Глава 1. Металлические материалы для формирования внутренних соединений

В качестве материала перемычек между кристаллом и корпусом в ППИ применяют алюминий, золото и др. металлы. Применение алюминиевой проволоки позволяет использовать при монтаже микросоединений ультразвуковой метод сварки.

Известно, что проволоку микронных размеров получают методом волочения через алмазные фильтры или гидростатическим прессованием – гидроэкструзией. При сборке силовых полупроводниковых приборов (СПП) используется проволока из алюминия диаметром 0,25 мм и более.

Наиболее важными механическими свойствами привариваемой проволоки являются прочность и относительное удлинение. Следует отметить, что эти свойства могут изменяться в довольно широких пределах для каждой партии и даже для отдельных катушек одной партии проволоки. Для стабилизации свойств проволоки микронных размеров ее подвергают отжигу перед монтажом. Целью отжига является снижение механической прочности и повышение пластичности проволоки.

Механические свойства проволоки влияют не только на прочность микросоединений, но и на надежность контактов и ППИ в целом. Прочность алюминиевой проволоки влияет на целостность оксида SiO₂ под сварным контактом полупроводникового кристалла. Известно, что после ультразвуковой сварки изменяется сопротивление между проволочным выводом и подложкой, т. е. через пленку SiO₂. В приборах, в которых используется проволока с высокой прочностью на разрыв сопротивление утечки значительно выше, чем при сварке приборов отожженной проволокой.

Неиспользованная проволока с течением времени может менять свои свойства. Это обусловлено релаксацией напряжений от холодной обработки, образующейся при волочении проволоки. Ослабление напряжений обычно вызывает удлинение проволоки, но если релаксация металла неоднородна, длина проволоки может уменьшаться. Чтобы свести к минимуму изменение свойств долго не использованной проволоки, обычно рекомендуется хранить её при комнатной температуре не более 6 месяцев.

Релаксация напряжений в проволоке может изменять прочность сварного соединения. Наибольшую деградацию испытывает проволока, подвергнутая холодной обработке, отожженная проволока изменяется в меньшей степени.

При решении вопроса о надежности микросоединений в ППИ, наряду с отработкой режимов монтажа, следует учитывать и такой фактор, как подготовка соединяемых элементов к сварке или пайке. Наличие органических загрязнений на поверхности проволоки и пленки действует как барьер, препятствующий осуществлению взаимодиффузии между проволокой и пленкой при сварке. Исследования с применением метода Оже-спектроскопии термокомпрессионных соединений показали, что причины появления «пурпурной чумы» самым тесным образом связаны с загрязнениями поверхности, к которой присоединяется проволока.

На поверхности алюминиевой проволоки всегда присутствует слой оксида. Методом Оже-спектроскопии исследована поверхность алюминиевой проволоки и установлено, что слой гидрата окиси алюминия толщиной около 1нм не препятствует образованию качественного соединения с контактными площадками ППИ. Однако при толщине оксидов на поверхности проволоки 100 нм и более получить качественное сварное соединение не удается.

Проволока, подлежащая сварке должна быть гладкой и чистой. При УЗС поверхностные пленки и загрязнения интенсивно вытесняются из зоны сварки, но не полностью. Поэтому проволоку необходимо очищать от смазки, отпечатков пальцев, водяных капель, монооксида кремния и других включений, загрязняющих контактные площадки кристалла и корпуса при сборке, тем самым, ослабляя сварное соединение. Кроме того, нарушается свободная подача проволоки через отверстие микросварочного инструмента.

К сожалению, вопросам влияния очистки проволоки и пленочной металлизации перед операцией присоединения выводов на надежность микросоединений уделяется недостаточное внимание. Обычно в полупроводниковой промышленности используется способ «мокрой» химической очистки, заключающийся в частичном стравливании металлической поверхности или растворении загрязнений. Оксиды металлов удаляются химическим травлением, а органические загрязнения перед термокомпрессионной сваркой рекомендуется удалять ультрафиолетовым облучением. Травление золотых проволоки и пленки перед сваркой в растворе (H₂O:HF:HNO₃) c концентрацией (10:1:1) приводит к увеличению прочности соединений проволока – пленка. Кроме того, данный раствор не изменяет геометрических размеров проволоки и морфологии ее поверхности.

Таким образом, при сборке ППИ силовой электроники конструктор и технолог должны уделять серьезное внимание подготовке проволоки к сварке.