Microwave microblocks sealing with high-frequency soldering

Рис. 1. Конструктивные исполнения микроблоков

Fig. 1. Constructive designs of microblocks

Корпус СВЧ-микроблока изготавливается из алюминиевого сплава Д16Т фрезерованием в мелкосерийном производстве или литьем под давлением (рис. 1). Внутри корпуса находится микроплата с электронными компонентами. Для герметизации корпуса пайкой легкоплавкими припоями на его поверхность наносят многослойное покрытие: никель – 15 мкм, медь – 6 мкм, покрытие олово-висмут толщиной 8–9 мкм.

В настоящее время до 40 % металлостеклянных и металлокерамических корпусов БИС и микросборок герметизируется пайкой, достоинствами которой являются: ремонтопригодность изделия, невысокие температуры нагрева корпуса, некритичность к плоскопараллель-ности паяемых кромок, возможность групповой технологии. Применение традиционного процесса пайки на термостоле или паяльником имеет низкую производительность, использует в значительной мере ручной труд и не обеспечивает высокого качества паяемых соединений. Возникают трудности с использованием флюса и необходимостью удаления его остатков. Механизированная пайка в печи экономически оправдана лишь в крупносерийном производстве и требует больших энергозатрат.

Перспективным направлением в технологии производства РЭА является применение высокочастотной (ВЧ) пайки для герметизации корпусов БИС и микросборок. Воздействие энергии электромагнитных колебаний позволяет осуществить высокопроизводительный бесконтактный нагрев деталей и припоя с помощью наведенных в них вихревых токов ВЧ, активировать припой и улучшить его растекание по паяемым поверхностям. Качество паяемых соединений ВЧ-пайки зависит от следующих факторов:

• –    высокой скорости и регулируемости нагрева деталей и припоя по заданному термопрофилю;

• –    избирательности и локальности ВЧ-нагрева для исключения повреждения электронных компонентов;

• –    равномерности нагрева паяемых деталей для создания оптимальных условий физикохимического взаимодействия на границах припой–поверхность деталей [2].

Наиболее важные преимущества ВЧ-нагрева заключаются в следующем:

• –    энергия нагрева создается вихревыми токами непосредственно в изделии;

• –    возможны высокая плотность энергии и короткое время нагрева;

• –    локализация нагрева в пределах обрабатываемой зоны;

• –    возможность нагрева в любой среде, включая вакуум или инертный газ;

• –    высокая экологическая чистота нагрева;

• –    возможность использования электродинамических сил для улучшения растекания припоя, перемешивания расплава металла и т.д.

Существует большое разнообразие конструкций индукционных нагревательных устройств. Для сквозного нагрева проводящих тел круглого, квадратного и прямоугольного сечений применяют индукторы соленоидального типа (рис. 2 а ), плоских тел – в виде плоской спирали (рис. 2 б ). Для повышения эффективности ВЧ-нагрева применяют индукторы с магнитопроводом (рис. 3). Для нагрева колец, небольших плат, проводов используют индукционные устройства с замкнутой и разомкнутой магнитной цепью (рис. 4).

Наиболее оптимальным методом ВЧ-пайки является использование индуктора с магнитопроводом на металлокерамических материалах. Такой магнитопровод концентрирует магнитное поле в заданной зоне пайки, что позволяет не только осуществить высокопроизводительный бесконтактный нагрев деталей с помощью наведенных в них вихревых токов высокой частоты, но и активировать припой за счет пондеромоторных сил, а также улучшить его растекание по паяемым поверхностям.

Целью работы является исследование процесса герметизации корпусов СВЧ-микроблоков ВЧ-пайкой и оптимизация параметров ВЧ-нагрева. Необходимо при выборе генератора учитывать его рабочую частоту, которая определяет глубину проникновения поля внутрь корпуса.

а

б

Рис. 2. Индуктор в виде соленоида (а) и в виде плоской спирали (б): 1 – индуктор, 2 – нагреваемое тело

,

Fig. 2. Inductor in the form of a solenoid (a), and in the form of a flat spiral (б): 1 – inductor, 2 – heated body

Рис. 3. Индуктор с магнитопроводом: 1 – магнитопровод; 2 – индуктор; 3 – нагреваемое тело

Fig. 3. Magnetic inductor: 1 – magnetic field; 2 – inductor; 3 – heated body

б

Рис. 4. Индукционные устройства с замкнутой (а) и разомкнутой (б) магнитной цепью: 1 – магнитопровод; 2 – индуктор; 3 – нагреваемое тело

Fig. 4. Induction devices with a closed (a) and open (б) magnetic circuit: 1 – magnetic field; 2 – inductor; 3 – heated body

В процессе герметизации корпуса микроблока необходимо, чтобы энергия электромагнитной волны была значительно меньше энергии деградации электронных компонентов внутри корпуса.

Выбор частоты, расчет параметров индуктора и мощности ВЧ-нагрева

При ВЧ-нагреве распределение напряженности электрического поля в проводящей среде имеет вид

-X

Е = Е_о • ехр (-g-J,                                                         (1)

где E 0 – напряженность поля на поверхности; δ – глубина проникновения поля; x – расстояние от поверхности детали.

Глубина проникновения поля зависит от частоты тока f , удельного электрического сопротивления материала ρ и магнитной проницаемости μ [3]:

5 = Vp/Сп^ / •Ц о •Ц),                                               (2)

где μ 0 – магнитная постоянная поля; ρ – удельное электрическое сопротивление материала; μ – магнитная проницаемость; f – частота тока.

Следовательно, увеличение магнитной проницаемости и частоты тока приводит к более выраженному поверхностному эффекту.

Для расчета параметров индуктора использованы следующие исходные данные: материал корпуса и крышки – сплав Д16Т (µ=1, ρ= 5,2·10-8 Ом·м); толщина крышки 2 мм; периметр паяного шва 245,8 мм; количество витков индуктора 6; диаметр трубки индуктора 5 мм; эффективное напряжение на индукторе 125 В. При этих условиях глубина проникновения составит доли миллиметра (рис. 5).

До 86 % мощности нагрева создается в поверхностном слое проводящего тела толщиной δ, где амплитуда напряженности поля уменьшается в e раз. При пайке микроэлектронных устройств, содержащих внутри корпуса микроплату с элементами, чувствительными к электрической составляющей поля, энергия ЭМ наводки должна быть значительно меньше энергии деградации элементов, которая составляет 10–15 мкДж [4]. На глубине, равной 4-м толщинам скин-слоя δ, напряженность поля ослаблена в 152 раз по сравнению с поверхностью и на поря- – 663 –

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

Frequency f, kHz

Рис. 5. Зависимость глубины проникновения поля от частоты

Fig. 5. Dependence of the depth of field penetration on frequency

док ниже напряженности наводок, приводящих к деградации элементов. Таким образом, выбор частоты при пайке микроэлектронных устройств необходимо осуществлять из условия:

δ ≤ h/4,

где h – толщина стенки корпуса.

Учитывая выражение (1), получим соотношение для нижней частоты тока:

f min ≥ 4.05 ⋅ 10^{6 ρ} _{( µ h} 2₎ .

Верхний предел частоты вытекает из требования максимальной величины термического КПД ВЧ-нагрева, при которой:

δ > h/8,

f max < 16.2 ⋅ 10

Этим условиям удовлетворяет нагрев энергией ВЧ ЭМ колебаний в диапазоне частот 0,4–2,0 МГц. С повышением частоты локализуется тепловыделение и снижается температурное воздействие на изделие.

Энергия электрического поля определяется по формуле

w =

E q E²V

2 '

где E – напряженность электрического поля; V – объем поля, ε 0 =8,85∙10^-12.

При напряжении на индукторе 1500 В и расстоянии между индуктором и деталью 2 мм напряженность электрического поля составит 750∙кВ/м. Тогда энергия электрического поля внутри индуктора объемом 125∙10-6 м3 будет равна 300 мкДж, а внутри корпуса микросборки с толщиной стенки 2 мм на частоте 2,2 МГц уменьшится в 152 раза и составит 1,97 мкДж.

Функциональные сбои у аналоговых ИС происходят при средних плотностях потока мощности порядка 10 мВт/см2 (Е=0,19 кВ/м) [5]. Учитывая, что напряжение электрического поля, измеренное рамкой внутри корпуса, составляет 0,44 В, напряженность электрического поля равна 0,0036 кВ/м. Таким образом, напряженность поля ослабляется в 63 раза и является безопасной для аналоговых ИС.

КПД индукционного нагрева определяется как отношение полезной мощности, выделяемой в нагреваемом объекте, к полной активной мощности [6].

p .

P :

1 + yp^r Ур2^2

где P ₂ – активная мощность в загрузке; P _Σ – суммарная мощность системы; ρ₁, ρ₂ – удельные электрические сопротивления материала индуктора и детали соответственно; μ 1 и μ 2 – магнитные проницаемости материала индуктора и детали.

При небольшом различии в удельных электрических сопротивлениях индуктора и детали и ее диамагнитных свойствах КПД индукционного нагрева не свыше 0,6. Для повышения эффективности нагрева используют эффект близости, который заключается в стягивании вихревого тока детали под поверхность индуктора и в концентрации тока индуктора на поверхности проводника, обращенной к индуктору. При малых зазорах между индуктором и деталью ( h ≤ 2–4 мм) ширина зоны нагрева на поверхности детали определяется проекцией диаметра индуктора. В случае ярко выраженного эффекта близости можно предположить, что индукционный ток в детали протекает в малой зоне, ограниченной глубиной проникновения и размерами индуктора, сопротивление которой равно:

I

Rg P6H’ где l – периметр детали, H – ширина зоны нагрева.

Электрическое сопротивление токам ВЧ в зоне нагрева можно определить из предположения, что ширина зоны нагрева при малых величинах зазора h определяется проекцией диаметра индуктора, а длина – кольцом размером πND для круглой детали и периметром Nl – для д прямоугольной (рис. 6) [7]:

Nl

^•10 - .^.p-^

(0,08 ^ 0,19) Ом,

где N – количество витков; l – периметр детали в зоне нагрева; d и – диаметр трубки индуктора; ρ д – удельное электрическое сопротивление детали.

Эффективная мощность ВЧ-нагрева в общем случае равна [8]:

UK • С05Ф • П

^ эф = эф _p = (0,8-2,0) кВт.

Р д

Из расчетов получилось, что для пайки ВЧ-нагревом микроблоков необходимо поддерживать частоту в диапазоне 0,4–2,0 МГц. КПД процесса составляет 0,6. Электрическое сопротивление токам ВЧ в зоне нагрева в диапазоне данных частот равно 0,08–0,19 Ом. Для нагрева корпуса с данным электрическим сопротивлением и КПД необходимо поддерживать эффективную мощность ВЧ-нагрева в диапазоне 0,8–2 кВт.

Рис. 6. Схема ВЧ-нагрева при эффекте близости: 1, 2 – детали; 3 – зона нагрева; 4 – индуктор

Fig. 6. HF heating scheme with proximity effect: 1, 2 – details; 3 – heating zone; 4 – inductor

Разработка методики исследования ВЧ-пайки корпусов микроблоков

Для качественной герметизации СВЧ-микроблоков ВЧ-пайкой необходимо обеспечить необходимый температурный профиль (рис. 7). Он состоит из трех участков: нагрев до температуры плавления припоя, пайка и охлаждение.

При ВЧ-нагреве важно оперативно регулировать скорость нагрева так, чтобы паяемые детали и припой одновременно достигали температуры пайки. На индуктор подают ВЧ-напряжение и нагревают изделие (участок от 25 °С до T smax на рис. 7). Скорость нагрева составляет порядка 2 ÷ 3 °С/c.

После расплавления припоя ( T L ) снижают интенсивность ВЧ-нагрева в зависимости от требуемого температурного режима процесса пайки (участок T_L – T_p ), что позволяет избежать перегрева припоя, а также снизить нагрев изделия. Затем ВЧ-напряжение отключают и изделие охлаждают. В табл. 1 указаны предельные значения параметров для двух припоев [2].

Схема проведения эксперимента представлена на рис. 8. Для герметизации корпуса пайкой легкоплавкими припоями на его поверхность наносят многослойное покрытие: никель –15 мкм, медь – 6 мкм, покрытие олово-висмут толщиной 8–9 мкм.

Перед пайкой соединяемые поверхности подвергались горячему облуживанию припоем с помощью электрического паяльника мощностью 50 Вт. После облуживания паяемых поверх-

Рис. 7. Рекомендуемый профиль пайки: 1 – припой SnPb; 2 – припой без Pb

Fig. 7. Recommend solder profile: 1 – solder SnPb; 2 – solder without Pb

Таблица 1. Предельные значения для профилей

Table 1. Limit values for profiles

Свойство профиля	SnPb эвтектический монтаж	Монтаж без Pb
Средняя скорость роста ( T smax до T p )	максимум 3 °С/с	максимум 3 °С/с
Предварительный нагрев: – Минимальная температура ( T smin ) – Максимальная температура ( T smax ) – Время ( tsmin до tsmax )	100 °С 150 °С от 40 до 70 с	150 °С 200 °С от 60 с до 100 с
Верхняя граница температуры – Температура ( TL ) – Время ( tL )	183 °С от 60 до 150 с	217 °С от 60 до 150 с
Предельная/классификационная температура ( T p )	235 °С	260 °С
Число возможных циклов рециркуляции	3	3
Время в пределах 5 °С фактического максимума температуры	от 10 до 30 с	от 20 до 40 с
Скорость спада температуры	максимум 6 °С/c	максимум 6 °С/c
Время от 25 °С до максимальной температуры	максимум 6 мин	максимум 8 мин

Рис. 8. Схема герметизации корпусов СВЧ-микроблоков ВЧ-пайкой: 1 – основание; 2 – корпус; 3 – крышка; 4 – индуктор; 5 – магнитопровод; 6 – измерительная рамка; 7 – микроплата; 8 – термопара;

9 – переключатель

Fig. 8. The scheme of hermetic sealing of the hulls of microwave microblocks by soldering: 1 – base; 2 – housing; 3 – cap; 4 – inductor; 5 – magnetic core; 6 – measuring frame; 7 – microplate; 8 – thermocouple; 9 – switch ностей остатки флюса удалялись промывкой в горячей воде. В качестве источника высокочастотной энергии использовался высокочастотный ламповый генератор ВЧГ2-1/1.

Корпус с герметизируемой ИС устанавливался в вырезанное окно в изоляционном основании, на корпус надевалась крышка. После установки крышки подводился индуктор, на который подавалось напряжение ВЧ от вторичной обмотки воздушного трансформатора, и осуществлялся нагрев поверхности крышки. Время пайки определялось визуально, после расплавления и опускания крышки давалась выдержка 1-2 с. Паяное соединение крышки с корпусом осуществлялось за счет слоя предварительного лужения. Время на-– 667 – грева ТВЧ регистрировалось секундомером. В процессе экспериментов измерялась температура нагрева подложки ИС, температура пайки, напряженность внутри индуктора и внутри корпуса.

Измерительная рамка размещалась как внутри индуктора, так и внутри корпуса микроблока и соединялась с электронным вольтметром. В измерительной рамке наводилась ЭДС, величина которой равна:

е = цош • nnR^H,                                                      (12)

где Ц_о = 4п • 10^-7Гн/м; и — круговая частота; n - число витков; R - радиус контура круглой рамки; Н – напряженность магнитного поля.

Для квадратной рамки формула для расчета напряженности поля имеет вид

H = 1,26

£(В) /(МГц)-а²(мм²)-п

105Л/м,

где а ² – площадь одного витка квадратной рамки, мм².

Зависимости температуры в зоне пайки крышки с корпусом, измеренные с помощью термопары, приведены для различных конструкций индуктора на рис. 9. На рис. 10 показаны зависимости напряженности магнитного поля от мощности ВЧ-генератора для различных конструкций индуктора.

Запаянные образцы подвергались испытаниям на герметичность с помощью промышленного передвижного течеискателя ПТИ-10. Использовался разрушающий метод определе-

Рис. 9. Зависимости температуры в зоне ВЧ-пайки от времени для шестивиткового индуктора: 1 – без магнитопровода; 2 – с ферритовым магнитопроводом

Fig. 9. Temperature dependence in the HF soldering zone versus time for a six-turn inductor: 1 – without the magnrtic circuit; 2 – with ferrite core

Рис. 10. Зависимости напряженности магнитного поля от мощности ВЧ-генератора для шестивиткового индуктора: 1 – без магнитопровода; 2 – с ферритовым магнитопроводом

Fig. 10. Dependence of the intensity of the magnetic filed on the power of the HF generator for a six-turn inductor: 1 – without the magnrtic circuit; 2 – with ferrite core ния качества герметизации. Для этого в крышке корпуса сверлилось отверстие диаметром 2-3 мм. Корпус устанавливался в специальном приспособлении, соединенном вакуумными шлангами с течеискателем ПТИ-10 и вакуумным насосом. Из корпуса ИС откачивался воздух до давления не более (8-5)·10-2 мм рт.ст., после чего вакуумный насос отключался. Откачанный объем корпуса обдувался гелием. Количественная оценка герметичности корпуса ИС производилась по шкале прибора ВПУ-3, установленного на выносном пульте управления течеискателем. Срезы паяных соединений исследовались на металлографическом микроскопе МИМ-8.

На рис. 11 представлена зависимость температуры подложки, находящейся внутри корпуса, от времени для шестивиткового индуктора. В ходе исследований, представленных на данной зависимости, корпус нагревался до температуры 230 °С.

Анализ зависимостей показывает, что применение ферритового магнитопровода внутри индуктора концентрирует напряженность магнитного поля при одинаковой мощности ВЧ-нагрева в 1,2–1,3 раза, при этом скорость нагрева увеличивается во столько же раз. При одной и той же мощности напряженность внутри корпуса составляет 0,0025 ∙ 10⁵ А/м, что в 44 раза меньше, чем снаружи. Подложка не испытывает перегрева во время герметизации корпусов СВЧ-микроблоков ВЧ-пайкой.

Таким образом, применение ВЧ-нагрева в сочетании с ферритовым магнитопроводом при герметизации пайкой корпусов микроблоков, изготовленных из диамагнитных сплавов, позволяет увеличить производительность процесса в 1,2–1.3 раза, повысить надежность микроэлектронных приборов, а также применить бессвинцовые припои взамен дефицитных оловянно-кадмиевых и оловянно-висмутовых припоев.

Рис. 11. Зависимости температуры подложки, находящейся внутри корпуса, от времени для шестивиткового индуктора: 1 – без магнитопровода; 2 – с ферритовым магнитопроводом

Fig. 11. The dependence of the temperature of the substrate inside the ousing on the time for a six-turn inductor: 1 – without the magnrtic circuit; 2 – with ferrite core