ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р2_1_м

170

ный диэлектрик с полупроводниковыми включениями, роль последних выполняет вода. Сорбируя воду, электроизоляционные материалы ухудшают свои электрические характеристики (падает удельное сопротивление, растут диэлектрическая проницаемость и потери, уменьшается электрическая прочность материала).

Если внутри влажного материала имеется перепад температур, то под влиянием температурного градиента влага в виде жидкости или пара перемещается по направлению потока теплоты. Процесс перемещения влаги для этого явления назван термовлагопроводностью. С увеличением температуры уменьшается поверхностное натяжение σ воды и согласно формуле (6.23) возрастает давление паров р над мениском, а влага перемещается в сторону более низких температур (см. рис. 6.27, б). Движению жидкости в пористом теле по направлению потока теплоты способствует также наличие воздушных полостей. При повышении температуры давление защемленного воздуха увеличивается и жидкость «проталкивается» по направлению потока теплоты (см. рис. 6.27, в).

Таким образом, перемещение влаги в материале осуществляется благодаря диффузии (молекулярное перемещение), капиллярному движению (молярное перемещение) и механическому проталкиванию воздушной полостью. Движущей «силой» диффузии и капиллярного перемещения влаги в материале является градиент её концентрации.

Процессы сорбции влаги и её проникновения в толщу материала описываются влажностными характеристиками, имеющими непосредственную связь со структурой материала и его химическим составом. К числу влажностных характеристик относятся коэффициент влагопроницаемости В, коэффициент растворимости влаги в материале hР и коэффициент диффузии D.

Уравнение диффузионного изменения плотности влаги в пластине её поглотителя представляется выражением

которое при граничных условиях (ρ = ρ1│Х = О; ρ = ρ2│X = d0) имеет решение следующего вида:

171

где d0 — толщина пластины.

Согласно первому закону Фика, удельный поток J и масса влаги M, проходящей за время τ через пластину c площадью S, определяются по соотношениям

С учётом закона Генри при n = 1, масса влаги М может быть представлена в иной форме через давления паров влаги на противоположных сторонах пластины:

Произведение D∙hP принято называть коэффициентом вла-

гопроницаемости материала В и определять в форме

как массу М воды, проходящей через поверхность S пластины толщиной d0 за время τ при разности давлений на мокрой и сухой стороне образца ∆p.

Значения влажностных параметров для электроизоляцион-

ных материалов имеют следующий порядок: D = 10–8–10–12 м2/с;

В = 10–12– 10–16 кг/(м∙с∙Па); h р = 10–2 –10–5 кг/(м3∙Па).

Зависимости влажностных параметров D, В, hР полимерных материалов от температуры представляются выражением единообразной формы следующего вида:

в котором обозначение А соответствует определяемому параметру (D, В, hР), а обозначения Еi и Аi соответствуют энергии активации и значению при начальной температуре для названных параметров.

С увеличением температуры значения В и D возрастают, но разность энергий активации ЕD и ЕВ может иметь разные знаки, т.е. энергия активации процесса растворения может быть поло-

172

жительной и отрицательной и с ростом температуры коэффициент hР может увеличиваться или уменьшаться.

В конструкциях микросхем применяются и изоляционные, и проводниковые, и полупроводниковые, и контактные, и конструкционные материалы. При действии повышенной влажности окружающей среды они изменяют как механические, так и электрические свойства. Изоляционные материалы при длительном пребывании в условиях повышенной влажности обычно поглощают влагу, что приводит к ухудшению электрических характеристик: падает удельное объемное сопротивление ρ, растет тангенс угла потерь, увеличивается диэлектрическая постоянная. При выборе изоляционного материала (выводные изоляторы, корпуса радиодеталей, диэлектрики) важно знать, как изменяются под влиянием влажности электрические характеристики.

При воздействии на проводниковые материалы повышенной влажности происходит изменение сечения проводника в результате окисления и коррозии материала.

При повышенной влажности воздуха могут создаваться благоприятные условия для развития на некоторых электроизоляционных материалах плесеневых грибковых образований. Это явление наблюдается при влажности (80–100 %) и температуре +25 ÷ +37˚ С. Наиболее сильную деградацию свойств плесень вызывает у материалов с органической основой. Выделяемые плесенью продукты жизнедеятельности разрушают органические электроизоляционные материалы, кроме того, в плесени удерживается большое количество влаги. Для уменьшения вредного влияния влаги необходим рациональный выбор материалов обмотки, изолирующих покрытий, контактов, пропиточных лаков, эмалей и т.п.

Материалы, применяемые для влагозащиты функциональных узлов и элементов, должны обладать низкой влагопроницаемостью, высокой электрической и механической прочностями, температурной стойкостью. Не существует органических полимерных материалов, полностью удовлетворяющих всем поставленным требованиям. Например, органические диэлектрики принципиально влагопроницаемы и поэтому ограничивают срок службы элемента, который определяется временем эффективной влагозащиты.

173

Влагостойкость материалов принято оценивать по влажностным параметрам (влагопроницаемости В, коэффициенту растворимости hP, коэффициенту диффузии D). Кроме них важной характеристикой является гигроскопичность (влагопоглощаемость) — свойство материала поглощать водяные пары из воздуха. Сухой образец электроизоляционного материала массой M1 помещается в условия повышенной влажности (F = 98 %), где происходит поглощение влаги и увеличение массы ∆M образца в течение регламентированного времени влагонасыщения, после чего дальнейшее увлажнение прекращается. На рисунке 6.28,а показана типичная кривая кинетики сорбции материала, аналитическое представление которой представляется выражением

m = pП∙сF∙{1 – [(pП∙сF–mO)∙exp (–t∙S∙D/ x∙сF)]/ pП∙сF}, (6.31)

где сF — сорбционная ёмкость материала поглотителя при парциальном давлении pП, см3;

mO —исходное количество влаги в твёрдом теле, кг;

pП — наружное парциальное давление водяных паров, кг/см3;

S — поверхность сечения материала, перпендикулярная направлению диффузии на глубине х, см2.

При t → ∞ масса влаги соответствует концентрации её насыщения в твёрдом теле m → pП∙сF, а давление водяных паров в твёрдом теле и вне его выравниваются. Решением равенства (6.31) относительно времени t или х может определяться либо время натекания влаги при известных параметрах конструкции защитной оболочки, либо необходимая толщина стенки защитной оболочки для защиты от проникновения влаги в течение требуемого времени.

Гигроскопичность Г количественно определяется по формуле

где М2 — масса образца после выдержки его в условиях относительной влажности 98 % в течение 24 или 48 ч.

174

В таблице 6.6 приведены равновесные уровни влагопоглощения в процентах для ряда диэлектрических материалов, применяемых в конструкциях микросхем.

Таблица 6.6

Электроизоляционные материалы испытывают также на водостойкость по той же методике, что и на гигроскопичность, но материал при этом помещают в дистиллированную воду. При испытании образцов на влаго- и водостойкость в зависимости от цели испытаний производится измерение одного или нескольких параметров: гигроскопичности, водопоглощаемости, набухания, электрических характеристик (удельного сопротивления, электрической прочности ЕКР, тангенса угла потерь, диэлектрической проницаемости, механических характеристик). Обычно испытания проводятся при постоянной относительной влажности, равной 98 %, или оговоренной условиями испытаний.

При определении стойкости электроизоляционных материалов к действию влаги применяют различные параметры в зависимости от назначения материала. В частности, для работы во влажной среде (в том числе при р = 100 % и tc = 30–50 °С) могут быть рекомендованы электроизоляционные материалы со значениями

hp < 0,75 кг/(м3∙Па); D < 3 10–9 м2/с; ρ1/ρ2≈ 1,

где ρ1— удельное объемное сопротивление после 48 ч выдержки образца в условиях определенной влажности воздуха; ρ2— удельное объемное сопротивление сухого образца.

175

Основным критерием оценки влагостойкости диэлектрика является соответствие материала допустимым нормам изменения удельного объемного сопротивления, но на этапе проектирования применить этот критерий затруднительно из-за сложности картины насыщения влагой и отказов чувствительных к влиянию влаги элементов. Поэтому названный критерий применяется в экспериментальных методиках. В процессе проектирования для прогнозирования отказов приходится ограничиваться оценкой времени повышения влажности на внутренних стенках защищаемых полостей до нормативного уровня, пользуясь формулами (6.28), (6.31).

Для защиты поверхности металлических и неметаллических материалов от воздействия влаги и агрессивной внешней среды применяются поверхностные покрытия. Поверхностные покрытия по назначению делятся на три группы:

–защитные покрытия;

–защитно-декоративные покрытия;

–специальные покрытия.

По определению покрытия первой группы предназначены для защиты от коррозии, развития гнилостных и иных процессов, сопровождающихся отказом изделия. Защитно-декоративные покрытия наряду с защитой поверхности предназначены придать требуемый внешний вид поверхности изделия. Специальные покрытия соответствуют приданию поверхности особых свойств защиты от особых агрессивных воздействий.

По типу материалов и, соответственно, способу нанесения различают покрытия неорганической природы (обычно металлические, наносимые гальваническим, диффузионным, термическим распылением, ионной имплантацией) и органической природы (грунтовки, лаки, эмали, пластмассы, наносимые распылением, кистями, опрессовкой). Из способов нанесения влагозащитых полимерных покрытий применяются: пропитка, заливка, обволакивание, опрессовка и консервация. Пропитка и заливка осуществляются лаками и компаундами; обволакивание и опрессовка — компаундами, пластмассами, пленками; консервация —

восновном полимерными пленками.

Вбольшинстве случаев в качестве средств защиты для герметизации используются органические диэлектрики, хотя герме-

176

тизация полимерными материалами не гарантирует бессрочного сохранения конструкцией исходных свойств. Однако использование материалов с низкой диффузией влаги и низкой влагопроницаемостью, а также выбор необходимой толщины изоляции может обеспечить сохранность рабочих свойств в течение длительного контролируемого времени. Практика использования герметиков для влагозащиты показывает, что критическим значением коэффициента влагопроницаемости В, выше которого не целесообразно их использовать для целей герметизации, соответствует

В< (6–10)∙10–15 кг/(м∙с∙Па).

Вкачестве защиты от увлажнения иногда применяют гидрофобизацию электроизоляционных материалов и отдельных узлов, при этом резко уменьшаются смачиваемость, водопоглощение, водопроницаемость, улучшаются электрические свойства. В качестве гидрофобных материалов используются битумы, парафины, воски, некоторые кремнийорганичеекие соединения. Для опрессовки элементов и узлов служат термопласты (полиэтилены, полиамиды, резины и т.д.).

Для герметизации блоков аппаратуры на микросхемах применяются металлические, наглухо запаянные или заваренные корпуса. Места соединений разнородных материалов (металлы, стекло, пластмассы) уплотняют с помощью компаундов, смазок и т.п. Такие уплотнения не гарантируют достаточной герметизации, и при колебаниях температуры воздух будет засасываться внутрь изделия и произойдет постепенное накопление влаги.

Для ослабления доступа влаги к чувствительным элементам конструкций в полостях, куда влага, несмотря на принимаемые меры, проникает, применяются влагопоглотители (хлористый кальций, силикагель и др.), помещенные в специальные пластмассовые патроны с отверстиями. Силикагель обладает большой внутренней поверхностью и способен абсорбировать влагу до 40–50 % от собственной массы. При насыщении силикагеля влагой цвет его меняется от серо-белого до розового, после чего необходимо производить замену патрона с влагопоглотителем. Для предотвращения увлажнения изделий применяются подогреватели, которые поддерживают температуру на 5–10 °С выше окружающей. Так, при температуре воздуха 25–40 °С с повышением температуры на 2–3 °С относительная влажность снижается от

177

100 до 90 %, с повышением температуры на 5 °С — до 75 %, а на 10 °С — до 60 %. Предохранение изоляции от увлажнения может быть также осуществлено с помощью свободной или искусственной вентиляции. Наилучший эффект получается при сочетании подогрева с вентиляцией.

6.8 Монтаж кристаллов и плат

Методы монтажа подложек, плат и кристаллов в корпусах зависит от выбора материала присоединительного слоя — клея, стекла, припоя и т.д.

Материал присоединительного слоя должен обеспечивать эффективный отвод теплоты в подложку или корпус в зависимости от выделяемой мощности, хорошее согласование температурных коэффициентов расширения (ТКР) соединяемых элементов в широком (–60 +125°С) диапазоне рабочих температур, стойкость к динамическим воздействиям (с ускорением до 150g) в условиях воздействия вибраций и ударов. В отдельных случаях присоединительный слой (связка) должен быть не только теплопроводным, но и электропроводным, что является дополнительным условием для выбора способа и материалов монтажа.

Достаточно малые тепловые сопротивления (десятые доли К/Вт) имеют присоединительные слои на основе металлических припоев. Тепловое сопротивление спая на основе стекла лежит в пределах 60…200 К/Вт. Вследствие малого коэффициента теплопроводности наибольшее тепловое сопротивление имеют клеевые соединения.

Различие температурных коэффициентов расширения кристалла (подложки) и основания в условиях нагрева или охлаждения вызывает в них внутренние напряжения (растягивающие или сжимающие) в зависимости от соотношения ТКЛР. Эти напряжения имеют максимальные значения на контактных поверхностях присоединительного слоя. При хорошей адгезии напряжения могут превысить предел прочности материала присоединительного слоя на растяжение или сжатие. Обычно прочность соединительного слоя ниже прочности материалов соединяемых деталей. Так слой стекла, имеющего высокую адгезию со многими материала-

178

ми (до 100 МПа), плохо противостоит напряжениям растяжения. Температурные деформации на границах слоя уменьшаются, если ТКЛР присоединительного слоя имеет промежуточное значение между ТКЛР материалов соединяемых деталей (см. табл. 6.1). В этом случае этот слой выполняет роль своеобразного буфера. Наилучшие условия согласования имеют место при плавном изменении состава (а следовательно и ТКЛР) присоединительного слоя. Такие условия, в частности, возникают при пайке контактным плавлением.

Процесс монтажа подложек и кристаллов ИМС представляется последовательностью этапов:

–подготовка поверхности основания и нанесение присоединительного материала (клея, стекла, припоя);

–ориентированная установка кристалла (подложки) на основание;

–монтажное соединение поверхностей (под давлением и с нагревом).

Наиболее точным и производительным способом нанесения монтажного материала (связки), обладающего свойствами пасты (клей, суспензия стекла, лудящая паста), является сеткографический способ, который, кроме того, позволяет обеспечить достаточно точную дозировку материала и высокую воспроизводимость геометрических размеров соединения. Конструкция корпуса микросхемы должна при этом обеспечивать возможность плотного прилегания сетки к основанию.

Ориентация кристалла непосредственно на основании нежелательна, поэтому кристаллы должны быть предварительно ориентированы и уложены в кассеты или установлены на лентыкристаллоносители, откуда вакуумным пинцетом их переносят к месту соединения.

Собственно монтаж может выполнятся индивидуально для каждого кристалла на специальных технологических установках (при соединении пайкой) или групповым способом в кассетах под необходимым давлением с общим нагревом в печах или термостатах (соединения стеклом или склеиванием).

Клеевые соединения применяются для микросхем и компонентов пониженной мощности. Технология клеевых соединений применяется для широкого круга материалов (с использованием

179

клеев на эпоксидной основе) и диапазона рабочих температур (–60 +150 °C, а кратковременно — до +450 °С). Клеевые соединения устойчивы к действию вибрации.

Недостатками эпоксидных смол является высокое значение ТКЛР и пониженная теплопроводность. Поэтому клеи на основе этих смол всегда содержат наполнители (минеральные или металлические), снижающие значение и увеличивающие . Клеевые соединения характеризуются наличием внутренних напряжений, которые возникают вследствие первичной усадки при полимеризации (уплотнение структуры), усадки при охлаждении (при горячем отверждении), разницы ТКЛР соединяемых деталей и клея.

Большинство клеев допускают варьирование температуры и времени склеивания в широких пределах, причем при повышении температуры время отверждения клея быстро уменьшается. Режим холодного отверждения осуществляется при комнатной температуре, но требует длительной выдержки (до 48 ч). Поэтому склеивание, как правило, выполняют с подогревом 60…200 °C в зависимости от марки клея.

Монтаж кристаллов и подложек, предназначенных для работы в герметизированных корпусах, исполняется клеями, не содержащими активных компонентов, способных при температуре эксплуатации выделяться из клеевой прослойки и заполнять объем корпуса. Широкое распространение получили клеи марок ВК-2, ВК-4, ВК-8 и ВК-9.

Рабочий цикл монтажа кристаллов в корпусах и на подложках включает следующие приемы, выполняемые автоматически:

–захват кристалла инструментом (с вакуумным прижимом);

–включение нагрева инструмента;

–перемещение корпуса (ленты) на шаг, установка кристалла, выключение вакуума;

–включение ультразвукового генератора, пайка, выключение подогрева инструмента и ультразвукового генератора;

–включение обдува, подъем инструмента и выключение

обдува.

Качество поверхности соединяемых элементов оказывает большое влияние на прочность клеевого слоя. Поэтому с поверх-