Tekhnologiya_sborki_integralnyh_skhem

анод подают постоянное напряжение, и во время процесса он имеет положительный потенциал. Электроны, выделившиеся с поверхности катода на пути к аноду, разбивают при соударениях частицы газа на положительные ионы и электроны, которые, в свою очередь, также разбивают при соударении частицы газа. Таким образом, число ионизированных частиц газа постепенно увеличивается, что приводит к образованию плазмы.

Распыление материала мишени получается при подаче на нее высокого отрицательного относительно плазмы потенциала (порядка нескольких сотен вольт). Под действием кинематической энергии положительных ионов, источником которых служит газовая плазма, происходит процесс выбивания свободных атомов или ионов с поверхности распыляемого кремния.

Частицы кремния, выбитые с распыляемого материала, попадают

вобъем, наполненный азотом. Вследствие низкого давления азота

вкамере выбитые атомы распыляемого кремния, не претерпевая взаимодействия и сохраняя таким образом кинетическую энергию, движутся преимущественно в направлении, перпендикулярном поверхности мишени, причем их средняя скорость зависит от энергии ударяющихся о распыляемый материал положительных ионов азота. Распыленные частицы проходят в результате диффузии через газ и осаждаются на поверхности защищаемых структур: частицы распыленного кремния реагируют с азотом, образуя химическое со-

единение Si3N4 (нитрид кремния).

Отдельные частицы кремния, не успев прореагировать с азотом, могут достигать подложки и вызывать нарушение соотношения между этими компонентами, хотя вероятность этого мала. При не-

больших скоростях роста пленки (20–200) 10–4 мкм/мин атомы кремния, осевшие на поверхности подложки, могут успеть прореагировать с азотом еще до нарастания нового слоя пленки; при повышении скорости осаждения пленки возможность нарушения стехиометрии будет возрастать. Поэтому важно выбирать оптимальные режимы напыления (плотность тока, давление азота, напряжение мишени, расстояние между мишенью и подложками).

Нитрид кремния Si3N4 может образовываться и на распыляемом кремнии, а затем выбиваться с поверхности и переноситься к подложке уже в виде соединения.

220

Предварительно подложка подвергается очистке в разрядной плазме, а мишень распыляют при рабочем высоком напряжении для снятия слоев поверхностных загрязнений. Подложку закрывают подвижным экраном, на котором конденсируются распыленные загрязнения поверхностных слоев. По окончании процесса снимают напряжение, закрывают натекатель и выключают накал катода. Затем нагнетают в систему воздух, поднимаютколпак и вынимаютпродукцию.

Качество полученных структур с нанесенным нитридным слоем оценивают с помощью измерения основных электрических параметров и осмотра внешнего вида по контрольным картам. Пленка должна быть одноцветной, зеркальной, без видимого налета загрязнений и обладать высокой сплошностью и структурным совершенством.

При работе на установке необходимо особенно следить за чистотой подколпачного устройства. Через каждые 10–15 процессов следует производить чистку установки, а обработку кварцевых деталей – через пять процессов. Все работы, связанные с загрузкой, необходимо выполнять в резиновых напальчниках.

Электрические свойства пленок нитрида кремния, полученных методом реактивного распыления, следующие: диэлектрическая проницаемость – 5,5–6,5; удельное сопротивление 1013–1015 Ом см; электрическая прочность – 100 кВ/мм.

Преимуществом методов реактивного распыления является то, что процесс протекает при невысоких температурах и, таким образом, практически не происходит дополнительной диффузии, изменяющей распределение примесей в полупроводниковом материале и параметров приборов. При реактивном методе стремятся получить нитридные пленки с аморфной структурой, так как на границе аморфной пленки с полупроводниковыми материалами возникает меньшее напряжение, чем у кристаллической.

Так как пленка нитрида кремния может быть нанесена с помощью распыления, а не получена путем выращивания за счет самого кремния, то она может служить и для защиты других полупроводниковых материалов, в том числе германия, арсенида галлия. Нитриды кремния отличаются огнеупорностью и кислотностью. Из разбавленных кислот на них реагирует только кремнефтористоводородная. Концентрированная серная кислота при нагревании действует слабо.

К недостаткам нитридных пленок можно отнести следующие: слои толщиной более 1 мкм имеют тенденцию к растрескиванию вслед-

221

ствие возникновения напряжений на границе между кремнием и нитридом кремния; молекулы газа, химически активированные разрядом, интенсивно адсорбируются слоем нитрида кремния, поэтому готовая пленка часто содержит большое количество атомов газа, что может вызвать сильныеотклонения в структуре и свойствах слоев.

Нитридные пленки в качестве дополнительной защиты необходимы в приборах, для которых важны стабильность при высоких температурах и радиационная стойкость.

На некоторых сплавных структурах применяют окисные защитные слои. Их образуют с помощью сильных окислителей, например путем погружения этих структур в кипящую азотную кислоту с последующей выдержкой или в смесь азотной кислоты с плавиковой. Причем азотная кислота присутствует в избытке и процесс окисления поверхности полупроводника преобладает над процессом удаления окисной пленки. Образующаяся пленка имеет темно-синий цвет, она достаточно плотная, однако ее стабилизирующие свойства очень чувствительны к режиму окисления, отклонения от которого могут ухудшать параметры приборов.

В полупроводниковой технологии для защиты кремниевых и германиевых транзисторов применяют также титанирование – пленки получают на основе окиси титана ТiO2.

Сущность процесса титанирования состоит в том, что полупроводниковую структуру путем окунания или воздействия парами суспензии покрывают одним из сложных эфиров (например, негидролизированным титановым эфиром) и выдерживают при повышенной температуре; в результате образуются прочные химически связанные с поверхностью полупроводника пленки двуокиси титана.

7.7. Защита структур методом обволакивания

Метод обволакивания заключается в создании тонкой пленки полимерного материала путем обволакивания структуры каплей герметика. При растекании герметика под воздействием сил поверхностного натяжения получается сферическая форма. Для обеспечения механической прочности и герметичности структуры, как правило, наносят несколько слоев герметизирующего материала с предварительным подсушиванием каждого слоя. Основным требовани-

222

ем к материалам (компаундам) для обволакивания является способность их равномерно увеличивать вязкость.

На рис. 7.17 показана многослойная арматура выпрямительного диода общего назначения, загерметизированного методом обволакивания.

Рис. 7.17. Выпрямительный диод, загерметизированный методом обволакивания: 1 – кремниевая стуктура; 2 – вывод; 3 – силановая пленка; 4 – закрепляющий слой компаунда; 5 – герметизирующий слой компаунда

Процесс герметизации полупроводниковых приборов методом обволакивания состоит из следующих операций: приготовления обволакивающего компаунда, нанесения компаунда на арматуру, полимеризации компаунда, контроля качества герметизирующего покрытия.

После проведения процесса силанирования на структуру диода наносят слой защитного закрепляющего состава на основе триацетатной электроизоляционной слабо пластифицированной пленки, которая растворяется в ледяной уксусной кислоте. Блоки арматуры загружают в специальные приспособления с зажимными устрой-

ствами – клипсами (рис. 7.18) и

живается не менее 10 мин. Вращение арматуры предотвращает стекание капли неотвержденного компаунда и дает возможность получить корпуса равномерной толщины. В дальнейшем арматуру сушат при 160–180 °С в течение 1–2 ч в вакуумном сушильном шкафу

223

с давлением не выше 1,33 10 Па. Аналогичную операцию повто-

ряют несколько раз, последовательно чередуя процесс нанесения и сушки тринитроацетатной пленки до получения необходимого количества слоев, указанных в технологической документации.

Герметизируюший материал представляет собой компаунд на основе эпоксидной кремнийорганической смолы СК-25 с наполнителем – нитридом бора. Приготовленный компаунд вакуумируют

при температуре 100 °С и давлении 1,33 10 Па. Так как срок жизни жидкого компаунда ограничен, то компаунд приготавливают небольшими партиями. Большое внимание уделяется правильному соотношению составляющих компаунда, так как это сказывается на качестве загерметизированных этим компаундом приборов.

Нанесение герметизирующего эпоксидного компаунда и сушка проводятся в тех же клипсах (рис. 7.18) и приспособлениях, что и при нанесении защитного закрепляющего состава. Каплю компаунда наносят на блок арматуры таким образом, чтобы он закрывал закрепляющий состав и выступы на выводах.

Отверждение компаунда производится при повышенной температуре. После полимеризации компаунда приборы передают на следующую операцию. Некоторые приборы рассматриваемой конструкции (см. рис. 7.17) покрывают дополнительно массой на основе кремнийорганического электроизоляционного лака КО-989.

После герметизации производят проверку электрических параметров приборов и контроль внешнего вида нанесенного герметика. Внешний вид контролируют под микроскопом или лупой. Не допускаются значительные выпуклости, впадины, царапины на герметизирующем покрытии, нарушающие габариты диода и обнажающие слои из другого материала, отколы герметика около выводов, отслаивание (отлипание, щели) между герметизирующим покрытием и выводами, изолированные пузыри в заливочной массе, образующие сплошные цепочки.

Метод герметизации полупроводниковых приборов обволакиванием отличается простотой, обеспечивает высокую устойчивость приборов в условиях воздействия влажной атмосферы, но имеет ряд недостатков: трудность нанесения равномерного по толщине покрытия, длительность технологического цикла и сложность механизации процесса.

224

7.8. Защита структур методом свободной заливки

Метод защиты полупроводниковых структур заливкой применяется обычно для приборов мелких серий со сложной арматурой. Существует два метода заливки: во вспомогательные съемные формы и в предварительно изготовленный корпус.

Сущность метода защиты – герметизации – заключается в заполнении жидким герметизирующим компаундом специальных форм или капсул, в которых размещены блоки арматур полупроводниковых приборов или микросхем. В качестве заливочных компаундов чаще всего используют жидкиекомпаунды на основе эпоксидных смол.

Герметизация приборов и микросхем заливкой в капсулу (корпус) характеризуется тем, что после отверждения герметизирующего компаунда эти капсулы (корпус) остаются частью прибора или микросхемы. При капсулировании микросхема помещается в корпус выводами наружу (рис. 7.19). Свободный торец капсулы и вывода заливают компаундом. Основным условием этого метода герметизации является хорошая адгезия заливочного компаунда к материалу корпуса. Корпус может иметь любую геометрическую форму и таким образом может быть использован для герметизации различных типов полупроводниковых приборов и микросхем.

Наиболее распространен в промышленности метод герметизации заливкой во вспомогательные съемные формы.

Рис. 7.19. Корпус пенального типа, загерметизированный методом заливки: 1 – плата с пленочной микросхемой; 2 – выводы; 3 – кожух; 4 – кассета; 5 – заливочный компаунд

225

В зависимости от конструкции прибора или микросхемы применяют два способа заливки во вспомогательные формы.

Первый способ – заранее заполняют пустоты в литьевой форме, а затем в нее погружают ту часть прибора или микросхемы, на которой смонтирован полупроводниковый элемент (рис. 7.20).

ав

бг

Рис. 7.20. Схема технологического процесса герметизации методом заливки (погружение прибора или микросхемы в заполненную компаундом форму):

а– лента с полупроводниковой структурой; б – помещение ленты с кристаллами

вформу; в – изъятие из формы; г – обрезка ленты-носителя

Предварительно кристалл с переходом монтируется на металлической рамке-держателе, а затем ее помещают в заливочную форму таким образом, чтобы кристалл с выводами располагался в центральной части рабочего углубления заливочной формы, в которой залит жидкий герметизирующий компаунд. Полимеризация компаунда может происходить как при комнатной, так и при повышенной температуре. После отверждения компаунда металлическую рамку вынимают из формы и разделяют на отдельные части, которые представляют собой готовые герметизированные приборы.

Второй способ – жидким компаундом заполняют пустоты предварительно нагретой литьевой формы с находящимися в ней блоками арматуры (рис. 7.21).

Рассмотрим типовые технологические операции заливки. Важной операцией является приготовление компаундов для залив-

ки. Так, для получения эпоксидных компаундов компоненты, взятые в определенных соотношениях, тщательно перемешивают, выдерживают при определенных температурах и перед заливкой смешивают

226

с отвердителем. Во избежание образования пузырей воздуха и раковин в корпусе, как правило, при приготовлении жидких заливочных композиций применяют их вакуумирование (иногда достаточно нагреть компаунд на 20–30 °С ниже температуры его полимеризации). В зависимости от применяемого герметизирующего компаунда литьевые формы могут быть из пластмасс, силиконовой резины, металла или комбинации этих материалов. Резиновые формы перед заливкой обезжириваютпутем их вакуумированияили нагревания.

Рис. 7.21. Схема технологического процесса герметизации методом заливки (нагретая литьевая форма с загруженными приборами заполняется компаундом)

227

Металлические и пластмассовые формы перед заливкой также прогревают при определенной температуре и смазывают антиадгезионным составом-смазкой – обычно раствором кремнийорганических каучуков. Нагрев загрузочных форм необходим для повышения текучести компаунда.

Герметизируемая арматура на металлической рамке-держателе помещается в рабочее гнездо нижней матрицы заливочной формы

иплотно прижимается верхней матрицей. В верхней части заливочной формы имеются специальные отверстия, а внутри – система каналов для подачи герметизирующего компаунда в рабочие гнезда. Формы заполняются компаундом с помощью специального устройства или вручную дозирующим шприцем. Наполненные формы выдерживаются для предварительного отверждения при повышенной температуре от 70 до 170 °С (в зависимости от применяемого компаунда и конструкции изделий).

После предварительного отверждения компаунда заливочные формы охлаждаются и из них извлекаются металлические рамки с загерметизированными в пластмассу приборами. Затем приборы на металлических рамках проходят дополнительную термообработку до полного отверждения пластмассы (полной полимеризации), после чего снимается облой и рамка с приборами разделяется на отдельные части, которые представляют собой готовые загерметизированные приборы.

Контроль качества герметизации проводится с помощью лупы или микроскопа. Не допускаются значительные сколы, раковины

идругие дефекты корпуса, обнажающие нижележащие слои, затекание заливочной массы и вывода на большую площадь, чем указано в технической документации. С целью объективной отбраковки приборов по внешнему виду используются специально подобранные эталонные образцы.

Качество заливки определяется не только выбором соответствующего компаунда, но и оптимальным технологическим режимом, т. е. температурой и длительностью отверждения, соотношением количеств смолы, отвердителя и наполнителя, конструкцией литьевой формы и другими факторами.

На рис. 7.22 показана полупроводниковая диодная матрица, загерметизированная заливкой.

228

а

б

Рис. 7.22. Диодная матрица, загерметизированная пластмассой:

а– до герметизации; б – после герметизации; 1 – пластмассовый корпус; 2 – защитное покрытие; 3 – полупроводниковая структура; 4 – вывод

Наиболее часто встречающиеся отклонения от технологического режима, их возможные причины и пути устранения приведены в табл. 7.3.

Таблица 7.3

Виды брака и способы его устранения при герметизации методом свободной заливки