Конструкция и технология изготовления металлостеклянных корпусов

Другой большой группой диэлектрических материалов, применяемых в корпусах различного типа, являются стекла. Основу многих марок стекол составляет оксид кремния. Но чисто силикатное (кварцевое) стекло имеет малый КТР, порядка (0,3 - 0,5)^-16 град^-1, что не дозволяет получать ненапряженные прочные спаи с металлами или керамикой.

Основные недостатки, присущие всем маркам стекол - низкая теплопроводность, нестойкость к воздействию кислот. Кроме того, стекло - хрупкий материал, а его электрические свойства заметно изменяются с температурой.

Получение металлостеклянных спаев в производстве ИМС имеет специфические особенности. Одна из них - малый размер таких спаев.

Другой особенностью является то, что при изготовлении полупроводниковых приборов металлостеклянный спай проходит ряд технологических операций, связанных с нагреванием, травлением, гальванической обработкой.

Герметизация полупроводниковых приборов электроконтактной или холодной сваркой требует создания металлостеклянных спаев, исключающих их разрушению под действием возникающих напряжений.

Различают механическое и оксидное спаивание стекла с металлом:

• При механическом спаивании стекло при непосредственном контакте с поверхностью металла смачивает металл и соединяется с ним. Такой спай обеспечивает хорошую герметичность, но он механически не прочен.

• При оксидном спаивании поверхностный оксидный слой диффундирует в размягченное стекло, образуя промежуточный слой, в котором концентрация металла постепенно уменьшается. Отсутствие резкого перехода от металла к стеклу снижает создаваемые напряжения и увеличивает прочность спая. При большой толщине оксида на поверхности металла спай может оказаться негерметичным.

Основными условиями получения надежных металлостеклянных спаев являются:

• создание на поверхности тонкой и плотной пленки оксида и наличие у стекла хороших адгезионных свойств по отношению к металлу;

• нагрев металла и стекла до температуры спаивания;

• подбор пар стекло-металл с равными или близкими КТР в широком интервале температур;

• создание спаев, для которых напряжение, возникающие вследствие разности КТР стекла и металла, не являются опасными;

• использование металла с хорошей формоустойчивостью;

• обязательный отжиг стекла после получения металлостеклянного спая;

• создание технологического процесса, исключающего образование газовых пузырьков в стекле, которые могут нарушить прочность и герметичность спая.

• При механическом спаивании стекло при непосредственном контакте с поверхностью металла смачивает металл и соединяется с ним. Такой спай обеспечивает хорошую герметичность, но он механически не прочен.

• При оксидном спаивании поверхностный оксидный слой диффундирует в размягченное стекло, образуя промежуточный слой, в котором концентрация металла постепенно уменьшается. Отсутствие резкого перехода от металла к стеклу снижает создаваемые напряжения и увеличивает прочность спая. При большой толщине оксида на поверхности металла спай может оказаться негерметичным.

Основными условиями получения надежных металлостеклянных спаев являются:

• создание на поверхности тонкой и плотной пленки оксида и наличие у стекла хороших адгезионных свойств по отношению к металлу;

• нагрев металла и стекла до температуры спаивания;

• подбор пар стекло-металл с равными или близкими КТР в широком интервале температур;

• создание спаев, для которых напряжение, возникающие вследствие разности КТР стекла и металла, не являются опасными;

• использование металла с хорошей формоустойчивостью;

• обязательный отжиг стекла после получения металлостеклянного спая;

• создание технологического процесса, исключающего образование газовых пузырьков в стекле, которые могут нарушить прочность и герметичность спая.

По конструкции спая стекла с металлом металлостеклянные ножки (корпуса) разделяют па четыре группы;

1. Ножки, имеющие металлостеклянный спай, с одиночными выводами. В этом случае стекло непосредственно спаивается с выводами и металлическим фланцем (рис. 3, а) . Такие металлостеклянные спаи в основном применяют для маломощных приборов, так как они создают меньшую опасность нарушения герметичности ввиду отсутствия паек. Для надежного спая нужна его достаточная протяженность. При герметизации приборов электроконтактной или холодной сваркой на спай не должны передаваться опасные для его целостности напряжения. Металл по своим свойствам должен быть пригодным для получения надежного спая и хорошо свариваться электроконтактной и холодной сваркой.

2. Ножки, имеющие металлостеклянный спай, с несколькими выводами, проходящими через один стеклянный изолятор (рис. 3, б).Такие металлостеклянные спаи применяются в корпусах высокочастотных приборов, выводы которых электрически изолированы от корпуса.

3. Ножки имеющие металлостеклянный спай чашечного типа (рис. 3, в). Такие спаи применяются в корпусах малогабаритных приборов, выводы которых также электрически изолированы от корпуса. Спай достаточно протяженный, что обеспечивает его герметичность,

4. Ножки, имеющие металлостеклянный спай, с отдельными проходными изоляторами (рис.3, г). Такие спаи используют в корпусах мощных приборов, достоинством которых является возможность применения различных металлов для фланца и спая со стеклом. Недостатками их следует считать сложность технологического процесса изготовления, наличие паяных соединений, создающих дополнительную опасность нарушения герметичности, а также невозможность применения таких изоляторов в малогабаритных корпусах.

В производстве полупроводниковых приборов и ИМС в основном применяют два метода изготовления металлостеклянных спаев:

• в конвейерных печах,

• высокочастотным нагревом.

• Метод получения спаев в конвейерных печах является наибо-лее распространенным, так как:

• обладает высокой производительностью,

• воспроизводимостью результатов при стабилизированных технологических режимах, возможностью независимого регулирования газового и температурного режимов, а также режимов огневой полировки стекла.

• сравнительной простотой технологической оснастки

• возможностью механизации сборки кассет.

Технологический процесс получения металлостеклянного спая определяется температурным, газовым и временным режимами работы конвейерной печи. Различают три этапа получения спая стекла с металлом в конвейерной печи:

• на первом этапе осуществляется разогрев стеклянных и ме-таллических спаев. При повышении температуры происходит размягчение стекла и окисление коваровых деталей кислородом, содержащимся в азоте. Скорость подъема температуры на этом этапе 60 °С/мин и может быть увеличена до 80-100 °С/мин и более.

• на втором этапе происходит спаивание стекла с металлом в атмосфере азота. Температура в печи достигает максимального значения. Расплавленное стекло смачивает окисленную поверхность коваровых деталей, оксидная пленка растворяется в нем и час-тично в самом коваре, образуя промежуточный слой. Время образования спая несколько минут. Хорошая смачиваемость ковара расплавленным стеклом С49-2 происходит в интервале температур 900 -1000 °С.

• на третьем этапе восстанавливается оксидная пленка на поверхностям коваровых деталей, свободных от стекла, и выполняется отжиг стекла в атмосфере водорода. Температура снижается со скоростью примерно 50-60 °С/мин до температуры верхней границы зоны отжига. Для стекла С49-2 верхняя граница зоны отжига 575 °С.

Герметизация пластмассой.

Герметизация пластмассами

Современный этап развития электронной промышленности характеризуется значительным увеличением объемов производства надежных и дешевых полупроводниковых приборов и микросхем в пластмассовых корпусах. Такое увеличение связано с дальнейшей микроминиатюризацией, заменой дорогостоящих металлостеклянных и металлокерамических корпусов, экономией драгоценных металлов, возможностью совмещения технологических операций изготовления корпусов и герметизации и полной их механизации. Пластмасса изолирует приборы и микросхемы от внешних воздействий и обеспечиваеттребуемую механическую и электрическую прочность. Различные типы ИМС герметизируют в пластмассовые корпуса разными способами, что связано в основном с их конструктивными особенностями и объемами производства.

Различают следующие технологические способы пластмассовой герметизации:

• литьевое или трансферное прессование;

• компрессионное прессование;

• опрессовка с помощью жидких композиций;

• обволакивание и окунание:

• герметизация в полые пластмассовые корпуса;

• заливка во вспомогательные съемные формы;

• заливка в предварительно изготовленный корпус-капсулу.

Способ трансферного прессования как для термопластичных, так и для термореактивных масс, распространен в промышленности наиболее широко.

Несмотря на то, что многие полупроводниковые приборы, диодные матрицы и интегральные микросхемы, герметизированные пластмассами, успешно работают в различных электронных устройствах и аппаратуре, повышение надежности этих изделий остается актуальным вопросом. Это связано с тем, что герметизация с помощью пластмасс имеет и недостатки:

• ухудшение условий теплоотвода;

• появление остаточных напряжений,

• возникающих при отверждении герметика:

• недостаточность влагостойкости вследствие сорбции влаги полимерами;

• подверженность процессам старения.

•

Защитные свойства пластмассового корпуса характеризуются:

• скоростью проникновения через пластмассу газов и паров,

• количеством адсорбируемой влаги,

• -адгезией пластмассы к металлу рамки и выводов.

• Для герметизации полупроводниковых приборов и микросхем используют различные пластичные материалы на основе эпоксидных, кремнийорганических и полиэфирных смол (эмали, заливочные компаунды, порошкообразные композиции). К ним предъявляют требования, определяемые надежной работой изделий в различных климатических условиях при электрических и механических нагрузках.

Различают две основные группы свойств пластмасс: физико-химические и технологические, характеризующие перерабатываемость пластмасс.

Усадка - это свойство пластмасс уменьшаться в размерах при охлаждении, которая зависит прежде всего от природы материала, давления и температуры прессования, изменения структуры материала при отверждении и др. Для материалов, используемых при герметизации в полупроводниковой промышленности, усадка допускается не более 0,6%. Важным свойством пластмасс является стойкость к набуханию во влажной атмосфере.

Герметизация прессованием пластмасс основана на особенности ряда полимерных материалов расплавляться и течь под действием температуры и давления, заполняя при этом пустоты металлической формы с изделиями.

Применяют в основном два способа герметизации прессованием:

• компрессионное,

• литьевое.

При компрессионном прессовании пресс-материал помещают непосредственно в пресс-форму, при литьевом - в загрузочную камеру.

Рисунок 5. Справа – литьевой, слева компрессионный способ.