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

ное давление для контакта паяемых поверхностей или получения необходимых характеристик прибора с точечным контактом.

Основные технологические приемы работы при герметизации пайкой следующие: загрузка шайбы припоя в гнездо кассеты, загрузка металло-стеклянного баллона, загрузка держателя; загрузка шайбы припоя в пробку кассеты, загрузка вывода в пробку со стороны шайбы припоя, установка загруженной проб­ ки в направляющее отверстие кассеты, опускание вывода в верх­ нее отверстие баллона до прижима к алюминиевому электроду кристалла, опускание шайбы на торец баллона, герметизация приборов пайкой в печи, разгрузка загерметизированных при­ боров.

При герметизации пайкой корпусов микросхем число техно­ логических переходов значительно уменьшается: установка кор­ пуса с собранной схемой в гнездо кассеты; установка крышки в зону герметизации; обеспечение давления в процессе пайки; установка кассеты в печь для герметизации корпусов; разгрузка загерметизированных приборов; контроль по внешнему виду и на герметичность.

Кроме пайки в конвейерной печи в атмосфере водорода ис­ пользуют и другие методы пайки:

с нагревом в поле токов высокой частоты;

винертной среде с нагревом в колпаковой печи или спиралью; на воздухе с контактным нагревом или нагревом с помощью

паяльника; припоями на основе галлия, температура пайки которыми в

несколько раз ниже рабочей температуры.

Однако кроме пайки в конвейерной и колпаковых печах, все остальные методы не имеют широкого распространения из-за возможных загрязнений при пайке (пайке на воздухе), незначи­ тельной производительности, сложности проведения процесса и пористости получаемого соединения.

Важнейшими методами определения качества герметизации пайкой являются визуальный контроль зоны пайки или контроль под микроскопом, с помощью гелиевого течеискателя, избыточ­ ным давлением в спирте и вакуумно-жидкостным методом. Кри­ терием качества соединения является величина течи, которая не должна превышать 1 • ІО-5 л-мкм/сек.

Характерными видами брака при герметизации пайкой могут быть щели в паяном соединении, затекание припоя внутрь при­ бора, перекосы паяемых деталей, полное или частичное отсутст­ вие смачивания паяемых поверхностей припоем.

Причиной плохого смачивания является возможное загряз­ нение поверхности, наличие окисного слоя на паяемых поверх­ ностях, дефекты покрытия на этих поверхностях, недостаточная температура в зоне пайки печи. Наличие щелей и затекания припоя внутрь прибора свидетельствует о чрезмерных зазорах между деталями, о глубоких царапинах на паяемых поверхнос­ тях, а также чрезмерном перегреве герметизируемого прибора.

104

Перекосы деталей при пайке указывают на плохое качество кассет или их чрезмерный износ. Эти виды брака могут быть устранены и предупреждены при соблюдении технологии, ка­ чественном контроле паяемых деталей и узлов и тщательной проверке кассет после изготовления и в процессе работы.

§ 26. Герметизация заваркой стеклом

Сущность метода герметизации заваркой стеклом заключает­ ся в создании спая стекла со стеклом или стекла с платинитом. Обычно для этой цели используют стекло С88-1 с температурой герметизации около 800°С в виде трубки различного диаметра. Существуют два способа герметизации стеклом:

В

ЛО*

I I

Г) «огневой», заключающийся в заварке стеклом с помощью газовых горелок;

2 ) с радиационным нагревом места спая, образующим «бусинковый спай» (рис. 71). «Огневой» способ заварки основан на получении спая стеклотрубки баллона с впаянным в него полупроводниковым кристаллом и платинитового вывода с при­ варенным к нему пружинным контактом. Поскольку диаметр платинитового вывода (0,5 мм) значительно меньше внутренне­ го диаметра стеклянной трубки (1,4 мм), требуется длительное время нагрева места спая для получения качественного соедине­ ния. При этом наблюдаются значительные разбросы по габарит-

105

ным размерам корпуса из-за неравномерной усадки стекла при оплавлении. Значительные разбросы по габаритам нежелатель­ ны для приборов, предназначенных для монтажа на печатных платах. Колебания состава газовой смеси и ее теплотворной способности вызывают колебание температурного режима завар­ ки и усугубляют разброс загерметизированных приборов по диаметру и длине.

Заварка стеклом с помощью радиационного нагрева места спая в настоящее время является наиболее распространенной. Связано это, в первую очередь, с тем, что при этом способе зна­ чительно легче добиться воспроизводимости технологического процесса и стабилизации режимов заварки. С целью уменьшения зазора между соединяемыми поверхностями и связанного с этим уменьшения времени заварки и разбросов по габаритным разме­

собление приваривают пружинный контакт верхнего вывода к кристаллу, а затем прибор заваривают стеклом. Температура нагрева контролируется косвенно. Время заварки выбирают экспериментально. Трубка арматуры и буса держателя с пру­ жинным контактом должны быть строго в центре спирали. При этом спираль должна находиться на уровне спая с бусой.

Основными видами брака при заварке стеклом являются трещины в спае, непровар, сильное оплавление стекла. Для

106

устранения этих видов брака необходимо точно соблюдать режим заварки, не допускать использования деталей и узлов, образую­ щих большой зазор между соединяемыми поверхностями, не допускать слишком быстрого охлаждения прибора после завар­ ки, выдерживать необходимую температуру холодильника.

Сравнительная простота технологического процесса гермети­ зации стеклом, возможность визуального контроля взаимного расположения пружинного контакта и поверхности кристалла полупроводника (что является необходимым для приборов с точечным контактом), небольшие габариты прибора в цельно-

•стеклянном корпусе позволяют широко применять этот метод герметизации в полупроводниковом производстве. Однако метод обладает также существенными недостатками, связанными с вы­ сокой температурой нагрева, небезопасной для кристалла, использованием холодильника и охлаждением полученного спая

пряжений отжигом также не представляется возможным. Поэто­ му значительная часть приборов имеет величину напряжения, близкую к разрушающему стекло, и брак по трещинам и разло­ му стекла у таких конструкций достаточно высок.

Необходимость уменьшения длины собранного прибора и улучшения теплоотвода явилась причиной разработки техноло­ гии герметизации стеклом полупроводниковых структур, способ­ ных выдерживать без потери работоспособности воздействия температур 650—820° С. Для герметизации таких конструкций используют кольцевой разрезной нагреватель, взаимное переме­ щение частей которого позволяет автоматически устанавливать собранный узел на позицию заварки с помощью конвейерной ленты. При этом следует проводить более медленный нагрев и охлаждение места спая с целью уменьшения возможных напря­ жений. Платинитовый вывод, применяемый в этой конструкции, должен иметь на торце слой меди. Слой меди на торце вывода способствует образованию медно-серебряной эвтектики с темпе­ ратурой плавления 780° С (серебро применяется в качестве кон­ такта полупроводниковой структуры), механически прочному сое­ динению выводов со структурой и одновременно образует герме­ тизирующий металло-стеклянный спай (рис. 73).

107

§ 27. Бескорпусная герметизация

Под бескорпусной герметизацией чаще всего понимают гер­ метизацию полупроводниковых приборов пластмассами, хотя она включает в себя более широкое понятие, например, герме­ тизацию пленками окиси и нитрида кремния.

Бескорпусная герметизация обладает существенными преиму­ ществами перед другими способами герметизации:

уменьшение габаритов приборов; резкое сокращение числа технологических операций; высокая производительность процесса.

Однако при отверждении компаунда возникают напряжения в результате уплотнения молекулярной структуры и разницы в КТР, а также старения в процессе хранения и эксплуатации из-за образования фаз другой плотности. Эти напряжения вследствие непосредственного контакта компаунда с полупроводниковым кристаллом и выводами могут вызвать изменения характеристик прибора и разрушение его элементов (в частности, выводов).

Герметизация пластмассами дает возможность механизиро­ вать процессы сборки полупроводниковых приборов. При этом сборку приборов проводят на ленте, и кристалл соединяют с вы­ водами ленты с помощью термокомпрессии. Лента в этом случае служит в качестве элемента конструкции приборов и транспорте­ ра. Герметизация пластмассой на ленте производится одновре­ менно для нескольких приборов.

Поскольку при герметизации полупроводниковых приборов пластмассой наиболее существенными являются защита от про­ никновения влаги через пластмассу и места соединения пласт­ массы с выводами, а также защита от загрязнения поверхности полупроводника вредными примесями, содержащимися в герме­ тизирующем материале, можно определить для герметизирую­ щих материалов пять обязательных условий: 1 ) влагонепрони­ цаемость; 2 ) термостойкость; 3) возможность получения вакуумплотного соединения с материалом вывода; 4) отсутствие загряз­ нений, влияющих на характеристики полупроводниковых при­ боров; 5) минимальное искусственное старение в течение дли­ тельного срока и минимальная усадка.

Наилучшую защиту от воздействия влаги обеспечивают ма­ териалы, которые либо реагируют с гидроксильными группами на поверхности химически, либо активно их адсорбируют.

108

отличается простотой и дешевизной. С помощью этого метода легко решаются требования микроминиатюризации полупровод­ никовых приборов. Процесс герметизации обычно осуществля­ ется капельным методом с помощью вращения приборов вокруг оси выводов вручную. При растекании компаунда за счет сил поверхностного натяжения получается сферическая форма, гео­ метрия которой, определяется габаритными размерами прибора

после герметизации. Для увеличения надежности приборов при малой толщине пленки на них иногда наносят три слоя пленки с

заливочного компаунда с наполнителем из нитрида бора и отвер­ дителя; 3-й слой — смесь из специального лака и связующего. Кристалл предварительно должен быть спланирован.

Метод защиты обволакиванием обеспечивает высокую устой­ чивость приборов в условиях воздействия влажной атмосферы, по имеет ряд недостатков: необходимость применения легколету­ чих растворителей; длительность процесса сушки на воздухе и

і09

необходимость последующего отверждения покрытий при повы­ шенных температурах; трудность нанесения равномерного по толщине покрытия.

Метод заливки жидкими полимерными материалами осуще- . ствляется в литьевых формах; он наиболее распространен в по­ лупроводниковом производстве. Применяют формы из силиконо­ вой резины, к которой заливочный компаунд имеет минимальную адгезию. Однако стойкость таких форм незначительна. Заливка производится с помощью шприца или на специальном оборудо­ вании. В качестве материалов для заливки используют эпокспд-

2

Изделие

Рис. 76. Схема герметизации приборов тран­ сферным литьем под давлением:

I — плунжер, 2 — пресс-порошок, 3 — плита пресса

ные компаунды, которые имеют низкую вязкость, могут быть модифицированы, легко отверждаются, имеют малую усадку, высокую адгезию, достаточную химическую стойкость и влаго­ стойкость, а также кремнийорганическне материалы, полиурета­ ны и полиэфиры.

Кремнийорганическне материалы отличаются термостойко­ стью до 250—300°С (что позволяет вести отбраковку приборов по'надежности при высокой температуре), хорошими электриче­ скими свойствами, морозостойкостью (—65°С), ничтожной влагопоглощаемостыо, нетоксичностыо и отсутствием ионных при­ месей, которые являются причиной необратимых изменений па­ раметров приборов в условиях повышенной влажности.

Полиуретаны и полиэфиры работоспособны только до 150° С. В качестве подслоя при применении эпоксидных компаундов

по