Установки для монтажа кристаллов

Монтаж кристаллов и присоединение выводов к контактным площадкам сформированной на кристалле интегральной схемы является одной из заключительных операций их производства. Конечная цель этой операции — создание перемычек между кон­тактными площадками кристалла и соответствующими выводами корпуса.

Различают три типовых технологических процесса и три комплекта оборудования для выполнения этой операции.

Первый технологический про­цесс — посадка перевернутого кри­сталла — реализует групповой ме­тод сборки и ориентирован в основ­ном на сборку больших гибридных интегральных схем. При этом на контактных площадках кристалла формируются выступающие над его поверхностью шариковые выводы, либо балочные, несколько выступающие за пределы его боковых граней. Кристалл монтируется на выводы основания в перевернутом виде при этом одновременно кристалл закрепляется и создаются перемычки между контактными площадками кристалла и осно­вания.

Для соединения контактных площадок кристалла и основа­ния наиболее часто используют термокомпрессионную либо уль­тразвуковую микросварку. При термокомпрессионной микросвар­ке в зоне соединения создается давление 100 . . . 200 МПа и тем­пература 573 ... 673 К (300 ... 400 °С). При ультразвуковой сварке в зону соединения подводятся сдвиговые ультразвуко­вые колебания с амплитудой 0,5 ... 2 мкм и частотой 20 ... ... 60 кГц и поверхности сжимаются с удельным давлением 20 ... 120 МПа. Выделяющееся на границе стыка в результате сдвиговых колебаний тепло, разрушение окисных пленок и вза­имное сжатие способствуют образованию на начальном этапе взаимодействия качественного соединения.

С наибольшими трудностями при монтаже перевернутых кри­сталлов сталкиваются при совмещении их контактных выступов с контактными площадками основания. Особенно это актуально для шариковых выводов, совершенно не выходящих за контуры кристалла.

Универсальной установкой для присоединения перевернутых кристаллов к внешним выводам методом ультразвуковой или термокомпрессионной сварки является установка ЭМ-431. Кон­троль за процессом соединения производится в микроскоп через оптическую систему с полупрозрачным зеркалом (рис. 14.4).

Инструмент 1 с вакуумной присоской на торце захватывает предварительно ориентированный кристалл 2 из подающей кас­сеты.

Оператор, наблюдая в микроскоп 6, вручную совмещает изо­бражение контактных площадок основания 4 и шариковых вы­водов кристалла, перемещая рабочий столик 5 в двух взаимно перпендикулярных направлениях и по углу. После совмещения зеркало 3 убирается, инструмент опускается и кристалл мон­тируется на основание. Имеется возможность подогрева рабочего столика и инструмента, работает установка в полуавтоматиче­ском цикле.

Технические характеристики установки ЭМ-431:

Производительность........ до 400 крист./ч

Точность совмещения........ ±0,015 мм

Размеры рабочего поля манипулятора . . . 30x40 мм

Число кристаллов в кассете...... до 200

Диапазон регулирования усилия сжатия . . . 1,6... 15 Н Диапазон регулирования температуры:

рабочего стола . ........ 373... 623 К (100...350 "С)

инструмента ......... 423...723 К (150...450 °С)

Частота ультразвукового генератора .... 59...61 кГц

Потребляемая мощность....... 0,3 кВт

Размеры............ 1200X660X1130 мм

Масса............ 140 кг

Применяется оборудование такого типа при монтаже отдель­ных кристаллов со сравнительно небольшим числом выводов при сборке гибридных ИС. Оборудование весьма производительно, а процесс монтажа отличается малой трудоемкостью.

Второй технологический процесс — монтаж кристаллов на лен­точных носителях — также реализует групповой метод сборки. В нем, чтобы повысить точность совмещения, применяют ленточный носитель выводов толщиной 40 ... 60 мкм, позволяющий произво­дить его непосредственное совмещение и соединение с кон­тактными выводами кристалла. В качестве носителя исполь­зуется алюминиевая, реже медная, фольга со сформированной на ней выводной рамкой, или фольга на прозрачной органиче­ской пленке, что повышает жесткость носителя и позволяет формировать на нем развитые выводные рамки. Полуфабрика­том для формирования таких ленточных носителей служит фоль­га с подслоем органической пленки, в нужных местах участки фольги либо участки пленки удаляют, последовательно проводя ряд фотолитографических операций и операций травления.

Для сборки ИС широкого применения выпущен комплект оборудования, реализующего метод монтажа кристаллов на лен­точных носителях. На установке ЭМ-434 производится групповое присоединение контактных площадок кристалла к кадру лен­точного носителя методом ультразвуковой сварки. Носитель по­ставляется в рулонах и при присоединении сматывается с ка­тушки. Затем кристалл защищают компаундом, отделяют и на установке ЭМ-435 наружные выводы ленточного носителя, остав­шиеся на кристалле, приваривают групповым методом к вывод­ной контактной рамке. Производительность этого комплекта оборудования составляет 400 ... 500 ИС в час.

Для приварки выводов ответственных ИС и БИС обычно используют третий метод сборки —метод индивидуальной раз-варки выводов кристаллов, включающий монтаж кристаллов в корпус или на выводную рамку и последовательный монтаж соединений между контактными площадками кристалла и кон­тактными площадками выводов корпуса или рамки. Несмотря на меньшую по сравнению с групповым методом производитель­ность, этот метод обеспечивает лучшее качество соединения бла­годаря стабильности давления в каждой зоне сварки, меньшему термическому и механическому воздействию на кристалл, воз­можности индивидуального контроля качества сварки каждой перемычки. Типовой комплект оборудования для реализации метода сборки индивидуальной сваркой выводов включает установки для монтажа кристалла в корпус ИС или на выводную рамку, для микросварки' выводов и установки герметизации БИС и ИС. При этом дискретные корпуса или отрезки ленты с 10—12 объ­единенными выводными рамками либо индивидуально подаются из специальных вертикальных кассет, либо объединяются лен­точным носителем из специальной пластмассы в длинные ленты и подаются из бобин, что резко повышает вместимость загрузочно-разгрузочных накопителей, упрощает механизмы загрузки и транспортирования.

Для монтажа кристалла в корпусе или на выводной рамке используются установки ЭМ-438А, ОЗПВ-1 и ЭМ-4085. Корпуса или выводные рамки могут подаваться из кассет либо из бобин, для чего установки комплектуются сменными устройствами по-. дачи и транспортирования корпусов. Кристалл присоединяется клеем ВК 32-200 или с помощью эвтектической пайки, иногда с ультразвуковым воздействием.

Установка монтажа кристаллов ЭМ-438А предназначена для монтажа кристаллов методом эвтектической пайки с ультра­звуковым воздействием и является одной из первых установок этого типа, реализующих автоматический цикл работы. Принци­пиальная схема установки изображена на рис. 14.5. Рабочий сто­лик 16 оснащен устройством подогрева и системой подачи дис­кретных корпусов или отрезков лент с выводными рамками из .кассет или системой протягивания сплошной ленты-носителя с выводными рамками. Столик 18 с установленной на нем кассетой с кристаллами 19 перемещается координатным приводом 17 так, что под инструментом 21, закрепленным в ультразвуковой головке, в начале каждого цикла обработки останавливается очередная ячейка кассеты с кристаллом. Инструмент опускается, включается ва­куумная присоска, захватывает кристалл, затем инструмент пе­ремещается в рабочую зону над столиком 16. Здесь кристалл опускается в корпус или на выводную рамку, установленные на столике и предварительно разогретые до температуры 523 ... ... 723 К (250 ... 450°С). Подачей тока в спираль 20 инстру­мент 21 также нагревается до 393 ... 573 К (120 ... 300°С), включается ультразвуковой генератор и производится процесс пайки.

Вертикальные движения инструмент получает от электро­двигателя 15, совершающего реверсивное вращение на один обо­рот в одну и другую стороны. При этом вращение передается через червяк 14 и червячное колесо 13, пару шестерен 12 и 10 на кулачок 11, толкатель которого поднимает и опускает сва­рочную головку. Горизонтальные перемещения ультразвуковая головка 2 получает от кривошипа 9, входящего с помощью ролика 6 в паз водила 3 кулисного механизма. Перемещается ультразвуковая головка в шариковых направляющих корпуса 1.

Для регулировки величины и места хода предусмотрены два упора 5, ограничивающие угол поворота водила. При наезде водила на упор оно останавливается, но весь привод продол­жает работать, проводя дальнейшее опускание инструмента. При этом вращаться валу позволяет пружина 7, связывающая диск 8, на котором укреплено водило с валом. Усилие прижима ин­струмента регулируется грузом 4.

На валах привода установлен ряд бесконтактных выклю­чателей, управляющих автоматическим циклом работы и про­изводящих в необходимые моменты времени включение и выключение привода перевода кассеты, включение спирали им­пульсного нагрева инструмента, реверсивное переключение двигателя 14, обдув кристалла на рабочем столике, вакуумирование вакуумной присоски инструмента.

Техническая характеристика установки ЭМ-438А:

Производительность........ 1000 крист./ч

Размеры монтируемых кристаллов . . . . до 1,8X1,8 мм

Температура на рабочем столике.... .523 ... 723 К (250 ...450 °С)

Температура нагрева инструмента ..... 393...573 К (120.300 °С)

Потребляемая мощность....... 0,6 кВт

Габаритные размеры........ 1020X660X1277 мм

Масса............ 155 кг

Установки ОЗПВ 2000-1 и ЭМ-4085 представляют новое по­коление оборудования для монтажа кристаллов, создание кото­рого стало возможным благодаря применению микропроцессор­ных систем управления и систем искусственного зрения, реали­зуемых на новейшей элементной базе (микроЭВМ и приборах с зарядовой связью). В установках нового поколения широко применяются новые электромеханические преобразователи элек­трической энергии в механическое перемещение рабочих орга­нов— шаговые и линейные шаговые двигатели, позволяющие реализовать все преимущества микропроцессорных систем управ­ления. Для примера сравните привод ультразвуковой сварочной головки установки ЭМ-438А и описанной далее установки ми­кросварки выводов с управлением от микроЭВМ. Хотя в по­следней установке сварочная головка осуществляет гораздо более сложный цикл работы, конструктивно она выглядит проще. Нет большого числа управляющих бесконтактных лепестков, кулач­ков, упоров и пружинных демпферов, а точность и плавность гораздо выше — и все это результат применения шагового дви­гателя и управляющей микроЭВМ.

Характерной особенностью нового поколения оборудования для монтажа кристаллов помимо стремления к полной автома­тизации является и стремление к универсальности, что повы­шает гибкость производственной системы, где используются по­добные установки. Так, эти установки могут реализовать методы эвтектической пайки или приклейки кристалла, брать кристалл из кассеты или с адгезионного носителя, производить загрузку дискретных корпусов и отрезков лент с выводными рамками.

Установка ОЗПВ 2000-1 работает в автоматическом цикле и обеспечивает подачу, перемещение и фиксацию индивидуаль­ных оснований корпусов БИС или корпусов в ленте, выборку кристаллов из кассеты и их ориентацию, подачу клея в зону монтажа (при монтаже на клей), монтаж кристаллов в корпус, нагрев основания (при монтаже эвтектической пайкой).

Управление автоматическим циклом осуществляет микроЭВМ «Электроника 60М».

Технические характеристики установки ОЗПВ 2000-1:

Производительность......... 1600 крист./ч

Наибольший размер монтируемых кристаллов 10X10 мм

Усилие сжатия соединяемых элементов . . . 0,25... 6,0 Н

Потребляемая мощность....... 1,2 кВт

Габаритные размеры........ 1800X930X1600 мм

Масса............. 350 кг

Благодаря автоматизации рабочего цикла в обязанности опе­ратора входит лишь перезагрузка кассет с кристаллами и бобин с корпусами и периодический контроль за работой. Один опера­тор обслуживает четыре установки.

Автомат присоединения кристаллов ЭМ-4085 предназначен для присоединения кристаллов к корпусам ИС методом эвтек­тической пайки или с помощью клея. Подача приборов, поиск годного кристалла на пластине и его присоединение произ­водятся автоматически. Автомат оснащен системой искусствен­ного зрения, распознающей годные кристаллы по отсутствию маркировочных пятен, трещин и сколов. Мониторы позволяют контролировать процесс опознавания годных и бракованных кри­сталлов и процесс посадки кристаллов в корпус.

Кристаллы могут подаваться из кассеты либо с адгезион­ного носителя. В последнем случае пластина перед скрайбированием наклеивается на органическую пленку —адгезионный носитель и после скрайбирования ломается на кристаллы, ко­торые остаются на носителе. При подаче в установку адгезион­ный носитель растягивается в рамке, кристаллы несколько рас­ходятся и поочередно снимаются с носителя вакуумным захва­том на инструменте и толкателем, действующим на кристалл снизу так, что носитель прогибается и отделяется от кристалла. Линейный шаговый двигатель перемещения рамки с адгезион­ным носителем обеспечивает быстродействие и надежность ав­томата.

Многомагазинный механизм подачи оснований корпусов обес­печивает их точную фиксацию на рабочей позиции. При этом автомат может комплектоваться системой питания дискретными корпусами либо отрезками лент с выводными рамками, либо системой питания корпусами на ленточном носителе из бобин. Двухкоординатный стол для перемещения сварочной головки позволяет осуществлять многокристальную сборку и програм­мировать вибрацию инструмента.

Управление автоматом осуществляет микропроцессорный кон­троллер, имеющий режим обучения и автоматический режим работы.

Технические характеристики автомата ЭМ-4085:

Производительность ........ 3600 крист./ч

Диаметр обрабатываемых пластин до 125 мм

Размеры присоединяемых кристаллов:

при использовании адгезионного носителя .... 1X1 .. .4X4 мм

при использовании кассет ...... до 10X10 мм

Максимальное число присоединенных кристаллов

при многокристальной сборке ...... до 99

Погрешность присоединения:

по координатам X и У ....... ±0,05 мм

по углу............ ±5°

Температура нагрева рабочего стола .... 523 ... 473 К (250 .450 °С)

Потребляемая мощность 1,6 кВт

Габаритные размеры . 300X940X1870 мм

Масса..... 450 кг