Сборочные процессы в технологии иэот

8 Сборочные процессы в технологии иэот

Контроль параметров кристаллов на пластине и плат на подложке на функционирование. Маркировка брака. Методы разделения пластин и подложек. Лазерное и «алмазное» скрайбирование. Сквозное и с последующей ломкой. Разделение с помощью свободного и связанного абразива. Проволокой, полотнами, дисками и алмазными режущими дисками (АРД). Методы установки кристаллов и плат в корпуса. Монтаж с использованием эвтектических сплавов, припоев, клеев и   компаундов. Виды корпусов (классификация). Виды выводов. Технология проволочного монтажа. Методы создания неразъемных электрических соединений в изделиях ИЭОТ. Термокомпрессионная, ультразвуковая и термозвуковая сварки. РЛ: Паучковые выводы. Технология объемных выводов. Защита кристаллов и плат от дестабилизирующих факторов. Методы и материалы для гермитизации кристаллов и плат. Корпусирование. Типы корпусов (классификация). Методы контроля герметичности корпусов ИЭОТ.

8.1 Методы разделения пластин и подложек

Технология производства интегральных схем на стадии подготовку кристаллов и плат к сборке в корпусах предусматривает разделение полу проводниковой пластины, диэлектрической подложки с функциональными схемами на отдельные кристаллы (платы). Полупроводниковая пластина поступающая на операцию разделения и аккумулирующая в себе значительные трудовые и материальные' затраты, обладает большой стоимостью. Это обстоятельство Налагает высокую ответственность на операцию разделения, определяет ее важное место во всей технологической   цепочке производства.

Требования к операции разделения пластин формируются в соответствии с требованиями, предъявленными к кристаллу. Основными и них являются высокий процент выхода годных кристаллов; геометрическая точность кристаллов; низкий уровень сколов по краям кристаллов.

Традиционные методы резки, применяемые в металлообрабатывающей промышленности, Не Всегда могут быть использованы, т.к. Полупроводниковые материалы отличаются высокой твёрдостью и хрупко стыо. Кроме того, традиционная механическая резка сопряжена < большими потерями дорогостоящего полупроводникового материала Наибольшее распространение в технологии микроэлектроники получили следующие способы разделения пластин на кристаллы:

• резка пластин на кристаллы диском с наружной режущей кромкой или с применением абразива;

• резка пластин на Кристаллы стальными полотнами и проволокой с применением абразива;

• разделение    пластин    на   кристаллы скрайбированием с последующей ломкой;

Рекомендуемые материалы

• ультразвуковая резка пластин;

• разделение пластин на кристаллы травлением.

Из перечисленных способов наибольшее распространение нашли: резка алмазным режущим диском, скрайбирование алмазным резцом и ла зерное скрайбирование с последующей ломкой.

Резка алмазным режущим диском (ДАР) наиболее простой и легко осу­ществимый в Производственных условиях способ резки полупровод­никовых материалов. Алмазная кромка диска "обладает высокой режущей способностью.

Механизм резки полупроводникового материала ДАР следующий: ка­ждое алмазное зерно представляет собой микрорезец, который снимает мельчайшие стружки с обрабатываемой поверхности полупроводникового материала. Резка производится на высоких скоростях (около 5000 об/мин), с одновременным участием в резании большого количества алмазных зёрен, и результате чего достигается высокая производительность обработки. При резке выделяется большое количество тепла, поэтому ДАР необходимо охлаждать водой или специальной охлаждающей жидкостью.

На рисунке  8.1.1 показана схема резки полупроводниковой пластины диском с наружной алмазной режущей кромкой. Диск 1 устанавливается на шпинделе станка и зажимается с двух сторон фланцами 2. В процессе реза­ния алмазный режущий диск вращается с большой скоростью и охлаж­дается жидкостью 3. Разрезаемую полупроводниковую пластину 4 закреп­ляют клеящей мастикой 5 на основание 6.

Рисунок 8.1.1 Схема резки полупроводниковой пластины дис­ком  с  наружной  алмазной  режущей  кромкой

Для увеличения производительности на шпинделе станка через про­кладку размещают несколько ДАР (в среднем до 200). Толщину прокла­док выбирают в зависимости от требуемых размеров обработки.

Основным недостатком резки диском с наружной режущей кромкой яв­лялась" невысокая жесткость Инструмента (ДАР), зависящая в основном от соотношения его размеров (толщины и внешнего диаметра). Один из путей повышения жесткости инструмента (ДАР) - увеличение скорости его вращения. Возникающие 'при этом центробежные силы направляют по радиусу ДАР, придают ему дополнительную   жесткость,   однако   при большом числе оборотов (свыше 10 000 об/мин) возникают вибрации станка и режущего инструмента.

Другой путь увеличения жесткости - это применение более толсто основы ДАР, однако при этом получается большая ширина пропила, также увеличиваются потери полупроводникового материала.

Жесткость инструмента может быть увеличена также за счет уменьшения разности внешнего диаметра ДАР и прижимных фланцев или прокладок. Установлено, что ДАР будет обладать большей жесткостью, если режущая кромка выступает за края прокладок не более чем на 1,5 толщины разрезаемого материала.               .

Современный ДАР (рисунок 8.1.2) представляет собой алюминиевый корпус, на котором электрохимическим методом осажден никель (в качестве связующего материала) с различными абразивными включениями (для разделения полупроводниковых пластин, например, используют мелкие зёрна алмаза размером 3-5 мкм), а затем с части корпуса никель удален хим1 ческйм  травлением  для вскрытия режущей Кромки.

Рисунок 8.1.2 Современный ДАР:

1 - прижимная прокладка; 2 - адгезионный материал; 3 - абразив­ный слой; 4 - алюминиевый корпус; b - толщина лезвия; h - высота лезвия; d - посадочный диаметр ДАР; p - внешний (рабочий) диа­метр ДАР

При резке пластин ДАР на скоростях вращения инструмента выше 6700 об/с вследствие интенсификации гидромеханических процессов возраста величина сколов в зоне реза. Проблема устранения этих явлений была решена в конструкции диска, где за счёт введения тонкого слоя алмазно-адгезионного материала между  абразивным  слоем  режущей  кромки опорным кольцом диска обеспечивается поглощение энергии колебаний стоячих волн в режущей кромке и обеспечивается более высокое качество юза.

Усовершенствованным вариантом ДАР является конструкция, представляющая собой тончайшее лезвие в форме круга, основой которого является    эластичный    компаунд    с    равномерно распределенными в нём по объёму алмазными зёрнами. Гонкое   лезвие зажимается   между   двумя обкладками, придающими ему жёсткость. Такой диск обеспечивает получение ширины реза, равной  его толщине.

Алмазный режущий диск - своеобразный абразивный инструмент, и поэтому боковые плоскости кристалла имеют вид шлифованной поверхности. Благодаря использованию высоких скоростей движения ДАР можно резать хрупкие, твёрдые и другие материмы.   Качество разделения пластин и износостойкость дисков  определяется, в первую  очередь,  точностью оборудования и правильным выбором технологических режимов    резания. Выбор оптимального технологического режима обработки   определяется   свойствами обрабатываемых   материалов,  глубиной резки и допустимым уровнем сколов.

При разделении полупроводниковых пластин на кристаллы с сохранением ориентации дисковую резку проводят на эластичных адгезионных носителях, представляющих собой полимерные ленты с адгезионным слоем на поверхности, либо на жёстких подложках, в качестве которых могут использоваться бракованные кремниевые пластины, графит, керамика и другие материалы. Для закрепления пластины чаще всего используют “электронный” воск.

При использовании гибкого носителя пластины надрезаются до минимальной перемычки (~10мкм).   Операция разламывания   на кристаллы, характерная    при    скрайбировании, отсутствует,  а осуществляется непосредственно на операции монтажа, где каждый из кристаллов снимается с адгезионного носителя с подколом. Качество этого процесса в значительной степени определяется свойствами адгезионного носителя, обеспечивающего ориентацию кристаллов при обработке и межоперационной транспортировке. Адгезионный носитель по   физико-химическим   свойствам   должен быть совместим   с кремниевым,   а  также обладать исключительной равномерностью клеевого покрытия, стабильностью адгезионных свойств в воде (отмывка    в    воде   после   резки), высокой   пластичностью (растягиваться в 1,5-2 раза) и способностью сохранять напряжённое состояние при растягивающих усилиях.

При выборе типа адгезионного носителя необходимо учитывать размеры кристаллов: чем больше кристалл тем меньшей адгезией должен обла­сть носитель. Это требование определяется необходимостью беспрепятственного съёма при монтаже.

Полупроводниковая  пластина,   наклеенная   на  адгезионный носитель - ленту   для   сохранения   ориентации разделённых кристаллов, закрепляется в кассете, обеспечивающей натяжение ленты. Такие кассеты выпускаются   двух типов в различном конструкторском исполнении кольцеобразные и прямоугольные.

Скрайбирование является одним из методов разделения пластин на кристаллы, заключающееся в том, что на поверхность Полупроводни­ковой пластины резцом, лазерным лучом или другими способами наносят неглубокую риску (англ. scribe), вокруг которой концентрируются механи­ческие напряжения, ослабляющие материалы. Основным достоинством ме­тода скрайбирования наряду с высокой производительностью и культу­рой производства является: малая ширина прорези, а, следовательно, и отсутствие потерь полупроводникового, материала, которых невозможно избежать при использовании других методов разделения пластины на кри­сталлы. Наиболее широко скрайбирование используют в планарной техно­логии изготовления ИС, когда на пластине уже сформированы полупровод­никовые структуры.

Разделение осуществляется в две стадии: вначале пластины скрайбируют, для чего риски наносят между готовыми структурами по свободному полю в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а затем разламыва­ют по рискам на прямоугольные или квадратные кристаллы. Операция разламывания. Производится на специальном технологическом обору­довании.

Качество скрайбирования при механическом создании риски резцом и последующей ломки в значительной степени зависит от состояния рабо­чей части алмазного резца. Работа резцов с изношенным режущим реб­ром или вершиной приводит к сколам при скрайбировании и некачествен­ной ломке. Обычно скрайбирование выполняют резцами, изготовленными из натурального алмаза, которые по сравнению с более дешёвыми резцами из синтетических алмазов имеют большую стойкость. Наибольшее распространение получили резцы, имеющие режущую часть в форме трёхгранной или усеченной четырёхгранной пирамиды, режущими элементами которой являются ребра пирамиды.

Средняя стойкость резца (одного режущего ребра) при скрайбировании кремния составляет 25-40 пластин диаметром 100 мм (3500 резов). После скрайбирования 25 - 40 пластин или при появлений сколов на пластине резец необходимо проконтролировать под микроскопом. Как пока­зывает опыт, применять резцы с износом режущего ребра более 10-15 мкм нецелесообразно, так как они не обеспечивают качественного скрайбирования. Кроме того, при чрезмерном износе вершин режущего ребра их восстановление при переточке резца затруднено, к быстрому износу резца приводит скрайбирование пластин с покрытием из окисла кремния или ионного диэлектрика. На таких пластинах необходимо предусматривать специальную (без покрытия) дорожку полупроводникового материала шири­ной 50 - 75 мкм.

Широкое применение нацию также лазерное скрайбирование полупро­водниковых пластин, при котором надрез (риска) образуется не механиче­ским, а электрофизическим способом - путём испарения узкой полосы полупроводникового материала с поверхности пластины с помощью сфо­кусированного лазерного пучка, имеющего большую мощность излучения.

Скрайбирование лучом лазера имеет большое преимущество перед скрайбированием алмазным резцом: на рабочей поверхности пластины не происходит образования микротрещин и сколов вследствие отсутствия механического контакта "режущего инструмента" (лазерного луча) с полупроводниковым материалом; скорость скрайбирования может быть увеличена в несколько раз (до 100 - 200 мм/с) благодаря тому, что луч ла­зера всегда контактирует с поверхностью пластины; возможно скрайбиро­вание пластин с любым, в том числе с диэлектрическим покрытием; воз­можно не только скрайбирование на различную глубину, но и сквозное разделение пластины (без последующего разламывания их на кристаллы).

Размеры риски - ширина и глубина, зона термического влияния лазер­ного луча, а также скорость скрайбирования и равномерность удаления ма­териала по всей длине риски определяется скоростью перемещения пла­стин относительно лазерного луча, мощностью, частотой и длительностью импульсов лазерного излучения, а также размером сфокусированного пят­на.

Современные установки лазерного скрайбирования позволяют по­лучать риски шириной около 30 мкм и глубиной не менее 50 мкм при скорости скрайбирования свыше 50 - 100 мм/с. Зона термического воздей­ствия лазерного излучения составляет при этом не более 50 - 75 мкм, вклю­чая ширину риски. Скрайбирование на большую глубину, в том числе сквозное разделение (на глубину до 200 мкм), выполняют с меньшей ско­ростью (5-10 мм/с).

К недостаткам лазерного скрайбирования следует отнести большую сложность и стоимость оборудования, а также необходимость специальных мер защиты рабочей поверхности от продуктов лазерной обработки, обра­зующихся в процессе испарения материала под воздействием лазерного излучения.

Разделение разламыванием. Разламывание выполняется машинным или ручным способом. Руч­ное разламывание обычно позволяет получать больший выход, чем машин­ное. Так как при использовании многорезцовой головки производится одновременное скрайбирование всей пластины, ручное разламывание по­зволяет, если это понадобится, производить разламывание в любой по­следовательности. Обычное разламывание производится таким образом, чтобы на разделение одной пластины приходилось наименьшее число раз­ламываний. Однако при ручном разламывании оператор может "почувст­вовать", когда необходимо дополнительное усилие, и затем в соответст­вии с этим может изменить последовательность. Например, если оказыва­ется, что для разламывания по одной из длинных линий необходимо из­быточное давление, оператор может быстро изменить последовательность и произвести сначала разламывание по белее короткой, линии. Поэтому по­сле того, как пластина расколота на малые части, "трудная" линия будет разделена на части малой длины, благодаря чему разламывание корот­ких частей станет более простым. Другим преимуществом ручного разламывания является возможность Наблюдения оператором каждой линии в процессе разламывания, что позволяет обнаружить заблаговременно линии некачественного реза.

Линия реза коническим алмазным резцом должна, быть очень слабой, без следов образования узора из трещин. Избыточная нагрузка на резец проявляется в виде большого количества отщеплённых кусочков пла­стины. Образующиеся при этом трещины ц сколы образуют картину, по­хожую на выпадение инея; В зависимости от нагрузки такая картина может возникнуть в процессе скрайбирования либо сразу после него, а иногда и нескольких часов спустя. В результате при разламывании линия скола Может начать распространяться вдоль линии скрайбирования, но затем может изменить направление и распространиться вдоль любой из трещин. Поэтому необходимо, чтобы между скрайбйрованием и разламы­ванием проходило минимальное время.

Наиболее распространенными являются методы разламывания проскрайбированных пластин сферой, полуцилиндром и валиком.

Разламывание пластин цилиндрических и сферических (Рисунок 8.1.3) опо­рах позволяет получать кристаллы с соотношением сторон от 1:1 до 1:1,5. Радиус кривизны сферы или полуцилиндра для различных размеров кри­сталлов должен быть различным.

Более универсальным является метод разламывания валиком (Рисунок 8.1.4). Пластину помещают проскрайбированной поверхностью на упругую опору и прокатывают последовательно в двух взаимно перпендикулярных направлениях твердым валиком диаметром 10 – 30 мм. Усилие нагружения подбирается в зависимости от жесткости опоры. Меньший диаметр валика и более жесткие опоры используются при меньших отношениях длины кристалла к толщине пластины (1/Н).

Рисунок 8.1.3 Схема пневмогидравлической ломки полупровод­никовых пластин М сферических (цилиндрических) опорах:

а) - исходное положение; б) - положение после разламывания.

При больших значениях параметров отношения 1/Н вместо валика при­меняют клин с небольшим радиусом скругления, который последовательно ориентируют по линиям скрайбирования полупроводниковой пластины (Рисунок 8.1.5). Усилие нагружения при разламывании клином должно быть про­граммируемым.

Рисунок 8.1.4. Разламывание пластины валиком

Рисунок 8.1.5. Схема разламывания клином

Резка подложек. В настоящее время для подложек тонкоплёночных схем использу­емая керамика с высоким содержанием окиси алюминия, является слиш­ком твёрдой для обычного скрайбирования и разламывания. Для резки керамических подложек применяется распиливание алмазным диском, ко­торое состоит из четырёх основных этапов: закрепление и ориентация под­ложки, распиливание, демонтаж и очистка.

Закрепление и ориентация. Подложки закрепляются на металличе­ских брусках, поддерживающих подложки в результате распиливания. Для этого они приклеиваются к брускам с помощью гликольфталата при нагреве. Для совмещения подложка помещается точно по отношению к ограничителю на бруске и потенциальная линия реза настраивается парал­лельно прямоугольным краям бруска. Затем брусок с наклеенной подложкой монтируется на магнитном зажимном устройстве установки для резания, В бруске делаются продольные канавки, что позволяет вести резку подложки насквозь, не задевая алмазным диском металла.

Резка. Для операции резания используется установка для прецизионного резания с магнитными зажимными устройствами. На общей оси набирается несколько алмазных дисков что обеспечивает получение большого числа параллельных рёзов. Подгонка расстояний между дисками осуществ­ляется с помощью металлических прокладок и клиньев из пластмассы. Первоначальная настройка бруска по отношению к дискам осуществля­ется с помощью подгонки Поперечной подачи столика. После этого предпо­лагается, что все бруски точно совмещены, если они точно и надёжно устанавливаются по отношению к упору магнитного зажимного устройства. Для уменьшения времени настройки используются два набора дисков, один из которых настраивается для резки в одном направлении и другой - в направлении, перпендикулярном к первому. .

Обычно для получения максимальной производительности требу­ются высокие скорости резания. Выбор конкретной скорости определяется следующими факторами: число дисков на оси, размеры и концентрация ал­мазных кристаллов на диске, требуемое качество обработки края подложки и желательный срок службы Диска. Для получений чистых, близких к по­лированным краев, применяется резка при малой скорости с использова­нием дисков с Мелкозернистыми алмазами с высокой концентрацией по­крытия. Увеличения размеров частиц и скорости реза приводит к более глу­бокой поверхности реза и в Пределе может привести к появлению зазубрин и растрескиванию.

Так как общие размеры схемы должны точно выдерживаться и края подложки должны быть в приемлемой степени гладкими с минимальным количеством зазубрин и трещин, для использования в производстве необхо­димо выбирать алмазные диски высшего качества при скорости резки 100 -200 об/мин.

Демонтаж и очистка. После окончания резания по обоим направ­лениям брусок с подложкой снимают с магнитного зажимного устройства и помещают в растворитель. Когда клеящее вещество размягчится, под­ложка снимается с бруска и остатки клеящего вещества удаляются путём дальнейшего отмачивания в растворителе, например, в ацетоне.

8.2 Методы установки кристаллов и плат в корпуса

8.2.1 Монтаж с использованием эвтектических сплавов

В отличие от контактно-реактивной пайки эвтектический сплав образуется не в результате контактного плавления соединяемых материалов, а вводится в качестве припоя между соединяемыми поверхностями кристалла и корпуса.

Пайкой эвтектическими сплавами присоединяют полупро­водниковые кристаллы к корпусам. Золочение контактирую­щих поверхностей каких-либо ощутимых результатов не дает. В качестве эвтектических используют сплавы золото - германий или золото — кремний, диаграммы состояния которых показаны на рисунке  8.2.1.1, а, б.

Рисунок 8.2.1.1. Диаграммы состояния сплавов;

a - золото-германий, б- золото-кремний

Подготовленные к пайке детали нагревают в нейтральной атмосфере (осушенном и очищенном азоте) до температуры, несколько превышающей температуру плавления эвтектичес­кого сплава. Эвтектические сплавы золото — германий и золо­то — кремний содержат (по массе): первый 12 % германия и 88 % золота, а второй - 6 % кремния и 94 % золота. Температура плавления эвтектик золото - германий и золото - кремний, со­ответственно равная 356 и 370 °С, ниже температуры плавления каждого из этих материалов. Эвтектические сплавы являются смесью, а не химическим соединением.

Использование для пайки эвтектического сплава золото -кремний дает хорошие результаты, но сложность приготовления ограничивает его применение. Кроме того, при изготовлении происходит расслоение сплава золото — кремний. Поэтому чаще применяют эвтектический сплав золото — германий ЗлГр12, примерный режим пайки которым на специальной установке приведен ниже.

Температура поверхности столика, ^ОС……………………….410 + 10

усилие на инструменте, Н……………………………………..0,6 – 0,7

Амплитуда колебаний инструмента, мм.............................. 0,08

Время пайки, с............................................................................. 7

При климатических (на термоциклирование) и механических (на вибропрочность и многократные удары) испытаниях выпол­ненные таким образом паяные соединения кристаллов с корпу­сом не разрушаются.

По сравнению с контактно-реактивной пайка эвтектически­ми сплавами обладает рядом достоинств. Так как эвтектичес­кие сплавы имеют невысокую температуру плавления, хорошие жидкотекучесть и способность смачивания, а также незначитель­ное время нагрева до температуры пайки, в паяном соединении не создаются большие остаточные напряжения, образующиеся вследствие разницы ТКЛР соединяемых материалов. Введение эвтектического сплава между соединяемыми поверхностями способствует сглаживанию на них шероховатостей и неровностей.

Нерастекшийся припой свидетельствует о плохой смачивае­мости им золоченой поверхности корпуса и кристалла или о недостаточно высокой температуре пайки. Это является одной из причин низкой прочности паяного соединения. Появление трещин и сколов на кристаллах связано с большим усилием, прикладываемым к рабочему инструменту, или слишком рез­ким подъемом температуры пайки по сравнению с оптимальной.

Пайка кристаллов к контактным площадкам корпусов эвтектическим сплавом состоит из следующих операций: захва­та прокладки 1 из эвтектического сплава, ее переноса и укладки на место пайки (Рисунок 4, а, б); захвата кристалла б, переноса и присоединения его к корпусу 3 (Рисунок 4, в, г). Захват, перенос и удержание прокладок и кристаллов выполняются специальным инструментом — вакуумным пинцетом 2. При этом усилие зах­вата и удержания прокладки (кристалла) создается вследствие перепада давлений.

Рисунок 8.2.1.2. Пайка крис­талла к контактной площадке корпуса эвтектическим спла­вом:

а, б - захват и ук­ладка прокладки, в, г - захват и уклад­ка кристалла на про­кладку и их пайка; 1 - прокладки, 2 -инструмент (ваку­умный пинцет), 3 -корпус, 4 - нагрева­тель, 5 - устройство прижима корпуса к нагревателю, б –кристаллы

8.2.2 Монтаж с использованием клеев и компаундов

Монтаж кристаллов приклеиванием обыч­но применяют при изготовлении полупроводниковых приборов и ИМС общего назначения, так как он довольно прост, экономи­чен, не требует сложного технологического оборудования и поз­воляет получать соединения из различных материалов, обладаю­щие заданными характеристиками.

В качестве клеев широко используют пластмассы - эпоксид­ные смолы, которые обеспечивают достаточную механическую прочность и надежность соединений и имеют низкую температу­ру отверждения, что исключает ухудшение параметров полупро­водниковых приборов и ИМС вследствие перегрева кристаллов.

В зависимости от свойств пластмассы подразделяют на ди­электрические, теплопроводящие и оптические. Пластмассы без наполнителей являются диэлектриками. Если добавить в пласт­массу серебряный порошок в количестве от 60 до 80 % по мас­се, она становится электропроводной и одновременно значитель­но возрастает ее теплопроводность, так как серебро является отличным проводником электрического тока и теплоты.

Для" монтажа кристаллов оптоэлектронных приборов (фото­диодов, фототранзисторов, цифровых индикаторов и др.) тре­буются пластмассы, не содержащие наполнителей, обладающие высокой прозрачностью в диапазоне длин волн 300—700 нм, не изменяющейся в течение длительного времени эксплуатации, малой вязкостью (400-3000 сП) и отверждающиеся при 90— 125 °С в течение 4-24 ч.

При монтаже кристаллов клей наносят либо на их обратную сторону, либо на корпус автоматически небольшими каплями или штемпелем. Иногда применяют таблетки из пластмассы.

Приведем для примера несколько марок клеев, используе­мых при монтаже кристаллов в корпуса. Так, клеиУП-5-201 и УП-5-201Э созданы на основе эпоксидной смолы, модифициро­ваны циклоалифатическими соединениями и соответственно являются токопроводящими и изолирующими. Клей ЭЧЭ-С изготавливается из эпоксидной смолы с серебряным наполнителем и является токопроводящим. Клей УП-5-207М аналогичен по составу клею УП-5-201Э и предназначен для соединения позо­лоченных контактных площадок корпусов и кристаллов.

Токопроводящие клеи отверждаются при 120 ^ОС в течение 2 ч или при 170 ^ОС в течение 1 ч, а нетокопроводящие - при 120 и 150 ^ОС при ана­логичной выдержке.

Монтаж кристаллов пайкой стеклом при­меняют при массовом производстве маломощных однокрис­тальных полупроводниковых приборов, в которых не требуется электрический контакт между нижней поверхностью кристалла и корпусом. Стекло в виде пасты обычно наносят методом тра­фаретной печати или напылением на место монтажа в корпуса,, размягчают нагревая и укладывают кристалл, охлаждая затем, корпус до комнатной температуры.

Корпус ИМС, в котором монтаж кристалла, присоединение выводов и герметизация выполнены стеклом, показан на рисунке  8.2.2.1, а. При этом трафаретной печатью или напылением на контактные площадки керамического основания 5 корпуса под выводы и кристалл, а также на крышку 1 наносят

Рисунок 8.2.2.1. Корпуса ИМС, в которых пайкой стеклом выполняется мон­таж кристалла, присоединение выводов и- герметизация (д), изоляция проводящих слоев и герметизация (б), изоляция токоведущих доро­жек и герметизация (в):

1. - крышка, 2 - стеклянный припой, 3 - рамка, 4 - вывод, 5 - осно­вание, 6 - кристалл, 7 - слой металлизации

стеклянный припой 2, который оплавляют в печи, не допуская кристаллизации. Затем на нагретое до 450 °С керамическое основание 5 монтируют кристалл 6 и присоединяют выводы 4, вдавливая их в размягчен­ное стекло. После этого герметизируют корпус, соединяя крышку с основанием, сжимая их и прогревая при температуре около 500 ^ОС в течение 5 мин. При повторном нагреве происходит кристаллизация стеклянного припоя, что повышает прочность спая.

В корпусе ИМС, показанном на рисунке 8.2.2.1, б, стеклянный припой 2 последовательно наносят трафаретной печатью на слои метал­лизации 7 для изоляции их друг от .друга. Герметизируют такие корпуса, соединяя стеклянным припоем 2 керамическое основа­ние 5 корпуса с керамической крышкой 1.

В корпусе ИМС, показанном на рисунке  8.2.2.1, в, два слоя стеклян­ного припоя 2 служат для изоляции токоведущих дорожек. Гер­метизируют такие корпуса так же, как показанный на рисунке  8.2.2.1,6.

8.3 Виды выводов.

Создание между контактными площадками кристаллов и корпусов с помощью электродных выводов надежного при различных условиях эксплуатации электрического контакта яв­ляется важным технологическим процессом производства полупроводниковых приборов и ИМС. Присоединение тонких алюминиевых или золотых проволочек — электродных выво­дов — до настоящего времени остается малопроизводительной, трудоемкой и низконадежной операцией, которую выполняют на специальных установках с визуальным наблюдением и ручным ориентированием инструмента, проволоки и мест присоединения, и отдельных случаях стоимость присоединении электродных выводов составляет до 50 % стоимости ИМС. Половина все: отказов ИМС происходит из-за нарушения электрической контакта.

Методы присоединения электродных выводов можно раз делить на проволочные и беспроволочные. К проволочным -наиболее распространенным методам — относятся термокомпрессионная (термокомпрессия), ультразвуковая и микроконтактная сварка, а также пайка, которые будут подробно рас смотрены в следующих параграфах. Ознакомимся с беспроволочными методами, имеющими незначительное применение но являющимися перспективными. К беспроволочным мето дам (отсутствие проволочных электродных выводов) относят монтаж перевернутого кристалла (флип-чип) и кристалл с балочными выводами.

При   монтаже  перевернутого  кристалл (Рисунок 8.3.1, а) вместо проволочных выводов используют выступ*

Рисунок 8.3.1. Монтаж перевернутого кристалла: а — с выступами, б - с шариками; 1 - кристалл, 2 - выс­тупы, 3 - плата, 4 - алюминиевая металлизация, 5 - плен­ка диоксида кремния, б - слои хрома, 7, 10 - припой, 8 - медный шарик, 9 - слой никеля

(столбики) 2 высотой в десятые доли миллиметра, расположен ные в определенных местах полупроводникового кристалла 1 Естественно, что все необходимые соединения на кристалл электрически связывают с выступами. Кристалл переворачиваю выступами вниз, опускают на плату 3 с точно расположенным участками металлизации 4, прикладывают давление и подводя теплоту для образования соединения выступов с платой.

Выступы на кристаллах могут быть изготовлены из низке температурного   (мягкого)   припоя, а также гальваническим осаждением алюминия или золота. В тех случаях, когда выступы получают гальваническим осаждением, кристаллы присоеди­няют термокомпрессионной или ультразвуковой сваркой.

Монтаж перевернутого кристалла имеет несколько разно­видностей. Например, в качестве выступов используют медные шарики (Рисунок 8.3.1,6). Для этого в кремниевом кристалле 1, имеющем контактные площадки, покрытые пленкой 5 диоксида кремния, изготовляют окна, в которые осаждают три слоя 6 (хрома, хрома с медью и хрома с оловом). Затем на них нано­сят оловянистый припой 7 и укладывают медный никелирован­ный шарик 8, который закрепляют оплавлением мягкого при­поя 10. При совмещении такого выступа с предварительно облуженной контактной площадкой платы 3 и последующем нагреве с приложением давления к кристаллу происходит пайка, обес­печивающая надежное соединение.

Кроме того, применяют монтаж кристаллов, при котором выступы из мягкого припоя имеют контролируемую осадку (Рисунок 8.3.2, а-д). В пленке 2 диоксида кремния изготовляют окна, в которые гальванически на слой металлизации 3 осаждают при­пой 1 (Рисунок 8.3.2, а). При нагревании кристалла 4 припой прини­мает форму сферического выступа 5 (Рисунок 8.3.2,6).

Затем кристалл переворачивают выступом вниз (Рисунок 8.3.2, в), совмещают с платой 7 и нагревают. Выступ расплавляется и взаимодействует с предварительно нанесенным на плату припоем 6 (рис 8.3.2, г.) образуя столбик 8 припоя (Рисунок 8.3.2, д).

Рисунок 8.3.2. Монтаж кристалла с контролируемой осадкой выступов:

а, б - нанесение гальваническим способом припоя и оплавление его, в - переворачивание кристалла, г - на­несение припоя на плату, д - монтаж кристалла на пла­ту; 1,5- припой, нанесенный на кристалл и оплавлен­ный, 2 - пленка диоксида кремния, 3 - слой металли­зации, 4 — кристалл, 6 - припой, нанесенный на плату, 7 - плата, 8 - столбик припоя

Силы поверхностного натяжения расплавленного припои устанавливают кристалл точно на свое место. Так как остальные поверхности кристалла и платы закрыты пленкой 2 диоксиде кремния, не смачиваемой припоем, кристалл припаивается т некотором расстоянии от платы, что исключает закорачивание выступов.

Достоинством монтажа перевернутого кристалла является то, что все соединения выполняются одновременно. Это повышает также ю надежность. Кроме того, использование при монтаже мягкого припое облегчает демонтаж бракованных кристаллов. Пластичность мягкой припоя частично компенсирует температурные напряжения в соединении

Однако этот метод монтажа довольно дорог, так как сложны операции подготовки кристаллов и плат, не обеспечивает хороший теплоотвод от кристаллов и- возможны локальные перегревы вследствие некоторой разницы температур в процессе монтажа. При нарушении технологического процесса сборки могут образовываться короткие замыкания между кристаллами и платами;

При монтаже кристаллов с балочным! выводами, выходящими за их габарит (Рисунок 8.3.3,а), гребенчатое расположение выводов экономит площадь полупроводниковых подложек. Кристалл 2 с балочными выводами 1 обычно присоединяют к слою металлизации 3 на плате 4 термокомпрессионной или ультразвуковой сваркой. Балочные выводы полу­чают на подложках, еще не разрезанных на кристаллы (по груп­повой технологии). Для этого на поверхности подложек со структурами создают в пленке диоксида кремния окна, в кото­рые наносят золото, образующее балочные выводы, а затем трав­лением разделяют подложки на отдельные кристаллы.

Разновидностями монтажа кристаллов с балочными выво­дами являются паучковое соединение и соединение, получаемое напылением балочных выводов.

Паучковое соединение (Рисунок 8.3.3, б) целесообразно приме­нять, когда выводов более десяти. Балки в виде паучка 5 выру­бают из ленты алюминиевой фольги, накладывают на подложку 6 и присоединяют, например термокомпрессией, к контактным площадкам. Затем разделяют паучок на отдельные выводы и монтируют ИМС в перевернутом виде в аппаратуре.

Рисунок 8.3.3. Монтаж кристаллов с балочными выводами: а - конструкция кристалла, б - паучковое соединение, в, г -балочные выводы, изготовленные напылением на столбиках и на плате; 1 - балочные выводы, 2 - кристалл, 3 - слой метал­лизации, 4 - плата, 5 - паучок, 6 -г подложка, 7 - пластмассо­вая пленка, 8 - столбик, 9 — металлическое основание

При соединении, получаемом напылением балочных выво­дов (Рисунок 8.3.3, в)., после выполнения всей пленочной разводки на нужных местах плат создают столбики 8, монтируют между ни­ми кристаллы 2, которые накрывают сверху пленкой термо­пластичного материала (например, фторированным этилен-пропиленом) 7 и получают фотолитографией в пластмассе окна, оставляя незащищенными столбики и лицевые поверхности кристаллов. Затем вакуумным напылением в окна наносят зо­лотую металлизацию (балочные выводы Г), соединяющую кристаллы со столбиками.

Балочные выводы можно получать также на плате (Рисунок 8.3.3, г). Для этого предварительно напылением и фотолитографией создают на плате 4 пленочные балочные выводы, а также отвер­стия, в которые помещают кристаллы 2, присоединяя их ниж­нюю сторону к металлическому основанию 9 (это способствует улучшению теплоотвода), а верхнюю соединяют термокомпрес­сией с балочными выводами.

Достоинствами монтажа кристаллов с балочными выводами являют­ся улучшение условий теплоотвода, отсутствие разрушений кристаллов, так как давление прикладывается к балочному выводу; а также возмож­ность визуального контроля.

В то же время такой монтаж в 2 раза дороже монтажа пере­вернутых кристаллов, так как требуется дополнительная метал­лизация и не допустимы даже незначительные отклонения плат от плоскостности. Кроме того, балочные выводы легко изги­баются (их сечение обычно равно 13x76 мкм), но иногда ло­маются.

Необходимо отметить, что беспроволочные соединения целесообразно  применять в  массовом производстве при выпуске полупроводниковых приборов и ИМС не менее нескольких миллионов.

8.4 Термокомпрессионная, ультразвуковая и термозвуковая сварки

Термокомпрессия — это процесс соединения двух материалов, нахо­дящихся в твердом состоянии, при воздействии на них теплоты и давле­ния. Температура нагрева соединяемых термокомпрессией материалов не должна превышать температуру образования их эвтектики, и один из материалов должен быть пластинным.

Получение прочного соединения термокомпрессиоиной свар­кой можно объяснись следующим образом. Как известно, иде­альных поверхностей не существует. В микроскоп при сильном увеличении можно увидеть, что на поверхностях контактной площадки полупроводникового кристалла и электродной про­волоки (вывода) имеется множество микровыступов и микро­впадин. Если приложить давление к электродному выводу, изготовленному из пластичного материала, и нагревать, напри­мер, полупроводниковый кристалл, произойдет пластическая деформация микровыступов электродного вывода, а также час-, тачная деформация микровыступов полупроводника и взаимное затекание соединяемых материалов в микровпадины, т.е. термокомпресоионная сварка.

При термокомпрессионной сварке образуется хорошая ад­гезия между полупроводниковым кристаллом и электродным (Выводом и создается надежный электрический контакт. Следует отметить, что чем пластичнее материал электродных выводов/, тем большим коэффициентом адгезии он обладает. Так, золото и алюминий по сравнению с другими материалами, используе­мыми для электродных выводов (медь, серебро), имеют наи­больший коэффициент адгезии, соответственно равный 1,84 и 1,80.

В производстве полупроводниковых приборов и ИМС тер­мокомпрессией соединяют следующие пары материалов: золо­то — кремний, золото — германий, золото — алюминий, золото — золото, алюминий — алюминий, золото — серебро и алюминий — серебро.

Присоединение электродных выводов термокомпрессией может быть выполнено в виде одной или нескольких плоских точек, шарика, а также встык (шариком) и внахлест. Рассмат­ривая присоединение электродных выводов термокомирес-сией, обычно имеют в виду, что сварка выполняется, как пра­вило, в двух местах: один конец вывода приваривают к кон­тактной площадке кристалла (первая сварка), а второй - к выводу корпуса (вторая сварка). В зависимости от принятого тех­нологического процесса присоединения выводов (в это понятие входит также оборудование, конструкция инструмента) термо­компрессию разделяют на шариковую, клином и сшиванием.

Шариковая термокомпрессия (Рисунок 8.4.1,а) ка­ких-либо особых пояснений не требует. Следует только отме­тить, что шарик 5 на конце проволочного вывода может быть получен оплавлением электродной проволоки 1 в пламени во­дородной горелки 4 или прикосновением к электрическому разряднику.

При оплавлении в водородном пламени получают два шари­ка или один. При получении двух шариков один остается свобод­ным на конце уже присоединенного вывода, а другой находится в капилляре 3 (инструменте) и предназначен для приварки оче­редного электродного вывода к кристаллу 7 и контактной пло­щадке 8. Один шарик в водородном пламени получают в том случае, когда горелку используют только для оплавления конца проволоки в шарик, выходящий из капилляра, а не для отделе­ния присоединенного электродного вывода от проволоки при второй сварке.

С помощью разрядника и на конце проволоки образуется только один шарик, которым электродный вывод присоединя­ют к контактной площадке кристалла. Второй конец электрод­ного вывода в этом случае приваривают к корпусу 9 внахлест.

Термокомпрессия клином (Рисунок 8.4.1, б) довольно сложна для выполнения. Сначала необходимо совместить кон­тактную площадку 8 кристалла 7 с инструментом - клином 11 и электродную проволоку 1 (вывод) с его концом. Затем, после сварки, вытянув проволоку из сопла 12, надо проделать те же манипуляции для присоединения второго конца проволоки 1 к корпусу 9. Далее отделяют электродный вывод от остальной части проволоки обрывом, ножницами, перерезанием иглой о край вывода корпуса или обрезкой специальным устройством.

Обрезка специальным устройством считается наилучшим способом, так как конец проволоки не сплющивается (сплю­щенный конец непригоден для следующей приварки) и не оста­ется длинных отрезков, которые не только увеличивают расход проволоки (обычно золотой), но и могут быть причиной обра­зования коротких замыканий.

При термокомпрессии сшиванием (Рисунок8.4.1, в) инструмент представляет собой капилляр 3 с вертикальным осевым отверстием. Иногда этот вид термокомпрессии называют петлевым. Процесс создания проволочных перемычек между кристаллом 7 и корпусом 9 в этом случае во многом напоми­нает обычное шитье. Только при шитье нитка проходит через боковое отверстие иголки, а при термокомпрессии сшиванием — 
через вертикальное осевое отверстие инструмента.                                            1

После приварки конца электродной проволоки 1 к кристал­лу 7 ее вытягивают через капилляр 3, который совмещают с контактной площадкой 8 и выполняют вторую сварку. Затем проволоку обрезают ножницами 13, загибая свободный конец под инструмент.

Термокомпрессию инструментом ввиде "птичьего к л ю в а" (Рисунок 8.4.1, г) относят к термокомпрес­сии сшиванием. Инструмент — "птичий клюв" 14 — состоит из двух частей, между которыми пропускают электродную прово­локу 1. После выполнения обеих сварок проволоку обрывают, перемещая инструмент в сторону от места сварки. Этот ин­струмент сложен в изготовлении и эксплуатации, поэтому имеет ограниченное применение в производстве. В то же время он обеспечивает высокую прочность соединения, так как на элект­родном выводе образуется его отпечаток 10 с ребром жесткости.

Необходимо отметить, что каждый способ термокомпрессии харак­теризуется своим отпечатком инструмента на электродном выводе.

Наиболее производительной считается шариковая термоком­прессия, но ее применяют только при сборке полупроводнико­вых приборов с большими контактными площадками, исполь­зуя электродную проволоку диаметром более 20 мкм. При тер­мокомпрессировании золотой электродной проволоки к крем­ниевому кристаллу температура нагрева составляет 350-380 °С, давление 60-100 МН/м², а время выдержки 2-20 с. При соеди­нении золотой проволоки со слоем золота, напыленным на плен­ку диоксида кремния, температура нагрева должна быть 250-370 °С, давление 60-100 МН/м², а время 0,5-2 с.

Основным достоинством термокомпрессионной сварки является воз­можность соединения без флюса и припоев мeталлов в твердом состоянии при сравнительно низких температурах и малой их деформации (10— 30 %) как на воздухе, так и в атмосфере формиргаза или сухого водо­рода. Кроме того, термокомпрессия обладает сравнительно высокой технологичностью, заключающейся в простоте подбора режимов и из­готовления оборудования, а также возможности контроля качества сварки.

Недостатки термокомпрессии — ограниченное число пар свариваемых металлов, высокие требования к качеству соеди­няемых поверхностей, сравнительно низкая производительность труда (обычно сварку выполняют под микроскопом).

Для присоединения электродных выводов термокомпрес­сией используют специальные установки, отличающиеся внешним оформлением и некоторыми особенностями конструкции, в основу которых заложены три технологических признака: способ нагрева, конструкция инструмента и вид термокомпрес­сионной сварки. В различных установках термокомпрессии мо­гут нагреваться столик (Рисунок 8.4.2, а), инструмент (Рисунок 8.4.2, б) или одновременно инструмент и столик (Рисунок 8.4.2, в).

Рисунок 8.4.1. Термоком­прессионная сварка шариком (а), кли­ном (б), сшиванием (в), "птичьим клю­вом" (г):

1 - электродная про­волока, 2 - зажим­ное устройство, 3 - капилляр, 4 -водородная горел­ка, 5 - шарик, 6 -электродный вывод, 7,8- контактные площадки кристалла и корпуса   (платы), 9 - корпус (плата), 10 - форма отпечат­ка инструмента, 11 - клин,   12  -  сопло, 13 - ножницы, 14 -"птичий клюв"

Рисунок 8.4.2. Разновидности термокомпресоионной сварки в зависимости от способа нагрева столика (д), инструмента (б, г), столика и инструмен­та (в):

1 — инструмент, 2 - электродная проволока, 3 - кристалл, 4 - корпус (плата), 5 - столик, б - нагреватель

Разновидностью термокомпрессии является сварка косвен­ным импульсным нагревом (СКИН) инструмента из жаропроч­ного материала, служащего проводником электрического тока (Рисунок 8.4.2, г). При импульсном пропускании электрического то­ка происходит кратковременный перегрев инструмента, в результате чего им можно сваривать электродные выводы из малопластичных металлов (меди, серебряного сплава) с тон­кими металлическими пленками, нанесенными на керамику или полупроводник.

Ультразвуковая сварка — это процесс соединения двух материалов, находящихся в твердом состоянии, при незначительном нагреве с прило­жением определенного давления и колебаний ультразвуковой частоты.

При ультразвуковой сварке температура нагрева в зоне контакта не превышает 50-60 % от температуры плавления сое­диняемых материалов. Контактное давление, подбираемое опыт­ным путем, зависит от механических свойств свариваемых материалов и размеров изготовленных из них деталей. Обычно де­формация деталей, соединяемых ультразвуковой сваркой, не превышает 5—20 % их первоначальных размеров.

Ультразвуковую сварку выполняют в интервале частот от 18 до 250 кГц. Ультразвуковые колебания, воздействуя на сое­динение, нагревают его, освобождают от загрязнений и оксидов поверхности в зоне контакта, ускоряют пластическую деформа­цию электродных выводов. В результате происходит сближение физически чистых поверхностей на расстояние действия меж­атомных сил, взаимная диффузия и прочное соединение двух материалов.

При ультразвуковой сварке не используют флюсы и припои, что яв­ляется ее основным достоинством. Кроме того, этим способом можно соединять разнородные, разнотолщинныс и трудносвариваемые мате­риалы.

Так, с помощью ультразвука хорошо свариваются электрод­ные выводы из золота и алюминия с золотым покрытием, нане­сенным на ситалл по подслою нихрома; алюминиевые электрод­ные выводы с алюминиевой пленкой, нанесенной на стекло, кремний или диоксид кремния; золотые, алюминиевые и мед­ные проволочные выводы ИМС с золотым покрытием, осажден­ным на ковар по подслою никеля.

Установки ультразвуковой сварки оснащаются различными системами передачи ультразвуковых колебаний к месту контак­та свариваемых материалов. Так, для приварки проволочных выводов ИМС обычно применяют ультразвуковую продолъно-поперечную колебательную систему с инструментом, совершаю­щим колебания изгиба (Рисунок 8.4.3).

Ультразвуковые колебания от преобразователя 1 передают­ся по концентратору (волноводу) 2 к расположенному перпен­дикулярно ему сварочному инструменту 3, которой, в свою очередь, передаёт их проволочному элетродному выводу 4 и кристаллу 5. Инструмент, совершая колебания изгиба, воздействует на электродный вывод, притирая его к кристаллу. При этом поверхности контакта очищаются, нагреваются, сближаются и происходит взаимная диффузия атомов.

Рисунок 8.4.3. Ультразвуковая продольно-поперечная коле­бательная система:

1 - преобразователь (вибратор), 2 - концентратор (волновод), 3 - инструмент, 4 - электродный вы­вод, 5 - контактная площадка кристалла, б - уст­ройство крепления, 7, 8 - обмотки возбуждения и подмагничивания

Прочность соединений, полученных ультразвуковой свар­кой, зависит от амплитуды и частоты ультразвуковых колебаний инструмента, контактного усилия, прикладываемого к сваривае­мым деталям, состояния их поверхностей, времени сварки и мощности колебательной системы.

Амплитуду и частоту колебаний инструмента для каждой пары деталей определенной толщины подбирают опытным пу­тем, так как от них зависит динамическая нагрузка, передавае­мая в зоне контакта. Так, для соединения деталей небольшой толщины используют малые амплитуды (0,005-0,015 мм) и повышенные частоты (до 100 кГц).

Пластическая деформация материалов зависит от их физи­ко-механических свойств, толщины и приложенного контактно­го усилия, а также состояния поверхностей. Так, для электрод­ных выводов диаметром От 20 до 50 мкм контактное усилие ле­жит в пределах 0,05 — 1 Н.

Мощность колебательной системы определяется конструк­цией установки, а время сварки зависит от выбранных ампли­туды и частоты колебаний инструмента, контактного усилия, а также свойств свариваемых материалов, их толщины и обычно составляет от нескольких сотых до нескольких десятых долей секунды.

Свариваемые поверхности должны быть чистыми, не иметь жировых пленок и грубых дефектов. Следует помнить, что основным условием высококачественной ультразвуковой свар­ки является свободное контактирование соединяемых поверх­ностей.                                                                          ,

Интенсификации процесса ультразвуковой сварки способ­ствует косвенный импульсный нагрев инструмента. Одновремен­ное воздействие ультразвуковых колебаний на соединяемые детали и импульсного нагрева инструмента повышает прочность, уменьшает деформацию выводов и позволяет сваривать трудно-свариваемые материалы.

8.5 Методы и материалы для герметизации кристаллов и плат

Под герметичностью понимают способность замкнутой конструкции не пропускать газ (жидкость) .

Абсолютно непроницаемых конструкций не существует поэтому герметичность характеризуется допустимой утечкой (течыо) газа (жидкости), измеряемой в единицах потока. Поток газа или жидкости через микроотверстия выражают единицей объема при определенном давлении за определенное время, т.е. в м³•Па/с (1,32•10^-4 м³•Па/с = 1 л•мкм рт. ст./с).

Корпуса полупроводниковых приборов и ИМС считаются герметичными при натекании гелия не более 1,32-10"⁹ м³-Па/с, Герметизация является одной из важнейших заключительных операций технологического процесса производства полупровод­никовых приборов и ИМС, так как обеспечивает их надежность и долговечность при механических и климатических воздейст­виях в условиях эксплуатации. Кроме того, герметизация яв­ляется последней операцией сборки полупроводниковых прибо­ров и ИМС и от качества ее выполнения зависит выход годных изделий.

Подсчитано, что трудоемкость сборочных операций (вместе с герметизацией) некоторых массовых изделий микроэлектро­ники (транзисторов, ИМС) превышает трудоемкость всех дру­гих операций. Забракованные негерметичные приборы пред­ставляют собой довольно дорогие и почти готовые изделия, что заставляет с особой тщательностью относиться к процессам гер­метизации.

Постоянное стремление к повышению компактности, мини­атюризации и быстродействия электронных систем вызывает увеличение плотности рассеиваемой мощности (особенно в ИМС), что усложняет теплоотвод от активных элементов, вы­зывая дополнительные требования к конструкции корпусов и способам их герметизации. В настоящее время установлено, что конструктивное исполнение корпусов и их герметизация не менее сложны, чем создание электронно-дырочных перехо­дов. Исследования показали, что проникновение в процес­се эксплуатации в корпус транзистора даже ничтожного количества влаги может вызвать нестабильность его пара­метров.

Такие способы герметизации корпусов полупроводниковых приборов, как заливка пластмассой, склеивание специальными клеями, стеклоцементами, глазурями или лаками, заварка стек­лом, а также различные виды сварки и пайки, имеют свои дос­тоинства и недостатки.

Герметизация пластмассой, например, пригодна для мас­сового производства изделий микроэлектроники широкого при­менения. Приборы в пластмассовой оболочке характеризуются низкой стоимостью, хорошим внешним видом, групповой технологией производства. Но пластмассовая герметиза­ция не обеспечивает требуемой герметичности при испыта­ниях на климатические воздействия и в условиях эксплуа­тации.

Некоторые корпуса герметизируют, приклеивая керами­ческую крышку к металлокерамическому основанию корпуса. Такая герметизация надежна, не требует дорогостоящего обору­дования, но процессы нанесения и отверждения клея довольно длительны.

Герметизацию стеклоцементами, глазурями, лаками и стек­лом применяют ограниченно.

Герметизация корпусов пайкой. В производстве изделий микроэлектроники герметизацию корпусов пайкой используют относительно редко, так как кро­ме, сравнительной простоты (не требуются сложные оснастка, инструмент, оборудование; процесс выполняется без приложе­ния значительных давлений) она имеет ряд недостатков. Так, при герметизации пайкой необходим нагрев полупроводнико­вых приборов и ИМС до 200—420 °С, что ухудшает их парамет­ры. Характерными видами брака при герметизации пайкой яв­ляются образование щелей (непропай) в соединениях, затекание припоя и флюса внутрь корпуса, перекосы деталей, частичное несмачивание поверхностей припоем и др. Кроме того, детали, предназначенные для пайки, должны иметь очень малые откло­нения по плоскопараллельности и зазорам.

При герметизации деталей корпусов пайкой используют кос­венный контактный и бесконтактный нагрев, горячий инертный газ или газопламенный источник.

При пайке с косвенным контактным на­гревом герметизируемый корпус укладывают на нагрева­тель, разогревают вместе с припоем до необходимой температу­ры и накрывают крышкой, а затем прижимают ее и охлаждают корпус. Обычно такую пайку выполняют в среде защитного газа. Недостатком ее являются сложность равномерного нагрева кор­пуса и необходимость тщательной подгонки посадочного места нагревателя к корпусам разных размеров для создания хоро­шего теплового контакта.

При пайке с косвенным бесконтактным нагревом (в конвейерных газовых печах) получают лучшие результаты, так как в этом случае повышаются качество герме­тизации и производительность. Однако пайка в конвейерных пе­чах требует большого количества сложных кассет, а сам процесс недостаточно управляем.

Пайка в струе нагретого инертного газа получила наибольшее распространение. Этим способом, напри­мер, герметизируют корпуса с локальным золочением деталей только в местах соединения, используя в виде отдельной детали припой, состоящий из 99-99,5 % олова и 0,1-1,0 % висмута (сурьмы или серебра). Локальное золочение хотя и усложняет герметизацию, но ограничивает растекание припоя и снижает расход золота. Толщина золотого покрытия составляет не более 1,5-2 мкм.

Пайку в струе нагретого инертного газа применяют также для герметизации металлокерамических корпусов с предвари­тельным нанесением слоя припоя олово — висмут толщиной не менее 0,15 мм по периферии крышки. В этом случае на корпус по периметру, соответствующему форме крышки, также нано­сят слой золота. При нагреве соединяемых деталей струей горя­чего газа слой припоя на крышке плавится, смачивает золотое покрытие и герметизирует корпус.

Иногда никелевые крышки золотят в кислом электролите, используют припой слово-висмут-индий и нагрев в струе го­рячего инертного газа. В процессе образования паяного соеди­нения золотое покрытие полностью растворяется в припое, который взаимодействует с чистой поверхностью никеля, нахо­дящегося под золотом, образуя после кристаллизации прочное герметичное соединение. Шов представляет собой слой припоя с мелкими включениями частиц золота и олова.

Газопламенная пайка с использованием припоя ПОС61 и ф л ю с а, при которой крышку корпуса нагревают подвижным водородно-кислородным пламенем, яв­ляется довольно производительным процессом герметизации (в 8-10 раз выше по сравнению с пайкой косвенным контакт­ным нагревом). Между тем при термических испытаниях таких корпусов на надежность они могут стать негерметичными, так как золотое покрытие крышки в зоне шва не полностью раство­ряется в припое. Оставшийся слой золота при термических ис­пытаниях и эксплуатации приборов или ИМС переходит в припой постепенно и связь крышки с припоем нарушается. Слой золота, который в данном случае применяют для улучшения смачивае­мости, должен быть не более 2-3 мкм, что обеспечивает его полное растворение в припое.

Кроме того, при герметизации полупроводниковых прибо­ров и ИМС пайкой используют микроплазменный нагрев.

Герметизиция корпусов контактной контурной электросваркой. Широкое внедрение в производство контактной контурной электросварки стало возможным в связи с созданием промыш­ленного сварочного оборудования и разработкой новых конст­рукций корпусов, пригодных для герметизации этим способом.

В качестве аккумулирующей системы в установках контакт­ной контурной электросварки обычно используется батарея электролитических конденсаторов. Электрическая энергия, на­капливаемая при заряде конденсаторов от источника постоян­ного напряжения (выпрямителя), расходуется при их разряде, превращаясь в процессе сварки в тепловую энергию.

Достоинствами этого вида сварки являются: постоянный расход электроэнергии, что обеспечивает высокую воспроизводимость результатов; кратковременность и концентрированное тепловыделение в месте соединения, обеспечивающее минимальную зону нагрева свариваемых металлов, непосредственно окружающую сварной шов; возможность качественного соединения разнородных металлов и сплавов, плохо сва­риваемых или совсем не свариваемых другими способами.

Рекомендация для Вас - 4 Главные богословские школы Востока в IV и V вв.

Кроме того, конденсаторная сварка способствует выравни­ванию фазовой нагрузки и повьпцению коэффициента мощности питающей электросети.

Основными элементами установки контактной контурной электросварки  (Рисунок 8.5.1)   являются выпрямитель В, преобра­зующий переменный ток в постоянный,   батарея   конденсаторов С для  накопления   (аккумулирования) электроэнергии и переключатель П для последова­ло тельного соединения батареи конденсаторов с источником пи­
тания (выпрямителем) и сварочным трансформатором Тр. пред­назначенным для получения в          сварочной цепи больших токов при низком напряжении.

Рис 8.5.1. Электрическая схема установки контактной контурной электросварки

Накопленную в батарее конденсаторов энергию (Вт-с) опре­деляют по формуле W = CU² ■ 10~⁶/2 (где С- рабочая емкость батареи конденсаторов, мФ; U— напряжение заряда конденсато­ров, В). Из этой формулы видно, что накопленную в конденса­торах энергию можно регулировать, изменяя их емкость, напря­жение заряда или одновременно оба параметра.

При контактной электросварке соединяемые детали нагре­ваются теплотой, выделяющейся при прохождении через них сварочного тока. Известно два метода нагрева деталей при кон­тактной электросварке: сопротивлением или сопротивлением и оплавлением.