Размещено на http://www.allbest.ru/

ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА

05.27.01 - Твердотільна електроніка

УДК 621.382.13

дисертацiї на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНІ МЕТОДИ ПІДВИЩЕННЯ ЕЛЕКТРОПРОВІДНОСТІ МІКРОКОНТАКТНИХ З'ЄДНАНЬ ІНТЕГРАЛЬНИХ СХЕМ

ДЯЧОК ДМИТРО

ТРОХИМОВИЧ

Чернівці 2010

Дисертацiєю є рукопис

Робота виконана у Львiвському науково-дослiдному радiотехнiчному iнститутi (Мiнiстерство промислової полiтики України) та на кафедрі „Електронні прилади” Національного університету “Львівська політехніка” (Міністерство освіти і науки України).

Науковий керівник доктор технiчних наук, професор

Готра Зенон Юрійович, Національний університет ”Львівська політехніка” завідувач кафедри „Електронні прилади”.

Офiцiйнi опоненти: доктор технічних наук, професор Вербицький Володимир Григорович, директор інституту мікроприладів НАН України, м.Київ.

доктор фізико-математичних наук, професор Фодчук Ігор Михайлович, Чернівецький національний університет ім.Ю.Федьковича, кафедра „Фізика твердого тіла”, м.Чернівці

Захист вiдбудеться " 19 " лютого 2010 р. о 14 годинi на засiданнi спецiалiзованої вченої ради К 76.051.09 в Чернівецькому національному унiверситетi ім..Юрія Федьковича за адресою: 58012, м.Чернівці-12, вул.Стороженецька ,101.

З дисертацiєю можна ознайомитися у бiблiотецi Чернівецького національного унiверситету за адресою: 58012, м.Чернівці, вул. Л.Українки, 23

Автореферат розiсланий " 16 " січня 2010 р.

Вчений секретар спецiалiзованої вченої ради Шпатар П.М.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Елементи та пристрої мікро- та наноелектронiки визначають рівень розвитку радiо- i електронного приладобудування, вимірювальної техніки, обчислювальної техніки, складних систем управлiння та регулювання, військової та побутової техніки, техніки зв'язку тощо. Основу їх складає елементна база, а найбільшого розвитку та вдосконалення набули саме інтегральні схеми (ІС). Однією з проблем в них є створення надійного електричного зв'язку як в самій мікросхемі так і в зовнішній комутації.Такий зв'язок між різноманітними компонентами інтегральної схеми забезпечується через виводи за допомогою мікроконтактних з'єднань (МКЗ). В сучасних ІС спостерігається значне зростання кількості внутрішніх і зовнішніх виводів, що спричинює їхній суттєвий вплив на характеристики пристроїв. Тому роль МКЗ в забезпеченні працездатності та надійності ІС постійно зростає. Збільшення кількості виводів йде паралельно збільшенню степені інтеграції, що характерно для сучасних ІС. Для апаратури категорії Harsh (РЕА підвищеної стійкості або спеціального призначення) в період 2006-2010 рр. максимальне число виводів корпусів збільшується з 408 до 642, а размір кристалу зростає з 100 до 150 мм2. Крім цього, більш значною є зміна кількості виводів корпусу в апаратурі широкого застосування. Передбачається, що до 2012 р. число виводів корпусу ІС для обчислювальної техніки зросте від двох до трьох з половиною тисяч. Значне збільшення числа МКЗ приводить до зростання їх загального електричного опору, що, в свою чергу, викликає затримку сигналів і збільшує втрати електричної енергії. Це все спричинює його суттєвий вплив на характеристики пристроїв, у зв'язку з чим електричний опір МКЗ необхідно зменшувати. Параметри МКЗ визначають конструктивно-технологічні фактори. Щоб виявити шляхи зменшення опору, необхідно здійснити структурний аналіз його конструктивних складових і провести їх кількісну оцінку. Потребує подальшого удосконалення технологія виготовлення МКЗ, і в тому числі, технологія контролю електричного опору, та виявлення її впливу на опір. Не дивлячись на значну кількість наукових робіт, присвячених цій проблемі, потребує дослідження зв'язок опору з конструктивними параметрами МКЗ (довжиною, шириною і висотою контактної площинки і деформованої частини мікродроту, провідністю перехідної області). Отже, дослідження і аналіз впливу конструктивно-технологічних параметрів на електричний опір МКЗ і визначення кількісного вкладу конструктивних елементів в сумарний опір мікроконтактного вузла інтегральної схеми та удосконалення технології його контролю є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими планами, темами, програмами. Робота виконана у вiддiлах мiкроелектронiки і приймально-передавальних пристроїв НВЧ діапазону Львiвського науково-дослiдного радiотехнiчного iнституту і на кафедрі “Електронні прилади” Національного університету “Львівська політехніка”. Наукові дослідження дисертаційної роботи проводилися у відповідності з тематичними планами iнституту по НДДКР i цiльових комплексних науково-технiчних програм, затверджених Мiнiстерством радiопромисловостi колишнього СРСР, Мiнiстерством машинобудування, вiйськово-промислового комплексу i конверсії України i Мiнiстерством промислової полiтики України з 1984 по 2007 р., зокрема, теми "Дослiдження стабiльностi товстоплiвкових резисторiв, виготовлених на серiйних пастах при дiї рiзноманiтних дестабiлiзуючих факторiв" (№ держреєстрацiї 0196U024262), "Розробка і виготовлення ряду iмпульсних модуляторiв пiдвищеної потужностi для генераторiв дiапазону КВЧ"(№ держреєстрацiї 0197U000001Т), та у відповідності з державною “Програмою розвитку найбільш конкурентноспроможних напрямків мікроелектроніки”, “Загальнодержавною комплексною програмою розвитку високих наукоємних технологій”, “Державною програмою розвитку промисловості на 2003-2011 рр.”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є виявлення і дослідження аналітичних залежностей електричного опору МКЗ від їхніх конструктивних параметрів і технологічних способів виготовлення та розробка методів підвищення електропровідності МКЗ.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі вирішувались наступні основні науково-технічні задачі:

1. Виявити і дослідити аналітичний зв'язок опору зварного дротяного МКЗ з його конструктивними розмірами на основі аналізу розроблених фізичної і математичних моделей, визначити величину цього зв'язку та конструктивні параметри, які найсуттєвіше впливають на опір.

2. Дослідити зв'язок опору жорсткого стовпчикового мікроконтактного з'єднання ІС з його конструктивними розмірами та технологічними способами виготовлення на базі розроблених фізичної і математичної моделей для різних способів з'єднання, визначити величину цього зв'язку та конструктивні елементи і технологічні способи, які найсуттєвіше впливають на опір.

3. Дослідити вплив конструктивних розмірів дротяної перехідної ланки між внутрішнім та зовнішнім виводом ІС на її параметри на базі розробленої фізичної моделі та математичних моделей основних електричних характеристик, визначити величину цього зв'язку і оптимальний діапазон опорів навантаження ланки.

4. Розробити нові способи вимірювання (контролю) електричного опору мікроконтактних з'єднань, що забезпечують підвищення точності та спрощення технологічного процесу вимірювання за рахунок усунення впливу опору під'єднувальних зондів та їхніх контактних опорів, на результат вимірювання.

5. Запропонувати нові способи виготовлення низькоомних елементів мікроконтактних з'єднань.

Об'єктом дослідження є мікроконтактні з'єднання інтегральних мікросхем, а предметом дослідження - електричний опір мікроконтактних з'єднань інтегральних мікросхем.

Методи дослідження. Дисертаційні задачі розв'язувалися із використанням методів диференційного числення, методів розв'язування диференційних рівнянь, математичного моделювання і математичної статистики, опору матеріалів, теорії електричних кіл, а також математичного апарату програмних засобів Паскаль і МаtCad та експериментальних методів дослідження.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті рішення поставлених задач у дисертації отримані наступні нові наукові результати:

1. Вперше розроблено конструктивно-технологічні методи підвищення електропровідності МКЗ, що забезпечують зменшення опору зварного накладного мікроконтактного з'єднання мікродроту та плівкового провідника, в яких враховується його зв'язок з конструктивними параметрами (шириною і товщиною контактної площинки, шириною деформованої частини дроту, опором перехідної зони) і встановлено, що із збільшенням геометричних розмірів (ширини і товщини контактної площинки, діаметру дроту) їхній вплив на опір МКЗ зростає, а вплив перехідного контактного опору зменшується (так для товщини контактної площинки 8 мкм із пасти 3713 при зростанні ширини перехідної зони від 100 мкм до 400 мкм вплив геометричних розмірів конструктивних елементів з'єднання зростає у декілька разів). Виявлено, що для ширини перехідної зони менше 100 мкм і при товщині контактної площинки більше 1 мкм опір МКЗ, в основному, визначається перехідним контактним опором, що необхідно враховувати при проектуванні ІС.

2. Вперше розроблено математичну модель опору жорсткого стовпчикового МКЗ, яка враховує вплив на нього опорів конструктивних складових (контактних площинок кристалу і підкладки гібридної ІС з нерівномірним розподілом струму, перехідних зон і стовпчика) та технологічних способів з'єднання і встановлено, що при використанні припійного способу з'єднання в порівнянні зі зварним способом для різнорідних матеріалів опір мікроконтактного з'єднання зменшується приблизно в 4...5 разів. Показово, що при розробці конструктивно-технологічних виконань МКЗ мінімальними повинні бути: для зварних з'єднань - опори перехідних зон, для припійних з'єднань - опори контактних площинок, для клеєних з'єднань - опори контактних площинок і клейового прошарку, що необхідно враховувати при проектуванні ІС.

3. Досліджено вплив перехідної мікродротяної ланки між внутрішнім і зовнішнім виводом для металоскляного корпусу ІС і встановлено залежності характеристик (опір, втрати, час затримки та ін.) від конструктивних параметрів в діапазоні частот до 3 ГГц та визначено їх оптимальні значення характеристик. Показано, що досліджувана ділянка має найкращі характеристики з точки зору втрат і можливої тривалості перехідних процесів в діапазоні опорів навантаження 0,1...5 кОм.

4. Для усунення впливу контактних опорів вимірювальних зондів (які є одного порядку з опором МКЗ) і підвищення точності вимірювання у 1,5...2 рази вперше розроблена методика вимірювання опору МКЗ, яка полягає у вимірюванні опорів ділянок плівкового провідника, мікродроту і ділянки, що складається з половини попередньої ділянки плівкового провідника і половини ділянки мікродроту з контактним з'єднанням та визначення опору за підсумками здійснених вимірювань.

5. Для створення методом паяння з'єднання зовнішніх виводів (Cu, Au, Al) з алюмінієвими контактними площинками розроблена технологія, яка забезпечує опір з'єднання менше 20 мОм шляхом нанесення проміжного легкоплавкого покриття на контактну площинку в нагрітій двошаровій лужно-припійній ванні і подальше здійснення паяння звичайним припоєм.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі наукових результатів, одержаних в дисертаційній роботі її практичне значення полягає в тому, що:

1. Запропоновано методики, що дають можливість визначати електричний опір дротяних і жорстких стовпчикових мікроконтактних з'єднань інтегральних схем в залежності від конструктивних розмірів і таким чином визначати їхній вплив на характеристики напівпровідникового приладу на етапі проектування.

2. Розроблено методи вимірювання, що дали можливість точніше визначати опір мікроконтактного з'єднання в результаті усунення впливу контактних опорів вимірювальних зондів і таким чином визначити його фактичне значення у виготовлених приладах. Запропоновані методи використано у виробничому процесі виготовлення мікроелектронних пристроїв.

3. Розроблено методику, що дає можливість визначати параметри (опір, втрати, час затримки та ін.) перехідної ланки між внутрішнім і зовнішнім виводом ІС і визначати їхній вплив на параметри напівпровідникового приладу при його розробленні.

4. Розроблено методи, що дозволили виготовити низькомні конструктивні елементи мікроконтактного з'єднання - багатошарову контактну площинку з нижнім високопровідним срібним шаром і низькоомне припійне контактне з'єднання.

Особистий внесок здобувача. Усі основні положення, викладені в дисертації, отримано здобувачем особисто. В опублікованих роботах в співавторстві здобувачеві належать: [1] - систематизовано дані і досліджено вплив напружень на якість мікроконтактів; [3,10] - методика вимірювання опору, формули визначення опору і проведення вимірювання; [4,13] - розробка моделей опору МКЗ і дослідження моделей; [5] - спосіб виготовлення провідникових елементів і проведення експерименту; [6,14] - розробка програми розрахунку і здійснення дослідження моделі опору МКЗ; [7] - постановка задачі, дослідження моделі, аналіз рішення; [8] - розробка методики та визначення електричного опору жорсткого мікроконтактного з'єднання [11] - постановка задачі, виготовлення та експериментальні дослідження паяних з'єднань, [12,15] - методика розрахунку напружень; [16] - постановка задачі і методика оцінки опору; [17] - методика розрахунку опору і проведення розрахунку.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на 6 конференціях міжнародного, державного та галузевого рівнів: Всесоюзній науково-технічній конференції “Теория и практика конструирования и обеспечения надежности и качества электронной аппаратуры и приборов”,м.Воронеж,1984р.; на Міжнародних науково-технічних конференціях TCSET'2004, TCSET'2006 та TCSET'2008 “Modern Problems of Radio Engeneering, Telecommunications and Computer Scince”, Львів-Славсько,2004, 2006 та 2008 рр; на Відкритих науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу з проблем електроніки НУ”Львівська політехніка”, Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки, 2008 та 2009 рр.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 17 наукових праць, із них 8 - в журналах, затверджених ВАК України як фахові видання з технічних наук, 6 тез доповідей на міжнародних та вітчизняних науково-технічних конференціях та отримано 3 авторських свідоцтва на винаходи.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Загальний обсяг роботи 149 сторінок, у тому числі 49 рисунків і 17 таблиць, 15 сторінок використаних джерел, що містять 150 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Наведені дані про апробацію результатів роботи, особистий внесок здобувача та відомості про публікації за темою дисертації.

У першому розділі зроблено аналіз сучасного стану конструктивно-технологічних методів виготовлення та підвищення електропровідності мікроконтактних з'єднань, який показав, що в наявних на даний час моделях опору МКЗ не достатньо враховано його зв'язок з конструктивними розмірами і технологічними способами виготовлення. Для сучасних інтегральних схем характерне зростання загальної кількості виводів, що призводить до зростання їхнього сумарного опору, а це, в свою чергу, впливає на параметри ІС. Конструкція виводів пов'язана з конструкцією корпусу. Розглянуто особливості сучасних ІС з точки зору їхнього корпусування для виявлення тенденцій розвитку мікроконтактних з'єднань ІС. Показано, що в розглянутих конструкціях корпусів найпоширенішими способами мікромонтажу є лицевий монтаж золотим (або алюмінієвим) мікродротом та перевернутий монтаж стовпчиковими (або кульковими) виводами. Ці способи монтажу вибрані для дисертаційного дослідження. Зауважено різний вплив на величину опору МКЗ трьох основних технологій виготовлення МКЗ ІС - зварювання, припаювання і приклеювання. Кількісну величину цього впливу потрібно дослідити і визначити.

Виявлено, що проблеми вивідного монтажу виходять на чільні позиції у виробництві мікроелектронних виробів. Більшість технологічних проблем при виготовленні ІС пов'язано, власне, з монтажем кристалу на підкладку, а отже цю частину технологічного процесу виготовлення ІС потрібно досліджувати і вдосконалювати. Зокрема, при вимірюванні опору жорстких контактних виводів виникають проблеми, пов'язані з під'єднанням вимірювальних зондів, оскільки напівпровідниковий кристал перевернутий і його контактні площинки знаходяться всередині конструкції. Тому актуальною є розробка методики визначення їхнього опору без проведення безпосередніх вимірювань. Показано також, що при виготовленні ІС виникають значні механічні напруження в елементах її конструкції, які, поряд з електричним опором, потрібно практично враховувати на етапі розробки для забезпечення надійної роботи в процесі експлуатації. При вирішенні конструктивно-технологічних і схемотехнічних проблем при розробці ІС широко використовують методи моделювання. Для визначення електричного опору, який є основним параметром, що характеризує якість, зокрема, дротяних і стовчикових виводів, запропоновано використати моделювання. Розглянуто існуючі моделі опору МКЗ та відмічено їхні недоліки. Зокрема, в модель опору торцевого дротяного МКЗ входить опір плівкового провідника з необмеженими розмірами, який має значну величину і тому суттєво вливає на точність визначення опору. Для оцінки впливу контактної площинки на опір МКЗ, необхідна розробка моделі опору контактної площинки, що обмежена конструктивними розмірами. В іншій моделі опір контактної площинки запропоновано визначати із неповної конструкції накладного МКЗ і в ній не враховується опір перехідної області між з'єднуваними провідниками. Опір наближено визначається за аналогією з ємністю конденсатора при припущенні майже ідеальної провідності одного із з'єднуваних провідників, що є складно і не відповідає конструктивному стану провідника. Це впливає на точність визначення опору. Відома також теоретична модель опору ідеалізованого плівкового контакту, однак вона не застосовувалася до аналізу опору МКЗ, що мають свої специфічні особливості. В ній не враховується, що ширина контактної площинки є більшою за ширину деформованої частини дроту. Дослідженню опору МКЗ і, зокрема, на основі моделювання зварних накладних дротяних та жорстких (стовпчикових) і його зв'язку з конструктивно-технологічними параметрами до сих пір не надавалося належної уваги.

На основі зробленого аналізу поставлено задачі дисертаційного дослідження. Огляд літературних джерел обґрунтовує їх актуальність.

У другому розділі розглянуто, систематизовано і проаналізовано способи вимірювання електричного опору МКЗ. Систематизація виявила дві основні групи вимірювання електричного опору МКЗ: мостові методи і методи вимірювання струму і напруги. Детально розглянуто вимірювання опору МКЗ вимірювальним мостом, методом подвійного моста, методом чотириплечого моста з під'єднанням чотиризажимним способом, методом вимірювання струму і напруги з використанням високоомного вольтметра. Показано, що у випадку використання мостових схем вони або недостатньо точні або складні. Так, у разі використання методів одинарного і подвійного мостів на результат вимірювання впливає перехідний контактний опір вимірювальних зондів, який є одного порядку з опором МКЗ. А при використанні методу чотириплечого моста з під'єднанням чотиризажимним способом для визначення опору контактного з'єднання дріттонкоплівковий провідник необхідне виготовлення спеціального взірця з нанесеним на діелектричну підкладку плівковим провідником, до якого у трьох місцях приварюється мікродріт так, що від кожного мікроконтакту виходить по два виводи, тобто, спосіб є технологічно складним. У методі вимірювання струму і напруги в результат вимірювання, окрім опору власне контакту, входить опір провідникової плівки, який теоретично розраховується за спеціальною формулою. Його значна величина - до 87% від повного опору контакту, показує, що опір провідникової плівки суттєво впливає на результат вимірювання опору контакту.

Обґрунтовано необхідність розробки нових способів вимірювання опору МКЗ. Основними проблемами, які доводиться вирішувати при вимірюванні опору МКЗ є усунення або зменшення впливу на результат вимірювання контактних опорів вимірювальних зондів, величина яких одного порядку з опором мікроконтактного з'єднання, а також опорів дільниць дроту і плівкового провідника, які при вимірюванні входять в ділянку поміж вимірювальнами зондами. Тому були запропоновані нові способи вимірювання опору МКЗ у яких ця проблема вирішується.

Розроблено спосіб вимірювання опору МКЗ (рис.1), в якому проводяться

три окремі вимірювання опору дільниць дроту, плівкового провідника і дільниці "половина дільниці дроту - мікроконтактне з'єднання - половина дільниці плівкового провідника", а опір мікроконтактного з'єднання обчислюється за формулою:

R = R3 - (R1 + R2)/2,

де R1 - виміряний опір заданої дільниці дроту l1; R2 - виміряний опір заданої дільниці плівкового провідника l2; R3 - виміряний опір дільниці кола "половина дільниці дроту - контактне з'єднання - половина дільниці плівкового провідника".

Відносна систематична похибка для виміряних значень опору мікроконтактних з'єднань Au-дроту і плівкових провідників із паст 3713 і 3721 не перевищила, відповідно, 1,28 % і 6 %. Більше значення похибки у другому випадку пояснюється меншою величиною вимірюваного опору.

У другому, удосконаленому способі, додано ще одну, паралельну пару вимірювальних зондів та проводиться додатково ще одне вимірювання опору мікроконтактного з'єднання і цим досягнуто підвищення точності процесу вимірювання за рахунок компенсації нерівності опорів, які виникають при контакті затискачів з дротом і щупів з плівкою. Схема вимірювань опорів елементів контактного з'єднання: дроту R1, плівкового провідника R2 та сукупності “дріт-контактне з'єднання-плівковий провідник” R3 , R4 подана на рис.2.

Опір мікроконтактного з'єднанння визначається за формулою:

R = (R3 + R4 - R1 - R2) /2,

де R1 - виміряний опір заданої дільниці дроту l1; R2 - виміряний опір заданої дільниці плівкового провідника l2; R3 і R4 - виміряний опір дільниці кола "половина дільниці дроту - контактне з'єднання - половина дільниці плівкового провідника" при використанні, відповідно, першої пари вимірювальних зондів (1-й щуп і 1-й губковий затискач) та другої пари вимірювальних зондів (2-й щуп і 2-й губковий затискач).

Впровадження першого методу спростило технологію процесу вимірювання, а другий підвищив точність визначення опору на 15,3...16,7%. Способи можуть практично застосовуватися при виконанні контактних з'єднань на збірних операціях технологічного процесу виготовлення інтегральних мікросхем і мікрозбірок.

У третьому розділі розглянуті питання моделювання та визначення опору дротяних та жорстких стовчикових монтажних з'єднань в ІС та його зв'язку з конструктивними параметрами. Для визначення зв'язку опору з конструктивними параметрами запропонована модель накладного з'єднання на підкладці А , в якому ширина деформованої частини дроту рівна В, деформована частина і плівковий провідник перекриваються по довжині l і розділені в області перекриття деяким умовним перехідним шаром. Позначивши через r1=1/Bh і r2=2/bt погонні опори деформованої частини дроту і плівкового провідника (рис.3), а через y=В/п погонну провідність перехідного шару, було перейдено до плоскої моделі і розглянуто еквівалентну схему з розподіленими параметрами (рис.4).

На підставі законів Кірхгофа було записано систему диференційних рівнянь для спаду напруги на контакті і протікаючого струму. Рішенням систе-

ми диференційних рівнянь знайдено величину спаду напруги на контакті. Розділивши величину спаду напруги на контактному з'єднанні на протікаючий через нього струм, визначено його опір:

де З отриманого співвідношення видно, що опір Rк залежить від опору конструктивних складових контакту: контактної площинки і деформованої частини мікродроту і визначається їхніми геометричними розмірами (довжиною, шириною і товщиною контактної площинки, довжиною, шириною і товщиною деформованої частини дроту) і від провідності умовного перехідного шару. Враховуючи, що названа провідність визначає перехідний контактний опір Rкп ,а Rкпд - сумарний опір підвивідної частини контактної площинки і деформованої частини мікродроту, який визначається їхніми геометричними розмірами, опір дротяного мікроконтактного з'єднання складає: Rк = Rкп + Rкпд . Досліджуючи зміну Rк в залежності від зміни геометричних розмірів контактних елементів можна визначити його раціональне, з конструктивного боку, значення. Результати дослідження наведені в четвертому розділі.

Розроблена фізична і математична модель параметрів перехідної дротяної ланки між контактною площинкою і зовнішнім виводом ІС. Спрощений вигляд (модель) ланки з двома МКЗ показано на рис.5, а її еквівалентну схему і фізичну модель - на рис.6 і рис.7.

Для математичної моделі запропоновано використовувати відомі фізичні і математичні залежності для довгої лінії у вигляді дроту над ідеальною провідною поверхнею. Було розраховано постійну часу , тривалість перехідного процесу Тп і втрати , які вносить ланка довжиною 2 мм і визначено їх оптимальні значення.

Визначено, що для діапазону частот до 3 ГГц досліджувана ділянка має найкращі характеристики з точки зору втрат і можливої тривалості перехідних процесів в діапазоні опорів навантаження 0,1...5 кОм. Показано, що нижня межа визначеного діапазону опорів обмежується втратами, а верхня - збільшенням тривалості перехідного процесу. Підтверджено слабку залежність часу затримки від активної складової опору ділянки при постійних значеннях індуктивності і ємності ділянки. Виявлено, що на нижчих частотах ця залежність зростає, але сам час затримки зменшується і визначається співвідношенням індуктивності та активного опору ділянки.

Розроблено модель і методику визначення електричного опору жорсткого виводу ІС на основі методики визначення опору контактної площинки дротяного МКЗ, в якій враховується нерівномірність розподілу струму вздовж контакту. Визначено, що повний опір контактної площинки дорівнює:

a - довжина передвивідної частини контактної площинки (КП).

Сумарний опір стовчикового виводу представлено у виді (рис.8):

Rксв = Rкпп1+ Rпз1 + Rв + Rпз2 + Rкпк2 ,

де Rкпп1 - опір контактної площинки гібридної ІС, Rпз1 - опір перехідної зони між контактною площинкою підкладки гібридної ІС і виводом, Rв - опір стовчика-виводу, Rпз2 - опір перехідної зони між контактною площинкою напівпровідникового кристалу і виводом, Rкпк2 - опір контактної площинки кристалу. Дослідження запропонованої моделі опору в залежності від конструктивно-технологічних варіантів виконання жорсткого мікроконтактного з'єднання (ЖМКЗ) проведено в четвертому розділі дисертації. опір мікроконтактний з'єднання інтегральний

Проаналізовано напружений стан жорстких стовпчикових виводів в ІС та запропоновано уточнену формулу для розрахунку в них механічних напружень зрізу з врахуванням факту розтягнення-стиснення кристалу і підкладки при дворядному розташуванні виводів:

На основі проведених досліджень аналітичних залежностей електричного опору мікроконтактних з'єднань від конструктивних параметрів, технології їх виготовлення, розробки нових методик розрахунку і вимірювання електричного опору мікроконтактних з'єднань, вдосконалення і розробки нових технологгічних процесів їх виготовлення розроблені конструктивно-технологічні методи підвищення електропровідності мікроконтактних з'єднань ІС, які практично реалізовані при проектуванні та виготовленні гібридно-плівкових та напівпровідникових інтегральних мікроелектронних пристроїв у Львівському науково-дослідному радіотехнічному інституті.

1. Вперше розроблено і досліджено фізичну модель електричного опору накладного дротяного мікроконтактного з'єднання. Встановлено, що розходження між опорами МКЗ, які визначені за запропонованими формулами для двох основних випадків проходження струму, є незначними - в межах 0...3 %. На основі проведених досліджень здійснена оцінка опору МКЗ і вперше визначено питомий перехідний контактний опір для термокомпресійних з'єднань Au-дроту і плівкового провідника зі срібної пасти. Його величина склала п = 3,9710-6 Омсм2. Показано, що на перехідний контактний опір суттєво впливає ширина перехідної зони.

2. Розроблено конструктивно-технологічні методи підвищення електропровідності зварного накладного мікроконтактного з'єднання мікродроту та плівкового провідника, що забезпечують зменшення його опору, в яких враховується зв'язок опору з конструктивними параметрами (шириною і товщиною контактної площинки, шириною деформованої частини дроту, опором перехідної зони) і встановлено, що із збільшенням геометричних розмірів (ширини і товщини контактної площинки, діаметру дроту) їхній вплив на опір МКЗ зростає, а вплив перехідного контактного опору зменшується (так для товщини контактної площинки 8 мкм із пасти 3713 при зростанні ширини перехідної зони від 100 мкм до 400 мкм вплив геометричних розмірів конструктивних елементів з'єднання зростає у декілька разів). Виявлено, що для ширини перехідної зони менше 100 мкм і при товщині контактної площинки більше 1 мкм опір МКЗ, в основному, визначається перехідним контактним опором, що необхідно враховувати при проектуванні ІС.

3. Розроблено математичну модель опору жорсткого стовпчикового МКЗ, яка враховує вплив на нього опорів конструктивних складових (контактних площинок кристалу і підкладки ГІС з нерівномірним розподілом струму, перехідних зон і стовчика) та технологічних способів з'єднання і встановлено, що при використанні припійного способу з'єднання в порівнянні зі зварним способом для різнорідних матеріалів опір мікроконтактного з'єднання зменшується приблизно в 4...5 разів. Показово, що при розробці конструктивно-технологічних виконань МКЗ мінімальними повинні бути: для зварних з'єднань - опори перехідних зон, для припійних з'єднань - опори контактних площинок, для клеєних з'єднань - опори контактних площинок і клейового прошарку, що необхідно враховувати при проектуванні ІС.

4. На основі моделі перехідної мікродротяної ланки між внутрішнім і зовнішнім виводом для металоскляного корпусу ІС встановлено залежності характеристик (опір, втрати, час затримки та ін.) від конструктивних параметрів в діапазоні частот до 3 ГГц та визначено їх оптимальні значення. Виявлено, що досліджувана ділянка з двома МКЗ має найкращі характеристики з точки зору втрат і можливої тривалості перехідних процесів в діапазоні опорів навантаження 0,1...5 кОм. Показано, що нижня межа визначеного діапазону опорів обмежується втратами, а верхня - збільшенням тривалості перехідного процесу.

5. Для підвищення електропровідності конструктивних елементів МКЗ розроблено новий комбінований спосіб виготовлення низькоомних контактних площинок і провідникових елементів товстоплівкових плат, який зменшив шкідливість, покращив якість травлення і електропровідність за рахунок зменшення нерівності краю провідника в 1,6…1,7 рази та застосування нижнього адгезійного високопровідного срібного шару в багатошаровому провіднику замість адгезійного резистивного ніхромового підшару, по якому проходить основна частина високочастотного струму.

6. Для створення методом паяння контактного з'єднання зовнішніх виводів (Cu, Au, Al) з алюмінієвими контактними площинками розроблена технологія, яка забезпечує опір з'єднання менше 20 мОм шляхом нанесення проміжного легкоплавкого покриття на алюмінієву контактну площинку в нагрітій двошаровій лужно-припійній ванні і подальше здійснення паяння звичайним припоєм.

7. Розглянуто і систематизовано способи вимірювання електричного опору МКЗ. Для усунення впливу контактних опорів вимірювальних зондів (які є одного порядку з опором МКЗ) і підвищення точності вимірювання у 1,5...2 рази вперше розроблена методика вимірювання опору МКЗ, яка полягає у вимірюванні опорів ділянок плівкового провідника, мікродроту і ділянки, що складається з половини попередньої ділянки плівкового провідника і половини ділянки мікродроту з контактним з'єднанням та визначення опору за підсумками здійснених вимірювань.

8. Розроблено методику визначення напружень зрізу в жорстких стовпчикових мікроконтактних з'єднаннях з врахуванням явищ розтягнення і стиснення напівпровідникового кристаллу і підкладки гібридної ІС і знайдено їх значення для золотих виводів: зр = 70,23 МПа. Це є значні напруження - для Au граничні напруження зрізу зр = 150 МПа. Виявлено, що точність визначення напружень за запропонованою методикою зростає із збільшенням кількості виводів, що пояснюється збільшенням жорсткості контактної структури. Зокрема, для золотих виводів підвищення точності склало 11,43 % (16 виводів) і 34,06% (64 виводи), а для припійних виводів - 2,91% (16 виводів) і 10,64% (64 виводи). Практичне застосування запропонованої методики при проектуванні ІС підвищує точність здійснюваних розрахунків механічних напружень і в поєднанні з визначеним значенням електричного опору дає можливість комплексно оцінити надійність і якість жорсткого МКЗ.

СПИСОК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

1. Матвийкив М. Д. Влияние механических напряжений на качество микроконтактов интегральных схем / М. Д. Матвийкив, Д. Т. Дячок, Е. В. Кулык // Вестник Львовского политехнического института. Сер. Теория и проектирование полупроводниковых и радиоэлектронных устройств.-1984.-№ 186.- С.82-85.

2. Дячок Д. Т. О сопротивлении контактного соединения микропроволоки и тонкопленочного проводника / Д. Т. Дячок // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общие вопросы радиоэлектроники.-1988.-Вып.12.- С.112-115.

3. Дячок Д. Т. Спосiб вимiрювання опору контактного з'єднання мiкродроту i плiвкового провідника / Д. Т. Дячок, В. А. Павлиш, Л. М. Смеркло // Вiсник Нац. унiверситету "Львівська полiтехнiка". Сер. Елементи теорiї та прилади твердотiльної електронiки.-2003. -№ 491.- С.81-86.

4. Дячок Д. Моделi зварних мiкроконтактних з'єднань дроту i плiвкового провiдника/ Д. Дячок, Л. Смеркло // Вiсник Нац. університету "Львівська політехніка". Сер. Радiоелектронiка та телекомунiкацiї.-2004.-№ 508.- С.281-285.

5. Смеркло Л. М. Комбінований спосіб виготовлення товстоплівкових НВЧ плат / Л. М. Смеркло, Д. Т. Дячок, Г. Л. Кучмій // Вiсник Нац. унiверситету "Львiвська полiтехнiка". Сер. Елементи теорiї та прилади твердотiльної електронiки.-2005.-№ 542.- С.52-55.

6. Дячок Д. Т. Взаємозв'язок конструктивних параметрів і електричного опору мікроконтактного з'єднання в ІС / Д. Т. Дячок, Л. М. Смеркло, В. В. Невзоров // Вiсник Нац. університету "Львiвська полiтехнiка". Сер. Елементи теорiї та прилади твердотiльної електронiки.-2006.-№ 569- С.12-16.

7. Юрченко Л. Д. Модель перехідної ділянки між внутрішнім і зовнішнім виводом ІС та її характеристики / Л. Д. Юрченко, Д. Т. Дячок, В. А. Павлиш // Вiсник Нац. університету "Львiвська полiтехнiка". Сер. Електроенергетичні та електромеханічні системи.-2006.-№ 563.-С.173-180.

8. Готра З. Ю. Анализ влияния способа соединения столбиковых выводов интегральных схем на их сопротивление / З. Ю. Готра, Д. Т. Дячок // Технология и конструирование в электронной аппаратуре.-2009.-№ 2.-С.30-33.

9. А.с.1250982 СССР, МКИ G01R27/00. Способ определения сопротивления контактного соединения проволоки и тонкой пленки / Д. Т. Дячок. (СССР), -№3794975; Заявл.25.09.84; Опубл.15.08.86, Бюл.№30. -5 с.

10. А.с. 1492309 СССР, МКИ G01R27/00. Способ определения сопротивления контактного соединения проволоки и пленочного проводника / Д. Т. Дячок, В. А. Павлиш, Л. М. Смеркло, Я. М. Сенишин (СССР). -№4296087; Заявл.11.08.87; Опубл.08.03.89, Бюл.№ 25. -6 с.

11. А.с. 1269931 СССР, МКИ B23K1/20. Способ пайки алюминия и его сплавов / Д. Т. Дячок, А. А. Коваль, О. М. Лозовый, Ю. А. Писаренко (СССР) -№.3840342; Заявл. 04.01.85; Опубл.15.11.86, Бюл.№ 42. -3 с.

12. Дячок Д. Т. Расчет напряжений среза в жестких выводах компонентов гибридных интегральных схем / Д. Т. Дячок, М. Д. Матвийкив // Тезисы докладов Всесоюзной научн.-техн. конф. "Теория и практика конструирования и обеспечения надежности и качества электронной аппаратуры и приборов", г.Воронеж,1-3 февраля 1984 г.- М.: Радио и связь, 1984.- С.15.

13. Dyachok D. The Simulation of Welded Microcontact connection of lead and Films Conductors / D. Dyachok, L. Smerklo // Proceedings of the International Conference TCSET ' 2004, "Modern Problems of Radio Engeneering,Telecommunications and Computer Scince". Lviv-Slavsko, Ukraine.-2004.- Lviv: Publishing House of Lviv Politechnic, 2004.- Р.76.

14. Smerklo L. The Effect of Structural Parameters on Elektrical Resistance of Microcontact Connection in Integrated Circuits / L. Smerklo, D. Dyachok, M. Hladun // Proceedings of the International Conference TCSET ' 2006, "Modern Problems of Radio Engeneering, Telecommunications and Computer Scince". Lviv-Slavsko, Ukraine.-2006.- Lviv: Publishing House of Lviv Politechnic, 2006.- Р.619.

15. Pavlysh V. Definition of the Mechanical Stress Value in the IC Pin Leads / V. Pavlysh, D. Dyachok // Proceedings of the International Conference TCSET ' 2008, "Modern Problems of Radio Engeneering,Telecommunications and Computer Scince". Lviv-Slavsko, Ukraine.-2008.- Lviv: Publishing House of Lviv Politechnic, 2008.- Р.91.

16. Дячок Д. Оцінка електричного опору стовпчикового виводу ІС на його моделі / Д. Дячок, Р. Майстришин // Тези доповідей 11-ї відкритої наук.-техн. конференції професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікацій, радiоелектронiки та електронної техніки НУ “Львівська політехніка” з проблем електроніки,1-3 квітня 2008, Львів: Вид-во НУ “Львів.політехніка”, 2008.- С.24.

17. Готра З.Ю. Визначення величини електричного опору контактних площинок в ІС / З.Ю. Готра, Д.Т. Дячок, А.Й. Семенюк // Тези доповідей 12-ї відкритої наук.-техн.конференції професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікацій, радiоелектронiки та електронної техніки НУ “Львівська політехніка” з проблем електроніки,7-9 квітня 2009, Львів: Вид-во НУ “Львів.політехніка”, 2009.- С.22.

АНОТАЦІЯ

Дисертацiя на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук за спецiальнiстю 05.27.01 - Твердотільна електроніка.-Чернівецький національний унiверситет ім.Ю.Федьковича, Чернівці, 2010.

Дисертація присвячена питанням виявлення та дослідження аналітичних залежностей електричного опору мікроконтактних з'єднань (МКЗ) ІС від їхніх конструктивних параметрів і технологічних способів виготовлення та розробці методів підвищення електропровідності МКЗ.

В дисертації представлено результати дослідження математичних моделей опорів зварного накладного МКЗ мікродроту та плівкового провідника, жорсткого стовпчикового МКЗ та перехідної мікродротяної ланки між внутрішнім і зовнішнім виводом ІС, що дало змогу визначити складові опорів, характеристики перехідної ланки і на основі цього запропонувати конструктивно-технологічні методи підвищення електропровідності МКЗ. Розроблено нові способи вимірювання опору мікроконтактного з'єднання, в яких усувається вплив перехідних контактних опорів вимірювальних зондів на результат вимірювання, і нові способи виготовлення низькоомних елементів МКЗ.

Ключові слова: мікроконтактне з'єднання, модель, провідність, опір, конструкція, технологія, інтегральна схема.

Дячок Д.Т. Конструктивно-технологические методы повышения электропроводимости микроконтактных соединений интегральных схем.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 - Твердотельная электроника.-Черновецкий национальный университет им.Ю.Федьковича, Черновцы, 2010.

Дисертация посвящена вопросам выявления и исследования аналитических зависимостей электрического сопротивления микроконтактных соединений (МКС) ИС от их конструктивних параметров и технологических способов изготовления и разработке методов повышения электропроводимости МКС.

В дисертации представлено результаты исследования математическиих моделей сопротивлений сварного накладного МКС микропроволоки и пленочного проводника, жесткого столбикового МКС и переходного микропроволочного звена между внутренним и внешним выводом ИС. В результате поведенных исследований виявлено существенное влияние отдельных елементов МКЗ на его сопротивление. Впервые установлено, что при увеличении геометрических размеров элементов проволочного МКС их влияние на сопротивление МКС увеличивается, а вплияние переходного контактного сопротивления уменьшается. Для меньших же размеров МКС его сопротивление, в основном, определяется переходным контактным сопротивлением. Выявлено, что электропроводимость МКС повышается при увеличении диаметра используемой микропроволоки. Для повышения электропроводимости малоразмерных МКС необходимо, в первую очередь, уменьшать сопротивление переходной области между проволочным проводником и контактной площадкой. Предложена и проанализирована модель проволочного переходного звена между внутренним и внешним выводом ИС и определены его оптимальные параметры.