Курсовая: Технологические процессы герметизации ИМС
Курсовая: Технологические процессы герметизации ИМС
Министерство высшего образования РФ
Уральский Государственный Технический Университет - УПИ
Кафедра "Технологии и Средства Связи"
Реферат
по дисциплине
" Технологические процессы микроэлектроники "
на тему:
Технологические процессы герметизации ИМС
Преподаватель: Иевлев В.И.
Студент: Черепанов К.А.
Группа: Р-407
Екатеринбург
2003
Содержание
Содержание.....................................................................2
Введение.......................................................................3
Характеристика способов герметизации...........................................5
Очистка полупроводниковых приборов перед герметизацией.........................7
Состояние и свойства поверхности полупроводников...............................7
Методы очистки поверхности полупроводника......................................8
Химическая и электролитическая отмывка полупроводников.........................9
Очистка в эмульсиях....................................................10
Отмывка в кислотах и щелочах...........................................10
Отмывка во фреонах....................................................10
Отмывка водой..........................................................11
Отмывка в ультразвуковых ваннах........................................12
Качество очистки..............................................................14
Определение чистоты поверхности..............................................15
Сушка деталей.................................................................17
Корпусная герметизация........................................................19
Сварка........................................................................22
Пайка.........................................................................28
Заливка.......................................................................29
Склеивание....................................................................30
Опрессовка компаундами........................................................32
Капсулирование................................................................32
Бескорпусная герметизация.....................................................35
Бескорпусная герметизация органическими материалами...........................37
Бескорпусная герметизация неорганическими материалами.........................48
Защита поверхности p-n-переходов вазелином и цеолитами.......................48
Защита p-n-переходов плёнками окислов металлов...............................49
Защита поверхности p-n-переходов плёнками нитрида кремния.....................50
Защита p-n-переходов легкоплавкими стеклами...................................52
Защита поверхности p-n-переходов силанированием...............................55
Защита поверхности р-п-переходов окислением...................................56
Контроль герметичности........................................................59
Список использованной литературы..............................................60
Введение
Технология производства полупроводниковых приборов – это техническая наука,
занимающаяся изучением физико-химических основ технологических процессов
производства электронных приборов и закономерностей, действующих в процессе
изготовления этих изделий.
Использование результатов исследований фундаментальных наук и доведение их до
инженерного решения применительно к производству изделий электронной техники
позволяют разрабатывать новые технологические процессы для серийного и
массового изготовления.
Развитие прикладных наук в области получения чистых и сверхчистых материалов,
нанесения покрытий, соединения различных материалов, электрофизических и
электрохимических методов обработки способствовали совершенствованию
полупроводниковой и плёночной технологии, особенно при производстве
микросхем.
Повышение качеств изделий требует высокой технологической точности и
дисциплины производства, своевременного анализа и корректировки
технологического процесса, построения оптимального технологического процесса.
Повышению качеств и стабильности технологических процессов, обеспечивающих
массовое производство изделий с воспроизводимыми параметрами, способствует
внедрение автоматизированных систем управления с полным исключением
человека-оператора и его субъективного влияния на ход технологического
процесса.
Создание высокопроизводительных машин и автоматических линий требует знания
основ технологии производства, современных методов изготовления деталей и
узлов, нанесения покрытий, получение электронно-дырочных переходов, сборки
приборов и микросхем и т.п.
Производство изделий электроники состоит из нескольких этапов, в результате
проведения которых материалы превращаются в готовые изделия.
Производственный процесс в электронном приборостроении состоит из:
технологической подготовки производства; получения и хранения материалов и
полуфабрикатов; технологического процесса изготовления деталей, сборки
изделий; испытания готовых изделий; упаковки и хранения готовых изделий.
Технологический процесс является той частью производственного процесса, во
время которого непосредственно происходит последовательное качественное
изменение состояние продукта производства.
Проектирование технологического процесса ставит своей целью получение
высококачественных изделий электронной техники, отвечающих техническим
условиям и чертежам при высокой производительности и экономичности.
Для защиты кристаллов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем,
кристаллов и подложек гибридных микросхем от воздействий внешней среды,
стабилизации параметров, повышения срока службы и надёжности осуществляют
герметизацию в металлических, металлостеклянных, керамических,
металлокерамических и пластмассовых корпусах. В отдельных случаях, особенно
при защите активных и пассивных элементов гибридных микросхем, производят
бескорпусную герметизацию.
Наряду с защитой полупроводниковых приборов и микросхем помещением их в
корпус применяют герметизацию полимерными оболочками. Разработка эффективных
способов пассивации поверхности полупроводников плёнками неорганических
диэлектриков (оксидов, нитридов, легкоплавких стёкол и др.), а так же
различных полимерных компаундов и пресс порошков, обладающих высокими
защитными свойствами, позволила широко использовать этот метод в производстве
полупроводниковых приборов и микросхем.
Герметизация приборов и микросхем полимерными оболочками требует гораздо
меньших (в 2-4 раза) затрат, чем помещение их в металлические, стеклянные и
металлокерамические, металлостеклянные и другие корпуса, и обеспечивает
высокую механическую прочность и большую стойкость к вибрациям и ударам.
Кроме того, использование полимерных оболочек позволяет получать
полупроводниковые приборы с малым отношением объёма прибора к объёму его
активной части.
Для герметизации полупроводниковых приборов и микросхем используют полимерные
материалы на основе эпоксидных, кремнийорганических и полиэфирных смол,
которые должны:
· быть механически прочными, выдержать определённые ударные
нагрузки, вибрацию и ускорение, а так же обладать термостойкостью в диапазоне
от –60 до +150 С;
· обладать высокими диэлектрическими свойствами (малыми
диэлектрическими потерями, высокими удельным сопротивлением и электрической
прочностью);
· быть химически стойкими к воздействию различных химических
реактивов, применяемых при сборке приборов;
· не содержать примесей, ухудшающих параметры приборов;
· легко поддаваться формовке и иметь малую усадку при отверждении;
· быть дешевым;
· обеспечивать товарный вид изделия.
Стабильность параметров и надежность полупроводниковых приборов,
герметизированных полумерами, определяются изменениями, которые происходят
на поверхности полупроводника при проникновении влаги через полимерную
оболочку, а также наличием примесей в полимерном материале и внутренним
механическими напряжениями, возникающие в герметизирующем слое. Внутренние
механические напряжения, возникающие в полимерной оболочке, обусловленные
усадкой материала при отверждении и разностью значений коэффициентов
температурного расширения полимера и полупроводникового материала,
соответственно делит на усадочные и термические.
Усадка полимера при отверждении происходит вследствие испарения растворителя,
если оболочку получают из раствора, или уплотнения, если отверждение
происходит полимеризацией. Так, как в процессе усадки объём оболочки
уменьшается, в ней могут возникнуть только напряжения растяжения. При
охлаждении системы полупроводник–полимер, отверждённой при высокой
температуре, возникают термические напряжения, также являющиеся напряжениями
натяжения. Внутреннее механическое напряжения могут вызвать растрескивание и
отслаивание полимерной оболочки от полупроводникового кристалла, то есть
нарушение герметичности, возникновение механических напряжений в
полупроводниковом кристалле, существенно влияющих на электрические
характеристики p-n-переходов, нарушение монтажных межсоединений внутри
полимерной оболочки и повышение её газо - и влагопроницаемости.
Так как при длительной работе полупроводниковых приборов в полимерном
материале могут протекать процессы старения, сопровождающиеся изменением его
пластичности и прочности, необходимо использовать полимерные материалы,
сохраняющие работоспособность в течение длительного времени. Чтобы обеспечить
достаточную работоспособность полимерных оболочек и максимально уменьшить
внутренние напряжения, необходимо процесс отверждения проводить при строго
контролируемой температуре в наиболее благоприятном диапазоне.
Характеристика способов герметизации
Герметизация является завершающим технологическим процессом изготовления
полупроводниковых приборов и ИМС. Её проводят для полной изоляции элементов,
компонентов, кристаллов и электрических соединений от окружающей среды,
содержащей влагу, а также активные вещества, способные вызвать коррозию,
химические взаимодействия и, как следствие, привести к выходу изделий из
строя.
Технологический процесс герметизации включает в себя 3 этапа:
1. Очистка
2. Герметизация
2.1. Корпусная
2.2.
Бескорпусная
2.3. Комбинированная
3.
Контроль герметизации
Прежде всего, технологические способы герметизации микросхем должны
удовлетворять следующим общим требованиям:
· Обеспечивать прочность и сохранять герметичность во всем
температурном диапазоне работы схемы
· Не вызывать нагрева активных элементов свыше 300°С
· Не вызывать выделения газов и паров металлы внутри корпуса
· Выполняться в среде очищенного и осушенного воздуха, азота или
инертного газа с точкой росы не выше -25°С
· Обеспечивать возможность механизации и автоматизации
Для изготовления надежных в работе изделий необходимо, прежде всего, знать
условия внешней среды, а именно физические и биологические особенности места,
в которых эти изделия будут находиться и эксплуатироваться, то есть
совокупность всех природных, а иногда и искусственно созданных условий
(факторов). Факторы, характеризующие физическое состояние среды (например,
температура, содержание водяных паров в воздухе, солнечная радиация),
называются основными, а факторы, вызванные атмосферными физическими явлениями
или зависящие от них, например, микробиальная зараженность атмосферы,
называются косвенными. На практике следует учитывать воздействие на
аппаратуру и таких косвенных факторов, которые являются следствием
образования «искусственного климата» (промышленное загрязнение атмосферы,
местное повышение температуры от работающего рядом оборудования и т.д.).
Особенно опасно воздействие на элементы микроэлектронных устройств (МЭУ)
влаги. Поскольку воздух практически всегда содержит то или иное количество
водяного пара, т.е. представляет собой паровоздушную смесь, то обычно одним
из обязательных требований к разрабатываемому способу герметизации является
обеспечение необходимой влагозащиты.
Воздействие на изделия одного или тем более одновременно нескольких
климатических факторов очень усложняет проблему обеспечения его высокой
надежности. Поэтому повышение надежности МЭУ неразрывно связано с разработкой
эффективных способов ее герметизации.
Под разработкой герметизации обычно понимают комплекс мер по обеспечению
работоспособности изделий при их изготовлении, хранении и последующей
длительной эксплуатации. Для этой цели могут быть использованы широкая
номенклатура материалов и разнообразные способы герметизации, реализованы
различные конструктивные и технологические решения. При этом все
герметизирующие изделия МЭУ можно подразделить на две принципиально различные
группы:
1. Полые конструкции, в которых рабочая поверхность изделия не
контактирует непосредственно с герметизирующим материалом;
2. Конструкции без внутренних газовых полостей, в которых
герметизирующий материал контактирует с рабочей поверхностью изделия
(монолитные конструкции).
К первой группе относятся металлостеклянные, керамические, пластмассовые и
другие корпуса, вторая группа состоит из бескорпусных изделий и монолитных
пластмассовых корпусов.
При выборе и разработке способа герметизации обычно решаются две задачи, а
именно: обеспечивается защита МЭУ от дестабилизирующего воздействия
климатических факторов атмосферы и одновременно исключается также возможное
дестабилизирующее влияние самого герметизирующего материала или материалов
конструкционных элементов на изделие. В связи с этим необходимо различать
понятия внешней и окружающей сред.
Под внешней средой понимается среда, в которой производится хранение и
эксплуатация МЭУ, под окружающей же средой понимается ограниченная
поверхностью герметизирующей конструкции и окружающая герметизируемое изделие
среда (рис. 1).
Рис. 1. а - полый металлостеклянный корпус; б - монолитный пластмассовый:
1 – основание; 2 – крышка; 3 – выводы; 4 – подложка; 5 – навесной компонент с
герметизирующим покрытием; 6 – кристаллодержатель с ИС и эластичным подслоем; 7
– пластмассовая оболочка
Окружающая среда может быть газообразной (полые корпуса), жидкой (полые
корпуса, заполненные, например, теплоотводящей жидкостью или вазелинами) или
в виде твердого покрытия (монолитные герметизирующие конструкции). В ряде
случаев под окружающей средой следует понимать сочетание различных материалов
и сред. Например, в полых корпусах могут находиться бескорпусные навесные
компоненты с герметизирующим покрытием на основе органических полимерных или
неорганических материалов. В монолитных пластмассовых корпусах с подслоем
окружающая среда представляет собой двухслойную систему. В подобных случаях
необходимо предопределить возможное влияние на параметры изделия
герметизирующего материала, находящегося на его поверхности. Однако также
необходимо учитывать возможное влияние на это покрытие, а в конечном итоге и
на изделие других сред (газообразной или твердой).
Очистка полупроводниковых приборов перед герметизацией.
Полупроводниковые приборы и микросхемы перед сборкой очищают и защищают от
воздействия внешней среды.
Очистка перед сборкой включает обезжиривание, промывку деионизированной водой
в ультразвуковой ванне и сушку на инфракрасной установке. Финишную очистку
перед защитой обычно выполняют этиловым спиртом в ультразвуковой ванне. Более
эффективная очистка включает обезжиривание в водно–аммиачном растворе
поверхностно–активного вещества (30 г/л водного аммиака, 3 г/л синтанола
ДС–10), отмывку проточной деионизированной водой в ультразвуковой ванне
(устройства, имеющие детали из меди или малоуглеродистой стали, необходимо
также обезжиривать в ацетоне) и сушку в атмосфере азота.
Состояние и свойства поверхности полупроводников.
Электрические параметры полупроводников, а также их способность работать в
течение длительного времени во многом зависит от состояния и степени чистоты
поверхности полупроводника, поэтому перед герметизацией полупроводникового
прибора необходимо произвести очистку поверхности изделия.
Электрические свойства поверхности полупроводника отличаются от электрических
свойств его объёма, так как поверхностные атомы имеют свободные валентные
связи, образующиеся в результате разрыва кристаллической решётки. Состояние
поверхности полупроводника зависит от механических, физических и химических
методов обработки, а так же от условий окружающей среды.
При механической и физической обработке образуется слой с нарушенной
кристаллической решеткой, и поверхность становится шероховатой,
загрязняется, а при химической она покрывается оксидной плёнкой, толщина
которой зависит от применяемых реактивов и режимов обработки, и загрязняется
присутствующими в реактивах примесями. Под воздействием окружающей среды
электрические свойства незащищённой поверхности полупроводника изменяются,
увеличивается толщина оксидных пленок, и она дополнительно загрязняется.
Загрязнения, попадающие на поверхность полупроводника из окружающей среды, а
также при взаимодействии с технологическими средами и химическими
реактивами, ухудшают и вызывают дрейф характеристик полупроводниковых
приборов. Особенно опасны загрязнения поверхности интегральных схем, на
единице площади которых расположено большое количество полупроводниковых
элементов. Так, загрязнение даже одного микроучастка может вывести из строя
всю микросхему.
Очистка поверхности полупроводника и её защита от внешних атмосферных
воздействий являются сложными технологическими процессами.
Различают загрязненную, чистую и атомарно чистую поверхности. Загрязнённая
поверхность требует очистки. Чистой считается поверхность, на которой
остаются допустимое количество загрязнений, а атомарно-чистой – на которой
отсутствуют какие–либо посторонние вещества. Предъявляемые на различных
этапах изготовления полупроводниковых приборов и микросхем требования к
чистоте поверхности неодинаковы. Поверхность, чистая для одной операции,
может оказаться недопустимо грязной для другой.
Источниками загрязнения поверхности полупроводниковых пластин, кристаллов
являются: абразивные, смазочные и клеящие материалы, используемые при
механической обработке; пыль, водяные пары, пары масел, попадающие из
атмосферы производственных помещений; технологические среды (газы, вода,
химические реактивы), в которых обрабатываются полупроводники, а также
инструмент, оснастки, тара для переноса и хранения, с которыми они
соприкасаются; материалы покрытий для защиты герметизации полупроводниковых
приборов. Продукты дыхания, отпечатки пальцев, кремы, пудры, аэрозоли также
загрязняют поверхность. Поверхностные загрязнения можно разделить на
молекулярные, ионные и атомарные.
К молекулярным относятся органические (натуральные и синтетические воски,
смолы, масла, жир, остатки фоторезистов, растворителей и др.) и механические
(пыль, абразивные частицы, ворсинки, частицы металлов, полупроводников,
кварца и других технологических материалов) загрязнения, плёнки химических
соединений (оксидов, сульфидов, нитридов и др.), образующиеся при химической
и термической обработке полупроводниковых пластин и их хранении, а также
газы и пары.
Молекулярные загрязнения закрепляются на поверхности полупроводника
статически. Исключение составляют плёнки химических соединений, имеющие
прочную химическую связь с поверхностью полупроводника. Молекулярные
загрязнения вызывают брак. Так при выращивании эпитаксиальных слоёв из-за
микроскопических молекулярных загрязнений образуются дефекты кристаллической
решётки. Остатки молекулярных загрязнений снижают качество
фотолитографической обработки и вызывают быстрый износ фотошаблонов.
Нерастворимые в воде органические загрязнения делают поверхность
гидрофобной, что препятствует её очистки от ионных и атомарных примесей,
поэтому их удаление должно быть первым этапом очистки.
К ионным загрязнениям относятся растворимые в воде соли, кислоты и основания,
которые осаждаются на поверхности пластин из травильных и моющих растворов.
Особое вредное воздействие оказывают ионы щелочных металлов, которые при
повышении температуры или под воздействием электрического поля могут
перемещаться по поверхности, что при водит к изменениям электрических
характеристик полупроводниковых приборов и в некоторых случаях к выходу их из
строя. Ионные загрязнения адсорбируются на поверхности, образуя с ней
физическую и химическую связь.
К атомарным загрязнениям относят атомы тяжёлых металлов (золота, серебра,
меди, железа), осаждающиеся на поверхность полупроводников в виде
металлических микрозародышей из химических реактивов. Атомарные загрязнения
влияют на время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике,
поверхностную проводимость и другие электрофизические параметры
полупроводниковых материалов.
Методы очистки поверхности полупроводника.
Удаление загрязнений с поверхности твёрдого тела физическими (механическим
сдиранием, смывание потоком жидкости или газа, бомбардировкой электронными
или ионными пучками, обработкой в плазме, испарением при высоких температурах
в вакууме) и химическими методами (растворением, эмульгированием, с помощью
химических реакций) методами называют очисткой.
Чтобы выбрать метод очистки, необходимо знать, какие загрязнения имеются на
поверхности и какое влияние они оказывают на работу полупроводниковых
приборов, как их можно удалить, а так же методы контроля чистоты. Вид и
степень загрязнения поверхности определяются технологическими операциями,
предшествующими очистке, а требования к чистоте поверхности – операциями,
выполненными вслед за ней. Как уже отмечалось при очистке в первую очередь
необходимо удалить молекулярные органические загрязнения и их химически
связанные с поверхностью плёнки, а затем – оставшиеся ионные и атомарные.
Поверхностные загрязнения удаляют: механическим «сдиранием» щётками, кистями,
газовыми пузырьками; смыванием потоком жидкости или газа; полным или
частичным растворением; перевод посторонних примесей в состояние растворимых
соединений с помощью химических реакций; солюбилизацией; смещением частиц
примесей при адсорбировании поверхностно-активного вещества; размельчением
твёрдых примесей в эмульгированием жиров; омылением масел и жирных кислот.
Эффективность удаления поверхностных загрязнений повышается, если различные
методы очистки применяются совместно. Особенно часто используют механическую
очистку в сочетании со смыванием или растворением.
Удаление загрязнений с поверхности твёрдого тела жидкими моющими средствами
и также сопутствующие этому процессы называют отмывкой. В качестве моющих
средств используют растворители, поверхностно-активные вещества (ПАВ),
щелочные и кислотные растворы, а также эмульсии. Чтобы удаляемое загрязнение
повторно не осаждалось на очищенную поверхность, их следует непрерывно
удалять из моющего раствора, связывать в устойчивые комплексы или переводить
в эмульсии.
Химическая и электролитическая отмывка полупроводников.
Отмывка в растворителях.
Отмывку в растворителях применяют для удаления с поверхности полупроводников
жиров растительного и животного происхождения, а также минеральных масел,
смазок, воска, парафина и других органических загрязнений перед всеми
технологическими процессами химической и термической обработки, а также,
если вода не может быть использована и когда необходимо получить гидрофобную
поверхность. Растворители позволяют быстро и эффективно удалять загрязнения с
поверхности полупроводника, в том числе имеющие высокую температуру плавления
(например, воск, парафин), при сравнительно низких температурах и легко
испаряются с поверхностей. Однако они плохо удаляют органические загрязнения,
молекулы которые имеют полярные группы, так как молекулы многих органических
растворителей неполярны (электронейтрально) и в них хорошо растворяются
только неполярные вещества. Кроме того, после испарения растворителя, как
правило, остаются нежелательные следы загрязнений. Растворители сравнительно
дороги, многие из них токсичны и легко воспламеняемы, что требует применения
сложного оборудования. Растворители должны быть достаточно чистыми, так как
наличие в них даже незначительных количеств загрязнений не позволяет
обеспечить высокое качество отмывки. Поэтому предварительно растворители
очищают перегонкой. Трихлорэтилен и фреон перегоняют в дистилляторе,
являющемся частью установки обезжиривания. Некоторые растворители, например
метиловый спирт, очищают с помощью ионообменных смол, а затем перегонкой.
Применяют следующие методы отмывки в растворителях: погружением, в парах, а
также с помощью ультразвука и струйный.
Отмывка погружением. При этом способе используют горячие и кипящие
растворители. Полупроводниковые пластины, кристаллы и различные подложки
отмывают в хлорорганических растворителях. Обработку в горячем
трихлорэтилене выполняют на герметической установке с паровым подогревом,
имеющей три ванны из нержавеющей стали, сваренные в единый блок. Высота
перегородок увеличивается от первой ванны ко 2, поэтому чистый растворитель не
смешивается с загрязненным. Чтобы обеспечить безопасные условия работы,
токсичные пары растворителей удаляют с помощью бортовых отсосов. Для повышения
эффективности очистки используют эмульгирующие растворители, которые берут в
чистом виде, а также в смеси с другими растворителями и поверхностно-активными
веществами. Перемешивание растворителя повышает интенсивность очистки.
Эмульгирующие растворители в виде концентрата растворяют в воде в соотношении
1:3 . Такие водные смеси можно использовать при комнатной температуре и в
нагретом состоянии (температура смеси должна быть на 10–15˚С меньше
температуры воспламенения растворителя).
Очистка в парах растворителя. При этом методе обрабатываемые образцы
помещают в рабочую камеру, куда из перегонного куба поступают пары кипящего
растворителя. Пары растворителя конденсируются на поверхности образцов и
загрязнения уносятся с нее вместе с каплями конденсата. При этом образцы
непрерывно омываются свежими порциями чистого конденсата, нагреваются до
температуры кипения растворителя и быстро сохнут при удалении из камеры. Таким
образом, удаётся избежать загрязнения поверхности в результате испарения
растворителя.
Как правило, очистку производят в парах изопропилового спирта, фреона или
хлорированных углеводородов. Эти растворители дают слабо рассеивающие
воздушными потоками плотные пары, процесс конденсации которых происходит тем
интенсивнее, чем ниже температура изделия. Обработку в парах растворителя
применяют для удаления малорастворимых с высокой температурой плавления
загрязнений, а также для сушки изделий после прополаскивания водой. Плохо
удаляются в парах мыла, растворимые масла и другие загрязнения, содержащие
воду. Недостатки метода являются значительные потери растворителя из-за
испарения, поэтому следует использовать герметичные установки.
После обработки в парах растворителя на поверхности изделий могут остаться
следы мелкие нерастворимые частицы загрязнений, поэтому такую очистку
совмещают с обработкой в жидких растворителях. В установке жидкосно-паровой
очистки большая часть загрязнений удаляется в паровой камере, а
окончательная отмывка происходит в ультразвуковой ванне.
Очистка в эмульсиях
Происходит в первую очередь на границе фаз вода–растворитель, где
сосредоточено почти все количество поверхностно–активных веществ, молекулы
которых адсорбируются частицами удаляемых водонерастворимых загрязений; тем
самым препятствуют повторному осаждения загрязнений на поверхность
полупроводника и обеспечивают длительную способность эмульсии к очистке.
Отмывка в кислотах и щелочах.
Отмывку в кислотах применяют для очистки поверхности от атомов, ионов
металлов, а также оксидов, сульфидов, нитридов и других химических
соединений, растворимых в них. Для очистки поверхностей применяют как
минеральные, так и органические кислоты, а также кислотные растворы, в состав
которых входят поверхностно-активные вещества для отмочки загрязнений,
растворимые в воде органические растворители и травильные ингибиторы,
предупреждающие растворение полупроводникового материала. В кислотных
растворах одновременно удаляются оксиды и жировые загрязнения, при этом очень
интенсивно выделяются газы, которые образуются при взаимодействии кислот с
загрязнениями. На производстве кислотной обработке, как правило, предшествует
обезжиривание в органических растворителях. После кислотной обработке на
поверхности полупроводникового материала остаётся очень много
трудноудалимого кислотного остатка.
Обработка щелочами применяют для удаления жировых и некоторых других
трудноудалимых загрязнений (графит, полировальные пасты). Жировые загрязнения
подразделяются на омыляемые (жиры растительного и животного происхождения) и
неомыляемые (минеральные масла). Под воздействием щелочей омыляемые жиры
разлагаются (омыляются) с образованием растворимых в воде солей и жирных кислот
(стеариновой, олеиновой) и глицерина, а неомыляемые не разлагаются, но могут
образовывать эмульсии.
Щелочные растворы должны хорошо смачивать поверхность, эффективно растворять
омыляемые жиры, разрушать нерастворимые загрязнения на мелкие частицы и
переводить их в состояние эмульсии, легко смываться водой после очистки, и
не разрушать поверхности обрабатываемых изделий и не вызывать коррозии
оборудования.
Обработку в щелочных раствора обычно проводят при температуре от 70 до 90°С в
течение 2–10 минут. Повышение температуры способствует эффективности очистки.
Перемешивание раствора в начале обработке не оказывает заметного влияния на
качество очистки, поэтому рекомендуется производить по истечении некоторого
времени. Отмывку в кислотах и щелочах выполняют погружением, распылением,
электролитически, а также в ультразвуковых ваннах.
Отмывка во фреонах.
Отмывка во фреонах обеспечивает высокую степень чистоты поверхности
экономичность процесса. Это обусловлено хорошей способностью фреонов
растворять различные загрязнения (в том числе жиры и масла) и их низким
поверхностным натяжением, позволяющим легко проникать в различные
углубления и быстро испаряться с поверхности после обработки. Кроме того,
фреоны не взаимодействуют со всевозможными защитными покрытиями, имеют
низкую температуру кипения (что существенно снижает затраты энергии на
кипячение и дистилляцию), чисты и стабильны, безвредны, негорючи. Они
нерастворимы в воде с ней эмульсии типа «масло» в воде; их смеси со спиртами
обладают повышенной растворяющей способностью, а смеси с водой и
поверхностно-активными веществами обеспечивают тонкую очистку
неметаллических изделий.
Разработано несколько способов отмывки полупроводниковых пластин во фреонах,
среди которых наиболее широко применяется два способа.
При первом способе пластины предварительно очищают в ультразвуковой ванне
в смеси фреона с поверхностно-активными веществами и водой, удаляют
адсорбированные молекулы поверхностно-активного вещества в чистом кипящем
фреоне, проводят ультразвуковую обработку в чистом фреоне, чтобы удалить
остаточные следы поверхностно-активного вещества, и окончательную обработку и
сушку в парах фреона. Полная обработка продолжается 7–10 минут. Все операции,
кроме первой, выполняются на стандартной установке ультразвуковой очистки, а
первую в дополнительной ультразвуковой ванне.
При втором способе пластины обрабатывают в моюще-обезжиривающей смеси 1 мин,
прополаскивают в изопропиловом спирте 1 мин, обрабатывают в ультразвуковой
ванне в кипящем изопропиловом спирте и сушат в его парах, отмывают кистями в
деионизованой воде, а затем обрабатывают в кипящем фреоне и его парах. Полная
обработка продолжается 7–10 минут.
Моюще-обезжириваюшая смесь содержит фреон-113, неионогенное поверхностно-
активное вещество синтанол, плавиковую кислоту и воду и представляет собой
двухфазную эмульсию. Молекулы поверхностно-активного вещества располагаются
на границе капель воды, эмульгированных во фреоне. Адсорбция молекул
поверхностного вещества на границе двух фаз (воды и фреона) резко уменьшает
поверхностное натяжение фреона, чем объясняется высокая очищающая
способность смеси. Способность коллоидных образований молекул
поверхностно-активного вещества (мицелл) захватывать водо-нерастворимые
загрязнения обеспечивает длительную способность смеси к очистке. Наличие в
смеси воды позволяет удалять растворимые в ней минеральные соли. Плавиковая
кислота обеспечивает удаление поверхностных оксидных плёнок и ионных
загрязнений. Сначала смесь перемешивают до образования пены и обрабатывают
в ней кремниевые пластины, помещенные в кварцевую кассету, периодически
извлекая кассету из ванны и вновь погружая.
Преимущества отмывки во фреонах:
§ исключаются операции, при которых используются концентрированные
неорганические кислоты, щелочи, а так же токсичные и огнеопасные
органические растворители;
§ на заключительной стадии не требуется промывка деионизованной водой;
§ обеспечивается высокая производительность труда и экономичность,
так как фреон легко очищается дистилляцией и может повторно использоваться
в процессе отмывки;
§ может применяться на различных этапах изготовления
полупроводниковых приборов и микросхем (перед оксидированием, диффузией,
нанесения фоторезиста, напылением металлических плёнок);
§ может использоваться для очистки стёкол, керамики, ситала и других
материалов.
Отмывка водой.
После отмывки в щелочах и кислотах или травлении на поверхности изделий
остаётся некоторое количество загрязнённого моющего раствора (травителя),
который удаляют отмывкой в деионизованной воде. На процесс отмывки оказывают
влияние количество загрязнений, переносимых в ванну для прополаскивания,
температура и интенсивность перемешивания воды, а также способ отмывки.
Отмывку водой выполняют погружением или прополаскиванием, в потоке или струе.
Гидромеханическим способом или в ультразвуковых ваннах.
Отмывка погружением. Отмывку погружением обычно выполняют при
мелкосерийном производстве. Для повышения эффективности процесса воду
подогревают и перемешивают. Детали при загрузке в ванну не должны касаться её
стенок или нагревателей (если они имеются) и их не следует глубоко погружать,
так как нижние слои воды, как правило, более загрязнены. Чтобы исключить
возможность повторного осаждения загрязнений на поверхность деталей, необходимо
регулярно менять воду и промывать ванну. Качество очистки погружением невысоко,
так как загрязнения, перешедшие с отмываемых деталей в воду, могут повторно
осаждаться на поверхность полупроводниковых деталей. Этот метод как правило
используется на первоначальных стадиях для сильнозагрязнённых деталей.
Основным достоинством является его простота.
Отмывка в потоке многокаскадных ваннах. Такая отмывка обеспечивает
постоянный отвод загрязнений от очищаемой поверхности и снижает их
концентрацию в промывочной воде. Детали переносят последовательно из одной
ванны в другую в направлении, противоположному движению потока воды. Расход
деионизованой воды в многокаскадный ваннах намного превышает расход в
одноступенчатых ваннах. Продолжительность промывки в последней ванне определяют
по выравниванию удельным сопротивлением воды на входе и на выходе из неё.
Струйная промывка (струёй жидкости, направленной под давлением на поверхность
очищаемого изделия). Струйная промывка эффективней отмывки в проточных
ваннах. Время удаления загрязнений в проточной воде 5–20 минут, а при струйном
методе — 1–5 минут. Важными факторами процесса струйной отмывки являются
давление, объём и температура подаваемой жидкости. Обычно жидкость подают под
давлением 50–400 кПа через специальные наконечники – сопла, что повышает
эффективность отмывки, однако возрастает опасность механического повреждения
образцов и усиливается процесс ценообразования. Образование пены нежелательно,
так как она снижает скорость и качество обработки. Увеличение объёма подаваемой
жидкости обеспечивает более быстрое и полное удаление загрязнений.
Струйную отмывку выполняют в закрытых камерах, оборудованных системой
многократной циркуляции промывочной жидкости. Для улучшения очистки жидкость
подогревают до 50–70°С. Полупроводниковые пластины помещают на вертикальные
диск центрифуги, имеющей частоту вращения 200–600 об/мин. Возникающие при
вращении центробежные силы способствуют удаления загрязнений с поверхности
пластин. Вертикальное расположение пластин исключает возможность попадания на
них капель промывочной воды после ограничения отмывки.
Гидромеханическая отмывка – это комплексный способ удаления
микроскопических загрязнений с полированной поверхности пластин проточной водой
и мягкими вращающимися щётками или кистями. Кисти изготовляют из беличьего
меха, а щётки из искусственных материалов (капрона, нейлона). Крепление пластин
осуществляется вакуумным присосом. Деионизованную воду подают на пластины под
давлением 50–200 кПа. При расходе воды на 1л/мин длительность процесса 5–7
минут. Предварительно, чтобы ослабить связи загрязнений с поверхностью и
облегчить их механическое удаление, пластины обрабатывают в кислотах или
растворителях.
Основные недостатки гидромеханической отмывки является загрязнение кистей и
щёток и, следовательно, перенос загрязнений с одной партии обрабатываемых
пластин на другую. Поэтому кисти и щётки надо регулярно промывать, а это
трудоёмко.
Отмывка в ультразвуковых ваннах.
Применение ультразвуковых колебаний значительно повышает эффективность
обезжиривания, травления и промывки деталей в моющих растворах и воде. При
распространении ультразвуковых волн в жидкости возникают так называемые
звуковые (акустические) потоки, которые имеют вихревой характер и скорость
распространения до сотен сантиметров в секунду, интенсивно перемешивают
жидкость и способствуют очистке поверхности. Однако наиболее важным фактором
воздействием ультразвуковых колебаний на жидкую среду является возникновение
кавитации.
Кавитация обусловлена наличием в реальных жидкостях множества
микроскопических газовых пузырьков и мельчайших твёрдых частиц, которые
служат её центрами и зародышами. Под действием ультразвукового поля газовые
пузырьки периодически расширяются и сжимаются, а некоторые захлопываются —
кавитируют. Кавитация возникает при колебании пузырьков определённого
диаметра. Так, достаточно крупные пузырьки под действием ультразвуковых
колебаний попеременно сжимаются и расширяются, не захлопываясь, поднимаются
на поверхность жидкости и выделяются из неё. В то время как пузырьки
диаметром меньше 60 мкм также не захлопываются, но, совершая колебательные
движения, оказывают очищающее действие на поверхность полупроводниковых
пластин как своеобразные механические скребки. При захлопывании пузырьков
возникают мгновенные местные давления, достигающие десятков тысяч
килопаскалей, которые отрывают от поверхности адсорбируемые загрязнения.
Процессы удаления в ультразвуковом поле растворимых и нерастворимых
загрязнений протекают по-разному. При очистке от растворимых загрязнений
главную роль играет перемещение моющей жидкости. При этом акустические потоки
ускоряют процесс растворения загрязнений и обеспечивают быстрый отвод их от
очищаемой поверхности. При очистке нерастворимых загрязнений главную роль
играет их механическое разрушение в результате кавитации. При этом под
действием высоких давлений, возникающих при захлопывании пузырьков,
происходит растрескивание плёнок поверхностных загрязнений и частичное
отслаивание их от очищаемой поверхности. Колеблющиеся газовые пузырьки
проникают под отслоившиеся плёнки, отрывают их от поверхности и частицы
загрязнений уносятся акустическим потоками.
Важным преимуществом ультразвуковой обработки является способность
кавитационных пузырьков проникать в глубокие поры и канавки деталей сложной
конструкции и конфигурации, которые не поддаются очистке никакими другими
способами.
Эффективность ультразвуковой очистке зависит от частоты и мощности
ультразвуковых колебаний, температуры и состава раствора, степени и
характера загрязнений, а также времени обработки.
Наиболее интенсивно ультразвуковая обработка происходит при частотах 20–40
кГц. Это объясняется тем, что при таких частотах газовые пузырьки имеют
большие размеры и при кавитации выделяют больше энергии. Кроме того, под
действием этих частот вибрируют и сами образцы, что также способствует
очистке их поверхности. При частотах ниже 20 кГц звук становиться слышным,
поэтому их не применяют.
Для очистки малогабаритных и легкодеформируемых изделий предпочтительны
ультразвуковые колебания частотой около 400кГц, так как при низких
ультразвуковых частотах образцы могут деформироваться или разрушиться. При
высоких ультразвуковых колебаниях очистка происходит под действием вихревых
акустических потоков, кавитация отсутствует вибрация обрабатываемых образцов
незначительна.
Повышение частоты колебаний уменьшает длину звуковой волны и, следовательно,
увеличивает ее проникающую способность. Поэтому высокочастотные
ультразвуковые колебания обеспечивают высокое качество очистки изделий,
имеющих отверстия, канавки и другие углубления; кроме того, значительно
уменьшается масса и размеры ультразвуковых генераторов.
При частотах около 400 Гц эффективность очистки сохраняется на достаточно
большом расстоянии от источника колебаний, в то время как при низких она
резко падает с увеличением этого расстояния, что вызвано значительными
поглощением ультразвука вследствие кавитации.
С увеличением мощности ультразвуковых колебаний возрастает интенсивность
кавитации и повышается эффективность очистки. Однако при слишком большой
мощности из-за резкого возрастания интенсивности кавитации в
непосредственной близости от источника колебаний увеличиваются потери
ультразвуковой энергии, что снижает эффективность очистки. Слишком высокая
мощность ультразвуковых колебаний может привести также к механическому
повреждению обрабатываемых изделий и эрозии поверхности.
Повышение температуры увеличивает растворяющую способность и химическую
активность моющего раствора, но лишь до определённых пределов. С одной
стороны, с ростом температуры уменьшается растворимость газов в жидкости и в
результате увеличивается число микроскопических пузырьков газов, являющихся
зародышами кавитации, а с другой — возрастает упругость пара в газовых
пузырьках, что снижает энергию кавитации.
Моющий раствор, применяемый в ультразвуковой очистке, должен интенсивно
растворять разнообразные загрязнения, сохранять в течение длительного
времени очищающие свойства, обеспечивать возможность регенерации и
повторного использовании и малотоксичным, не оказывать растворяющее или
коррозийное действие на оборудование, основные материалы и защитные покрытия
и, конечно, быть экономичным.
На эффективность ультразвуковой очистки оказывают влияния такие физико-
химические свойства моющего раствора, как поверхностное натяжение, упругость
паров, вязкость. Так как качество очистки повышается при уменьшении
поверхностного натяжения на границе моющего раствора с очищаемой
поверхностью, в состав моющего раствора целесообразно вводить поверхностно-
активные вещества. Высокая упругость паров моющей жидкости уменьшает энергию
кавитации, а ее высокая вязкость снижает эффективность очистки, так как
препятствует росту газовых пузырьков и затрудняет их колебательное движение.
С увеличением времени обработки качество очистки повышается. Время очистки
зависит от размеров и формы деталей, состояния их поверхности и степень ей
загрязненности, характера загрязнений и других факторов и обычно определяется
опытным путём.
Ультразвуковая очистка может быть ступенчатой и непрерывной. При ступенчатой
очистке детали обрабатывают последовательно в нескольких ваннах с одинаковым
или различными моющими растворами, а при непрерывной перемещают в одной
ванне, при этом моющий раствор подают навстречу движению деталей и очистка
происходит в различных зонах ванны раствором различной степени
загрязненности. Обычно время ультразвуковой очистки составляет около 60
секунд. После извлечения из ванны детали сушат в парах растворителя или
потоке чистого газа. Для устранения иногда образующихся при сушке разводов
детали прополаскивают в чистом растворителе.
Виды брака при ультразвуковой очистке. Такие изделия электронной техники,
как резистор, диоды, транзисторы, интегральные микросхемы, как правило,
кавитационно не стойки и не допускают очистки с применением мощных
ультразвуковых колебаний. При неправильно выбранном режиме ультразвуковой
очистки может произойти деформация или разрушение полупроводниковых приборов.
Наиболее распространенными видами брака при ультразвуковой очистке является
кавитационная эрозия поверхности изделий, разрушение защитных покрытий, мест
пайки и сварки внутренних межсоединений и внешних выводов, а также нарушение
герметизации.
Чтобы устранить опасность кавитационного разрушения, очистку
полупроводниковых изделий обычно проводят при низких мощностях
ультразвуковых колебаний и высоких ультразвуковых частотах. Опасность
возникновения резонансных повреждений на определённой частоте определяют
опытным путём. Также неправильно подобранная моющая жидкость может оказывать
разрушающее или коррозионное воздействие на конструкционные элементы
полупроводниковых изделий, защитные покрытия, а также оборудование. Состав
моющего раствора и режим работы ультразвуковой ванны нужно подбирать так,
чтобы исключить возможность повреждений изделий и обеспечить высокое качество
их очистки при минимальных затратах времени.
Применение ультразвуковой обработки в полупроводниковом производстве в
несколько раз снижает трудоёмкость операций очистки и значительно повышает
качество.
Качество очистки.
На качество очистки влияют температура, состав моющей смеси, интенсивность
перемешивания, продолжительность обработки и способ сушки.
При повышении температуры улучшается очищающая способность растворителей и
качество очистки. Однако при слишком большой температуре некоторые
загрязнения могут закрепиться на поверхности, а при удалений загрязнений,
содержащих растворимые и нерастворимые компоненты, могут быстро удаляться
быстро растворимые и прочно закрепляться на поверхности нерастворимые. Чтобы
одновременно удалять оба вида загрязнений, целесообразно снижать температуру
моющего раствора. В процессе очистки для предотвращения брака необходимо
постоянно измерять и точно поддерживать заданную температуру.
При очистке большого количества деталей в одной ванне происходит загрязнение
моющего раствора и из-за повторного осаждения загрязнений на очищенную
поверхность снижается качество обработки. Поэтому необходимо регулярно
заменять загрязнённый растворитель свежим. Определяют степень загрязненности
растворителя по его удельному сопротивлению или температуре кипения (при
насыщении растворителя жировыми загрязнениями его температура повышается).
Для улучшения качества очистки необходимо повышать интенсивность
перемешивания раствора.
Увеличение времени очистки не всегда позволяет существенно повысит чистоту
обрабатываемых деталей. В некоторых случаях для повышения чистоты
поверхности целесообразно повторить очистку.
Остатки растворимых соединений, которые оседают на поверхности при испарении
жидкости, могут быть причиной образования пятен и подтёков. Эти дефекты
появляются, если для прополаскивания используют недостаточно чистую жидкость
или отмывку выполняют не качественно. Для удаления пятен и подтёков детали
обрабатывают в более эффективных моющих растворах, обезжиривают в парах
растворителя и сушат на высокоскоростных центрифугах. При такой сушке
растворённые загрязнения удаляются с поверхности вместе с жидкостью под
действием центробежных сил прежде, чем жидкость успеет испарится. Одним из
приёмов повышения качества очистки является отделение сильно
сильнозагрязнённых деталей, если они составляют небольшую часть
обрабатываемой партии, и очистка их отдельно по специальной технологии.
При работе с хлорорганическими растворителями нельзя допускать попадание в
них воды, так как происходит гидролиз — взаимодействие растворителя с водой с
образованием соляной кислоты, в присутствии которой процесс разложения
хлорорганических растворителей протекает более интенсивно. Характерный запах
соляной кислоты является сигналом о наличие в растворителе воды. Гидролиз
резко снижает растворяющую способность хлорированных углеводородов, и на
очищаемой поверхности остаётся большое количество трудноудалимых ионов
хлора.
Определение чистоты поверхности.
После отмывки необходимо контролировать чистоту поверхности, чтобы
предупредить выход брака из-за поступления недостаточно чистых изделий на
последующие технологические операции.
В полупроводниковом производстве основными требованиями, предъявляемыми к
методам контроля чистоты поверхности, является высокая чувствительность
измерений и возможность их применения в промышленных условиях.
Различают прямые и косвенные методы определения чистоты поверхности. Прямые
методы позволяют определять загрязнения непосредственно на поверхности
контролируемых деталей. Среди них большое распространение получил
микроскопический метод, основанный на смачиваемости, и метод разности
потенциалов. Высокую чувствительность обеспечивает метод радиоактивных
изотопов. Косвенные методы основаны на удалении с поверхности загрязнений
растворителями или травлением загрязнённого слоя в травильных смесях и
применяются главным образом в лабораторных условиях. Поэтому из косвенных
методов метод измерения удельного сопротивления моющих растворов применяется
на производстве.
Микроскопический метод. Наблюдение поверхности производят в светлом или
темном поле микроскопа, чаще в темном. Чтобы исключить попадание в объектив
микроскопа отражения от поверхности лучей, используют косое освещение.
Наблюдения в темном поле позволяет выявить в виде светящихся точек твёрдые
загрязнения, островки оксидных плёнок, дефекты поверхности, остатки
растворителя. Степень чистоты поверхности определяется количеством светящихся
точек в поле зрения микроскопа при определённом освещении. Этот метод в
настоящее время общепринят для контроля чистоты поверхности
полупроводниковых пластин, так как с микроскопическими твёрдыми и коллоидными
загрязнениями удаляются и другие. Метод наблюдения в тёмном поле не позволяет
судить о составе загрязнений и в этом его недостаток.
Методы, основанные на смачиваемости. Контроль чистоты поверхности этими
методами выполняют окунанием в чистую воду, распылением её, измерением угла
смачивания, а также конденсации и запотеванию.
При окунании в чистую воду поверхности полупроводников и металлов, свободная
от жировых загрязнений, способна удерживать непрерывную плёнку воды. Жировые
(гидрофобные) загрязнения разрывают эту плёнку. Для контроля промытую
влажную деталь погружают в холодную чистую воду, так как тёплая вода может
быстро испариться, а если в воде присутствуют загрязнения в виде масел,
смачивающих реагентов или поверхностно-активных веществ, непрерывная плёнка
может образоваться и на загрязнённой поверхности.
Затем деталь извлекают из воды и с нею в течение примерно 20 с должен стечь
избыток воды. При более длительном времени стекания может произойти разрыв
плёнки воды из-за испарения. Далее визуально определяют непрерывность плёнки
воды и, если имеются разрывы, очистку поверхности следует повторить. Время
необходимое для разрыва плёнки воды, характеризует степень загрязнения
поверхности. При количестве органических загрязнений на поверхности более 10
-5 г/см2 плёнка воды разрывается мгновенно, а при 3*10-6
г/см2 – примерно через 60 секунд.
Распылением чистоту поверхности контролируют сразу после её очистки и
прокаливания. Для этого на ещё влажную поверхность распылением наносят с
расстояния примерно 65 см до полного её смачивания чистую холодную воду. На
загрязнённых участках поверхности после распыления образуется узор из
капелек, которые сохраняются в течение 15-20 минут. Продолжительность
распыления определяют опытным путём. Чтобы повысить чувствительность метода, в
распыляемую воду добавляют красящее вещество и контролируемые пластины после
образования рисунка сушат. При этом происходит закрепления рисунка
загрязнений, так как краситель остаётся только на местах загрязнений. Рисунок
загрязнений сохраняют в течение нескольких дней. По чувствительности метод
распыления воды с красителем в 10–20 раз превышает метод распыления чистой
водой.
Измерение угла смачивания каплей воды, помещённой на поверхности,
позволяет определить чистоту. При этом методе возможны три случая:
§ капля хорошо растекается, следовательно, угол смачивания очень мал
и поверхность чистая, гидрофильная.
§ капля остаётся на поверхности в виде шарика, при этом угол смачивания
примерно 900 , что свидетельствует о загрязнении поверхности
органическими (гидрофобными) веществами.
§ капля частично растекается, образуя с поверхностью некоторый
промежуточный краевой угол, по которому можно судить о степени чистоты
поверхности
Для измерения угла смачивания служит установка УКУС–1, с помощью которой
увеличенное изображение капли воды проектируется на экран и измеряется краевой
угол.
Метод конденсации основан на наблюдении смачиваемости поверхности
детали, охлажденной до температуры ниже точки росы, конденсатом. При контроле
детали кладут в чистый сухой стакан, который помещают в сосуд Дьюара с жидким
азотом и охлаждают 2–5 минут. После извлечения из азота на поверхности деталей
образуется слой инея, который через некоторое время начинает таять. Смачивание
поверхности конденсатом наблюдают в момент образования жидкой фазы. При
отсутствии гидрофобных соединений конденсат покрывает поверхность ровным
слоем, а при их наличии на поверхности образуется отдельные капли
конденсата.
Метод конденсации исключает дополнительное загрязнение поверхности, в чём и
состоит его преимущество перед методом распыления. Чтобы поверхность не
загрязнялась органическими веществами из воздуха, контроль необходимо
выполнять в чистой атмосфере.
Метод запотевания состоит в том, что испытуемую поверхность обрабатывают
в течение 2–3 минут струёй пара из парообразователя. При отсутствии
органических загрязнений поверхность омывается сплошной плёнкой конденсата, а
при наличии загрязнений поверхность покрывается капельками конденсата,
образуется фигуры запотевания. Этот метод обладает высокой чувствительностью и
прост в применении. После контроля полупроводниковую пластину можно
использовать в производстве без дополнительной очистки. Метод запотевания
удобен для определения чистоты поверхности стеклянных изделий, для которых
неприменим метод конденсации, так как при охлаждении в азоте стекло может
растрескаться. Этим методом невозможно контролировать чистоту поверхности
материалов, у которых высокая теплопроводность, так как трудно заметить момент
образования на них капель конденсата.
Все методы контроля чистоты поверхности, основанные на смачивании водой,
неприменимы для контроля чистоты после отмывки в растворителях или их парах,
так как поверхность, обрабатываемая в растворителях, гидрофобна и при
контроле на смачиваемость дает 100% загрязняемость. Кроме того, этими
методами нельзя обнаружить гидрофобные загрязнения, если имеются следы
смачивающих поверхностно-активных веществ. В этом случае даже при наличии
гидрофобных загрязнений на поверхности будет образовываться непрерывная
плёнка воды.
Метод контактной разности потенциалов. Химическая обработка, влияя на
локализованный на поверхности заряд, изменяет поверхностные потенциал. Это
изменение контролируют по равному изменению контактной разности потенциалов.
Измерительная установка состоит из генератора, звуковые колебания которого
через электромеханическую систему приводят в колебательное движение
динамический конденсатор, одной обкладкой которого является контролируемая
пластина, а другой — эталонный электрод. В результате на конденсаторе возникает
переменной напряжение, амплитуда, которого пропорциональна разности
потенциалов между его обкладками, а значит зависит от состояния поверхности
контролируемой поверхности.
Метод радиоактивных изотопов (меченых атомов). Этот метод основан на
обнаружении загрязнений, содержащих радиоактивные изотопы, и применяется для
оценки эффективности процессов отмывки. Радиоактивные загрязнения специально
наносят на отдельные участки или на всю поверхность на отдельные участки
или на всю поверхность, и после промывки по выбранной технологии их остатки
определяют с помощью счётчика Гейгера. Метод обладает очень высокой
чувствительностью (в 1000 раз больше, чем методы основанные на смачивании) и
применяются главным образом в лабораторных условиях, так как в
производственных условиях трудно обеспечить необходимые меры защиты от
радиоактивного излучения.
Метод измерения удельного сопротивления моющих растворов. Этот метод
позволяет определить содержание ионных загрязнений в промывочной воде и
различных растворителях. В производственных условиях метод измерения удельного
сопротивления моющего раствора применяют для контроля длительности процесса
отмывки: отмывку ведут до тех пор, пока не будут равны удельные сопротивления
раствора на входе в промывочную ванную и на выходе из неё.
Этот метод не позволяет обнаружить нерастворимые или слабо диссоциирующие
загрязнения, даёт заниженные результаты, так как некоторые загрязнения лишь
частично удаляются с поверхности в процессе отмывки, и не позволяют оценить
распределение загрязнений по поверхности, так как даёт информацию лишь об
общем количестве растворимых ионных загрязнений.
Сушка деталей.
На производстве применяются следующие виды сушки:воздушная сушка в сушильных камерах, горячая сушка в сушильных шкафах,
радиационная сушка, сушка токами высокой частоты.
При воздушной сушке в сушильных камерах детали или заготовки размещают на
полках и выдерживают до нескольких суток при нормальной сушке (15–20 С)
температуре.
Длительный срок сушки является крупным недостатком воздушной сушки.
Для горячей сушки обычно применяют сушильные шкафы или камеры и конвейерные
сушильные установки, обогреваемые паром или электрообогревателями.
В сушильных шкафах с электрическим обогревом детали выдерживают при температуре
65–70ºС до постоянства веса. Во избежания растрескивания деталей
температуру в сушильных шкафах повышают постепенно.
В конвейерных сушильных установках производят сушку тонкостенных деталей.
Непрерывно действующие конвейерные сушильные установки являются наиболее
эффективными для тонкостенных деталей. В таких установках сушка тонкостенных
деталей в зависимости от величины и формы длится 2–3 часа.
Радиационная сушка основана на обогреве деталей лучистой энергией,
излучаемой раскалёнными телами: нитями ламп, спиралями электронагревательных
приборов, металлическими панелями, обогреваемыми газом.
В качестве источника лучистой энергии в камере установлены лампы
инфракрасного свечения, расположенные в шахматном порядке под сводом и на
боковых стенках камеры.
Радиационная сушка эффективнее конвейерных установок в несколько раз,
особенно при сушке плоских изделий с небольшой толщиной стенок.
При сушке токами высокой частоты детали, помещённые между обкладками
контурного конденсатора генератора высокой частоты, равномерно прогреваются по
всей массе, при этом благодаря быстрому прогреву детали по всей её толщине срок
сушки сокращается в несколько раз по сравнению с сушкой нагретым воздухом.
Корпусная герметизация
Корпуса предназначены для защиты элементов и компонентов ИС от климатических
(влага, газы) и механических воздействий и светового облучения. Корпус
обеспечивает эффективный отвод тепла от тепловыделяющих элементов и
компонентов микросхемы. Металлический корпус осуществляет также экранирование
от воздействия электростатических, а в некоторых случаях и магнитных полей.
Корпус имеет выводы, с помощью которых микросхему монтируют на печатную
плату. Контактные площадки платы ИС электрически соединены с выводами
корпуса.
В зависимости от материалов корпуса делятся на следующие типы:
металлостеклянные, стеклянные, керамические, металлополимерные,
пластмассовые, полимерные.
Рис. 1.1. Схемы конструкций корпусов микросхем: а, б, в - металлостеклянных;
г - стеклянного; д - керамического; е, ж - металлополимерных; з -
пластмассового; и, к - полимерных
В металлостеклянных корпусах армирование и крышку выполняют из металла, а
выводы изолируют от основания стеклом
Металлокерамические корпуса состоят из керамического основания с выводами и
металлической крышки. Так как из-за высокой температуры спекания керамики
армировать основание металлическими выводами невозможно, их в специальной
технологической рамке впаивают в него стеклом. Кроме того, к бортику
керамического основания стеклом припаивают металлическую рамку, к которой
сваркой или пайкой присоединяют металлическую крышку. Так как рамка и
крышка должны при пайке хорошо смачиваться припоем на основе олова, их
предварительно покрывают тонким слоем никеля, меди или золота. Выводы можно
также присоединять к керамическому основанию с помощью проводящих паст.
Стеклянные корпуса более технологичны и состоят из стеклянного основания и
металлической или стеклянной крышки. В процессе формовки основание армируют
выводами и металлической рамкой, а затем спекают, в результате чего
образуется металлостеклянный спай.
В керамических корпусах как крышка, так и основание выполнены из керамики.
Это позволяет монтировать внешние выводы и выполнять герметизацию пайкой
стеклом без рамки, что упрощает конструкцию.
Во избежание термических напряжений и растрескивания, рассмотренные корпуса
изготовляют из материалов, имеющих близкие по значению температурные
коэффициенты линейного расширения (ТКЛР). Стекло, кроме того, в процессе
сборки и герметизации приборов и ИМС не должно размягчаться при нагревании.
Наиболее удачными парами материалов являются железо-никель-кобальтовый сплав
29НК (ковар) — стекло С48-2 или С49-2 (температуры размягчения 570 и 585 °С),
железо-никель-медный сплав 47НД - стекло С89-8 или С90-1 (температуры
размягчения 530 и 550 °С); керамика 22ХС или "Поликор" - стекло С72-4
(температура размягчения около 560 °С). При получении спаев стекло - металл
металлическую поверхность предварительно оксидируют.
В пластмассовых корпусах крышки приклеивают к основаниям специальными
клеями. Этот вариант герметизации применяют только при изготовлении
малоответственных ИМС, так как он не обеспечивает вакуумношотную защиту.
К корпусу ИС предъявляется ряд требований, обусловленных ее назначением и
электрическими параметрами, особенностями сборки как самих ИС, так и сборки
ИС на печатных платах, назначением, особенностями конструкции и условиями
эксплуатации аппаратуры, в которой используются ИС. К этим требованиям
относятся: герметичность конструкции, высокая надежность, малые габариты,
эффективный теплоотвод, малые паразитные электрические параметры выводов
(активное сопротивление, индуктивность и емкость), высокая механическая
прочность, простота монтажа на печатных платах, легкость съема с печатной
платы при необходимости ремонта, низкая стоимость, защита от светового
облучения. К корпусу могут предъявляться требования, обусловленные
специфическим назначением микросхемы: электростатическое и (или) магнитное
экранирование, обеспечение возможности воздействия света при обработке
оптической информации или при стирании информация в программируемых
(полупостоянных) запоминающих устройствах (ПП3У) ультрафиолетовым облучением
и др.
Основные требования, предъявляемые к корпусу, следующие:
1. механическая прочность и герметичность, обеспечивающие надежную защиту
микросхемы от воздействия окружающей среды и механических повреждений;
2. высокая теплопроводность;
3. возможность надежного электрического соединения контактных площадок
микросхем с выводами корпуса;
4. возможность надежного крепления микросхемы при монтаже в аппаратуре;
5. простота изготовления и герметизации;
6. низкая стоимость.
Первые два требования обычно находятся в противоречии с двумя последними:
пока не разработаны простые и дешевые корпуса, способные надежно защищать
схему в тяжелых условиях эксплуатации. Испытания показывают, что
интенсивность отказав ИС в трудоемких и дорогостоящих керамических корпусах в
3 -10 раз ниже, чем в самых дешевых полимерных корпусах. Высокая
интенсивность отказов микросхем в полимерных корпусах объясняется их низкой
влагостойкостью. Молекулы воды, размеры которых порядка 3А, проникают внутрь
корпуса не только по границам раздела корпус - вывод, но и через толщу
полимера.
Обеспечение герметичности корпуса. Элементы и компоненты ИС,
предназначенных для работы в условиях повышенной влажности и в атмосфере
различных газовых сред, следует помещать в корпуса, обеспечивающие полную
герметизацию. Герметичность корпуса достигается применением непроницаемых для
влаги и газов материалов и вакуумплотным соединением этих материалов.
В конструкциях корпусов широко используются соединения металлов с металлами,
стеклом, керамикой и полимерами, керамики с керамикой и стеклом, стекла со
стеклом и др. Высокотемпературные стекла и керамику обычно соединяют с помощью
промежуточного слоя легкоплавкого стекла. Определенные трудности возникают при
образовании вакуумплотных соединений металлов с керамикой и стеклом. Они
обусловлены различными ТКЛР и коэффициентами теплопроводности. Дело в том, что
при изготовлении корпуса, сборке микросхемы, эксплуатации детали конструкции
подвергаются большим перепадам температуры. Из-за разницы ТКЛР и коэффициентов
теплопроводности (разная скорость нагрева деталей) в элементах конструкции
возникают большие механические напряжения, приводящие к растрескиванию
соединений и нарушению герметичности. Опыт показывает, что разница ТКЛР
соединяемых материалов должна составлять 1•10-6°С-1.
ТКЛР материалов, применяемых при изготовлении герметичных корпусов, указаны в
табл. 1.
Таблица 1 Параметры материалов, применяемых для изготовления корпусов
Материал | Состав, % | ТКЛР, 10-6°С-1 | Коэффициент теплопроводности, Вт/(м * °С) |
| Алюминиевая керамика | 94.. .96А12О3, 6.. .4MgOn Si02 | 6,4... 7,9 | 19,6 |
| Бериллиевая керамика | 97.. .99 BeO | 7,0 | 208 |
| Боросиликатное стекло | — | 4,6 | 1,1 |
| Припайное стекло | 58РbO, 12Ва2О3, 20SiO2, 8ZnO, 2 - прочие окислы | 4,0... 12,0 | — |
| Ковар | 18Co,28Ni, 54Fe | 4,7...5,5 | 16,7 |
| Керамвар | 25Co, 27Ni, 48Fe | 8,1 | — |
| Припой | 61 Sn, 39Pb | 21,5 | — |
| Пластмассы | — | 20...200 | 0,3.. .2,0 |
Для согласования ТКЛР металла со стеклом или керамикой используются буферные
материалы с промежуточным значением ТКЛР. В роли буфера широко применяют так
называемые припайные стекла, имеющие сравнительно невысокую температуру
размягчения (~500° С). При нагреве припайное стекло размягчается и омачивает
соединяемые поверхности подобно тому, как припой смачивает соединяемые
металлические детали. ТКЛР припайного стекла находится в пределах (4...12)-10
-6 °С-1. Его величина зависит от времени и температуры
термообработки в процессе соединения материалов. Это обусловлено тем, что
размеры кристаллов, образующихся после расплавления стекла, зависят от
температуры и длительности термообработки. Кристаллизующийся спай обеспечивает
высокую механическую прочность соединяемых материалов. Допускается многократный
изгиб выводов без нарушения герметизации. Возникающие на поверхности стекла
микротрещины оканчиваются на гранях приповерхностных кристаллов и не
распространяются в глубь спая.
Для образования герметичных соединений керамики с керамикой и керамики с
металлом используют также покрытые припоем слои воженного металла (серебра) в
керамику. Сочетания керамики, стекла и металлов с пластмассами не обеспечивают
полностью герметичных соединений вследствие большой разницы в тклр (см. табл.
1) и высокой влагопроницаемости пластмасс. Эпоксидные, фенольные и силиконовые
пластмассы используются только в корпусах микросхем, предназначенных для
работы в умеренных условиях (влажность <85%).
В зависимости от конструкции корпуса в практике производства находят
применение следующие способы герметизации: холодная сварка давлением,
электроконтактная конденсаторная сварка, пайка, заливка компаундами,
склеивание, опрессовка компаундами.
В зависимости от применяемых материалов и конструктивных особенностей
микросхемы используют следующие методы соединений:
1. Cварка
1.1. Холодная сварка
1.2. Электроконтактная конденсаторная сварка (ЭКС)
1.3. Аргонно-дуговая сварка
1.4. Микроплазменная сварка
1.5. Термокомпрессионная сварка
1.6. Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИП)
1.7. Сварка сдвоенным (расщепленным) электродом
1.8. Ультразвуковая сварка
1.9. Роликовая сварка
1.10. Электроннолучевая сварка
2. Пайка
2.1. Пайка припоями
2.2. Пайка стеклом
3. Заливка
4. Склеивание
5. Опресссовка
6. Капсулирование
Сварка
Холодная сварка - это процесс получения неразъемного соединения в
результате пластической деформации двух деталей (металлостеклянный корпус). При
сближении свариваемых деталей на расстояние действия межатомных сил между
поверхностными атомами образуются металлические связи. Степень деформации
свариваемых деталей должна быть 75—85 %, т.е. их суммарная толщина после
сварки составляет 15—25% от первоначальной. Усилие сжатия при холодной сварке
зависит от пластичности материалов соединяемых деталей и контактной площади
рабочего инструмента (пуансона), обычно выполняемого из инструментальной
стали Х12, ХВГ, ШХ13 или твердого сплава ВК20. Так, для соединения деталей из
меди МБ или М1 удельное давление должно быть 1500—1800 Н/мм2, а
деталей из меди с коваровыми, стальными или из сплава 47НД составлять 2000—2500
Н/мм2. В зависимости от свойств свариваемых материалов применяют
дву- или одностороннюю холодную сварку. Двусторонней соединяют детали из
материалов примерно одинаковой пластичности, а односторонней — различной
пластичности. Причем в первом случае (рис. 2) пуансоны одновременно деформируют
фланцы крышки и корпуса и поэтому во избежание подрезки более пластичного
фланца крышки воздействующий на него верхний пуансон должен иметь плоскую
широкую торцевую поверхность. Холодная сварка проста, доступна и применяется в
основном для герметизации металлостеклянных корпусов транзисторов и диодов
средней и большой мощности, а также корпусов ИМС из металлов, обладающий
высокой теплопроводностью.
Специфическим условием получения качественного герметичного соединения
является высокая пластичность материала, по крайней мере одной из соединяемых
деталей. Обычно баллон выполняют из меди Ml, а ножку - из ковара,
обеспечивающего хорошее согласование ТКЛР со стеклянными изоляторами
коваровых выводов. Поскольку холодная сварка связана со значительной
деформацией (относительная деформация до 80%), толщина соединяемых деталей
должна быть не менее 0,3 мм, а на ножке должна выполняться защитная канавка,
разгружающая хрупкие стеклянные изоляторы. Коваровую ножку делают достаточно
толстой (1 мм), чтобы обеспечить необходимую прочность и герметичность
стеклянных изоляторов.
Важным условием получения качественного шва является чистота и отсутствие
окислов на соединяемых поверхностях. Целесообразно медный баллон
предварительно никелировать. В процессе сдавливания хрупкая никелевая плёнка
разрушается, обнажая чистую поверхность меди,
 |
Процесс может быть выполнен, например, на полуавтомате И020.0007/Т.
Полуавтомат позволяет осуществлять холодную сварку корпусов диаметром до 20
мм в контролируемой среде. Сварка производится подвижным верхним и
неподвижным нижним пуансонами. Усилие для сварки (до 1000 кГ) создается
гидравлическим цилиндром с максимальным рабочим давлением 50 ат. Загрузку
деталей в гнезда 12-позиционной карусели выполняют вручную, выгрузку
сваренных изделий - автоматически. Для создания нейтральной среды в зоне
сварки полуавтомат снабжен герметичным колпаком. Производительность
полуавтомата 600 - 900 шт/ч.
Рис 2. Односторонняя холодная сварка корпуса ИМС.
1,4 – верхний и нижний пуансоны, 2,3 – крышка и основание корпуса
Электроконтактная конденсаторная сварка (ЭКС) - это процесс получения
неразъемного соединения нагревом свариваемых кромок до пластичного состояния и
последующим их сжатием (осадкой). Для нагрева свариваемых кромок через них
пропускают электрический ток. При этом количество необходимой теплоты можно
определить по следующей формуле (закон Джоуля—Ленца): а = 0,2412
Кt (где / — сварочный ток; К - сопротивление участка цепи в
месте контакта; t- время действия тока). Кроме сварочного тока, который обычно
составляет несколько десятков тысяч ампер, и длительности его прохождения,
основным параметром электроконтактной сварки является: усилие сжатия электродов,
которое в зависимости от свариваемых материалов составляет 1-20 кН. Монолитные
электроды изготовляют из бронзы БрБ2, БрХБ или БрНБТ, основание;
комбинированных — из меди М1, М2 или МЗ, а рабочую часть из сплава ВМ.
Наиболее распространена электроконтактная сварка неподвижными электродами, при
которой соединяемые детали устанавливают в специальное гнездо нижнего
электрода, а верхний электрод при опускании центрирует их и сжимает с удельным
давлением 50—100 Н/мм2. При роликовой электроконтактной сварке
соединяемые детали перемещаются между двумя вращающимися роликами.
Электроконтактной сваркой чаще всего герметизируют корпуса п/п
приборов и микросхем круглой и прямоугольной формы со штыревыми выводами.
Для герметизации ИМС широко используют корпуса с боковыми выводами и
стеклянными или керамическими изоляторами, расположенными непосредственно
под зоной герметизации или вблизи нее. Так как при этом герметизация сваркой
давлением невозможна, применяют ультразвуковую, электронно-лучевую или
лазерную сварку, а также аргонно-дуговую.
ЭКС допускает соединение тонкостенных (0,15 мм) баллона и ножки, получаемых
штамповкой. В круглом металлостеклянном корпусе прочность и герметичность
выводов увеличены за счет заполнения стеклом полой тонкостенной коваровой
ножки. Глубоко расположенный сварной шов исключает возможность выплескивания
металла внутрь корпуса. Материал ножки - ковар, баллона - ковар, никель,
сталь 10 (с защитным покрытием).
Полуавтоматическая установка конденсаторной сварки УКС-4100 позволяет
осуществлять герметизацию круглых корпусов в защитной атмосфере гелия (расход
10 л/мин). Загрузку деталей выполняют вручную, остальные операции -
автоматически. Диапазон усилия сжатия электродов 50—350 кГ.
Производительность установки 500 шт/ч.
Методом конденсаторной сварки герметизируют также металлостеклянные корпуса
квадратной и прямоугольной формы.
 |
При аргонно-дуговой сварке, которая является одним из видов
электродуговой, аргон, обтекающий электрод и зону соединения, предохраняет
расплавленный металл от воздействия кислорода и азота воздуха. Неплавящийся
вольфрамовый электрод служит для возбуждения и поддержания горения дуги. При
герметизации этим способом (рис. 3) кромки крышки и основания корпуса
микросхемы под воздействием теплоты электрической дуги оплавляются с
образованием сварочной ванны. Охлаждаясь, металл в месте сварки
кристаллизуется, и образуется сварочный шов. Основное преимущество
аргонно-дуговой сварки — возможность местного (локального) нагрева деталей, а
недостаток — повышенные требования к точности их совмещения и изготовления
оснастки. Аргонно-дуговой сваркой герметизируют металлостеклянные корпуса со
штыревыми выводами, когда периметр соединения больше 50 мкм, а суммарная
толщина фланцев 0,2-0,6 мм.
Рис 3. Взаимное расположение электрода и корпуса ИМС при аргонно-дуговой сварке
1-электрод, 2-сопло, 3,5-теплоотводы крышки и основания, корпус микросхемы,
6-плита
При микроплазменной сварке, которая является разновидностью
аргонно-дуговой, локализация и стабилизация плазменного луча достигается с
помощью сопла 2 с диаметром выходного отверстия менее 1 мм. Так как
возбуждение дугового разряда между электродом 1 и свариваемым изделием
(фланцы корпуса 7 микросхемы) через узкое сопло невозможно, вначале
возбуждают вспомогательную дугу; между электродом 1 и соплом 2,
включенным через токоограничительный резистор. Образующаяся при этом
низкотемпературная плазма (10 000 К) возбуждает новую дугу между электродом и
изделием. При одинаковых полярностях потенциалов изделия и сопла и электрода
вспомогательный разряд шунтируется и гаснет. Установка микроплазменной сварки
МПУ4 может работать; как в непрерывном, так и импульсном режимах постоянного
тока. Ток основной дуги составляет 1,5-30 А, ток вспомогательной - до 6 А.
Плазмообразующим и защитным газом чаще всего служит аргон.
 |
При корпусной герметизации применяют также пайку припоями и стеклом.
Рис 4. Микроплазменная горелка.
1-элетрод, 2-сопло, 3,5-плазмообразующий и защитный газы, 4-корпус
плазмотрона, 6-теплоотвод, 7-фланцы корпуса ИМС.
Термокомпрессионная сварка представляет собой сварку давлением с
подогревом. Необходимое давление прикладывают к инструменту (рис. 5), а
рабочая температура обеспечивается нагревом либо инструмента, либо рабочего
стола с изделием, либо того и другого одновременно. Рабочая температура
поддерживается постоянной в течение всего времени работы установки.
Пластические, деформации, возникающие в зоне контакта соединяемых деталей,
способствуют вытеснению адсорбированных газов и загрязнений. В результате
обнажения чистых поверхностей становится возможным электронное
взаимодействие соединяемых материалов (образование межатомных связей).
Получению прочного соединения способствует также ограниченная взаимная
диффузия материалов и образование твердого раствора в тонкой приграничной
области.
Во избежание разрушения соединения вследствие остаточных напряжений материал
проволоки должен быть пластичным. С этой целью проволоку предварительно
подвергают рекристаллизационному отжигу.
Наилучшей свариваемостью обладают пары Ag - Аu и Аu - Сu, так как им присуща
высокая взаимная диффузия. При сварке Аи и А1 взаимная диффузия приводит к
образованию интерметаллических соединений, некоторые из которых обладают
хрупкостью или рыхлостью. Удовлетворительной сварки не удается достичь на
кремниевых подложках вследствие каталитического влияния кремния.
Термокомпрессионную сварку выполняют при невысоких удельных давлениях и
температурах. Поэтому для получения больших пластических деформаций диаметр
вывода не должен превышать 100 -130 мкм. Важным условием выполнения
качественного соединения является тщательная подготовка поверхности
соединяемых деталей (травление, обезжиривание), а также защита их от
окисления в процессе сварки (применение защитной среды азота, аргона, и
т.д.).
Тип термокомпрессионного соединения (форма и размеры деформируемого участка
вывода) зависит от размеров и конструкции инструмента. Возможны два основных
типа соединения: внахлестку и встык.
Рис. 5. Образование проволочных перемычек при
термокомпрессионной сварке капиллярным инструментом:
1 - совмещение проволоки и инструмента с контактной площадкой; 2 - сварка
первой точки; 3 - совмещение проволоки и инструмента с контактной площадкой; 4
- сварка второй точки; 5 - обрезка проволоки.
На рис. 5. показана последовательность образования проволочной перемычки
между контактной площадкой и внешним выводом корпуса при использовании
капиллярного инструмента для соединения внахлестку (рис 5 а) и встык (рис. 5
б). Во втором случае обрезка проволоки (электричкой дугой или газовой
горелкой) сопровождается образованием шарика.
Соединения внахлестку (рис. 5а) реализуют, например, на установке ЭМ-407.
Рабочий стол (он же нагреватель) имеет перемещение в горизонтальной плоскости
в пределах 15x15 мм. Перед сваркой обе контактные площадки выставляют
параллельно линии перекрестия окуляра микроскопа. Точность совмещения
инструмента с контактной площадкой ± 3 мкм. Температура нагрева рабочей зоны
до 400 ± 5°С. Величина давления 20 -180 г., во время выдержки при сварке 1 -
10 с. Подъем инструмента после окончания выдержки - автоматический. При
втором подъеме инструмента производится обрыв проволоки.
На установке ЭМ-405 соединения выполняют методом свалки встык (рис. 5б).
После сварки вывод отрезают ножницами. Оплавление шарика (диаметр 0,1-0,12)
на конце проволоки, выходящей из инструмента, производится электрической
дугой. Специальный механизм обеспечивает автоматическое подтягивание
проволоки с шариком к торцу инструмента при его опускании. Первую сварную
точку выполняют встык, вторую - внахлестку. Длина проволочной перемычки
(регулируемая) в пределах 3-8 мм.
|
—Рис. 6. Схема термокомпрессионной сварки с подогревом инструмента: 1 -
рабочий стол, 2 - подложка с тонкой пленкой, 3 - инструмент с нагревателем,
4 - проволочный проводник.
Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИП) отличается от
компрессионной сварки тем, что разогрев рабочей зоны осуществляется только в
момент сварки импульсом тока, проходящего непосредственно через инструмент.
Благодаря этому имеется возможность получить более высокий локальный нагрев
проводника и, следовательно, сваривать малопластичные материалы. СКИН обладает
более широкими технологическими возможностями и позволяет получать
качественные соединения золотых, алюминиевых и медных проводников (диаметром
до 100 мкм) с плёнками многих материалов.
Для выполнения СКИН инструмент должен иметь V-образную форму; причем
максимальная температура должна быть на рабочем торце. Для нагрева
инструмента может быть использован импульс постоянного или переменного тока.
Для смягчения термоудара на пленочную контактную площадку целесообразен
сопутствующий подогрев изделия (т. е. рабочего стола).
В отличие от термокомпрессии процесс взаимной диффузии при СКИН играет более
существенную роль в образовании соединения. При выполнении СКИН в начале
прикладывается давление. Затем через инструмент подается импульс тока
длительностью от 0,01 до нескольких секунд. Под действием температуры торца
инструмента происходит локальный разогрев проволоки, уменьшение предела
пластичности, осадка проволоки и соединение. При соединении, например,
алюминиевой проволоки с алюминиевой, золотой и медной пленкой температура в
зоне сварки должна составлять соответственно 400, 490 и 560°С.
Сварка сдвоенным (расщепленным) электродом является разновидностью
контактной точечной электросварки, приспособленной к особенностям соединений в
микросхемах. Малые площади соединений и малая толщина пленок требуют
локализации нагрева при одностороннем расположении электродов. Инструмент
(рис.8) представляет собой два электрода с шириной рабочей части (торца)
каждого электрода 0,1 мм, разделенных изолирующей прослойкой толщиной порядка
0,05 мм.
Рис. 7. Схема сварки давлением с косвенным импульсным нагревом
Рис. 8. Схема сварки сдвоенным электродом
В процессе сварки проволочный проводник на участке под инструментом является
составной частью электрической цепи. Разогрев проводника осуществляется за
счет выделения тепла в месте контактов проволока - электроды. В зависимости
от условий сварки (длительности, мощности и скважности импульсов и времени
выдержки под током) могут иметь место следующие механизмы соединения:
1) соединение в твердой фазе в результате рекристаллизации соединяемых
материалов и прорастания зерен через поверхность раздела;
2) соединение ниже температуры рекристаллизации за счет электронного
взаимодействия и атомного сцепления;
3) соединение в жидкой фазе в результате расплавления.
Воспроизводимость качества соединения существенно зависит от повторяемости
величины электрического сопротивления в месте контакта. Поэтому сварочные
установки предусматривают автоматическое регулирование усилия давления (0,3
-1 кГ) инструмента по заданному контактному сопротивлению. Условием
получения качественного соединения является также деформация проводника не
менее 40%.
Рис. 9. Схема ультразвуковой сварки с косвенным импульсным нагревом
Ультразвуковая сварка является разновидностью сварки давлением
(холодной или с косвенным нагревом).
Ультразвуковые колебания возбуждаются в магнитострикционном преобразователе
и с помощью волновода (концентратора), служащего для увеличения амплитуды, и
сварочного инструмента передаются свариваемым деталям. Энергия колебаний
преобразуется в сложные напряжения растяжения, сжатия и среза. При превышении
предела упругости материала в зоне контакта возникают пластические
деформации, и плёнка окисла разрушается, обнажая чистую поверхность. При этом
материалы схватываются за счет электронного взаимодействия.
Косвенный нагрев инструмента облегчает пластические деформации и улучшает
качество соединения. Вначале осуществляется сдавливание соединяемых деталей,
далее пропускается импульс тока через инструмент, а затем (или одновременно)
создаются ультразвуковые колебания.
К преимуществам ультразвуковой сварки можно отнести: невысокую температуру в
зоне контакта, возможность соединения трудносвариваемых разнородных
материалов (и даже диэлектриков) и невысокие требования к состоянию
поверхности.
Ограничением метода является требование высокой пластичности материала
проводника, так как деформация должна достигать 50 - 60%. Удельные давления
должны составлять несколько килограммов на 1 мм2.
Основными параметрами процесса являются амплитуда колебаний (порядка 5 -10
мкм при частоте 40 - 60 кГц) и удельное давление. Время сварки должно быть
оптимальным: при малом времени физический контакт соединяемых поверхностей
может оказаться малым, при большом времени наблюдается разрушение узлов
схватывания.
Таблица 2. Свариваемость материалов при различных методах микросварки
| Материал контактной площадки и подложки | Методы сварки и материалы проволочных выводов | |||||||||||
| Термокомпрессия нагретым инструментом | Сварка косвенным импульсным нагревом | Контактная сварка сдвоенным электродом | Ультразвуковая сварка | |||||||||
| Аu | А1 | Сu | Аu | А1 | Сu | Аu | А1 | Сu | Аu | А1 | Сu | |
| Золотая плёнка с подслоем нихрома на си-талле или стекле | ++ | + | ++ | ++ | + | ++ | ++ | ++ | ++ | + | ||
| Медная или никелевая плёнка с подслоем нихрома на ситалле . | ++ | + | ++ | ++ | + | ++ | + | ++ | + | + | ||
| Алюминиевая плёнка на ситалле или стекле | ++ | + | + | + | + | + | ++ | + | ||||
Примечание. ++ свариваются хорошо; + - свариваются удовлетворительно; - не
свариваются.
В установке ЭМ-404 для ультразвуковой сварки использован инструмент
капиллярного типа, который может совершать продольные или крутильные
колебания в зависимости от установленного сменного волновода. Давление
инструмента на свариваемые элементы регулируется в пределах 20-150 г, время
сварки выдерживается с точностью ± 0,02 с. Ультразвуковой генератор может
работать с частотой 58-65 кГц и с выходной мощностью 0,1 - 28 Вт. На
установке можно приваривать золотые, алюминиевые и медные проволоки
диаметром 20 -100 мкм. Установка имеет нагревательную колонку, что позволяет
работать с подогревом изделия.
В табл.2 приводятся данные по выбору метода соединения проволочных
проводников с тонкопленочными контактными площадками.
Роликовой сваркой можно сваривать корпуса большого размера и любой
конфигурации. Одним из вариантов корпуса является сварка плоских корпусов двумя
роликами, которые прокатываются по одной поверхности на небольшом расстоянии
друг от друга. В этом случае сварка ведется по принципу односторонней
контактной сварки с параллельным расположением электродов (роликов).
Электроннолучевая сварка для герметизации стала применять недавно и не
нашла еще широкого распространения. Однако этот способ будет, безусловно,
широко применяться благодаря ряду преимуществ перед другими способами
герметизации.
Обычно при электроннолучевой сварке малых толщин зазор должен быть
минимальным, так, при сварке деталей толщиной 0,3 мм зазор должен быть не
менее 0,02 мм. Для уменьшения допусков на размеры зазора и воздействия сварки
на металлостеклянные спаи необходимо разрабатывать специальную конструкцию
корпусов и подготовку кромок. Наиболее рациональная форма кромок корпуса под
сварку приведена на рис.9.1. При такой форме соединение происходит за счет
взаимного расплавления металла крышки и основания. Глубина проплавления может
достигать 0,5 мм, что обеспечивает герметичность изделия.
Рис 9.1. Форма кромок металлостеклянного корпуса под электроннолучевую сварку
Пайка.
Герметизацию пайкой применяют в стеклянных (микросхемы серии К106 и др.) и
керамических (микросхемы серии ТСМ) корпусах с плоскими планарными выводами
(рис. 1.1, г, д). В первом случае стеклянное основание получают в форме
(прессование стеклянного порошка с последующим оплавлением) одновременно с
системой выводов и коваровой рамкой. Во втором случае вначале изготавливают
керамическое основание с пазами под выводы, а затем выполняют пайку стеклом
коваровых выводов и рамки. В обоих случаях для облегчения изготовления
основания корпуса плоские выводы объединены в общую систему с помощью
технологической рамки. Впоследствии после выполнения внутреннего монтажа
(перед электрическим контролем) технологическая рамка отрезается штампом,
разобщая выводы микросхемы.
Золотое покрытие на коваровой рамке позволяет получать надежное паяное
соединение с крышкой корпуса (никель, никелированная медь и др.). С этой
целью на коваровую рамку укладывают рамку из припоя ПОС-61 толщиной 0,15 -
0,2 мм, устанавливают крышку, и корпус с микросхемой помещают на
нагреватель, снабженный вибратором (50 Гц). Наличие бортика по контуру рамки
исключает проникновение припоя внутрь корпуса.
Для пайки корпусов применяют автоматические и полуавтоматические установки.
На установке АГМП-1 (автомат герметизации микросхем пайкой) пайку выполняют в
среде инертного газа. Корпуса устанавливают в кассеты, обеспечивающие
регулируемое усилие прижима на крышку корпуса в пределах 3 -10 г. Кассеты,
содержащие по 10 корпусов каждая, помещают в магазин (емкость магазина 20
кассет). Расплавление рамки припоя осуществляется импульсным нагревом в
диапазоне регулируемых температур (150 - 450) ± 3° С. Во избежание
термоудара изделие подвергают предварительному нагреву в пределах (100 -
200) ± 10° С. Время пайки (регулируемое) 5 -15 с с дискретностью 1 с.
Вибрация может быть наложена со смещением по времени от начала пайки на 2
-12с. Расход инертного газа давлением 1,5-2 ат. составляет 0,5 м3
/ч. Производительность установки 450 корпусов в час.
Пайка припоями выполняется при температурах 170—350 °С. Перед пайкой
изделие облуживают расплавленным припоем или помещают его между соединяемыми
деталями в виде прокладок, таблеток, колец и др. Далее корпуса герметизируют,
применяя различные способы нагрева, необходимые для оплавления припоя.
При кондуктивном методе нагрева детали корпуса ИМС с прокладкой припоя между
ними, предварительно обработанной раствором или расплавом флюса (канифоли),
зажимают с небольшим усилием между двумя нагревательными плитами. Недостаток
этого метода — значительный нагрев основания корпуса, на котором
расположена ИМС, а также необходимость применения флюса, остатки которого
трудно полностью удалить, и они могут попасть внутрь корпуса.
При обдуве струей горячего газа (азота или аргона) корпуса со стороны крышки
применение флюса исключается, так как пайка проводится в инертной атмосфере.
Конвективный нагрев применяют при крупносерийном и массовом производстве.
Собранные детали корпусов сжимают и фиксируют на все время пайки, которую
провопят в конвейерных печах с защитной средой. Скорость движения конвейера
температурный режим печи (подъем температуры до заданной, выдержка и
охлаждение) обеспечивают оптимальный цикл пайки.
Этот метод пайки достаточно прост и доступен, однако из-за высокой
теплопроводности припоя необходимо нагревать весь корпус. Кроме того,
прочность паяного шва обычно ниже прочности соединяемых материалов (меди,
никеля и особенно ковара).
Пайку стеклом применяют не только для контакта кристаллов с корпусами и
крепления внешних выводов к керамическим основаниям, но и для соединения
керамических крышек с основаниями. Это значительно упрощает конструкцию
корпусов и сборку ИМС. При такой пайке в качестве припоев используют
низкотемпературные стекла.
Пайку перемычек к контактным площадкам можно осуществлять с дозированием
припоя в процессе пайки или с предварительным лужением контактных площадок.
Последний способ является более прогрессивным, так как предполагается
нанесение припоя высокопроизводительным методом погружения. Такой способ
используют, например, в тонкопленочных гибридных схемах серии К217 (медные
луженые контакты), а также в толстопленочных гибридных схемах серий К202,
К204 (серебряные луженые контакты) и некоторых других.
Особенностью лужения тонкопленочных контактов является опасность их
ослабления из-за растворения (диффузии) материала пленки в припой. Поэтому
для лужения золотых и серебряных контактов применяют припой ПОС-61,
модифицированный золотом или серебром (3%). Температура плавления этих
припоев 190° С.
Чтобы после облуживания и пайки избежать промывки микросхем, используют
пассивные флюсы марок Ф1111 или ПлП.
Пайку можно осуществлять с помощью микропаяльников с косвенным импульсным
нагревом (время импульса до 2 с), с автоматическим регулированием режима
нагрева по температуре, для чего в конструкции паяльника предусмотрена
термопара. Другой способ - пайка сдвоенным электродом, при котором тепло
выделяется за счет прохождения тока через участок припоя, расположенный под
зазором сдвоенного электрода.
Заливка.
В металлополимерных корпусах герметизацию микросхемы и изоляцию выводов от
корпуса осуществляют путем заливки металлического корпуса эпоксидным
компаундом. В конструкции, изображенной на рис. 1.1, е, корпус представляет
собой дюралевый колпачок квадратной или прямоугольной формы (толстопленочные
гибридные микросхемы серии К202, К204, К215 и др.), в который устанавливается
керамическая подложка с микросхемой и торцевыми выводами круглого сечения.
Специально сформированные выступы на внутренней поверхности колпачка
удерживают подложку на некотором расстоянии от дна.
В другой конструкции (рис. 1.1, ж) в корпусе типа «пенал» располагается
ситалловая подложка с тонкопленочной гибридной схемой (микросхемы серии МИГ),
изолированной от стенок корпуса. В данном случае активные навесные приборы
помещены в кассету из алюминиевой фольги (с изолированной прокладкой),
которая приклеена к подложке. Такая конструкция обеспечивает дополнительную
герметизацию активных приборов и защиту их от непосредственного воздействия
компаунда.
В металлополимерных корпусах целесообразно использовать свободную заливку
компаундами холодного отверждения, которые обеспечивают относительно малую
усадку, а время выдержки для полимеризации не является лимитирующим фактором.
Склеивание
Один из вариантов пластмассовых корпусов показан на рис. 1.1, з. Основание и
крышка корпуса изготовлены из стеклопластика АГ-4 методом прессования.
Основание армировано торцевыми выводами круглого сечения. Герметизацию
осуществляют путем склеивания крышки с основанием.
Надежная герметизация изделий от влияния внешней среды в корпусах этого типа
определяется тремя основными параметрами: герметичностью выводов в основании
корпуса, герметичностью соединения крышки с основанием и скоростью натекания
паров воды во внутренний объем при их диффузии через стенки корпуса (т.е.
влажностными параметрами материала корпуса).
Как показывают исследования, пластмассовые корпуса, выполненные из разных
материалов, резко отличаются по своим защитным свойствам. В табл. 3 приведены
результаты испытаний на герметичность пластмассовых корпусов, изготовленных
из пресс-порошков с различными физическими свойствами. Герметичность корпусов
оценивалась по их влагостойкости после воздействия 10 термоциклов в диапазоне
температур от –60 до +85°С и последующего увлажнения в среде с относительной
влажностью 98±2% при температуре 40°С. Натекание влаги в корпуса
регистрировалось ситалловыми датчиками влажности адсорбционного типа.
Таблица 3. Герметичность полых пластмассовых корпусов после воздействия
термоциклов
| Материал корпуса | Число негерметичных корпусов |
| К124-38 | 0 |
| В4-70 | 15 |
| К18-2 | 100 |
| ЭФП-60АК | 100 |
Нарушение герметичности корпусов в этом случае происходило в узле вывод-
основание из-за механического разрушения пластмассы вокруг вывода вследствие
возникновения внутренних напряжений. Для уменьшения этих напряжений
необходимо, чтобы материал вывода имел как можно большее значение КТР, а
материал корпуса – минимальное значение КТР и такие значения модуля
упругости, которые обеспечивали бы необходимую жесткость конструкции и
одновременно некоторую податливость материала при воздействии механических
нагрузок.
Таблица 4. Сравнительные характеристики некоторых металлов и пластмасс
| Материал | КТР, К-1 | Модуль упругости, н/м2 |
| Ковар | 6*10-6 | 1,96*1011 |
| Медь | 16*10-6 | 1,18*1011 |
| Латунь | 18*10-6 | 9,3*1010 |
| Пластмасса К124-38 | (19.36)*10-6 | 7,15*109 |
| Пластмасса В4-70 | 37*10-6 | 8,7*109 |
| ЭФП-60АК | 48*10-6 | 6,4*109 |
Как видно из данных табл. 4, таким требованиям в большей степени
удовлетворяет латунь. Ее КТР близок к КТР материалов марок К124-38 и В4-70,
которые получили наиболее широкое применение при изготовлении пластмассовых
корпусов.
Источником внутренних напряжений является разность КТР материалов корпуса и
вывода и колебания температуры при изготовлении и эксплуатации корпуса.
Анализ напряженного состояния, проведенный на модели узла вывод-пластмасса и
подтвержденный при испытании реальных образцов корпусов, показал, что в
материале корпуса при изменении температуры возникают сжимающие и
растягивающие напряжения, пропорциональные размерам вывода, модулю упругости
пластмассы, КТР и градиенту температур. При этом растягивающие напряжения на
границе пластмасса-вывод втрое превышают сжимающие. Расчет внутренних
напряжений показал, что разгерметизация оснований корпусов вокруг выводов
происходит в результате превышения внутренних напряжений предела прочности
пластмассы на растяжение. Это хорошо видно из табл. 5, в которой приведены
данные испытаний выводов, выполненных из разных материалов. Детали корпуса
изготовляются прямым прессованием, а в основание заранее впрессовываются
выводы. На выводе делается утолщение с проточкой в месте прохождения его
через основание. Такая конструкция вывода повышает механическую прочность
узла вывод-пластмасса, увеличивает путь проникновения влаги при возникновении
дефектов в узле. Для получения более надежного клеевого соединения толщина
боковых стенок основания корпуса должна составлять не менее 2 мм; толщина
крышки и основания выбирается исходя из условий механической прочности
корпуса и требований по его влагостойкости
Таблица 5. Экспериментальные данные испытаний металлических выводов на
герметичность и прочность вырыва из пластмассы
| Материал корпуса | Предел прочности при растяжении, Н/м2 | Материал вывода | Внутренние напряжения на границе с выводом, Н/м2 | Число негерметичных образцов, % | Прочность вывода на вырыв из образцов, Н | |
| герметичных | негерметичных | |||||
| К124-38 | 8,13*107 | Латунь | 3,5*107 | 15,8 | 233,2 | 78,4 |
| Ковар | 7,26*107 | 35,0 | 151,9 | 107,8 | ||
| ЭФП-60АК | 5,5*107 | Латунь | 7*107 | 20,0 | 81,3 | 50,9 |
| Ковар | 1,34*108 | 30,0 | 102,9 | 47,0 | ||
| К18-2 | 5,2*107 | Латунь | 1,38*108 | 40,0 | 66,0 | 50,0 |
| Ковар | 1,85*108 | 70,0 | 109,8 | 33,3 | ||
К клеевому составу в этом случае предъявляются следующие требования: высокая
адгезия к материалу корпуса, максимально близкое значение ТКР для клея и
материала корпуса, высокая влагостойкость, малая вязкость клея,
обеспечивающая получение клеевого шва толщиной 0,1.0,2 мм, умеренная
температура отверждения (не более 70.80°С). Наиболее полно удовлетворяют
таким требованиям эпоксидные клеи и компаунд с минеральным наполнителем
(например, компаунд ЭК-16 «Б»). Перед нанесением компаунда торцы боковых
сторон основания и край крышки по периметру зачищаются для получения
шероховатой поверхности. После приклеивания крышки к основанию корпуса
закрепляются в специальных зажимах для плотного соединения основания с
крышкой.
Герметичные пластмассовые корпуса имеют достаточно высокую влагостойкость.
Однако хотя экспериментально установленное время влагозащиты таких корпусов в
ряде случаев составляет более 30 и даже 56 сут., их влагостойкость в
настоящее время принимается равной 10 сут.
При организации производства изделий в полых пластмассовых корпусах
необходимы операции изготовления деталей корпусов, сборки деталей и изделия и
герметизации корпусов. Механизация этих операций
представляет значительные трудности, поэтому такие корпуса пока используются
при производстве изделий небольшими партиями.
Опрессовка компаундами
Наиболее дешевыми являются полимерные корпуса, получаемые путем опрессовки
микросхемы компаундом. Полимерные корпуса используют в основном для
толстопленочных гибридных и полупроводниковых интегральных микросхем,
работающих в нормальных условиях (промышленная и бытовая аппаратура).
Опрессовку микросхем осуществляют методом литья под давлением во временные
формы компаундов горячего отверждения. Ввиду давления и высокой температуры
требуется предварительная защита собранного узла (особенно проволочных
перемычек) с помощью компаундов холодного отверждения.
На рис. 1.1, и показан вариант микросхемы в полимерном корпусе, где кристалл
механически связан с контактной рамкой посредством ситалловой подложки.
Ситалловую подложку приклеивают к системе плоских выводов, связанных
технологической рамкой, а кристалл наклеивают на ситалловую подложку. Другой
вариант заключается в том, что один из плоских выводов изготавливают более
длинным и его конец находится в центре системы выводов. На этот вывод
непосредственно монтируют кристалл.
После монтажа проволочных перемычек между контактными площадками кристалла и
выводами корпуса производят предварительную защиту кристалла с перемычками
каплей компаунда. Когда отверждение компаунда завершено, узел направляется
на заливку под давлением. После герметизации технологическая рамка отделяется
в штампе, а выводы формуются, как показано на рисунке.
Наилучшими герметизирующими свойствами обладают компаунды на фенольно-
эпоксидной основе. Они характеризуются минимальным содержанием загрязняющих
ионов, имеют температуру стеклования выше 150 °С и усадку в форме 0,6 - 0,8%.
В результате прессования в материале корпуса имеют место сжимающие усилия,
что уменьшает интенсивность отказов из-за тепловых деформаций.
Прессование (заливку под давлением) выполняют на механизированных или
полуавтоматических установках при усилии прессования до 2000 кГ и скорости
впуска материала до 20 мм/с. Время выдержки изделий под давлением прессования
20 - 40 с, а время выдержки в замкнутой форме при температуре прессования
(вне пресса) от 3 до 5 мин.
Для толстопленочных микросхем присоединение плоских выводов контактной рамки
можно осуществлять путем введения их в отверстия керамической платы, загибки
их на контактные площадки платы и последующего облуживания методом
погружения (рис. 1.1, к).
Выводы в технологических рамках целесообразно выполнять в отрезках ленты
длиной до 250 мм на несколько микросхем. Это упрощает механизацию и
автоматизацию монтажа, а также загрузку многоместных форм для заливки под
давлением.
Большой экономический эффект дает метод беспроволочного монтажа
полупроводниковых кристаллов на контактной рамке, позволяющий использовать
групповые методы присоединения выводов.
Капсулирование
В настоящее время капсулирование широко используется для герметизации
элементной базы и блоков МЭУ. В зависимости от особенностей конструкции
изделий, в частности расположения выводов, существуют два вида корпусов с
использованием металлической капсулы (такие корпуса часто называют
металлополимерными):
С вертикальным расположением выводов (рис. 9.2, а - в этом случае
поверхность изделия контактирует с герметизирующим компаундом);
С выводами в одной плоскости с подложкой (рис. 9,2, б, в - в
этом случае герметизирующий материал не контактирует с поверхностью изделия).
Рис. 9.2. Примеры герметизации способом капсулирования: а - изделие
со штыревыми выводами; б - односторонний пенальный корпус; в -
двусторонний:
1 – капсула; 2 – подложка; 3 – герметизирующий компаунд; 4 – вывод; 5 –
прокладка
Наиболее широкое распространение получили корпуса первого вида, где надежная
герметизация изделий от воздействий внешней среды определяется герметичностью
узлов вывод-компаунд (подложка) и капсула-компаунд, а также адгезией
компаунда к поверхности платы.
Большинство штыревых выводов в рассматриваемых конструкциях изготовляется из
луженых меди или латуни, к которым адгезия герметизирующих полимерных
материалов, даже эпоксидных, недостаточно велика. После воздействия на
корпуса термоциклов нередко наблюдается отслаивание компаунда от поверхности
выводов. Поэтому герметичность металлополимерного корпуса в целом во многом
определяется герметичностью выводов в плате. Качественная металлизация
площадки платы около выводов и хорошее лужение обеспечивают герметичность
корпусов.
Герметичность узла капсула-компаунд определяется механическими характеристиками
соединяемых материалов и адгезией герметизирующего компаунда к поверхности
капсулы. Увеличение модуля упругости одного из материалов приводит к увеличению
механических напряжений и нарушению герметичности корпусов. Так, замена
материала капсулы (мягкого материала на твердый) приводит к увеличению числа
разгерметизированных корпусов в процессе длительного термоциклирования. К
такому же результату приводит и увеличение модуля упругости герметизирующего
компаунда. На адгезию компаунда к материалу капсулы большое влияние оказывает
способ подготовки поверхности капсулы. Так, адгезия компаунда ЭК-16 «Б» к
необработанному алюминию по усилию отрыва составляет 250, к анодированному 380,
к анодированному и окрашенному 320 кгс/см2.
В узле подложка-компаунд при большой разнице КТР материалов и большом
значении модуля упругости компаунда могут появиться трещины в компаунде и
подложке. Такие трещины наблюдаются в поликоровой подложке толщиной 0,6 мм
при заливке капсул компаундом ЭК-16 «Б» толщиной 1,0 мм. Целостность подложки
не нарушается при замене поликора на керамику 22ХС или при увеличении толщины
поликоровой подложки от 0,6 до 1,0 мм. Модули упругости поликора и керамики
22ХС различаются незначительно, но прочность на изгиб у поликора значительно
ниже, чем у керамики. Уменьшение адгезии герметизирующего компаунда к
поверхности подложки уменьшает механические напряжения в компаунде и
подложке. Однако существенно повышаются напряжения на границе компаунд-
капсула, что приводит к резкому снижению герметичности этого узла. Поэтому
особенно большое внимание следует обращать на качество очистки подложек перед
герметизацией изделий.
При герметизации капсулированием изделие помещается в корпус (капсулу)
выводами наружу. Свободный торец капсулы и выводы заливаются компаундом. При
использовании металлических капсул (чаще анодированный алюминий)
влагостойкость корпусов резко возрастает, поэтому часто под капсулированием
понимается герметизация в металлополимерные корпуса. Для герметизации изделий
микроэлектроники в металлополимерные корпуса наибольшее распространение
получил жидкий компаунд ЭК-16 «Б»; ведутся разработки по герметизации
корпусов таблетками, изготовленными из порошкообразных компаундов.
Процесс герметизации заливочными компаундами, в частности компаундом ЭК-16 «Б»,
недостаточно пригоден для организации автоматизированного производства
малогабаритных изделий, герметизация которых требует небольших количеств
компаунда. Это объясняется трудностью дозировки небольших порций компаунда
(0,1.0,2 см3), низкой жизнеспособностью компаунда и трудностью
изготовления надежно работающей установке по механизированному приготовлению
компаунда непосредственно перед герметизацией.
Эффективнее применять порошкообразные компаунды. В этом случае появляется
возможность осуществлять предварительную дозировку компаунда путем
изготовления из него калиброванных по массе и размерам таблеток. Герметизация
порошкообразными компаундами в виде таблеток позволяет автоматизировать
процесс сборки и герметизации изделий. Схема этого процесса выглядит
следующим образом: укладка подложек с изделием в капсулу, укладка в свободный
торец капсулы таблетки, расплавление таблетки и ее отверждение.
Прессование таблеток производится при давлении 45.50 МПа. В зависимости от
конструкции изделия таблетки могут иметь разнообразную форму. Особенно
высокие требования к растекаемости таблеток предъявляются при сложной
конструкции изделий. Для герметизации таких изделий готовятся таблетки
сложной формы с выборкой под выводы, при этом зазор между таблеткой и
капсулой должен быть минимальным.
Бескорпусная герметизация
Выбор конструктивно-технологического варианта исполнения бескорпусной защиты
определяется в первую очередь назначением и требованиями, предъявленными к
защищаемой микросхеме. Например, если предусматривается защита сборочной
единицы, в состав которой входит бескорпусная микросхема, то предварительно
производится лишь промежуточная технологическая защита микросхемы,
обеспечивающая стабильность её параметров на этапе изготовления. Если же
бескорпусная микросхема выпускается в виде самостоятельного изделия, то её
защита осуществляется с учётом всего комплекса климатических и механических
воздействий, предусмотренных техническими условиями эксплуатации на данную
микросхему.
Особое требование в случае бескорпусной защиты предъявляются к химической
частоте и термостойкости герметизирующих покрытий, к их физико-механическим
свойствам, влагопоглощению. Кроме того, герметизирующие материалы должны не
только обеспечивать высокую жёсткость создаваемой конструкции, но и
устойчивость её к различным видам воздействий.
Для бескорпусной защиты полупроводниковых структур используются в основном
неорганические и органические полимерные материалы. Более высокой надёжностью
характеризуются покрытия из неорганических материалов, однако, бескорпусная
защита на основе органических материалов гораздо дешевле.
Бескорпусную герметизацию выполняют обволакиванием герметиком, заливкой
полимером, а также опрессовкой расплавленным термопластическим или
термореактивным материалом.
Обволакивание — наиболее простой способ, при котором каплю герметика
наносят на сборку или кратковременно погружают сборку в герметик. Этот способ
используют для предварительной защиты изделий перед заливкой или опрессовкой.
Заливку выполняют в специальные многократного использования литьевые
формы из силиконовой резины. Заливка может быть свободной или в вакууме.
Литьевое прессование является наиболее совершенным способом создания
бескорпусных оболочек, применяемым в серийном производстве. Этот способ
основан на использовании разъемных пресс-форм и пресс-порошков, получаемых из
эпоксидных и кремнийорганических смол или их композиций.
В настоящее время наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к
материалам монолитных корпусов, образуемых литьевым прессованием, эпоксидные
пресс-порошки типа «Премикс».
Технологический цикл при герметизации изделий литьевым прессованием включает
такие операции: размещение изделий в специальной пресс-форме, заполнение
индивидуальных полостей с изделиями в пресс-форме герметизирующим
расплавленным составом на специальных пресс-установках при сравнительно
низких давлениях, выдержка определенное время под давлением при повышенной
температуре для отверждения материала, разъем пресс-формы, извлечение
загерметизированных изделий, удаление литников и облоя. Таким способом можно
загерметизировать одновременно несколько десятков и даже сотен изделий.
Герметизация литьевым прессованием стала широко применяться после появления
термореактивных смол, прессуемых при низких давлениях. Использование
небольших давлений дает возможность герметизировать изделия, чувствительные к
механическим воздействиям: полупроводниковые приборы и микросхемы с гибким
проволочным монтажом, миниатюрные изделия с проволочной обмоткой и т.д.
Герметизирующий материал (пресс-порошок) используется в виде предварительно
изготовленных таблеток или гранул, что способствует повышению качества
опрессовки, ликвидирует операцию взвешивания порошка, упрощает операцию
дозировки материала. Для получения порошков преимущественно используются
эпоксидные смолы, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с другими
смолами. Материалы на основе этих смол обеспечивают высокие влагозащитные
свойства герметизирующих оболочек и высокую устойчивость к воздействию
механических нагрузок; отверждение материала после расплавления порошка
происходит при сравнительно низких температурах; появляется возможность
автоматизации производственных процессов.
В зависимости от типа порошкового материала герметизация производится при
температурах 130.160°С. Время выдержки в пресс-форме после заполнения ее
герметизирующим материалом составляет 3.5 мин, а общий цикл герметизации с
учетом сборки пресс-форму, укладки в нее кассет с изделиями и т.д. не более
10 мин.
Несмотря на то, что для герметизации литьевым прессованием используется
сравнительно дорогое оборудование и сложные пресс-формы, являющиеся
неотъемлемой частью оборудования, этот способ, когда технически возможно и
выгодно, следует использовать для изготовления изделий массового
производства.
Повысить эксплуатационные свойства изделий можно и при их герметизации
порошковыми материалами на основе обычных технически чистых эпоксидных смол.
Для этой цели часто используют многослойные, в частности двухслойные,
герметизирующие оболочки. В этом случае, как правило, нижний слой,
прилегающий к поверхности изделия, выполняется из эластичных и химически
чистых материалов (например, кремнийорганического каучук), верхний слой – из
жестких и механически прочных материалов.
При комбинированной герметизации предварительно изготовляют крышку в
виде металлического колпачка, в которую устанавливают сборку с выводами,
заливая их компаундом. Так обычно герметизируют толстопленочные гибридные ИМС
невысокой степени интеграции.
Таблица 6. Материалы для бескорпусной герметизации и способы их нанесения
Изделие | Назначение герметизации | Герметизирующие материалы | Способы нанесения материалов |
| Полупроводниковые приборы и ИС | Стабилизация параметров на стадии производства | SiO2, Si3N4, Al2O3, фосфорно-силикатные и боросиликатные стекла | Термическое окисление, пиролиз, азотирование |
| Герметизация изделий бытового и общепромышленного назначения | Компаунд ЭКМ, эмали ЛЩ-97, ЭП-91 | Погружение, нанесение с иглы | |
| Тонкопленочные ИС | Стабилизация параметров на стадии производства | SiO2, GeO, легкоплавкие халькогенидные стекла | Вакуумное напыление |
| Герметизация изделий бытового и общепромышленного назначения | Лаки ФП-525, УР-231, эмаль ФП-545 | Распыление из пульверизатора, погружение, полив | |
| Эластичные компаунды типа «Виксинт», КТ-102 | Заливка | ||
| Толстопленочные ИС | Герметизация изделий бытового и общепромышленного назначения | Тиксотропный компаунд Ф-47 | Обволакивание погружением с механической вибрацией |
| Порошковые компаунды ПЭП-177, ПЭК-19 | Обволакивание напылением в электростатическом поле, вихревое напыление |
Бескорпусная герметизация органическими материалами
Осуществляется с помощью различных лаков, эмалей и компаундов. Этот способ
продолжает оставаться одним из главных, особенно в технологии силовых
полупроводниковых приборов.
Защита поверхности p-n переходов лаками и эмалями
Защищают p-n-переходы от внешних воздействий тонкими слоями специальных лаков
и эмалей, наносимых на место выхода перехода на поверхность. Покрытие плотно
сцепляется с поверхностью полупроводника и предотвращает доступ водяных
паров, кислорода и др. Достоинством метода является его простота и
технологичность.
Однако защита p-n-переходов методом лакировки имеет ряд недостатков. К
основным из них следует отнести то, что применяемые в настоящее время лаки не
отвечают требованиям, предъявляемым полупроводниковой технологией:
недостаточно влагостойки, плохо переносят резкое изменение температуры
окружающей среды, растрескиваются или отслаиваются при низких температурах.
Кроме перечисленных недостатков, следует отметить еще один важный недостаток
лаков - их способность создавать в приповерхностном слое полупроводника
значительные механические напряжения, что объясняется разными коэффициентами
термического расширения лака и полупроводникового материала. Таким образом,
качество защиты p-n-переходов и свойства лакированных приборов зависят от
свойств лаков.
В качестве исходных материалов для лаков используются кремнийорганические
смолы, обладающие высокой влагостойкостью и хорошими диэлектрическими
свойствами. Однако чистые кремнийорганические лаки имеют ряд недостатков
(трескаются при низких температурах, недостаточно сцепляются с
полупроводниками, хрупки), которые устраняют введением модифицирующих добавок
и специальных наполнителей. При выборе защитного покрытия (лака или эмали)
необходимо исходить из эксплуатационных требований, которые предъявляют к
конкретному полупроводниковому прибору.
Важным фактором при защите p-n-переходов лаков является чистота лакируемой
поверхности, которая должна быть тщательно протравлена, промыта и высушена.
После сушки p-n-переходы переносят в специальных вакуумных эксикаторах в
скафандры, в которых носят лак на поверхность кристалла. При нанесении
лакового покрытия лак набирают в шприц и осторожно небольшими порциями
выдавливают на поверхность полупроводникового кристалла. Для покрытия круглых
структур применяют различные полуавтоматические приспособления. Сушат лак в
специально выделенных термостатах. Режим сушки зависит от вида лака или
эмали, а также типа прибора.
Виды лаков, эмалей и компаундов, применяемых при бескорпусной герметизации:
Лак К-1- довольно густая, почти прозрачная масса вязкостью 80–100 сСт при
20ºС. Плёнка этого кремнийорганического лака после полимеризации при
130–150ºС в течение не менее 4 ч. почти прозрачна и удовлетворительно
переносит термоциклирование. Термостойкость около 200 0С. Применяют
лак К-1 в основном для защиты сплавных кремниевых p-n-переходов. Наносят лак
иглой шприца или тонкой стальной проволокой, окуная ее в тигелек с лаком. При
нанесении лак не полностью переходит с иглы (или проволоки) на кристалл, что
приводит к утолщению ее кончика, которое удаляют, протирая иглу миткалем,
смоченным в спирте.
Лак К-55 – густая прозрачная вязкая масса жёлтоватого цвета,
приготавливаемая из полиорганосилоксановой смолы. Защитная плёнка образуется на
поверхности полупроводникового кристалла после обработки при 130-1500
С в течение 2-3 ч. Удельное объёмное сопротивление пленки при 200С
равно 1013 Ом×см, а при 2000С-1012
Ом×см. После пребывания пленки в атмосфере с повышенной влажностью (98%)
ее объёмное сопротивление снижается до 1011 Ом×см.
Термостойкость 150-1800С.
Лак К-57 –прозрачная вязкая масса светло-жёлтого цвета. Время высыхания
пленки лака при температуре 2000С равно 1-1,5 часа. Удельное
сопротивление при 200С равно 1014 Ом×см, а при 200
0С –1012Ом см. Термостойкость 180-2000С. Плёнка
обладает высокой влагостойкостью и стойкостью к термоциклическому изменению
температуры. Рекомендуемый режим сушки: выдержка 10 часов при 150-1700
С.
Лак МК-4У –вязкая масса жёлтого цвета. Связующим веществом является
кремнийорганическая смола, модифицированная полиэфирами и эпоксидными смолами,
а в качестве наполнителя в смолу вводиться слюда мусковит. Рекомендуемый режим
сушки: выдержка 2 ч при 1800С. Удельное объёмное сопротивление при
200С равно 1014 Ом*см. Термостойкость 180-2000
С.
Защитный лак ПЭ-518 – терефталевоглицириновой смолы ТФ-4 в циклогексане;
прозрачная жидкость от светло до темно-жёлтого цвета. Обладает термостойкостью
в диапазоне температур от –60 до +100ºС. Тангенс угла диэлектрических
потерь на частоте 106 Гц равен 0,04. Удельное объёмное сопротивление
равное в обычных условия 1014 Ом*см, после пребывание во влажной
среде атмосфере в течение 48 часов снижается до 1012 Ом*см.
Применяется для защиты p-nпереходов от воздействия влаги и воздуха.
Защитный лак КО-938В — раствор кремнийорганической смолы и толуола,
модифицированный полиэфиром; жидкость коричневого цвета. Перед употреблением в
лак добавляют сиккатив. Содержание сухого остатка равно 50%. Плёнка высыхает
при 1500С в течение 30 мин. Адгезионная прочность 8*104
Н/м2. Электрическая прочность при 200С равна 75 кВ/мм, при
2000С — 40 кВ/мм, а после воздействия влажной атмосферы в течение 48
часов —50 кВ/мм. Удельное объёмное электрическое сопротивление при 200
С равна 1014 Ом*см, а при 200 С — 1012 Ом*см.
Диэлектрическая проницаемость на частоте 106 Гц при 20 С равна 4, а
тангенс диэлектрических потерь при тех же условиях – 6*10-4 .
Применяется для защиты p-n-переходов полупроводниковых приборов, работающих
при температурах до 2000С, а также в качестве адгезионного подслоя
для эластичные заливочные компаунды.
Кремнийорганический лак КО-961-п – раствор
полиметилвинилфенолсилоксилазана в толуоле; бесцветная или светло-жёлтая
жидкость без механических примесей. Содержание сухого остатка не превышает
57-63%. Плёнка высыхает при 200С в течение 60 минут. Электрическая
прочность при 200С равна 85 кВ/мм, а при 1500С — 5 кВ/мм.
Удельное объёмное сопротивление при 200С равно 1014
Ом*см, а при 1500С — 1012 Ом*см. Покрытия обладают
хорошей влагостойкостью и высокими диэлектрическими характеристиками.
Тангенс угла диэлектрических потерь – 0,003. Диэлектрическая проницаемость
4,5. Лак легко воспламеняется: нижний температурный предел воспламеняемости
насыщенных паров в воздухе 80С, а верхний 360С. Предельно
допустимая концентрация паров лака в воздухе составляет 10–20 мг/м3
.
Лак сульфон —раствор полисульфонамида на основе изофталеновой кислоты и
3,3-диаминодифенисульфона в диметилацетамиде или диметилформамиде; жидкость
жёлтоватого цвета. Содержание сухого остатка не превышает 15%. Удельное
объёмное сопротивление при 200С равно 1014 Ом*см, при 200
0С — 1012 Ом*см, а при 48-часовом воздействии влаги (95%) и 55
0С — 1013 Ом*см. Электрическая прочность при 200С
равна 50 кВ/мм. Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 103
Гц при температуре 200С равен 0,02, а диэлектрическая постоянная при
тех же условиях – 4. Применяется для защиты p-n-переходов полупроводниковых
приборов, работающих в интервале температур от –60 до +200 С.
Лак «Пан» — 5%-ный раствор полинитрилоакрилата в диметилформамиде;
прозрачная жидкость жёлтого цвета без механических примесей. Вязкость при 20
0С равна 80–150 сСт. Показатель преломления 1,43–1,44.
Эмаль АС–539 —суспензия пигмента свинцового сурика в растворе эпоксидной
смолы, ярко-оранжевого цвета. Разбавляется ксилолом. Вязкость при 200
С равна 90–100 сСт. Содержание сухого остатка 25%. Тангенс угла диэлектрических
потерь на частоте 1МГц и температуре 200С не превышает 0,025.
Плёнка высыхает при 18-230С в течение 1 ч, а при 1300С –
4 ч. Удельное объёмное сопротивление при 200С равно 5*1014
Ом*см, а после пребывания во влажной атмосфере (98%) в течение 48 часов
снижается до 1013 Ом*см. Электрическая прочность 20 кВ/мм.
Влагонабухаемость плёнки в течение 48 часов при 18-23 С не превышает 1%. Эмаль
устойчива к перепаду температур от –60 до + 125 С. Применяется для защиты
полупроводниковых приборов и кристаллов с p-n-переходов от внешних
воздействий в интервале температур от –60 до +150 С.
Эмаль КО-97— смесь кремнийорганического лака ФМ-34 и смолы БКМ-5 с
добавлением пигментов и наполнителей. Вязкость при 200С равна 80-100
сСт. Содержание сухого остатка не превышает 48-58%. Удельное объёмное
сопротивление при 200С равно 1014 Ом*см, а при
1700С — 1012 Ом*см, а после пребывания во влажной
атмосфере снижается до 1011 Ом*см. Тангенс угла диэлектрических
потерь на частоте 1 МГц при 200С равен 0,01, а при 1700
С повышается до 0,015. Диэлектрическая проницаемость при тех же условиях
соответственно равна 3,5 и 5,5. Влагонабухаемость не превышает 1%.
Электрическая прочность 20 кВ/мм. Эмаль устойчива к перепаду температур от
–65 до +1500С.
Эмаль ЭП-274 — суспензия пигментов в эпоксидном лаке ЭП-074. Для
разбавления применяется смесь, содержащая 30% ацетона, 30% этилцеллозольва и
40% ксилола. Вязкость 80-100 сСт. Время высыхания плёнки при 1500С
равно 1 ч. Содержание сухого остатка лежит в пределах от 35 до 45%. Применяется
для окраски полупроводниковых приборов, эксплуатирующихся в условиях
тропического климата, и выпускаются в двух цветов: серого и черного.
Эмаль РПЭ-401 — смесь кремнийорганического лака ФМ-ЗУ и раствора смолы
БМК-5 в соотношении 5:1, в которую добавляют наполнители: 20% рутила, 20%
кварца, 30% слюды и 30% талька. Плёнка высыхает при 2000С в течение
5 часов. Удельное объёмное сопротивление при 200С равно 10
14 Ом*см, при 2000С — 1012 Ом*см, а после выдержки
во влажной атмосфере (98%) – 2,8*1013 Ом*см.
Эмаль ЭС-50 — кремнийорганическая смола модифицированная телиэфирами и
эпоксидными смолами, в которую в качестве наполнителя вводится рутил. Плёнка
высыхает при 1800С в течение 2 часов. Удельное объёмное
сопротивление при 200С равно 1014 Ом*см, при 2000
С — 1012 Ом*см, а после выдержки во влажной атмосфере (98%) – 10
9 Ом*см.
Эпоксидные смолы.
Эпоксидными смолами называются олигомеры и полимеры, СН—СН содержащие в
микромолекуле эпоксидные группы.
Эпоксидные смолы представляют собой группу искусственных смол, получаемых в
результате реакции хлорированных глицеринов; с двухатомными или многоатомными
фонолами в щелочной среде. Обычно для получения эпоксидных смол используют
эпихлоргидрин или дихлоргидрин глицерина с резорцином или дифенилолпроданом.
В первом случае получают резорциновые смолы, во втором - диановые, которые
как менее токсичные и более дешевые получили наибольшее распространение.
Молекулярная масса эпоксидных смол может меняться от нескольких сотен до
нескольких тысяч в зависимости от соотношения в них исходных компонентов.
Эпоксидные смолы—это жидкие или низкоплавкие продукты легко растворимые во
многих органических растворителях (ацетоне, толуоле, хлорированных
углеводородах и др.), нерастворимые в воде и мало растворимые в спиртах. С
увеличением молекулярной массы растворимость эпоксидных смол уменьшается.
Неотвержденные эпоксидные смолы имеют ограниченное применение
Эпоксидные смолы, полученные взаимодействием эпихлоргидрина или дихлоргидрина
с многоатомными фонолами, резорцином, анилином, аминами, гликолями, можно
разбить на три основные группы: диэпоксидные, полиэпоксидные и алифатические
диэпоксидные
К диэпоксидным относятся смолы на основе дифенилолпропана (ЭД-5, ЭД-6, Э-37),
диаминодифенилметана (ЭМДА) фенолфталеина (ЭФФ) и азотсодержащие на основе
анилина (ЭА), к полиэпоксидным – смолы на основе эпоксиноволаков (ЭН-5, ЭН-
6), полифенолов (ЭТФ) и эпоксициануратные на основе циануровой кислоты (ЭЦ),
а к алифатическим диэпоксидным – смолы на основе алифатических аминов (Э-181,
ДЭГ-1, ТЭГ-1 МЭГ-1 и ЭЭТ-1).
В полупроводниковом производстве для приготовления различных компаундов для
герметизации полупроводниковых приборов и интегральных схем широкое
применение находят эпоксидные смолы ЭД-5, ЭД-6, Э-37, ЭЦ и Т-10.
Смола ЭД-5 — вязкая светло-коричневая жидкость, продукт конденсации
дифенилолпропана (температура плавления 140— 142°С, содержание свободного
фенола не более 4%) с эпихлоргидрином глицерина. Молекулярная масса 360—470.
Температур» размягчения 0°С. Время отверждения с гексаметилендиамином при 120°С
равно 10 мин. Содержит 20% эпоксидных групп и 2,5% летучих соединений. Мольное
соотношение эпихлоргадрина и дифенилолпропана 5:1.
Смола ЭД-6 — прозрачная вязкая жидкость от светло-жёлтого до
светло-коричневого цвета, продукт конденсации дифенилолпропана и эпихлоргидрина
в присутствии щелочи. Молекулярная масса 480—600. Температура размягчения 10°
С. Содержит от 14 до. 18% эпоксидных групп и 1% летучих соединений. Мольное
соотношение эпихлоргидрина и дифенилолпропана 2,5:1.
Смола Э-37—сиропообразная жидкость от светло-жёлтого» до
темно-коричневого цвета, продукт взаимодействия дифенилолпропана и
эпихлоргидрина. Молекулярная масса 600—800. Температура размягчения 50—70° С.
Содержит от 11 до 17% эпоксидных групп, 0,5% летучих соединений и 0,005 ионов
хлора. Мольное соотношение эпихлоргидрина и дифенилолпропана 1,2:1.
Смола ЭЦ — густой вязкий или твердый хрупкий материал от жёлтого до
коричневого цвета, продукт конденсации циклического тримера циануровой кислоты
с эпихлоргидрином. Молекулярная масса 400—600. Температура размягчения 70—80
0С. Содержит 30% эпоксидных групп,- 1,5% летучих соединений, 5% хлора и
0,1% ионов хлора. Смола Т-10—прозрачный вязкий материал от жёлтого до
-коричневого цвета, продукт модификации смолы ЭД-6 полиорга носилоксаном
Молекулярная масса 300—700. Температура размягчения 60—70.°С. Содержит от 11,5
до 14,5% эпоксидных групп и 97% сухого остатка Применяется для приготовления
заливочных составов для изделий электронной техники, работающих в интервале
температур от —60 до +220° С. При комнатной темпера туре смола не токсична, а
при 220°С огнеопасна Полностью растворяется в ацетоне.
Широкое применение эпоксидных смол обусловлено исключительно ценным
комплексом свойств, присущих этой группе I искусственных соединений
Основные положительные качества эпоксидных смол заключаются в том, что на их
основе получают жидкие и твердые материалы, которые отверждаются как при
комнатной, так и при повышенной температуре без образования пузырей .
В качестве отвердителей для эпоксидных смол могут быть использованы
алифатические и аромагические амины, пиперидин и ангидриды кислот.
Алифатические амины– диэтилентриамин и триэтилентетрамин– характеризуются
тем, что при добавлении их в эпоксидную смолу отверждение ее происходит при
комнатной температуре. Однако при повышенных температурах наблюдается
ухудшение электрофизических свойств пластмасс. Добавление к эпоксидным смолам
ароматических аминов– метафенилендиамина, метилендиамина или диаминдифенила–
позволяет получать пластмассы, отверждение которых происходит при повышенной
температуре (40—60°С), и использовать их при более высоких рабочих
температурах, чем смолы с алифатическими аминами. Введение в эпоксидную смолу
пиперидина дает температуру отверждения порядка 100°С. Для получения
пластмасс, стойких к повышенным температурам, в эпоксидную смолу добавляют
ангидриды кислот (например, гидрид метилгексановой кислоты).
Отвердители придают эпоксидной смоле определенные специфические свойства,
необходимые для конкретных целей применения. Свойства эпоксидных смол после
введения в них отвердителей зависят не только от рода отвердителя, но и от
его количества. Избыток отвердителя (как и его недостаток) может отразиться
на свойствах конечного продукта. Так избыток аминов, особенно с высокой
температурой кипения, приводит к тому, что полученные пластмассы способны
вызывать коррозию некоторых металлов (меди, латуни и др.). Количество
отвердителя может отразиться также на физико-механических и электрических
свойствах отверждённой смолы. Таким образом, в зависимости от вида и
количества введенного в смолу отвердителя можно получать термореактивные
продукты с высокой химической стойкостью, механической прочностью и
стабильностью электрических параметров.
Для отверждения эпоксидных смол широкое применение находят следующие материалы
(Отвердители)
Диэтилентриамин (ДЭТА) — жидкость жёлтого цвета Молекулярная масса 103
Температура кипения 206.°С. Содержит 27,2% первичных аминов и 12,8% -вторичных
Температура совмещения лежит в пределах от 20 до 40°С Для отверждения 100 ч
смолы необходимо от 8 до 12 ч продукта Время отверждения при 100° С равно 6 ч
Гексаметилендиамин (ГМДА)—жидкость темно-жёлтого цвета Молекулярная масса
116 Температура плавления 42°С, а кипения 200°С. Содержит 24% азота Температура
совмещения лежит в пределах от 40 до 60° С Для отверждения 100 ч смолы
необходимо от 10 до 15 ч продукта Время отверждения при 25°С равно 5 сут, при
80°С—10 ч, при 120°С—3 ч
М-Фенилендиамин (МФДА) - жидкость жёлтого цвета Молекулярная масса 108
Температура плавления 60°С, а кипения 280.°С Температура совмещения лежит в
пределах от 60 до 90.° С. Для отверждения 100 ч смолы необходимо от 10 до 14 ч
продукта Время отверждения при температуре 80°С равно 8 ч, а при 120°С—2 ч
Дициандиамид (ДЦДА) — бесцветная жидкость. Молекулярная масса 84
Температура плавления 200.°С. При нагревании разлагается. Содержит 65% азота
Температура совмещения лежит в пределах от 150 до 170°С. Для отверждения 100 ч
смолы необходимо от 15 до 20 ч продукта Время отверждения при температуре 170°С
равно 40 мин
Триэтаноламин (ТЭА) — бесцветная жидкость. Молекулярная масса 149
Температура кипения лежит в диапазоне от 170 до 225°С, а температура
совмещения—в диапазоне от 40 до 80.°С. Для отверждения 100 ч смолы необходимо
от 15 до 20 ч продукта Время отверждения при температуре от 80 до 100°С равно 6
ч.
Диметиланилин (ДМА) — жидкость коричневого цвета. Молекулярная масса 121
Температура кипения 192°С. Температура совмещения 60°С. Для отверждения 100 ч
смолы необходимо от 0,05 до 0,5 ч продукта Время отверждения при температуре
20°С равно 8 ч.
Отвердитель Л 18—прозрачная вязкая жидкость от жёлтого до
темно-коричневого цвета. Для отверждения 100 ч. смолы, используют от 20 до 80
ч. продукта.
Малеиновый ангидрид (МА) С4НаОз — бесцветные/ игольчатые кристаллы или
чешуйки белого цвета, растворимые в воде. Молекулярная масса 98,06. Выпускается
марка ЧДА. Температура плавления 52—54°С. Температура совмещения лежит в
пределах от 55 до 60°С. Для отверждения 100 ч. смолы необходимо 0,85—1 ч.
продукта. Время отверждения при 120°С равно 2 ч, а при 150° С—10 ч.
Фталевый ангидрид (ФА) С8Н40з — порошок белого
цвета. Молекулярная масса 148,11. Температура начала плавления 130°С.
Температура совмещения лежит в пределах от 135 до 145°С. Для отверждения 100 ч.
смолы необходимо 3 ч. ангидрида. Время отверждения при 120—150°С равно
нескольким часам.
Метилтепрагидрофталевый ангидрид (МТГФА)—белый кристаллический порошок
или белые с кремовым оттенком чешуйчатые пластинки. Растворяется в эфире,
ацетоне. Труднее растворяется в спирте. Не растворяется в воде. Молекулярная
масса 166,179. Температура плавления 60—65°С. Вязкость при температуре 90°С
равна 30 сСт. Температура совмещения лежит в пределах от 60 до 80°С. Для
отверждения 100 ч. смолы необходимо 4 ч. продукта. Время отверждения при 120°С
равно 3 ч, а при 150°С—15 ч. Применяется в качестве отвердителя при горячем
отверждении эпоксидных смол или составов на их основе. Выпускается марка Ч с
содержанием чистого продукта 99%.
Тетрагидрофталевый ангидрид (ТГФА) — кристаллический порошок белого
цвета. Молекулярная масса 152. Температура плавления 98—101°С. Температура
совмещения лежит в пределах от 100 до 110° С. Для отверждения 100 ч. смолы
необходимо от 2 до 4 ч. продукта. Время отверждения при 120°С равно 2 ч, при
130° С—3 ч, а при 150° С—6 ч.
Отвердитель УП-575 — жидкость от светло - до темно-коричневого цвета,
продукт конденсации гексаметилендиамина с циклогексаноном. Показатель
преломления лежит в пределах от 1,49 до 1,51. Применяют для приготовления
пластмассы с температурой отверждения выше 20° С. Увеличивает жизнеспособность
композиций.
Отвердитель АФ-2—вязкая жидкость красно-коричневого цвета, продукт на
основе фенолэтилендиамина и формалина.
Компаунды на основе эпоксидных смол.
Эпоксидные компаунды представляют собой продукты модификации эпоксидных смол
отвердителями, пластификаторами и наполнителями. При введении модифицирующих
веществ изменяются свойства эпоксидных смол: снижается их вязкость,
изменяется жизнеспособность, претерпевают изменения физико-механические и
электрические свойства. Таким образом, эпоксидные компаунды представляют
собой двух-, трех- и четырехкомпонентные системы, в которых первая и вторая
составляющие (смола и отвердитель) являются постоянными, а третья и четвертая
(пластификатор и наполнитель) вводятся для получения определенных свойств
пластмассы.
В качестве пластификаторов, уменьшающих хрупкость компаундов, используют
полиэфиры, дибутилфталаты, диоктилсебацинаты, трикрезилфосфаты,
трифенилфосфаты и др. Количество вводимых пластификаторов обычно колеблется в
пределах от 5 до 30% по отношению к массе смолы.
Наполнители (песок, кварц, тальк, слюда и др.) улучшают механические и
термические свойства компаундов и вводятся в их состав обычно в больших
количествах (до 300% по отношению к массе смолы).
Эпоксидные компаунды обладают хорошей адгезией ко многим материалам и имеют
малую усадку, колебания которой от 0,4 до 2,5% зависят от условий отверждения
и состава компаунда. В производстве полупроводниковых приборов и
интегральных схем для герметизации кристаллов с р-n-переходами широко
применяют следующие эпоксидные компаунды: эпоксидно-полиэфирные (К-115, К-
201, К-168, К-176, Д-2, Д-4. Д-19, ЭЗК-11, ЭЗК-12), эпоксидно-тиоколевые (К-
153 и др.), эпоксидно-каучковые (К-139 и др.), эпоксидно-кремнийорганические
(ЭФП-60, ЭФП-61, ЭФП-62, ЭФП-63, ЭФП-64, ЭФП-65, ЭКБТ-103, БЭТА-1, КЖ-25,
ЭКМ, ЭЦД, ЭКП-200).
Компаунды МБК-1 и МБК-3 — высокомолекулярные полимерные соединения с
добавкой химически активного компонента – отвердителя, широко применяемые для
защиты германиевых p-n-переходов. Перед использованием компаунды вакуумируют
– обрабатывают под вакуумом. Плёнка компаунда МБК-1 после полимеризации в
течение 10-12 часов при температуре 80-1000С твёрдая, а компаунда
МБК-3 эластичная, поэтому устойчивость компаунда МБК-3 к термоциклам
значительно выше. Термостойкость компаундов невысока — около 1500С.
Удельное объёмное сопротивление компаунда МБК-3 —1012-1013
Ом*см. Компаунды обладают хорошей адгезией к германию и удовлетворительной
влагостойкостью. Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 50 Гц и
температуре 200С равен 6*10-2 — для МБК-1 и 5*10-2
— для МБК-3. Диэлектрическая проницаемость при тех же условиях соответственно
равна 3,3 и 4. Электрическая прочность лежит в пределах 15–25 кВ/мм при
толщине плёнки 1-1,5 мм температуре 200С.
Компаунды ГК и ГКН — предназначены для пассивации и защиты p-n-переходов
полупроводниковых приборов, работающих при температурах от –60 до +2200
С. По внешнему виду компаунд ГК (Г– гидридсодержащий, К– компаунд) — бесцветная
мутная, а компаунд ГКН (Н – с наполнителем) светло-серая жидкость. Плёнка
компаундов после полимеризации — выдержке при комнатной температуре 20 ч, а
затем при 1100С – 2 ч и при 1500С не менее 5 ч –
эластичная. Удельное объёмное сопротивление при 200С соответственно
равно 1014 и 1015 Ом*см. Тангенс угла диэлектрических
потерь на частоте 106 Гц равен 3*10-3, а диэлектрическая
проницаемость на той же частоте –3,5. Электрическая прочность 25 кВ/мм.
Компаунд К-115 — прозрачная жидкость от светло-жёлтого до коричневого
цвета, продукт модификации смолы ЭД-5 полиэфиром МГФ-9. Содержит 2,5% летучих
примесей. Жизнеспособность при 20°С равна 2 ч. Отверждение проводят по одному
из режимов: при комнатной температуре—24 ч, при 60° С— 10—12 ч, при 80° С—8—10
ч, при 100° С—6 ч, при 120°С —3 ч. Предел прочности отвержденного компаунда
при сжатии равен (1,1—1,4)*108 Н/м2, а при изгибе
(0,9-1,3)*108 Н/м2. За 24 ч поглощает 0,04% влаги и 0,4%
ацетона. Удельное объёмное электрическое сопротивление 1015
Ом*см. Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 106 Гц при
температуре 20°С равен 0,02, а диэлектрическая проницаемость при тех же
условиях равна 4. Электрическая прочность 25 кВ/мм. Теплостойкость 100° С.
Компаунд К-201 по механическим и электрическим свойствам аналогичен
К-115, но обладает меньшей теплостойкостью. Применяется с большим количеством
(300%) наполнителя.
Компаунд К-168—продукт модификации смолы ЭД-6 полиэфиром МГФ-9
Электрофизические параметры такие же, как у компаунда К-115. Обладает
повышенной по сравнению с ним теплостойкостью. Применяется с наполнителем и без
него.
Компаунд К-176 — вязкая жидкость от светло-жёлтого до светло-коричневого
цвета, которая включает в себя 100 ч. смолы ЭД-5 и 20 ч. диоктилфталата.
Содержит 3% летучих соединений. Обладает самой высокой теплостойкостью среди
компаундов этой группы.
Компаунды типа Д (Д-2, Д-4, Д-19) — вязкие жидкости. Применяются для
заливки и обволакивания конструкций электронной техники. Состоят из 100 ч
смолы ЭД-6, от 2 до 10 ч. отвердителя и от 5 до 200 ч. наполнителя. Рабочая
температура от 60 до +80°С. Предел прочности при изгибе (0,98—1,6)*108
Н/м2, а при сжатии (1,06—1,9)*108 Н/м2.
Удельная вязкость в пределах (0,6—2,5) *106 Н/м2. Тангенс
угла диэлектрических потерь на частоте 106 Гц при температуре 20°С
равен 0,02, а диэлектрическая проницаемость равна 4.
Компаунд ЭЗК-11 состоит из 100 ч смолы ЭД-6, 12 ч. отвердителя, 18 ч
касторового масла, 12 ч. бутилметакрилата, 150 ч. кварца, 150 ч. талька.
Удельное объёмное электрическое сопротивление при 20°С равно 1014
Ом*см, а при 80°С — 1013 Ом*см. Тангенс угла диэлектрических потерь
на частоте 106 Гц при 20°С равен 0,001, а при 80°С—0,03.
Диэлектрическая проницаемость при тех же условиях соответственно равна 4,1 и
4,6. Время отверждения при 80°С равно 1 ч, при 100° С—2 ч, а при 140° С—3 ч.
Компаунд ЭЗК-12 состоит из 100 ч эпоксидной смолы ЭД-5, 10 ч.
отвердителя, 10 ч. стирола и 100 ч двуокиси титана. Удельное объёмное
сопротивление при 20°С равно 1014 Ом-см, а при 100°С—109
Ом*см. Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 106 Гц при
20°С равен 0,02, а при 100° С—0,05. Диэлектрическая проницаемость при тех же
условиях соответственно равна 9 и 12. Время отверждения при 60—80°С равно 8—12
ч.
Компаунд К-153 (эпоксидно-тиоколевый) — однородная жидкость от светло
- до темно-бурого цвета, обладает повышенной эластичностью и хорошей
морозостойкостью. В состав компаунда входят эпоксидная смола ЭД-5, тиокол и
полиэфир МГФ-9. Для отверждения рекомендуется выбирать один из следующих
режимов: 8 ч при 18—20°С и 6—8 ч при 80°С; 8 ч при 18—20°С, 2 ч при 75—80°С и
6 ч при 100°С; 8 ч при 18—20°С и 3 ч при 120°С. В некоторых случаях отверждение
проводят при комнатной температуре в течение 3 суток. Отвержденный компаунд
имеет предел прочности при изгибе (0,8—1)*108 Н/м2, при
растяжении - (4—5)*107 Н/м2, а при сжатии — (1—1,2)*10
8 Н/м2 Относительное удлинение при разрыве составляет от 3 до
5%. За 24 ч впитывает 0,08% влаги, за 30 суток—0,3%. После пребывания в ацетоне
в течение 24 ч увеличивает массу на 2%. Удельное объёмное электрическое
сопротивление равно 1014 Ом*см. Тангенс угла диэлектрических потерь
на частоте 106 Гц при 20°С равен 0,03, а диэлектрическая
проницаемость равна 4. Электрическая прочность при толщине образца 2 мм равна
20 кВ/мм.
Компаунд К-139—продукт модификации смолы ЭД-5 полиэфиром МГФ-9 и
парбоксилатным каучуком ТКА-26. Применяется для герметизации деталей
электронной аппаратуры и приборов Жизнеспособность компаунда после
приготовления не превышает 2 ч Скорость полимеризации при температуре 140°С
равна 30—50 с Отверждение можно проводить по одному из следующих режимов: 48
ч—при 20°С; 6 ч—при 20°С, 2 ч—при 80°С и 6 ч— при 100°С; 6 ч—при 20°С и 8—10
ч—при 60—80°С Предел прочности при изгибе (5—6)*107 Н/м2
, при растяжении (4—6)*107 Н/м2. Относительное удлинение
при разрыве 8% Температура стеклования 75.°С Удельное электрическое
сопротивление при 20° С равно 1014 Ом*см Тангенс угла
диэлектрических потерь на частоте 106 Гц при 20°С равен 0,04, а
диэлектрическая проницаемость равна 4,5
Пресс-материал ЭКП-200 — эпоксикремнийорганический пресс-порошок черного
цвета с дисперсностью 0,5 мм на основе эпоксидной смолы ЭД-6, отвердителей и
минерального наполнителя применяется для герметизации изделий электронной
техники, а также для изготовления деталей радиоэлектронной аппаратуры,
рассчитанных на эксплуатацию в диапазоне температур от — 60 до +200°С в течение
1000 ч Время желатинизации при 160°С равно 1—2 мин Тангенс угла диэлектрических
потерь на частоте 106 Гц равен 0,03, а диэлектрическая проницаемость
равна 5. Удельное электрическое сопротивление при 20° С равно 1014
Ом*см, а после пребывания в атмосфере с 98% влажности при температуре 40°С в
течение 30 сут — 1013 Ом*см Электрическая прочность при нормальных
условиях и после пребывания во влажной атмосфере 20 кВ/мм. Усадка не превышает
0,5% Плотность 1,7—1,9 г/см3. Водопоглощение 0,5% Время
отверждения при 160° С равно 4—5 мин на 1 мм толщины образца
Эпоксидные формовочные порошки ЭФП — пресс-порошки на основе эпоксидной
смолы ЭД-6, отвердителя и минеральных наполнителей, выпускаемые пяти марок
ЭФП-60, ЭФП-61, ЭФП-62, ЭФП-64 (черные) и ЭФП-65 (красно оранжевый) и
применяемые для герметизации и изготовления деталей радиоэлектронной
аппаратуры. Дисперсность порошков всех марок 0,5 мм Время желирования при
температуре 150°С от 40 до 120°С. Жизнеспособность при температуре хранения
25°С равна 1,5 ч. Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 106
Гц равен 0,03. Диэлектрическая проницаемость 6 Удельное объёмное и поверхностное
сопротивление 1014 Ом*см Электрическая прочность 20 кВ/мм..
Плотность изменяется от 1,7 г/см3 для ЭФП-60 до 2,2 г/см3
для ЭФП-65 Время отверждения всех порошков при 150° С равно 3—4 мин при толщине
образца 1 мм
Компаунд ЭКБТ-103—прозрачная однородная жидкость светло-жёлтого цвета,
получаемая смешиванием эпоксидной смолы ЭД-5 с отвердителем и ускорителем
полимеризации. Применяется для защиты источников излучения, работающих в
инфракрасной и видимой областях спектра, а также герметизации
полупроводниковых приборов. Не теряет своих свойств при использовании в
условиях пониженных (—60° С) и повышенных (+120° С) температур. Показатель
преломления при 20°С равен 1,55. Жизнеспособность 10—12 ч. Тангенс угла
диэлектрических потерь на частоте 106 Гц при 20°С равен 0,05.
Диэлектрическая проницаемость 5. Удельное объёмное сопротивление при 20°С
равно 1014 Ом-см, электрическая прочность 20 кВ/мм. Теплостойкость
90° С. Водопроницаемость за 24 ч не превышает 1%.
Компаунд БЭТА-1—однородная жидкость светло-жёлтого цвета, получаемая
смешиванием эпоксидной смолы ЭД-5, отвердителя и ускорителя полимеризации.
Применяется для герметизации полупроводниковых источников излучения в
инфракрасной и видимой области спектра, а также для изготовления корпусов
различных полупроводниковых приборов. Стоек в интервале температур от —60 до
+100° С. Показатель преломления 1,55. Жизнеспособность 24 ч. Тангенс угла
диэлектрических потерь на частоте 106 Гц при 20°С равен 0,05.
Диэлектрическая проницаемость 5. Удельное объёмное сопротивление 2-Ю9
Ом-см. Водопоглощение в течение суток не превышает 1%.
Компаунд КЖ-25 — вязкая однородная жидкость ярко-красного цвета,
получаемая смешиванием эпоксидной смолы ЭД-5, отвердителя, наполнителя и
ускорителя полимеризации. Применяется для герметизации германиевых
полупроводниковых приборов, работающих в интервале температур от —60 до +70° С.
Жизнеспособность 10—12 ч. Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 10
6 Гц при 20°С равен 0,02. Диэлектрическая проницаемость 4. Удельное
объёмное сопротивление при 20° С равно 1014 Ом*см. Электрическая
прочность 20 кВ/мм. Усадка при полимеризации не превышает 1 %.
Компаунд ЭКМ—вязкая жидкость кирпично-красного цвета. Применяется для
герметизации полупроводниковых диодов и транзисторов. Диапазон рабочих
температур от—60 до +120° С. Усадка после отверждения не превышает 0,9%.
Жизнеспособность 4 ч. Предел прочности на разрыв 7,4107 Н/м2
. КТР равен 47*10-6 1/°С. Тангенс угла диэлектрических потерь на
частоте 106 Гц при 20° С равен 2,5-10-2. Диэлектрическая
проницаемость 4,5. Удельное объёмное сопротивление при 20° С равно 1015
Ом-см. Электрическая прочность 35 кВ/мм.
Компаунд ЭЦД—вязкая жидкость черного цвета. Диапазон рабочих температур
от —60 до +150° С. Усадка после затвердевания 0,7%. Жизнеспособность 48 ч.
Предел прочности на разрыв 7,3-Ю7 Н/м2. Тангенс угла
диэлектрических потерь на частоте Ю9 Гц при 20°С равен 1,5-Ю-2
. Диэлектрическая проницаемость 2,5. Удельное объёмное сопротивление при 20°С
равно 1015 Ом-см. Электрическая прочность 20 кВ/мм.
Компаунд К-18—вязкотекучий материал от белого до темно-серого цвета.
Применяется для герметизации полупроводниковых приборов и интегральных
микросхем, работающих в атмосфере с повышенной влажностью в интервале
температур от —60 до +250° С. Жизнеспособность 6 ч. Содержание летучих примесей
при температуре 150°С не превышает 1,5%. Относительное удлинение при разрыве
80%. Удельное объёмное сопротивление при 20°С и относительной влажности 65%
равно 1013 Ом-см. Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 10
5 Гц равен 0,02, а диэлектрическая проницаемость на той же частоте равна
3. Электрическая прочность 15 кВ/мм.
Компаунд К-25 — вязкая жидкость от серого до черного цвета, получаемая
смешиванием смолы СК-25,1 наполнителя (стекло—кристаллического цемента марки
СЦ-90-1), красителя (нигрозина) и отвердителя (полиамидной смолы Л-20).
Применяется для защиты и герметизации полупроводниковых приборов, работающих в
интервале температур от —60 до +150°С. Жизнеспособность при 20°С не более 2 ч.
Тангенс угла диэлектрических потерь при 20°С и частоте Ю6 Гц равен
0,015. Диэлектрическая проницаемость 4,5. Удельное объёмное
сопротивление 1,5-Ю12 Ом-см. Для приготовления компаунда берут 100
мас. ч смолы СК-25, 100—200 мас. ч. стеклокристаллического цемента, 2 мас. ч
нигрозина и 50—60 мас. ч. смолы Л-20.
Пресс-материал ЭФП-63—порошок темно-серого цвета, композиция на основе
эпоксидной смолы, минеральных наполнителей, отвердителя и красителя.
Применяется для герметизации полупроводниковых приборов и гибридных
интегральных микросхем. Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте Ю6
Гц равен 0,03, а диэлектрическая проницаемость на той же частоте равна 5
Удельное объёмное сопротивление Ю14 Ом-см. Электрическая прочность
20 кВ/мм.. КТР в интервале температур от 20 до 125° С равен 25-Ю-6
1/°С. Усадка 0,6%.
Компаунд ЭКБТ-103—прозрачная однородная жидкость светло-жёлтого цвета,
композиция на основе эпоксидной смолы ЭД-22 с отвердителем и ускорителем.
Применяется для защиты и герметизации полупроводниковых источников света в
инфракрасной и видимой областях спектра и обеспечивает работу приборов в
диапазоне температур от —60 до +120°С. Показатель преломления при 20°С равен
1,55 Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 106 Гц равен
0,05, а диэлектрическая проницаемость на той же частоте равна 5. Удельное
объёмное сопротивление 1014 Ом-см. Электрическая прочность 20
кВ/мм. Прозрачность в исходном состоянии не менее 88%, а после обработки при
температуре 120°С в течение 30 сут -85%. Водопоглощение не более 1%. Для
приготовления компаунда берут 100 мае. ч. смолы ЭД-22, 10 мае. ч. отвердителя
(трибутилбората) и 1 мае ч. ускорителя (марки 606/2).
Компаунд ОП-429/2 — вязкая жидкость белого цвета. Применяется для
герметизации и защиты полупроводниковых приборов. Отличается от компаунда
ОП-429/1 меньшим водопоглощением.
При выборе полимерного герметизирующего материала помимо требований степени
чистоты необходимо обращать внимание на природу функциональных групп и
структуру используемого связующего состава, поскольку это может явиться
причиной больших плотностей электрического заряда и его нестабильности на
поверхности p-n перехода.
К недостаткам органических полимерных материалов относятся их электрические и
механические свойства, которые ухудшаются при длительном воздействии
повышенных температур и их резком изменении. Кроме того, они способны
создавать, особенно эпоксидные смолы, в поверхностном слое герметизируемого
изделия значительные механические напряжения вследствие различия КТР
материалов оболочки и изделия.
В настоящее время применяются комбинированные пассивационно-защитные покрытия из
тонкой пленки неорганического диэлектрика и органического полимерного покрытия.
Назначение тонкой пленки диэлектрика, например, слоя SiO2, -
нейтрализовать активные центры и в определенной мере стабилизировать свойства
поверхности. Относительно толстый слой полимерного покрытия предотвращает
механическое повреждение пленки неорганического диэлектрика, защищает его
поверхность от воздействия внешней атмосферы. Одновременно плёнка
неорганического диэлектрика в определенной степени выполняет роль буферной
прослойки между поверхностью кремния и толстым слоем органического покрытия и
тем самым несколько снижает механическое воздействие этого покрытия. Следует,
однако, подчеркнуть, что даже наличие пассивирующей неорганической пленки с
высокими пассивирующими и стабилизирующими свойствами не снимает требования
химической чистоты и электрической нейтральности герметизирующего покрытия из
полимерного материала.
Бескорпусная герметизация полимерными материалами чаще всего осуществляется
пропиткой и нанесением покрытий различными способами.
Покрытия. Этот способ герметизации предусматривает создание на
поверхности изделий сверхтонких или тонких слоев и широко применяется для
герметизации практически всех компонентов и узлов МЭУ вплоть до собранных
монтажных плат и крупных блоков.
Сверхтонкие (не более 0,5.1,5 мкм) пленки выполняют главным образом защитно-
пассивирующие функции и не несут механических нагрузок. Такие покрытия
получают путем полимеризации или поликонденсации мономеров из газовой фазы,
действием тлеющего разряда, фотохимическим способом, гидрофобизацией
кремнийорганическими соединениями.
Как правило, после таких покрытий наносится слой другого материала,
выполняющего функции механического крепления элементов конструкции. Способы
нанесения этих материалов могут быть самыми разнообразными (лакировка,
заливка, опрессовка и др.).
Более толстые покрытия (30.100 мкм) получают нанесением на поверхности
изделий пленок лака или эмали. Этот способ широко применяется индивидуально и
в сочетании с другими. Для покрытия лаком или эмалью изделия погружают в них,
обрабатывают пульверизатором или кистью. Известен процесс нанесения этих
материалов в электростатическом поле. В последнее время все шире применяется
твердое органическое эмалирование – нанесение на изделие порошкообразной
композиции (твердой органической эмали или сухой краски). Эти композиции
наносятся различными способами напыления: вихревым, струйным,
электростатическим и др. (рис. 10).
Рис. 10. Нанесение герметизирующего покрытия в псевдоожиженном слое:
1 – ванна; 2 – нагретое изделие; 3 – пористая перегородка; 4 –
псевдоожиженный порошкообразный материал
Рис.11. Примеры монолитных герметизирующих конструкций:
а, в – монолитные пластмассовые корпуса, получаемые прессованием без
подслоя и с эластичным подслоем; б – герметизирующее покрытие,
получаемое обволакиванием:
1 – изделие; 2 – герметизирующий полимерный материал; 3 – выводы; 4 – подслой
из эластичного материала
Сравнительно толстые (до 1,0.1,5 мм) покрытия создают способом обволакивания.
Для этой цели используются главным образом тиксотропные, т.е. изменяющие при
механическом воздействии вязкость, составы. Может быть использовано и
нанесение порошкообразных материалов. Многократное покрытие лаком и эмалью
для получения толстых слоев широкого распространения не получило в связи со
сложностью и громоздкостью процесса.
Процесс нанесения покрытий обволакиванием достаточно прост и не требует
сложного оборудования. Ванна с тиксотропным составом помещается на вибратор,
и вследствие вибрации происходит изменение вязкости герметизирующего состава.
Погружение изделия в тиксотропный состав и извлечение его с определенной
скоростью позволяют получить достаточно толстый, не стекающий со стенок
изделия слой герметизирующего материала, который затем отверждается.
Бескорпусная герметизация жесткими компаундами при обволакивании (например,
тиксотропными типа Ф-47) или вихревом напылении (например, порошковыми
компаундами типов ПЭП-177, ПЭК-19) используется обычно при производстве
гибридных толстопленочных схем. Толщина получаемой защитной оболочки
составляет 0,2.1,0 мм. Общий вид бескорпусной гибридной микросхемы
представлен на рис.3. Такая бескорпусная герметизация ГИС осуществляется
обычно после монтажа на подложке навесных активных компонентов и
присоединения внешних выводов. Герметизацию компонентов аппаратуры часто
проводят после их монтажа в блок заливкой эластичными компаундами, например
типа «Виксинт» или КТ-102.
Как показывает опыт, при изготовлении изделий в бескорпусном исполнении
большое значение имеет повышение их устойчивости к воздействию многократных
термоциклов. При прочих равных условиях на этот показатель качества изделий
существенное влияние оказывает конструктивное исполнение герметизации, что
хорошо видно на примере герметизации полимерными материалами
полупроводниковых приборов, выполняемой в виде одностороннего покрытия и
обволакивания прибора в виде «сферической» герметизации (рис.12).
Рис. 12. Виды герметизации бескорпусных полупроводниковых приборов: а
- односторонняя; б – двусторонняя («сферическая»)
1 – кристалл (полупроводниковый прибор); 2 – герметизирующий материал; 3 –
проволочные выводы
Рис. 13. Зависимость отказов бескорпусных транзисторов, защищенных эпоксидной
смолой ЭД-5 с полиэтиленполиамином, от числа термоциклов:
1 – односторонняя защита; 2 – «сферическая»
Односторонняя герметизация приборов не обеспечивает устойчивости приборов к
воздействию термоциклов. Существенно повышается этот показатель, независимо от
вида герметизирующего материала (лак ФП-525, эмали КО-97 и ЭП-91, компаунды
ЭКМ, МБК-1), при выполнении защитного покрытия в виде сферы. При защите
компаундом ЭКМ и эмалью ЭП-91 не было получено отказов приборов (обрывов
проводников) после проведения 100 термоциклов при Т = -60 ÷ +80°С.
Повышенная устойчивость приборов с защитой в виде сферы к термоциклированию
объясняется более благоприятным распределением механических напряжений при
всестороннем сжатии кристалла защитной оболочкой, охватывающей его со всех
сторон, нежели при одностороннем покрытии и вызывающих деформации изгиба
кристалла.
Бескорпусная герметизация неорганическими материалами Защита
поверхности p-n-переходов вазелином и цеолитами.
При сборке полупроводниковых кристаллов с p-n-переходами в корпуса используют
метод стабилизации параметров введением в корпус прибора кремнийорганического
вазелина в сочетании с влагопоглощающими добавками (гетерами), например с
цеолитом. Изоляционный вазелин представляет собой смесь кремнийорганической
жидкости с мелкодисперсным наполнителем в виде вязкой пасты. Широкое
применение получили кремнийорганические вазелины КВ-3, КВ-2, КВ-3А.
Вазелин обладает высокими изоляционными свойствами: удельное объёмное
сопротивление вазелина при температуре 200С составляет 1014
ом*, а при 1500-1012ом*см; тангенс угла диэлектрических
потерь при частоте 106 гц-0,006; диэлектрическая проницаемость-2,8,
а диэлектрическая прочность-15 кВ \ мм.
Перед нанесением на полупроводниковые кристаллы или корпуса вазелин подвергают
вакуумной сушке при температуре 1500С в течение 8-10 ч.
Технологический процесс нанесение вазелина проводиться в скафандрах в атмосфере
осушенного азота.
Так же герметизацию производят цеолитным адсорбентом и синтетическими цеолитами:
Цеолитный адсорбент — порошкообразный синтетический цеолитный материал
CaA, применяемый для создания защитной атмосферы во внутренних областях
корпусов полупроводниковых приборов, выпускается двух видов:
мелкокристаллический с размерами кристаллов от 1 до 5 мкм и
крупнокристаллический с размерами кристаллов от 3 до 8 мкм. Статическая
активность – влогоёмкость при относительной влажности воздуха 0,03% в течение
24 ч равна 18%. На основе порошка изготовляют таблетки диаметром 4 и 6 мм и
толщиной 0,6 мм.
Синтетические цеолиты — высокоэффективные алюмосиликатные адсорбенты; в
обезвоженном виде – пористые кристаллы с размерами около 1 мкм. Поры цеолитов
представляют собой сферические полости с диаметром от 1,14 до 1,19 нм,
соединённые между собой более узкими отверстиями, называемые окнами.
Эффективные диаметры окон существенно отличаются в каждом типе цеолита и
зависят от природы ионообменного катиона. Выпускаются пять марок цеолитов: КА,
NaA, CaA, NaX и CaX, в которых эффективный диаметр окон соответственно
равен 0,3;0,4;0,5;0,8;0,9 нм. Находящиеся в полостях цеолитов катионы создают
в них области с неоднородными электростатическими полями, поэтому цеолиты
особенно энергично адсорбируют электрически несимметричные молекулы воды,
двуокиси углерода, метанола, а так же органических веществ.
Особенностью адсорбционных свойств пористых кристаллов цеолитов является
молекулярно-ситовое действие; в первичной пористой структуре адсорбируются
молекулы малых размеров, более крупные молекулы, для которых входы в полости
через окна недоступны, не адсорбируются. Поэтому при использовании цеолитов
необходимо учитывать органические адсорбируемости веществ за счёт
молекулярно-ситового действия.
Кристаллы цеолитов микроскопических размеров в смеси с добавками 15–20% глины
формируют в таблетки, гранулы или шарики различных размеров, которые для
повышения механической прочности подвергают термической обработке в течение
2-6 часов при 550-600 С. Адсорбционные свойства формованных цеолитов по
сравнению с кристаллическими обычно ниже на 20% в результате введения глины.
Формованные цеолиты применяются для глубокой осушки и тонкой очистки газов и
жидкостей.
Таблице 7.Основные свойства цеолитов.
Характеристика | Марка цеолита | ||||
KA | NaK | CaA | NaX | CaX | |
Насыпная масса, г/см2 | 0,62 | 0,65 | 0,65 | 0,6 | 0,6 |
Механическая прочность на раздавливание, Н/м2 | 4×106 | 5×106 | 5×106 | 4×106 | 4×106 |
| Водостойкость, мас. % | 96 | 96 | 96 | 96 | 96 |
Динамическая активность по парам воды, мг/см3, для таблеток диаметров, мм: | |||||
| 4,5 | 62 | 90 | 72 | 95 | 90 |
| 3,6 | 70 | 10 | 80 | 100 | 95 |
| 2,0 | 85 | 12 | 95 | 105 | 100 |
Динамическая активность по углекислому газу, мг/см3 | 2,0 | — | — | — | — |
Динамическая активность по парам бензола, мг/см3, для таблеток диаметром, мм: | |||||
| 4,5 | — | — | — | 52 | 52 |
| 3,6 | — | — | — | 65 | 62 |
| 2,0 | — | — | — | 68 | 65 |
| Потери при прокаливании, мас. % | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
Защита p-n-переходов плёнками окислов металлов.
В полупроводниковой технологии для защиты кристаллов с p-n-переходами
применяются плёнки на основе окисей металлов: алюминия, титана, бериллия,
циркония. Исходный материал берут в виде порошка, а в качестве несущего
агента может быть использован галоген или галоидное соединение водорода.
Через рабочую камеру пропускают инертный газ и устанавливают перепад
температур между источником защитного материала и полупроводниковым
кристаллом. Температура источника должна быть выше температуры кристаллов,
причём с увеличением разницы температуры скорость реакции повышается.
Для осаждения защитных плёнок Al203, BeO, TiO2,
ZnO2 температуру источника выбирают в диапазоне 800–1200 С,
кристаллов – в диапазоне 400–800 С, а расстояние между ними устанавливается в
зависимости от требуемой разницы температур (от 10 до 15 см) В таблице 5
приведены режимы осаждения защитных плёнок окислов металлов.
Таблица 8
Материал источника | Несущий агент | Температура источника, 0С | Температура кристаллов, 0С |
Al2O3 | HCl(HBr) | 800–1000 | 400–700 |
| BeO | HCl(HBr) | 900–1200 | 500–750 |
TiO2 | HCl(HBr,Cl2) | 800–1000 | 500–700 |
ZnO2 | HCl(HBr) | 1000–1200 | 500–800 |
Процесс осаждения защитной плёнки на полупроводниковые кристаллы с
p-n-переходами проводят в кварцевой трубе, в одном конце которого помещают
материал источника, например Al2O3 , а в другом –
подложку с кристаллами. Сначала в трубе создают вакуум, а потом вводят
необходимое количество инертного газа. Труба имеет две температурные зоны: 900
С – для источника, 500 С – для кристаллов.
В качестве защитного материала можно использовать также свинцовый сурик Pb3
O4, растворенный в смеси из 7,5% полиэтилена и 92%полибутилена и
перемещённый при температуре 125–160 0С. Полученный состав при
температуре 112 С наносят на поверхность кристаллов с p-n-переходами. В
качестве окисляющего агента используют хромат цинка ZnCrO4. Кроме
того, защитные плёнки могут быть получены на основе смесей Pb3O
4 и ZnCrO4, SrCrO4 . Порошок этих веществ
смешивают с летучими растворителями получают суспензии, которые наносят на
поверхность полупроводниковых кристаллов распылением. Кристаллы с напылённым
защитным слоем выдерживают в течение нескольких минут при комнатной температуре
до полного испарения растворителя, а затем нагревают до 200 С. В результате
нагревания частицы нанесённого вещества выделяют ионы кислорода, которые
замещают ионы водорода на поверхности полупроводникового материала, и на
поверхности кристаллов образуется плотная защитная плёнка. Этот способ защиты
позволяет снизить обратные токи приборов на один-два порядка.
Вакуумным катодным распылением Al2O3, MgF2, Ta
2O5, TiO2, ThO2, ZnO2, BeO, и
MgO на поверхности кристаллов с p-n-переходами могут быть получены защитные
диэлектрические плёнки, которые представляют собой с поверхностью
полупроводникового кристалла.
Для защиты и стабилизации электрических параметров p-n-переходов проводят
процесс титанирования, который состоит в том, что на поверхность кристаллов с
p-n-переходами осаждают один из сложных эфиров: негидролизированный
титановый эфир, тетраизопропилтитанат, тетрабутилтитанат или
тетраэтилгексинтитанат. Полученное покрытие стабилизируют термическим
прогревом или при помощи катализаторов и получают прочие, химически связанные
с поверхностью полупроводникового кристалла плёнки двуокиси титана.
Другой способ титанирования заключается в замещении слоя окиси германия на
поверхности кристалла германия окисью титаната, которая наносится в потоке
фтора. Фтор, проходя по трубопроводу и насыщаясь титаном, образует
газообразный фторид титана, который реагирует с поверхностью кристаллов,
покрытий слоем окиси германия. В результате на поверхности кристаллов
образуется окись титана и парообразный фторид германия.
Для защиты поверхностей p-n-переходов может быть использован нагрев кристаллов
при 1200 С в окисляющей атмосфере в присутствии ванадия или его соединения.
Ванадий находится в рабочей камере в виде порошкообразной пятиокиси V2
O5. Через рабочую камеру пропускают водяные пары, содержащие кислород
с парциальным давлением 3,3*103 Па. После получения плёнки
толщиной около 1 мкм лодочку с порошком V2O5 медленно
выдвигают из печи.
Поверхность p-n-переходов защищают также плёнками окиси вольфрама, наносимыми
плазменными распылением в атмосфере кислорода. Толщина плёнок от 10 до 1000 нм.
Давление кислорода в рабочей камере может быть выбрано в диапазоне от 2,6*10
3 до6,6 Па. Катодом служит чашеобразный диск из вольфрама, а анодом –
полупроводниковые пластины с p-n-переходами. Температура процесса не должна
превышать 300 С. Напряжение на электродах от выбранного давления газа внутри
рабочей камеры не должно превышать 500 В.
Защита поверхности p-n-переходов плёнками нитрида кремния.
Нестабильность электрических параметров планарных структур вызвана движением
ионов щелочных металлов как внутри, так и на поверхности окисла. Ионы
щелочных металлов, особенно ионы натрия, обладают сравнительно большой
подвижностью (для Na при Т=200°С, м=10-12 см2/(В*с)).
Одним из способов повышения стабильности планарных приборов является выращивание
поверх слоя двуокиси кремния слоя Si3N4 или стекла.
Стекло связывает ионы натрия и препятствует их перемещению, а Si3N
4 улучшает изоляцию поверхности активных структур.
Для получения защитных плёнок нитрида кремния используются различные методы,
основанные на следующих реакциях взаимодействия: силана с аммиаком,
тетрахлорида кремния с аммиаком, силана с гидрозином, тетрабромида кремния с
азотом. Кроме того, используются методы катодного и высокочастотного
реактивного распыления.
Реакция взаимодействия SiH4 с NH3. Выращивание
плёнок нитрида кремния производится химическим взаимодействием в газовой среде
силана с аммиаком. Азотирование производится в кварцевой трубке при
температурах 700–1100 С. В трубу с током водорода с расходом 4 л/мин подают
пары силана и аммиака в соотношении 1:20. Избыток водорода препятствует
преждевременному разложению силана (температура разложения силана 500С). В
результате взаимодействия силана и аммиака на кремневой подложке образуется
плёнка нитрида:
3SiH4+4NH3 —>Si3N4+12 H2
Уменьшение скорости роста плёнки с увеличением температуры свыше 1000 С
обусловлено недостаточным количеством силана вблизи подложки вследствие его
интенсивного разложения. Обычно плёнки имеют аморфную структуру, однако в
плёнках, выращенных при 1100С, наблюдаётся отдельные кристаллические
образования.
Реакция взаимодействия SiCl4 с NH3. При выращивании
плёнок протекают следующие реакции. На начальной стадии образуются диимид
кремния:
SiCl4+NH3–>Si(NH)2+4NH4Cl
При комнатной температуре реакция дальше не идёт, но происходит полимеризация
диимида. При нагреве подложки протекает реакция:
6Si(NH)2–>2Si3(NH3)N2–>3Si2(NH)N2–>2Si3N4
В результате образуются кристаллиты нитрида кремния. При температуре 1100–1200С
получается полностью аморфная плёнка Si3N4. В толстых
плёнках Si3N4 (свыше 1 мкм) имеются трещины, плотность
которых растёт с толщиной и скоростью выращивания. Наличие трещин не только
результат различия в коэффициентах термического расширения, но и следствие
структурной неоднородности плёнки и подложки.
Получение защитных пленок Si3N4 этим методом
проводиться в горизонтальной кварцевой трубе, в которую вводятся отдельно
газовые смеси. Температура внутри рабочей камеры поддерживается равной 1000
0С. Температура всей остальной трубы поддерживается равной 375 С, чтобы
исключить конденсацию на поверхности трубы хлорида аммония. Поток аммиака
подают в трубу со скоростью 10 л/мин, а тетрахлорид – со скоростью (1-2)*10-3
моль/мин. Этот метод позволяет получить плёнки нитрида кремния, обладающей
хорошей адгезией к поверхности пластин. Скорость осаждения плёнок Si3
N4 зависит от соотношения между компонентами газовой смеси и
температуры. На рис в приведена зависимость скорости роста плёнки Si3
N4 от температуры для двух соотношений между SiCl4 и NH
3 в реагирующей смеси.
Реакция взаимодействия SiH4 и N2H4.
Вместо аммиака для получения плёнок Si3N4 может быть
использован гидразин N2H4.
При использовании аммиака температура осаждения пленок нитрида кремния не может
быть 750С. Применение гидразина позволяет снизить температуру до 500С, так как
гидразин разлагается при более низких температурах, чем аммиак. Наносят плёнки
в кварцевой трубе, через которую пропускается водород, насыщенный гидразином. В
эту смесь добавляют SiH4. Концентрацию SiH4 и N2
H4 можно выбирать в пределах от 1:0,5 до 1:10. Скорость подачи
газовой смеси в рабочую камеру 0,6 л/мин. Перед проведением процесса гидразин
очищают при комнатной температуре. На рис показана зависимость скорости роста
плёнок нитрида кремния от температуры для трёх различных концентраций
гидразина. Скорость осаждения плёнок Si3N4 начиная с
температуры750С остаётся постоянной, а при больших концентрациях гидразина и
температурах выше 1000С уменьшается.
Реакция взаимодействия SiBr4 и N2. Этот метод
основан на реакции взаимодействия между азотом и тетрабромидом кремния. Одним
из основных требований при получении пленки Si3N4
является предотвращении возможности образовании в ней двуокиси кремния. Для
этого азот перед смешиванием с тетрабромидом кремния тщательно очищают от
кислорода. Получают пленку Si3 N4 при температуре 960
0 С. Скорость подачи реакционной смеси устанавливают равной 100мл\мин. В
течение часа на подложке осаждается плёнка толщиной 10 мкм. На рисунке 39
показана схема установки для получения пленок нитрида кремния.
Реактивное катодное распыление. При этом методе реакция между кремнием и
азотом происходит при низкой температуре окружающей среды с помощью
электрического разряда. Наносят защитные пленки нитрида кремния в установках
катодного распыления на постоянном токе с холодным или горячим катодом.
Качество пленок, получаемых этим методом, изменяется в зависимости от условий
осаждения. Для проведения процесса используют катод из высокочистого кремния в
виде плоской пластины большого диаметра. Этот катод распыляют в смеси аргона и
азота. Азот является реактивным газом, а аргон используют для повышения
эффективности распыления. Кремний взаимодействует с кислородом лучше, чем с
азотом, поэтому даже незначительное количество кислорода в рабочих газах (N
2 и Ar) приводит к образованию пленки окиси кремния SiO2 на
поверхности полупроводника. Обычно для катодного распыления используют рабочие
газы, прошедшие предварительную очистку от кислорода. Получение защитных пленок
Si3N4 проводят при давлениях в камере от 6,6*10*до 26 Па.
Напряжение распыления может быть выбрано от 600 до 2500В, а катодный
ток-0,2*0,8мА\см2. Скорость роста пленки 10 нм\мин. Применение
катода с большей поверхностью позволяет получать пленки одинаковой толщины (с
разбросом, не превышающим 5%) одновременно на большом количестве пластин или
кристаллов.
Высокочастотное реактивное распыление. Высокочастотное реактивное
распыление защитных пленок Si3N4 обладает рядом
преимуществ: скорость по сравнению с катодным распылением выше, а эффект
бомбардировки отрицательными частицами меньше. Кроме того, пленки, полученные в
высококачественном разряде, менее чувствительны к присутствию в рабочей камере
следов кислорода. Скорость осаждения при этом методе пропорциональна мощности
высокочастотного разряда и увеличивается с уменьшением расстояния между мишенью
и полупроводниковым кристаллом. Для создания плазмы внутри рабочей камеры
используют азот. Ионы азота, ударяясь о кремниевую мишень, распыляют кремний.
Атомы кремния, вылетевшие из мишени, вступают в реакцию с азотом. В результате
этой реакции образуется нитрид кремния, который осаждается на полупроводниковом
кристалле (подложке). Оптимальное давление азота в рабочей камере 1,3 – 0,13
Па.
Свойства защитных плёнок Si3N4 зависят от P/S, то есть от
количества энергии, приходящейся в единицу времени на единицу поверхности
мишени. В качестве травления для плёнок нитрида кремния используют состав из
семи частей смеси 4%-го водного раствора NH4F и одной части 49%-ой
HF. Скорость осаждения плёнок возрастает с увеличением P/S и приблизительно
пропорционально квадрату P/S. Скорость травления, наоборот, уменьшается с
возрастанием P/S.
Защита p-n-переходов легкоплавкими стеклами
Для защиты полупроводниковых приборов функциональные поверхности активных
элементов p-n-переходов защищают слоем стекла, который связывает мигрирующие
ионы, улучшает надежность приборов и герметизирует переход от внешних
воздействий. Стеклом защищают большинство типов p-n-переходов: планарные,
сплавные, диффузионные, так как окисная плёнка полностью их не защищает от
проникновения влаги. Состав стекла выбирают в зависимости от типа прибора и
режима его сборки. КТР стекла и рабочая температура изменяются в зависимости
от исходных компонентов.
Слой защитного стекла наносят как на чистую поверхность полупроводника с p-n-
переходом, так и на слой окисла или пассивированную поверхность. Кроме того,
стеклом защищают готовые диоды и транзисторы. В этом случае для укреплении
всей структуры прибора стекло наносят на часть металлических выводов, смежных
с полупроводниковым материалом. Плёнка стекла защищает от утечек тока по
поверхности, а также служит в качестве эффективных химического и
механического барьеров против миграции примесных ионов в пассивированный слой
полупроводника. Действие легкоплавких стекол не ограничивается простой
защитой от внешних воздействий. Стекло в жидком состоянии действует как гетер
металлических ионов, оставшихся на поверхности кристалла.
Ниже приведены некоторые составы легкоплавких стекол, применяемых для защиты
p-n-переходов.
Состав1. Халькогенидное стекло, которое содержит 24% мышьяка, 67% серы,
9% йода. Готовят это стекло в нейтральной атмосфере при 500-6000С, а
наносят на кристалл при 250-3000С в течение 1 мин.
Состав 2. Стекло, которое содержит модификатор, кремнезем и соли борной
кислоты. Модификатор состоит из окиси алюминия с концентрацией 5-24% и цинка
или кадмия, а также может включать окись бериллия. Общая концентрация
модификатора в стекле не должна превышать 40%.
Состав 3. Боросиликатное стекло. Которое содержит 80 % оксида кремния, 14
% окиси бора и 6% вольфрама. Стекло наносят испарением в вакууме при 200 С и
образующая плёнка обладает большой механической прочностью и высокой
стойкостью к термоциклированию в диапазоне температуре от –196 до +100 С без
проявления микротрещин.
Состав 4. Стеклянную плёнку на поверхности полупроводникового кристалла
создают нагреванием его в течение 1-3 ч при температуре 400–700 С в среде,
содержащей кислород, пары окислов или галоидов свинца, сурьмы и других
металлов. Внедрение атомов свинца или сурьмы в решётку O–Si–O или O–Ge–O
ослабляет процесс окисления поверхности кристалла с образованием плёнки
стекла.
Состав 5. Для защиты кремниевых приборов используют порошкообразное
стекло, состоящие из 50% окиси свинца, 40 % окиси кремния и 10% окиси
алюминия, а для защиты германиевых приборов — 60% окиси свинца, 30% окиси
кремния и 10% окиси алюминия. Состав приготавливают из суспензии в
дистиллированной воде, наносят на поверхность кристалла и сплавляют при
температуре 1000 С. Наносят стекло методами центрофугирования, седиментации
суспензии или осаждения из паровой фазы.
Состав 6. На поверхность полупроводникового кристалла наносят смесь
микропорошков со спиртом или другим летучим наполнителем, которая включает 70%
окиси кремния, 20% окиси бора, 5% окиси лития, натрия или калия, 5% окиси
алюминия или свинца. После термообработки в вакууме при температуре 300 С в
ткчение15 минут образуется стеклообразная плёнка толщиной 1 мкм, на поверхности
которой разложением этилокремниевой кислоты наращивается плёнка окиси кремния,
которую сплавляют с нижним слоев стекла при температуре 700–900 С . В
результате образуется стеклянная плёнка, имеющая следующий состав: 80% окиси
кремния, 18% окиси бора, 2% щелочных метал0лов и окислов типа Al2O3 или PbO.
Состав 7. На поверхность кремния наносят окисный слой Al2O
3*SiО2, а на него осаждают соединение типа Ai( OcnH
2n+1)*Si(OcnH2n+1), где n= 1,2,3,4. При нанесение
плёнок стекла на окисные слои толщиной менее 200нм возможно проникновение
ионов из стекла через окисный слой к поверхности р-п-перехода, чувствительной к
их воздействию. По мере проникновения ионов к поверхности р-п-перехода, на этой
поверхности могут возникать каналы, которые увеличивают нестабильность
приборов, поэтому эти стеклянные плёнки не очень эффективны в качестве защитных
для ионно-чувствительных поверхностей различных приборов.
Состав 8. Боратное стекло— наиболее перспективное, так как отличается
низкой электропроводностью и малыми диэлектрическими потерями, высокой
механической прочностью, а также термической и климатической стойкостью.
Боратное стекло имеет структуру, отличающуюся от структуры силикатных стёкол, и
способно выдерживать умеренные концентрации катионов (например, натрий до
0,1%), не увеличивая электропроводимость. Боратное стекло отвечает требованиям
герметизации полупроводниковых приборов: свободно от щелочных металлов,
уплотняется (спаивается) при температуре до 800С, относительно инертно и
водонепроницаемо, имеет регулируемые коэффициенты температурного расширения.
Боратные стёкла состоят из бората цинка, окиси цинка, окиси кадмия, окиси
алюминия, окиси кремния. Кроме того, они могут включать окись бериллия и в
небольших окись титана, циркония, ниобия, лантана, церия, скандия, гафния,
галлия, индия и их смеси. Эти составы стойки к расстеклованию в широком
диапазоне температур и обладают полной смешиваемостью составных частей.
В качестве примера можно привести следующий состав стекла этого типа: 22–25 %
окиси кремния, 32–38% бората цинка, 12–20% окиси алюминия, 15–30% окиси
цинка. Такое стекло обладает коэффициентом температурного расширения, равным
38 *10-7/С в диапазоне температур от 10 до 200 С. Толщина плёнки стекла от 1
до 20 мкм. На рисунке 40 показана диаграмма тройной композиции: окись цинка –
окись бора– двуокись кремния.
Состав 9. Составы стёкол этого типа приведены в таблице 26 и включают
тройные композиции: мышьяк–сера–талий и мышьяк–силен–талий .
В качестве добавки к составу As-S-Tl, As-Se-Tl может быть использован
германий, введение которого в определённых пропорциях позволяет изменять КТР
стекла. Кроме того, стекло состава As-Se-Tl-Ge обладает высоким электрическим
сопротивлением и способностью к испарению в вакууме. Температура размягчения
его равна 250–300 С.
Состав 10. Стекло содержит 80,6% окис кремния, 4,15% окис натрия, 2,5%
окиси алюминия, 12,6% окиси бора, 0,1 % окиси кальция, 0,05% окис магния,
обладает КТР равный КТР кремния, и высокой адгезионной способностью. Стекло
наносят на поверхность полупроводникового кристалла в виде суспензии, мелких
частичек в жидкости. Для получения суспензии стекло размельчают до размера
0,1-2 мкм в шаровой мельнице и разводят в метиловом спирте, ацетоне или воде.
Наиболее благоприятные результаты по однородности защитных плёнок могут быть
получены при использовании в качестве жидкого компонента жидкости, имеющей
диэлектрическую постоянную в интервале от 6 до 12. В качестве примера можно
рекомендовать смесь, состоящую из 10 куб. см изопропилового спирта, 3 см3
вторичного бутилового спирта, 64 см3 третичного бутилового спирта, 23
см3 бензина, и имеющую диэлектрическую постоянную равную 10.
Сплавление стеклянных частиц с поверхностью полупроводникового материала
происходит в течение 5-10 минут при температуре на 25-80 С выше температуры
размягчения стекла. После сплавления на поверхности кристалла образуется
однородная, свободная от пор, тонкая стеклянная плёнка.
Порошок стекла С-44-1 применяется для получения защитных диэлектрических
плёнок в производстве гибридных и монолитных интегральных микросхем методом
термического вакуумного напыления с непрерывной подачей на испаритель. Цвет
порошка от серого до темно-серого. Размер частиц от 0,04 до 0,09 мм.
Диэлектрическая проницаемость плёнок стекла на частоте 102-106
Гц равна 5, а тангенс угла диэлектрических потерь на той же частоте – 0,005,
электрическая прочность 3*106 В/см, температурный коэффициент
ёмкости в интервале температур от –60 до +125 С на частоте 106 Гц
равен (от 10 до 25)*10-5 1/С.
Порошок боросиликатного стекла B2O3*SiO2 применяется для получения
защитных диэлектрических плёнок в производстве полупроводниковых приборов и
интегральных микросхем методом бункерного вакуумного напыления. Химический
состав порошка 80-85 % окиси кремния и 15-20% окиси бора. Микропримеси не
превышают: алюминия 10-1, висмута 10-2, железа 10-1
, марганца 5*10-2 , меди 10-1 , никеля 10-2
, магния 5*10-2 , олова 5* 10-2 , свинца 0,05, серебра
0,01, титана 0,05, хрома 0,1, цинка 0,01%. Плёнки из такого стекла имеют
удельное объёмное сопротивление 1014–1016 Ом*см,
диэлектрическую проницаемость на частоте 102-108 Гц,
равную 4, тангенс угла диэлектрических потерь на той же частоте, равен (от 2 до
7)*10-4, электрическую прочность (от2 до 5)* 106 В/см,
ткр ёмкости в интервале температур от –60 до + 125 С, равный от 1*10-5
до 3*10-5 1/С. Толщина плёнок от 0,2 до 5 мкм.
Гранулят стекла С48-7 применятся для защиты кремниевых мезаструктур. В
состав стекла входит 31% окиси кремния, 10,8% окиси бора, 7,5% окис алюминия,
6, 1% окиси цинка и 44,7% окиси свинца. Коэффициент линейного расширения в
интервале температур от 20 до 300 С равен 48*10-7 1/С. Температура
размягчения 530 С. Термическая стойкость не ниже 160 С. удельное объёмное
сопротивление при 400 С равно 2,5*1010 Ом*см. Тангенс угла
диэлектрических потерь на частоте 1 МГц и температуре 20 С равен 9*10-4
, а диэлектрическая проницаемость равна 8. Материал представляет собой куски
стекла произвольной формы с размерами не более 5 мм.
Стёкла С52-1 и С52-2 — боросиликатная композиции, обладающие химической
стойкостью. Стекло С52-1 отличается от стекла С52-2 пониженным содержанием
окиси алюминия. Увеличение содержания окиси алюминия несколько снижает
электрическое сопротивление стекла и увеличивает его вязкость при высоких
температурах. Для компенсации этого влияния в состав стекла вводят окислы бария
и лития. Крупные ионы бария уменьшают подвижность щелочных ионов и этим
повышают электрическое сопротивление стекла, а ионы лития снижают его вязкость
при высоких температурах, облегчая процесс стеклования. Температурный
коэффициент стёкол одинаков и равен 52*10-7 1/С. Температура
размягчения соответственно ровна 585 и 580 С, термостойкость – 180 и 190 С,
диэлектрическая проницаемость – 6 и 5,8, а тангенс угла диэлектрических потерь
на частоте 1 МГц равен 40 и 45.
Операция нанесения стекла на поверхность полупроводниковых пластин или
кристаллов хорошо вписывается в общий технологический процесс изготовления
приборов групповыми методами, легко поддаются автоматизации и механизации.
Защита полупроводниковых приборов и интегральных схем стеклом часто
проводится комплексным методом, то есть стекло используют в сочетании с
другими защитными покрытиями: плёнками окиси нитрида кремния или окиси
металлов, что позволяет добиться высоких электрических характеристик
приборов.
Защита поверхности p-n-переходов силанированием.
В последнее время широкое применение получил метод силанирования, позволяющий
добиться более надёжной защиты поверхности p-n-переходов и стабилизации
электрических параметров. При силанировании на поверхности р-п-перехода
получают тонкие плёнки , которые обладают высокой влаго- и
газонепроницаемостью, инвертностью к различным химическим реагентам.,
высокой адгезионной способностью. Термостойкость (до 300 С) – главная
отличительная особенность плёнок. Наиболее перспективными являются диметил -
и триметилзамещённый силан. Недостатком метилзамещённых силанов являются
выделение при силанировании хлористого водорода, который взаимодействует с
элементами, образующими р-п-переход, например алюминий. Образующийся
хлористый алюминий очень гидроскопичен и может шунтировать р-п-переход.
При на несении силановых плёнок важными факторами являются кислотность среды
и чистота исходного продукта, от которых зависят молекулярный вес силана и
однородность его химического состава. Существует ряд способов нанесения
силановых плёнок (при условии предварительного увлажнения поверхности р-п-
переходов):
1. погружение в жидкие метилхлорсиланы;
2. погружение в растворы метилхлорсиланов или их смеси;
3. выдержка в парах силанов или их смесей.
Первый способ даёт лучшие результаты, но при его использовании создаётся
высокая концентрация хлористого водорода, который интенсивно разрушает
алюминий. Этот же недостаток неизбежен и при силанировании из газовой фазы,
что отрицательно влияет на сплавные кремневые приборы, имеющие алюминиевые
электроды. Используя способ силанирования р-п-переходов погружением в
растворы, можно устраивать некоторые недостатки двух других способов. Этот
способ позволяет:
§ регулировать концентрацию метилхлорсиланов;
§ удалять продукты реакции из сферы реакции, подбирая соответствующий
растворитель;
§ улучшать технологичность процесса, поскольку есть возможность
вводить добавки, нейтрализующие соляную кислоту;
§ создавать гомогенную среду для поликонденсации плёнки, так как в
растворитель переходят продукты гидролиза.
В качестве растворителей обычно применяют ксилиол, толуол и бензол. Большое
значение при создании силановой плёнки имеет толщина водного покрытия и
стабильность давления паров воды над увлажняемой поверхностью. Кроме того, не
меньшее влияние на толщину плёнки имеет структура поверхности, её химический
состав, степень гидрофильность.
Силанирование не только закрепляет существующую структуру поверхности, но и в
некоторых случаях улучшает электрические параметры переходов, поскольку при
нанесении плёнок устраняются структурные дефекты поверхности..
Технологический процесс нанесения защитной силановой плёнки состоит в
следующем. После травления в кислотном травителе и промывки в
деонизированной воде кристаллы с р-п-переходами погружают в жидкость
органозамещённого силана на время, в течение которого происходит полное
смачивание поверхности. Обычно используют смесь метилхлорсилана и двух частей
триметилхлорсилана. Реакция этой смеси с влагой, которая имеется на
поверхности кремниевого кристалла, вызывает разложение соляной кислоты и
образование тонкой защитной плёнки.
Разновидностью процесса силанирования является получение защитных плёнок
пиролитическим осаждением органокремниевых соединений. Кристаллы помещают в
молибденовую лодочку, расположенную на нагревателе в кварцевой реакционной
трубе, через которую пропускают гелий, предварительно насыщенный
тетраэтоксимоносиланом. Температура нагревателя поддерживается равной 800 с.
Скорость пропускания газовой смеси над пластинами с р-п-переходами выбирают
от 50 до 60 м/ч. Толщина изолирующей плёнки 25 000 А. Скорость выращивания
плёнок 800 А/мин.
Затем наносят второй слой изоляционной плёнки, пропуская гелий через сосуд,
содержащий жидкий этилтриэтоксисилан. Смесь подают через реакционную трубу в
течение 5 минут при температуре 800 С. Толщина второго защитного покрытия
2000 А. Скорость выращивания второго слоя выбирают равной 400 А/мин.
Таким образом, одним из основных преимуществ метода силанирования перед
методом защиты переходов лаками и эмалями является возможность химического
связывания защитной плёнки с поверхностью р-п-перехода. Это обеспечивает не
только надёжную адгезию, но и позволяет устранить некоторые структурные
нарушения поверхности, что способствует заметному улучшению электрических
параметров переходов.
Защита поверхности р-п-переходов окислением.
Окисление считается в настоящее время наиболее перспективным методом защиты
поверхности р-п-переходов. Реальная поверхность германия и кремния после
травления при выдержке на воздухе покрывается плёнкой окисла, однако,
несмотря на то, что окислы германия и кремния обладают хорошими
диэлектрическими свойствами и потенциально пригодны для защиты поверхности
переходов, образующаяся плёнка очень чувствительна к окружающей среде и не
может служить пассивирующим покрытием. Для защиты могут быть использованы
только достаточно толстые окисные плёнки, получаемые выращиванием. Задача
получения стабильной плёнки двуокиси германия является достаточно сложной.
Более просто окисные плёнки получают на кремнии.
Известны четыре основных способа выращивания окисных плёнок на кремниевых
пластинах и кристаллах для стабилизации их поверхностных свойств:
1. термическое выращивание;
2. пиролитическое окисление;
3. химическое окисление;
4. анодное окисление;
Термическое выращивание. Выращивают окисную плёнку на поверхности кремния
чаще всего методом открытой трубы. Тщательно очищенный азот, увлажнённый
водяными парами, пропускают через деионизиванную воду, откуда он попадает в
трубу, где в высокотемпературной зоне печи (1100–1300°С) находятся пластины
кремния. Для создания совершённой плёнки двуокиси пластины перед окислением
механически или химически полируют.
В другом случае окисление ведут в атмосфере (чаще также в потоке) чистого
кислорода, специально очищенного атмосферного воздуха или водяного пара. На рис
показана зависимость толщины плёнки от h скорости роста плёнки SiO2
от температуры. Как видно, она имеет экспоненциальный характер.
Рост плёнки двуокиси кремния в различных условиях описывается выражением:
hm=kt,
где h – толщина плёнки; t – время; k– константа, определяемая давлением и
температурой; m– показатель степени;
Если окисление ведут в чистом кислороде или парах воды, m=2. Плёнка,
выращенная в кислороде, имеет более совершенную структуру.
Часто используют окисление в три стадии: в осушенном, в увлажненном (для
ускорения процесса) и вновь в осушенном кислороде. Однако предельная толщина
термически выращенной окисной плёнки не превышает 1,5 мкм. Более толстые
плёнки имеют трещины. Для практических целей используют плёнки двуокиси
кремния толщиной 0,2–1,2 мкм.
При использовании водяного пара под давлением, скорость выращивания окисной
плёнки возрастает. После травления и промывки кристаллы с р-п-переходами
обрабатывают в течение 15 минут в азотной кислоте при температуре 100 С и
сушат на воздухе. Затем кристаллы окисляют при температуре 650 С и давлении
водяных паров 50 ат в течение 2 часов. В результате на поверхности пластины
образуется защитная окисная плёнка толщиной 3000 А.
Получать окисную плёнку в среде водяного пара можно при температуре 1200 С в
течение 5 часов при атмосферном давлении. После оксидирования водяной пар
заменяют инертным газом, который пропускают через пластины в течение 1
часа при той же температуре. Плёнку получают толщиной 20 000А.
Пиролитическое окисление. Описанная технология создания защитных окисных
плёнок непригодна для германия, так как плёнка двуокиси германия нестабильна и
не может служить надёжной защитой против диффузии. Уже при 700 С двуокись
германия в инертной или восстановительной среде реагирует с объёмом , образуя
летучую моноокись.
Нагрев в окислительной среде при температуре 700 С вызывает разрушение пленки
Ge2O. Для защиты р-п-переходов на германиевых пластинах выращивают
плёнки окиси кремния. Широкое распространение получили защитные плёнки окиси
кремния, выращиваемые на германии методом термораспада кремнийорганических
соединений. Покрытие, образующееся при пиролитическом разложении
органооксисиланов, наносится очень просто, обладает хорошей механической
стойкостью и легко удаляется при травлении в плавиковой кислоте.
Поток очищенного аргона 1 проходит через печь. Когда температура поднимается
до 700 С аргон пропускают через органооксисилан 2, пары которого разлагаются
в рабочей камере 3, и на пластинах 5 германия осаждается слой двуокиси
кремния. Когда требуемая толщина плёнки достигнута, вновь пускают чистый
аргон и отключают печи. При 200 С пластины вынимают.
Эту же технология можно использовать для защиты электронно-дырочных переходов
на пластинах арсенида галлия.
Пиролитеческое наращивание плёнки двуокиси кремния вследствие сравнительно
низкой температуры процесса незаменимо в тех случаях, когда окисления
подвергаются структуры с заданным распределением примеси. Воздействие высокой
температуры (в случае термического окисления) вызывает заметную диффузию
примесей и изменение свойств структуры, поэтому пиролитическую плёнку окиси
выращивают в настоящее время и на кремнии. Иногда делают комбинированное
покрытие: на термически выращенный слой окиси кремния осаждают пиролитический
окисел.
Получение защитной пёнки на кристаллах с р-п-переходами заключается в
осаждении слоя SiO2 из паровой фазы. Кристаллы с р-п-переходами нагревают до
температуры 700 с. Через трубу пропускают кислород и тетраоксисилан со
скоростью 0,5 л/мин. Тетраоксисилан подвергают термическому разложению с
образованием плёнки двуокиси кремния на поверхности кристаллов. В течение 8
минут образуется плёнка толщиной 1500 А. Кристалл, покрытые окисной плёнкой,
отжигают в вакууме при температуре 750 С в течение 2 часов. После этого
процесс повторяют. Общая толщина плёнки 7500 А
При другом способе получения оксидной плёнки нагревают полупроводниковый
кристалл в среде, содержащий окислительный газ, два или более газа,
реагирующих друг с другом с образованием кремния. Эта смесь газов может
включать в себя двуокись углерода, двуокись водорода и тетрахлорид
кремния. Температура процесса получения плёнки 1250 С. Общая скорость
течения газовой смеси 1 л/мин. В рабочей камере пара тетрахлорида кремния
и хлористого водорода. Кремний окисляется двуокисью углерода и осаждается
на полупроводниковую пластину. Скорость осаждения плёнки окиси кремния 0,4
мкм/мин.
Кроме того, защитные окисные плёнки кремния могут быть получены, с помощью
электрического разряда в смеси тетрахлорида кремния и озона. Тетрахлорид
кремния и озон вводят в рабочую камеру в паровой фазе. Под действием
электрического разряда происходит реакция тетрахлорида кремния с озоном.
Процесс может проходить при комнатной температуре. Химическая реакция идёт по
формуле :
Для получения защитной плёнки пластины кремния или германия помещают в рабочую
камеру и пропускают через нее кислород и аргон в течение 15-30 минут для
очистки камеры от воздуха и влаги. Затем через пластину пропускают аргон,
насыщенный SiCl4 со скоростью 0,06 м3/ч и озон со скоростью 0,02 м
3/ч. Процесс проводят в течение от 1 до 5 часов в зависимости от требуемой
толщины плёнки. Скорость нанесения защитной плёнки 5 мкм/ч.
Химическое травление. Представляет интерес процесс создания окисной
плёнки путём обработки поверхности сильными химическими окислителями. В
качестве окислителей для германия и кремния используется смесь азотной и
плавиковой кислоты. Отличие от кислотных травителей состоит в том, что азотная
кислота присутствует в значительном избытке, и процесс окисления поверхности
полупроводника преобладает над процессом удаления окисной плёнки. Образующуюся
плёнка имеет тёмно-синий цвет, большую плотность и толщину. Однако её
стабилизирующие свойства очень чувствительны к режиму окисления, малейшие
отклонения, от которого приводят к значительному ухудшению исходных параметров
приборов.
Анодное окисление. Метод анодного окисления позволяет преодолеть
недостатки термического и химического окисления. Анодное окисление является
одной из основных электродных реакций, управляющей процессом растворения
полупроводника. Если в электролите отсутствует реагент, растворяющий окисную
плёнку, её толщина может быть достаточно большой.
Анодное окисление проводят в электролитах типа борной кислоты или
бидистиллированной воды, а также водноперекисных растворах с
комплексообразующими добавками (лимонной и щавелевой кислотой, их титановыми
или циркониевыми солями) и растворах нитрата натрия, хлорной кислоты,
бихромата аммония.
На рисунке показана схема устройства для анодного окисления кремния в
дистиллированной воде. Сосуд с электролитом разделён на две части
перегородкой с отверстиями 3, в которые вставляются оксидируемые пластины,
помещённые в крепящее приспособление 6. Анодный вывод 2 контактирует с
кристаллом полупроводника таким образом, чтобы обрабатываемый р-п-переход
был смещён в прямом смещении. Тогда на катоде 4 осаждаются протоны, и
выделяется водород, а на кристалле полупроводника происходит окисление
поверхности. Рост плёнки двуокиси кремния ускоряется с ростом тока, чему
способствует уменьшение удельного сопротивления воды. Поэтому используют воду
с удельным сопротивлением 200-500 Ом.
Выделяющиеся при образовании окиси кремния газ адсорбируется в виде небольших
пузырьков на поверхности кристалла, что затрудняет равномерный рост плёнки.
Для удаления газовых пузырьков служит сопло 5, через которое пластины
обдуваются азотом или аргоном.
Получение защитной плёнки на поверхности полупроводникового кристалла анодным
окислением может проводиться в электролите, состоящем из борной кислоты,
гликоля и водного раствора аммиака. При прохождении через полупроводниковый
кристалл постоянного тока от 1 до 50 мА в течение 1,5 часа на поверхности
кристалла образуется изолирующий слой окиси. После анодной обработки
кристаллы промывают в деионизованной воде и сушат в потоке горячего воздуха.
Вывод: Преимущества бескорпусной герметизации — значительное сокращение
количества технологических операций, повышение производительности процесса и
снижение стоимости изделий. Кроме того, приборы и ИМС имеют меньшие габариты и
массу, чем загерметизированные в корпуса. Недостатки этого метода герметизации
— слабое уплотнение внешних выводов, различие между ТКЛР изолирующего
материала, полупроводника и металла выводов, а также низкая теплопроводность
герметиков.
Контроль герметичности
Одной из задач герметизации является предотвращение проникновения внутрь
корпуса газов из окружающей среды, всегда содержащих влагу. Проникающая в
корпус влага растворяет газы и загрязнения, образуя в условиях электрических
напряжений электролитические пары. В свою очередь, это приводит к
возникновению отказов, выражающихся в шунтирующих утечках, коротких
замыканиях и обрывах.
Для полых (газонаполненных) корпусов достаточно объективным показателем
качества герметизации может служить величина течи из корпуса. Для микросхем,
спрессованных пластмассами, необходимо проводить испытания непосредственно в
атмосфере с повышенной влажностью. Методы испытания должны одновременно
удовлетворять требованиям высокой чувствительности и экономичности.
Наиболее чувствительным является радиоактивный метод (чувствительность
10~8 - 5-10-9 мкм рт. ст.- л/с). Образцы, подлежащие
испытанию, герметизируются в атмосфере сжатого радиоактивного газа (например,
Кг85). При испытании с помощью счетчиков регистрируется
интенсивность гамма-излучения газа, вытекающего из корпуса. Вследствие
сложности и высокой стоимости этот метод может быть рекомендован только в
экспериментальном производстве (отработка конструкции корпуса или технологии
герметизации).
Масс-спектрометрический метод основан на обнаружении гелиевым
течеискателем гелия, предварительно введенного в корпус прибора. Применение
гелия обусловлено его высокой проникающей способностью (малые размеры
молекул). Чувствительность метода определяется чувствительностью течеискателя
(для течеискателя ПТИ-6 10~7 мкм рт. ст.-л/с). Высокая проникающая
способность гелия затрудняет обнаружение больших течей, так как к моменту
испытания гелий может полностью вытечь из корпуса. Поэтому для образцов,
подлежащих испытанию, целесообразно вводить гелий после герметизации, но
непосредственно перед испытанием. Для этого герметизированные микросхемы
выдерживают в течение нескольких суток в бомбе, заполненной гелием до давления
4 атм. Macс-спектрометрический метод целесообразен только для выборочного
контроля.
При проверке герметичности вакуум-жидкостным методом микросхемы
помещают в емкость с керосином или уайт-спиритом, над которым создается
разрежение (10 -15 мм рт. ст.). Вытекающий из корпуса газ (непрерывная струйка
пузырьков) позволяет определить не только интенсивность, но и место
расположения течи. Чувствительность метода 5-10-3 мкм рт. ст.-л/с.
Он является весьма распространенным в производстве для выборочного метода
контроля.
Компрессионно-термический метод отличается от предыдущего тем, что
испытуемые микросхемы погружают в нагретое масло. При этом давление газа
внутри корпуса повышается и чувствительность метода несколько увеличивается
(4-10-3 мкм рт. ст.- л/с).
Список использованной литературы
1. Агаларзаде П.С., Петрин А.И., Изидинов С.О. Основы
конструирования и технологии обработки поверхности p-n перехода. –
Москва: Советское радио, 1978
2. Антонов В.А «Технология производства электровакуумных и
полупроводниковых приборов»
3. Арданатская М.В. Герметизация и защита изделий порошковыми
полимерными материалами. - Москва: Радио и связь, 1977
4. Брук В.А. «Производство полупроводниковых приборов»
5. Волков В.А. Сборка и герметизация микроэлектронных устройств.
- Москва: Радио и связь, 1982
6. Дуболазов В.А., Синекоп Ю.С., Томашпольский Л.В. Технология
сборки интегральных микросхем. - Киев: Вища школа, 1987
7. Епифанова Г.И. Герметизация и бескорпусная защита
полупроводниковых приборов и радиоэлектронных устройств. - Москва: Советское
радио, 1974
8. Коутный Й. «Технология серийного производства транзисторов и
полупроводниковых диодов»
9. Курносов А.И. «Основы полупроводниковой микроэлектроники»!
10. Курносов А.И. «Материалы для полупроводниковых приборов и
интегральных микросхем»
11. Маслов А.А. «Технология и конструкции полупроводниковых приборов».
12. Назаров Г.В., Гревцев Н.В. Сварка и пайка в микроэлектронике. -
Москва: Советское радио, 1969
13. Мокеев О.К. «Химическая обработка и фотолитография в производстве
полупроводниковых приборов и микросхем»
14. Нейштадт С.З. «Технология и оборудование производства радиодеталей
и компонентов»
15. Парфёнов «Технология микросхем»
16. Попова Г.Е. Использование эпоксидных компаундов для герметизации
полупроводниковых приборов и микросхем. - Москва: Энергия, 1985
17. Тареев Б.М, Яманова Л.В., Волков В.А., Ивлиев Н.Н. Герметизация
полимерными материалами в радиоэлектронике. - Москва: Энергия, 1974