7.5 Проектирование мкм с учётом воздействий окружающей среды.

МКМ должны проектироваться таким образом,чтобы они могли противостоять различным негативным влияниям окружающей среды, таким как: периодические изменения температуры и внешнего давления, высокая влажность и загрязнение воздуха.

7.5.1 Колебание температуры

Колебания температуры являются результатом множества обычных ситуаций: периодические включения-выключения, облучение солнечным светом, вспышки света, высокие нагрузки, цилические испытания,которым подвергается оборудование.

Рис.7.13 Изменение температуры в различных межсоединениях

Теплопроводность материалов,используемых в МКМ может изменяться на 2 порядка величины,что показано на рис.7.14. Когда два материала соединены друг с другом, различные КТЛР могут привести к возникновению существенных напряжений

Рис.7.14. Различные типы КТЛР в материалах корпуса.

Предел выносливости на растяжение или сжатие никогда не должен превышаеться.

Это обеспечивается либо путём использования материалов с близкими значениями КТЛР, либо созданием гибких элементов . В основном встречаются 3 случая:

а) различные материалы соединены вместе по всей длине(рис.7.15а)

б)две различные структуры соединены друг другом концами(рис.7.15б)

в)одна структура загерметизирована в материал(рис.7.15в).

Рис 7.15 Основные виды несоответствия КТЛР.

7.5.2 Анализ герметичности

Термин герметичный означает плотно закупоренный,без доступа воздуха. В контексте микроэлектронной герметизации, герметичность определяется как способность корпуса предотвращать значимые проникновения различных загрязнений,например таких как водяной пар. В то время как многие материалы могут использоваться для удержания воды в жидком состоянии,только стёкла,керамика и металлы способны образовывать реальные барьеры для проникновения паров воды. Как показано на рис.7.16 an epoxy cavity-style package позволяет парам воды существенно проникать через его стенки.

Даже если толщина стенок составляет порядка 1 см,влага всё равно постепенно проникнет в корпус, выравнивая внутренне и внешнее давление. Это происходит буквально в течение одного года. Чтобы достичь 20-тилетней герметизации от паров воды, необходимо выполнять стенки толщиной свыше 1 см! В противоположность этому, металлические стенки толщиной всего лишь 0.0001 дюйма могут сохранять герметичность втечении 20-и лет.

Присутствие влаги на поверхности ИС может привести к ряду повреждений механизмов, таких как: химическая коррозия,электромиграция,гальваническая коррозия и повреждение примесных слоёв в полупроводниковых материалах.Наиболее остро проблема водяных паров возникает когда капельки жидкости формируются на уязвимых поверхностях.Это может произойти в любой момент,когда модуль охлаждается до температур более низких,чем точка росы внутри корпуса. В этих условиях жидкость будет конденсироваться на холодных поверхностях,так же как пары воды конденсируются на стеклах в теплую влажную погоду. Другой причиной формирования капель жидкости на поверхности ИС является нагревание охлаждённой поверхности. Так же как и лёд, эта поверхность, в зависимости от условий внутри, может либо сублимировать в атмосферу микромодуля,либо сначала образовывать капли,а затем испаряться.

Рис 7.16 Пропускание влаги различными материалами

Герметизация модуля осуществляется для того,чтобы предотвратить образование капель на поверхности ИС путем удержания влаги вне полости корпуса.Успех герметичности микромодуля зависит от:

1.Удаления практически всей влаги из внутренней части модуля до процесса герметизации.

2. Предовращения попадания любой внешней влаги внутрь корпуса.

Влага может присутствовать в нескольких местах внутри электронного корпуса:

1).Адсорбированный монослой влаги на всей поверхности корпуса,поверхности компонентов и поверхности подложки.

2).Адсорбированная влага внутри основных органических материалов.

Эпоксиды(для приклеивание кристалла, склеивания печатной платы,проводящие слои,герметичные капсулы) обычно адсорбируют от 0.1 до 0.4 процента от всей влаги. Полиэмиды(пассивация кристалла,многоуровневые слои печатной платы и т.д.) могут адсорбировать от 1 до 3 процентов влаги.

3. Выделевшаяся влага,появившаяся от материалов хранящих адсорбированные пары.

4. Выделевшаяся влага,появившаяся как продукт реакции понижения температуры материала. Некоторые клеящие материалы для кристалла выделяют очень много воды в процессе разложения при высокой температуре.

5.Влага в герметичной атмосфере.

Количество влаги в МКМ может быть минимизировано несколькими способами:

1.Герметичный отжиг используется для удаления источников адсорбции,абсорбции и выделения влаги.

2.Атмосфера отжига контролируется некоторым содержанием примеси. Обычно отжиг проводится либо в атмосфере сухого азота, либо используется вакуумный отжиг.

Для предовращения образования капель внутри корпуса,уровень влаги должен поддерживаться на низком уровне,достаточном для того чтобы точка росы всегда была ниже,чем температура замерзания. Таким образом,когда корпус охлаждается пары не смогут конденсироваться в виде воды,только в виде льда.Твёрдый лёд проявляет себя как очень слабый электролит и корродирующий агент.Точка росы(точка замерзания) как функция от удельной влажности представлена на рис.7.17,где можно видеть,что при удельной влажности 1-го уровня(свыше 0.003788) предоставляется возможным осаждения пара в виде воды при охлаждении.

Рис. 7.17 Зависимость точки росы от Содержания влаги внутри корпуса.

Метод измерения содержания влаги внутри корпуса определен в MIL-STD-883 как метод 1018. В данном методе количество влаги измеряется как отношение объёма воды к объёму воздуха в анализаторе парциальных давлений газов(АПДГ) при температуре 100° C.Используя плотность воздуха и паров воды при 100° C удельную влажность можно перевести в кол-во частиц на миллион в единице объёма (parts per million by volume (ppmv)) которое используется в ТУ.Максимально возможная влажность в 0.003788 единиц может быть переведена следующим образом:

Для предотвращения образования жидких капель из растаявшегося льда или преждевременной конденсации,ТУ использует слегка заниженный предел в 5000 ppmv (вместо 6000 ppmv).Рис.7.18 показывает значения кол-ва частиц на миллион в единице объёма соответствующие различным точкам росы.

Рис.7.18 Зависимость точки росы от влаги внутри корпуса(при 100° C, кол-во частиц на миллион в единице объёма ) полученная с помощью АПДГ.

Как было выяснено ранее,использование материала корпуса,который прекрасно подходит для герметизации, приводит к более чем 20-и летней защите от проникновения влаги.На практике не всякая изоляция сделана качественно. В дополнение к этому различные нагрузки и герметизация корпуса в процессе монтажа или испытания могут иногда приводить к образованию различных микротрещин,которые способствуют проникновению влаги.Замеры необходимы для того чтобы определить какие из микротрещин могут привести к утечке.Стандартный тест на определение коэффициента утечки установлен в MIL-STD-883.Основной метод,включающий испытание герметичного корпуса проводиться в автоклаве в атмосфере гелия.Гелий,который имеет очень маленький размер молекулы проникает внутрь корпуса,если присутствуют микропоры. Затем микросборку проверяют с помощью детектора гелия,который определяет скорость с которой гелий выходит из внутренней части корпуса.В зависимости от размеров корпуса и условий в автоклаве,метод 1014 стандарта MIL-STD-883 позволяет определить степень герметичности в 10^-8 - 10^-7 ATM-cc/s скорости утечки гелия. Однако следует отметить что эти уровни,изобретённые многими учёными оказываются недостаточными для защиты корпуса на ранних стадиях проникновения влаги. Как говорилось ранее,степень герметичности в 10^-10 - 10^-9 это есть максимум,который можно обеспечить для 20-и летнего функионирования. К счастью огромная часть микросборок герметизируется таким образом, что коэффициет утечки оказывается на один или два порядка меньше,чем максимально допустимый ТУ.

Потоки гелия через отверстия различных размеров подразделяются на 3 диапазона,которые показаны на рис.7.19. Большая скорость утечки выравнивается вязкими потоками.Скорость потока обратно пропорциональна вязкости газа в этом диапазоне.Здесь диаметр утечки через микроканал намного больше,чем значение длины свободного пробега газа.Скорость потока здесь прямо пропорциональна скорости молекул газа.При крайне низкой течи,поток регулируется диффузией и прямо пропорционален продукту Х (имеется ввиду молекулярная скорость свободного пробега) .

Жирная линия на рис.7.19 показывает суммарный поток.

Рис. 7.19 Коэффициент утечки гелия в различных режимах.

Соотношения между потоками гелия и сухого воздуха или влаги могут быть получены при помощи таблицы 7.6.Эти значения могут быть использованы для подсчёта соответсвующих потоков для сухого воздуха и водяных паров в сравнении с потоком гелия,который получают из таблицы 7.7. Результаты показаны на рис.7.20. Следует отметить,что в среднем диапазоне утечки скорость потока гелия через трещины размером с частицу будет в 2.7 раза больше,чем скорость потока сухого воздуха.В области очень маленькой скорости утечки,скорость потока гелия в 10 раз больше чем скорость сухого воздуха.Это происходит из-за меньшего размера молекул гелия,гораздо большей молекулярной скоростью и большим значением длины свободного пробега(см табл 7.6).Следует отметить ,что кривые скорости потока для сухого воздуха и водяных паров практически совпадают,поэтому если рассматривать смешаный поток,то он будет практически идентичен потоку сухого воздуха.

Таблица 7.6 Свойства молекул: подсчёт скоростей потоков гелия,воздуха,влаги

		VIS	MFP	AMV
	Размер молекулы (Å)	Вязкость (дина с/см2)	Значение свободного пробега (см)	Средняя молекулярная скорость (см/с)
Гелий	2.3	194 x 10-6	18.6 x l0-6	123,000
Воздух	3.5	180 x l0-6	6.4 x 10-6	46,000
Пары воды	6.0	93 x 10-6	4.2 x 10-6	58,000

Рис.7.20 Поток гелия,сухого воздуха и влаги через корпус МКМ.

Табл.7.7 Отношения скоростей потоков воздух-гелий и пар-гелий

Диапазон утечки(ATM cc/s He)	рассеяния (ниже l0-9)	Молекулярный (от 10-8 до 10-5)	вязкостный (свыше 10-4)
Множитель	(MFP)X(AMV)X	(AMV)X	(VIS)He
	(MFP)He(AMV)He	(AMV)He	(VIS)X
Скорость потока воздуха Скорость потока гелия	0.13	0.37	1.08
Скорость потока паров Скорость потока гелия	0.11	0.47	2.09

Рис.7.21 показывает время, за которое устанавливается влажность, достаточная для разрушения, как функцию от скорости утечки, измеренной с помощью теста с гелием.

На Рис.7.16 существует большой разброс из-за различных факторов, вносящих вклад в скорость проникновения влаги в корпуса различных размеров. В атмосфере с достаточно постоянной температурой,проникновение влаги осуществляется в основном за счёт диффузии благодаря различию парциальных давлений водяных паров внутри и вне корпуса. Локальная относительная влажность воздуха очевидно в сильной степени влияет на это отношение. В атмосфере с непостоянной температурой изменение давления внутри корпуса благодаря температурным явлениям, будет нагнетать влажный воздух либо отсасывать его. Степень колебания температуры очевидно очень сильно влияет на скороть механизма проникновения. В таблице 7.8 приведены некоторые рекоммендации для максимально допустимых скоростей утечки гелия в высоконадёжных разработках.

Устройства, требующие надёжной работы втечение 20 лет и более должны проектироваться таким образом, чтобы их герметичность была на несколько порядков выше,чем предусмотрено общепринятыми стандартами. Контроль процессов при очень маленькой утечке очевидно требует более сложного оборудования ,такого например, как придумал Бергквист(Bergquist) для увеличения точности определения утечки гелия до ~ 10¹² ATM-cc/s.

Табл. 7.8 Контроль скорости утечки рекомендуемый для производителей.

Рекомендованная максимальная скорость утечки для гибридныхмикроссхем\МКМ (atm-cc/s для гелия)	Относ. величина
Ниже 3 x 10"9	29
Много меньше 10"8	30
1 x 10-10	28
Существенно ниже 1 x 10-8	32
Ниже 1 x 10-8	33
Значение полости ниже в 3 x 10-9 раз в см3	36

Рис.7.21 Время достижения внутрекорпусной влажности в 5000 ppmv.