Montáž optoelektronických lícních čipů

Zachování polohy a vyrovnanosti optických součástek vůči ostatním obvodovým prvkům po celou dobu životnosti sestavy může být rozhodující pro maximální funkčnost a vysokou spolehlivost. Přesné počáteční osazení a připojení citlivých obvodových prvků závisí na způsobilosti zařízení a kontrole. Zachování přesnosti po celou dobu životnosti závisí na materiálech sestavy.

Připojování součástek pájkou zůstává nejpoužívanější metodou montáže, s lícními čipy na nálitcích pájky v sestavách s vysokou montážní hustotou. Předem tvarovaná pájka zlato-cín (AuSn) se dlouho používala u těsnění hermetického víčka bez tavidla, k připojení čipu a připojení chladiče. Dnes se pájka AuSn stala výběrovým materiálem pro montáž lícního přesného optického čipu. Pro tuto aplikaci se slitina zlato-cín vyznačuje řadou předností.

Výhody pájky zlato-cín (AuSn)

1. Bez tavidla - Na rozdíl od většiny běžných pájek, slitina AuSn nevyžaduje chemické tavidlo k odstranění oxidů a přípravě plochy. Vyloučení tavidla a nutnosti čištění tavidla po pájení zkracuje proces montáže, a současně brání znečištění optických ploch zbytky tavidla.

2. Tvrdost - Pájka AuSn vytváří velmi tvrdý pájený spoj bez tečení, ochabnutí nebo deformací spoje, takže vyrovnanost prvku se během času nemění.

3. Dobré smáčení - Pájka AuSn ochotně smáčí pájecí plošky a vytváří silné, stejnoměrné spoje bez pórů, což je nedostatek některých novějších bezolovnatých náhrad.

4. Odolnost vůči korozi - Pájené spoje AuSn jsou velmi odolné vůči korozi, aniž by bylo nutno použít dodatečnou ochranu, jak ji vyžadují některé náhrady.

5. Vynikající tepelné vlastnosti - Vysoká tepelná vodivost slitiny zlato/cín rychle odvádí teplo, aniž by docházelo k nadměrnému pnutí, což je hlavní problém vysoké hustoty montáže.

6. Vysoká elektrická vodivost - Vysoká elektrická vodivost zlata je zárukou spojů o nízkém odporu, což je důležité pro součástky s vysokým výkonem.

7. Dlouhodobá stabilita - Rychlosti růstu intermetalických sloučenin jsou nízké při nanášení na nikl, palladium nebo platinu.

8. Osvědčení pro bezolovnatou technologii - Montáž součástek pomocí slitiny AuSn se používala desítky let předtím, než politické nařízení používat bezolovnatou pájku vedlo k záplavě méně známých bezolovnatých pájek.

Kompromisy slitiny zlato-cín

1. Aktivní atmosféra - Vyloučení tavidla současně eliminuje odstraňování povrchových oxid tavidlem. Místo toho, montáž AuSn brání oxidaci tím, že používá řízenou, aktivní atmosféru.

2. Úzké procesní okno - Jak je pojednáno níže, získání požadovaných charakteristik AuSn vyžaduje pečlivé řízení procesu při tvorbě nálitků a montáži.

3. Cena materiálu - Celosvětová finanční krize v nedávné době vyhnala cenu zlata do nebývalých výšek.

Tvorba nálitků zlato-cín

Zjednodušený fázový diagram AuSn na obr. 1 znázorňuje eutektický bod při 278 °C u kompozice 80 váhových procent zlata a 20 váhových procent cínu. Obr. 1 rovněž ukazuje, že teplota tavení se rychle zvyšuje se stoupajícím procentem zlata nad tento eutektický poměr.

Příklad: zvýšení zlata v kompozici o 1 % zvýší teplot tavení o 30 °C. Přesné řízení kompozice je základem tvorby nálitků Au80-20Sn.

Jedním osvědčeným přístupem při tvorbě nálitků je galvanické nanášení silné vrstvy zlata, pokryté tenkou vrstvou cínu ve správném poměru. Přetavením nálitku pak získáme eutektickou kompozici.

Jiné metody tvorby nálitků spočívají v sekvenčním odpařování střídavě vrstvy zlata a cínu ve správném poměru, v uložení a přetavení předem tvarovaných kuliček pájky ve správném složení, nanášení pájecí pasty AuSn pomocí šablony nebo tryskáním, nebo v galvanickém nanášení slitiny pomocí jednosložkové řízené slitiny zlato-cín.

Proces optoelektronické montáže

Optoelektronická montáž AuSn vyžaduje velmi přesné vyrovnání a osazení součástky, jakož i přesné řízení připojovací teploty, tlaku a času. Osazovací stroj řízený programem je nejlepším způsobem automatizace procesu při současném zachovávání kontroly.

Závěr

Eutektická pájka zlato-cín má řadu předností před ostatními pájkami pro přesnou, stabilní montáž optoelektronických prvků, proces však vyžaduje pečlivou kontrolu. Automatizovaný stroj může osazovat a pájet tyto prvky s přesností lepší než 1 µ.