книги из ГПНТБ / Герметизация полимерными материалами в радиоэлектронике

300—550 °С и высокими температурными коэффици­ ентами расширения до (7—20)-10_в 1/°С возможно при нанесении очень тонких слоев стекол (около 1—2 мкм). Использование стекол с низкими температурными коэф­ фициентами расширения [примерно (4—5) -10 7 1/°С] увеличивает температуру их оплавления па поверхности изделия до 800—1000 °С, что не всегда допустимо.

Пленки стекол (особенно халькогенидных") и различ­ ных окислов могут быть нанесены на защищаемые изде­ лия термическим испарением в вакууме. Этот метод по­ зволяет наносить покрытия высокой чистоты без термо­ обработки герметизируемых изделий, что дает возмож­ ность применять материалы с более высоким темпера­ турным коэффициентом расширения и лучшей пагревостойкостыо и обеспечить тем самым более высокую на­ дежность защиты. Такой метод широко используется для защиты пленочных резисторов, конденсаторов и микро­ схем. Так, защитные пленки из стекол системы As—S— Se, As—Se—Ge, моноокиси кремния, моноокиси герма­ ния, нанесенные на элементы и схемы испарением в ва­ кууме, обеспечивают их целостность в процессе прохож­ дения технологического цикла. Однако вследствие очень малой толщины (порядка 1—2 мкм) и пористости таких пленок готовые изделия подвергаются дополнительной герметизации.

Герметизация в вакуум-плотные корпуса. Очень рас­ пространена герметизация изделий и элементов РЭА в металлические, стеклянные или керамические корпуса. Такие корпуса могут иметь самую разнообразную форму и любое количество выводов в зависимости от типа гер­

метизируемых изделий.

В металлических корпусах герметичное соединение крышки с основанием осуществляется различными мето­ дами сварки, а обеспечение герметичности мест выхода выводов из корпуса обеспечивается специальным подбо­ ром сопрягаемых материалов (стеклянные изоляторы и коваровые выводы и основание корпуса, хорошо согла­ сующиеся по значениям температурных коэффициентов расширения).

Герметизация керамических и стеклянных корпусов производится путем металлизации узлов корпуса по месту соприкосновения и последующей пайки: кова­ ровые выводы таких корпусов дают герметичный спай со стеклом.

60

I ерметизация в корпусе обеспечивает наиболее на­ дежную защиту от воздействий внешней среды. Герме­ тичность корпусов допускает еще большее повышение надежности изделий путем заполнения внутреннего объ­ ема корпусов разными материалами. Так, часто корпуса заполняют инертными газами (например, аргоном) для исключения из объема влаги и предотвращения окисли­ тельных процессов, жидкими веществами или пастами (например, кремнийоргапическими); часто внутрь корпу­ са помещают геттеры для регулирования влажности сре­ ды в корпусе.

Однако, хотя герметизация в вакуум-плотные корпу­ са и является технически оправданной, использование корпусов значительно усложняет сборку изделий и их герметизацию, затрудняя механизацию и автоматизацию процессов их производства. Объем и масса корпусов ча­ сто в десятки, а иногда в сотни и тысячи раз превыша­ ют объем и массу герметизируемых изделий, например полупроводниковых приборов и интегральных микро­ схем, что не согласуется с требованиями микроминиатю­ ризации.

По этим причинам герметизация в вакуум-плотные корпуса используется в тех случаях, когда к изделиям предъявляются особенно жесткие требования.

Герметизация полимерными материалами. Полимеры как герметики привлекают многих разработчиков рядом своих серьезных преимуществ. Во многих случаях до­ ступность сырья, простота переработки, широкий диапа­ зон свойств и возможность их регулирования, возмож­ ность автоматизации технологических процессов при переработке и т. д. объясняют все возрастающий интерес к проблеме герметизации полимерными мате­ риалами.

В настоящее время промышленность уже располагает обширным ассортиментом полимерных материалов, а возможности получения новых материалов с требуемы­ ми свойствами настолько реальны, что область приме­ нения полимеров в качестве герметиков непрерывно расширяется, и сейчас они используются для гермети­ зации изделий самых различных типов и назначений. Кроме того, с увеличением выпуска изделий все боль­ шее значение приобретают снижение трудоемкости их производства, в том числе и на операции герметизации, составляющей 20—45% от общей трудоемкости, макси­

61

мальная механизация и автоматизация технологических процессов, повышение качества изделий. Практика по­ следних лет показывает, что без широкого использова­ ния для целей герметизации полимерных материалов и высокопроизводительного оборудования для их перера­ ботки эти задачи решить невозможно.

Для герметизации могут быть использованы различ­ ные классы соединений (эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные и др.), типы материалов (лаки, эма­ ли, заливочные компаунды, порошкообразные компози­ ции) и способы их переработки (лакирование, обвола­ кивание, заливка, литье под давлением и т. д.).

Различные типы изделий герметизируются разными способами, что связано с конструктивными и другими особенностями изделий (см. гл. 6, рис. 6-6—6-11). Из предоставленных конструкций наибольшее распростра­ нение получили монолитные пластмассовые корпуса и металлополиыерный корпус.

При герметизации, показанной на рис. 6-11, возмож­ на автоматизация производственных процессов сборки и герметизации, что обеспечивает массовое производство изделий.

Герметизация полупроводниковых приборов и инте­ гральных схем осуществляется в основном в монолитные пластмассовые корпуса способами заливки жидкими отверждающимися компаундами или литьем под давле­ нием, когда используются порошкообразные компаунды. В отличие от жидких порошкообразные компаунды го­ товят путем смешения компонентов, проведения форполимеризации состава, превращающегося в твердую мас­ су после его охлаждения, а затем дробления и просеи­ вания массы. Из порошка делают затем таблетки, гер­ метизацию которыми осуществляют или с использова­ нием давления (литье под давлением) или без давле­ ния (см. ниже).

Заливка компаундами производится в многоместные формы, изготовляемые из кремнийорганической резины. Литьем под давлением одновременно может герметизи­ роваться несколько десятков и даже сотен изделий. Ос­ новной особенностью способов герметизации в монолит­ ные пластмассовые корпуса является совмещение опера­ ций изготовления корпуса и герметизации, что позволя­ ет максимально упростить технологический процесс сбор­ ки изделий и их герметизацию по сравнению с другими

62

значительно облегчаются и оздоровляются условия тру­ да работающих.

Полимерные герметизирующие материалы находят широкое применение для герметизации изделий радио­ электронной промышленности промышленного и бытово­ го назначения. Многие типы конденсаторов и резисто­ ров, полупроводниковых приборов и других изделий, герметизированных полимерными материалами, успешно используются даже в тяжелых условиях эксплуатации.

Тем не менее в настоящее время вопрос о перспек­ тивах и областях применения полимеров как гермети­ зирующих материалов является предметом оживленной дискуссии. В ряде случаев высказываются мнения об ограниченном использовании полимеров в таких изде­ лиях с указанием в первую очередь на недостаточную влагостойкость полимерных материалов, достаточную нестабильность их свойств и возможность их деструкции в процессе эксплуатации и т. д., что в конечном итоге может привести к отказам изделий.

2-3. Основные требования, предъявляемые к полимерным защитным материалам

Причины отказов радиокомпонентов. В настоящее время разработка новых и усовершенствование сущест­ вующих способов герметизации проводятся по всем рас­ смотренным выше направлениям. Это свидетельствует не только об отсутствии единого мнения по вопросу р механизме действия защиты, но и о том, что разработ­ ка защиты является задачей весьма сложной, затраги­ вающей решение вопросов технологии переработки по­ лимерных материалов, физики и химии твердого тела, диэлектриков и полупроводников. Поэтому разработка защиты изделий радиоэлектронной техники от воздейст­ вия окружающей среды до настоящего времени остает­ ся одной из главных задач для изготовления надежных радиокомпонентов и готовых изделий.

В первую очередь это относится к герметизации по­ лимерными материалами, обладающими конечной влагопроницаемостью, большим или меньшим изменением со временем своих первоначальных свойств, иногда со­ держащими в своем составе в больших количествах ио­ ногенные и химически активные примеси и т. д. В резуль-

64

тате конструкции на основе таких материалов в эксплу­ атации могут существенно изменять свои защитные функции.

Одной из распространенных трудностей применения полимерных материалов для герметизации является воз­ можность в отдельных случаях частичного или полного повреждения изделий при переработке защитных мате­ риалов в конструкции. Обрыв коммутирующих провод­ ников или повреждение герметизируемых элементов мо­ гут возникнуть при перетекании композиции, а затем при образовании значительных механических напряжений в результате усадочных явлений в процессе ее отверж­ дения и различий в температурных коэффициентах рас­ ширения и модулей упругости сочленяемых материалов. В зависимости от типа изделия чувствительность их к та­ кого рода воздействиям может быть различной, и реше­ ние задачи обычно лежит в правильном выборе мате­ риала-герметика, конструкции защиты и технологии ее изготовления.

Другим видом отказа может служить наличие после герметизации или появление во время эксплуатации гер­ метизированных изделий утечек или даже электрическо­ го пробоя между токопроводящими частями. Непосред­ ственно после герметизации такие отказы, как правило, не наблюдаются; однако они могут возникнуть при на­ греве изделий и воздействии влаги в процессе эксплуа­ тации изделий, т. е. после более или менее значительно­ го старения герметика и изменения его свойств.

Герметизирующие полимерные материалы обеспечи­

менее 5-1010 Ом. Электрическая прочность материалов во всем диапазоне рабочих температур должна быть яе менее 10 МВ/м.

Менее очевидными, зависящими от времени и раз­ личных факторов внешней среды и, следовательно, имею­ щими более сложную природу являются отказы, свя­ занные с длительным воздействием эксплуатационных факторов.

Такие отказы могут быть вызваны, как указыва­ лось, механическим, а также химическим или электри­ ческим воздействием герметика на элементы изделия. Например, герметизация тонкопленочных конденсаторов

путем нанесения полимерных покрытий непосредственно на поверхность существенно повышает стабильность па­ раметров конденсаторов, но при этом резко увеличива­ ется вероятность появления короткого замыкания меж­ ду обкладками в результате механического воздействия покрытий непосредственно после герметизации или в процессе длительной эксплуатации.

Стабильность, знак и степень изменения параметров пленочных резисторов существенно зависят от резистив­ ного материала и типа его реакции с составными частя­

ми окружающей среды (окислительной или восстанови­ тельной) .

При длительном тепловом старении тонкопленочных резисторов происходит увеличение их сопротивления вследствие диффузии кислорода и развития окислитель­ ных процессов. Одновременно с окислительными процес­ сами, приводящими к повышению удельного сопротив­ ления, в многокомпонентных сплавах при” высоких тем­ пературах идут процессы рекристаллизации и изменения фазового состава пленок, приводящие, как правило, к снижению значений сопротивления.

Опыт эксплуатации показывает сильное уменьшение исходного значения сопротивления толстопленочпых ре­ зисторов на основе окиси палладия при действии па них водорода, который в ряде случаев может находиться в значительных количествах в окружающей среде. Реак­ ция водорода с окисью палладия приводит к восстанов­ лению металлического палладия, т. е. к появлению ме­ таллической электропроводности и существенному уменьшению удельного сопротивления резистивного ма­ териала. Экспериментально показано, что применение для герметизации недостаточно нагревостойких полимер­ ных материалов с определенными типами отвердителей приводит к сильному изменению сопротивления палла­ диево-серебряных резисторов в процессе длительного воз­ действия повышенных температур.

Особенно высокие требования предъявляются к ма­ териалам, предназначенным для герметизации полупро­ водниковых приборов и интегральных микросхем. Как уже отмечалось, это объясняется тем, что такие изделия чрезвычайно чувствительны к воздействию влаги и раз­ личных ионных загрязнений, попадающих на поверх­ ность кристаллов из окружающей среды, защитной обо­ лочки и т. д.

66

Имеются сведения о том, что испытания транзисто­ ров с полимерной защитой не всегда подтверждают мне­ ние о пригодности такой защиты для систем повышен­ ной надежности. Особенно критичными являются одно­ временные воздействия на полупроводниковые приборы высокой температуры, влажности и рабочего напряже­ ния или же высокой температуры и обратного электри­ ческого смещения. После таких воздействий начинают

увеличиваться обратные токи и снижаться пробивные на­ пряжения р-п переходов, ухудшаться параметры полу­ проводниковых приборов. При воздействии влаги про­ исходят также электролиз и разрушение контактов и других металлических участков приборов.

Известны случаи, когда во время длительных испы­ таний полупроводниковых схем в монолитных пластмас­ совых корпусах отказы схем наступали после их работы во влажной среде в течение немногим больше 500 ч. При испытании в условиях воздействия относительной влажности 85% и температуры 85 °С повышение интен­ сивности отказов схем наблюдалось после 1 000—2 000 ч работы.

Полученные результаты были объяснены наличием в герметизирующих полимерных материалах различных ионогенных примесей, влияние которых наиболее интен­ сивно проявляется при эксплуатации изделий в условиях повышенной влажности. В результате был рекомендован ряд методов оценки пригодности полимерных материа­ лов для герметизации полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Для определения относительной концентрации при­ месей в материалах подвергаются анализу характер тем­ пературных зависимостей tg б или определяется значе­ ние р водных экстрактов герметиков. Например, по одной из методик экстрагированию в деионизованной

воде подвергается измельченный материал (1 г па 1 л воды) при температуре 70 “С в течение 288 ч.

Систематизация экспериментальных данных позволи­ ла сделать заключение о большой зависимости параме­ тров кремниевых планарных полупроводниковых прибо­ ров от состояния и свойств окисного слоя и среды, окру­ жающей кристалл. Развитие процессов в окисле и окру­ жающей среде, приводящих к ухудшению параметров р-п переходов, объясняется наличием в окисле и среде примесей, а также электрического поля в области обрат­ но смещенного р-п перехода.

На рис. 2-7 представлена модель, показывающая на­ личие в окисном слое подвижных и неподвижных поло­ жительных зарядов, которые индуктируют в кремнии под окислом инверсионной слой. Влияние неподвижного заряда относительно мало и может быть устранено раз­ работкой соответствующей конструкции прибора. Под­ вижные положительные заряды под действием прило­ женного электрического ноля могут при повышенных температурах мигрировать через окисел к поверхности кремния и индуктировать значительно больший слой с электронной проводимостью по сравнению с действи­ ем неподвижных зарядов. В таких случаях приборы

вследствие наличия в р-п переходе краевого эффекта. При подаче напряжения смещения в р-п переходе со­ здаются высокие электрические градиенты, так как прак­ тически все напряжение оказывается приложенным к за­ порному слою. В месте выхода р-п перехода на поверх­ ность кристалла создается напряженность электрическо­ го поля выше средней, характерной для внутренней ча­ сти р-п перехода. Такая повышеная напряженность поля будет и в слое окисла, покрывающего место выхода пе­ рехода на поверхность, что повлияет на движение заря­ дов в окисле.

Под действием электрического поля и повышенной температуры положительные заряды в окисле в виде ионов натрия и калия и кислородные вакансии, как от­ мечалось, начинают мигрировать к поверхности крем­ ния, создавая на границе раздела «окисел — полупро­ водник» положительный заряд. Этот заряд может при­ вести к увеличению токов утечки при образовании ин­

68

версии и снижению пробивных напряжений р-п перехо­ дов.

При анализе отказов по такому механизму предпо­ лагается, что поверхность прибора покрыта положи­ тельными и отрицательными ионами, расположенными таким образом, что, как это видно из рис. 2-8, поверх­ ность в целом оказывается электрически нейтральной.

Рис. 2-8. Схема разделения зарядов на поверхности полупроводни­ кового прибора.

При нагреве подвижность ионов значительно увеличи­ вается, и при действии электрического поля происходит разделение ионов и образование инверсионного слоя. По­ следующий нагрев прибора без электрического смеще­ ния восстанавливает первоначальное распределение ио­ нов.

Такой поверхностный заряд может образоваться в ре­ зультате наличия на поверхности кристалла оболочки полимерного герметика, а также электрического поля в той зоне оболочки, где выходит на поверхность обрат­ но смещенный р-п переход. Имеющиеся в герметике ионы при длительном действии электрического поля по­ степенно разделяются, приобретают упорядоченное рас­ положение в соответствии с характером распределения поля и действуют на объем полупроводника, как это изображено на рис. 2-8.

Из сказанного следует, что из большого ассортимен­ та полимерных материалов лишь некоторые могут ока­ заться пригодными для герметизации полупроводнико­ вых приборов. Действительно, из исследованных четырех групп материалов (эпоксидные, фенолоформальдегидные, кремнийорганические и фторсодержащие смолы)

69