Способ сборки гибридных многокристальных модулей

Заявленное изобретение относится к способу сборки типовых стековых гибридных модулей, где акцент сделан на одновременной сборке компонентов поверхностного монтажа и стековых сборок из кристаллов без взаимного сдвига, а именно прецизионного монтажа чип-компонентов и компактно смонтированных в стеки кристаллов интегральных схем (ИС), с установкой кристалла на кристалл через кремниевую прокладку и пленочного адгезива, и может быть использовано в ракетно-космическом приборостроении. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение плотности сборки, за счет выбора оптимального размещения кристаллов без взаимного сдвига и чип-компонентов друг относительно друга и подбора металлокерамического корпуса, повышения точности и качества монтажа многокристальных сборок, микросварки. 4 ил.

 

Заявленное изобретение относится к способу сборки типовых стековых гибридных модулей, где акцент сделан на одновременной сборке компонентов поверхностного монтажа и стековых сборок из кристаллов без взаимного сдвига, а именно прецизионного монтажа чип компонентов и компактно смонтированных в стеки кристаллов интегральных схем (ИС), с установкой кристалла на кристалл через кремниевую прокладку и пленочного адгезива, и может быть использовано в ракетно-космическом приборостроении.

Из уровня техники известна конструкция многокристальных модулей (см. RU2378807C1, опубл. 10.01.2010) (1), который содержит подложку, выполненную из полупроводникового материала, например кремния, на поверхности которой установлены внутренние и внешние контактные площадки, соединенные между собой посредством металлизированных проводников, расположенных на соответствующих слоях металлизации, установлены кристаллы микросхем, выводы которых соединены с соответствующими внутренними контактными площадками, основание, крышку и внешние выводы.

Изобретение обеспечивает монтаж кристаллов только в одной плоскости, что привод к значительному увеличению размеров корпуса, что является недостатком способа (1).

Из уровня техники также известен, выбранный в качестве наиболее близкого аналога, способ совмещения элементов многокристальных модулей для капиллярной сборки и установка для его реализации (см. RU2660121, опубл. 10.01.2010) (2). Способ совмещения элементов многокристальных модулей для капиллярной сборки, в процессе которой обеспечивается совмещение трех систем контактов, размещенных на трех носителях: чип + коммутационная подложка + носитель капилляров между чипом и подложкой. Кроме того, для реализации преимуществ технологии капиллярной сборки МКМ, используется вакуумная пайка с регулируемым прижатием чипов к подложке по заданной циклограмме. Установка для реализации способа совмещения элементов многокристальных модулей для капиллярной сборки включает основание, с размещенной на нем оптико-механической системой совмещения встречных контактов чипов и коммутационной подложки.

Недостатком выбранного в качестве наиболее близкого аналога (2) является то, что при повышении выхода годных изделий, одновременно снижается производительность процесса монтажа. Изготавливаемые данным методом изделия относятся к более низкому уровню техники.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение плотности сборки, за счет выбора оптимального размещения кристаллов без взаимного сдвига и чип-компонентов друг относительно друга и подбора металлокерамического корпуса, повышения точности и качества монтажа многокристальных сборок, микросварки.

Технический результат достигается за счет комбинирования монтажа чип-компонентов и стеков из кристаллов. Корпус LTCC, в котором размещены различные чип-компоненты и несколько стеков из кристаллов, начиная от двух кристаллов, установленных друг над другом, заканчивая пятью кристаллами, установленными друг над другом. Контактные площадки траверс корпуса соединены проволочными выводами с контактными площадками кристаллов, при этом все стороны кристаллов параллельны траверсам ниш (под стеки) в основании корпуса.

Заявленный способ проиллюстрирован следующими изображениями:

Фиг.1 - схема расположения кристаллов в пятиуровневом стеке.

Фиг.2 - общий вид гибридной многокристальной сборки в металлокерамическом корпусе.

Фиг.3 - стек с разваренными выводами.

Фиг.4 - схема пятиуровневого стека, на которой показано расстояние (L) между монтажными площадками компонента и контактными площадками межсоединений на плате или корпусе для разных уровней.

Способ типовой гибридной многокристальной сборки в металлокерамическом корпусе с установкой кристалла на кристалл осуществляется следующим образом.

Проводится анализ термического профиля для сборки типового гибридного многокристального модуля, для корректного выбора порядка монтажа элементов на LTCC плату. Данный расчет позволяет установить оптимальную очередность установки элементов и разварку выводов.

Первоначально перед сборкой производят химическую очистку плат. Кипятят платы в изопропиловом спирте при температуре 70-80 градусов 10 минут, а затем размещают платы над изопропиловым спиртом и 4 минуты сушат в его парах, соблюдая условие, что спирт не должен конденсироваться ни на оснастке, ни на платах.

Далее на плату наносится паяльная паста, на контактные площадки, предназначенные для установки чип-компонентов. Затем устанавливают чип-компоненты на места, где была нанесена паяльная паста. Установка чип-компонентов производится либо с помощью ручного вакуумного пинцета, либо при помощи полуавтоматической монтажной установки. Далее изделие помещается в вакуумную печь, где происходит оплавление паяльной пасты при групповом нагреве. По окончании оплавления паяльной пасты, плата отмывается от оставшегося флюса в отмывочной жидкости Zestron FA+ или другом. На плате не должно оставаться следов флюса, т.к. он может вызвать дальнейшую коррозию металлизаций, ухудшить привариваемость проводников к поверхности контактных площадок платы.

Далее подготавливаются прокладки из кремния, величина которых по площади на 20-30% меньше площади кристаллов, чтобы при монтаже не было перекрытия кремниевыми прокладками контактных площадок кристаллов, что располагаются по периметру. Так же вырезаются прокладки из пленочного адгезива для соединения кристаллов с подложкой и соединения, в дальнейшем, кристаллов с прокладками кремния, а прокладок кремния с кристаллами соответственно, которые по площади на 30% меньше, чем площадь кристаллов. Пленочный адгезив можно использовать как импортный, так и отечественный.

Далее устанавливают на рабочий столик полуавтоматической установки монтажа кристаллов металлокерамическую плату. Монтируют пленочный клей на основание металлокерамической платы (или в ниши под стеки) и устанавливают WafflePack с кристаллами на столик, в котором находятся все кристаллы, необходимые для сборки и размещенные в одной плоскости. Осуществляют подъем кристаллов с помощью пластикового или резинового инструмента за лицевую часть кристалла, в ручном режиме производят подъем первого кристалла, подводят блок камеры под кристалл. На экране будет виден угол кристалла с обратной стороны. С помощью двух камер установки необходимо совместить углы монтажной площадки с углами кристалла, используя соответственно первую пару графических цифровых линеек. Выравнивают стороны кристалла относительно сторон монтажной площадки платы, выполняют монтаж кристалла на адгезив, а на адгезив устанавливается кремниевая прокладка с последующим подогревом рабочего столика с изделием в 140 градусов. Сменив инструмент для монтажа кристаллов на специализированный температуростойкий, производят прижатие кристалла к основанию платы через прокладку. Затем прижимают с постоянным усилием инструментом в 200 грамм в течение 5 минут при температуре 140 градусов через полированную поликоровую прокладку. Затем остужают рабочий столик до 70 градусов и устанавливают пленочный клей на место второй стековой сборки на той же плате и т.д. На всех стековых сборках таким образом собирается первый уровень. Затем изделие ставят в печь для полимеризации пленочного клея.

Далее, при необходимости, проводят плазмохимическую очистку корпусов и контактных площадок в среде газовой смеси (N 95% / H 5%) с установленными параметрами P=400 Вт; р_баз=50 m торр; р_{процесса}=180m торр; t=300 сек. Любая другая очистка не подходит для данных сборок из-за наличия на LTCC платах контактных площадок, покрытых серебряной пастой, что предназначены для пайки чип-компонентов. После плазмохимической очистки в течение четырех часов должна быть произведена ультразвуковая сварка выводов. Плату помещают на столик на установке ультразвуковой сварки и нагревают ее до температуры 150 градусов (при разварке золотой проволокой). Далее производится микросварка выводов золотой проволокой (или алюминиевой) при помощи ультразвука по периметру кристалла.

Сборку остужают до 70 градусов и приступают к монтажу кристаллов второго уровня во всех имеющихся стеках. Устанавливают пленочный адгезив непосредственно на кристалл на место первого стека, затем устанавливают кремневую прокладку на пленочный адгезив, затем на кремниевую прокладку снова пленочный адгезив и сверху устанавливают кристалл, потом все прижимается через поликоровую прокладку, инструментом, с усилием 200 грамм в течение 5 минут при 140 градусах, остужают до 70 градусов. Те же операции необходимо повторить для всех стеков с кристаллами на плате. Когда сборка следующего уровня стековой сборки завершена, то плату помещают в печь для ее дальнейшей полимеризации. После полимеризацию сборку остужают и производят плазмохимическую очистку и далее разварку. Аналогично выполняют монтаж остальных кристаллов, до необходимого количества уровней в стеках.

Сложность сборки заключается в том что, с каждым уровнем высота проволочных выводов увеличивается и соответственно увеличивается и длина перемычки, что влияет на поведение проволочных выводов, которые под собственным весом начинают прогибаться. Для исключения короткого замыкания, отрыва выводов и других неблагоприятных эффектов производятся предварительные расчеты и эксперименты подбора оптимальной длины проволочных выводов.

Оптимальное расстояние (L) между монтажной площадкой компонента и сварного отпечатка на контактной площадке на плате для монтажа проволочного межсоединения ∅ 18 мкм или ∅ 25 мкм должно быть не менее:

Алюминиевое межсоединение (метод разварки – клин-клин) 1 уровень – 1000 мкм; 2 уровень – 1900 мкм; 3 уровень – 2800 мкм; 4 уровень – 3700 мкм; 5 уровень – 4600 мкм.
Золотое межсоединение (метод разварки – шарик-клин) 1 уровень – 700 мкм; 2 уровень – 1200 мкм; 3 уровень – 1700 мкм; 4 уровень – 2200 мкм; 5 уровень – 2700 мкм.

В результате был собран гибридный многокристальный модуль, в котором было выполнено более 300 микросоединений золотой проволокой.

Таким образом, данный способ является универсальным решением по сборке многокристальных модулей и позволяет с высокой точностью и надежностью производить монтаж чип-компонентов и кристаллов разных размеров друг на друга, и точно позиционировать отдельные кристаллы относительно выбранной монтажной площадки платы в полуавтоматизированном режиме.

Результаты сборки многокристального модуля данным способом подтвердили качество и точность посадки кристаллов в подобранной металлокерамической плате, тем самым положительно оценив эффективность и целесообразность применения заявленного изобретения для создания радиоэлектронной аппаратуры ракетно-космической техники, а также в тех областях техники, где предъявляются высокие требования к качеству и плотности монтажа сборки, не ограничиваясь данной областью применения.

Способ сборки гибридных многокристальных модулей с установкой кристалла на кристалл, включающий

анализ термического профиля для сборки гибридного многокристального модуля, предварительную очистку плат, нанесение паяльной пасты на контактные площадки, предназначенные для установки чип-компонентов,

установку чип-компонентов на места, где была нанесена паяльная паста, групповой нагрев в вакуумной печи, паяльной пасты при групповом нагреве, промывку платы, отличающийся тем, что

после промывки платы подготавливают прокладки из кремния, величина которых по площади на 20-30% меньше площади кристаллов, вырезают прокладки из пленочного адгезива для соединения кристаллов с подложкой и соединения, в дальнейшем, кристаллов с прокладками кремния, а прокладок кремния соответственно с кристаллами, которые по площади на 30% меньше, чем площадь кристаллов, далее

устанавливают на рабочий столик полуавтоматической установки монтажа кристаллов металлокерамическую плату, монтируют пленочный клей на основание металлокерамической платы или в ниши под стеки и устанавливают WafflePack с кристаллами на столик, в котором находятся все кристаллы, необходимые для сборки и размещенные в одной плоскости,

осуществляют подъем кристаллов с помощью пластикового или резинового инструмента за лицевую часть кристалла, в ручном режиме производят подъем первого кристалла, подводят блок камеры под кристалл,

с помощью двух камер установки совмещают углы монтажной площадки с углами кристалла, используя соответственно первую пару графических цифровых линеек, выравнивают стороны кристалла относительно сторон монтажной площадки платы,

выполняют монтаж кристалла на адгезив, а на адгезив устанавливается кремниевая прокладка с последующим подогревом рабочего столика с изделием в 140 градусов,

после смены инструмента для монтажа кристаллов на температуростойкий, производят прижатие кристалла к основанию платы через прокладку, затем прижимают с постоянным усилием инструментом в 200 грамм в течение 5 минут при температуре 140 градусов через полированную поликоровую прокладку, затем

остужают рабочий столик до 70 градусов и устанавливают пленочный клей на место второй стековой сборки на той же плате, на всех стековых сборках таким образом собирается первый уровень, затем

изделие ставят в печь для полимеризации пленочного клея, далее проводят плазмохимическую очистку корпусов и контактных площадок в среде газовой cмеси, состоящей из 95% азота и 5% водорода, с установленными параметрами P=400 Вт; р_баз=50 mт орр; p_{процесса}=180m торр; t=300 сек,

после плазмохимической очистки в течение четырех часов должна быть произведена ультразвуковая сварка выводов, плату помещают на столик на установке ультразвуковой сварки и нагревают ее до температуры 150 градусов, далее производится микросварка выводов золотой или алюминиевой проволокой при помощи ультразвука по периметру кристалла,

сборку охлаждают до 70 градусов и приступают к монтажу кристаллов второго уровня во всех имеющихся стеках,

устанавливают пленочный адгезив непосредственно на кристалл на место первого стека, затем устанавливают кремневую прокладку на пленочный адгезив, затем на кремниевую прокладку снова пленочный адгезив и сверху устанавливают кристалл, потом

все прижимается через поликоровую прокладку инструментом, с усилием 200 грамм в течение 5 минут при 140 градусах, остужают до 70 градусов, те же операции необходимо повторить для всех стеков с кристаллами на плате,

когда сборка следующего уровня стековой сборки завершена, то плату помещают в печь для ее дальнейшей полимеризации, после полимеризации сборку остужают и производят плазмохимическую очистку и далее разварку,

аналогично выполняют монтаж остальных кристаллов, до необходимого количества уровней в стеках, при этом контактные площадки траверс корпуса соединяют проволочными выводами с контактными площадками кристаллов таким образом, что все стороны кристаллов параллельны траверсам ниш под стеки в основании корпуса.