Герметизація мікросхем

При проектуванні електронних апаратів широко застосовують безкорпусні ІМС (БкІМС) призначені, як правило, для монтажу в ГІС або мікрозбірку із загальною герметизацією чи без неї [2]. Захист БкІМС здійснюють за допомогою лаків або інших діелектричних покриттів. За конструктивним виконанням БкІМС можуть бути із гнучкими виводами, зі стрічковими (павуковими) виводами на поліімідній плівці, з жорсткими виводами, на спільній пластині (не розділені) та ін. БкІМС монтують єдиним методом ТПМК. Для автоматизації складальних операцій найчастіше використовують БкІМС зі стрічковими виводами [2]. Кристал БкІМС установлюють на стрічковий носій, що забезпечує з'єднання між ІМС і виробом, в який БкІМС монтується, а також тепловідведення від кристала. БкІМС мають найменші значення перехідних опорів, паразитних індуктивностей та ємностей порівняно з будь-якими із типів корпусних ІМС. Пристрої на БкІМС мають найбільшу щільність монтажу [2]. Герметизацію пристроїв на БкІМС здійснюють на рівні мікрозбірок, ГІС або системи.

Функція захисту від кліматичних впливів, дій агресивних середовищ, атмосферного кисню, пилу, вологи, механічних і електромагнітних дій, вібрації покладається головним чином на корпус мікросхеми [4].

2.3 Корпусна герметизація

Для такої герметизації використовуються уніфіковані стандартні корпуси, перевагою яких є можливість автоматизації процесів складання, що знижує вартість мікросхеми.

Корпус - частина конструкції ІМС, яка призначена для її захисту від зовнішнього впливу і з'єднання із зовнішніми колами за допомогою виводів. Він має відводити теплоту, що виділяє ІМС, давати змогу перевіряти електричні параметри і застосовувати високопродуктивні, у тому числі автоматизовані процеси складання й монтажу ІМС в апаратуру. Його конструкція повинна забезпечувати надійну герметизацію і механічний захист напівпровідникових або гібридно-плівкових мікросхем. Корпус має також забезпечувати роботоздатність ІМС за підвищених (до 398 К (125 ?С)і вище) та знижених (до 214 К (-59 ?С)) температур [2]. Такі широкі функції корпусу жорстко регламентують перелік використовуваних матеріалів, а також основні конструктивно-технологічні рішення. Типи найпоширеніших корпусів наведено на рис 2.2.

Рис 2.2 Корпуси та кристалоносії інтегрованих мікросхем [2]:

а - корпуси;

б - кристалоносії;

1 - металокерамічний;

2, 4 - металоскляний;

3 - пластмасовий;

5 - кристалоносій з J-подібними виводами;

6 - кристалоносій з матричними виводами.

Перед зваркою ніжка з кристалом відпалюється в азоті при Т=200-300?С на протязі 30 хвилин [6]. Металеві зовнішні виводи проходять через діелектричний матеріал (утворює остів корпусу) або бусинкові ізолятори. Це скло, кераміка або пластмаса. Другий елемент конструкції корпусу - штамповані металеві деталі, котрі забезпечують механічну міцність, екранування і тепловідвід. Для того, щоб уникнути виникнення механічних напруг при зміні температури в широкому інтервалі значень, зовнішні виводи й інші металеві елементи конструкцій виготовляються із ковару ( Ni - 29%, Co - 17%, Fe - 54% ). Зсередини металеві деталі часто покриваються тонким шаром золота [4].

У залежності від використовуваних матеріалів корпуси поділяються на металоскляні, скляні, металокерамічні, керамічні, металополімерні і полімерні.[5] Така класифікація враховує насамперед конструктивний матеріал, що використовується як механічна опора для закріплюваного кристалу (складального елементу), та матеріал, яким ізолюють виводи.[2]

Металоскляні корпуси складаються з металевої кришки і металевої основи, в яку, використовуючи ізолятори, впаяні виводи. В якості ізоляторів використовують скляні буси (при ізоляції кожного виводу окремо) або скло таблетки (при ізоляції групи виводів). Для забезпечення якісного металоскляного спаю підбирають матеріали таким чином, щоб температурні коефіцієнти лінійного розширення скла і металу були однаковими або близькими.

В металокерамічних корпусах дно і кришку формують із металу, а основу - із кераміки, яка в даному випадку виконує функцію підкладки. В керамічних корпусах в якості підкладки використовується не тільки основа, але і кришка. Розділяються вони між собою керамічною рамкою. Герметизація корпусу здійснюється або склоемаллю, або склоприпоєм, або клеєм. Металополімерні корпуси складаються зазвичай із металевої капсули (дна), в яку встановлюється плата. Ізоляція виводів і герметизація корпусу здійснюється заливкою компаундом. В полімерних (пластмасових) корпусах виводи впресовані в основу із полімеру, а кришка виготовляється, як правило із такого ж матеріалу, що і основа, і приклеюється до неї. До пластмасових корпусів відносяться також корпуси, які не мають ні кришки, ні основи. Герметизація мікросхеми і виготовлення корпусу в даному випадку відбувається одночасно.

Крім перечислених різновидів корпусів, на практиці зустрічаються також кераміко-полімерні, кераміко-скляні та ін.

Загерметизований корпус утворює замкнений об'єм, в якому розміщують кристал (складальний елемент) і з'єднувальні з внутрішніми контактними площинками корпусу провідники. Застосовують також балкові або стовпчикові виводи для з'єднання контактних площинок ІМС із контактними площинками корпусу. За способом герметизації корпуси ІМС поділяють на зварювані, паяні та герметизовані склоприпоєм. Широко застосовують герметизацію корпусів паянням припоєм, що складається з 80% Au та 20% Sn, за температури 570 К або склоприпоєм із температурою складання ІМС (673-703) К. Цими способами створюють з'єднання, які задовольняють умови герметичності щодо витікання гелію [2], забезпечують високий відсоток виходу придатних ІМС та їх продуктивність.

Не дивлячись на хорошу якість герметизації мікросхеми в робочому металокерамічному або металосклянному корпусах неможливо забезпечити імовірність порушення герметичності (у виді тріщин в склі або поганого спаю діелектрика з металом) нижчу, ніж імовірність відказу самої мікросхеми. Нагадаємо, що інтенсивність відказів мікросхем має порядок [4]. Пластмасові корпуси типу використовують для масових серій ІМС із малою розсіюваною потужністю. Вони працюють за нормальної та низької вологості в обмеженому діапазоні температур. До того ж слід відмітити, що якість герметизації мікросхем в пластмасовому і металополімерному корпусах взагалі незадовільна, так як полімерні матеріали, наприклад погано протистоять проникненню вологи [6]. Найнадійнішими є керамічні корпуси [2], однак через велику кількість виводів вони мають обмежену провідність, що знижує швидкодію ІМС, до того ж вони досить високовартісні.

Конструкція скляного корпусу показана на рис 2.3. Такий корпус забезпечує добру електричну ізоляцію і має невисоку вартість, але погану теплопровідність і низьку механічну міцність [3]. Тому їх виготовляють якомога менших розмірів. Герметизація цих корпусів здійснюється шляхом спаювання через шар легкоплавкого скла чи металізації.

Рис 2.3 Конструкція скляного корпусу[3]:

1 - відвід зовнішній;

2 - рамка;

3 - скляна або металічна кришка;

4 - скляна основа.

Хорошу електроізоляцію забезпечують керамічні корпуси, які виготовляють з алюмокераміки чи кераміки на основі оксиду берилію. Деталі конструкції плоского керамічного корпусу показані на рис 2.4. Для герметизацій великих інтегральних схем ВІС використовують керамічні корпуси типу DIP із дворядним розташуванням відводів. Після монтажу кристалу по периметру основи і кришки корпусу трафаретним друком наноситься скляна суспензія, яка складається з . Після сушіння нанесеного шару проводиться суміщення корпусу і його запаювання. Такий корпус відзначається досить високою міцністю і низькою вартістю [3].

Рис 2.4 Деталі конструкції керамічного корпусу[3]:

1 - тришарова керамічна плата;

2 - відвід;

3 - металеве кільце;

4 - металізація.

Для герметизації мікросхем використовують також пластмасові корпуси, які виготовляються гарячим пресуванням з преспорошку марки К-124-38 або полістиролу. Кришка закріплюється до корпусу з допомогою клею. При усадці клею в процесі затвердіння забезпечується стягування і щільний притиск з'єднувальних деталей. Корпуси з шовно-клеймовими з'єднаннями найпростіші і найдешевші, але мікросхеми в таких корпусах можуть працювати лише в нормальних умовах експлуатації [3].

Велике значення для підвищення надійності ІМС і мікроелектронної апаратури має стандартизація конструкції корпусів. Державний стандарт визначає вимоги до форм і розмірів корпусів та мікросхем. Використовують корпуси п'яти форм. Корпус першого типу має прямокутну форму з виводами, перпендикулярними до площини їх кріплення (Рис 2.5, а), корпус другого типу - прямокутну форму з прямокутними виводами (Рис 2.5, б), корпус третього типу - круглу форму з круглими виводами (Рис 2.5, в), корпус четвертого типу - прямокутну форму з виводами, розташованими паралельно верхній та нижній площинам (Рис 2.5, г). Корпуси п'ятого типу - це плоскі «безвивідні корпуси» (Рис 2.5, д). Електричне з'єднання ІМС, змонтованої в такому корпусі, здійснюють за допомогою металізованих контактних площинок, які розташовують по периметру корпусу.

Рис 2.5 Ескізи конструкцій корпусів [1]:

1 - корпус першого типу;

2 - корпус другого типу;

3 - корпус третього типу;

4 - корпус четвертого типу;

5 - корпус п'ятого типу.

Для сучасних ВІС і НВІС потрібні корпуси з кількістю виводів більше 300, здатні розсіювати потужність до 60 Вт. Збільшення кількості виводів погіршує малогабаритні характеристики ІМС. Так, 64-вивідний корпус типу DIP має розміри , масу 12 г, опір виводів 1 Ом, індуктивність виводів 5 нГ, ємність між виводами 5 пФ, тепловий опір кристал - навколишнє середовище 36 . У цьому корпусі кристал займає лише 4-7% загальної площі [2], а паразитні параметри значно знижують швидкодію ВІС. Нині розроблення корпусів для ВІС та НВІС стало так само важливим, як і розроблення власне НВІС.

Кристалоносії (КРН) - квадратні або прямокутні корпуси, які мають J-подібні виводи, розміщені з чотирьох сторін, і призначені для технології поверхневого монтажу кристалоносіїв ТПМК. За внутрішньою структурою та використовуваними матеріалами КРН не відрізняються від корпусів DIP. Одним із різновидів КРН є кристалоносії з виводами у вигляді контактних площинок, розміщених на бічних сторонах корпусу. Ці корпуси називають безвивідними. Безвивідні КРН займають на платі площу в 6 разів меншу, а їхня маса в 10 разів менша за масу корпусів DIP. Корпуси КРН є найпоширенішими для спеціального застосування НВІС. Вони призначені для безпосереднього монтажу на поверхню паянням або для установлення на панельки. Складаючи НВІС з кількістю виводів понад 100, КРН замінюють матричними корпусами (МК). Штиркові виводи або контактні площинки розміщені на основі кристалоносію із кроком 2, 5 мм у вигляді матриці виводів, завдяки чому при однаковій кількості виводів основа кристалоносію за площею менша від площі КРН. Матричні корпуси є найпридатнішими для НВІС з кількістю виводів 300 та більше [2].

Стандартні корпуси для герметизації напівпровідникових інтегральних мікросхем мають круглу (модифікований варіант корпусу транзистора) або прямокутну форму. Для гібридних інтегральних мікросхем найчастіше використовуються квадратні і прямокутні корпуси чи корпуси типу «пенал» з відводами, перпендикулярними або паралельними до площини основи корпусу.

Круглі корпуси типу ТО-5 відзначаються високою надійністю, перевіреною протягом тривалого часу зберігання і експлуатації. Корпус ТО-5 має невеликі розміри (діаметр 9.6 мм, висоту 4.6 мм), а кількість відводів - до 12. Кришка корпусу металічна. У випадку застосування круглих корпусів, зварювання кришки до основи здійснюються в основному холодним або електроконтактним способом. Недоліком таких корпусів є невисокий коефіцієнт заповнення об'єму [3].

Виготовляється велика номенклатура корпусів для ІМС. Усі вони стандартизовані і тому наперед визначають правила встановлення та монтажу ІМС на друкованих платах. Отже, крім прямого призначення, корпус, ІМС повинен мати конструктивні характеристики, особливо за габаритними розмірами і розміщенням виводів.

Промисловість випускає корпуси ІМС круглої та прямокутної форми. Корпус круглої форми - це модифікований металоскляний корпус транзисторів зі збільшеною кількістю виводів. Спочатку кількість виводів було збільшено до 8, а потім - до 12.

Прямокутні корпуси поділяють на дві основні групи: з планарними виводами, розміщеними в площині корпусу, та зі штирьовими виводами. У поперечному розрізі виводи можуть бути круглої, квадратної або прямокутної форми. Велику кількість відводів (до 14) і більший коефіцієнт заповнення об'єму мають прямокутні плоскі корпуси з відводами [3], розміщеними горизонтально чи вертикально, що відображено на рис 2.6.

Рис 2.6 Прямокутні плоскі корпуси [3]:

а - з горизонтальними виводами;

б - з вертикальними виводами.

Плоскі прямокутні корпуси бувають металосклянні, скляні, керамічні і пластмасові. Плоскі металоскляні корпуси мають розміри 9.8 мм, висоту 2 мм, 14 відводів при кроці 0.625 мм. Для герметизації прямокутних корпусів застосовується шовне лазерне, електронно-променеве, ультразвукове чи аргонно-дугове зварювання [3].

Мікросхеми в круглих і прямокутних корпусах зі штирьовими виводами встановлюють на друкованих платах, запаюючи виводи в отворах плат (Рис 2.5, а, 2.б, в). Плати, на які встановлюються корпуси з планарними виводами, не потребують в них отворів: планарні виводи зверху припаюють до контактних площинок плат (Рис 2.5, г), тому планарні виводи можна легко відпаювати під час ремонтних робіт. Мікросхеми з такими виводами можна розміщувати з обох боків друкованої плати.

Кристали мікросхем високого ступеня інтеграції із числом елементів понад (ВІС) мають велику кількість виводів, що обумовлюють особливості конструкції корпусу. Для розміщення великої кількості виводів із встановленим кроком металокерамічним і пластмасовим корпусам ВІС надають подовженої форми [1].

Велика кількість виводів у корпусі ВІС, а також їхня недостатня механічна міцність збільшують імовірність пошкодження виводів у процесі виробництва та під час транспортування і встановлення мікросхеми в радіоелектронну апаратуру. Через це почали виготовляти корпуси для ВІС без штирьових або планарних виводів (Рис 2.5, д).

За габаритними та приєднувальними розмірами подібні за конструкцією корпуси поділять на типорозміри, кожному з яких присвоюють шифр. В умовне позначення корпусів входять також дві цифри, які відображають кількість виводів. Інтегральні схеми однієї серії монтуються в корпусах одного типу.

Основними напрямками у розвитку корпусів слід вважати зменшення кроку між виводами до 0,625 мм, зменшення довжини виводів, розробку корпусів для технології поверхневого монтажу кристалів (ТПМК). Для ТПМК розроблено мініатюрні корпуси типу SO. За зовнішнім виглядом вони нагадують корпус типу DIP, але коротші та нижчі за нього, мають L-подібні виводи, які можуть підгинатися під корпус. Застосовуючи корпуси SO замість DIP, отримують 30-50% економії площі друкованої плати, вартість зменшується приблизно в 4 рази, об'єм - у 8 разів, маса - у 2-5 разів [2].

3. МЕТОДИ ГЕРМЕТИЗАЦІЇ

3.1 Спаювання

Це технологічна операція з'єднання двох металевих деталей, які перебувають у твердому стані, з допомогою розплавленого матеріалу - припою [3]. Процес спаювання відбувається при нагріванні припою до температури плавлення. Розплавлені частинки припою дифундують у з'єднувальні матеріали, розчиняють їх і при охолодженні утворюють твердий розчин.

Страницы: 1, 2, 3