Разработка высоковольтного драйвера газоразрядного экрана на полиимидном носителе

до 6000 сварных точек) или из твердых сплавов (до 40000 сварных точек).

Сварка сдвоенным электродом является разновидностью контактной сварки,

приспособленной к особенностям соединений в микросхемах. Эти особенности

предопределяют одностороннее расположение выводов (электродов) и

объединение их в жесткую конструкцию с электроизоляционной прослойкой. В

зависимости от диаметра проволоки для перемычки (30-150 мкм) длина торца

каждого, составляет 20-100 мкм, ширина 80-600 мкм, толщина прокладки 30-220

мкм. Материалом электродов могут быть вольфрам, молибден и др. Материалы

прокладок - слюда, синтетический корунд и др. Относительно большие размеры

инструмента позволяют сваривать перемычки диаметром до 250 мкм, но требуют

при этом соответствующего увеличения контактных площадок.

В процессе сварки перемычка на участке под инструментом является

составной частью электрической цепи. Место соединения разогревается за счет

тока и выделения теплоты в месте контакта "перемычка-электрод".

Воспроизводимость качества соединения существенно зависит от

повторяемости значений электрического сопротивления в месте контакта.

Поэтому сварочные установки предусматривают автоматическое регулирование

усилия сжатия (3-10 Н) по заданному контактному сопротивлению. Кроме того,

целесообразно импульсное воздействие давления: давление включается в момент

нагрева почти до максимальной температуры и снижается перед выключением

нагревающего импульса тока (600-1000 Гц) и модуляция тока по амплитуде

позволяет обеспечить предварительный постепенный прогрев зоны сварки в

начале цикла, что исключает тепловой удар на контактную площадку и отжиг

материала в сварной точке в конце цикла.

В зависимости от режимов сварки (длительности, мощности и скважности

импульсов, а также приложенного давления) могут иметь место следующие

механизмы соединения :

1) Соединения в твердой фазе в результате рекристаллизации соединяемых

материалов и прорастания зерен через поверхность раздела;

2) Соединение ниже температуры рекристаллизации за счет электронного

взаимодействия и межатомного сцепления;

3) Соединение в жидкой фазе в результате расплавления при температуре

выше эвтектической.

При ультразвуковой сварке соединение металлов в твердой фазе

осуществляется путем возбуждения в них упругих колебаний ультразвуковой

частоты с одновременным приложением давления. Перед включением УЗ колебаний

под действием статически приложенной нагрузки на инструмент, из-за

деформации проводника создается некоторая первоначальная площадь

контактирования на границе раздела инструмент-проволока и проволока-

кристалл.

После включения УЗК в результате активирующего действия ультразвука,

снижающего предел текучести алюминия, облегчается пластическая деформация

проводника и идет интенсивная осадка его.

Таким образом, УЗК при сварке прежде всего создают условия для

быстрого деформирования физического контакта, одновременно с этим

происходит активация контактных поверхностей, приводящая к образованию

очагов взаимодействия в условиях пластической деформации Al и упругой

деформации Si. При осадке алюминиевого проводника окисная пленка на нем

растрескивается и в зону контакта выходит чистый алюминий, растекание

которого на поверхности кристалла способствует удалению из зоны сварки

загрязнений и осколков окисных пленок.

В промышленности широко применяются автоматизированные установки для

присоединения по заданной программе проволочных алюминиевых выводов к КП

кристалла : ЭМ-4020В, ОЗУМ-12 и т.д.

В отдельных случаях находят применение методы сварки такие как :

лазерным и электронным лучом. Преимущества этих способов в чистоте

процесса, Возможности выполнения соединения через любую прозрачную среду.

Однако эти способы имеют и недостатки : некоторая комбинация металлов

вследствии быстрого нагрева и охлаждения в точке соединения становятся

хрупкими, а тепловой режим зависит от отражательной способности соединяемых

материалов. Способы требуют точного регулирования количества энергии,

длительности импульса, пиковой мощности, формы и воспроизводимости

импульсов.

2.1.2. Технология сборки методом

перевернутого кристалла [ flip-chip].

[pic]

рис 3

1 - сформированный шарик из припоя 5%Sn-0.5%Pb

2 - слой фазового состава Cr+Cu

3 - стекло

4 - первоначально осажденный припой

5 - интерметаллическое соединение

6 - Cr

7 - Al

Процесс начинается с последовательного напыления Cr, Cu, AlAu через

металлическую маску на все алюминиевые контактные площадки на пластине.

Контактные площадки могут быть расположены в любой области на поверхности

кристалла с некоторыми ограничениями. Золото предохраняет тонкопленочную

структуру от окисления до нанесения на покрытие Cr-Cu-Au последующих слоев

Pb-Sn. Пленку Pb-Sn осаждают на большой площади по сравнению с площадью,

занимаемой контактными площадками с покрытием Cr-Cu-Au. Площадь и

толщина этой осажденной пленки определяют окончательные размеры шарика.

Структура полученного шарика показана на рис.3.

После напыления готовую структуру помещают в камеру с пониженным

давлением, где с пленки с Pb-Sn благодаря силам поверхностного натяжения

удаляется окисный слой и образуется шарик припоя с площадью основания,

определяемой размерами покрытия Cr-Cu-Au (так называемая метализация,

ограниченная шариком). Основными преимуществами технологии сборки таким

методом является возможность матричного расположения контактных площадок и

очень малая протяженность межконтактных соединений, что сводит к минимуму

величину их индуктивности. Основные недостатки этой технологии - худшие

тепловые характеристики (по сравнению с кристаллом, присоединенным обычным

способом); трудность обеспечения гарантированного присоединения выводов при

групповом процессе пайки, сильное влияние внутренних механических

напряжений из-за разницы ТКЛР кристалла и подложки, трудности измерения и

электротермотоковой тренировки кристаллов с объемными выводами.

2.1.3. Современные конструкции гибких

носителей для монтажа БИС.

По мере уменьшения размеров электронных устройств все большую часть их

площади начинают занимать соединения (обычно проволочные между БИС и

внешней схемой). Уменьшение высоты электронных блоков, при одновременном

уменьшении шага размещения КП на кристалле, приводит к тому, что

проволочные соединения начинают занимать слишком много места как в высоту,

так и на поверхности платы. Автоматизированная сборка с использованием

ленты носителя (АСЛН) - позволяет отчасти решить эти проблемы.

Хотя АСЛН была разработана в 1972 году американской фирмой General

Electric Co, в течении многих лет она не находила применения в США,

поскольку интерес к этому методу сборки ослабевал по мере того, как крупные

компании Kemp Jnc, Rogers Corp, начали заниматься этой технологией и за тем

отказались от нее.

В 70-х годах к методу АСЛН стали обращаться японские фирмы Sharp,

Hitachi, Mitsubisi, Toshiba, Seiko. За несколько лет эти компании внедрили

у себя метод АСЛН, обеспечив его распространение в Японии, в особенности в

изготовлении бытовой электронной техники, где применение этого метода

способствует дальнейшей минитюаризации указанных изделий.

В конце второго десятилетия существования носителей кристаллов их

область применения меняется. Носители кристаллов разрабатывались как

безвыводные керамические корпуса , содержащие небольшие керамические

толстопленочные гибридные подложки. Однако, сейчас и в будущем наиболее

широкой областью их использования, становится монтаж на поверхность больших

печатных плат для связной и военной аппаратуры.

В связной аппаратуре, где окружающие условия более мягкие, снабженные

выводами пластмассовые носители кристаллов могут быть без труда напаяны на

поверхность стандартных стеклоэпоксидных плат.

Тем временем промышленность использует носители кристаллов, снабженные

выводами. Энтони Любов, руководящий работами в области технологии

межсоединений в фирме Bell Laboratories отмечает, что в настоящее время

носители кристаллов используются в важных изделиях на нескольких крупных

сборочных предприятий фирмы Westen Electric Co.

Фирма Bell применяет снабженные выводами пластмассовые носители

кристаллов, а так же безвыводные керамические варианты с припаянными к их

боковым сторонам пружинными контактами.

Пластмассовые носители с 68 выводами, расположенными с шагом 1.27 мм,

напаиваются на поверхность стандартных печатных плат. Безвыводные носители

с припаянными, предназначенные для кристаллов имеющих до 100 входов-

выходов, должны напаиваться на платы. В настоящее время существуют

кристаллы с количеством выводов более 1000 с шагом выводов 0.125 мм.

Последние разработки американских фирм показали, что переход на

технологию АСЛН позволяет уменьшить размер контактных площадок до 25*25 мкм

при расстоянии между ними 12.5 мкм. При этом размер кристалла может

уменьшиться на 90% и будет ограничен только числом компонентов на

кристалле.

Следует отметить, что в связи с увеличением площади кристаллов СБИС

увеличилась ширина используемых лент.

Одна из движущих сил развития технологии АСЛН - военная область. Кроме

того, большой интерес к автоматизированной сборке на ленту-носитель,

проявляют изготовители приборов на GaAs.

Конструкции ленточных носителей.

Метод АСЛН предполагает выполнение объемных выводов либо на

кристаллах, либо на балочных выводах ленты носителя.

Существует несколько типов объемных выводов, выполненных на кристалле.

Технология их изготовления известна и хорошо отработана. ОВ могут

выполняться из чистого золота, меди, припоя, в качестве барьерного слоя

часто используют напыления Ti/W, выводы могут быть облужены припоем.

Предполагая, что на кристалле уже изготовлены ОВ, в зависимости от

сложности схемы можно использовать ленты :

1 - однослойную;

2 - двухслойную;

3 - трехслойную;

4 - многослойную.

Однослойная лента.

На первых этапах разработки метода АСЛН лента представляла собой

медную фольгу толщиной 35 мкм, сейчас существуют однослойные ленты толщиной

70,100 мкм и более )с вытравленными в ней и облуженными выводными рамками.

Напайку кристаллов к такой ленте производят эвтектикой AuSu. Недостаток

этой ленты заключается в невозможности проведения испытаний смонтированных

на ней кристаллов до упаковки их в корпуса, поэтому такой тип ЛН широко

используется главным образом, только для кристаллов с малым числом выводов,

малой степенью интеграции, имеющих высокий выход годных в массовом

производстве. Смонтированные таким образом кристаллы, как правило,

запрессовываются пластмассой.

Двухслойная лента представляет собой носитель, объединяющий фольгу и

полиимидную пленку. Как правило, его используют в лабораторной практике по

причине относительной простоты. В промышленности широко не применяется из-

за повышенного риска к расслоению слоев меди и полиимида, а также повышению

влагопоглащения, что приводит к большим токам утечки.

Трехслойная лента. Принцип ее изготовления аналогичен изготовлению

однослойной ленты.

Многослойная лента. Это распространенная лента, применяемая при

производстве как бытовой, так и военной электронной техники. Все проводящие

слои соединяются между собой с помощью прогнутых проводников. Такая

конструкция позволяет исключить дорогостоящие тонкопленочные гибридные

подложки., металлизированные сквозные отверстия и навесные перемычки, а

также дает возможность производить индивидуальные испытания каждого

кристалла, поскольку соединения между ними остаются разомкнутыми, пока не

будут подключены изогнутые проводники.

Изготовители таких ленточных носителей, могут обеспечить столь малую

ширину проводящих линий, что без особых проблем к одной рамке можно

присоединить 7-9 приборов, создавая, так называемую, многокристальную

сборку.

Этот метод сборки на ленту носитель создан фирмой JMI и получил

название Multitab. В нем используются две однослойные ленты с балочными

выводами, позволяющими избавиться от необходимости применения полиимидного

опорного кольца и в то же время, дающие возможность проверять каждый

кристалл, перед его окончательной сборкой в корпус. Такие миниатюрные

сборки можно монтировать на любые основания (стальные эмалированные

подложки, алюмокерамику, кварц и стеклоэпоксидные платы), что позволяет

значительно снизить габаритные размеры модульных сборок всех видов.

Пространственная сборка на ленту носитель.

По мере увеличения числа выводов кристаллов (500 и более), становится

неизвестным создание входных и выходных КП не только по периферии

кристалла, но и его центральной части. Технология АТАВ предполагает монтаж

таких кристаллов на многослойные ЛН, используемые для реализации наиболее

плотноупакованных межсоединений с соединениями в пределах площади

кристалла. В этом случае автоматизированное присоединение выводов

сочетается с применением монтажа методом "перевернутого" кристалла.

Пространственная сборка может также вызвать расслоение полиимидной

пленки, несущей выводы, вследствии ее перегрева и расширения во время

присоединения. Одним из путей решения этой проблемы является применение

одноточечной сварки, осуществленной на установках с приваркой выводов

одного за другим.

Еще одна проблема - недоступность сварных соединений в центре

кристалла для визуального контроля.

Одноточечная автоматизированная

сборка на ленту носитель.

Этот метод сочетает быстроту и высокую точность, характерные для

простой автоматизированной сборки на ленту, и гибкость, характерную для

проволочного монтажа, и позволяет осуществить сборку кристаллов, имеющих

самые разнообразные размеры и формы на одной и той же установке. Этот тип

сборки позволяет осуществить 8-10 присоединений внутренних или наружных

выводов за 1с. При этом поверхность кристаллов должна быть абсолютно

плоская.

При АСЛН многовыводных кристаллов СБИС большого размера при длине

балочного вывода 280 мкм, толщине 35 мкм и ширине 100 мкм, желательно

использовать не перемотку ленты с катушки на катушку, а работать с

отдельными отрезками ленты во временном носителе, чтобы избежать

повреждения выводов и кристаллов. В этом случае кристаллы, смонтированные

на отрезке ленты, герметизируются компаундом. Время отверждения которого и

ограничивает число позиций в отрезке ленты. При этом используется размер

контактной площадки около 400 мкм, средняя прочность соединения при этом

300 г/вывод, отличается высокой устойчивостью к коррозии.

2.1.4. Метод переноса объемных выводов.

В этой технологии ОВ выполняются на временной подложке, затем

присоединяются к концам балочных выводов ленты-носителя, что существенно

снижает стоимость сборки и упрощает ее. Принцип этой технологии отражен на

рис.4.

В данном случае ЛН выполнена из полиимидной пленки толщиной 125 мкм,

ламинированной с медной фольгой толщиной 35 мкм, в которой формируют

травлением выводную рамку с последующим ее лужением и золочением.

Оптимальная толщина облуженного слоя 0.3-0.45 мкм. Временная подложка

состоит из теплостойкой стеклянной пластины со слоем металлизации, который

служит электродом для нанесения золотых ОВ. Подложка должна надежно

поддерживать сформированные выводы и выполнить их перенос при самых низких

давлениях и температурах инструмента. Качество переноса зависит от

плоскостности и гладкости временной подложки, которую можно использовать

многократно.

Сформированные выводы имеют форму "гриба" , высота 20-

40 мкм, размер в широкой части 80*80 мкм и 20*20 мкм в нижней части. На

прочность присоединения ОВ влияют его форма и чистота золота (хорошее

качество присоединения наблюдается для выводов из золота 99.95%, для

выводов с содержанием золота 67% наблюдается растрескивание выводов при

сборке).

[pic]

рис 4

2.2. Разработка технологического процесса сборки

высоковольтного драйвера газоразрядного экрана

на полиимидном носителе.

Для того, чтобы производить сборку полиимидного носителя с кристаллом

необходимо проскрайбировать диск с кристаллами и совершить его ломку.

Скрайбирование предполагают делать на установке ЭМ-225. Полуавтомат

позволяет обрабатывать пластины диаметром до 150 мм. Ширина реза 40 мкм,

глубина реза за один проход при скорости 100 мм/с - 140 мкм. Погрешность

перемещения относительно центра при общей длине хода 150 мм - 15 мкм.

После скрайбирования и ломки необходимо выполнить внешний контроль.

Контроль внешнего вида можно произвести на микроскопе типа СМ-4.

Следующим этапом техпроцесса является присоединение полиимидного

носителя к кристаллу. Данная операция выполняется на автоматизированной

установке ЭМ-4062. Установка позволяет изменять технологические режимы

ультразвуковой сварки, что существенно сказывается на качестве сварного

соединения. После присоединения выводов к контактным площадкам необходимо

нанести защитное покрытие. Эту операцию выполняют в печи ПБЛ. Затем

проводят технологические испытания на холод, тепло в камере МС-71.

Измерение статических параметров производится прибором "Визир-1", а

измерения функционально-динамических параметров выполняют на "Элеком-Ф".

После всего кристалл загружается на 7 суток в установку "Кардинал",

где при полной работе микросхемы повышается и понижается температура.

Перед тем как упаковать микросхему в тару делают еще один контроль

статических и функционально-динамических параметров на установках "Визир-1"

и "Элеком-Ф".

КОНСТРУКТОРСКАЯ

ЧАСТЬ

Глава 3.

3.1. Анализ конструкции экрана с применением

высоковольтного драйвера

на полиимидном носителе.

Устройства для отображения информации применяются в системах, где

информацию требуется представить в форме, удобной для визуального

восприятия. Их основными компонентами являются приборы, обеспечивающие

преобразование электрических сигналов в пространственное распределение

яркости излучения или в распределение степени пропускания или поглощения

светового излучения. С помощью этих приборов из электрических сигналов

получают видимое изображение букв различных алфавитов, цифр, геометрических

фигур, различных знаков, сплошных или дискретных полос, мнемосхем и др.

Преобразовательные приборы данной группы создаются на основе активных

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6