлектронных компонентов – одна из актуальных задач производства радиоэлектронной аппаратуры.
Общие положения
Для сборки и монтажа микроэлектронных компонентов разработано и применяется множество различных видов пайки и сварки [1]. При производстве изделий микроэлектроники и радиоэлектронной аппаратуры монолитный контактный узел предполагает наличие трех основных компонентов: контактной площадки навесного элемента, контактной площадки подложки и соединяющего их промежуточного звена. При этом промежуточное звено образует токопроводящее соединение контактной площадки навесного элемента и контактной площадки подложки (платы). Навесными элементами могут быть активные полупроводниковые приборы на кристалле и пассивные компоненты (конденсаторы, резисторы, датчики и др.). Подложкой могут служить корпуса или коммутационные платы. В идеале надежное монолитное контактное соединение должно обладать теми же свойствами, что и соединяемые материалы. Чтобы достичь желаемого результата, в зоне контактирования необходимо сформировать такие же химические связи, как и в соединяемых материалах. Физические и прочностные характеристики соединений материалов определяются расположением атомов (ионов) и действующими между ними химическими связями [2]. При формировании монолитного соединения металлов атомы сближаются на расстояние 0,2–0,3 нм, при этом волновые функции валентных электронов перекрываются, и они получают возможность переходить от одного атома к другому, довольно свободно перемещаясь по всему объему металла. Валентные электроны принято называть "коллективизованными", а связь между ионами – металлической [2].
Формирование контактного узла в реальных условиях затрудняется рядом факторов. Во-первых, соединяемые элементы конструкций представляют собой поликристаллические материалы, не имеющие идеально чистых и идеально гладких поверхностей. На поверхности соединяемых изделий присутствуют и макроскопическая, и микроскопическая геометрические неоднородности – волнистость и шероховатость. Кроме того, задача формирования контактного узла значительно усложняется из-за наличия на соединяемых поверхностях оксидов, адсорбированных газов, влаги, органических загрязнений.
Для образования металлических связей необходимо обеспечить сплошной физический контакт по всей поверхности соединения и удалить с контактных поверхностей загрязнения, наиболее прочными из которых являются оксиды. Задача эта не из легких, так как в атмосфере на очищенных поверхностях уже за 2,48·10-9 ч образуется мономолекулярный слой газа, т.е. как бы ни очищали поверхности, они всегда оказываются покрытыми слоем оксида [2]. Однако, несмотря на большое число предварительных условий формирования контакта, образование металлических связей происходит, например, в процессе пластической деформации материалов под действием приложенных сжимающих усилий. Свойства полученного соединения зависят от ряда факторов, вызвающих образование межатомных связей, которые в зоне соединения изменяют микроструктуру, химический и фазовый состав соединяемых материалов, формируют внутренние напряжения [2].
Получение контактных соединений с использованием ультразвуковой сварки – одного из наиболее распространенных методов холодной сварки давлением – хорошо зарекомендовало себя при сборке изделий микроэлектроники и монтаже радиоэлектронной аппаратуры с повышенными требованиями к надежности [2, 3, 4, 6]. Этот способ сварки позволяет получать соединения материалов с окисленными поверхностями при минимальном тепловом воздействии на структуру чувствительных к нагреву элементов микросхем, благодаря чему он и применяется широко на операциях сборки и монтажа.
В качестве промежуточного элемента в микроэлектронике получил распространение гибкий носитель с ленточными выводами [1], конструкция которого представляет собой совокупность плоских ленточных выводов, выполненных на диэлектрическом основании. Гибкий носитель изготавливают из двухслойной лакофольговой ленты (алюминиевая или медная фольга на полиимидной пленке) фотохимическим способом в автоматическом режиме [4]. Все индивидуальные промежуточные звенья контактных узлов гибкого носителя сведены в единое целое и зафиксированы. Такая конструкция позволяет:
* автоматизировать процессы формирования контактных узлов, а изготовителю и потребителю контролировать параметры собранных микросхем;
* улучшить теплоотвод благодаря увеличенному сечению ленточных выводов;
* повысить надежность контактного соединения.
Систему внутренних выводов носителя на диэлектрическом основании присоединяют к контактным площадкам кристалла ультразвуковой сваркой (см. рисунок). В ходе этого процесса после совмещения выводов с контактными площадками сварочный инструмент скоростной программируемой установки с микропроцессорным управлением последовательно обходит места сварки. После полимерной защиты мест сварки и контроля параметров интегральная микросхема непосредственно перед установкой на плату (подложку) потребителя вырубается из носителя. Система наружных выводов, присоединяемых к контактным площадкам платы по унифицированному контуру, также формируется с помощью ультразвука. Выводы в зонах присоединения к контактным площадкам кристалла и платы выполнены на основе унифицированных элементов, геометрия которых разработана с учетом автоматизации процессов сварки и обеспечения надежного электрического контакта на основе механических, термодинамических, электрохимических и радиационных характеристик материалов.
Рассмотрим взаимосвязь прочности сварных соединений с физико-механическими характеристиками контактных элементов.
Физические процессы при ультразвуковом присоединении ленточных выводов к контактным площадкам
Цикл сборки бескорпусной микросхемы на гибкий носитель с ленточными выводами и монтаж радиоэлектронной аппаратуры на платы включает следующие основные операции:
* присоединение выводов гибкого носителя к контактным площадкам кристалла микросхемы;
* нанесение полимерной защиты;
* измерение электрических параметров микросхем;
* поверхностный монтаж на печатную плату или подложку.
Соединения выполняются ультразвуковой микросваркой, протекающей в твердой фазе без образования литого ядра. Для такого вида сварки характерна трехступенчатая кинетика процесса: образование физического контакта между соединяемыми поверхностями, активация поверхностей и объемное развитие взаимодействия [5]. При формировании монолитного соединения прижатые друг к другу поверхности начинают контактировать в точках касания, сконцентрированных в определенных областях. Из-за с неровностей поверхностей контактирующих металлов фактическая площадь касания значительно меньше номинальной площади контакта. Знакопеременная деформация, инициированная механическими тангенциальными УЗ-колебаниями сварочного инструмента приводит к увеличению числа пятен касания и превращению их в узлы схватывания. Сила сцепления двух металлических поверхностей, прижатых друг к другу под большим удельным давлением, зависит от деформационных явлений в соединяемых металлах и пропорциональна суммарной площади пятен касания. На реальных контактирующих поверхностях размеры этих пятен определяются волнистостью поверхностей (макрорельефом) и шероховатостью поверхности (микрорельефом). По мере увеличения сжимающего усилия происходит упругая деформация выступов микрорельефа, в соприкосновение входит все большее число выступов. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к пластической деформации контактирующих выступов и к упругой деформации более низких выступов. Сближение абсолютно чистых металлических поверхностей приводит к образованию атомарных металлических связей в плоскости контакта и к релаксации напряжений в окружающем микрообъеме сварной зоны.
Образуемый сварной шов имеет мелкодисперсную структуру, так как механическая деформация, вызываемая УЗ-энергией, приводит к измельчению и перемешиванию поверхностных зерен [1]. Наличие оксидов на контактирующих поверхностях не препятствует возникновению металлических связей. Под воздействием ультразвуковых тангенциальных колебаний происходит диспергирование оксидных пленок, слоев адсорбированной влаги и других загрязнений. Более твердая окисидная пленка растрескивается под воздействием направленных УЗ-колебаний. Осколки пленки, слои адсорбированной влаги и другие загрязнения вытесняются из зон схватывания, преобразуя их в участки металлического соединения [1, 5].
Чем больше доля упругой составляющей в общей упругопластической деформации, тем меньше сила сцепления соединяемых материалов. Значение остаточных напряжений в металле существенно уменьшается с уменьшением толщины, что объясняет явление сцепляемости при сварке тонких проволок и ленточных выводов [5]. Соединения при сборке микросхем и монтаже аппаратуры выполняются проводниками малой толщины (8–60 мкм). Однако самый тонкий проводник в десятки раз толще слоя металлической пленки на кристалле или подложке. Поэтому сварное соединение ограничено взаимодействием приконтактных слоев свариваемых материалов [3].
Для формирования надежного сварного соединения необходимо точно дозировать УЗ-энергию. Это позволяет повысить воспроизводимость качества сварки. Точное дозирование обеспечивается за счет автоматического отключения сварочного импульса, т.е. прекращения воздействия УЗ-колебаний после формирования сварного соединения. В противном случае возможна чрезмерная деформация вывода, уменьшение прочности контактного соединения. На качество УЗ-сварки значительное влияние оказывает жесткость закрепления навесного элемента и подложки. Флуктуация жесткости закрепления приводит к нестабильности воздействия УЗ-энергии в зоне сварки, что также снижает воспроизводимость качества [1].
Фольгированный диэлектрик типа алюминий–полиимид
Гибкие носители представляют собой одно-, двух- и трехслойные ленты-носители. Число слоев определяется наличием в структуре ленты таких слоев, как металлическая фольга, диэлектрическая полимерная пленка и адгезив [7]. Наибольшее распространение при изготовлении бескорпусных микросхем с ленточными выводами получила двухслойная лакофольговая лента. Одно из достоинств такой ленты – отсутствие адгезионной прослойки между металлом и полимерной пленкой. При этом двухслойная структура характеризуется достаточно высокой силой межслойного сцепления. Носитель с безадгезионной высокопрочной структурой пригоден для фотолитографической обработки и группового избирательного травления слоев. Из технологического процесса его изготовления максимально исключено применение операции механической обработки.
Широко используемый при изготовлении носителей ИС и многослойных печатных плат диэлектрик марки ФДИ-АП [8] представляет собой двухслойную ленту, изготовленную нанесением полипиромеллитимидного лака на алюминиевую фольгу. Изготавливаемая сегодня промышленностью фольга алюминия различных марок используется главным образом лишь в качестве упаковочного, изоляционного и электротехнического материала. Такая фольга не может удовлетворять следующим требованиям, предъявляемым к конструкционным материалам, подвергающимся воздействиям температур, кислот, щелочей и механических напряжений:
* наличие ровной, без царапин волнистости, вмятин, коррозии и складок поверхности;
* высокие механические характеристики: прочность при разрыве не менее 100 МПа, низкая шероховатость поверхности, высокая прочность сцепления с лаковой пленкой;
* возможность формирования конструктивных элементов фотохимическим способом.
С тем, чтобы выпускаемую фольгу можно было использовать в качестве конструкционного материала, потребовалось изучение ее физико-механических свойств, отличающихся от свойств материала большой толщины (более 0,2 мм) [9, 10].
Изготовление фольги сопровождается глубокой деформацией металла, последствия которой полностью не устраняются отжигом. Сильная деформация может привести к образованию микроскопических трещин и надрывов на поверхности фольги и вблизи включений фаз, оксидов, других металлов. Соизмеримость размера зерна с толщиной фольги оказывает влияние на процесс ее пластической деформации. Большое отношение поверхности фольги к ее объему может привести к усилению роли поверхностных явлений (окисления, адсорбции, абсорбции и т.п.). Кроме этого, малая толщина фольги по сравнению с ее шириной и отсутствие действующих по толщине напряжений приводят к образованию локальных деформаций при растяжении. Появление дефектов, видимых невооруженным глазом (макродефектов), говорит о том, что в материале одновременно образовались и видимые при достаточно большом увеличении микродефекты, которые проявляются при обработке материала. Но отсутствие макродефектов не гарантирует отсутствия в исходном материале микродефектов [10].
В обычных условиях на воздухе фольга покрывается очень прочной тончайшей (1·10-5 мм) оксидной пленкой [9]. Это – плотная и непористая пленка, прочно сцепленная с металлом, так как нижние ее слои повторяют строение кристаллической решетки алюминия. Наличие оксидной пленки обеспечивает высокую стойкость к воздействию кислот, щелочей, воды и загрязненного воздуха. Однако присутствие примесей, особенно меди, железа, магния, резко снижает устойчивость алюминия к воздействию агрессивных сред [9]. Неровности (микротрещины, царапины и т.п.), образующиеся на поверхности фольги, являются эффективными концентраторами напряжений.
Эффективность технологического процесса фотохимического фрезерования, качество и точность изготовления элементов конструкции гибких носителей зависит от состояния поверхности металлической фольги перед нанесением защитной маски [11]. Остаточные механические и жировые загрязнения, неоднородность поверхности подложки снижают разрешающую способность процесса фотохимического фрезерования. При удалении с поверхности механических загрязнений и оксидов формируются определенная текстура и микрошероховатость поверхности, задающие размеры элементов конструкции. Характер и скорость травления при химическом фрезеровании зависят от структуры металла. Крупнозернистая поверхность алюминиевой фольги приводит к уменьшению разрешающей способности травления. Кроме того, на характер локального растворения поликристаллических материалов (в том числе и алюминия) оказывают влияние соседние кристаллы различной ориентации, что проявляется в неравномерном травлении элементов конструкции по полю одной детали и всей заготовки. Чем мельче кристаллическая структура металла или сплава, тем совершеннее статическое распределение ориентации зерен и тем равномернее протекает процесс травления [11]. Следует учитывать и существенное различие структур отожженных и неотожженных образцов, заключающееся в различной преимущественной ориентации кристаллов.
Температурная обработка поверхности фольги перед формированием защитной маски существенно влияет на качество деталей, повышая равномерность травления и точность изготовления элементов конструкции носителей.
Продолжение следует.
Литература
1. Дуболазов В.А, Синекоп Ю.С, Томашпольский Л.В. Технология сборки интегральных микросхем.– Киев, Виша школа, 1987.
2. Фролов В.А., Пешков В.В., Коломенский А.Б., Казаков В.А. Сварка. Введение в специальность. – М.: Интермет инжиниринг, 2004.
3. Рыдзевский А.П., Беляков А.И., Онегин Е.Е. Ультразвуковая сварка в микроэлектронике. – Обзоры по электронной технике. Сер. Технология, организация производства и оборудование. — М.: ЦНИИ Электроника, 1974, вып. 7(234).
4. Баширов А., Морозов В. Монтаж микросхем на гибком носителе – дань прошлому или приближение будущего? – Печатный монтаж, 2007, №5.
5. Иванов-Есипович Н.К. . Физико-химические основы производства радиоэлектронной аппаратуры– М.: Высшая школа, 1979.
6. Шеревеня А.Г. Автоматизированная сборка БИС на гибком носителе – Электронная техника. Сер. Технология, организация производства и оборудование, 1983, № 5 (120).
7. Морозов В.В. Сборка интегральных микросхем на гибких носителях с ленточными выводами. – М.: ООО "НТЦ Микротех", 2007.
8. Худяков К.И., Баранов Е.М., Дольников С.С. Промышленное производство беспроволочных ИС на ленточном носителе алюминий-полиимид и сборка ИС на ленточных носителях. – Электронная техника. Сер. Технология, организация производства и оборудование, 1983.
9. Петрова В.З. и др. Материалы и химические процессы в технологии микроэлектроники. – Учебное пособие, ч. 3, М.: МИЭТ, 1993.
10. Дриц М.Е., Каданер Э.С., Торопова Л.С., Копьев И.М. Структура и свойства легированной алюминиевой фольги.– М.: Металлургия, 1975.
11. Ипполитова Л.А., Пономарева З.И. Подготовка поверхности металлов при химическом фрезеровании.– Электронная техника. Сер. Технология, организация производства и оборудование, 1983, вып. № 5 (120) .
Развитие солнечной энергетики в России
30 июня 2009 года в Москве прошел первый в России международный симпозиум, посвященный технологиям производства солнечных элементов и батарей, а также методам их тестирования и испытания. Его организатором выступила компания "Совтест АТЕ". На симпозиуме освещались такие актуальные вопросы, как перспективы развития солнечной энергетики в России, тонкопленочные технологии и оборудование для нанесения SiN на подложку, автоматизированное производство кристаллических солнечных элементов, оборудование для жидкостной химической обработки в производстве солнечных батарей, стандарты испытаний для кристаллических и тонкопленочных модулей в фотовольтаике, испытательные системы для солнечных модулей.
Материалы докладов для симпозиума были подготовлены представителями зарубежных партнеров "Совтест АТЕ", разрабатывающими технологии и оборудование для производства солнечных батарей. В ходе мероприятия были представлены новейшие технологии и оборудование фотовольтаики, широко применяемые в Европе и в США. Демонстрировалось оборудование для основных этапов изготовления солнечных батарей, включая оборудование для жидкостной химической обработки пластин (компания RENA), термических процессов (Despatch), для нанесения антиотражающего покрытия (Roth&Rau), а также оборудование для полной автоматизации производственных линий (MANZ Automation) и для тестирования готовых изделий (Votsсh).
Симпозиум вызвал живой интерес у его участников, в числе которых были представители ведущих российских государственных корпораций, основных предприятий-производителей ФЭП и солнечных модулей в России, инновационных компаний и специализированных журналов. По результатам симпозиума уже обсжудается ряд международных проектов в сфере фотовольтаики, а также возможность создания в России ассоциации предприятий, работающих в сфере солнечной индустрии. Ее целью станет дальнейшее развитие фотоэлектрической энергетики в России, обмен опытом между ведущими производителями в данной области и укрепление инновационной составляющей российской экономики.
Отметим, что в России уже восемь предприятий обладают технологиями и производственными мощностями для изготовления солнечных элементов и модулей общей мощностью 2 МВт в год. Все вместе в год они выпускают фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) с суммарной мощностью около 12–13 МВт, что не превышает 1% от общемирового производства. Наиболее крупными являются предприятия "Солнечный ветер" (Краснодар), "Красное знамя" (Рязань), и "Квант-Солар" (Москва). Крупнейшим из них выступает "Солнечный ветер" с объемом производства 5 МВт (примерно 36% от общероссийского производства). Рязанская область располагает двумя предприятиями в этой сфере – ОКБ завода "Красное знамя" и "Рязанский завод металлокерамических изделий". Они выпускают ФЭП суммарной мощностью примерно 3 МВт в год (22% от общероссийского объема производства), на долю предприятий Московской области приходится порядка 40% российского рынка производимых ФЭП и модулей.
Как видно из приведенных данных, массовая солнечная энергетика в стране находится в самом начале становления, в связи с чем внутренний рынок солнечных элементов (модулей) имеет огромный потенциал. Определенное понимание данных перспектив есть и у руководства страны. Так, в январе этого года появилось Распоряжение Правительства РФ № 1р "Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года". В нем говорится о повышении энергетической эффективности электроэнергетики страны на основе использования возобновляемых источников энергии, и в том числе за счет солнечного излучения. Распоряжение также включает комплекс мероприятий, стимулирующих использование фотовольтаики для производства электроэнергии.
Одним из ведущих российских поставщиков оборудования и технологий для производства ФЭП и солнечных модулей выступает ООО "Совтест АТЕ" (Курск). Компания установила деловые отношения с ведущими производителями оборудования для солнечной энергетики из Европы, США и Азии. Благодаря этому компания реализует инновационные проекты по созданию в России современных производств для выпуска солнечных элементов и батарей. Важно отметить, что при этом используются как зарубежные "ноу-хау", так и новейшие разработки российских ученых в сфере фотовольтаики.
Д.Урманов, директор по развитию ООО "Совтест АТЕ"
Для сборки и монтажа микроэлектронных компонентов разработано и применяется множество различных видов пайки и сварки [1]. При производстве изделий микроэлектроники и радиоэлектронной аппаратуры монолитный контактный узел предполагает наличие трех основных компонентов: контактной площадки навесного элемента, контактной площадки подложки и соединяющего их промежуточного звена. При этом промежуточное звено образует токопроводящее соединение контактной площадки навесного элемента и контактной площадки подложки (платы). Навесными элементами могут быть активные полупроводниковые приборы на кристалле и пассивные компоненты (конденсаторы, резисторы, датчики и др.). Подложкой могут служить корпуса или коммутационные платы. В идеале надежное монолитное контактное соединение должно обладать теми же свойствами, что и соединяемые материалы. Чтобы достичь желаемого результата, в зоне контактирования необходимо сформировать такие же химические связи, как и в соединяемых материалах. Физические и прочностные характеристики соединений материалов определяются расположением атомов (ионов) и действующими между ними химическими связями [2]. При формировании монолитного соединения металлов атомы сближаются на расстояние 0,2–0,3 нм, при этом волновые функции валентных электронов перекрываются, и они получают возможность переходить от одного атома к другому, довольно свободно перемещаясь по всему объему металла. Валентные электроны принято называть "коллективизованными", а связь между ионами – металлической [2].
Формирование контактного узла в реальных условиях затрудняется рядом факторов. Во-первых, соединяемые элементы конструкций представляют собой поликристаллические материалы, не имеющие идеально чистых и идеально гладких поверхностей. На поверхности соединяемых изделий присутствуют и макроскопическая, и микроскопическая геометрические неоднородности – волнистость и шероховатость. Кроме того, задача формирования контактного узла значительно усложняется из-за наличия на соединяемых поверхностях оксидов, адсорбированных газов, влаги, органических загрязнений.
Для образования металлических связей необходимо обеспечить сплошной физический контакт по всей поверхности соединения и удалить с контактных поверхностей загрязнения, наиболее прочными из которых являются оксиды. Задача эта не из легких, так как в атмосфере на очищенных поверхностях уже за 2,48·10-9 ч образуется мономолекулярный слой газа, т.е. как бы ни очищали поверхности, они всегда оказываются покрытыми слоем оксида [2]. Однако, несмотря на большое число предварительных условий формирования контакта, образование металлических связей происходит, например, в процессе пластической деформации материалов под действием приложенных сжимающих усилий. Свойства полученного соединения зависят от ряда факторов, вызвающих образование межатомных связей, которые в зоне соединения изменяют микроструктуру, химический и фазовый состав соединяемых материалов, формируют внутренние напряжения [2].
Получение контактных соединений с использованием ультразвуковой сварки – одного из наиболее распространенных методов холодной сварки давлением – хорошо зарекомендовало себя при сборке изделий микроэлектроники и монтаже радиоэлектронной аппаратуры с повышенными требованиями к надежности [2, 3, 4, 6]. Этот способ сварки позволяет получать соединения материалов с окисленными поверхностями при минимальном тепловом воздействии на структуру чувствительных к нагреву элементов микросхем, благодаря чему он и применяется широко на операциях сборки и монтажа.
В качестве промежуточного элемента в микроэлектронике получил распространение гибкий носитель с ленточными выводами [1], конструкция которого представляет собой совокупность плоских ленточных выводов, выполненных на диэлектрическом основании. Гибкий носитель изготавливают из двухслойной лакофольговой ленты (алюминиевая или медная фольга на полиимидной пленке) фотохимическим способом в автоматическом режиме [4]. Все индивидуальные промежуточные звенья контактных узлов гибкого носителя сведены в единое целое и зафиксированы. Такая конструкция позволяет:
* автоматизировать процессы формирования контактных узлов, а изготовителю и потребителю контролировать параметры собранных микросхем;
* улучшить теплоотвод благодаря увеличенному сечению ленточных выводов;
* повысить надежность контактного соединения.
Систему внутренних выводов носителя на диэлектрическом основании присоединяют к контактным площадкам кристалла ультразвуковой сваркой (см. рисунок). В ходе этого процесса после совмещения выводов с контактными площадками сварочный инструмент скоростной программируемой установки с микропроцессорным управлением последовательно обходит места сварки. После полимерной защиты мест сварки и контроля параметров интегральная микросхема непосредственно перед установкой на плату (подложку) потребителя вырубается из носителя. Система наружных выводов, присоединяемых к контактным площадкам платы по унифицированному контуру, также формируется с помощью ультразвука. Выводы в зонах присоединения к контактным площадкам кристалла и платы выполнены на основе унифицированных элементов, геометрия которых разработана с учетом автоматизации процессов сварки и обеспечения надежного электрического контакта на основе механических, термодинамических, электрохимических и радиационных характеристик материалов.
Рассмотрим взаимосвязь прочности сварных соединений с физико-механическими характеристиками контактных элементов.
Физические процессы при ультразвуковом присоединении ленточных выводов к контактным площадкам
Цикл сборки бескорпусной микросхемы на гибкий носитель с ленточными выводами и монтаж радиоэлектронной аппаратуры на платы включает следующие основные операции:
* присоединение выводов гибкого носителя к контактным площадкам кристалла микросхемы;
* нанесение полимерной защиты;
* измерение электрических параметров микросхем;
* поверхностный монтаж на печатную плату или подложку.
Соединения выполняются ультразвуковой микросваркой, протекающей в твердой фазе без образования литого ядра. Для такого вида сварки характерна трехступенчатая кинетика процесса: образование физического контакта между соединяемыми поверхностями, активация поверхностей и объемное развитие взаимодействия [5]. При формировании монолитного соединения прижатые друг к другу поверхности начинают контактировать в точках касания, сконцентрированных в определенных областях. Из-за с неровностей поверхностей контактирующих металлов фактическая площадь касания значительно меньше номинальной площади контакта. Знакопеременная деформация, инициированная механическими тангенциальными УЗ-колебаниями сварочного инструмента приводит к увеличению числа пятен касания и превращению их в узлы схватывания. Сила сцепления двух металлических поверхностей, прижатых друг к другу под большим удельным давлением, зависит от деформационных явлений в соединяемых металлах и пропорциональна суммарной площади пятен касания. На реальных контактирующих поверхностях размеры этих пятен определяются волнистостью поверхностей (макрорельефом) и шероховатостью поверхности (микрорельефом). По мере увеличения сжимающего усилия происходит упругая деформация выступов микрорельефа, в соприкосновение входит все большее число выступов. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к пластической деформации контактирующих выступов и к упругой деформации более низких выступов. Сближение абсолютно чистых металлических поверхностей приводит к образованию атомарных металлических связей в плоскости контакта и к релаксации напряжений в окружающем микрообъеме сварной зоны.
Образуемый сварной шов имеет мелкодисперсную структуру, так как механическая деформация, вызываемая УЗ-энергией, приводит к измельчению и перемешиванию поверхностных зерен [1]. Наличие оксидов на контактирующих поверхностях не препятствует возникновению металлических связей. Под воздействием ультразвуковых тангенциальных колебаний происходит диспергирование оксидных пленок, слоев адсорбированной влаги и других загрязнений. Более твердая окисидная пленка растрескивается под воздействием направленных УЗ-колебаний. Осколки пленки, слои адсорбированной влаги и другие загрязнения вытесняются из зон схватывания, преобразуя их в участки металлического соединения [1, 5].
Чем больше доля упругой составляющей в общей упругопластической деформации, тем меньше сила сцепления соединяемых материалов. Значение остаточных напряжений в металле существенно уменьшается с уменьшением толщины, что объясняет явление сцепляемости при сварке тонких проволок и ленточных выводов [5]. Соединения при сборке микросхем и монтаже аппаратуры выполняются проводниками малой толщины (8–60 мкм). Однако самый тонкий проводник в десятки раз толще слоя металлической пленки на кристалле или подложке. Поэтому сварное соединение ограничено взаимодействием приконтактных слоев свариваемых материалов [3].
Для формирования надежного сварного соединения необходимо точно дозировать УЗ-энергию. Это позволяет повысить воспроизводимость качества сварки. Точное дозирование обеспечивается за счет автоматического отключения сварочного импульса, т.е. прекращения воздействия УЗ-колебаний после формирования сварного соединения. В противном случае возможна чрезмерная деформация вывода, уменьшение прочности контактного соединения. На качество УЗ-сварки значительное влияние оказывает жесткость закрепления навесного элемента и подложки. Флуктуация жесткости закрепления приводит к нестабильности воздействия УЗ-энергии в зоне сварки, что также снижает воспроизводимость качества [1].
Фольгированный диэлектрик типа алюминий–полиимид
Гибкие носители представляют собой одно-, двух- и трехслойные ленты-носители. Число слоев определяется наличием в структуре ленты таких слоев, как металлическая фольга, диэлектрическая полимерная пленка и адгезив [7]. Наибольшее распространение при изготовлении бескорпусных микросхем с ленточными выводами получила двухслойная лакофольговая лента. Одно из достоинств такой ленты – отсутствие адгезионной прослойки между металлом и полимерной пленкой. При этом двухслойная структура характеризуется достаточно высокой силой межслойного сцепления. Носитель с безадгезионной высокопрочной структурой пригоден для фотолитографической обработки и группового избирательного травления слоев. Из технологического процесса его изготовления максимально исключено применение операции механической обработки.
Широко используемый при изготовлении носителей ИС и многослойных печатных плат диэлектрик марки ФДИ-АП [8] представляет собой двухслойную ленту, изготовленную нанесением полипиромеллитимидного лака на алюминиевую фольгу. Изготавливаемая сегодня промышленностью фольга алюминия различных марок используется главным образом лишь в качестве упаковочного, изоляционного и электротехнического материала. Такая фольга не может удовлетворять следующим требованиям, предъявляемым к конструкционным материалам, подвергающимся воздействиям температур, кислот, щелочей и механических напряжений:
* наличие ровной, без царапин волнистости, вмятин, коррозии и складок поверхности;
* высокие механические характеристики: прочность при разрыве не менее 100 МПа, низкая шероховатость поверхности, высокая прочность сцепления с лаковой пленкой;
* возможность формирования конструктивных элементов фотохимическим способом.
С тем, чтобы выпускаемую фольгу можно было использовать в качестве конструкционного материала, потребовалось изучение ее физико-механических свойств, отличающихся от свойств материала большой толщины (более 0,2 мм) [9, 10].
Изготовление фольги сопровождается глубокой деформацией металла, последствия которой полностью не устраняются отжигом. Сильная деформация может привести к образованию микроскопических трещин и надрывов на поверхности фольги и вблизи включений фаз, оксидов, других металлов. Соизмеримость размера зерна с толщиной фольги оказывает влияние на процесс ее пластической деформации. Большое отношение поверхности фольги к ее объему может привести к усилению роли поверхностных явлений (окисления, адсорбции, абсорбции и т.п.). Кроме этого, малая толщина фольги по сравнению с ее шириной и отсутствие действующих по толщине напряжений приводят к образованию локальных деформаций при растяжении. Появление дефектов, видимых невооруженным глазом (макродефектов), говорит о том, что в материале одновременно образовались и видимые при достаточно большом увеличении микродефекты, которые проявляются при обработке материала. Но отсутствие макродефектов не гарантирует отсутствия в исходном материале микродефектов [10].
В обычных условиях на воздухе фольга покрывается очень прочной тончайшей (1·10-5 мм) оксидной пленкой [9]. Это – плотная и непористая пленка, прочно сцепленная с металлом, так как нижние ее слои повторяют строение кристаллической решетки алюминия. Наличие оксидной пленки обеспечивает высокую стойкость к воздействию кислот, щелочей, воды и загрязненного воздуха. Однако присутствие примесей, особенно меди, железа, магния, резко снижает устойчивость алюминия к воздействию агрессивных сред [9]. Неровности (микротрещины, царапины и т.п.), образующиеся на поверхности фольги, являются эффективными концентраторами напряжений.
Эффективность технологического процесса фотохимического фрезерования, качество и точность изготовления элементов конструкции гибких носителей зависит от состояния поверхности металлической фольги перед нанесением защитной маски [11]. Остаточные механические и жировые загрязнения, неоднородность поверхности подложки снижают разрешающую способность процесса фотохимического фрезерования. При удалении с поверхности механических загрязнений и оксидов формируются определенная текстура и микрошероховатость поверхности, задающие размеры элементов конструкции. Характер и скорость травления при химическом фрезеровании зависят от структуры металла. Крупнозернистая поверхность алюминиевой фольги приводит к уменьшению разрешающей способности травления. Кроме того, на характер локального растворения поликристаллических материалов (в том числе и алюминия) оказывают влияние соседние кристаллы различной ориентации, что проявляется в неравномерном травлении элементов конструкции по полю одной детали и всей заготовки. Чем мельче кристаллическая структура металла или сплава, тем совершеннее статическое распределение ориентации зерен и тем равномернее протекает процесс травления [11]. Следует учитывать и существенное различие структур отожженных и неотожженных образцов, заключающееся в различной преимущественной ориентации кристаллов.
Температурная обработка поверхности фольги перед формированием защитной маски существенно влияет на качество деталей, повышая равномерность травления и точность изготовления элементов конструкции носителей.
Продолжение следует.
Литература
1. Дуболазов В.А, Синекоп Ю.С, Томашпольский Л.В. Технология сборки интегральных микросхем.– Киев, Виша школа, 1987.
2. Фролов В.А., Пешков В.В., Коломенский А.Б., Казаков В.А. Сварка. Введение в специальность. – М.: Интермет инжиниринг, 2004.
3. Рыдзевский А.П., Беляков А.И., Онегин Е.Е. Ультразвуковая сварка в микроэлектронике. – Обзоры по электронной технике. Сер. Технология, организация производства и оборудование. — М.: ЦНИИ Электроника, 1974, вып. 7(234).
4. Баширов А., Морозов В. Монтаж микросхем на гибком носителе – дань прошлому или приближение будущего? – Печатный монтаж, 2007, №5.
5. Иванов-Есипович Н.К. . Физико-химические основы производства радиоэлектронной аппаратуры– М.: Высшая школа, 1979.
6. Шеревеня А.Г. Автоматизированная сборка БИС на гибком носителе – Электронная техника. Сер. Технология, организация производства и оборудование, 1983, № 5 (120).
7. Морозов В.В. Сборка интегральных микросхем на гибких носителях с ленточными выводами. – М.: ООО "НТЦ Микротех", 2007.
8. Худяков К.И., Баранов Е.М., Дольников С.С. Промышленное производство беспроволочных ИС на ленточном носителе алюминий-полиимид и сборка ИС на ленточных носителях. – Электронная техника. Сер. Технология, организация производства и оборудование, 1983.
9. Петрова В.З. и др. Материалы и химические процессы в технологии микроэлектроники. – Учебное пособие, ч. 3, М.: МИЭТ, 1993.
10. Дриц М.Е., Каданер Э.С., Торопова Л.С., Копьев И.М. Структура и свойства легированной алюминиевой фольги.– М.: Металлургия, 1975.
11. Ипполитова Л.А., Пономарева З.И. Подготовка поверхности металлов при химическом фрезеровании.– Электронная техника. Сер. Технология, организация производства и оборудование, 1983, вып. № 5 (120) .
Развитие солнечной энергетики в России
30 июня 2009 года в Москве прошел первый в России международный симпозиум, посвященный технологиям производства солнечных элементов и батарей, а также методам их тестирования и испытания. Его организатором выступила компания "Совтест АТЕ". На симпозиуме освещались такие актуальные вопросы, как перспективы развития солнечной энергетики в России, тонкопленочные технологии и оборудование для нанесения SiN на подложку, автоматизированное производство кристаллических солнечных элементов, оборудование для жидкостной химической обработки в производстве солнечных батарей, стандарты испытаний для кристаллических и тонкопленочных модулей в фотовольтаике, испытательные системы для солнечных модулей.
Материалы докладов для симпозиума были подготовлены представителями зарубежных партнеров "Совтест АТЕ", разрабатывающими технологии и оборудование для производства солнечных батарей. В ходе мероприятия были представлены новейшие технологии и оборудование фотовольтаики, широко применяемые в Европе и в США. Демонстрировалось оборудование для основных этапов изготовления солнечных батарей, включая оборудование для жидкостной химической обработки пластин (компания RENA), термических процессов (Despatch), для нанесения антиотражающего покрытия (Roth&Rau), а также оборудование для полной автоматизации производственных линий (MANZ Automation) и для тестирования готовых изделий (Votsсh).
Симпозиум вызвал живой интерес у его участников, в числе которых были представители ведущих российских государственных корпораций, основных предприятий-производителей ФЭП и солнечных модулей в России, инновационных компаний и специализированных журналов. По результатам симпозиума уже обсжудается ряд международных проектов в сфере фотовольтаики, а также возможность создания в России ассоциации предприятий, работающих в сфере солнечной индустрии. Ее целью станет дальнейшее развитие фотоэлектрической энергетики в России, обмен опытом между ведущими производителями в данной области и укрепление инновационной составляющей российской экономики.
Отметим, что в России уже восемь предприятий обладают технологиями и производственными мощностями для изготовления солнечных элементов и модулей общей мощностью 2 МВт в год. Все вместе в год они выпускают фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) с суммарной мощностью около 12–13 МВт, что не превышает 1% от общемирового производства. Наиболее крупными являются предприятия "Солнечный ветер" (Краснодар), "Красное знамя" (Рязань), и "Квант-Солар" (Москва). Крупнейшим из них выступает "Солнечный ветер" с объемом производства 5 МВт (примерно 36% от общероссийского производства). Рязанская область располагает двумя предприятиями в этой сфере – ОКБ завода "Красное знамя" и "Рязанский завод металлокерамических изделий". Они выпускают ФЭП суммарной мощностью примерно 3 МВт в год (22% от общероссийского объема производства), на долю предприятий Московской области приходится порядка 40% российского рынка производимых ФЭП и модулей.
Как видно из приведенных данных, массовая солнечная энергетика в стране находится в самом начале становления, в связи с чем внутренний рынок солнечных элементов (модулей) имеет огромный потенциал. Определенное понимание данных перспектив есть и у руководства страны. Так, в январе этого года появилось Распоряжение Правительства РФ № 1р "Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года". В нем говорится о повышении энергетической эффективности электроэнергетики страны на основе использования возобновляемых источников энергии, и в том числе за счет солнечного излучения. Распоряжение также включает комплекс мероприятий, стимулирующих использование фотовольтаики для производства электроэнергии.
Одним из ведущих российских поставщиков оборудования и технологий для производства ФЭП и солнечных модулей выступает ООО "Совтест АТЕ" (Курск). Компания установила деловые отношения с ведущими производителями оборудования для солнечной энергетики из Европы, США и Азии. Благодаря этому компания реализует инновационные проекты по созданию в России современных производств для выпуска солнечных элементов и батарей. Важно отметить, что при этом используются как зарубежные "ноу-хау", так и новейшие разработки российских ученых в сфере фотовольтаики.
Д.Урманов, директор по развитию ООО "Совтест АТЕ"
Отзывы читателей
