Разработка автомата герметизации транзисторов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Развитие технологии микроэлектроники в последние десятилетия в направление увеличения функциональной сложности, степени интеграции и быстродействия интегральной схемы, габаритов кристаллов рассеиваемой ими мощности при неизменно высоком уровне требований к надежности схем сопровождается возрастанием трудностей сборки и герметизации ИС, преодоление которых требует создания разнообразных конструкций типов корпусов.

Корпус служит для защиты полупроводникового кристалла от различных факторов окружающей среды, включая повышенную влажность, механические нагрузки, электромагнитные излучения, воздействие агрессивных химических веществ и т.д. Он должен обеспечивать коммутацию электрических сигналов и подвод электропитания к кристаллу, отвод выделяемого им тепла, допускать проверку электрических параметров схемы и применение высокопроизводительных, в том числе автоматизированных, процессов сборки ИС и их монтажа в аппаратуру. Корпус должен сохранять ее работоспособность при повышенных (до398 К и более) и пониженных (до 213 К) температурах. Такие разнообразные функции корпусов довольно жестко регламентируют номенклатуру используемых материалов, а также основные конструктивно-технологические решения, которые лежат в основе их классификации.

1. Исследование полевых транзисторов и анализ оборудования для герметизации

1.1 Общие сведения о полевых транзисторах и история их создания

Полевые транзисторы появились значительно позже биполярных и имели сравнительно малое распространение. Однако бурный рост цифровой техники выявил их преимущество относительно потребляемой мощности, что дало новый толчок к их исследованию и совершенствованию.

1.1.1 Схемы включения полевых транзисторов

Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный несимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора подключен к общему выводу, различают схемы: с общим истоком и входом на затвор; с общим стоком и входом на затвор; с общим затвором и входом на исток.

1.1.2 Классификация полевых транзисторов

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно

делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом или переходом металл -- полупроводник (баьер Шотки), вторую -- транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т. н. транзисторы МДП (металл -- диэлектрик -- полупроводник).

Транзисторы с управляющим p-n переходом



Рис.1.1 Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом -- это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделен в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещенным в обратном направлении.

Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещенных в обратном направлении (см. рис. 1). При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебании как по мощности, так и по току и напряжению.

Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор -- сетке, сток -- аноду. Но при этом полевой транзистор существенно отличается от вакуумного триода. Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрева катода. Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый из этих электродов. В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом, так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых транзисторов в схемах.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе -- входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделен от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы):

Рис.1.2 Устройство полевого транзистора с изолированным затвором

Полевой транзистор с изолированным затвором -- это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды -- исток и сток. Расстояние между сильнолегированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путем высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод -- затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 1010...1014 Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 107...109), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (UЗИпор).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 2, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой -- канал, который соединяет исток со стоком.

Изображенные на рис. 2 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом:

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших UЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обедненный основными носителями слой эффект поля и область объемного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших UЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделен от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти все напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряженности электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда -- дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счет энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нем подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии

Рис.1.3 Выходные статические характеристики (a) и статические характеристики передачи (б) МДП-транзистора со встроенным каналом

В данной схеме в качестве нелинейного элемента используется МДП транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом.

В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе при нулевом напряжении на затворе (см. рис. 2, б) поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 3).

Статические характеристики передачи (рис. 3, b) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки UЗИотс, то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения

МДП-структуры специального назначения

В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида SiO2 и толстый слой нитрида Si3N4. Между слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28..30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой SiO2 электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причем их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии питания, т.к. слой SiO2 предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательное напряжения (28...30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенно уменьшает пороговое напряжение.

Структуры типа металл-оксид-полупроводник (МОП) с плавающим затвором и лавинной инжекцией имеют затвор, выполненный из поликристаллического кремния, изолированный от других частей структуры. Лавинный пробой p-n-перехода подложки и стока или истока на которые подается высокое напряжение, позволяет электронам проникнуть в слой оксида и достигнуть затвора, вследствие чего на нем появляется отрицательный заряд. Изолирующие свойства диэлектрика позволяют сохранить заряд десятки лет. Отвод электрического заряда с затвора осуществляется с помощью ионизирующего ультрафиолетового облучения кварцевыми лампами, при этом фототок позволяет электронам рекомбинировать с дырками.

1.1.3 Области применения полевых транзисторов

Значительную часть используемых в настоящий момент полевых транзисторов составляют КМОП (CMOS) транзисторы, которые в свою очередь используются повсеместно в цифровых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающийся пример устройства построенного на полевых транзисторах - пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения полевых транзисторов пульт может работать до нескольких лет непрерывно ожидая нажатия кнопок, потому что практически не потребляет энергии.

1.2 Материалы деталей для корпусов полевых транзисторов

Всю совокупность материалов, применяемых для изготовления корпусов, можно разделить на две группы - металлические и неметаллические (органические и неорганические). К первым относятся ленты, полосы, прутки и проволока из цветных и железоникелевых сплавов, псевдосплавы, металлизационные пасты, металлические покрытие, твердые и мягкие припои. Неметаллы в конструкциях корпусов включая различные типы стекла, керамики и стеклокерамики, а также большой класс полимеров- герметиков и клеев.

В электроннной промышлености для корпусов полупроводниковых приборов используются следующие металлы и их сплавы: медь, никель, сталь, железоникелевый сплав, ковар (29% Ni, 17%Co, 53% Fe), платинит вольфрам, молибден, многослойные металлические материалы.

Медь отлично смачивается и паяется мягкими и твердыми припоями. Холодной сваркой меди с медью, коваром и сталью получают надежные и герметичные сварные швы. Контактная электрическая сварка меди довольно сложна, так как медь обладает малым электрическими сопротивлением и большой теплопроводностью. По химическим свойствам медь является малоактивным металлом. Окисляясь на воздух, она приобретает зеленоватый цвет (закись меди). К воздействию щелочей медь устойчива. Кроме того, она хорошо растворяется в азотной кислоте, а в серной и соляной вступает в реакции при нагреве.

Никель используется как правило, для штамповки крышек. Для никеля характерны высокая прочность и пластичность, но при воздействии высоких температур он мало формоустойчив.

Сталь обладает сравнительно высокой температурой плавления, высокой прочностью, способностью к глубокой вытяжке, хорошо обрабатывается резанием и сваривается, является дешевым. Но при этом сталь не обладает химической стойкостью и низка формоустойчивость при длительном воздействии высоких температур.

Все славы Fe-Ni допускают гальваническую обработку и пайку, достаточно пластичны и хорошо обрабатываются давлением и имеют приемлемую для большинства областей применения тепло- и электропроводность, малый коэффициэнт температурного расширения (КТР), близкий к КТР стекла и кремния. Они используются для изготовления деталей, работающих в спаях со стеклом или керамикой и выводных рамок.

Ковар обладает малой теплопроводностью и высоким удельным сопротивлением, что позволяет применять контактную электросварку для соединения деталей. Он хорошо паяется мягкими и твердыми припоями.

Платинит имеет сердечник из никелевой стали и медную оболочку и поэтому обладает разными КТР в осевом и радиальных направлениях.

Молибден и вольфрам имеют одинаковый с кремнием КТР, поэтому часто служит материалом термокомпрессирующих элементов в конструкции корпуса. Из аллюминия и фосфорной бронзы изготовляют крышки, а в некоторых случаях - и выводы корпусов.

Псевдосплавы представляют собой смеси твердого металла (молибдена, вольфрама) с мягкими (медью, серебром). Заданные свойства псевдосплавов получают, изменяя соотношение компонентов. Псевдосплавы W-Cu, Mo-Cu обеспечивают получение ненапряженных соединений с керамикой.

Для герметизации в последние годы стали ипользоваться триметаллические ленты. Основой лент является медь чистая или ее сплавы, планированные с двух сторон никелем или ее сплавы, планированные с двух сторон никелем или железоникелевыми сплавами. Такие рамки имеют лучшее тепло - и электропроводность.

В производсттве керамических корпусов пасты на основе тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, смеси молибдена с марганцем) используются для формирования токоведущих дорожек в объеме многослойной керамики и открытых метализированных площадок. Вольфрамовая паста позволяет получать более плотную металлизацию, а паста из смеси Mo-Mu обеспечивает более высокую адгезию металлизации к керамике благодаря образованию атомами марганца и аллюминия химического соединения типа шникеля. Удельное поверхностное сопротивление такой металлизации -0.010-0.015 и 0.35 Ом/кВ, соответственно, что в ряде случаев ограничивает быстродействие. Меньше сопротивление (0.004-0.090 Ом/кВ) имеют тонкопленочные проводники на основе паст из драгоценных металлов.

Для герметизации корпусов, вакуумного-плотного соединения деталей из разнообразных металлов, а также горячего лужения выводов используются припои. В зависимости от температуры плавления пртпои разделяются на легкие или низкотемпературные (температура плавления до 400), и твердые или высокотемпературные (температура плавления выше 400).

В корпусах полупроводниковых приборов используются в качестве электроизоляционного материала стекло и керамика. С коваром и платинитом стекло различных составов образует герметичные различные металлостеклянные спаи. Из стекла изготавливают корпуса маломощных полупроводниковых приборов. Стекло является плохим проводником теплоты и нестойко к воздействию кислот. Кроме того стекло хрупкий материал, а его электрические свойства заметно изменяются с температурой.

Поэтому для корпусов полевых транзисторов более подходящей является керамика. Керамика почти по всем показателям превосходит стекло (лишь диэлектрическая проницаемость стекла меньше, чем керамики). В производстве корпусов полупроводниковых приборов используются несколько видов керамик: корундовую, бериллевую,фторстеритовую и другие

Корундовая керамика (, , , в виде порошка Является основным компонентом паст, служащих для изготовления керамических лент и пленок. Из корундовой керамики изготавливают литьем крышки, технологическую оснаску и другое. Корундовая керамика отличается высокой механической прочностью, лыми электрическими потерями в широком диапазоне частот и температур, большим интервалом температуры спекания, устойчивостью структуры. Кроме того она не токсична.

Берилловая керамика (бромеллит) представляет свой спеченный оксид беррилия () и используется для изготовления изоляторов, подложек и других деталей полупроводниковых приборов. Бромеллит получил широкое применение благодаря высокой теплопроводности и хорошим электроизоляционным свойствам. Максимальное значение теплопроводности керамики имеют образцы, изготовленные методом горячего прессования у которых количество пор приближается к нулю. С с повышением температуры теплопроводность начинает уменьшаться. Уменьшение примеси в бромеллите повышает теплопроводность,и наоборот. Бромеллит имеет высокую термическую стойкость (температура плавления 2650). Высокая термостойкость бромеллита обеспечивает необходимую климатическую надежность полупроводниковых приборов во всем интервале рабочих температур, а согласование по КТР бериллевой керамики и полупроводникового материала (кремния) в диапазоне тех же температур исключает разрушение полупроводникового кристалла. По сравнению с другими видами керамики при высоких температурах характеризуется самым высоким объемным удельным электрическим сопротивлением, которое зависит от температуры и уменьшается по линейному закону при ее повышении. Высокая стоимость и токсичность берилловой керамики препятствует более широкому ее применению. Механическая прочность бромеллита зависит от способа ее изготовления, температуры, размеров кристаллов, а также процентного содержания оксида беррилия и плотности.

Используется также в качестве изоляционного материала корунд, рубин, сапфир, нитриды бора и аллюминния, карбид еремния и материалы на его основе. Нитриды бора и алюминия по некоторым свойствам превосходят даже бромеллит.

Используются также алмазы для изготовления полупроводниковых приборов, но алмазные теплоотводы могут использоваться только в исключительных случаях, так как получаются очень дорогие приборы.

В зависимости от выбранного способа герметизации полимерные материалы поставляются в жидком состоянии или в виде пресс-порошка, таблеток и гранул. Пластмассы и компаунды представляют собой сложные композиции, состоящие из основного материала -полимерного соединения () смолы и добавок (наполнителя, отвердителя, пластификатора и др.). Существует несколько видов смол, приеняемых в электронной промышленности: эпоксидные, кремний оганические, фенолформальдегидные.

Эпоксидные смолы- полимеры, получаемые поликонденсацией эпи- или дихлоргидрина и двух- или полиатомных фенолов в щелочной среде. При добавке аминов (полиэтилен, полиамин) в эпоксидную смолу она отвердевает при комнатной температуре. Эпоксидные смолы используют в качестве клеев холодного и горячего отвердения для склеивания различных материалов.

Кремнийорганические смолы-полимеры, получаемые поликонденсацией арихлорсиланов, обычно имеют жидкое состояние (стадия резола). При нагревании до кремнийорганическая смола переходит в стадию разита, т.е. находится в твердом неплавком и нерастворимом состоянии. Кремнийорганические смолы применяют в качестве высокотермостойких электроизоляционных лаков, водоотталкивающих покрытий.

Фенолформальдегидные смолы (ФФС)- синтетические полимеры, получаемые поликонденсацией фенола или его производных (крезола, ксилола) с формальдегидом в присутствии кислых или щелочных катализаторов. ФФС используется для изготовления пресс-порошков, клеев, лаков и других изоляционных материалов.

Для мощных полупроводниковых приборов очень важно, чтобы полимерный материал имел достаточно высокие коэффициэнт теплопроводности, электрическую прочность, удельное электрическое сопротивление.

1.3 Характеристики методов герметизации транзисторов

Общие сведения

Надежность полупроводниковых приборов и интегральных микросхем при работе в аппаратуре и хранении в значительной степени зависит от герметичности корпуса.

Под герметичностью понимают способность какой-либо замкнутой конструкции не пропускать через свои элементы жидкость или газ. Абсолютно непроницаемых конструкций не существует, поэтому герметичность характеризуется допустимой утечкой (течью) в единицах потока жидкости или газа. Поток жидкости или газа через микроотверстия выражают в единицах объема при определенном давлении, отнесенных к определенному времени.

В вакуумной технике поток измеряют в литрах микрометрах ртутного столба на секунду (л•мкм рт. ст/с) или литрах миллиметрах ртутного столба на секунду (л•мм рт. ст/с), а в Международной системе единиц (СИ) -- в кубических метрах паскалях на секунду (м3 •Па/с); 1 л•мкм рт. ст/с= 1,32•10~4 м3•Па/с. Корпуса полупроводниковых приборов считаются герметичными при натекании гелия не более 10-5 л•мкм рт. ст/с.

Герметизация -- одна из завершающих операций технологического процесса производства полупроводниковых приборов, так как обеспечивает их долголетнюю работу при механических и климатических воздействиях. Кроме того, она является последней операцией сборки полупроводниковых приборов, от качества которой зависит выход годных изделий.

Постоянное стремление к повышению компактности, миниатюризации и быстродействию электронных систем вызывает увеличение плотности рассеиваемой мощности (особенно в микросхемах), что усложняет теплоотвод от активных компонентов и предъявляет дополнительные требования к конструкции корпусов и способам их герметизации.

Герметизация и конструктивное исполнение корпусов являются не менее сложной проблемой, чем создание работающего кристалла.

Хорошо известно, что проникновение в корпус полупроводниковых приборов и микросхем незначительного количества влаги приводит к деградации электрических параметров и коррозии металлизации.

Под герметизацией прибора или микросхемы 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 различные способы герметизации, реализованы разные конструктивные решения. При этом все герметизируемые изделия можно разделить на две группы: полые конструкции, в которых рабочая поверхность изделия не контактирует непосредственно с герметизирующим материалом, и конструкции без внутренних газовых полостей, в которых герметизирующий материал контактирует с рабочей поверхностью изделия (монолитные конструкции).

К первой группе относят металлостеклянные, металло-керамические, пластмассовые и другие корпуса, ко второй -- бескорпусные изделия и монолитные пластмассовые корпуса.

Необходимо различать понятия внешней и окружающей сред. Среду, в которой хранят и эксплуатируют приборы и микросхемы, называют внешней, а среду, ограниченную поверхностью герметизирующей конструкции (среда внутри корпуса),-- окружающей.

Окружающая среда может быть газообразной (полые корпуса), жидкой (полые корпуса, заполненные, например, теплоотводящей жидкостью или вазелинами) или в виде твердого покрытия (монолитные герметизирующие конструкции).

Особенностями герметизации в полых корпусах с воздушной или другой газовой средой являются отсутствие воздействия на герметизируемые изделия механических напряжений, возможность расположения внутри корпусов геттеров для регулирования состава газовой среды и влажности, а также возможность заполнения при необходимости внутреннего объема инертным газом.

Однако герметизация изделий в полых корпусах не всегда обеспечивает требуемую механическую прочность элементов конструкции изделия. В таких случаях изделия предварительно покрывают эластичным материалом для механического крепления и электрической изоляции проводников друг от друга и от металлической крышки корпуса.

Следует учитывать также возможность влияния на работоспособность элементов изделий летучих веществ из газовой среды, попадающих во внутренний объем герметичного корпуса на стадии изготовления или эксплуатации изделий. В результате в таких корпусах эксплуатационная надежность изделий может резко снижаться. Поэтому материалы, используемые для изготовления полых корпусов, должны обладать высокой нагревостойкостью, а технология сборки должна гарантировать от попадания внутрь корпусов летучих веществ при герметизации (например, сваркой или пайкой).

Наиболее надежны корпуса и покрытия на основе неорганических материалов; очень распространена герметизация изделий, помещенных в металлостеклянные или металло-керамические корпуса. Такие корпуса могут иметь самую различную форму и любое число выводов в зависимости от типа герметизируемого изделия.

Хотя герметизация в полые корпуса является технически оправданной, использование их усложняет сборку изделий, затрудняя ее механизацию и автоматизацию. Объем и. масса корпусов часто в десятки, а иногда в сотни раз превышают объем и массу герметизируемых изделий, что не согласуется с требованиями микроминиатюризации. Поэтому герметизация в полые корпуса используется тогда, когда к изделиям предъявляют особенно жесткие требования.

Существует большое количество способов корпусной герметизации полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. В зависимости от типа корпуса и предъявляемых требований герметизация может осуществляться пайкой, холодной сваркой, электроконтактной сваркой, сваркой плавлением и др. В полупроводниковой промышленности наиболее распространены способы герметизации холодной и электроконтактной сваркой и пайкой.

К конструкциям без внутренних газовых полостей относят монолитные пластмассовые корпуса. При такой герметизации химические реакции отверждения и образования адгезийных связей, протекающие в покрытиях и материале корпуса, а также усадки и внутренние механические напряжения, связанные с ними, могут оказывать влияние на параметры изделия. В этом случае предъявляются повышенные требования к химической чистоте и термостойкости, герметизирующих материалов, С другой стороны, изделия, загерметизированные таким способом, приобретают высокую жесткость и устойчивость к различным механическим воздействиям -- ударам, вибрации, ускорению и т. д.

Для нанесения герметизирующих материалов непосредственно на поверхность изделий применяют различные способы. Однако, независимо от типа используемых материалов и способа герметизации надежность работы изделий зависит от ряда общих факторов: обеспечения механической целостности коммутирующих проводников и соединений, чувствительных к механическим воздействиям элементов; отсутствия повреждений элементов и узлов герметизированных изделий при кратковременном изменении факторов внешней среды (например, нагрев, охлаждение, резкое изменение температуры и т. д.); выбора влагостойких материалов, особенно при отсутствии адгезии материала к поверхности герметизируемого изделия; высокой химической чистоты и нагревостойкости материалов и др.

Органические полимерные материалы, используемые для этих целей, являются влагопроницаемыми и менее нагревостойкими по сравнению с неорганическими материалами. Они могут выделять летучие продукты, не обеспечивать в полной мере требований по химической чистоте и т. д. Однако конструкции на их основе более экономичны и практически незаменимы при герметизации изделий массового производства общепромышленного и бытового назначения.

1.3.1 Герметизация холодной сваркой

Среди различных способов получения неразъемных соединений большое распространение получила холодная сварка. Отличаясь простотой и доступностью, она позволяет осуществлять прочные и надежные соединения. Холодной сваркой можно соединять не только однородные, но и разнородные металлы.

Этот способ применяется в основном для герметизации металлостеклянных корпусов транзисторов и диодов средней и большой мощности, выполняемых из металлов с высокой теплоэлектропроводностыо.

Как уже указывалось в гл. III, в основу холодной сварки положена пластическая деформация свариваемых металлов при нормальной температуре под действием большого давления, при которой чистые поверхности, вступая в контакт друг с другом, образуют цельнометаллические соединения с непрерывной кристаллической структурой.

Достоинством способа холодной сварки является отсутствие нагрева при герметизации и сопровождающего его явления-выделения газов внутри объёма.

В полупроводниковом производстве для герметизации корпусов применяют чаще холодную сварку, образующую нахлесточное соединение-точечную холодную сварку по замкнутому контуру(периметру) силами Р, направленными перпендикулярно свариваемой поверхности(рис.1.4), и значительно реже -холодную сварку сдвигом или продавливанием при одновременном действии нормальных тангенциальных усилий(рис.1.5)

рис.1.4 Рис1.5

Рис.1.4 Схема холодной сварки корпусов (нахлесточное соединение) 1 -- стакан, 2, 5--'.верхний-и нижний пуансоны, 3 -- баллон, 4 -- держатель

Рис. 1.5 Схема холодной сварки корпусов сдвигом или продавливанием с вырубкой крышки: 1--пуансон, 2--съемник, 3--лента, 4--матрица, 5--основании корпуса, 6-загерметизированный прибор,7 -- кристалл

Хотя прочность на отрыв получается меньшей, чем при сварке с двусторонним деформированием.

Сварку с двусторонним деформированием используют для соединения однородных металлов. Недостатком ее является необходимость точной фиксации выступов пуансона и матрицы. Смещение выступов при сварке разнородных металлов вызывает подрезание (утонение) более мягкого из них.

Режим холодной сварки по замкнутому контуру определяется степенью относительной деформации:

Где Sи-- толщина буртика ножки;Sн -- толщина буртика баллона; h -- толщина шва.

Деформация должна быть не ниже определенного значения, характерного для данного металла. Усилие для создания такой деформации зависит от многих факторов и может меняться в широких пределах. Значения относительной деформации при холодной сварке различных однородных и разнородных металлов толщиной до 1 мм приведены в табл. 13.

В промышленных условиях для материалов, применяемых в корпусах полупроводниковых приборов, считается, что холодная сварка (по замкнутому контуру) осуществлена правильно, если величина относительной деформации находится в интервале 75--85%.

При заданном значении относительной деформации можно определить толщину сварного шва:

.

Усилие сжатия при холодной сварке Q = n•P•F, где п -- коэффициент, учитывающий склонность материала к упрочнению (обычно 1,5--2); Р -- удельное давление; F -- площадь проекции поверхности рабочей части пуансона.

При сварке однородных металлов удельное давление можно определить (приближенно) по формуле при условии, что ширина рабочей части пуансонов вдвое превышает необходимую толщину свариваемого металла: Р=GT[1.5 + 100/(100--К)], где GT -- предел текучести металла. Необходимые удельные давления для холодной сварки по замкнутому контуру некоторых металлов приведены в табл. 13.

Давление обычно в 5--8 раз превышает предел прочности свариваемых металлов при растяжении. При одно- и двусторонней сварках целесообразно толщину S буртиков выбирать одинаковой. Разная толщина буртиков допускается при отношении их толщин до 1,4.

Детали корпусов полупроводниковых приборов должны изготовляться из материалов, сочетания которых приведены ниже.

Особенностью способа герметизации холодной сваркой является значительная деформация околошовной зоны с сильным искажением формы детали. Деформация может передаваться в другие части детали и достигать зон металло-стеклянных и металлокерамических спаев и мест крепления полупроводниковых кристаллов. Это может вызвать разрушение спаев, ухудшение контакта полупроводникового кристалла с держателем (фланцем), растрескивание полупроводникового материала с изменением электрических параметров приборов.

Деформация свариваемых деталей при холодной сварке (рис. 97) вызывает увеличение наружного диаметра прибора



Рис. 1.6 Деформация деталей корпуса при холодной сварке

, уменьшение диаметра верхней детали баллона в околошовной зоне, увеличение высоты баллона Н.

Чтобы избежать деформации корпуса, применяют конструкции фланцев, держателей и баллонов с разгрузочными (компенсационными) элементами, способными в результате деформации снизить механические напряжения до безопасных значений.

Эти элементы ограничивают развитие пластической деформации в той зоне корпуса, где располагается полупроводниковый кристалл или подложка микросхемы. В качестве таких элементов (компенсаторов) чаще всего используют тонкие, способные легко деформироваться вертикальные стенки баллона или держателя 4 и разгрузочную канавку 3 во фланце 6 основания (рис. 98, а, б, в), реже -- гофрированные детали.

Для уменьшения вероятности появления подреза (рис. 99, а, б) и более равномерной деформации свариваемых металлов толщина сварочной кромки со стороны относительно мягкого материала должна быть на 10--20% больше, чем со стороны твердого. Конструкцию деталей и способ защиты от деформации выбирают в зависимости от размеров I прибора, условий его работы в аппаратуре и других факторов.



Рис.1.7 Элементы корпусов полупроводниковых приборов, герметизируемых холодной сваркой

а-держатель с разгрузочной канавкой, б-держатель с углублением вместо разгрузочной канавки,в-ножка с разгрузочной канавкой;1-плоскость монтажа кристалла,2-баллон,3-разгрузочная канавка,4-держатель,5-изолятолр,6-фланец.

Рис. 1.8 Схема холодной сварки корпусов без подрезания крышки (а) и с образованием подреза (б):-- крышка, 2-- корпус прибора, 3, 4-- нижний и верхний пуансоны

Качественное соединение деталей холодной сваркой можно получить в том случае, если будут созданы условия контакта чистых металлов соединяемых элементов, свободных I от оксидного слоя и жировых пленок. Поверхность деталей, подлежащих сварке, предварительно очищают от загрязнений и жировых пленок (промывают и обезжиривают). Однако к при такой обработке оксидный слой образуется вновь, поэтому необходимо применять специальные меры--нанести защитную пленку. Твердость защитной пленки должна быть выше твердости основного металла. Твердая пленка при деформации деталей в процессе холодной сварки растрескивается в околошовной зоне, выдавливается из зоны сварки, 1 основной материал оголяется и тем самым обеспечивается I качественное сцепление соединяемых материалов.

I Эффективным защитным покрытием для деталей полупроводниковых приборов является пленка из никеля толщина которой (3--9мкм) выбирается в зависимости от толщины буртиков под холодную сварку. Ее наносят химическим или гальваническим методом. Дефекты поверхности свариваемых деталей^ (трещины, раковины, расслоения и глубокие риски) должны составлять не более половины допуска на толщину материала деталей до покрытия. Чистота свариваемых поверхностей необходима 4--5-го класса. После промывки и обезжиривания детали разрешается брать только пинцетом, специальным инструментом и руками в резиновых перчатках или напальчниках.

Герметизация прибора холодной сваркой заключается в следующем. Собранный узел устанавливают в приспособление для холодной сварки (см. рис. 95), состоящее из направляющего стакана / и сварочного инструмента (верхнего 2 и нижнего 5 пуансонов). Приспособление после загрузки перемещают под шток гидроцилиндра пресса, на прессе задают предварительно выбранное давление и производят холодную сварку. После снятия давления приспособление разбирают и вынимают сваренный прибор.

Правильный выбор размеров рабочих частей инструмента (пуансонов)--одно из важных условий получения надежного холодносварного шва. Эти размеры зависят от толщины и диаметра свариваемых деталей. Рабочие части пуансонов должны иметь трапецеидальную форму с притуплением острых кромок с внутренней стороны для устранения подреза на утоненной части шва. Так, ширину рабочей части пуансона при суммарной толщине свариваемых кромок менее 0,8 мм рекомендуется выбирать от 0,8 до 1,4 толщин кромок для двусторонней сварки и 0,8--1,2 для односторонней. Высоту рабочей части пуансонов принимают 0,6--0,75 толщины кромки верхней (буртика) или нижней сварной детали (колпака или держателя).

Если верхняя и нижняя свариваемые детали выполнены из одного материала с одинаковой толщиной буртика, то размеры рабочих выступов должны быть одинаковые.

Пуансоны для холодной сварки изготовляют из легированных инструментальных сталей марок Х12, Х12М, ХВГ, ШХ13, а также из твердых сплавов ВК-20. Твердость материала пуансонов из стали после термической обработки должна быть 58--62, чистота их рабочих поверхностей соответствовать 7--10-му классу. Стойкость сварочного инструмента составляет не менее 5--8 тыс. сварок.

Перед началом и во время работы через каждые 300-- 500 сварок пуансон следует протирать сухой бязью. Заданная степень деформации свариваемых деталей обеспечивается ограничением хода рабочих частей пуансонов. Чистота обработки поверхности пуансона, забоины, вмятины, сколы и его твердость после термообработки имеют решающее значение для качества соединения. Трещины в пуансоне, несоответствие его размеров деталям герметизируемого корпуса, осадка рабочих частей вследствие недостаточной их твердости после термообработки могут являться причиной негерметичности соединения. Некачественное соединение возможно также из-за недостаточного усилия давления пуансонов на свариваемые детали.

Для холодной сварки используют механические, гидравлические и пневмогидравлические прессы, обеспечивающие давление не ниже 3-10 Па и заданную производительность.

Особенностью холодной сварки является сравнительно малый рабочий ход инструмента (до 5 мм), что позволяет упрощать конструкцию оборудования и повышать его производительность. В массовом производстве для герметизации корпусов диаметром до 30--40 мм применяют специализированные отечественные установки.

Из-за трудности автоматической загрузки деталей корпусов (с собранной внутренней арматурой приборов) в основном применяют полуавтоматические установки с ручной загрузкой, автоматическим проведением процесса герметизации и автоматической выгрузкой, например, гидравлические установки ИО 20007 и ИО 20011, являющиеся полуавтоматами. Полуавтоматы представляют собой механизмы периодического действия карусельного типа (рис. 100, а. б, в).

Весь механизм компактно смонтирован на литой станине (внутри которой помещена гидросистема) и закрыт скафандром, обеспечивающим при необходимости сварку в контролируемой среде. Скафандр служит для создания микроклимата при герметизации корпусов, полупроводниковых приборов и представляет собой сварной металлический каркас, закрытый органическим стеклом с резиновыми уплотнителями. В передней стенке скафандра имеются два отверстия, на обечайки которых надеты резиновые перчатки. Загерметизированные приборы подают в скафандр и извлекают из него через два шлюза 12. При герметизации скафандр заполняют инертным газом или осушенным воздухом.



Рис. 1.9.Полуавтомат И020007 для герметизации полупроводниковых приборов холодной сваркой:

а -- устройство, 6 -- кинематическая схема, в -- схема гидравлической системы; -- траверса, 2 -- бак, 3, 19 -- электродвигатели, 4 -- редуктор, 5--кли переменная передача, 6--механизм разгрузки, 7скафандр,8-карусель,9-отверстие для ввода рук,10-коробка с электрооборудованием,11-гидроцилиндр,12-шлюз,13,16-кулачки,14-улитка,15-золотник,17-диск с роликами,18-распределительный вал,20-насос,21-фильтр,22-манометр,23-инструмент,24-предохранительныйм клапан,25-маслопровод.

Двенадцатипозиционная карусель 8 служит для перемещения установленных в ее гнезда полупроводниковых приборов к месту сварки и к месту их выгрузки из сварочного инструмента. Холодную сварку выполняют только на одной позиции. Поршень приводится в движение маслом, поступающим по маслопроводам 25 от лопастного насоса 20. Гидравлическая система (рис. 100, в) работает следующим образом. При рабочем ходе масло поступает под поршень, который поднимается вверх и сжимает сварочный инструмент, находящийся в этот момент между штоком поршня и траверсой /, закрепленной на двух колонках. При этом масло из верхней полости гидроцилиндра сливается в бак. При обратном ходе поршня золотник 15 перемещается и масло по маслопроводам поступает в верхнюю полость цилиндра; поршень опускается вниз, давление с пуансонов снимается и масло из нижней полости цилиндра сливается в бак.

Предохранительный клапан 24 с переливным золотником предназначен для поддержания заданного постоянного давления в гидросистеме, а также для предохранения ее от перегрузки.

Для герметизации алюминиевых корпусов применяют холодную сварку сдвигом или продавливанием (см. рис. 96). Подготовленное под холодную сварку основание 5 корпуса вставляют в матрицу 4, и оно фиксируется по ее цилиндрической поверхности. Над основанием 5 помещается лента 3. Пуансон / при движении вниз вначале производит вытяжку крышки из ленты, затем совместную пластическую деформацию стенок основания и крышки, т. е. осуществляется холодная сварка сдвигом (продавливанием).

При дальнейшем движении вниз пуансон своим режущим плоским пояском 7 вырубает крышку из ленты 3 и в конце рабочего хода вытягивает через матрицу загерметизированный прибор 6. При движении пуансона вверх съемник 2 отделяет от него ленту. Сварной шов при такой сварке не выходит за пределы образующей цилиндрической части корпуса.

При холодной сварке сдвигом на соединенных деталях не образуется вмятин и углублений, а в месте сварки не уменьшается площадь поперечного сечения, т. е. пластическая деформация происходит в очень тонких слоях металлов, прилегающих к поверхности раздела соединения элементов.

К недостаткам холодной сварки относят ограниченный выбор материалов по свойствам и значительные деформации металлов, которые усложняют конструкцию корпуса и увеличивают габаритные размеры полупроводниковых приборов.

1.3.2 Герметизация контактной сваркой

Контактная (электроконтактная) сварка наиболее широко применяется для герметизации полупроводниковых приборов и микросхем в металлостеклянных корпусах круглой и прямоугольной формы со штырьковыми выводами (рис. 101), а также СВЧ-приборов в керамических корпусах.

Основными ее видами являются контактная сварка по контуру и шовная (роликовая).

Как указывалось ранее, контактной сваркой называется процесс получения неразъемного соединения материалов нагревом свариваемых кромок до пластического или расплавленного состояния с последующим их сжатием (осадкой). Нагрев свариваемых деталей производится в результате выделяемой теплоты при прохождении через них электрического тока.

Схема процесса герметизации контактной сваркой на конденсаторной сварочной машине показана на рис. 102. Процесс сварки состоит из сжатия свариваемых деталей корпуса, включения (замыкания) и выключения сварочного тока, а также снятия усилия сжатия.

Рис.1.10.Конструкция элементов корпусов, герметизируемых контактной сваркой: а --с узкнм сварным полем, б -- с рельефом

Рис.1.11 Схема процесса герметизации точечной контактной сваркой: 1 -- герметизируемый корпус, 2 -- электроды, 3 -- электрическая цепь сварочной машины,4 -- батарея конденсаторов,,5 -- выпрямитель

Основными элементами установки контактной сварки являются выпрямитель 5, который служит для преобразования переменного тока в постоянный, батарея 4 конденсаторов для накопления (аккумулирования) электроэнергии и переключатель для последовательного соединения батареи конденсаторов с источником питания (выпрямителем) и сварочным трансформатором, предназначенным для получения в сварочной цепи больших токов при низком напряжении.

Электрическая энергия накапливается при заряде конденсаторов от источника постоянного напряжения (выпрямителя), а затем расходуется при их разряде, превращаясь в процессе сварки в тепловую энергию. Нагрев металла происходит при замыкании сварочной цепи.

Количество выделяемой теплоты определяют по закону Джоуля -- Ленца:

Q=kI2Rt,

где I-- сварочный ток; R -- полное сопротивление между сварочными электродами; t -- время протекания сварки, k -- коэффициент пропорциональности.

Из формулы видно, что количество теплоты в значительной степени зависит от силы тока в сварочной цепи. Поэтому для быстрого нагрева свариваемых кромок применяют большие токи, достигающие нескольких десятков тысяч ампер. Полное сопротивление R состоит из сопротивления деталей, сопротивления между электродом и деталями и сопротивления сварочного контакта:

Электрическое сопротивление прохождению тока в месте контакта свариваемых деталей особенно велико, поэтому на этом очень малом участке выделяется большое количество теплоты.

С повышением температуры металла в зоне контакта его сопротивление возрастает, следовательно, еще более увеличивается количество выделяющейся теплоты и ускоряется процесс нагрева металла. Участки контакта вначале нагреваются током неравномерно, а затем ток перераспределяется между горячим и холодным металлом и нагрев выравнивается. Преимущественное тепловыделение в зонеконтакта сохраняется, и между деталями корпуса появляется расплавленное ядро, которое растет в объеме, перемещается и выравнивается по составу электромагнитным полем, создаваемым сварочным током. При использовании больших сварочных токов сварку выполняют за десятые и даже сотые доли секунды.

Герметизация изделий контактной сваркой -- высокопроизводительный процесс, легко поддающийся механизации и автоматизации. Режим контактной сварки характеризуется основными параметрами --током и временем его прохождения, силой сжатия и временем ее действия.

Ток во вторичной цепи, т. е. ток, проходящий через свариваемые детали,

где N -- мощность разряда; С -- емкость конденсаторов (принимаемая от 800 до 1200 мкФ на 1 мм периметра свариваемого корпуса); -- кпд процесса для точечной контактной сварки на конденсаторной машине (обычно 0,65); -- напряжение зарядки.

Мощность разряда, выделяемая источником питания и обеспечивающая заданную глубину проплавления по контуру, составляет от 50 до 150 кВт. Ее можно выразить через энергию, накапливаемую в конденсаторной батарее, которую регулируют изменением емкости и напряжением зарядки,

где --энергия, накапливаемая в конденсаторной батарее; С -- емкость конденсаторов; tp -- время разряда. Из последней формулы можно определить напряжение зарядки

Для определения тепловых и температурных режимов пользуются часто понятием плотности тока, проходящего через контакт: , где -- площадь контакта свариваемых деталей. Усилие сжатия свариваемых узлов можно определить по формуле где -- удельная нагрузка (ббычно 12--18 кг/мм2).

Учитывая, что плотность сварочного тока должна быть очень большой, площади контакта часто уменьшают, создавая свариваемую поверхность определенного вида (рис. 103, а -- г) или придавая отбортовке деталей специальную наклонную конфигурацию. При этом сварка осуществляется в месте контакта острой кромки отбортовки одной из деталей с плоской поверхностью отбортовки другой детали (рис. 104, а, б), что значительно повышает качество и стабильность контактной сварки.