Соединения проволокой. 
Основы конструирования и технологии производства радиоэлектронных средств. 
Интегральные схемы

На Рис. 7.2 показана последовательность сборки кремниевых ИС с использованием соединений проволокой.

Соединение проволокой всегда выполняется после того, как ИС отсортированы из разделённой на кристаллы пластины, а кристалл смонтирован в корпусе. Данное соединение может быть выполнено золотой проволокой методом термокомпрессии, ультразвуковым и термозвуковым методами или алюминиевой проволокой ультразвуковым методом.

Как правило, золотую проволоку соединяют методом шарика-клина (Рис. 7.3, а-е), а алюминиевую проволоку соединяют методом клина-клина. Преимуществом метода шарика-клина является возможность выполнения соединения клином по дуге вокруг шарикового контакта (Рис. 7.3, е). Этот метод предполагает большие возможности по автоматизации процесса сборки.

Рис. 7.2. Последовательность операций сборки кристаллов в пластмассовых и керамических корпусах с использованием проволочных соединений.

Физическая форма соединений клин-клин предполагает линейное расположение соединений, т. е. ориентация клина на контактной площадке кристалла определяет направление расположения проволоки, оканчивающейся соединением клином на корпусе.

Качество соединения алюминиевой проволоки с алюминиевой контактной площадкой выше, чем соединение золотой.

проволокой с алюминием. В системе золото-алюминий происходит образование интерметаллических соединений.

В настоящее время термокомпрессионная сварка всё больше заменяется на термозвуковую сварку.

Рис. 7.3. Термозвуковая сварка золотой проволоки методом шарикаклина: а) — золотая проволока в капилляре; б) — образование шарика при помещении конца золотой проволоки в водородный факел или путём емкостного разряда; в) — соединение, выполненное путём одновременного приложения вертикальной нагрузки к шарику и ультразвукового возбуждения материала проволоки (кристалл и подложка должны быть отдельно нагреты до ^ 150 °С); г) — проволока согнута в петлю и присоединена клином к корпусу под действием нагрузки и ультразвукового воздействия; д) — проволока оборвана, а клинообразный капилляр готов к проведению операции п. а; е) — геометрия соединения шарикомклином, позволяющего выполнять высокоскоростной монтаж. Так как клин может смещаться по дуге относительно шарика, то головка соединения или плоская поверхность корпуса не должны вращаться друг относительно друга для образования соединения. 1 — подложка-корпус, 2 — капилляр, 3 — золотая проволока, 4 — кристалл, 5 — обрываемый конец проволоки, 6 — соединение клином по дуге вокруг первого соединения На Рис. 7.4, а представлена схема процесса ультразвуковой сварки.

Рис. 7.4. Процесс ультразвуковой сварки: а) — поперечное сечение проволоки во время соединения клином; б) — направление вибрации во время соединения; в) — зависимость нормального напряжения в центре проволоки от времени сварки: г) — зависимость распределения вертикального напряжения для двух значений времени сварки от расстояния до центра соединения; д) — взаимосвязь нормального напряжения о_У| в момент времени t и горизонтального напряжения, введенного пульсацией С/г, определяющих зону соединения (ХВ|—ХС1); ё) - те же взаимосвязи, что и в п. д, но для более позднего момента времени. Очевиден рост зоны соединения. * - расстояние до центра соединения, / - время, А — направление вибраций, 1 — механическая нагрузка, 2 — клин,.

3 — подложка Проволока находится под нагрузкой, механическое перемещение, или вибрация, инструмента для ультразвуковой сварки вызывает скачок уплотнения на алюминиевой контактной площадке (Рис. 7.4, б). Распространение волнового фронта по проволоке обусловливает образование волнистой структуры посредством воздействия напряжения сдвига в алюминиевой контактной площадке перпендикулярно направлению вибрации. До начала (или во время) движения волнового фронта ультразвуковая энергия поглощается проволокой, при этом последняя размягчается и под действием нагрузки течёт, разрывая поверхностный окисел и оставляя незащищенной свежую поверхность проволоки и контактной площадки. Эта свежая незащищенная поверхность металла быстро сваривается.

Соединение образуется в тороидальной области вокруг центра контактной площадки и проволоки внутри области волнистой структуры. На Рис. 7.4, в-е показана модель, иллюстрирующая механизм соединения. Поскольку проволока размягчается и деформируется, вертикальное напряжение уменьшается во времени. В то же время вибрирующее воздействие инструмента для ультразвуковой сварки вызывает появление горизонтального напряжения.

При большой величине вертикального напряжения соединения произойти не может, так как сдержано боковое движение. При среднем вертикальном напряжении происходит соединение, и свариваемая область растет со временем, так как вертикальное напряжение уменьшается (Рис. 7.4, е).

Процесс термического взаимодействия золота с алюминием во время соединения всесторонне исследовано. При сварке обнаруживается пурпурная интерметаллическая фаза (A115AI12), называемая «пурпурной чумой». Предполагается, что хрупкость соединения вызвана объединением вакансий в полостях, известных как полости Киркендалла, вдоль линии сварки. Генерирование вакансий происходит из-за разной скорости диффузии алюминия в золото и наоборот.