по дисциплине " Технологические процессы микроэлектроники " на тему: Технологические процессы герметизации имс (стр. 8 из 22)
Таблица 1 Параметры материалов, применяемых для изготовления корпусов
| Материал | Состав, % | ТКЛР, 10-6°С-1 | Коэффициент теплопроводности, Вт/(м * °С) |
| Алюминиевая керамика | 94.. .96А12О3, 6.. .4MgOn Si02 | 6,4... 7,9 | 19,6 |
| Бериллиевая керамика | 97.. .99 BeO | 7,0 | 208 |
| Боросиликатное стекло | — | 4,6 | 1,1 |
| Припайное стекло | 58РbO, 12Ва2О3, 20SiO2, 8ZnO, 2 - прочие окислы | 4,0... 12,0 | — |
| Ковар | 18Co,28Ni, 54Fe | 4,7...5,5 | 16,7 |
| Керамвар | 25Co, 27Ni, 48Fe | 8,1 | — |
| Припой | 61 Sn, 39Pb | 21,5 | — |
| Пластмассы | — | 20...200 | 0,3.. .2,0 |
Для согласования ТКЛР металла со стеклом или керамикой используются буферные материалы с промежуточным значением ТКЛР. В роли буфера широко применяют так называемые припайные стекла, имеющие сравнительно невысокую температуру размягчения (~500° С). При нагреве припайное стекло размягчается и омачивает соединяемые поверхности подобно тому, как припой смачивает соединяемые металлические детали. ТКЛР припайного стекла находится в пределах (4...12)-10-6 °С-1. Его величина зависит от времени и температуры термообработки в процессе соединения материалов. Это обусловлено тем, что размеры кристаллов, образующихся после расплавления стекла, зависят от температуры и длительности термообработки. Кристаллизующийся спай обеспечивает высокую механическую прочность соединяемых материалов. Допускается многократный изгиб выводов без нарушения герметизации. Возникающие на поверхности стекла микротрещины оканчиваются на гранях приповерхностных кристаллов и не распространяются в глубь спая.
Для образования герметичных соединений керамики с керамикой и керамики с металлом используют также покрытые припоем слои воженного металла (серебра) в керамику. Сочетания керамики, стекла и металлов с пластмассами не обеспечивают полностью герметичных соединений вследствие большой разницы в тклр (см. табл. 1) и высокой влагопроницаемости пластмасс. Эпоксидные, фенольные и силиконовые пластмассы используются только в корпусах микросхем, предназначенных для работы в умеренных условиях (влажность <85%).
В зависимости от конструкции корпуса в практике производства находят применение следующие способы герметизации: холодная сварка давлением, электроконтактная конденсаторная сварка, пайка, заливка компаундами, склеивание, опрессовка компаундами.
В зависимости от применяемых материалов и конструктивных особенностей микросхемы используют следующие методы соединений:
1. Cварка
1.1. Холодная сварка
1.2. Электроконтактная конденсаторная сварка (ЭКС)
1.3. Аргонно-дуговая сварка
1.4. Микроплазменная сварка
1.5. Термокомпрессионная сварка
1.6. Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИП)
1.7. Сварка сдвоенным (расщепленным) электродом
1.8. Ультразвуковая сварка
1.9. Роликовая сварка
1.10. Электроннолучевая сварка
2. Пайка
2.1. Пайка припоями
2.2. Пайка стеклом
3. Заливка
4. Склеивание
5. Опресссовка
6. Капсулирование
Холодная сварка - это процесс получения неразъемного соединения в результате пластической деформации двух деталей (металлостеклянный корпус). При сближении свариваемых деталей на расстояние действия межатомных сил между поверхностными атомами образуются металлические связи. Степень деформации свариваемых деталей должна быть 75—85 %, т.е. их суммарная толщина после сварки составляет 15—25% от первоначальной. Усилие сжатия при холодной сварке зависит от пластичности материалов соединяемых деталей и контактной площади рабочего инструмента (пуансона), обычно выполняемого из инструментальной стали Х12, ХВГ, ШХ13 или твердого сплава ВК20. Так, для соединения деталей из меди МБ или М1 удельное давление должно быть 1500—1800 Н/мм2, а деталей из меди с коваровыми, стальными или из сплава 47НД составлять 2000—2500 Н/мм2. В зависимости от свойств свариваемых материалов применяют дву- или одностороннюю холодную сварку. Двусторонней соединяют детали из материалов примерно одинаковой пластичности, а односторонней — различной пластичности. Причем в первом случае (рис. 2) пуансоны одновременно деформируют фланцы крышки и корпуса и поэтому во избежание подрезки более пластичного фланца крышки воздействующий на него верхний пуансон должен иметь плоскую широкую торцевую поверхность. Холодная сварка проста, доступна и применяется в основном для герметизации металлостеклянных корпусов транзисторов и диодов средней и большой мощности, а также корпусов ИМС из металлов, обладающий высокой теплопроводностью.
Специфическим условием получения качественного герметичного соединения является высокая пластичность материала, по крайней мере одной из соединяемых деталей. Обычно баллон выполняют из меди Ml, а ножку - из ковара, обеспечивающего хорошее согласование ТКЛР со стеклянными изоляторами коваровых выводов. Поскольку холодная сварка связана со значительной деформацией (относительная деформация до 80%), толщина соединяемых деталей должна быть не менее 0,3 мм, а на ножке должна выполняться защитная канавка, разгружающая хрупкие стеклянные изоляторы. Коваровую ножку делают достаточно толстой (1 мм), чтобы обеспечить необходимую прочность и герметичность стеклянных изоляторов.
Важным условием получения качественного шва является чистота и отсутствие окислов на соединяемых поверхностях. Целесообразно медный баллон предварительно никелировать. В процессе сдавливания хрупкая никелевая плёнка разрушается, обнажая чистую поверхность меди,
 |
Процесс может быть выполнен, например, на полуавтомате И020.0007/Т. Полуавтомат позволяет осуществлять холодную сварку корпусов диаметром до 20 мм в контролируемой среде. Сварка производится подвижным верхним и неподвижным нижним пуансонами. Усилие для сварки (до 1000 кГ) создается гидравлическим цилиндром с максимальным рабочим давлением 50 ат. Загрузку деталей в гнезда 12-позиционной карусели выполняют вручную, выгрузку сваренных изделий - автоматически. Для создания нейтральной среды в зоне сварки полуавтомат снабжен герметичным колпаком. Производительность полуавтомата 600 - 900 шт/ч.
Рис 2. Односторонняя холодная сварка корпуса ИМС.
1,4 – верхний и нижний пуансоны, 2,3 – крышка и основание корпуса
Электроконтактная конденсаторная сварка (ЭКС) - это процесс получения неразъемного соединения нагревом свариваемых кромок до пластичного состояния и последующим их сжатием (осадкой). Для нагрева свариваемых кромок через них пропускают электрический ток. При этом количество необходимой теплоты можно определить по следующей формуле (закон Джоуля—Ленца): а = 0,2412Кt (где / — сварочный ток; К - сопротивление участка цепи в месте контакта; t- время действия тока). Кроме сварочного тока, который обычно составляет несколько десятков тысяч ампер, и длительности его прохождения, основным параметром электроконтактной сварки является: усилие сжатия электродов, которое в зависимости от свариваемых материалов составляет 1-20 кН. Монолитные электроды изготовляют из бронзы БрБ2, БрХБ или БрНБТ, основание; комбинированных — из меди М1, М2 или МЗ, а рабочую часть из сплава ВМ.
Наиболее распространена электроконтактная сварка неподвижными электродами, при которой соединяемые детали устанавливают в специальное гнездо нижнего электрода, а верхний электрод при опускании центрирует их и сжимает с удельным давлением 50—100 Н/мм2. При роликовой электроконтактной сварке соединяемые детали перемещаются между двумя вращающимися роликами.
Электроконтактной сваркой чаще всего герметизируют корпуса п/п приборов и микросхем круглой и прямоугольной формы со штыревыми выводами.
Для герметизации ИМС широко используют корпуса с боковыми выводами и стеклянными или керамическими изоляторами, расположенными непосредственно под зоной герметизации или вблизи нее. Так как при этом герметизация сваркой давлением невозможна, применяют ультразвуковую, электронно-лучевую или лазерную сварку, а также аргонно-дуговую.
ЭКС допускает соединение тонкостенных (0,15 мм) баллона и ножки, получаемых штамповкой. В круглом металлостеклянном корпусе прочность и герметичность выводов увеличены за счет заполнения стеклом полой тонкостенной коваровой ножки. Глубоко расположенный сварной шов исключает возможность выплескивания металла внутрь корпуса. Материал ножки - ковар, баллона - ковар, никель, сталь 10 (с защитным покрытием).