по дисциплине " Технологические процессы микроэлектроники " на тему: Технологические процессы герметизации имс (стр. 2 из 22)

Усадка полимера при отверждении происходит вследствие испарения растворителя, если оболочку получают из раствора, или уплотнения, если отверждение происходит полимеризацией. Так, как в процессе усадки объём оболочки уменьшается, в ней могут возникнуть только напряжения растяжения. При охлаждении системы полупроводник–полимер, отверждённой при высокой температуре, возникают термические напряжения, также являющиеся напряжениями натяжения. Внутреннее механическое напряжения могут вызвать растрескивание и отслаивание полимерной оболочки от полупроводникового кристалла, то есть нарушение герметичности, возникновение механических напряжений в полупроводниковом кристалле, существенно влияющих на электрические характеристики p-n-переходов, нарушение монтажных межсоединений внутри полимерной оболочки и повышение её газо - и влагопроницаемости.

Так как при длительной работе полупроводниковых приборов в полимерном материале могут протекать процессы старения, сопровождающиеся изменением его пластичности и прочности, необходимо использовать полимерные материалы, сохраняющие работоспособность в течение длительного времени. Чтобы обеспечить достаточную работоспособность полимерных оболочек и максимально уменьшить внутренние напряжения, необходимо процесс отверждения проводить при строго контролируемой температуре в наиболее благоприятном диапазоне.

Характеристика способов герметизации

Герметизация является завершающим технологическим процессом изготовления полупроводниковых приборов и ИМС. Её проводят для полной изоляции элементов, компонентов, кристаллов и электрических соединений от окружающей среды, содержащей влагу, а также активные вещества, способные вызвать коррозию, химические взаимодействия и, как следствие, привести к выходу изделий из строя.

Технологический процесс герметизации включает в себя 3 этапа:

1. Очистка

2. Герметизация

2.1. Корпусная

2.2. Бескорпусная

2.3. Комбинированная

3. Контроль герметизации

Прежде всего, технологические способы герметизации микросхем должны удовлетворять следующим общим требованиям:

· Обеспечивать прочность и сохранять герметичность во всем температурном диапазоне работы схемы

· Не вызывать нагрева активных элементов свыше 300°С

· Не вызывать выделения газов и паров металлы внутри корпуса

· Выполняться в среде очищенного и осушенного воздуха, азота или инертного газа с точкой росы не выше -25°С

· Обеспечивать возможность механизации и автоматизации

Для изготовления надежных в работе изделий необходимо, прежде всего, знать условия внешней среды, а именно физические и биологические особенности места, в которых эти изделия будут находиться и эксплуатироваться, то есть совокупность всех природных, а иногда и искусственно созданных условий (факторов). Факторы, характеризующие физическое состояние среды (например, температура, содержание водяных паров в воздухе, солнечная радиация), называются основными, а факторы, вызванные атмосферными физическими явлениями или зависящие от них, например, микробиальная зараженность атмосферы, называются косвенными. На практике следует учитывать воздействие на аппаратуру и таких косвенных факторов, которые являются следствием образования «искусственного климата» (промышленное загрязнение атмосферы, местное повышение температуры от работающего рядом оборудования и т.д.).

Особенно опасно воздействие на элементы микроэлектронных устройств (МЭУ) влаги. Поскольку воздух практически всегда содержит то или иное количество водяного пара, т.е. представляет собой паровоздушную смесь, то обычно одним из обязательных требований к разрабатываемому способу герметизации является обеспечение необходимой влагозащиты.

Воздействие на изделия одного или тем более одновременно нескольких климатических факторов очень усложняет проблему обеспечения его высокой надежности. Поэтому повышение надежности МЭУ неразрывно связано с разработкой эффективных способов ее герметизации.

Под разработкой герметизации обычно понимают комплекс мер по обеспечению работоспособности изделий при их изготовлении, хранении и последующей длительной эксплуатации. Для этой цели могут быть использованы широкая номенклатура материалов и разнообразные способы герметизации, реализованы различные конструктивные и технологические решения. При этом все герметизирующие изделия МЭУ можно подразделить на две принципиально различные группы:

1. Полые конструкции, в которых рабочая поверхность изделия не контактирует непосредственно с герметизирующим материалом;

2. Конструкции без внутренних газовых полостей, в которых герметизирующий материал контактирует с рабочей поверхностью изделия (монолитные конструкции).

К первой группе относятся металлостеклянные, керамические, пластмассовые и другие корпуса, вторая группа состоит из бескорпусных изделий и монолитных пластмассовых корпусов.

При выборе и разработке способа герметизации обычно решаются две задачи, а именно: обеспечивается защита МЭУ от дестабилизирующего воздействия климатических факторов атмосферы и одновременно исключается также возможное дестабилизирующее влияние самого герметизирующего материала или материалов конструкционных элементов на изделие. В связи с этим необходимо различать понятия внешней и окружающей сред.

Под внешней средой понимается среда, в которой производится хранение и эксплуатация МЭУ, под окружающей же средой понимается ограниченная поверхностью герметизирующей конструкции и окружающая герметизируемое изделие среда (рис. 1).

Рис. 1. а - полый металлостеклянный корпус; б - монолитный пластмассовый:

1 – основание; 2 – крышка; 3 – выводы; 4 – подложка; 5 – навесной компонент с герметизирующим покрытием; 6 – кристаллодержатель с ИС и эластичным подслоем; 7 – пластмассовая оболочка

Окружающая среда может быть газообразной (полые корпуса), жидкой (полые корпуса, заполненные, например, теплоотводящей жидкостью или вазелинами) или в виде твердого покрытия (монолитные герметизирующие конструкции). В ряде случаев под окружающей средой следует понимать сочетание различных материалов и сред. Например, в полых корпусах могут находиться бескорпусные навесные компоненты с герметизирующим покрытием на основе органических полимерных или неорганических материалов. В монолитных пластмассовых корпусах с подслоем окружающая среда представляет собой двухслойную систему. В подобных случаях необходимо предопределить возможное влияние на параметры изделия герметизирующего материала, находящегося на его поверхности. Однако также необходимо учитывать возможное влияние на это покрытие, а в конечном итоге и на изделие других сред (газообразной или твердой).

Очистка полупроводниковых приборов перед герметизацией.

Полупроводниковые приборы и микросхемы перед сборкой очищают и защищают от воздействия внешней среды.

Очистка перед сборкой включает обезжиривание, промывку деионизированной водой в ультразвуковой ванне и сушку на инфракрасной установке. Финишную очистку перед защитой обычно выполняют этиловым спиртом в ультразвуковой ванне. Более эффективная очистка включает обезжиривание в водно–аммиачном растворе поверхностно–активного вещества (30 г/л водного аммиака, 3 г/л синтанола ДС–10), отмывку проточной деионизированной водой в ультразвуковой ванне (устройства, имеющие детали из меди или малоуглеродистой стали, необходимо также обезжиривать в ацетоне) и сушку в атмосфере азота.

Состояние и свойства поверхности полупроводников.

Электрические параметры полупроводников, а также их способность работать в течение длительного времени во многом зависит от состояния и степени чистоты поверхности полупроводника, поэтому перед герметизацией полупроводникового прибора необходимо произвести очистку поверхности изделия.

Электрические свойства поверхности полупроводника отличаются от электрических свойств его объёма, так как поверхностные атомы имеют свободные валентные связи, образующиеся в результате разрыва кристаллической решётки. Состояние поверхности полупроводника зависит от механических, физических и химических методов обработки, а так же от условий окружающей среды.

При механической и физической обработке образуется слой с нарушенной кристаллической решеткой, и поверхность становится шероховатой, загрязняется, а при химической она покрывается оксидной плёнкой, толщина которой зависит от применяемых реактивов и режимов обработки, и загрязняется присутствующими в реактивах примесями. Под воздействием окружающей среды электрические свойства незащищённой поверхности полупроводника изменяются, увеличивается толщина оксидных пленок, и она дополнительно загрязняется. Загрязнения, попадающие на поверхность полупроводника из окружающей среды, а также при взаимодействии с технологическими средами и химическими реактивами, ухудшают и вызывают дрейф характеристик полупроводниковых приборов. Особенно опасны загрязнения поверхности интегральных схем, на единице площади которых расположено большое количество полупроводниковых элементов. Так, загрязнение даже одного микроучастка может вывести из строя всю микросхему.

Очистка поверхности полупроводника и её защита от внешних атмосферных воздействий являются сложными технологическими процессами.