книги из ГПНТБ / Курносов, А. И. Технология производства полупроводниковых приборов учеб. пособие

В скафандрах всегда поддерживается небольшое избыточное дав­ ление, затрудняющее доступ воздуха из окружающей атмосферы.

В скафандрах производят загрузку кассет, идущих на сбороч­ ную пайку или сплавление, разгружают и сушат кристаллы после химической обработки р-га-переходов и промывки, производят за­ щиту поверхности р-п-переходов. Для этого к скафандрам через шлюзы подсоединяют необходимые приспособления и машины так, чтобы кристаллы после обработки не соприкасались с воздухом.

Обычно в сборочной линейке последовательно выполняют все операции, вплоть до герметизации корпуса. Это позволяет избежать попадания загрязнений из окружающей атмосферы на поверхность кристаллов и элементов конструкции.

§ 10.2. Герметизация с помощью стеклянных, металлостеклянных и металлокерамических корпусов

Для герметизации полупроводниковых приборов используют металлические баллоны, которые соединяют с фланцем или кристаллодержателем. В баллон двухэлектродных приборов, управляе­ мых вентилей и некоторых видов транзисторов впаивают через стеклянный или керамический изолятор коваровую трубку, назы­ ваемую штенгелем. Через штенгель от кристалла проходит элект­ родный вывод, являясь, таким образом, электродом.

Соединения баллона с кристаллодержателем и герметизацию штенгеля производят холодной сваркой, электроконтактной свар­ кой и пайкой.

Х о л о д н а я с в а р к а

В том случае, если нагрев деталей недопустим и требуется вы­ сокая чистота герметизации, применяют холодную сварку — свар­ ку под давлением. Кроме того, холодная сварка обеспечивает проч­ ное герметичное соединение наиболее часто используемых цветных металлов — меди, алюминия и никеля, а также свинца, цинка, кад­ мия, серебра, титана, ковара и др.

Большое значение для холодной сварки имеет наличие на по­ верхности соединяемых деталей пленки окисла. Если эта пленка пластичная и более мягкая, чем основной металл, то под давлени­ ем она растекается во все стороны и утоньшается, разделяя тем самым чистые металлические поверхности, в результате чего свар­ ка не происходит. Если оксидная пленка более хрупкая и твердая, чем покрываемый ею металл, то под давлением она трескается. Причем растрескивание происходит одинаково на обеих соединяе­ мых деталях. Загрязнения, имевшиеся на поверхности пленки, ока­ зываются упакованными с обеих сторон в своеобразные пакеты, прочно зажатые по краям. Дальнейшее увеличение давления при­ водит к растеканию чистого металла к периферийным участкам. Наибольшее растекание 'происходит в серединной плоскости

291

образовавшегося шва, благодаря чему все пакеты с загрязнениями вытесняются наружу, а чистые поверхности металла, вступая в атомное взаимодействие, прочно сцепляются друг с другом. Про­ исходит холодная сварка (рис. 10.3).

Следовательно, хрупкость и твердость—это основные качества окисной пленки, обеспечивающие герметичное соединение. Так как у большинства металлов толщина покрытия окисными пленками не превосходит 10-7 см, детали из таких материалов перед сваркой никелируют или хромируют.

Существуют два основных метода холодной сварки: встык и внахлест. Первый практически не используют в полупроводнико­ вом производстве. Разновидность второго — сварку по периметру применяют для герметизации балло­ нов. Она состоит в следующем. Кристаллодержатель 1 помещают в ниж­ ний полый пуансон 2 на кольцевой вы-

Л

ступ и накрывают баллонохм 3, центрируемым с помощью верхнего пуансона 4 с кольцевым выступом такого же диаметра (рис. 10.4). Между нижним и верхним пуансонами помещается втулка 5.

Перед сваркой детали с целью очистки подвергают промывке в бензине и отжигают в водороде или формир-газе при 700—750° С в течение 15—20 мин. После химической очистки и гальванического никелирования слоем 10—20 мкм детали промывают в этиловом или метиловом спирте.

Для образования качественного соединения двух деталей необ­ ходимо выбирать их таким образом, чтобы в области контакта не возникало больших упругих напряжений.

Возникновение упругих напряжений приводит к разрушению свариваемого соединения после снятия давления.

Необходимыми условиями при холодной сварке являются: а) точная сборка и чистота свариваемых деталей; б) обеспечение достаточной деформации; в) пластичность свариваемых материалов.

292

П р о ч н о ст ь св а р н о г о со е д и н ен и я о п р е д е л я ю т п о ф о р м у л е

р = 0,4

где р — усиление разрыва, кГ;

D — диаметр отпечатка выступа пуансона;

Н — толщина одной из деталей с наименьшим размером, мм; а — предел прочности на растяжение с наименьшим значением.

Для деталей корпусов при холодной сварке рекомендуются сле­ дующие сочетания материалов: медь МБ — медь МБ; медь М Б — медь Ml; медь МБ — сталь 10; сплав Н29К18 (ковар)-— медь МБ; ковар — медь Ml.

Режим холодной сварки зависит от степени деформации, кото­ рая должна быть в пределах 75—85%. Степень деформации при сварке можно определить по формуле

К = ^ =-- -100?6,

где 2Н — суммарная толщина свариваемых деталей; t — толщина сварного шва.

Э л е к т р о к о н т а к т н а я с в а р к а

Электроконтактную сварку используют для соединения электри­ ческих выводов с электродами, кристаллодержателей и баллонов с фланцами, а также для заварки штенгеля.

Перед сваркой с целью удаления жировых загрязнений, препят­ ствующих однородному соединению, детали промывают в раствори­ теле; травлением в кислоте или щелочи удаляют плотные окисные пленки.

Свариваемые детали помещают между двумя электродами, к которым подводят напряжение. В данной цепи наибольшим со­ противлением обладает переходный контакт между деталями, где и происходит выделение большей части электрической мощности. В результате контактная область разогревается и плавится. Затем Напряжение отключают и область расплава охлаждается—детали свариваются.

Чтобы сварка происходила по всей площади соприкосновения, сварочные станки снабжены системой сжатия электродов с не­ сколькими последовательными операциями давления. Сами элект­ роды должны быть строго выверены и подшлифованы так, чтобы между ними не оказалось зазора. Для уменьшения нагрева через внутренние области электродов пропускают воду.. Размер контакт­ ной поверхности электродов должен быть меньше размера свари­ ваемых деталей, иначе возможен пережог деталей и выплеск

293

капель металла внутрь корпуса прибора. Подобное явление наблю­ дается при штенгелевке и может привести к ухудшению парамет­ ров прибора и к внезапным замыканиям электродов в процессе эксплуатации. Для предотвращения выплесков штенгель пережи­ мают на большой длине, а контактную сварку производят только на самом конце. Кроме того, если можно применить гибкий вделан­ ный в штенгель электрический вывод, то вначале осуществляют штенгелевку, затем через оставшееся отверстие между баллоном и фланцем вычищают выплески металла и потом выполняют окон­ чательную герметизацию корпуса холодной сваркой.

П а й к а

Для герметизации мощных полупроводниковых приборов, на­ пример кремниевых вентилей, применяют пайку, так как электроконтактная и холодная сварки требуют довольно сложного обору­ дования.

Припои для герметизации должны иметь температуру плавле­ ния ниже температуры плавления соединяемых элементов и припо­ ев для сборки, хорошую жидкотекучесть и высокую смачивающую способность для заполнения любых микроскопических зазоров, ма­ лую окисляемость; ТК1 припоя должен быть близок к 77(7 соеди­ няемых деталей. Припои не должны разрушаться под воздействием окружающих атмосферных условий.

Пайка стекла с металлом. Стекло ни с одним из чистых метал­ лов не сплавляется, так как чистая поверхность металла не сма­ чивается или плохо смачивается жидким стеклом. Однако если по­ верхность металла покрыта слоем окисла, то смачивание улучшает­ ся, окисел частично растворяется в стекле и после охлаждения может произойти герметичное соединение. Основная трудность при изготовлении спаев металл — стекло состоит в подборе компонен­

прибора. Даже небольшое различие в ТК1 приводит к возникнове­ нию механических напряжений и, как следствие, микротрещин, че­ рез которые в корпус могут попасть влага, растворы солей, кисло­ род и т. п., что обусловливает нестабильность параметров или вы­ ход прибора из строя.

Известны следующие пути осуществления пайки металлов со стеклом, предотвращающие термические напряжения:

1)подбор компонентов с одинаковыми ТК1\

2)применение стеклянного припоя в виде суспензии с метал­ лическим порошком, у которых достаточно близкий TKh

3)постепенный переход от металла к основному стеклу с по­ мощью промежуточных стекол с различными 77(7;

4)спай стекла с мягким пластичным металлом, способным де­ формироваться при изменении температуры;

5)металлизация поверхности стекла, т. е. получение тонкой, способной деформироваться прослойки металла.

294

Наиболее приемлемым является первый путь. Лучшим сочета­ нием при этом считается стекло ЗС-5 с коваром, используемые во многих типах полупроводниковых приборов.

Практически применяют три метода сплавления стекла с ме­ таллом:

1)в пламени газовой горелки;

2)с помощью токов высокой частоты;

3)в муфельной или силитовой печах.

Во всех случаях процесс проводят на воздухе, так как наличие окисной пленки способствует сплавлению. Однако если при этом окисная пленка приобретает чрезмерную толщину, что сопровож­ дается повышением пористости и отслаиванием ее от металла, то процесс осуществляют в два этапа: вначале в требуемых условиях производят окисление металлических элементов, а затем в инерт­

Fe, 18% Со, 54% Ni) — стекло С49-2, с вольфрамом — ВС-9, П-15,

с молибденом — ЗС-5, ЗС-8. После сплавления для предотвраще­ ния термических напряжений рекомендуется отжиг.

Пайка керамики с металлом. В полупроводниковой технике, так же как в электровакуумной, большое внимание уделяется спаям металла с керамикой, которые обеспечивают более надежную гер­ метизацию и менее подвержены воздействию термоциклирования, чем спаи металла со стеклом. Рассмотрим некоторые способы соз­ дания спаев керамики с металлами.

1. Пайка керамики с металлом с помощью стеклообразной мас­ сы. Стеклообразную массу (стекло, глазурь, эмаль) наносят в ви­ де порошка на соединяемые поверхности или разбрызгивают в со­ ставе водной суспензии. После просушки порошок оплавляется в печи с нейтральной атмосферой или на воздухе. Выбор соединяю­ щего материала зависит от 77(7 керамики, металла и стеклообраз­ ной массы. Поскольку прочность стеклообразных материалов и ке­ рамики па сжатие выше, чем на растяжение и изгиб, конструкция соединения должна быть такой, чтобы возникающие в нем усилия были сжимающими. Спаи керамики с металлом с помощью стекло­ образных масс не выдерживают очень больших тепловых нагрузок, поэтому в полупроводниковой технике их применяют редко.

2. Пайка керамики с металлом с помощью металлических по­ крытий. Обычно применяемые припои не смачивают керамические поверхности, поэтому на керамике предварительно создают проч­ ный и тонкий слой металла. Металлические покрытия, нанесенные химическим осаждением или напылением в вакууме, не обеспечи­ вают надежной пайки вследствие слабого сцепления этих покрытий с керамической поверхностью. Хорошее сцепление с керамикой да­ ст способ металлизации вжиганием. При вжигании паст темпера­ тура печи должна возрастать постепенно. Кроме того, необходимо обеспечивать удаление продуктов сгорания растворителя. Толщина пожженного слоя металла составляет обычно несколько микрон.

295

Нанесение пасты и вжигание ее можно повторять по нескольку раз, при этом толщина слоя увеличивается и качество покрытия улуч­ шается. Полученную таким образом металлизированную керамику можно паять мягкими и твердыми припоями.

Распространенным способом нанесения металлических покры­ тий является спекание слоя чистого порошкового металла или сме­ си металлов с керамикой. Для этого применяют главным образом порошки молибдена, вольфрама, рения, тантала, железа, никеля, марганца, кобальта, хрома, серебра и меди с величиной зерен в не­ сколько микрон. Порошок наносят на поверхность ровным слоем толщиной в несколько десятков микрон. Для этого готовят взвесь порошка в ацетоне, амилацетате, метиловом спирте, дистиллиро­ ванной воде с добавкой связующего вещества типа нитроцеллюло­ зы, шеллака и т. п. После нанесения порошка на керамику произ­ водят сушку и отжиг в защитной атмосфере.

Наиболее прогрессивным способом пайки керамики с металлом является диффузионное соединение под давлением. Хорошее сцеп­ ление достигается в результате диффузии соединяемого металла или его окиси в керамику. Процесс диффузии более качественен, если детали хорошо соприкасаются друг с другом и их поверхности предварительно отшлифованы.

§ 10.3. Герметизация корпусов с помощью пластмасс

Дорогостоящие стеклянные, металлостеклянные и металлокера­ мические корпусы успешно заменяют пластмассовыми корпусами. В ряде случаев это повышает надежность приборов, так как устра­ няется контакт /7-л-перехода с газовой средой, находящейся внутри корпуса, и уменьшается количество спаев в конструкции корпуса.

Герметизирующие материалы. Для герметизации полупроводни­ ковых приборов используют различные пластические материалы; например, заливочныекомпаунды ЭКМ, ЭЦД и пресс-порошки ЭФП-60. Основные электрофизические свойства этих материалов приведены в табл. 10.3.

В качестве герметизирующего материала часто используют эпоксидные смолы ЭД-5, ЭД-6 с различными отвердителями

(табл. 10.4).

Наряду с эпоксидными компаундами в качестве герметизирую­ щих материалов широко распространены синтетические эластоме­ ры (табл. 10.5), особенно полисульфидные (тиоколы) и кремнийорганические эластомеры.

Методы герметизации. Основными методами герметизации явля­ ются: заливка смолой металлических полых цилиндров, обволаки­ вание смолой кристалла с внешними выводами, опрессовка под давлением, литье под давлением (трансферное литье).

Рассмотрим примеры герметизации пластмассой.

1. Полый металлический цилиндр припаивают к медному осно­ ванию в виде диска или прямоугольника. Это основание может иметь один или несколько изолированных внешних выводов. Внутрь

296

Цилиндра на нижнее основание напаивают полупроводниковый кри­ сталл с р-п-переходами. К кристаллу крепят внешние электриче­ ские выводы термокомпрессионной сваркой. В цилиндр на полови­ ну объема заливают пластичный мягкий материал, например сили­ коновый каучук, который подвергают термической сушке. Остав­ шийся объем цилиндра заполняют эпоксидной смолой, которая за­ твердевает при высокой температуре. Чтобы увеличить механиче­ скую прочность всей конструкции, в верхней части цилиндра дела­ ют буртик для прочного закрепления пластмассового материала внутри корпуса.

2. Компаундом на основе эпоксидной смолы заливают полый Керамический цилиндр, к нижнему концу которого припаян диск из ковара, покрытого с обеих сторон золотом. К диску припаивают кристалл полупроводника с р-ц-переходом.

Верхним электродом служит проволока из фосфористой бронзы Диаметром 30 мкм, приваренная одним концом к кристаллу полу-

297

проводника, а другим к верхнему металлизированному торцу кера­ мической втулки. Верхнюю часть поверхности герметика покрыва­ ют проводящим составом из 20% эпоксидной смолы и 80% серебра.

3.При герметизации мощных приборов, имеющих кристаллодержатель с винтом для крепления к теплоотводящему радиатору, вместо металлической применяют пластмассовую заливку верхней части прибора. Для механической прочности пластмассового корпу­ са и прочной его связи с основанием кристаллодержателя в послед­ нем делают выступ в виде ласточкина хвоста, направленного внутрь основания.

4.Для герметизации приборов с аксиальными выводами корпу­ сом служит стакан из полимеризованной эпоксидной смолы, имею­ щий отверстия для выводов. В стакан вставляют втулку из орга­

нического компаунда, через отверстия которой проходят металли­ ческие выводы к припаянному к ним кристаллу полупроводника с р-н-переходом. Герметизацию осуществляют в. специальной труб­ чатой оправке.

298

Т а б л и ц а 10.5

Электрофизические свойства эластомеров

5. Два вывода, изготовленные из ленточного металла или про­ волоки, соединяют посредством стеклянной или керамической бусы. На один из выводов на Небольшом расстоянии от бусы напаивают полупроводниковый кристалл с р-/г-переходом. К этому кристаллу с помощью термокомпрессионной сварки присоединяют проволоку, приваренную предварительно ко второму выводу. Полученную та­ ким образом конструкцию герметизируют путем заливки органиче­ ским составом и последующим обволакиванием всей поверхности кристалла, бусы и части выводов. Аналогичным образом гермети­ зируют многовыводные приборы.

6. Полупроводниковый кристалл с р-п-переходом монтируют на металлических выводах, которые предварительно скреплены и изо­ лированы друг от друга пластмассовым основанием. Затем всю со­ бранную конструкцию помещают в форму и заливают пластмассой. После затвердевания материала прибор вынимают из литье- в°и формы и удаляют пластмассовое основание.

Сборка и герметизация на ленте. Наиболее перспективным ре­ шением проблемы сборки и герметизации полупроводниковых при­ боров является переход от дискретных методов к сборке полупро-

299