Оптимизация режима ультразвуковой сварки алюминиевой проволоки с серебряным гальваническим покрытием корпусных деталей СПП

В производстве ППИ в качестве покрытий корпусов широко используют такие металлы как золото, никель и его сплавы и др.

К покрытиям предъявляются следующие требования:

• они должны обеспечивать хорошую паяемость с полупроводниковыми кристаллами и свариваемость с внутренними выводами;

• сохранять способность к пайке и сварке при заданном сроке хранения; обеспечивать антикоррозионную защиту;

• не подвергаться иглообразованию при хранении и разрушению при температурах сборки, испытании и эксплуатации;

• обеспечивать минимальное переходное электрическое сопротивление;

• быть устойчивыми к тепловому удару при монтаже приборов на печатные платы пайкой, к химическим реагентам, используемым в процессе сборки;

• обеспечивать адгезию компаунда при герметизации прибора опрессовкой полимером.

В полупроводниковой микроэлектронике серебрение используется для создания функциональных покрытий с высокой электропроводностью и стабильной величиной переходного сопротивления в местах контактов. Серебряные покрытия, полученные из обычных электролитов, характеризуются малой твердостью и незначительной износостойкостью. Для улучшения этих параметров в электролит при серебрении вводят соли никеля или кобальта. В этом случае твердость покрытия повышается в 1,5, а износостойкость – почти в 3 раза.

Серебрение деталей корпусов в практике производства ППИ, в т. ч. силовых, находит ограниченное применение из-за нестабильности качества сборочных операций. Особенно критичным является процесс формирования сварных соединений алюминиевой проволоки с серебряным покрытием траверс корпуса.

В производстве некоторых типов СПП серебро используется в качестве технологического покрытия паяемой стороны кристалла и корпуса. В первом случае осуществляется напыление пленки серебра на пластины с кристаллами, во втором нанесение серебряного покрытия на корпуса проводят гальваническим способом только на участки под пайку кристаллов и разварку внутренних выводов.

Снижение качества сборочных операций по серебряному покрытию происходит из-за наличия сульфидной пленки Ag₂S на поверхности. Следует отметить, что сульфид серебра не всегда формируется в виде пленок. В некоторых случаях на серебряном покрытии вырастают тонкие копьевидные кристаллы длиной до 3-5 мм, способные приводить к короткому замыканию близлежащих цепей или их размыканию при пониженных температурах. Начало роста нитевидных кристаллов Ag₂S происходит на границе раздела фаз Ag-Ag₂S, его росту способствуют повышенная влажность и нагрев. Известно, что рост кристаллов сульфида серебра происходит из-за повышенной миграции ионов серебра к активным центрам и высокой подвижности их в присутствии влаги, адсорбируемой пленкой сульфида.

Таким образом, исследования по отработке технологии сварки алюминиевой проволоки с серебряным покрытием корпусных деталей ППИ актуальны и принципиально важны для создания изделий с таким покрытием. Результаты исследований могут быть успешными при учете всех особенностей и свойств серебряного покрытия, наносимого наиболее производительным гальваническим способом, и выборе приемлемого способа подготовки (очистки), деталей корпуса к сборочным операциям.

 

 

Серебряное покрытие

Серебро обладает чрезвычайно высокой чувствительностью к окружающей воздушной среде. В атмосферных условиях происходит потемнение серебряного покрытия. Ионы серебра вступают в реакции с другими ионами с образованием труднорастворимых соединений, например сульфида серебра Ag₂S.

Известно, что серебро обладает большим сродством к ионам серы, что объясняет образование сульфида серебра даже с незначительным их количеством. Присутствие сероводорода в атмосфере активизирует образование на поверхности серебра сульфида серебра

4Ag + 2H₂S + O₂ → 2Ag₂S + 2H₂O.

При нагреве Ag₂S в ампуле без доступа воздуха при температуре выше 350 ºC происходит частичная его диссоциация с образованием нитей серебра. В присутствии воздуха Ag₂S при нагреве окисляется до сульфата серебра (Ag₂SO₄). Сульфид серебра восстанавливается до металла водородом при температуре выше 200 ºC.

В атмосфере чистого сухого воздуха серебро не меняет внешний вид. Оптическими исследованиями установлено, что на воздухе поверхность серебра покрывается тонкой пленкой оксида толщиной до 1,2 нм. При нагревании серебра в атмосфере кислорода до 300-400 ºC образуется более толстая пленка оксида Ag₂O, имеющая темно-бурый цвет. При избыточном давлении кислорода (до 20 МПа) и повышенных температурах серебро может окислиться полностью.

Основной трудностью сборочных операций по серебряному покрытию является наличие сульфидной пленки Ag₂S на поверхности. Пайка низкотемпературными припоями по серебряным покрытиям требует тщательной подготовки соединяемых деталей ППИ. Образование сульфидных пленок при хранении корпусов ППИ может привести к полной потере паяемости серебра.

Сульфид серебра Ag₂S может образовываться также и при непосредственном воздействии сероводорода на серебро. Известно, что Ag₂S может существовать в трех модификациях: α-модификации, устойчивой до температуры 110 ºC, β-модификации, устойчивой в интервале температур 90-175 ºC, и γ-модификации, образующейся при температурах, превышающих 175 ºC. Проводимость сульфида серебра резко меняется с температурой, при температуре 26 ºC она незначительна.

При понижении температуры электрическое сопротивление пленок Ag₂S увеличивается и они становятся электроизоляционными. Образование сульфидных пленок при хранении кристаллов или корпусов с серебряными покрытиями может привести к полной потере паяемости серебра оловянно-свинцовыми припоями. При температуре 175 ºC и выше проявляется металлический характер проводимости. В силу этого контактная пара может удовлетворительно работать при повышенных температурах при наличии плотной и прочно сцепленной сульфидной пленки с поверхностью покрытия. В то же время следует помнить, что термообработка серебряных гальванических покрытий при температуре 400 ºC приводит к их отслаиванию от основы.

С точки зрения электропроводимости Ag₂S является полупроводником n-типа проводимости. Наивысшей проводимостью обладает Ag₂S в g‑модификации при температуре выше 178 ºC. Из фазовой диаграммы системы Ag-S видно, что при температуре выше 178 ºC происходит изменение в структуре от α – Ag₂S к γ – Ag₂S. Этот переход сопровождается изменением внешнего вида потемневшего покрытия при нагреве.

 

 

Подготовка корпусов с серебряным покрытием к сборочным операциям

Для очистки серебряных покрытий применяют различные методы: механические, химические и электрохимические.

Из механических методов наиболее простым является очистка покрытий, заключающаяся в легком полировании смесью, состоящей из 40 г мыльной стружки, 60 г карбоната аммония, 100 г кизельгура (инфузорной земли), 60 г кремнистого мела (CaSiO₃) и 1 л воды. Сульфидную пленку удаляют путем полирования или нагревания металла до 400 ºC. При этой температуре Ag₂S разлагается.

Наиболее эффективными химическими методами обработки являются следующие:

1. Обработка поверхности в горячем щелочном растворе (10 %-ном растворе соды). По данной технологии обрабатываемые изделия погружают в раствор вместе с кусочками алюминия, выделяющийся при этом водород восстанавливает Ag₂S.

2. Сульфидная пленка Ag₂S растворяется в следующем растворе: 80 г тиомочевины, 10 г серной кислоты и 1 л воды. При рН 0,5 реакция протекает очень быстро.

Механическое удаление и химическое растворение сульфидной пленки, например, в азотной кислоте или в цианидных растворах не предотвращают процесса повторного образования Ag₂S.

Сульфидные пленки Ag₂S не растворяются существующими флюсами, поэтому посеребренные изделия под пайку необходимо защищать, например, с помощью полиуретанового лака.

Для предохранения от потускнения серебряные изделия обрабатывают в течение 3-6 мин в растворе бихромата натрия (100 г/л), хромовой кислоты (0,5 г/л) или применяют катодную обработку в электролите состава, г/л: хромовая кислота – 50, серная кислота – 10. Время обработки 1-5 мин, напряжение 6 В, температура ванны 20-25 ºC.

Повышение временной защиты серебряного покрытия обеспечивают обработкой в растворе, содержащем 10-14 г/л бензотриазола, 30-50 мл/л этилового спирта и до 1 л воды, при 35-45 ºC в течение 30 мин. При такой обработке не изменяются внешний вид покрытия и переходное сопротивление серебра.

Защитить поверхность контактов от образования Ag₂S при хранении их на складе или при очень малых электрических нагрузках можно нанося слой золота толщиной более 2,2 мкм. Однако применение защитных покрытий из золота, во-первых, экономически нецелесообразно и, во-вторых, возможна коррозия подслоя через поры в таком покрытии.

Образование Ag₂S сопровождается потемнением поверхности серебра и увеличением электрического сопротивления. При низких температурах пленки Ag₂S фактически становятся электроизоляционными.

С целью защиты серебра от воздействия серосодержащих соединений и потемнения поверхности рекомендованы различные способы, одним из которых является нанесение гальванических тонких пленок золота, палладия и родия (0,5-1,0 мкм). В образующейся системе серебряная основа – гальванопокрытие токоведущими компонентами выступают верхние слои указанных металлов, серебро же не работает как контактный материал, а лишь ухудшает электрические свойства контактных металлов, диффундируя через поверхностные слои и образуя сульфидно-оксидные пленки.

Другим способом защиты является нанесение хроматных пленок, полученных из растворов CrO₃, что сопровождается повышением переходного сопротивления покрытия в 50 раз, а из раствора хромата калия – в два раза. Неравномерные хроматные пленки дают большой разброс значений переходного сопротивления.

Для очистки поверхности серебра от сульфидных пленок может быть рекомендован метод термического водородного восстановления, который широко применяют для получения чистых металлов из их оксидов и солей.

Например, серебро получают водородным восстановлением из хлорида серебра. Восстановление серебра водородом из сульфида серебра протекает в соответствии с реакцией

Ag₂S + H₂ ↔ 2Ag + H₂S.

Однако из термодинамических расчетов следует, что эта реакция в стандартных условиях (Т = 25 ºC) не идет, поскольку изменение свободной энергии Гиббса ΔGº > 0 (ΔGº = 7,0 кДж). Используя значения стандартных энтальпий и энтропий, участвующих в реакции веществ, можно рассчитать изменение энтальпии (), энтропии () и температуру равновесного состояния или начала реакции (Т):

–21,0 кДж + 32,8 кДж = 11,8 кДж.

Видно, что >0, т. е. реакция эндотермическая.

=

(2∙42,69 +205,7) – (144 + 130,6) = 16,48 Дж/К.

Температура равновесного состояния равна

Т = = 443 ºС.

Таким образом, для проведения реакции восстановления сульфида серебра водородом необходимо повышать температуру выше 443 ºC, что недопустимо в технологии производства ППИ.

Анализ способов подготовки к сборочным операциям корпусов с серебряным покрытием изделий микроэлектроники показал, что они обладают рядом существенных недостатков. Перспективным способом подготовки к сборочным операциям (в основном перед пайкой полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов) является отжиг корпусов с серебряным покрытием в кислороде при температуре 250-350 ºC в течение 15-45 мин. Микроструктурным и рентгеноспектральным микроанализом установлено, что после отжига происходит удаление с поверхности покрытия сульфидной пленки Ag₂S и образование при этом оксидной пленки Ag₂О.

Очистить поверхность серебра от пленки Ag₂S можно и другим способом, например, в атмосфере кислорода:

Ag₂S + O₂ → 2Ag + SO₂.

Эта реакция может протекать даже в стандартных условиях, поскольку ΔGº < 0 (ΔGº = – 259,57 кДж). С заметной скоростью она протекает при температуре ~ 400 ºC. Однако в избытке кислорода серебро частично окисляется. Образующуюся оксидную пленку восстанавливают до чистого серебра в водороде:

Ag₂O + H₂ → 2Ag + H₂O.

Для этой реакции ΔGº < 0 (ΔGº = – 217,98 кДж), т. е. она может протекать в стандартных условиях.

На основании вышеизложенного можно заключить, что восстановление серебра из сульфида серебра целесообразно проводить в среде кислорода с последующим восстановлением оксидной пленки в водороде.