Методическое пособие 700

Чистый корунд (α-модификация оксида алюминия Al2O3) плавится при температуре 2323 К. При массовом производстве деталей для электронных приборов (оснований и крышек корпусов, подложек,

держателей, различных изолирующих вставок и т.д.) для снижения температуры спекания керамики до 1773-2073 К к исходному порошку глинозема добавляют оксиды марганца, магния, кремния, кальция, хрома, титана, циркония. В результате содержание Al2O3, в зависимости от марки керамики, устанавливается в пределах от 26 до 97 масс. %. За последние 10 – 15 лет для изготовления плат и корпусов ИС разработано и освоено около 20 марок корундовой керамики.

Все марки керамики, которые идут на изготовление корпусов, имеют практически нулевое водопоглощение, удельное объемное сопротивление при комнатной температуре не менее 1014 см и пробивное напряжение не менее 10 кВ/мм. При необходимости создания большой рассеиваемой кристаллом мощности алюмооксидную керамику заменяют бериллиевой, которая в 7 – 10 раз превосходит ее по теплопроводности.

Высокая стоимость и токсичность бериллиевой керамики препятствуют более широкому ее применению.

Впоследнее время стали использовать для этой цели керамику из нитрида кремния, хотя стоимость ее сейчас в десятки раз выше стоимости глинозема.

Втабл. 4.5. дано сравнение используемых в корпусах материалов по теплопроводности.

Впрогнозах, касающихся перспектив развития керамики для подложек и корпусов ИС, особо отмечается, что наиболее быстрыми темпами будет увеличиваться производство бескислородной керамики (AlN, SiC, BN), стеклокерамических и других композиционных материалов на основе керамики, в которых сохраняются наиболее важные свойства нескольких керамических материалов. Например, можно изготавливать подложки, имеющие высокую теплопроводность нитрида алюминия

Переход к управлению свойствами создаваемой "электронной" керамики, к предварительному прогнозированию и даже расчету этих свойств станет, повидимому, обычной практикой в техноло-

гии производства керамики в ближайшие годы.

В Японии в настоящее время резко увеличивается объем работ по получению и использованию тонких алмазных пленок (ТАП). Применение ТАП и алмазной керамики открывает большие перспективы в микроэлектронике благодаря их колоссальной теплопроводности (до 900 – 1000 Вт/м·К) и очень высокой диэлектрической прочности (порядка 40 кВ/мм). Уже удается получить ТАП толщиной 0,025 мкм и более, площадью до 20 – 30 см2 на различных подложках. Рекордная скорость осаждения ТАП (до 180 мкм/ч) достигнута в настоящее время в Японии. Алмазную керамику, получаемую прессованием при высоких температурах и давлении и содержащую до 70 – 95 % зерен алмаза, выпускают многие фирмы Японии, США. Подложки из этой керамики будут использоваться в приборах высокотемпературной микроэлектроники.

4.4. Металлостеклянные корпуса

Другой большой группой диэлектрических материалов, применяемых в корпусах различного типа, являются стекла. Основу многих марок стекол составляет оксид кремния. Но чисто силикатное (кварцевое) стекло имеет малый КТР, порядка (0,3 – 0,5)·10-6 град-1, что не дозволяет получать ненапряженные прочные спаи с металлами или керамикой. Для увеличения КТР в него вводят группы (Р04)-3, (ВО4)-3. Обычными добавками являются также Al2O3, РbО, B203. Особым видом диэлектриков являются ситаллы – кристаллизующие стекла, например, на основе лития или магнийалюмосиликатные. По свойствам они занимают промежуточное положение между стеклами обычных марок и керамикой.

Основные недостатки, присущие всем маркам стекол, – низкая теплопроводность, нестойкость к воздействию ки-

слот. Кроме того, стекло – хрупкий материал, а его электрические свойства заметно изменяются с температурой.

4.5.Пластмассовые корпуса

Внастоящее время во всех странах ИС широкого применения выпускаются в пластмассовых корпусах (ПК), которые обеспечивают низкую себестоимость и простоту организации автоматического производства. К недостаткам этих корпусов следует отнести их относительно малую прочность, нагрузки на корпус передаются кристаллу, что резко снижает надежность ИС по сравнению с аналогичными схемами в металлокерамических и металлостеклянных корпусах.

Основные виды отказов ИС в ПК при эксплуатации ИС: обрывы внутренних проволочных соединений, коррозия металлизации, деградация электрических

параметров, – обусловлены следующими причинами:

-наличием внутренних механических напряжений в монолитной конструкции ИС из-за различия коэффициентов термического расширения (КТР) полимерной оболочки, кристалла, внутренних и внешних выводов;

-наличием ионных примесей Na+, Cl- и других из-за недостаточной чистоты полимерных материалов;

-относительно высокой влагопроницаемостью пластмассовой оболочки, что приводит к проникновению активных ионов из полимера непосредственно на рабочую поверхность кристалла;

-невозможностью объективного контроля целостности оболочки монолитных конструкций ПК.

Последняя причина является наибо-

лее существенной, так как в процессе производства ИС в ПК испытывают значи-

тельные механические и тепловые нагрузки (обрубка и сгибание выводов, лужение выводов, термоциклирование и др.), что может приводить к появлению микротрещин, сквозных каналов и других дефектов, выявлять которые визуально очень трудно. В результате повышается интенсивность отказов ИС.

Источником усилий, воздействующих на схему в процессе ее производства, являются различия в температурных коэффициентах расширения отдельных элементов схемы. При достаточно высоких температурах, при которых ведутся отдельные этапы производственного процесса (присоединение элементов – 175 °С, приварка внутренних проводников – 150 °С, заливка корпусов – 175°С и пр.), различия в коэффициентах расширения могут создавать существенные усилия. Это может сказаться и на проценте выхода

годных схем в производстве, и на их надежности. В принципе эти усилия могут влиять на физические свойства кремниевого кристалла, смещая электрические характеристики ИС, увеличивая пределы допусков на изменения электрических характеристик и на возможность обрывов внутренних соединений или повышения токов утечки между элементами схемы.

В зависимости от размера кристалла при испытаниях на температурные циклы с изменениями температуры от –65 до +150 °С данные по отказам ИС в пластмассовых корпусах представлены в та6л.

4.6.

Из табл. 4.6. видно, что при температуре 150 °С было обнаружено больше отказов, то есть корпуса отказывали при переходе от минусовой температуры к плюсовой, а не наоборот. Из таблицы совершенно очевиден вывод, что при увеличении количества термоциклов количество отказов возрастает. Точно также количест-

0/34во отказов возрастает и при увеличении

0/34размеров кристалла.

0/34

5/40применяются стеклокерамические корпуса 5/40(СКК) чашечного типа, обеспечивающие 1/38высокую надежность ИС. Кристалл и про- 6/38волочные соединения размещены во внут16/38ренней полой зоне, что значительно сни23/38жает долю отказов ИС из-за обрывов. Од-

нако герметизация СКК происходит при довольно высокой температуре (порядка 450 °С) в течение 7 – 10 мин. Например, исследования показали, что воздействие указанного режима герметизации на ИС с диодами Шоттки на основе алюминия приводит к возрастанию прямого напряжения от 10 до 40 мВ. Это снижает выход годных по электропараметрам ИС на 5 – 10 % по сравнению с теми же ИС, герме-

тизируемыми при более низких температурах. В результате повышается себестоимость их производства. Еще более чувствительны к воздействию высокой температуры герметизации ИС на основе МОПтранзисторов.

С целью повышения процента выхода годных изделий, повышения качества и надежности ИС при эксплуатации разработаны металлополимерные и керамикополимерные корпуса чашечного типа, конструкция которых выполнена аналогично конструкции стеклокерамических корпусов, с той лишь разницей, что герметизация осуществляется не стеклом, а полимером при низкой температуре (не выше 180 °С). Наличие полой зоны внутри корпусов позволяет отбраковывать негерметичные ИС стандартными методами.

Чашечные металлополимерые (МПК) н керамикополимерные (КПК) корпуса состоят из основания, крышки и выводной

рамки. Основание и крышка в МПК изготовлены из алюминиевого сплава и покрыты изоляционной анодной пленкой оксида Al2O3, а в КПК – из керамики, применяемой для стеклокерамических (СКК) и металлокерамических корпусов (МКК).

На рабочих поверхностях основания

икрышки, имеющих в центре несквозные углубления для формирования внутренней полости в корпусе, содержится слой частично отвержденного термореактивного компаунда. В процессе герметизации МПК

иКПК основание, выводная рамка и крышка совмещаются, и при температуре не выше 180 °С происходит полное затвердевание компаунда с образованием

узкого полимерного шва площадью не более 0,8 см2. Внешние выводы МПК и КПК проходят сквозь полимерный шов. В качестве термореактивного компаунда применен порошкообразный эпоксидный полимер. Его достоинства: высокая влагостой-

кость, обусловленная более низкими, чем у других полимеров, коэффициентами сорбции, проницаемости и диффузии; низкое содержание ионных примесей (на уровне лучших пресс-материалов); высокая технологичность при нанесении и герметизации; высокое содержание наполнителя, обеспечивающее необходимую вакуумную плотность полимерного материала, что позволяет проводить контроль герметичности корпусов не только жидкостным, но и гелиевым методом.

4.7. Перспективные корпуса

Надежность перспективных корпусов будет иметь весьма важное значение при обеспечении высокой надежности ИС. Перспективные схемы должны обладать большой функциональной сложностью и быстродействием. Это приводит к требованиям высокой плотности расположения

миниатюрных компонентов на кристаллах схем, малых габаритов кристаллов, большого количества выводов схем. Уже сегодня следует рассчитывать на количество выводов до 300 и выше. Такие схемы в пластмассовом плоском квадратном корпусе уже распространяются в Японии и в США. Если в начале развития ИС корпуса имели шаг выводов 2,54 мм, то начали распространяться схемы с шагом выводов 0,65 и даже 0,4 мм. Однако при уменьшении шага между выводами до 0,4 мм возникают трудности при любой конструкции выводов: шаг слишком мал и вероятность появления мостков между пайками оказывается чрезмерно большой. Резко уменьшается надежность ИС и аппаратуры, увеличивается частота ремонтов печатных плат во время изготовления, затрудняется ремонт и усложняется эксплуатация аппаратуры.