eng
Выпуск #6/2000
О. Мужиченко, Н. Плис.
Термомеханические напряжения в сборочных микроузлах при монтаже БИС. Расчет и эксперимент
Термомеханические напряжения в сборочных микроузлах при монтаже БИС. Расчет и эксперимент
Просмотры: 2499
Основная причина деградации электрических параметров полупроводниковых приборов – механические и термические воздействия на них в процессе шлифовки и разделения пластин на кристаллы, монтажа кристаллов, микросварки проволочных и пайки ленточных выводов, герметизации. При этом возможно снижение реальной прочности кремниевых пластин с 300–1000 до 60–180 МПа. Структурные и остаточные термомеханические напряжения на операциях сборочного производства ИС и БИС могут достигать 20-160 МПа или даже разрушающего полупроводниковый материал уровня. Поэтому разработка рекомендаций и методов, исключающих возникновение высоких уровней напряжений, особенно для БИС, предназначенных для поверхностного монтажа на платы, – задача важная и актуальная.
Материалы и методика. Кристаллы БИС присоединяются к корпусам и кристаллодержателям в основном с помощью эвтектического сплава Аu-Si, эпоксидных или каучуковых клеев. Поэтому величины остаточных термомеханических напряжений (s) после монтажа кристаллов рассчитывались и измерялись в основном для этих типов материалов. Величина s определялась как сумма начальных напряжений в кристалле sS = sos + soт, где sos и soт – структурные и температурные напряжения, соответственно и напряжений в кристалле после монтажа его на клеи или эвтектический сплав Au-Si (sм), т.е. [1]:
....
Расчеты sS и sм проводились по формуле [2]:
...,
где DТ – диапазон изменения температуры, 1 и 2 – температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) основы и вышележащего слоя, соответственно.
Величина Rк для систем кристаллодержатель–клей–кристалл измерялась методом рентгенодифракции, а полученные экспериментально величины s можно рассчитать по формуле
...
где Es – модуль Юнга; DW1/2 – интегральная разность полуширины исследуемого эталонного пика; J – угол дифракции Брэгга; h1 и h2 – значения толщины кремниевого кристалла и кристаллодержателя, соответственно; m1 и m2 – коэффициенты Пуассона; Е1 и Е2 – модули упругости.
Качество монтажа кристалла определялось методом УЗ-микроскопии на оборудовании Sonoscan, США.
Анализ данных, представленных в таблице, показал, что при неизменных значениях температурных напряжений soт с увеличением толщины кремниевых кристаллов ИС структурные напряжения существенно возрастают. При изменении толщины с 0,20 до 0,70 мм рас-считанные с учетом значений sS, приведенных в [3], суммарные значения s = sos + soт для эпоксидных клеев возрастают с 36,4 до 59,0 МПа.
Получено удовлетворительное соответствие между расчетными и экспериментальными значениями s в зависимости от величины h1 (рис.1). Однако расположение кривых для монтажа на эпоксидные и фенолoкаучуковые клеи в верхней части области экспериментальных значений s указывает на то, что в отличие от биметаллических соединений модель связей клеев менее жесткая. Это приводит к частичной релаксации напряжений в клеевых соединениях. Оптимальная толщина кремниевых кристаллов с учетом требований операции разделения пластин на кристаллы равна примерно 200 мкм. Зависимости изменения s от h1 при монтаже БИС на сплав Au-Si, образующийся в результате контактно-реактивного плавления кремния и золота при их контактировании, также показали удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных величин s (рис.2). Некоторое превышение экспериментальными значениями s расчетных обусловлено соответствующим уровнем технологии монтажа кристаллов. При отсутствии пор и пустот в паяном соединении эти величины почти полностью совпадают. Значительного уменьшения s можно добиться за счет механического утонения кремниевых пластин до h1 = 150—200 мкм.
Для существенного уменьшения s в системе кристалл–кристаллодержатель полезно воспользоваться результатами расчета абсолютных значений удлинения кристалла и кристаллодержателя при монтаже кристалла. Коэффициент линейного расширения a в интервале температур DТ = 130–377°C постоянен lB = 1,26lA (рис.3) и опреде-
ляется отношением относительного удлинения к изменению температуры DТ, вызвавшему это удлинение, т.е. [3]
...,
где l0 – первоначальная длина, а l1 – длина при температуре Т. Расчетные данные показали, что при сушке клея сжатие кристалла (например, для разумных банковских карт) длиной l0A= 5 мм равно 0,31 мкм, при пайке его на эвтектической сплав Au-Si расширение составляет 0,81 мкм. Расширение и сжатие кристаллодержателя длиной 6,5 мм при этом равны 4,1 и 10,7 мкм, соответственно. Расчет по простой пропорции показал, что если бы значения сжатия кристаллодержателя и кристалла были одинаковыми, т.е. lA=lВ, то длина кристаллодержателя должна быть равна l0B=0,49 мм. Но это практически не выполнимо, поскольку при такой длине нельзя монтировать кристалл на кристаллодержатель и разворачивать последний в процессе сборки. Нельзя также уменьшать площадь механического и электрического контакта, сохраняя при этом высокую прочность паяных и клеевых соединений и большую площадь взаимодействия поверхности кристалла с герметизирующим пресс-материалом, у которого lп= 60·10-6 град-1. А чем меньше площадь взаимодействия, тем выше s кристалла. Поэтому необходимо найти другие пути снижения s в системе кристалл–кристаллодержатель.
На основе анализа приведенных данных можно предложить два метода уменьшения величины s. Первый – уменьшение эффективной длины кристаллодержателя с помощью продольных и поперечных сквозных отверстий (рис. 4а). Второй – создание демпфирующей развязки между кристаллом и кристаллодержателем (рис. 4б). Экспериментально установлено, что величина s при толщине кристалла (размером 5,0ґ5,0 мм) 460 мкм может быть уменьшена со 100 до 80 МПа при монтаже БИС на эвтектику Au-Si и с 47 до 20 МПа при монтаже на клей.
Таким образом, для кристаллов различной толщины получено удовлетворительное соответствие между расчетными и экспериментальными величинами s и выявлены пути эффективного уменьшения возникающих при монтаже механических напряжений.
Литература
1. Концевой Ю.А., Литвинов Ю.М., Фаттахов Э.А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур.– М.: Радио и связь, 1982.– 240с.
2. Чертов А.В. Единицы физических величин: Учебное пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1997. – 827c.
3. Мужиченко О.Г. Технология сборочного производства ИС и СБИС в пластмассовых корпусах для поверхностного монтажа.– В кн.: Тезисы докладов международной научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика".– Москва, Зеленоград, 1993, с.27-28.
....
Расчеты sS и sм проводились по формуле [2]:
...,
где DТ – диапазон изменения температуры, 1 и 2 – температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) основы и вышележащего слоя, соответственно.
Величина Rк для систем кристаллодержатель–клей–кристалл измерялась методом рентгенодифракции, а полученные экспериментально величины s можно рассчитать по формуле
...
где Es – модуль Юнга; DW1/2 – интегральная разность полуширины исследуемого эталонного пика; J – угол дифракции Брэгга; h1 и h2 – значения толщины кремниевого кристалла и кристаллодержателя, соответственно; m1 и m2 – коэффициенты Пуассона; Е1 и Е2 – модули упругости.
Качество монтажа кристалла определялось методом УЗ-микроскопии на оборудовании Sonoscan, США.
Анализ данных, представленных в таблице, показал, что при неизменных значениях температурных напряжений soт с увеличением толщины кремниевых кристаллов ИС структурные напряжения существенно возрастают. При изменении толщины с 0,20 до 0,70 мм рас-считанные с учетом значений sS, приведенных в [3], суммарные значения s = sos + soт для эпоксидных клеев возрастают с 36,4 до 59,0 МПа.
Получено удовлетворительное соответствие между расчетными и экспериментальными значениями s в зависимости от величины h1 (рис.1). Однако расположение кривых для монтажа на эпоксидные и фенолoкаучуковые клеи в верхней части области экспериментальных значений s указывает на то, что в отличие от биметаллических соединений модель связей клеев менее жесткая. Это приводит к частичной релаксации напряжений в клеевых соединениях. Оптимальная толщина кремниевых кристаллов с учетом требований операции разделения пластин на кристаллы равна примерно 200 мкм. Зависимости изменения s от h1 при монтаже БИС на сплав Au-Si, образующийся в результате контактно-реактивного плавления кремния и золота при их контактировании, также показали удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных величин s (рис.2). Некоторое превышение экспериментальными значениями s расчетных обусловлено соответствующим уровнем технологии монтажа кристаллов. При отсутствии пор и пустот в паяном соединении эти величины почти полностью совпадают. Значительного уменьшения s можно добиться за счет механического утонения кремниевых пластин до h1 = 150—200 мкм.
Для существенного уменьшения s в системе кристалл–кристаллодержатель полезно воспользоваться результатами расчета абсолютных значений удлинения кристалла и кристаллодержателя при монтаже кристалла. Коэффициент линейного расширения a в интервале температур DТ = 130–377°C постоянен lB = 1,26lA (рис.3) и опреде-
ляется отношением относительного удлинения к изменению температуры DТ, вызвавшему это удлинение, т.е. [3]
...,
где l0 – первоначальная длина, а l1 – длина при температуре Т. Расчетные данные показали, что при сушке клея сжатие кристалла (например, для разумных банковских карт) длиной l0A= 5 мм равно 0,31 мкм, при пайке его на эвтектической сплав Au-Si расширение составляет 0,81 мкм. Расширение и сжатие кристаллодержателя длиной 6,5 мм при этом равны 4,1 и 10,7 мкм, соответственно. Расчет по простой пропорции показал, что если бы значения сжатия кристаллодержателя и кристалла были одинаковыми, т.е. lA=lВ, то длина кристаллодержателя должна быть равна l0B=0,49 мм. Но это практически не выполнимо, поскольку при такой длине нельзя монтировать кристалл на кристаллодержатель и разворачивать последний в процессе сборки. Нельзя также уменьшать площадь механического и электрического контакта, сохраняя при этом высокую прочность паяных и клеевых соединений и большую площадь взаимодействия поверхности кристалла с герметизирующим пресс-материалом, у которого lп= 60·10-6 град-1. А чем меньше площадь взаимодействия, тем выше s кристалла. Поэтому необходимо найти другие пути снижения s в системе кристалл–кристаллодержатель.
На основе анализа приведенных данных можно предложить два метода уменьшения величины s. Первый – уменьшение эффективной длины кристаллодержателя с помощью продольных и поперечных сквозных отверстий (рис. 4а). Второй – создание демпфирующей развязки между кристаллом и кристаллодержателем (рис. 4б). Экспериментально установлено, что величина s при толщине кристалла (размером 5,0ґ5,0 мм) 460 мкм может быть уменьшена со 100 до 80 МПа при монтаже БИС на эвтектику Au-Si и с 47 до 20 МПа при монтаже на клей.
Таким образом, для кристаллов различной толщины получено удовлетворительное соответствие между расчетными и экспериментальными величинами s и выявлены пути эффективного уменьшения возникающих при монтаже механических напряжений.
Литература
1. Концевой Ю.А., Литвинов Ю.М., Фаттахов Э.А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур.– М.: Радио и связь, 1982.– 240с.
2. Чертов А.В. Единицы физических величин: Учебное пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1997. – 827c.
3. Мужиченко О.Г. Технология сборочного производства ИС и СБИС в пластмассовых корпусах для поверхностного монтажа.– В кн.: Тезисы докладов международной научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика".– Москва, Зеленоград, 1993, с.27-28.
Отзывы читателей
