Содержание.
Глава 1. Введение........................................ 3
Глава 2. Технологическая часть… 6
2.1. Анализ существующих методов сборки… 7
2.1.1. Проволочные методы… 7
2.1.2. Метод перевернутого кристалла… 17
2.1.3. Современные конструкции гибкихносителей для
монтажа БИС… 18
2.1.4. Метод переноса объемных выводов… 23
2.2. Разработка техпроцесса сборки«высоковольтного
драйвера" для газоразрядногоэкрана на полиимидном
носителе… 25
Глава 3. Конструкторская часть… 26
3.1. Анализ конструкции экрана сприменением
высоковольтного драйвера на полиимидномносителе… 27
3.2. Проектирование полиимидногоносителя для сборки
высоковольтного драйвера… 32
3.2.1. Автокад. Общие сведения… 32
3.2.2. Конструкторско-технологическиеограничения на
разработку полиимидного носителя… 34
3.3. Разработка конструкции длякрепления кристалла
при ультразвуковой сварке… 41
Глава 4. Исследовательская часть…42
4.1. Анализ научно-техническойинформации по сварным
узлам лепестковых выводов бескорпусныхБИС… 43
4.2. Оценка напряжений в сварныхсоединениях
бескорпусных БИС… 45
4.3. Конструктивное исполнение сварныхузлов… 46
4.4. Расчет оптимальной рабочей длиныбалки,
в зависимости от толщины полиимида итолщины фольги… 48
4.5. Технологические рекомендации повыполнению
сварных узлов бескорпусных БИС… 49
Глава 5. Расчет себестоимостивысоковольтного
драйвера газоразрядного экрана ипрогнозирование
путей ее снижения… 53
5.1. Понятие себестоимости… 54
5.2. Затраты, включаемые всебестоимость… 55
5.3. Учет технологических потерь… 56
5.4. Расчет себестоимостивысоковольтного драйвера… 58
5.5. Пути снижения себестоимости… 62
5.6. Расчет себестоимости изделия,учитывая пути
ее снижения… 63
5.7. Заключение… 65
Глава 6. Анализпроизводственно-экологической
безопасности при производствевысоковольтных драйверов
газоразрядных экранов… 66
6.1. Анализ опасных и вредныхвоздействий при операциях
сборки и монтажа высоковольтныхдрайверов… 67
6.2. Требования безопасности приорганизации
технологических операций…72
6.3. Обеспечение экологическойбезопасности
на производстве… 78
6.4. Заключение… 82
Выводы… 83
Список литературы… 84
Приложение… 85
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1.
Введение.
К настоящемувремени микроэлектроника сформировалась как генеральное схемотехническое иконструктивно-технологическое направление в создании средств вычислительнойтехники, радиотехники и автоматики.
Основополагающаяидея микроэлектроники — конструктивная интеграция элементов электронной схемыобъективно приводит к интеграции схемотехнических, конструкторских и технологическихрешений, которая выражается в тесной взаимосвязи и взаимообусловленности всехэтапов проектирования интегральной микросхемы. При этом главным связующимзвеном всех этапов проектирования является задача обеспечения высокойнадежности ИМС.
Важнейшейзадачей схемотехнического проектирования, является разработка быстродействующихи надежных схем, устойчиво работающих при низких уровнях мощности (малаядопустимая мощность рассеивания), в условиях сильных паразитных связей (высокаяплотность упаковки) и при ограниченных по точности и стабильности параметровэлементов. Потенциальная возможность ИМС на этом этапе проектированияоценивается с учетом возможностей выбранного структурно технологическоговарианта ИМС и его технологической реализации.
Конструктор,стремясь сохранить быстродействие и надежность ИМС на проектном уровне,определяет оптимальную технологию, выбирает материалы и технологические методы,обеспечивающие надежные электротехнические соединения, а также защиту отокружающей среды и механических воздействий с учетом технологических возможностейи ограничений.
Притехнологическом проектировании синтезируется оптимальная структуратехнологического процесса обработки и сборки, позволяющая максимально использоватьотработанные, типовые процессы и обеспечивать высокую воспроизводимость,минимальную трудоемкость и стоимость с учетом конструкторских требований.
Важным этапомтехнологического проектирования, направленного на обеспечение качества инадежности ИМС, является разработка операций контроля на всех этапахпроизводства ИМС: входного контроля основных и вспомогательных материалов икомплектующих изделий, контроля в процессе обработки, межоперационного контроляполуфабрикатов и выходного контроля готовых изделий.
Рост степениинтеграции и функциональной насыщенности единицы объема изделиймикроэлектроники, объективно приводит к микроминитюаризации их исполнения.
Практикапоказывает, что проблемы, связанные с микроминитюаризацией, комплексно могутбыть решены на базе разработки и внедрения новых конструктивно-технологическихпринципов сборки ИМС и аппаратуры на их основе.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ
ЧАСТЬ
Глава 2.
2.1. Анализ существующих методов сборки БИС.
2.1.1. Проволочные методы сборки БИС.
Соединенияпроволокой является в настоящее время, к сожалению, пока наиболеераспространенным способом монтажа ИМС. Рассмотрим особенности этого способа.
Присоединениепроволочных выводов.
Монтажныеоперации, связанные с присоединением выводов, осуществляются, во-первых, длясоздания внутрисхемных соединений при монтаже кристаллов на подложках гибридныхпленочных микросхем и микросборок (контактная площадка кристалла при этомсоединяется с контактной площадкой подложки с помощью перемычки илинепосредственно); во-вторых, для коммутации контактных площадок кристалла ИМСили периферийных контактов гибридных микросхем и микросборок с внешними выводамикорпуса.
Выводы можноприсоединять микросваркой или пайкой.
С помощьюпайки получают ремонтопригодные соединения. В то же время, паяное соединениехарактеризуется относительно большой плоскостью и сам процесс низкойпроизводительностью, возможно растворение материала перемычек и пленочныхконтактов в расплавленном припое; воспроизводимость параметров соединений невысока. В связи с этим применение пайки для присоединения выводов ограничено.
рис 1
1-кристалл;2-вывод; 3- внешний вывод;
Примикросварке, соединение может быть получено за счет плавления и давления.Микросварка плавлением основана на сильном локальном нагреве и ускореннойвзаимной диффузии соединяемых материалов. Возможность образования при этомхрупких интерметаллических соединений и ухудшение адгезии тонких металлическихпленок к подложке ограничивает применение этого метода.
Наиболеешироко применяют разновидности микросварки давлением, при которых соединениеформируется в твердой фазе за счет сжатия поверхностей и нагрева. Этообусловлено возможностью управления параметрами процесса, его механизации иавтоматизации, высоким качеством и воспроизводимостью параметров соединения. При микросварке давлением, формыи размеры сварной точки строго определены рабочей частью инструмента и площадьюполучаемого соединения.
В качествевыводов используют проволоку крупного сечения из золота или алюминия.Применяемая золотая проволока марки Зл 999.9 имеет диаметр 25-60 мкм. иотносительное удлинение 10%. Недостатками такой проволоки являются высокаястоимость, большой удельный вес, снижающаяся стойкость к вибрациям и ударнымнагрузкам, невысокое сопротивление разрыву (для отоженной проволоки около 120Н/кв.мм ) и возможность образования при неблагоприятных условиях салюминием хрупких и пористых соединений типа AlnAum.
Использованиевыводов из чистого алюминия марки А995 также ограничено из-за невысокойпрочности ( для мягкой проволоки около 75 Н/кв.мм ), что вынуждаетувеличивать диаметр проволоки до 100 мкм. и приводит к увеличению площадипроектируемых контактов. Лучшие характеристики имеет проволока изалюминий-кремниевого сплава А999К09 и АК09П, и алюминий-магниевого сплава АМ208,прочность которых, в отоженном состоянии достигает 450 Н/кв.мм. при относительном удлинении до 4%. Проволокувыпускают в диапазоне диаметров: 27-50 мкм. Проволока марки АК09П(«прецезионная») имеет допуск на диаметр ± 1 мкм. и повышенную равномерностьмеханических свойств по длине.
Виды микросварных соединений и инструмента.
Обычно припроволочном монтаже применяются соединения встыки внахлест .
рис2
Приотсутствии загрязнений на соединяемых поверхностях прочность соединений зависитот площади контакта. Давление инструмента на проволоку приводит к пластическойдеформации материала проволоки. Однако, при этом снижается прочность проволокив месте перехода от деформируемого участка к недеформированному. При механическихвоздействиях здесь возникает концентрация напряжений. В связи с этим сваркупроволочных выводов внахлест целесообразно выполнять с переменной по длинесварки деформацией проволоки. Это достигается наклоном инструмента на несколькоградусов в сторону, противоположную формируемой перемычке. Во избежание подрезапроволоки кромка инструмента должна быть закруглена. При сварке встык, плавныйпереход проволоки в деформированную область обеспечивается закруглением илифаской у выхода отверстия инструмента. Площадь контакта соединения зависит отплощади рабочего торца инструмента, от диаметра проволоки и степени ее деформации.Размеры сварного соединения в зависимости от этих параметров приведены втаблице 1.
Таблица 1
ОСОБЕННОСТИ
СОЕДИНЕНИЯ
Деформация проволоки
ДИАМЕТР ПРОВОЛОКИ, мкм
20 30 50 100
Внахлест клиновым
инструментом с
шириной торца 2dпр
75
50
25
70(30)
60(40)
50(30)
110(75)
100(50)
90(40)
180(130)
160(90)
140(70)
320(250)
320(160)
270(130)
То же с шириной торца
3dпр
50
75
100(40)
110(50)
140(50)
150(75)
220(90)
260(130)
450(120)
475(250)
Встык капиллярным
инструментом при диаметре шарика (2-2.5)dпр
25
50
75
60(30)
70(45)
85(75)
90(45)
100(75)
150(135)
140(60)
160(100)
200(175)
290(100)
300(200)
400(350)
P.S. Размеры без скобок обозначает длину сварногосоединения, а в скобках — ширину сварного соединения.
В зависимостиот материала вывода и контактной площадки используют термокомпрессионную сварку(ТКС), сварку косвенным импульсным нагревом (СКИН), электроконтактнуюодностороннюю сварку (ЭКОС) сдвоенным инструментом и ультразвуковую сварку(УЗС). Определяющей тенденцией развития методов микросварки от ТКС до УЗСявляется локализация зоны нагрева, что уменьшает тепловое воздействие наизделие в целом и повышает воспроизводимость параметров сварного соединения.
Таблица 2
Термокомпрессионная сварка.
Притермокомпрессионной сварке соединение образуется в твердой фазе в результатенагрева и сжатия соединяемых поверхностей. Пластическая деформация, возникающаяв зоне контакта, способствует вытеснению адсорбированных газов и остаточныхзагрязнений с контактных поверхностей, становится возможным электронное взаимодействие соединяемыхматериалов, т.е. образование межатомных связей. Получению прочного соединенияспособствует также ограниченная взаимная диффузия материалов и образованиятвердых растворов в тонкой приграничной области.
Режимтермокомпрессионной сварки характеризуется следующими параметрами:
1)Температурой нагрева, обычно равной температуре обжига более пластичного изсвариваемых материалов. Температура нагрева не должна превышать температурыэвтектики этих материалов во избежание образования жидкой фазы. Для большинствапрактических случаев температура в зоне сварки лежит в пределах 300-400°С;
2) Давлениеминструмента, которое должно обеспечивать деформацию проволоки после ее нагревав пределах 25-75%. При этом прочность соединения должна составлять не менее40-50% прочности проволоки на разрыв в исходном состоянии;
3) Временнымвоздействиям температуры и давления, необходимым для завершения процесса«схватывания» материала.
Предпосылкамидля получения качественного сварного соединения методом термокомпрессионнойсварки являются: высокая пластичность проволоки, а также высокая взаимнаядиффузия в твердой фазе свариваемых материалов. В соответствии с этимпредпочтительными материалами для выводов являются золото и алюминий. Присварке Au и Al в результате взаимной диффузии и нагрева возможно образованиеинтерметаллических соединений (AuAl2, Au2Al? AuAl и др.) некоторые из них хрупкие и рыхлые, чтоснижает прочность соединений.
Процесстермокомпрессионной сварки реализуется рядом автоматизированных установок,например ЭМ-490Б. В этом автомате подача приборов, определение положениякристалла и присоединение проволочных выводов производится автоматически.Двухкоординатный стол и сварочная головка с приводом от шаговыхэлектродвигателей обеспечивает высокую производительность установки(14000оп./час). Специальный блок распознавания с телевизионным датчиком на базевидеокна, обладающий малыми геометрическими размерами и высокой стабильностьюработы, определяют положение кристалла ИС с высокой точностью. Оптическаясистема обеспечивает быструю смену увеличения линз 1, 2 и 4.
К недостаткамтермокомпрессии следует отнести ограниченное количество сочетаний соединяемыхматериалов, жесткие требования к подложкам, которые должны быть изготовлены изматериалов, обладающих малой чувствительностью к термическому удару и хорошейадгезией с напыленными пленками, и ограниченные геометрические размерысоединяемых элементов. Процесс черезвычайно чувствителен к загрязнениямповерхности, окисным пленкам, внешним условиям; и требует подбора режиматермокомпрессии.
Сварка с косвенным импульсным нагревом.
Этот видмикросварки отличается от компрессионной тем, что разогрев рабочей зоныосуществляется только в момент сварки импульсом тока, проходящего непосредственночерез инструмент, после приложения давления. Специальная V-образная конструкцияинструмента дает возможность сосредоточить выделяющуюся теплоту, передаваемуюсоединяемым элементам, на его торцевой (рабочей) части. Сопротивлениедеформации при этом падает под действием приложенного давления, происходит осадкаметаллического проводника и образование соединения.
Локализациянагрева в зоне соединения существенно уменьшает тепловые воздействия на изделияв целом и позволяет сваривать менее пластичные материалы. В то же время воизбежание теплового удара на подложку в зону сварки часто требуется небольшойобщий подогрев изделия, т.е. нагрев рабочего столика.
В отличие оттермокомпрессии, процесс взаимной диффузии при сварке с косвенным импульснымнагревом играет более существенную роль в обеспечении прочности соединения.
Основнымипараметрами процесса являются давление и температура нагрева инструмента, атакже длительность импульса нагрева. При сварке на ситалловых подложкахориентировочные параметры сварки следующие :
Таблица 3
Материал
контактной
площадки
Материал
вывода и
dПР, мкм
Давление
инструмен-
та
Температ.
инструм.
Длитель-
ность
импульса
Степень деформац.
Au, Al, Cu,
Ni
Au,24-80
80-140
300-550
0.1-0.5
50-60
Au, Al
Al,
30-100
30-80
350-550
0.1-0.5
60-70
Au, Cu, Ni
Cu,
30-80
150-200
400-650
0.1-1.0
55-65
Для точногодозирования энергии проводимой в зону сварки и уменьшения инертности процесса,используют амплитудно-модулированный импульс тока с несущей частотой от 0.5 до1.5 кГц. Устройство автоматической стабилизации обеспечивает точность температурыторца инструмента в пределах ± (2-5)°С.
Инерционностьпроцесса определяется охлаждением торца инструмента до исходной температуры,которая влияет на длительность интервала между последовательными цикламисварки. Для соединения внахлест применяют круглый V-образный инструмент сконусной частью. Средний диаметр торца составляет 0.2 мм т.е. (2-3)dПР.Такая форма позволяет выполнить сварные соединения с интервалом до 1с. ПлоскийV-образный инструмент толщиной 0.2 мм с дополнительными медными теплоотводамиуменьшает интервал до 0.5с.
Инструментизготавливают из ниобиевых теплостойких сплавов (стойкость до 6000 сварныхточек) или из твердых сплавов (до 40000 сварных точек).
Сваркасдвоенным электродом является разновидностью контактной сварки, приспособленнойк особенностям соединений в микросхемах. Эти особенности предопределяютодностороннее расположение выводов (электродов) и объединение их в жесткую конструкциюс электроизоляционной прослойкой. В зависимости от диаметра проволоки дляперемычки (30-150 мкм) длина торца каждого, составляет 20-100 мкм, ширина80-600 мкм, толщина прокладки 30-220 мкм. Материалом электродов могут бытьвольфрам, молибден и др. Материалы прокладок — слюда, синтетический корунд идр. Относительно большие размеры инструмента позволяют сваривать перемычкидиаметром до 250 мкм, но требуют при этом соответствующего увеличенияконтактных площадок.
В процессесварки перемычка на участке под инструментом является составной частьюэлектрической цепи. Место соединения разогревается за счет тока и выделениятеплоты в месте контакта «перемычка-электрод».
Воспроизводимостькачества соединения существенно зависит от повторяемости значенийэлектрического сопротивления в месте контакта. Поэтому сварочные установкипредусматривают автоматическое регулирование усилия сжатия (3-10 Н) позаданному контактному сопротивлению. Кроме того, целесообразно импульсноевоздействие давления: давление включается в момент нагрева почти домаксимальной температуры и снижается перед выключением нагревающего импульсатока (600-1000 Гц) и модуляция тока по амплитуде позволяет обеспечитьпредварительный постепенный прогрев зоны сварки в начале цикла, что исключаеттепловой удар на контактную площадку и отжиг материала в сварной точке в концецикла.
В зависимостиот режимов сварки (длительности, мощности и скважности импульсов, а такжеприложенного давления) могут иметь место следующие механизмы соединения :
1) Соединенияв твердой фазе в результате рекристаллизации соединяемых материалов ипрорастания зерен через поверхность раздела;
2) Соединениениже температуры рекристаллизации за счет электронного взаимодействия имежатомного сцепления;
3) Соединениев жидкой фазе в результате расплавления при