книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

7. Технология изготовления микросхем

Герметизация микросхем методом свободной заливки. Сущность метода герметизации МС методом свободной заливки состоит в заполнении жидким герметизирующим компаундом специальных форм или заранее из­ готовленных из пластмассы или металла корпусов, в которых размещают МС с выводами. Свободная заливка компаунда без давления уменьшает ве­ роятность обрыва проволочных перемычек МС.

Применяют два метода свободной заливки: во вспомогательные разъ­ емные формы и предварительно изготовленные корпуса.

Герметизацию микросхем заливкой во спомогательные разъемные формы относят к бескорпусной, так как такая герметизация не требует спе­ циально изготовленных деталей корпусов. Однако она обеспечивает произ­ водство МС со строго фиксированными габаритными размерами, размерами выводов, шага между выводами и т. д. Поэтому в литературе принято назы­ вать такой метод заливки МС герметизацией в пластмассовые корпуса, ко­ торые иногда называют полимерными или металлополимерными.

В зависимости от конструкции прибора или МС применяют два спо­ соба заливки во вспомогательные формы — с предварительным подогревом и без подогрева разъемных форм. При герметизации по первому способу многоместные разъемные формы, изготовленные из материалов с плохой адгезией по отношению к пластмассе, заполняют жидким компаундом с по­ мощью дозатора. Собранные на ленте полупроводниковые структуры по-

Рис. 7.40. Герметизация микросхем методом свободной заливки в формы без подогрева:

а — монтаж полупроводниковой структуры на перфорированную ленту; 6 — герметизация групповым методом; в — удаление второй технологической перемычки; г — общий вид за­ герметизированного прибора; / — перфорированная лента с кристаллами; 2 — первая техно­ логическая перемычка; 3 — полупроводниковая структура; 4 — полости формы, заполнен­ ные компаундом; 5 — вторая технологическая перемычка

282

7.17. Ггрметтация микросхем и микросборок

гружают в заполненные компаундом полости формы, после чего проводят полимеризацию компаунда (рис. 7.40, б). После полимеризации приборы извлекают из формы и с помощью специальных штампов отделяют друг от друга (рис. 7.40, в и г).

При герметизации по второму способу собранные на ленте полупро­ водниковые структуры помещают в рабочие гнезда нижней матрицы мно­ гоместной заливочной формы и плотно прижимают верхней матрицей. В верхней части формы предусмотрены специальные отверстия, а между гнез­ дами внутри формы — система каналов для подачи герметизирующего ком­ паунда. Нагретую форму заполняют компаундом. Нагрев формы необходим для повышения текучести компаунда. После предварительного отвердения компаунда заливочные формы охлаждают и извлекают ленты с загермети­ зированными приборами. Приборы на металлических лентах проходят тер­ мообработку до полной полимеризации. После полимеризации снимают облой и ленту разделяют на отдельные фрагменты, удаляя вторую технологи­ ческую перемычку. Полученные изделия представляют собой готовые загерметизированные приборы.

При герметизации запивкой в предварительно изготовленные корпуса

полупроводниковые структуры сначала закрепляют на перфорированную ленту, состоящую из объединенных между собой фрагментов плоских вы­ водов. Контакт между плоскими выводами перфорированной ленты и кон­ тактными площадками полупроводниковой структуры создают проволоч­ ными перемычками (рис. 7.40, а).

Герметизация МС заливкой в предварительно изготовленные корпу­ са отличается простотой, так как в этом случае не требуется изготовление дорогостоящих заливочных форм. Корпуса представляют собой пластмас­

283

При компрессионном прессовании собранную с арматурой полупро­ водниковую структуру и порошкообразный или таблетированный материал загружают непосредственно в пресс-форму (рис. 7.42). Под действием тепла и давления герметизирующий материал переходит в пластичное состояние и заполняет формующую полость. После окончания выдержки опрессованные изделия извлекают из пресс-формы (рис. 7.42, в).

При литьевом (трансферном) прессовании загрузочная камера прессформы отделена от формующей полости. Кассету или перфорированную ленту с несколькими смонтированными полупроводниковыми структурами помещают в формующие полости пресс-формы. Пресс-форму нагревают до температуры плавления пластмассы нагревателями, вмонтированными не­ посредственно в пресс-форму. Расплавившаяся пластмасса под давлением опускающегося пуансона (трансфера) заполняет формующие полости прессформы. После частичной полимеризации кассету или перфорированную

284

7.17. Герметизация микросхем и микросборок

Корпусная герметизация микросхем

Полимерные материалы не обеспечивают полной защиты МС от вла­ ги. Это связано с тем, что влагопроницаемость пластмасс во много раз вы­ ше, чем у металлов; температурные коэффициенты линейного расширения пластмасс и металлических выводов МС отличаются примерно на порядок, поэтому трудно создать герметичное соединение между пластмассой и ме­ таллом. Надежным методом герметизации полупроводниковых приборов, МС и гибридно-пленочных микросборок является вакуум-плотная корпус­ ная герметизация.

Корпуса МС являются композитными конструкциями, которые харак­ теризуются тем, что механические напряжения в них возникают даже при равномерном изменении температуры и концентрируются в местах сопря­ жения материалов с различными термомеханическими свойствами.

285

7. Технология изготовления микросхем

Корпуса МС и микросборок должны защищать их от воздействия ок­ ружающей среды и механических повреждений; обеспечивать удобство монтажа кристаллов и подложек и герметизацию корпуса без изменения па­ раметров кристалла и навесных компонентов; выдерживать механические воздействия и термоциклирование; отводить тепло в процессе сборки и экс­ плуатации изделий; обеспечивать надежность сборки и эксплуатации при­ бора; защищать кристалл и навесные компоненты от загрязнений пылью, газообраразными химическими загрязнениями, солями и парами воды; быть дешевыми и технологчными в изготовлении; при монтаже на ПП обеспечи­ вать удобство и надежность монтажа и коррозионную стойкость; обеспечи­ вать контроль МС до и после монтажа; обладать корррозионной стойко­ стью, высокой надежностью, технологичнсостью и низкой себестоимостью.

В зависимости от используемых материалов вакуум-плотные корпуса микросхем и микросборок подразделяют на стеклянные, металлостеклян­ ные, металлокерамические, керамические, пластмассовые и металлопласт­ массовые.

Для изготовления оснований, крышек и выводов МС и микросборок применяют различные металлы и сплавы, основные свойства которых при­ ведены в табл. 7.15.

Таблица 7.15. Основные свойства металлов и сплавов, применяемых для изготовления оснований, крышек й выводов МС и микросборок

286

7.17. Герметизация микросхем и микросборок

Для повышения коррозионной стойкости, образования технологиче­ ских пленок для последующей герметизации, получения высокой чистоты поверхностей и улучшения внешнего вида корпусов применяют различные покрытия, которые наносят гальваническим или химическим способом. Твердость защитных и технологических покрытий влияет на жесткость ре­ жимов при герметизации корпусов электроконтактными видами сварки. Ос­ новные виды покрытий, применяющихся для корпусов МС, и их твердость приведены в табл. 7.16.

Таблица 7.16. Виды покрытий корпусов МС и их твердость

Металлические детали корпусов изготавливают чаще всего холодной штамповкой; фланцы и крышки корпусов — вытяжкой, вырубкой и объем­ ной штамповкой; перфоленты и рамки — на вырубных штампах; штырько­ вые выводы корпусов получают резкой проволоки на отрезки определенной длины на автоматах различных конструкций.

В металлостеклянных корпусах МС со штырьковыми или планарны­ ми выводами в качестве электроизоляционного материала используют стек­ ло. Для изготовления стеклянных деталей и элементов, содержащих спаи стекла с металлом, используют стеклянные трубки (капилляры), стеклопорошки и стеклотаблетки. Стеклянные трубки (капилляры) нарезают на бусы алмазным диском с наружной режущей кромкой. Перед резкой стеклокапилляр наклеивают на стеклянную подложку, которую затем закрепляют на столе станка. Общий вид круглого металлостеклянного корпуса представлен на рис. 7.44.

Керамические безвыводные корпуса (микрокорпуса) состоят из трех слоев: один с проводниками, другой с контактными площадками, третий — защитный нижний слой. К достоинствам безвыводных микрокорпусов сле­ дует отнести высокую герметичность, высокую плотность размещения их на печатных платах, совместимость с керамическими подложками гибридных микросборок.

Кроме безвыводных микрокорпусов промышленность выпускает мик­ рокорпуса с матрицами выводов. На рис. 7.45 приведены примеры микро­ корпусов безвыводных (а) и с матрицей выводов (б).

Металлокерамические корпуса МС являются наиболее трудоемкими и дорогими. В качестве изоляционного материала в них применяют алюмоок-

287

7. Технология изготовления микросхем

сидную или корундовую керамику с высо­ ким содержанием оксида алюминия. Она об­ ладает хорошей вакуумной плотностью (в 107 раз плотнее меди); высокой непроницае­ мостью как для гелия, так и для водорода; высокой прочностью, термо- и радиацион­ ной стойкостью; надежностью при эксплуа­ тации в тропических условиях; высоким электрическим сопротивлением; относитель­ но хорошей теплопроводностью; низкими диэлектрическими потерями при недорогом исходном материале; хрупкостью и твердо­ стью, что позволяет обрабатывать ее только алмазным инструментом и шлифованием.

Коэффициент температурного рас­ ширения алюмооксидной керамики в два раза выше, чем у кремния, поэтому при монтаже кристаллов с размерами более 3x3 мм на основание корпуса эвтектикой «золотокремний» возникают проблемы, связанные с несогласованностью коэффициентов тем­ пературного расширения кремния и кера­ мики.

Металлокерамические корпуса изго­ тавливают из трех слоев керамической лен­

ты. При этом верхняя и средняя ленты име­

пуса; 3 — полупроводниковый

ют форму рамки. На верхнюю поверхность средней ленты с помощью трафарета молиб­ деновой пастой наносят рисунок, который связывает контактные площадки

корпуса с выводной рамкой. На нижней ленте выполняют рисунок посадоч-

а

Рис. 7.45. Керамический безвыводной микрокорпус (а) и микрокорпуса с матрицей выводов (б)

288

предъявляются невысокие требования по герметичности, или для наклеива­ ния оптических окон (стекло, германий и т. д.) на металлическую рамку, используемую в качестве крышки корпуса. Для приклеивания крышек кор­ пусов применяют различные клеевые составы с высокой вязкостью в жид­ ком состоянии; а для приклеивания оптических окон — порошковые клее­ вые составы, состоящие из смеси эпоксидного мономера, ангидридного отвердителя, пластифицирующего модификатора и мелкодисперсного неорганического наполнителя. На площадь склеивания до 0,5 мм2 клей на­ носят напрессовкой, а на большую поверхность клей протирают через про­ волочный трафарет. Затем клей оплавляют при температуре 140... 150 °С с образованием формополимера. Крышки помещают в специальные кассеты клеем вверх, сверху укладывают основания корпусов и помещают в тер­ мошкаф. Процесс склеивания состоит из процесса желирования (при темпе­ ратуре 155... 160 °С в течение 10...20 ч) и процесса отвердения (при темпе­ ратуре 155... 160 °С в течение 24 ч).

7. Технология изготовления микросхем

Рис. 7.47. Пластмассовый микрокорпус

Герметизация корпусов пайкой. Пайку применяют для герметиза­ ции приборов с большими габаритными размерами в плоских корпусах. Процесс герметизации пайкой состоит в соединении металлических или ме­ таллизированных деталей корпусов с помощью припоя, который, расплав­ ляясь, заполняет капиллярный зазор между ними.

Для герметизации корпусов пайкой используют мягкие припои на ос­ нове олова и свинца типа ПОС-61 (температура пайки около 240 °С) и свин­ цово-серебряный припой Пср-2,5 (температура пайки около 340 °С). Низко­ температурную пайку ведут в печах при нагреве конвекцией и струей горя­ чего газа.

Герметизация корпусов холодной сваркой. Герметизацию корпусов полупроводниковых приборов холодной сваркой осуществляют по замкну­ тому контуру корпуса без нагрева. Вакуум-плотное сварное соединение об­ разуется за счет деформации свариваемых деталей с использованием гид­ равлических, пневматических, пневмогидравлических и механических прес­ сов, обеспечивающих необходимое усилие сжатия. Детали корпусов, которые герметизируются холодной сваркой, изготавливают из пар метал­ лов медь — медь, медь — сталь, медь — ковар. В качестве основания кор­ пуса служит фланец, который содержит выводы, изолированные от него стеклом или керамикой. Крышку корпуса изготавливают в виде баллона с отбортовкой (рис. 7.48, а).

Различают одностороннюю и двустороннюю холодную сварку. При односторонней сварке (рис. 7.48, б) в основном деформируется по замкну­ тому контуру только одна из свариваемых деталей. Эта сварка предпочти­ тельна для герметизации корпусов, детали которых изготавливают из разно­ родных металлов. В этом случае устраняется опасность образования сильно

290

7.17. Герметизация микросхем и микросборок

Рис. 7.48. Схема холодной сварки:

а — положение корпуса в установке сварки с предварительным сдавливанием; б — односторонняя сварка; в — двусторонняя сварка; 1— крышка (баллон); 2 — пуан­ сон предварительного сдавливания; 3 — основание корпуса; 4 — матрица предвари­ тельного сдавливания; 5 — сварочный пуансон; 6 — матрица

подрезанного участка шва с наружной стороны детали из более пластичного металла и, следовательно, нарушение герметичности в процессе эксплуата­ ции прибора. При двусторонней холодной сварке (рис. 7.48, в) по замкнуто­ му контуру деформируются обе свариваемые детали.

Герметизация корпусов аргонно-дуговой сваркой. Аргонно-дуго- вую сварку выполняют в среде инертного газа (аргона) плавящимися или неплавящимися электродами в специальных камерах (скафандрах), запол­ ненных инертным газом, или при подаче инертного газа непосредственно в зону сварки. Для поддержания непрерывного горения дуги при переходе с герметизации одного корпуса на другой иногда используют дополнитель­ ную дугу, мощность которой составляет 10... 15 % мощности основной дуги.

Основными параметрами аргонно-дуговой сварки являются свароч­ ный ток, скорость сварки, длительность импульса, частота следования им­ пульсов, длительность паузы, давление защитного газа в рабочей камере.

Схема образования сварного соединения при герметизации корпусов аргонно-дуговой сваркой представлена на рис. 7.49.

Достоинствами аргонно-дуговой сварки являются возможность регу­ лирования длительности нагрева и охлаждения в зоне соединения, простота управления процессами диффузии и дегазации жидкого металла.

К недостаткам аргонно-дуговой сварки следует отнести нестабиль­ ность горения дуги, высокие требования к изготовлению деталей корпусов (ограничение свариваемых пар материалов, минимальные отклонения их по толщинам, плоскостности, ширине и смещению) и оснастки, влияние по­