книги из ГПНТБ / Минскер Ф.Е. Сборка полупроводниковых приборов учеб. пособие

кислотостойкостью. Из разбавленных кислот на них действует только кремшшфтористоводородная. Концентрированная серная кислота при нагревании действует слабо.

К недостаткам нитридных пленок можно отнести следующие: слон толщиной более 1 мкм имеют тенденцию к растрески­ ванию вследствие возникновения напряжений на границе между

кремнием и нитридом кремния; молекулы газа, химически активированные разрядом, интен­

сивно адсорбируются слоем нитрида кремния, поэтому готовая пленка часто содержит большое количество атомов газа, что мо­ жет вызвать сильные отклонения в структуре и свойствах слоев.

Физическая сущность процесса нанесения пленки двуокиси кремния на полупроводниковые структуры методом реактивного распыления ничем не отличается от рассмотренного выше про­ цесса нанесения нитридной пленки. Чтобы распыляемый крем­ ний подвергался окислению, разряд производится либо в кис­ лороде, либо в смеси кислорода и инертного газа (например, ар­ гона). Кислород и инертный газ, используемые для разряда, должны быть высокой чистоты. Пленка SіОг, полученная таким способом, аморфна, прочно связана с кремнием ковалентными связями и свободна от каких-либо загрязняющих примесей. Пленка имеет высокую термостойкость и хорошие диэлектричес­ кие характеристики.

На некоторых сплавных структурах окисные защитные слои образуют с помощью окислителей, например, путем погружения в кипящую азотную кислоту с последующей выдержкой.

Титанирование применяют для защиты кремниевых и герма­ ниевых транзисторов. Сущность процесса состоит в том, что полупроводниковую структуру путем окунания или в парах суспен­ зии покрывают одним из сложных эфиров (например, негидролизированным титановым эфиром), затем покрытие стабилизиру­ ется при повышенной температуре. В результате получаются прочные химически связанные с поверхностью полупроводнико­ вого прибора пленки двуокиси титана ТіОг.

Контрольные вопросы

1.Каково назначение травления перед защитой полупроводниковых структур?

2.Какие существуют методы защиты переходов?

3.Какие требования предъявляют к защитному покрытию?

4.Назовите известные вам способы лакирования.

5.Какие преимущества и недостатки имеет метод лакирования?

6.Как осуществляется контроль залакированных структур и каковы ос­ новные виды брака?

7.В чем сущностБ метода силаиировапия?

8.Назовите преимущества и недостатки силаиировапия.

9. В чем заключается метод реактивного распыления нитридных пленок

вплазме низких энергий?

10.Как протекает технологический процесс защиты легкоплавкими

стеклами?

11.Какие способы защиты тугоплавкими стеклами?

12.Для чего нужна защита поверхности с /;-я-переходом?

Глава VI

ГЕРМЕТИЗАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Надежность полупроводниковых приборов в процессе рабо­ ты в аппаратуре и при хранении в значительной степени опреде­ ляется герметичностью соединения, получаемого во время гер­ метизации приборов в корпус.

Несмотря на появление в последние годы самых разнообраз­ ных методов герметизации: бесфлюсовой пайки, диффузионной сварки, сварки электронным лучом, наибольшее распростране­ ние в полупроводниковой промышленности, особенно в серийном производстве, получили холодная и электроконтактная сварки.

§ 23. Герметизация холодной сваркой

Метод герметизации полупроводниковых приборов холодной сваркой применяется для герметизации транзисторов и диодов средней и большой мощности.

Рис. 63. Деформация корпуса при герметизации холодной сваркой

Достоинством метода холодной сварки является отсутствие нагрева при герметизации и сопровождающего явления нагре­ в а — выделения газов внутрь герметизируемого объема. Необхо­ димо учитывать, что в результате значительной деформации де­ талей корпуса в месте соединения при холодной сварке наблюда­ ется существенное изменение формы и габаритных размеров корпуса (рис. 63), величина которых может быть подсчитана.

Увеличение наружного диаметра прибора D\ определяется'по формуле

ДD i = cI d -{S b-\ -S h),

где q'-D— коэффициент, учитывающий увеличение диаметра;

(Д о = 0 , 6 - М , 3 ,

93

верхней детали; <7"о = 0,5-у0,8.

Увеличение высоты Н колпака для транзисторов и баллона для диодов при величине Ö ,Z 8 мм определяется по формуле,

A t f = <7„-5в,

где qn— коэффициент, учитывающий увеличение высоты верхней детали корпуса; ^а=0,3ч-0,6.

Для герметизации полупроводниковых приборов может при­ меняться двусторонняя или односторонняя холодная сварка по замкнутому контуру. Двусторонняя сварка рекомендуется для соединения деталей из однородных металлов, а односторонняя предпочтительна для соединения деталей из разнородных метал­ лов из-за опасности образования сильно подрезанного участка со стороны более мягкой детали и последующего нарушения гер­ метичности прибора в процессе эксплуатации. Однако на прак­ тике избегают образования подрезанного участка путем увели­ чения ширины рабочей части пуансона со стороны мягкой детали.

Как указывалось выше, особенностью метода герметизации холодной сваркой является значительная деформация около­ шовной зоны с сильным искажением формы деталей. При этом деформация может передаваться в другие части детали и дос­ тигать зон металло-стеклянных и металлокерамических спаев и мест крепления полупроводниковых структур. Она может выз­ вать разрушение спаев, ухудшение контакта полупроводнико­ вой структуры с держателем (фланцем), растрескивание полу­ проводникового материала с потерей необходимых электричес­ кихпараметров приборов. Чтобы избежать распространения деформаций, применяют различные конструкции ножек, фланцевдержателей, колпаков и корпусов баллонов, предусматривающие защиту полупроводниковых структур и спаев металл-изолятор (рис. 64). Конкретную конструкцию деталей и метод защиты от деформации выбирают в зависимости от устанавливаемых габа­ ритов прибора, условий его работы в аппаратуре и мощности.

В частности, толщину буртиков выбирают в зависимости от диаметра £):

94

Качественное соединение деталей холодной сваркой можно получить лишь в том случае, если будут созданы условия контак­ та чистого металла соединяемых элементов, свободного от окисного слоя, и жировых пленок. Поверхность деталей, подлежащих сварке, можно предварительно очистить от загрязнений и жиро­ вых пленок с помощью промывки и обезжиривания деталей аце­ тоном, четыреххлористым углеродом и спиртом. Однако от слоя окисла освободить детали практически невозможно, так как в обычных условиях эта пленка образуется вновь, если не принять специальных мер для защиты поверхности от окисления. Твер­ дость наносимой защитной пленки должна быть выше твердости

Рис. 64. Конструкция элементов корпусов полупроводниковых приборов, герметизируемых холодной сваркой:

основного металла. Твердая пленка при деформации деталей в процессе холодной сварки растрескивается в околошовной зоне, выдавливается из зоны сварки, основной материал оголяется и тем самым обеспечивается качественное сцепление соединяемых материалов. В полупроводниковом производстве таким защит­ ным покрытием является пленка из никеля толщиной от 3 до 9 мкм в зависимости от толщины буртиков под холодную свар­ ку. При использовании деталей из никеля и нержавеющей стали пленку не наносят. Покрытие никелем осуществляется химичес­ ким или гальваническим методом. Дефекты поверхности сва­ риваемых деталей (трещины, раковины, расслоения и глубокие риски) должны составлять не более половины допуска на тол­ щину материала деталей до покрытия. Чистота свариваемых по­ верхностей— 4—5 класс. После промывки и обезжиривания детали разрешается брать только пинцетом, специальным ин­ струментом и руками в резиновых перчатках или напальчниках.

03

Детали корпусов диодов и транзисторов, герметизируемых холодной сваркой, обычно изготовляют из материалов в сочета­ ниях, указанных в табл. 12.

таний, приведенных в табл. 12, составляет 78—85%.

Для примера рассмотрим технологический процесс гермети­ зации выпрямительного прибора средней мощности в металло­ стеклянном корпусе. После проведения технологических опера­ ций изготовления деталей штамповкой, изготовления узла держателя с выводом и получения металло-стеклянного спая на баллон и держатель с выводом наносят никелевое покрытие.

Собранный узел устанавливают в приспособление для холод­ ной сварки, которое после загрузки перемещают вместе с узлом

сварку. После снятия давления приспособление перемещают изпод штока гидроцилиндра и сваренные узлы разгружают.

Для герметизации приборов холодной сваркой можно исполь­ зовать полуавтомат холодной сварки или любой гидравлический пресс, который обеспечивает давление не менее 300 кГ/лш2.

Полуавтоматы для холодной сварки представляют собой ме­ ханизм периодического действия карусельного типа (рис. 65, 66) с числом гнезд в карусели от 2 до 12, основные узлы которого смонтированы на столе, состоящем из двух литых оснований, соединенных верхней и нижней плитами. На верхней плите кре­ пятся кронштейн с гидроцилиндром, механизм разгрузки и кару­ сель, которая подает собранные приборы под шток гидроцилинд­ ра на операцию сварки. Все это герметично закрыто колпаком, наполняемым инертным г.азом (могут использоваться полуавто­ маты и без инертной атмосферы). Снизу к верхней плите крепит­ ся редуктор с кулачковым механизмом, соединенный с электро­ двигателем клиноременной передачей. На нижней плите уста­ новлены масляный бак с гидронасосом и электродвигатель.

96

Рис. 65. Полуавтомат холодной сварки

3508

Карусель перемещается специальным механизмом (улитой) через диск с роликами. На общей оси с улитой сидят три кулач­ ка, один из которых приводит в действие рычаги захвата прибора и его выгрузки, а два других обеспечивают работу двух четырех­ ходовых золотников для подъема и опускания штока гидроци­ линдра на операции холодной сварки.

Пуансон 2 (рис. 67) находится со сто­ роны детали из более твердого материа- 'I ла, а пуансон 5 — со стороны детали из более мягкого материала. Размеры рабо­ чих частей пуансонов определяются тол­ щиной п диаметром свариваемых дета­ лей. Геометрия рабочих выступов пуан­ сонов должна быть одинаковой, если верхняя и нижняя свариваемые детали выполнены из одного материала, имеют одинаковую толщину буртиков и одина­

ковую твердость.

Пуансоны для холодной сварки изго­ товляют из легированных инструменталь­ ных сталей, имеют твердость после тер­ мической обработки HRC 58—62 и чисто­ ту рабочих поверхностей V9—V II.

Перед началом и во время работы следует протирать пуансон сухой бязью или миткалем через каждые 300—500 сва­ рок. В процессе работы и при каждой

j.смене пуансона необходимо контролиро­ вать внешний вид и размеры его рабочих частей. Заданная степень деформации свариваемых детален обеспечивается ог­ раничением хода рабочих частей пуансо­ нов торцами стакана приспособления для

вследствие недостаточной их твердости после термообработки могут являться причиной застревания корпуса в пуансонах и негерметичности соединения.

Отсутствие соединения может вызываться также недостаточ­ ным усилием давления пуансонов на свариваемые детали.

Указанные виды брака устраняются при соблюдении требо­ ваний к рабочему инструменту для холодной сварки и система-- тическом его контроле в процессе эксплуатации.

58

§ 24. Герметизация электроконтактной сваркой

Метод герметизации электроконтактной сваркой позволяет получать герметичное соединение в непосредственной близости от спаев.

Этот метод основан на локальном расплавлении соединяемых металлов непосредственно в зоне контакта под электродами (сварка с «литым ядром») при прохождении электрического тока большой плотности в момент разрядки конденсаторных

электро- и теплопроводностью; иметь достаточную прочность для передачи необходимых дав­

лений; обладать возможно большей стойкостью в эксплуатации; иметь контактные поверхности, форма и размеры которых обес­ печивали бы надежный подвод тока и передачу давления.

Электроды для контактной конденсаторной сварки могут быть комбинированными и некомбинированными (рис. 69). Ос­ нование 1 комбинированного электрода изготовляется из меди Ml или М3, а рабочая часть (наконечник 2) — из сплава воль­ фрама с медью. Для обеспечения минимального теплового сопро­ тивления комбинированного электрода наконечник припаян к основанию серебряными припоями.

Материалом некомбинированных электродов служат бронза марок Бр.Б2, Бр.ХБ или специальные сплавы, обладающие повышенной стойкостью. Твердость рабочих поверхностей элект­ родов должна быть не ниже НВ 230. Номинальные размеры ра­ бочих частей электродов, предназначенных для герметизации корпусов, составляют:

сі1= D1-f0,03 мм\ ^2= ^ —(0,5-5- 2 ) мм,

где Di — диаметр колпачка полупроводникового прибора.

Остальные размеры выбирают в зависимости от конструктив­ ных и технологических соображений.

Фиксаторы для центровки электродов (рис. 69) изготовляют из латуни ЛС 59-1.

Чистота поверхности рабочих частей электродов должна быть Ѵ 9 — V 10, при этом на поверхности не допускаются забоины, вмятины, заусенцы и другие дефекты. Чистота поверхностей свариваемых деталей не должна быть ниже 5-го класса. На свариваемых поверхностях не допускаются трещины, расслое­ ния, раковины, каверны, глубокие риски, выходящие за пределы половины допуска на толщину материала деталей. Перед сваркой

ляют верхний электрод и производят сварку. После окончания цикла из зоны сварки убирают приспособление с загерметизиро­ ванным прибором, прибор освобождают из приспособления и устанавливают в специальную тару.

При каждой смене электродов, в начале работы и после опре­ деленного (экспериментально установленного) количества сва­ рок, контролируют внешний вид электродов и параллельность их рабочих поверхностей по отпечатку. Этот контроль состоит в том, что вдвое складывают копировальную бумагу, внутрь которой помещают кусок белой бумаги. Сложенную бумагу кладут между электродами в приспособление для сварки и нажимают кнопку,

100

создавая тем самым давление, затем вынимают бумагу и прове­ ряют качество отпечатка на белой бумаге.

Отпечаток должен быть равномерным, четким и замкнутым по всему кругу. В этом случае электроды считаются' годными для работы.

Внешний вид сваренных деталей проверяют с помощью лупы.

ритных размеров, не допускаются. Выборочная проверка качест­ ва сварного шва предусматривает разрушение сварного узла, при этом не должно быть нарушения сварного шва. Критерий оценки герметичности соёдинения, выполненного электроконтактноі'і и холодной сваркой, одинаков. Основными видами брака при герметизации приборов электроконтактной сваркой являются: течь по сварному соединению, прожоги, выплески, наплывы металла, смещения свариваемых деталей.

Причиной течи по сварному соединению может быть непро­ вар из-за недостаточного давления при сварке или неправильно выбранного заряда сварочного конденсатора. Брак в этом слу­ чае устраняется корректировкой режимов.

Причиной появления прожогов и выплесков может являться наличие окалины, окисной пленки и загрязнений на свариваемых поверхностях и на контактных поверхностях электродов для сварки, а также непараллельность контактных поверхностей электродов или их износ. В этом случае брак может быть ликви­ дирован тщательной подготовкой деталей и электродов к сварке, проверкой и устранением непараллельности рабочих поверх­ ностей электродов шлифовкой и подгонкой.

Причиной появления наплывов металла могут быть смещение деталей при сварке и завышение электрических режимов. Для устранения этого вида брака необходимо установить детали в заданном положении и откорректировать режимы сварки.

Смещение деталей, выводящее за. габариты сваренный узел, является результатом чрезмерных зазоров между электродами и направляющим стаканом или смещения электродов при их закреплении в сварочной установке относительно их общей оси. Брак устраняется подгонкой электродов и стакана путем их доводки или замены и точного совмещения электродов в уста­ новке относительно оси с помощью фиксаторов.

§ 25. Герметизация лайкой

Герметизация пайкой первоначально была широко распро­ странена, но с появлением новых более прогрессивных способов постепенно вытеснялась. Однако некоторые типы приборов про­ должают герметизирЬваться пайкой. Пайка, например, является единственным способом герметизации маломощных диодов в металло-стеклянном корпусе с охватывающим спаем. С помощью

101