Особенности сборки полупроводниковых приборов. Сборка и герметизация микросхем и полупроводниковых приборов. Защита кристалла от воздействия внешней среды

Корпус полупроводниковых приборов предназначен для поверхностного монтажа в радиоэлектронной промышленности и может быть использован в производстве полупроводниковых приборов. Основной технической задачей является резкое повышение частотных свойств корпусов полупроводниковых приборов для поверхностного монтажа. Данная задача достигается изменением конструкции кристаллодержателя корпуса путем введения изолирующей теплопроводящей керамической прокладки для монтажа полупроводниковых кристаллов и трех изолированных выводов планарного типа. Корпус для поверхностного монтажа содержит металлическое основание 1, теплоотводящую металлизированную с двух сторон плоскую керамику-изолятор 2, керамический изоляционный каркас 3, металлическую крышку-баллон 4, токоотводящие вставки в керамическом каркасе 5, вывода 6.

Полезная модель представляет собой корпус полупроводниковых приборов, для поверхностного монтажа, предназначенный для защиты полупроводниковых кристаллов от климатических, механических, электромагнитных и других видов воздействия и может быть использован в радиоэлектронной, электротехнической отраслях промышленности для производства мощных полупроводниковых приборов.

В конструкции корпусов полупроводниковых приборов для поверхностного монтажа используются металлокерамические радиотехнические материалы, обладающие высокой механической и электрической прочностью, устойчивостью к термо- и энергоциклам, климатическим и электромагнитным воздействиям.

Конструкция корпуса для поверхностного монтажа полупроводниковых приборов содержит кристаллодержатель из металлического основания, электроизоляционный керамический каркас с впаянными в него металлическими вставками-выводами и баллон-крышку.

Прототипом предлагаемой полезной модели являются корпуса для поверхностного монтажа КТ94-1-1.01, КТ95-1, КТ106-1, содержащие металлокерамический кристаллодержатель, состоящий из металлического основания, изоляционного керамического каркаса с двумя впаянными токоотводящими металловставками и металлизированным рельефом по контуру; двух изолированных токоотводящих выводов, припаянных к металловставкам металлического каркаса и металлического баллона - крышки.

Данная задача достигается тем, что металлическое основание изолируется от кристалла полупроводника посредством напайки на него изолирующей теплоотводящее керамической прокладки из BeO; AlN; Si 3 N 4 ; BN и др. металлизированной с двух сторон и в керамическом каркасе кристаллодержателя выполняется методом пайки три планарных металлических вывода.

Изменение топологического рисунка теплоотводящего керамического изолятора позволяет реализовать различные варианты сборки кристаллов полупроводниковых приборов.

На фиг.1 показан общий вид корпуса для поверхностного монтажа: корпус содержит металлическое основание 1, теплоотводящую металлизированную с двух сторон плоскую керамику-изолятор 2, керамический изоляционный каркас 3, металлическую крышку-баллон 4, токоотводящие металлические вставки в керамический каркас 5, вывода 6.

Металлические детали корпуса 1, 4, 5, 6 изготавливаются методом штамповки, керамический изолятор-каркас 3 - методом прессования, литья и высокотемпературной металлизации для герметизирующего шва и токоотводящих отверстий изготавливается технологией прессования, высокотемпературного литья и формовки,

Изолирующая теплоотводящая керамика 2 изготавливается прессованием, литьем и высокотемпературной обработкой с нанесением металлизации определенного рисунка или топологии.

Герметизация крышки-баллона 4 с металлокерамическим кристаллодержателем осуществляется методом шовно-роликовой сварки и другими технологическими методами.

Корпус полупроводниковых приборов для поверхностного монтажа, содержащий кристаллодержатель, состоящий из плоского металлического основания, керамического каркаса, планарных выводов, и крышку, отличающийся тем, что металлокерамический кристаллодержатель содержит теплопроводящую изолирующую керамическую прокладку и три изолированных планарных вывода.

Анализ отказов полупроводниковых приборов и микросхем показывает, что в большинстве случаев они связаны с повышением предельно допустимых напряжений и токов, а также с механическими повреждениями. Чтобы во время ремонта и регулировки полупроводниковые приборы и микросхемы не выходили из строя, необходимо соблюдать меры предосторожности. Произвольная замена радиоэлементов, определяющих режим схемы, недопустима даже на короткое время, так как это может привести к перегрузкам транзисторов, микросхем и выходу их из строя. Особенно тщательно надо следить за тем, чтобы щупами измерительных приборов не вызвать случайного замыкания цепей схемы. Не следует подключать к полупроводниковым приборам источник сигнала с малым внутренним сопротивлением, потому что через них могут протекать большие токи, превышающие предельно допустимые значения.

Исправность полупроводниковых диодов можно проверить с помощью омметра. Степень их годность определяют путем измерения прямого и обратного сопротивлений. В случае пробоя диода указанные сопротивления будут равны и составят несколько Ом, а при обрыве они будут бесконечно велики. Исправные диоды имеют прямое сопротивление в пределах: германиевые точечные - 50-100 Ом; кремниевые точечные - 150-500 Ом и плоскостные (германиевые и кремниевые) - 20-50 Ом.

При измерении сопротивления диода, имеющего утечку, показание стрелки прибора медленно уменьшается и, достигнув определенного значения, стрелка прибора останавливается. При повторном измерении процесс повторяется снова. Диоды с такими дефектами следует заменить. Взамен вышедших из строя подбирают диоды того же типа или аналоги, проверяют их и определяют полярность включения.

Проверку исправности транзисторов и измерение их основных параметров можно производить с помощью специального испытателя параметров транзисторов типа Л2-23. С помощью испытателя можно быстро определить коэффициент передачи тока "альфа", обратный ток коллектора, наличие или отсутствие пробоя между эмиттером и коллектором и др. Измерение таких важнейших эксплуатационных параметров позволяет судить о возможностях дальнейшего использования транзистора в схемах БРЭА.

При отсутствии специального прибора исправность транзисторов можно определить путем измерения сопротивления р-п-переходов с помощью омметра. Измерение рекомендуется выполнять на высшем диапазоне измерений омметра, где протекающий ток минимальный.

Проверку исправности микросхем начинают с измерения постоянных и импульсных напряжений на их выводах. Если результаты измерений отличаются от требуемых, то следует установить причину: дефекты в подсоединенных к ИМС радиоэлемента, отклонение их значений от номинальных, источник, откуда поступают необходимые импульсные и постоянные напряжения, или неисправность самой ИМС.

Нельзя проверять исправность ИМС методом замены, если для этой цели она должна быть выпаяна из печатной платы. Выпаянную ИМС не рекомендуется устанавливать вновь, даже если проведенная проверка показала ее исправность. Такое требование объясняется тем, что из-за повторного перегрева выводов не гарантируется ее без отказная работа.

При необходимости замены полупроводниковых приборов и микросхем нужно придерживаться следующих правил:

1. Установка и крепление полупроводниковых приборов должны проводиться с сохранением герметичности корпуса прибора. Чтобы предотвратить появление в них трещин, изгиб выводов рекомендуется производить на расстоянии не менее 10 мм от корпуса прибора. Для этого необходимо плоскогубцами жестко фиксировать выводы между местом изгиба и стеклянным изолятором.

2. Замена полупроводниковых приборов, микросхем и микросборок производится только при отключенном питании аппарата. При демонтаже транзистора из схемы сначала выпаивается коллекторная цепь. Базовые выводы транзистора отключают последними, а при монтаже базовый вывод подключается первым. Нельзя подавать напряжение на транзистор, базовый вывод которого отключен.

3. Пайка выводов полупроводниковых приборов производится на расстоянии не менее 10 мм от корпуса прибора, за исключением транзисторов (например, КТ315, КТ361 и др.), для которых это расстояние составляет 5 мм. Между корпусом и местом пайки следует применять теплоотвод. При монтаже микросхему устанавливают на печатную плату с зазором, который обеспечивается конструкцией выводов (выводы не формируются).

4. Электропаяльник должен быть небольшого размера, мощностью не более 40 Вт, с питанием от источника напряжения 12-42 В. Температура жала паяльника не должна превышать 190 град. Цельсия. В качестве припоя необходимо применять сплав с низкой температурой плавления (ПОС-61, ПОСК-50-18, ПОСВ-33). Время пайки каждого вывода не более 3 сек. Интервал между пайками соседних выводов микросхем не менее 10 сек. С целью экономии времени рекомендуется пайку микросхем осуществлять через один вывод. Жало паяльника и корпус (общую шину) радиоаппарата следует заземлять или электропаяльник включать в сеть через трансформатор, так как во время пайки возникновение токов утечки между жалом паяльника, включенного в сеть, и выводами ИМС может привести к выходу ее из строя.

5. Для лучшего охлаждения мощные транзисторы и микросхемы устанавливают на радиаторах. Во избежании выхода из строя этих приборов из-за перегрева при их установке нужно соблюдать правила.

6. Контактные поверхности должны быть чистыми, без шероховатостей, мешающих их плотному прилеганию.

7. Контактные поверхности необходимо смазывать пастой с двух сторон (паста КПТ-8).

8. Винты, крепящие транзистор, должны затягиваться с усилием. При недостаточной затяжки винтов возрастает тепловое сопротивление контакта, что может привести к выходу из строя транзистора.

9. Чтобы заменить микросборок, ее следует вынуть из панели. Для этого нужно на 1-2 мм вытянуть из панели один край микросборки, а затем другой. Затем повторить операцию и окончательно извлечь микросборку без перекосов. Запрещается брать микросборку за плоскость, на которой расположены все элементы. Все операции следует производить, держа микросборку за торцевые части. Микросборка сначала вставляется в направляющие боковые пазы панели. Затем нажимают на нее с одной стороны, пока нижняя кромка этой стороны на пройдет в контакты панели на 1-2 мм. После этого нажимают на микросборку посередине и вводят ее в панель до упора без перекоса.

Полупроводниковые приборы, сведения о которых приводятся в справочнике, являются приборами общего применения. Они могут работать в разнообразных условиях и режимах, характерных для различных классов радиоэлектронной аппаратуры широкого, промышленного и специального применения.

Общие технические требования к приборам, предназначенным для аппаратуры определенного класса, содержатся в общих технических условиях (ОТУ) на эти приборы. Конкретные нормы на значения электрических параметров и специфические требования к данному типу приборов излагаются в частных технических условиях (ЧТУ) и ГОСТ на приборы.

Высокая надежность радиоэлектронной аппаратуры на полупроводниковых приборах может быть обеспечена лишь при условии учета на стадии ее проектирования, изготовления и эксплуатации следующих особенностей приборов:

• разброса значений параметров, их зависимости от режима и условий работы;
• изменения значений параметров в течение времени хранения или работы;
• необходимости хорошего отвода тепла or корпусов приборов;
• необходимости обеспечения запасов по электрическим, механическим и другим нагрузкам на приборы в радиоэлектронной аппаратуре;
• необходимости принятия мер, обеспечивающих отсутствие перегрузок приборов во время монтажа и сборки радиоэлектронной аппаратуры.

Значения параметров приборов одного типа не одинаковы, а лежат в некотором интервале. Этот интервал ограничивается минимальными или максимальными значениями, указанными в справочнике. Некоторые параметры имеют двухстороннее ограничение значений. Приведенные в справочнике вольтамперные характеристики, зависимости параметров от режима и температуры являются усредненными для большою количества экземпляров приборов данного типа. Эти зависимости могут использоваться при выборе типа прибора для данной схемы и ориентировочного ее расчета.

Большинство параметров полупроводниковых приборов значительно изменяется в зависимости от режима работы и температуры. Например, время восстановления обратного сопротивления импульсных диодов зависит от значения прямого тока, напряжения переключения и сопротивления нагрузки; потери преобразования и коэффициент шума СВЧ диодов зависят от уровня подводимой мощности. Значительно изменяется в диапазоне температуры, указанном в технических условиях, обратный ток диода. В справочнике приводятся значения параметров, гарантируемых ТУ для соответствующих оптимальных или предельных режимов использования.

Применение и эксплуатация приборов должны осуществляться в соответствии с требованиями ТУ и стандартами - руководствами по применению. При конструировании радиоэлектронной аппаратуры необходимо стремиться обеспечить ее работоспособность в возможно более широких интервалах изменений важнейших параметров приборов. Разброс параметров приборов и изменение их значений во времени при проектировании аппаратуры учитываются расчетными методами или экспериментально, например методом граничных испытаний.

Время, в течение которого полупроводниковые приборы могут работать в аппаратуре (их срок службы), практически неограниченно Нормативно-техническая документация на поставку приборов (ГОСТ. ТУ), как правило, гарантирует минимальную наработку не менее 15 000 ч. а в облегченных режимах и условиях эксплуатации - до 30 000 ч. Однако теория и эксперименты показывают, что через 50 - 70 тыс. ч работы возрастания интенсивности отказов не наблюдается. Тем не менее за время храпения и работы могут происходить изменения значений параметров приборов. У отдельных экземпляров эти изменения оказываются столь значительными, что происходит отказ аппаратуры. Для контроля уровня надежности изготовляемых приборов используются такие показатели, как гамма-процентный ресурс, гамма-процентная сохраняемость, минимальная наработка (гарантийная наработка), интенсивность отказов при специальных кратковременных испытаниях в форсированном режиме. Нормы на эти показатели устанавливаются в ТУ на приборы.

Для расчета надежности радиоэлектронной аппаратуры следует использовать количественные показатели надежности, устанавливаемые путем проведения специальных испытаний, обработки большого объема статистических данных о различных испытаниях и "эксплуатации приборов в разнообразной аппаратуре.

Экспериментально установлено, что интенсивность (вероятность) отказов приборов растет при увеличении рабочей температуры переходов, напряжения на электродах и тока. В связи с повышением температуры ускоряю(сч практически отказы всех видов: короткие замыкания, обрывы и значительные изменения параметров. Повышение напряжения значительно ускоряет отказы приборов с МДП структурами и с низковольтными переходами. Увеличение тока приводит, главным образом, к ускоренному разрушению контактных соединений и токоведуших дорожек металлизации на кристаллах.

Приближенная зависимость интенсивности отказов от нагрузки имеет вид:

где λ(T п,макс, U макс, I макс) интенсивность отказов при максимальной нагрузке (может быть взята из результатов кратковременных испытаний в форсированном режиме). Значение В приблизительно равно 6000 К.

Для повышения надежности работы приборов в аппаратуре необходимо снижать, главным образом, температуру переходов и кристаллов, а также рабочие напряжения и токи, которые должны быть существенно ниже предельно допустимых. Рекомендуется устанавливать напряжения и токи (мощность) на уровне 0.5-0.7 предельных (максимальных) значений. Эксплуатация полупроводниковых приборов при температуре, напряжении или токе, равных предельному значению, запрещается. Не допускается даже кратковременное (импульсное) превышение предельно допустимою режима при эксплуатации. Поэтому необходимо принимать меры по защите приборов от электрических перегрузок, возникающих при переходных процессах (при включении и выключении аппаратуры, при изменении режима ее работы, подключении нагрузок, случайных изменениях напряжения источников питания).

Режимы работы приборов должны контролироваться с учетом возможных неблагоприятных сочетаний условий эксплуатации аппаратуры (повышенная окружающая температура, пониженное давление окружающей среды и др.).

Если необходимое значение тока или напряжения превышает предельно допустимое для данною прибора значение, рекомендуется применение более мощною или высоковольтного прибора, а в случае диодов - их параллельное или последовательное соединение. При параллельном соединении необходимо выравнивать токи через диоды с помощью резисторов с небольшим сопротивлением, включаемых последовательно с каждым диодом. При последовательном включении диодов обратные напряжения на них выравниваются с помощью шунтирующих резисторов или конденсаторов. Рекомендуемые сопротивления и емкости шунтов обычно указываются в ТУ на диоды. Между последовательно или параллельно включенными приборами должна быть хорошая тепловая связь (например, все приборы устанавливаются на одном радиаторе). В противном случае распределение нагрузки между приборами будет неустойчивым.

При воздействии различных факторов (температуры, влаги, химических. механических и других воздействий) параметры, характеристики и некоторые свойства полупроводниковых приборов могут изменяться. Для защиты структур полупроводниковых приборов от внешних воздействий служат корпуса приборов. Корпуса мощных приборов одновременно обеспечивают необходимые условия отвода тепла, а корпуса СВЧ приборов - оптимальное соединение электродов приборов со схемой. Необходимо иметь в виду, что корпуса приборов имеют ограничения по герметичности и коррозионной устойчивости, поэтому при эксплуатации приборов в условиях повышенной влажности рекомендуется покрывать их специальными лаками (например, типа УР-231 или ЭП-730).

Обеспечение отвода тепла от полупроводниковых приборов является одной и; главных задач при конструировании радиоэлектронной аппаратуры. Необходимо придерживаться принципа максимально возможного снижения температуры переходов и корпусов приборов. Для охлаждения мощных диодов или тиристоров используются теплоотводящие радиаторы, работающие в условиях естественной конвекции или принудительного обдува, а также конструктивные элементы узлов и блоков аппаратуры, имеющие достаточную поверхность или хороший теплоотвод. Крепление приборов к радиатору должно обеспечивать падежный тепловой контакт. Если корпус прибора должен быть изолирован, то для уменьшения общего теплового сопротивления лучше изолировать радиатор от корпуса аппаратуры, чем диод или тиристор oт радиатора.

Отвод тепла улучшается при вертикальном расположении активных поверхностей радиатора, так как при этом лучше условия конвекции. Ориентировочные размеры теплоотводяших радиаторов в форме вертикально ориентированных пластин из алюминия (квадратных или прямоугольных) в зависимости от рассеиваемой ими мощности, можно определить но формуле

где S - площадь одной стороны пластины, см 2 ; Р - рассеиваемая в приборе мощность, Вт. Пластины площадью до 25 см 2 могут иметь толщину 1-2 мм, площадью от 25 до 100 см 2 2-3 мм. свыше 100 см 2 - 3 - 4 мм.

При заливке плат с полупроводниковыми приборами компаундами, пенопластами, пенорезиной необходимо учитывать изменение теплового сопротивления между корпусом прибора и окружающей средой, а также возможность увеличения дополнительного нагрева приборов от расположенных вблизи элементов схемы с большим тепловыделением. Температура при заливке не должна превышать максимальной температуры корпуса прибора, указанной в ТУ. При заливке не должны возникать механические нагрузки на выводы, нарушающие целостное 1Ь стеклянных изоляторов или корпусов приборов.

В процессе подготовки и проведения монтажа полупроводниковых приборов в аппаратуру механические и климатические воздействия на них не должны превышать значений, указанных в ТУ.

При рихтовке, формовке и обрезании выводов участок вывода около корпуса должен быть закреплен гак. чтобы в проводнике не возникали изгибающие или растягивающие усилия. Оснастка и приспособления для формовки выводов должны быть заземлены. Расстояние от корпуса прибора до начала изгиба вывода должно быть не менее 2 мм. Радиус изгиба при диаметре вывода до 0,5 мм должен быть не менее 0.5 мм, при диаметре 0,6-1 мм - не менее 1 мм. при диаметре свыше 1 мм - не.менее 1,5 мм.

Паяльники, применяемые для пайки выводов приборов, должны быть низковольтными. Расстояние от корпуса или изолятора до места лужения или пайки вывода должно быть не менее 3 мм. Для отвода тепла участок вывода между корпусом и местом пайки зажимается пинцетом с губками из красной меди. Жало паяльника должно быть надежно заземлено. Если температура припоя не превышает 533 + 5 К, а время пайки не более 3 с. то можно производить пайку без теплоотвода или групповым методом (волной, погружением в припой и др.).

Очистка печатных плат от флюса производится жидкостями. которые не влияют на покрытие, маркировку или материал корпуса (например, спирто-бензиновой смесью).

В процессе монтажа, транспортировки, хранения СВЧ приборов необходимо обеспечивать их защиту ог воздействия статического электричества. Для лого все измерительное, испытательное, монтажное оборудование и инструменты надежно за?емляю1ся: для снятия заряда с тела оператора применяются заземляющие браслеты или кольца. используются антистатическая одежда, обувь, покрытия столов рабочих мест.

Диоды СВЧ необходимо предохранять от воздействия внешних электрических наволок и электромагнитных полей. Не следует хранить или даже кратковременно оставлять СВЧ диоды без специальной экранирующей упаковки. Перед установкой СВЧ диодов в аппаратуру последняя должна быть заземлена. Входы и выходы СВЧ тракта в неработающем или хранящемся блоке аппаратуры с использованием СВЧ диодов должны выть перекрыты металлическими заглушками.

При эксплуатации аппаратуры должны быть приняты меры, предохраняющие СВЧ диоды от электрических СВЧ перегрузок, которые могут привести либо к необратимому ухудшению параметров. либо к полному отказу (выгоранию) диодов. Для защиты от СВЧ перегрузок в аппаратуре применяются резонансные разрядники, ферритовые oграничители, газоразрядные аттенюаторы.

Правила монтажа

При монтаже электронных схем транзисторы крепят за корпус. Чтобыненарушитьгерметизацию, изгиб внешних выводоввыполняютнеближе10 ммотпроходногоизолятора(еслинетдругихуказаний). Запрещаетсяизгибжесткихвыводовмощныхтранзисторов.

Пайку внешних выводов электродов производят не ближе 10 мм от корпуса паяльником мощностью до 60 Вт легкоплавким припоем с температурой плавления около 150 °С. В процессе пайки необходимо обеспечить хороший отвод тепла между корпусом прибора и местом пайки и выполнять ее возможно быстрее (не более 3 с).

Транзисторы нельзя располагать вблизи тепловыделяющих элементов (сетевых трансформаторов, мощных резисторов), а также в сильныхэлектромагнитныхполях. Следуетпредусматриватьзащиту транзисторов от воздействия влаги и радиации.

Мощные транзисторы необходимо плотно соединять с радиатором. Для улучшения теплового контакта поверхности транзистора и радиатора рекомендуется смазывать невысыхающим маслом или припаиватьлегкоплавкимприпоем. Всхемах, требующихизоляции транзисторов от шасси, с целью снижения теплового сопротивления изоляционной прокладки целесообразна изоляция не транзистора от теплоотвода, а теплоотвода от шасси.

Правила эксплуатации

При включении транзистора в схему необходимо уточнить их структуру (p-n-p или n-p-n ) и соблюдать полярность подключения внешних источников. К внешним зажимам эмиттера и базы напряжениеисточникаподключаютвпроводящем, акколлекторномупереходу- вобратномнаправлении. Приподключении транзистора кисточникупитанияпервымприсоединяютвыводбазы, последним выводколлектора, априотключении- вобратномпорядке. Запрещаетсяподаватьнапряжение натранзисторсотключенной базой.

Для увеличения надежности и долговечности приборов рабочие напряжение, ток, мощность и температуру необходимо выбирать меньше предельно допустимых (около 0,7 их значения).

Недопускаетсяиспользоватьтранзисторывсовмещенныхпредельных режимах хотя бы по двум параметрам (например, по току и напряжению).

Причины отказов

Отказы в работе полупроводниковых приборов вызываются механическими дефектами, неправильной эксплуатацией, нарушениями температурных условий работы и др. Причина коротких замыканий в транзисторах - неравномерная толщина базы, трещина в p-n переходах и др. Причём при ряде дефектов, например пробое одного перехода, транзистор не теряет полностью свою работоспособность, а трансформируется в более простой прибор - диод.

При слишком большой скорости нарастания тока тиристора может произойти разрушение кристалла прибора. Вследствие дефектов p-n переходов тиристоры, так же как и биполярные транзисторы, могут трансформироваться в более простые полупроводниковыеприборы. Например, триодныйтиристорможетработатьиз- задефектовp-n переходовкакдиодныйтиристорилидиод. Должны быть приняты меры, чтобы такие дефекты не вызывали опасные нарушения в работах систем.

У полупроводниковых приборов внезапные отказы обусловлены пробоем p-n переходов, обрывами и перегревами внутренних выводов, короткими замыканиями в структуре, растрескиванием кристалла. Бо′ льшая часть (~90 %) внезапных отказов полупроводниковых приборов приходится на пробои p-n переходов. Вероятностьобрываилиперегораниявнутреннихвыводоввозрастаетпри воздействии на полупроводниковый прибор вибраций, ударов, а также цикличных изменениях его температурных условий. Интенсивность внезапных отказов практически не зависит от времени. Старение полупроводниковых приборов обусловлено возрастанием интенсивности постепенных отказов. Срок службы полупроводниковых приборов составляет более 104 часов.

Постепенные отказы вызываются физическими и химическими процессами в объёме и на поверхности кристалла, сплавов и припоев контактов. Они проявляются в форме постепенного роста обратных токов p-n переходов, снижения коэффициентов передачи токов транзисторов, увеличения уровня собственных шумов.

Сборка и герметизация микросхем и полупроводниковых приборов включает в себя 3 основные операции: присоединение кристалла к основанию корпуса, присоединение выводов и защиту кристалла от воздействия внешней среды. От качества сборочных операций зависят стабильность электрических параметров и надёжность конечного изделия. кроме того, выбор метода сборки влияет на суммарную стоимость продукта.

Присоединение кристалла к основанию корпуса

Основными требованиями при присоединении полупроводинкового кристалла к основанию корпуса являются высокая надёжность соединения, механическая прочность и в ряде случаев высокий уровень передачи тепла от кристалла к подложке. Операцию присоединения проводят с помощью пайки или приклеивания.

Клеи для монтажа кристаллов могут быть условно разделены на 2 категории: электропроводящие и диэлектрические. Клеи состоят из связующего вещества клеи и наполнителя. Для обеспечения электро- и теплопроводности в состав клея как правило вводят серебро в виде порошка или хлопьев. Для создания теплопроводящих диэлектрических клеев в качестве наполнителя используют стеклянные или ке-рамические порошки.

Пайка осуществляется с помощью проводящих стеклянных или металлических припоев.

Стеклянные припои - это материалы, состоящие из оксидов металлов. Они обладают хорошей адгезией к широкому спектру керамики, оксидов, полупроводниковых материалов, металлов и характеризуются высокой коррозионной стойкостью.

Пайка металлическими припоями осуществляется с помощью навесок или прокладок припоя заданной формы и размеров (пре-форм), помещаемых между кристаллом и подложкой. В массовом производстве применяется специализированная паяльная паста для монтажа кристаллов.

Присоединение выводов

Процесс присоединения выводов кристалла к основанию корпуса осуществляется с помощью про-волоки, ленты или жёстких выводов в виде шариков или балок.

Проволочный монтаж осуществляется термокомпресионной, электроконтактной или ультразвуковой сваркой с помощью золотой, алюминиевой или медной проволоки/лент.

Беспроволочный монтаж осуществляется в технологии «перевёрнутого кристалла» (Flip-Chip). Жёсткие контакты в виде балок или шариков припоя формируются на кристалле в процессе создания металлизации.

Перед нанесением припоя поверхность кристалла пассивируется. После литографии и травления, контактные площадки кристалла дополнительно металлизируются. Эта операция проводится для создания барьерного слоя, предотвращения окисления и для улучшения смачиваемости и адгезии. После этого формируются выводы.

Балки или шарики припоя формируются методами электролитического или вакуумного напыления, заполнения готовыми микросферами или методом трафаретной печати. Кристалл со сформированными выводами переворачивается и монтируется на подложку.

Защита кристалла от воздействия внешней среды

Характеристики полупроводникового прибора в сильной степени определяются состоянием его по-верхности. Внешняя среда оказывает существенное влияние на качество поверхности и, соответствен-но, на стабильность параметров прибора. данное воздействие изменяется в процессе эксплуатации, поэтому очень важно защитить поверхность прибора для увеличения его надёжности и срока службы.

Защита полупроводникового кристалла от воздействия внешней среды осуществляется на заклю-чительном этапе сборки микросхем и полупроводниковых приборов.

Герметизация может быть осуществлена помощью корпуса или в бескорпусном исполнении.

Корпусная герметизация осуществляется путём присоединения крышки корпуса к его основанию с помощью пайки или сварки. Металлические, метало-стеклянные и керамические корпуса обеспечива-ют вакуум-плотную герметизацию.

Крышка в зависимости от типа корпуса может быть припаяна с использованием стеклянных при-поев, металлических припоев или приклеена с помощью клея. Каждый из этих материалов обладает своими преимуществами и выбирается в зависимости от решаемых задач

Для бескорпусной защиты полупроводниковых кристаллов от внешних воздействий используют пластмассы и специальные заливочные компаунды, которые могут быть мягкими или твёрдыми после полимеризации, в зависимости от задач и применяемых материалов.

Современная промышленность предлагает два варианта заливки кристаллов жидкими компаундами:

1. Заливка компаундом средней вязкости (glob-top, Blob-top)
2. Создание рамки из высоковязкого компаунда и заливка кристалла компаундом низкой вязкости (Dam-and-Fill).

Основное преимущество жидких компаундов перед другими способами герметизации кристалла за-ключается в гибкости системы дозирования, которая позволяет использовать одни и те же материалы и оборудование для различных типов и размеров кристаллов.

Полимерные клеи различают по типу связующего вещества и по типу материала наполнителя.

Связующий материал

Органические полимеры, используемые в качестве адгезива, могут быть разделены на две основные категории: реактопласты и термопласты. Все они являются органическими материалами, но

существенно отличаются по химическим и физическим свойствам.

В реактопластах при нагреве полимерные цепи необратимо сшиваются в жёсткую трёхмерную сетчатую структуру. Возникающие при этом связи позволяют получать высокую адгезионную способность материала, но при этом ремонтопригодность ограничена.

В термопластичных полимерах не происходит отверждения. Они сохраняют способность к размягчению и расплавлению при нагреве, создавая прочные эластичные связи. Это свойство позволяет использовать термопласты в задачах, где требуется ремонтопригодность. Адгезионная способность термопластичных пластмасс ниже, чем у реактопластов, но в большинстве случаев вполне достаточна.

Третий тип связующего вещества - смесь термопластов и реактопластов, объединяющая в себе

преимущества двух типов материалов. Их полимерная композиция представляет собой взаимопроникающую сеть термопластичных и реактопластичных структур, что позволяет использовать их для создания высокопрочных ремонтопригодных соединений при относительно низких температурах (150 о С - 200 о С).

Каждая система имеет свои достоинства и недостатки. Одним из ограничений в использовании термопластичных паст является медленное удаление растворителя в процессе оплавления. Раньше для соединения компонентов с использованием термопластичных материалов требовалось провести процесс нанесения пасты (соблюдая плоскостность), сушки для удаления растворителя и только затем установки кристалла на подложку. Такой процесс исключал образование пустот в клеящем материале, но увеличивал стоимость и затруднял использование данной технологии в массовом производстве.

Современные термопластичные пасты обладают способностью очень быстрого испарения растворителя. Это свойство позволяет наносить их методом дозирования, используя стандартное оборудование, и устанавливать кристалл на ещё не высушенную пасту. Далее следует этап быстрого низкотемпературного нагрева, во время которого растворитель удаляется, и после оплавления создаются адгезионные связи.

Долгое время имелись сложности с созданием высоко теплопроводящих клеев на основе термопластов и реактопластов. Данные полимеры не позволяли увеличивать содержание теплопроводящего наполнителя в пасте, поскольку для хорошей адгезии требовался высокий уровень связующего вещества (60-75%). Для сравнения: в неорганических материалах доля связующего вещества могла быть уменьшена до 15-20%. Современные полимерные клеи (Diemat DM4130, DM4030, DM6030) лишены этого недостатка, и содержание теплопроводящего наполнителя достигает 80-90%.

Наполнитель

Основную роль в создании тепло-, электропроводящего адгезива играют тип, форма, размер и количество наполнителя. В качестве наполнителя используется серебро (Ag) как химически стойкий материал с наиболее высоким коэффициентом теплопроводности. Современные пасты содержат в себе

серебро в виде порошка (микросферы) и хлопьев (чешуек). Точный состав, количество и размер частиц экспериментально подбираются каждым производителем и в сильной степени определяют теплопроводящие, электропроводящие и клеящие свойства материалов. В задачах, где требуется диэлектрик с теплопроводящими свойствами, в качестве наполнителя используется керамический порошок.

При выборе электропроводящего клея следует принимать во внимание следующие факторы:

• Тепло-, электропроводность используемого клея или припоя
• Допустимые технологические температуры монтажа
• Температуры последующих технологических операций
• Механическая прочность соединения
• Автоматизация процесса монтажа
• Ремонтопригодность
• Стоимость операции монтажа

Кроме того, при выборе адгезива для монтажа следует обращать внимание на модуль упругости полимера, площадь и разность КТР соединяемых компонентов, а также толщину клеевого шва. Чем ниже модуль упругости (чем мягче материал), тем большие площади компонентов и большая разница КТР соединяемых компонентов и более тонкий клеевой шов допустимы. Высокое значение модуля упругости вносит ограничение в минимальную толщину клеевого шва и размеры соединяемых компонентов из-за возможности возникновения больших термомеханических напряжений.

Принимая решение о применении полимерных клеев, необходимо учитывать некоторые технологические особенности этих материалов и соединяемых компонентов, а именно:

• длина кристалла (или компонента) определяет величину нагрузки на клеевой шов после охлаждения системы. Во время пайки кристалл и подложка расширяются в соответствии со своими КТР. Для кристаллов большого размера необходимо использовать мягкие (с низким модулем упругости) адгезивы или согласованные по КТР материалы кристалла/подложки. Если различие КТР слишком велико для данного размера кристалла, соединение может быть нарушено что приведет к отслаиванию кристалла от подложки. Для каждого типа пасты производитель, как правило, даёт рекомендации по максимальным размерам кристалла для определённых значений разницы КТР кристалла/подложки;

• ширина кристалла (или соединяемых компонентов) определяет расстояние, которое проходит растворитель, содержащийся в адгезиве, до того как покинет клеевой шов. Поэтому размер кристалла должен учитываться и для правильного удаления растворителя;

• металлизация кристалла и подложки (или соединяемых компонентов) не обязательна. Обычно полимерные клеи имеют хорошую адгезию ко многим неметаллизированым поверхностям. Поверхности должны быть очищены от органических загрязнений;

• толщина клеевого шва. Для всех адгезива, содержащих тепло- , электропроводящий наполнитель, существует ограничение по минимальной толщине клеевого шва dx (см. рисунок). Слишком тонкий шов не будет иметь достаточно связующего вещества, чтобы покрыть весь наполнитель и сформировать связи с соединяемыми поверхностями. Кроме того, для материалов с высоким модулем упругости толщина шва может ограничиваться различными КТР для соединяемых материалов. Обычно для клеев с низким модулем упругости рекомендуемая минимальная толщина шва составляет 20-50 мкм, для клеев с высоким модулем упругости 50-100 мкм;

• время жизни адгезива до установки компонента. После нанесения адгезива растворитель из пасты начинает постепенно испаряться. Если клей высыхает, то не происходит смачивания и приклеивания соединяемых материалов. Для компонентов малого размера, где отношение площади поверхности к объёму нанесённого клея велико, растворитель испаряется быстро, и время после нанесения до установки компонента необходимо минимизировать. Как правило, время жизни до установки компонента для различных клеев варьируется от десятков минут до нескольких часов;

• время жизни до термического отверждения клея отсчитывается от момента установки компонента до помещения всей системы в печь. При длительной задержке может происходить расслоение и растекание клея, что негативным образом сказывается на адгезии и теплопроводности материала. Чем меньше размер компонента и количество нанесённого клея, тем быстрее он может высохнуть. Время жизни до термического отверждения клея может варьироваться от десятков минут до нескольких часов.

Выбор проволоки, лент

Надёжность проволочного/ленточного соединения в сильной степени зависит от правильного вы-бора проволоки/ленты. Основными факторами определяющими условия применения того или иного типа проволоки являются:

Тип корпуса . В герметичных корпусах используется только алюминиевая или медная проволока, поскольку золото и алюминий образуют хрупкие интерметаллические соединения при высоких темпе-ратурах герметизации. Однако для негерметичных корпусов используется только золотая проволока/ лента, поскольку данный тип корпуса не обеспечивает полную изоляцию от влаги, что приводит к коррозии алюминиевой и медной проволоки.

Размеры проволоки/лент (диаметр, ширина, толщина) более тонкие проводники требуются для схем с малыми контактными площадками. С другой стороны, чем выше ток, протекающий через соединение, тем большее сечение проводников необходимо обеспечить

Прочность на разрыв . Проволока/ленты подвергаются внешнему механическому воздействию в течение последующих этапов и в процессе эксплуатации, поэтому, чем выше прочность на разрыв, тем лучше.

Относительное удлинение . Важная характеристика при выборе проволоки. Слишком высокие значения относительного удлинения усложняют контроль формирования петли при создании прово-лочного соединения.

Выбор метода защиты кристалла

Герметизация микросхем может быть осуществлена помощью корпуса или в бескорпусном исполнении.

При выборе технологии и материалов, которые будут использоваться на этапе герметизации, следу-ет принимать во внимание следующие факторы:

• Необходимый уровень герметичности корпуса
• Допустимые технологические температуры герметизации
• Рабочие температуры микросхемы
• Наличие металлизации соединяемых поверхностей
• Возможность использования флюса и специальной атмосферы монтажа
• Автоматизация процесса герметизации
• Стоимость операции герметизации

В статье приведён обзор технологий и материалов, применяемых для формирования столбиковых выводов на полупроводниковых пластинах при производстве микросхем.