ПРЕДИСЛОВИЕ

Наука и техника на современном этапе развиваются исключительно быстрыми темпами. Особое внимание уделяется интенсификации различных технологических процессов. Именно интенсификация позволяет решить проблему, связанную с необходимостью значительно увеличить производительность труда в различных отраслях народного хозяйства страны и повысить качество продукции. Наука превращается в основную производительную силу и призвана оказать глубокое, все возрастающее революционизирующее влияние на различные сферы ее практических приложений, возможности которых неисчерпаемы. Перед наукой стоят грандиозные задачи по повышению эффективности, дальнейшему расширению фундаментальных исследований, концентрации сил на наиболее важных и перспективных направлениях научно-технического прогресса. Научно-техническая революция накладывает свой отпечаток на развитие и прогресс в области электроники. Бурное развитие автоматизации и механизации технологических процессов связано со все увеличивающимся использованием в народном хозяйстве средств вычислительной техники, различных электронных приборов и устройств. При этом огромное внимание уделяется микроминиатюризации отдельных функциональных элементов и изготовлению последних в комплексном варианте.

В последние годы достигнуты большие успехи в области производства и применения полупроводниковых приборов, интегральных и гибридных схем, высокая надежность которых определяется не только качеством исходных материалов, но и в значительной степени совершенством технологии на различных этапах создания прибора или схемы. Успешное изготовление полупроводниковых приборов и микросхем требует решения вопроса создания неразъемных контактов между различными элементами, в частности присоединения полупроводникового кристалла с функциональными элементами к корпусу прибора, а также присоединения металлических выводов к тонкопленочным контактным площадкам планарной стороны кристалла и внешним выводам корпуса прибора. Одновременно непрерывный рост числа элементов в каждой микросхеме, т. е. создание больших интегральных схем, приводит к стремительному увеличению количества контактов, качество которых во многом характеризует работоспособность и надежность микроэлектронной аппаратуры. Сложность получения высококачественных микросварных и паяных соединений состоит в том, что способ получения соединений и используемые для этого материалы должны обеспечить хороший электрический контакт, высокую механическую прочность при сохранении целостности и необходимых физических свойств соединяемых микродеталей, высокую стойкость к вибрациям и ударным нагрузкам, работоспособность в широком диапазоне температур.

Существующие технологические процессы получения надежных контактов при изготовлении полупроводниковых приборов, интегральных и гибридных схем основаны на использовании давления, температуры, различных методов, интенсифицирующих процесс образования соединения как в твердой, так и в жидкой фазе. Особое место в технологии производства надежных и стабильных контактов между различными материалами занимает ультразвуковая микросварка.

Успехи ультразвуковой микросварки неразрывно связаны с достижениями физики твердого тела, металлофизики и металловедения, химии и физико-химической механики, акустики и других наук, с применением новых приборов и аппаратов. Эти достижения позволяют глубже познать сущность физико-химических процессов на поверхности твердого тела, изучить новые явления и закономерности, позволяющие разрабатывать технологические процессы, обеспечивающие получение изделий с повышенными электрическими, механическими и химическими свойствами.

В разработке фундаментальных проблем теории и практики ультразвуковой микросварки лидирующее положение принадлежит акустике, физике твердого тела и физико-химической механике. Разумеется, что успехи этих отраслей современной науки в значительной мере влияют и на все многообразные технологические процессы микроэлектроники в современном промышленном производстве.

Оснащение промышленности высококачественным современным оборудованием при производстве полупроводниковых приборов, интегральных и гибридных схем для различных технологических процессов, в том числе и для ультразвуковой микросварки, включающим высокопроизводительные автоматы и автоматические линии, отвечающие современным требованиям, при возрастающей сложности и увеличении объема и темпа сборки приборов требует надежных данных по конструированию ультразвуковых систем, о закономерностях поведения материалов в условиях пластической деформации в ультразвуковом поле, все более полных сведений о характере формирования структуры и свойств соединений, полученных ультразвуковой микросваркой.

В настоящее время для присоединения полупроводниковых кристаллов с функциональными элементами к корпусу прибора микросхемы широко применяются эвтектическая контактно-реактивная пайка, присоединение с использованием стекла, эпоксидной пасты, мягкого припоя, токопроводящего клея, эвтектических сплавов и их комбинаций. Из известных способов сварки при проволочном монтаже микроэлектронных приборов наряду с ультразвуковой микросваркой находят применение термокомпрессия, контактная точечная микросварка с односторонним, двусторонним расположением электродов или сдвоенным электродом, микросварка давлением с импульсным косвенным нагревом, электроннолучевая, сварка лазерным излучением и микроплазменная.

В последние годы выпущен целый ряд монографий и обзорных работ, где нашли отражение некоторые теоретические и технологические вопросы, которые имеют также место в процессе микросварки и пайки при производстве полупроводниковых приборов, интегральных и гибридных схем [1—30]. Советские ученые внесли немалый вклад в мировую науку в области изучения закономерностей электросварки, термокомпрессионной микросварки, сварки давлением, лазерной и электроннолучевой сварки, ультразвуковой и диффузионной сварки в вакууме. Разработаны совершенные технологические процессы сварки различных материалов, а также высокопроизводительное и надежное оборудование для их осуществления.

В многочисленных работах, посвященных теоретическому и экспериментальному изучению различных способов сварки, практически можно найти все, что известно в области металловедения, механики и физики данного физико-химического процесса. Достижения в области теории и практики сварки, связанные с развитием традиционных направлений, широко освещены в учебной и специальной научно-технической литературе. Поэтому в данной книге вопросы развития и современного состояния теории сварки и ее практических приложений в широком плане не рассматриваются, а ссылки на использованные литературные источники даются по ходу изложения материала.

Следует отметить, что в настоящее время имеется еще целый ряд вопросов как в области теории, так и практики образования соединения однородных и разнородных материалов в твердой и жидкой фазах, которые ждут своего решения.

Экономический потенциал государства на современном этапе в значительной степени определяется уровнем автоматизации и механизации различных технологических процессов, который во многом зависит от качества и объема выпуска изделий электронной промышленности. Чем выше качественные и количественные показатели полупроводниковых приборов, интегральных и гибридных схем, тем выше и их эффективность применения в народном хозяйстве страны. Различные способы микросварки, применяемые на современном этапе развития производства, характеризуются прогрессивными технологическими процессами. Особенно это касается ультразвуковой микросварки давлением в связи с ее преимуществами. Поэтому чем большее количество различных способов ультразвуковой микросварки используется в народном хозяйстве, тем более целесообразно используется ультразвуковое оборудование, тем выше эффективность всего технологического процесса производства микроэлектронных приборов и схем. Однако различные способы микросварки, целые технологические принципы производства изделий, которые были вчера эффективны, сегодня отрицаются появлением новых научных идей и разработок, основанных на широком внедрении в производство интенсификации с использованием акустических волн. Отсюда со всей очевидностью появляется необходимость постоянно совершенствовать разнообразные технологические процессы и изучать закономерности формирования реальной структуры и свойств получаемых изделий. Непрерывное повышение эффективности технологических процессов, всевозможных механизмов и машин, применяемых в народном хозяйстве, предъявляет все новые требования к продукции, а в ряде случаев требует и создания принципиально новых изделий. Основным и наиболее общим требованием, которое предъявляется ко всей электронной промышленности и к микроэлектронике в частности, является непрерывное повышение качества и надежности изделий при все возрастающем объеме промышленного производства.

Разработка новых научных идей для микроэлектроники непосредственно связана с разработкой теории и практики создания новых функциональных элементов, изучением их структуры и свойств, изысканием новых материалов для их осуществления, а также проектированием и разработкой новых машин и технологических процессов и совершенствованием существующих. При этом все исследования в этой области должны быть организованы на основе, позволяющей наилучшим образом способствовать научно-техническому прогрессу.

Дальнейшее развитие теории и практики ультразвуковой микросварки, по-видимому, связано с решением ряда вопросов, среди которых первостепенное значение имеют разработка фундаментальных теоретических положений и способов наиболее эффективного применения различных видов энергии акустического поля, рассчитанных на использование ультразвуковых и гиперзвуковых частот и различных видов акустических колебаний; увеличение количества и качества применяемого ультразвукового оборудования и инструмента, повышение производительности производственных процессов; разработка не-разрушающих методов контроля качества соединений и создание высокопроизводительных автоматов, автоматических линий и автоматизированных систем управления технологическим процессом сборки микросхем; сокращение времени разработки и материализации наиболее эффективных научных идей и принципов, связанных как с повышением качества, так и с совершенствованием технологических процессов, обеспечивающих получение соединений с заранее заданными свойствами; расширение номенклатуры изделий, получаемых с помощью ультразвуковой микросварки, что непосредственно связано с увеличением качества, надежности и долговечности различных полупроводниковых приборов, интегральных и гибридных схем.

Необходимость учета этих факторов, определяющих не только перспективы использования, но и качество и эффективность применения различных способов ультразвуковой микросварки, проявляется во всех аспектах организации производства микроэлектронных приборов в стране и порождает ряд взаимосвязанных между собой проблем.

В настоящее время на основании большого экспериментального и теоретического материала бесспорно доказано, что свойства и воспроизводимость качества микросварных соединений зависят от условий всей совокупности технологических режимов при их получении. Знание физико-химических процессов, происходящих при различных технологических режимах микросварки, необходимо для конструирования микросварочного оборудования, выбора и расчета оптимальных параметров режима создания надежных контактов в системах металл—металл, металл—полупроводник с необходимыми механическими и физическими свойствами.

Представляет значительный интерес провести исследования для определения закономерностей и характерных особенностей формирования тонкой структуры в зоне образования соединения элементов полупроводниковых приборов и интегральных схем систем золото—кремний, алюминий—кремний в жидкой фазе и систем золото—золото, золото—алюминий, алюминий—алюминий, алюминий—золото в твердой фазе при пластической деформации в ультразвуковом поле, а также определить влияние исходной структуры соединяемых материалов на характер образования соединений. Состояние и структура поверхностных слоев непосредственно связаны и в значительной степени определяют качество и свойства получаемых соединений. Знание закономерностей поверхностных явлений, имеющих место на границе раздела соединяемых материалов, позволяет более полно представить физические особенности процессов, происходящих в наружных слоях контактируемых при ультразвуковой микросварке твердых тел. Данные исследования немыслимы без знания влияния акустических волн на свойства твердого тела, так как характер акустического поля существенно влияет на физико-химические процессы, происходящие на поверхности, межфазовых границах раздела и в объеме твердого тела.

Учитывая изложенное, в настоящей работе была поставлена цель изучить и изложить в компактной форме основные сведения о формировании соединений элементов полупроводниковых приборов и интегральных схем пластической деформацией в ультразвуковом поле в жидкой и твердой фазах, а также определить пути конструирования оборудования для осуществления процесса микросварки. Заключительный этап работы - практическое использование результатов исследований в производстве и определение дальнейшего направления исследований, связанных с совершенствованием технологии современных дискретных полупроводниковых приборов и больших интегральных схем.

В книге сделана попытка связать весь комплекс изучаемых автором явлений воедино.

Поскольку книга по ультразвуковой микросварке издается впервые, она, естественно, не лишена недостатков. Все замечания и пожелания читателей будут с признательностью приняты.

Автор считает своим долгом выразить благодарность академику АН БССР, доктору технических наук, профессору В. П. Северденко и доктору технических наук Л. И. Гурскому за ценные советы, замечания и внимание к работе. Большую помощь при проведении ряда экспериментов оказали В. Я. Сунка, А. В. Гулай.

Назад, на страницу описания