Глава 13

Герметизация изделий электроники и контроль герметичности

13.1. Герметизация корпусов сваркой

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

Постоянное стремление к повышению компактности, мини­атюризации и быстродействию электронных систем вызывает увеличение плотности рассеиваемой мощности, 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.

Под герметизацией прибора 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;

• конструкции без внутренних газовых полостей, в которых герметизирующий материал контактирует с рабочей поверх­ностью изделия (монолитные конструкции).

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

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 изделий летучих веществ, 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 (сваркой или пайкой).

Наиболее надежны корпуса и покрытия на основе неоргани­ческих материалов; очень распространена герметизация изде­лий, помещенных в металлостеклянные или металлокерамичес-кие 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.

В зависимости от типа корпуса и предъявляемых требова­ний герметизация может осуществляться пайкой, холодной сваркой, электроконтактной сваркой, сваркой плавлением и др. В электронной промышленности наиболее распространены способы герметизации холодной и электроконтактной сваркой, пайкой и пластмассами.

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 метал-лостеклянных корпусов транзисторов и диодов средней и боль­шой мощности.

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 объема.

Для герметизации корпусов применяют чаще холодную свар­ку, образующую соединение внахлест - точечную холодную сварку по замкнутому контуру (периметру) силами Р, направленными перпендикулярно свариваемой поверхности (см. рис. 13.1), и значительно реже - холодную сварку сдвигом или продавлива-нием при одновременном действии нормальных и тангенциаль­ных усилий.

Сварка по замкнутому контуру может быть с одно- и двух­сторонним деформированием. Сварку с односторонним дефор­мированием применяют для соединения деталей из разнород­ных металлов, так как устраняется опасность образования силь­но подрезанного участка шва с наружной стороны более мяг­кой детали, хотя прочность на отрыв получается меньшей, чем при сварке с двухсторонним деформированием.

Сварку с двухсторонним 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:

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. При заданном значений относительной де­формации можно определить толщину сварного шва:

(13.2)