Технологии и Процесс

Сварить или склепать? Часть 2. Ультразвуковая микросварка

Количество ежегодно производимых проволочных соединений стремительно растёт. Десять лет назад этот показатель оценивался в 8–9 млрд соединений в год, а сегодня превысил четыре триллиона. Несмотря на бурное развитие альтернативных методов создания соединений, согласно дорожной карте iNEMI 2017, ультразвуковая микросварка будет распространяться стабильными темпами примерно 3% в год (как минимум до 2025‑го). С момента своего появления в 1947 году эта технология регулярно приносит новые открытия. И если сегодня стандартом считается применение медной проволоки и ленты, то в связи с развитием электротранспорта, новым стандартом становится лазерная микросварка, промышленно внедрённая в прошлом году силами F&K Delvotec Bondtechnik и Институтом Fraunhofer ILT и воплощённая в серийной модели F&K Delvotec 2017 LSB.

Илья Корочкин — Глобал Микроэлектроника, Россия
Сергей Валев — CEO i.V.tec electronics, Россия


В первой части статьи мы рассказали о стадиях процесса формирования сварного соединения, разобрались в различиях амплитуды колебаний в системе «инструмент-проволока-подложка» (рис. 1), а также поговорили о том, каким образом при минимальной деформации обеспечить максимальную надёжность контакта. Теперь речь пойдёт о влиянии резонансной частоты ультразвука на качество соединения.
Поскольку в подавляющем большинстве случаев для микросварки применяют частоты порядка 60 или 100/140 кГц, интересно знать, чем был обусловлен такой выбор и что происходит за пределами этого диапазона.

Первая стадия формирования сварочного соединения
Рис. 1 — Первая стадия формирования сварочного соединения

Краткое описание задачи:

Как не ошибиться при выборе оптимальной частоты ультразвуковой сварки?

В научной литературе и материалах конференций SEMI, IMAPS, IEEE и других отраслевых сообществ в 1970–80‑х годах часто мелькали статьи на тему сварки с применением частот ультразвуковых колебаний 200 и даже 300 кГц. Тема вызывала тогда большой интерес из-за предположения о том, что энергия УЗ-колебаний способна заменить собой нагрев рабочего стола при сварке методом шарик-клин, чтобы процесс можно было проводить при комнатной температуре. Несмотря на то, что ряд опытов оказался успешным, в дальнейшем от идеи ВЧ-сварки пришлось отказаться главным образом по причинам низкой надёжности соединения и узкого технологического окна процесса. Снижение процента выхода годных соединений просто-напросто не компенсировалось сокращением себестоимости. Сегодня в академической среде к УЗ-сварке на высоких частотах практически не возвращаются. Но некоторые разработчики и технологи все же пробуют перейти с 60 на 100 или 140 кГц, когда экспериментируют с новыми материалами и режимами.
Поскольку все специалисты получают неоднозначные результаты, есть смысл понять, зачем вообще менять частоту УЗ-колебаний системы? Какие параметры «утянет» за собой изменение частоты? Своим опытом готовы поделиться эксперты F&K Delvotec Bondtechnik, производителя первой в мире автоматической установки ультразвукового присоединения проволочных выводов F&K DELVOTEC M17.

В общем случае с точки зрения воздействия на кристалл/подложку наиболее важным элементом процесса является длительность образования соединения при той или иной резонансной частоте УЗ-преобразователя. Для создания качественного сварного соединения требуется 1000–3000 циклов колебаний инструмента в системе «инструмент-проволока-подложка» (при условном времени сварки около 20 мс и частоте 100 кГц). Именно столько циклов взаимного перемещения всех составляющих системы относительно друг друга требуется для образования наклёпа и общих «зёрен» будущего сварного соединения (подробнее об этом рассказывалось в первой части публикации).

Теоретически при повышении частоты колебаний должно пропорционально сокращаться время, необходимое для формирования сварного соединения. Впрочем, общая производительность оборудования значительно не повысится, так как время приложения УЗ-воздействия занимает менее половины времени цикла — остальное тратится на позиционирование, распознавание и движение рабочей головки.
Гораздо важнее другое. При более высоких частотах качественные соединения образуются при меньших амплитудах колебаний. Это вовсе не значит, что амплитуды колебания на таких частотах по умолчанию ниже (амплитуду преобразователя можно подогнать в нужных пределах в ходе изготовления).

Материал Частота
Мягкие подложки (полиимид) высокая
Хрупкие кристаллы
(Li:Nb, Li:Tn, системы Si-on-glass и пр.)
высокая
LTCC, HTCC, толстопленочные ГИС низкая
Печатные платы (FR4 и пр.) низкая
Тонкая металлизация высокая
Твердая металлизация высокая

Таблица 1 — Соответствие материалов и частоты УЗ-колебаний


Вернёмся к первой стадии образования сварного соединения в рассмотренной нами ранее модели (рис. 1). После взаимного трения проволоки вдоль поверхности контактной площадки, приводящего к очистке трущихся поверхностей от загрязнений и оксидов, начинается взаимодействие металлов на межатомном уровне. Металлы проволоки и подложки перемешиваются и образуют общие островки интерметаллических «зёрен» вдоль границы раздела. На второй стадии, по мере образования и роста «зёрен», разница в амплитудах колебаний верхней и нижней поверхностей проволоки становится все больше по сравнению с начальной фазой процесса. Начинается уменьшение амплитуды колебаний всей системы «инструмент проволока-подложка», включая колебания конца инструмента, в силу демпфирующего воздействия на него формирующегося «вязкого» соединения металлов. Таким образом, увеличение амплитуды колебаний инструмента оказывается более эффективным при работе с толстыми покрытиями. Грубые поверхности типа гибридных толстоплёночных паст выигрывают от эффекта шлифовки или планаризации под действием бóльших амплитуд на низких частотах (60 кГц и ниже). В то же время большая амплитуда подвергает риску тонкие слои напыления и гладкие поверхности контактных площадок хрупких кристаллов, например в ПАВ‑фильтрах, где толщина металлизации может составлять 40 нм. Столь тонкие слои не требуют грубой притирки и превосходно свариваются на более высоких частотах (140 кГц). По мнению инженеров компании F&K Delvotec, рабочая частота системы в 100 кГц является золотой серединой и может стать оптимальным решением для большинства задач. Это подтверждается и статистикой: чаще всего заказчики выбирают именно данную частоту в качестве основной.

Но как быть, если номенклатура изделий содержит взаимоисключающие группы? Менять установку? Покупать второй генератор? Что касается амплитуды, заказчики в любой момент могут изменить своё предпочтение и заказать преобразователь с другой характеристикой амплитуды колебаний. Это недорогое удовольствие, учитывая стоимость изделий, для производства которых требуется подобный «тюнинг». А цифровой УЗ-генератор UUG‑030 от F&K Phisyktechnik1 устанавливается по умолчанию на всех моделях брендов F&K Delvotec / F&S Bondtec и автоматически настраивается на резонанс преобразователя головки в диапазоне 40–200 кГц. При этом у клиентов остаётся свобода маневра при выборе иной резонансной частоты и мощности для экзотических применений и материалов. Например, работа сверхдлинным инструментом в колодцах глубиной 50–70 мм или TAB-сварка изолированной лентой иногда требуют индивидуального подхода.

С генератором UUG‑030 установки серий 53ХХ, 56ХХ, 58ХХ, М17 (рис. 2), оснащённые соответствующими сменными рабочими головками, способны работать с тонкими и толстыми проволоками в диапазоне 17–600 мкм, в том числе композитными и изолированными, с лентой сечением до 2000×300 мкм.

настольная установка ультразвуковой сварки F&K DELVOTEC M17S ꜛ автомат микросварки
Рис. 2 — «Микрофабрика» серии 56 и полностью автоматическая установка Model 2017 S (M17S)

Установка становится настоящей микрофабрикой, способной действовать со всеми современными материалами, с подложками любого типа, алюминиевыми, золотыми, композитными и медными проволоками. А серия 56ХХ к тому же сможет проводить автоматическое тестирование прочности соединений, просто импортируя программу сварки.

Очевидно, что чем выше частота, тем выше линейная скорость движения кончика инструмента. Точнее, скорость всей системы «инструмент-проволока-подложка». Большинство материалов, входящих в состав колебательной системы, с возрастанием частоты УЗ-воздействия больше сопротивляются влиянию друг на друга, поскольку начинает сильнее проявляться противодействующая сила упругого столкновения. На практике это означает, что ультразвуковые колебания работают «по поверхности» и меньше проникают во внутреннюю структуру материалов проволоки и контактной площадки. И наносят им меньший вред. Именно поэтому мягкие материалы типа полиимидных подложек лучше варятся именно на более высоких частотах. Это справедливо и для некоторых чувствительных кристаллов или ПАВ‑фильтров. При стандартном наборе параметров (частота, амплитуда) выполнить качественную сварку на нежной поверхности сложно, но при правильном подборе характеристик, в том числе и на более высокой частоте, трудностей не возникнет.

И наоборот, на низких частотах проволока за счёт более «мягкого» движения подстраивается под грубую и шероховатую поверхность контактных площадок (FR4, толстоплёночных ГИС, LTCC, HTCC), обеспечивая лучшее качество сварки. В таблице представлены общие соответствия материалов и частоты УЗ-колебаний.

При более высокой частоте тракта можно получить прочное соединение на относительно малой деформации проволоки. То есть увеличение частоты становится ещё одним способом улучшить качество и расширить технологическое окно параметров при работе с тонкой (17–20 мкм) проволокой.

Но и для стандартной (25–35 мкм) проволоки меньшая деформация всегда предпочтительнее «передавливания»: понижаются напряжения в пятке сварки, определяющие надёжность, долговечность и устойчивость соединения к термоциклам. Это подтверждается и экспериментально — усилия на обрыв сварных петель крючком уменьшаются с увеличением деформации после достижения ею некоего оптимального значения.

Рис. 3. Соответствие частоты УЗ-колебаний и метода сварки

 

Рис. 3 — Соответствие частоты УЗ-колебаний и метода сварки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Со времени возникновения УЗ-сварки в 1947 году единых предписаний в отрасли так и не было выработано: любой из методов сварки по-прежнему можно применять в сочетании с двумя-тремя частотами УЗ-генератора. Помимо рассмотренных факторов, решение в пользу той или иной частоты принимается в зависимости от длины и типа рабочего инструмента, длины и высоты петель и типа проволоки. На рис. 3 показана вероятность использования той или иной частоты в привязке к методу сварки (отмечено кружком). Данные получены в ходе закрытого опроса заказчиков оборудования F&K Delvotec, а это в основном изготовители изделий высокой надёжности и автоэлектроники.

В статье мы рассмотрели лишь первый общий принцип выбора частоты в зависимости от материала и типа поверхности контактной площадки. Образно говоря, частота должна быть высока настолько, насколько это возможно (для минимизации рисков повреждения кристалла, «передавливания» пятки петли и уменьшения общего времени воздействия), но в то же время низка настолько, насколько это необходимо для компенсации шероховатости поверхности и проникновения УЗ-частоты вглубь материала. В последующих статьях цикла мы постараемся дать рекомендации и в отношении других параметров.


Источники:

  1. Bottoms B., Swaminathan R., Chen W. — Packaging & Component Substrates (TWG. iNEMI Roadmap, 2017)
  2. Sedlmair J., Schlicht F., Farassat F. — Which Frequency is Best for Wire Bonding? (F&K Delvotec)

Возврат к списку статей


Офис в Москве

Глобал Микроэлектроника

Технология ультразвуковой микросварки. Описание процесса. Что на самом деле происходит при ультразвуковой сварке. Как выбрать частоту сварки? Как контролировать деформацию соединения и насколько это важно? Статьи от наших экспертов - Микросварка.

г.Москва Высоковольтный проезд, 1/49, офис 218

+7 495 902 7921

Время работы: