Герметизирующие конструкции с замкнутыми газовыми полостями

К такому типу конструкций относятся все полые корпуса и некоторые виды монолитных герметизирующих конструкций. В полых корпусах внутренние газовые полости являются отличительным признаком конструкции. К ним относятся вакуумплотные корпуса на основе неорганических газо- и влагонепроницаемых материалов (металлостеклянные, керамические, стеклянные и другие корпуса); полые пластмассовые корпуса; полимерсодержащие корпуса на основе неорганических материалов, но герметизированные полимерными материалами (металлополимерные, герметизируемые заливкой компаундом; керамические; герметизируемые приклеиванием крышки к рамке корпуса; металлические корпуса, герметизируемые с помощью резиновых прокладок и т. д.).

При герметизации в вакуумплотных корпусах проблемы механического повреждения герметизирующей оболочки не существует, поскольку неорганические материалы, используемые для изготовления таких корпусов, имеют высокие механические характеристики, поэтому в данном случае будет иметь место просто повышение или понижение давления газовой среды внутри корпуса в зависимости от его температуры.

Вероятность механического повреждения герметизирующей оболочки существует при использовании для герметизации тех полимерных материалов, которые при переработке и изменении температуры существенно изменяют свою вязкость (заливочные компаунды, клеи, растворы полимеров и др.). Непосредственно после контакта с конструктивами эти материалы некоторое время обычно сохраняют текучесть, и изменение давления внутри полости может приводить к образованию в герметизирующей оболочке пузырей или сквозных каналов (при повышении давления в полости) или к заполнению части объема полости герметизирующим материалом (при понижении давления в ней) (рис. 4.3).

Эта проблема отсутствует в случаях, если полимерный материал не обладает отмеченными свойствами (например, при герметизации с использованием резиновых прокладок). Аналогичные дефекты в герметизирующей оболочке могут появляться в некоторых случаях и при герметизации в монолитных конструкциях. Появление внутренних газовых

Рис. 4.3. Микросборки, герметизированные в металлополимерных корпусах без дефектов, приводящих к разгерметизации (a); с затеканиями компаунда внутрь корпуса (б); со сквозным каналом между стенкой корпуса и подложкой (в); 1 – металлический колпачок; 2 – керамическая подложка; 3 – компаунд;4–внешний вывод микросборки; 5 - сквозной канал, приводящий к разгерметизации корпуса.

полостей в таких конструкциях объясняется "захлопыванием" воздуха герметизирующим материалом в зазоре между навесным компонентом и подложкой, образуемым при сборке и монтаже компонентов со спецвыводами (например, полупроводниковых ИС с шариковыми выводами). На рис. 4.4 показаны характерные дефекты в герметизирующей оболочке, появившиеся в результате испарения растворителей из материала оболочки в полость. Аналогичные явления могут наблюдаться при нанесении защитного лака на печатную плату ячейки с корпусами компонентов, монтируемыми на поверхности платы с воздушными зазорами между платой и корпусами.

На рис. 4.5 показан характер изменения давления в газовой полости при герметизации бескорпусного конструктива. Вначале давление увеличивается, а затем, достигнув максимального значения, начинает постепенно падать вследствие диффузии паров растворителей из полости во внешнюю среду. При разрыве оболочки давление в газовой полости резко падает до атмосферного.

Данные, полученные на практике и приведенные в табл. 4.4, показывают, например, что исключение из раствора полимера этилового спирта приводит к получению качественного герметизирующего покрытия.

Для уменьшения степени повреждения герметизирующей оболочки следует уменьшать объемы газовых полостей в герметизируемых изделиях, использовать герметизирующие составы, по возможности, с большей вязкостью, а процесс до потери текучести герметизирующего материала (т. е. процесс желатинизации) проводить при низкой температуре, равной температуре самой герметизации.

Рис. 4.4. Характерные дефекты в монолитных герметизированных конструкциях (герметизация обволакиванием) непосредственно после герметизации (а) и после выдержки в нормальных условиях (б); 1 – внешний вывод; 2 – навесной компонент со столбиковыми выводами;
3 – газовая полость; 4 – герметизирующий материал; 5 – подложка микросборки; 6 – сквозной газовый канал.

Рис. 4.5. Характер изменения давления в замкнутой газовой полости во времени: 1 – начальное давление после контакта герметика с конструк­тивом (например после обволакивания его герметиком) при Р_атм; 2 – повышение давления при испарении растворителей; 3 – понижение дав­ления при диффузии растворителей в герметизирующий материал и по­следующем испарении в атмосферу; 4 – понижение давления при нару­шении герметизирующей оболочки.

Таким образом, в растворах полимеров для герметизации предпочтительнее использовать смеси на основе растворителей с низким парциальным давлением паров.

Таблица 4.4.

Влияние на состояние покрытия видов растворителей,
содержащихся в герметизирующих тиксотропных компаундах
(для изделий, аналогичных изображенным на рис. 4.4)

№ герме-тика	Состав герметика	Состояние покрытия
Фенолфор-мальдегид-ная смола	Этилцел-лозольв	Толуол	Этиловый спирт
					Вспучивания или сквозные каналы
				-	Хорошее

С увеличением вязкости состава возрастает также толщина герметизирующего слоя и уменьшается вероятность прорыва слоя смесью воздуха и паров растворителей.

Повреждения герметизирующей оболочки изделий, подобные изображенным на рис. 4.3, вызванные колебаниями технологических температур, на практике удается избегать путем проведения термообработки изделий до наступления желатинизации компаунда (резкого повышения его вязкости) при постоянной температуре. С этой целью часто используют специальную оснастку, обладающую большой массой, что обеспечивает отсутствие градиентов температур (например, массивные металлические плиты с гнездами для изделий и др.). Эффективным средством повышения качества герметизации является использование герметизирующих компаундов, содержащих вместо растворителей активные разбавители (которые не выделяют летучих компонентов) и участвуют в формировании структуры полимера без образования побочных продуктов.

Исходные данные и варианты заданий

При выполнении заданий считается, что герметизация изделий осуществляется растворами полимеров, содержащими в своем составе смесь растворителей. Испарение каждого из растворителей происходит с определенной скоростью в соответствии с его летучестью. Ввиду малого объема газовых полостей предполагается, что испарение растворителей не приводит к изменению концентрации раствора полимера. В предполагаемых вариантах заданий расчеты должны проводиться для установившегося состояния, когда давление пара каждого растворителя достигает своего максимального значения для данной концентрации раствора полимера.

Исходные данные для выполнения заданий выбираются из табл. 4.5 в соответствии с заданным вариантом.

Далее необходимо:

1) определить давление в газовых полостях при термообработке заданной конструкции с учетом данных табл. 4.5.

2) определить минимальную концентрацию герметизирующего раствора полимера и массу испарившихся в замкнутую газовую полость паров растворителей.

3) результаты расчета внести в форму табл. 4.6, которая должна быть заполнена полностью;

4) выполнить эскиз заданной герметизирующей конструкции и представить результаты выполнения задания в виде табл. 4.7 и 4.8;

5) сформулировать выводы по результатам выполненных расчетов.

Порядок выполнения задания

1. Изучить особенности герметизации ЭВС и их конструктивов с герметизирующими конструкциями, содержащими внутренние газовые полости, с использованием растворов полимеров (по настоящему описанию и рекомендуемой литературе).

2. Выполнить эскизы герметизирующих конструкций с указанием размеров газовых полостей и поверхностей испарения в них паров растворителей.

3. Рассчитать последовательно давления в газовой полости: Р_Т при заданной температуре, давление насыщенных паров Р_Нi при повышенной температуре каждого растворителя в смеси растворителей, без учета мольной доли (использовать соотношения (1), (2) или (3), данные табл. 4.3),

а затем (по закону Рауля с учетом мольной доли) парциальные давления Р_Сi каждого растворителя (использовать соотношение (4)), общее давление Р_РС

смеси растворителей (соотношение (5)) и суммарное давление Р_ТР при повышении температуры (использовать соотношение (7)) при Х_РСП = 1, т.е. для случая чистой смеси растворителей, а не для раствора полимера). Результаты расчета занести в форму табл. 4.6.

4. Рассчитать значения давлений Р_РСД и Р_РСИ для заданной температуры, определив Р_КР (используя соотношения (9), (10) и (11)).

5. Определить (используя соотношения (13)) минимальную концентрацию раствора полимера (или отметить, что концентрация может быть произвольной).

6. Рассчитать общую массу растворителей в газовой полости, определив предварительно объем u полости, молекулярную массу m каждого растворителя в смеси растворителей и массу m_РПi паров испарившегося в газовую полость i-го растворителя с учетом концентрации раствора полимера (используя соотношения (15) и (16) и данные табл. 4.1-4.3). Результаты выполнения задания представить в виде табл. 4.7 и 4.8 для конкретного варианта.

7. Изучив теоретический материал, ответить на вопросы тестирования, представленные в электронном модуле.

8. Успешно ответив на вопросы тестирования проверить правильность проведенных расчётов согласно своему варианту, используя электронный модуль.

9. Используя электронный модуль ответить на вопросы, предлагаемые в качестве защиты работы. Полученную итоговую оценку показать преподавателю.

10. Провести анализ по результатам работы и сформулировать выводы.

Пример выполнения задания

Решение 1-го варианта задания может быть проведено в последовательности, которую покажем на примере (см. табл. 4.5 описания практического занятия № 4).

1) Определяем давление внутри замкнутой газовой полости в процессе термообработки при герметизации изделия с учетом заданной температуры и без учета паров растворителей:

=785,9 мм рт. ст.

Таблица 4.5.

Исходные данные для определения давления и массы паров растворителей в замкнутых воздушных полостях
при герметизации растворами полимеров (Р₀=760 мм рт. ст., Т₀=20 °С (293 К))

Вариант	Способ герметизации (герметизирующая конструкция)	Размеры газовой полости, мм х мм х мм	Значение коэффициента k	Используемые растворители*	Температура герметизации, °С (К)
	Заливка герметиком (металлополимерный корпус, см. рис. 4.3)	11 х 11 х 1,7	1,15	1-30; 4-40; 5-30 1-40; 4-20; 5-40 1-20; 2-20; 5-40 2-35; 5-15; 9-50 2-35; 4-20; 9-45	30 (303) 40 (313) 50 (323) 30 (303) 40 (313)
	Заливка герметиком (металлополимерный корпус, см. рис. 4.3)	10 х 16 х 1,7	1,1	6-40; 7-40; 8-20 6-30; 7-30; 8-40 6-20; 7-20; 8-60 1-20; 5-30; 9-50 1-30; 5-40; 9-30	30 (303) 40 (313) 50 (323) 30 (303) 40 (313)
	Обволакивание с образованием газовой полости под навесным компонентом монолитная конструкция, см. рис. 4.4)	5 х 5 х 0,2	1,05	5-20; 9-10; 10-70 5-30; 9-20; 10-50 5-50; 9-30; 10-20 5-30; 10-70 5-40; 10-60	30 (303) 40 (313) 50 (323) 30 (303) 40 (313)

*Первые цифры (от 1 до 10) соответствуют порядковым номерам растворителей в табл. 4.3;
вторые цифры – содержание данного растворителя в смеси, % по массе.

Форма табл. 4.6.

Рассчитанные параметры для заданного варианта

Обозначения	Численные значения
, мм рт. ст.
, мм рт. ст.
, мм рт. ст.
, мм рт. ст.
, мм рт. ст.
PPCД, мм рт. ст.
PPCИ, мм рт. ст.
, мм рт. ст.

2) Находим давление насыщенных паров при повышенной температуре каждого растворителя в смеси растворителей без учета их мольной доли:

=306,06 мм рт. ст.

=8,93 мм рт. ст.

=36,63 мм рт. ст.

3) Рассчитываем по закону Рауля парциальные давления каждого растворителя:

4) Находим общее давление смеси растворителей:

5) Определяем суммарное давление в замкнутой газовой полости при повышении температуры для случая чистой смеси растворителей при Х_рсп= 1 и с учетом остаточной атмосферы в полости:

6) Определяем значения критических давления и температуры, при которых нарушается целостность герметизирующей оболочки (значение коэффициента k приведено в табл. 4.5 описания настоящего практического занятия):

Следовательно, в данном случае неравенство Р_ТР < Р_КР не выполняется, так как 892,32 мм рт. ст. > 874 мм рт. ст., поэтому сначала проверим выполнение неравенства Р_КР > Р_Т, оно выполняется, так как 874 мм рт. ст. > 785,9 мм рт. ст., что дает возможность использовать растворители в составе герметизирующего материала, но в строго ограниченных количествах.

7) Находим значение допустимого давления паров растворителей:

8) Находим значение избыточного давления паров в газовой полости:

9) Определяем объем газовой полости:

10) Находим минимальную концентрацию полимера:

, или примем n_п = 2,053%.

11) Рассчитываем молекулярные массы каждого растворителя в смеси растворителей:

12) Находим массу каждого из паров i-го растворителя, испарившегося в газовую полость с учетом концентрации раствора полимера:

13) Определяем массу паров, испарившихся в газовую полость:

.

Результаты выполнения задания для варианта 1 сведены в табл. 4.7, представленную по форме табл. 4.6, и в виде табл. 4.8.

Выводы.

1. Так как суммарное давление в замкнутой газовой полости существенно возрастает с появлением растворителей, испаряющихся в эту полость при герметизации изделия, то расчет следует продолжить с целью поиска приемлемых режимов герметизации и определения концентрации полимера в составе герметизирующего материала (результаты расчетов занесены в табл. 4.7).

2. Эскиз сечения герметизирующей конструкции с пояснениями к ней представлен в табл. 4.8.

3. Для избежания дефектов при герметизации с использованием растворов полимеров, концентрация герметизирующего раствора полимера должна быть не менее = 2,053%, а масса испарившихся в замкнутую газовую полость растворителей – не более 7,17∙10^-5 г. При герметизации следует тщательно соблюдать температурный режим.

4. Все параметры, которые требовалось определить, найдены и задание можно считать выполненным.

Таблица 4.7.

Результаты выполнения задания

по варианту 1

Обозначения	Численные значения
, см3	0,21
, мм рт. ст.	106,379
, мм рт. ст.	892,32
, мм рт. ст.	785,9
, мм рт. ст.	306,06
, мм рт. ст.	8,93
, мм рт. ст.	36,63
, мм рт. ст.	91,819
, мм рт. ст.	3,57
, мм рт. ст.	10,99
, мм рт. ст.
, мм рт. ст.	88,06
, мм рт. ст.	18,32
, г 10-5	5,69·10-5
, г 10-5	0,4·10-5
, г 10-5	1,08·10-5
, г 10-5	7,17·10-5
, а. е. м.	58,081
, а. е. м.	106,168
, а. е. м.	92,141
, %	2,053

Таблица 4.8.

Эскиз сечения герметизирующей конструкции

с краткими пояснениями (к варианту 1)

Разновидность герметизирующей конструкции	Способ герметизации	Эскиз
Металлополимерный корпус	Заливка компаундом (капсулиро-вание)	1 – металлический колпачок; 2 – керамическая подложка; 3 – компаунд; 4 – внешний вывод микросборки; 5 – замкнутая газовая полость, в которой находятся и компоненты микросборки

Контрольные вопросы

1. Какие герметизирующие конструкции можно отнести к конструкциям, содержащим замкнутые газовые полости?

2. По каким причинам возможны повреждения герметизирующей оболочки в конструкциях, содержащих замкнутые газовые полости?

1. Какова причина появления дефектов в герметизирующей оболочке при герметизации конструктивов ЭВС компаундами, не содержащими растворители?

2. Какими мерами можно уменьшить величину DР_Т?

3. Можно ли получить DР_Т =0 в период отверждения герметизирующего компаунда?

4. В чем сущность закона Рауля и в каких случаях он применим?

7. Назовите технологические средства уменьшения общего давления в замкнутой полости, содержащей полимерный материал, при повышении температуры.

8. Какими мерами можно уменьшить величину Р_РС?

9. Можно ли получить DР_Р =0 в период отверждения герметизирующего раствора полимера?

10. При каких технологических условиях процесса герметизации нельзя использовать в составе герметизирующего компаунда растворитель?

11. Зависит ли образование дефектов от вида герметика?

12. На какой стадии термообработки при герметизации (с применением полимерных материалов) изделия наиболее вероятно образование дефектов в оболочке?

13. Какое математическое соотношение является основополагающим для регулирования давления в замкнутых газовых полостях?

14. В чем состоит сущность решения основной практической задачи при разработке процесса бездефектной герметизации, если для этого используют растворы полимеров?

15. Как влияет повышение температуры кипения растворителя на давление Р_Р в газовой полости при постоянной температуре и в состоянии равновесия?

16. Как влияет температура кипения растворителя на изменение давления Р_Р?

17. Как изменяется Р_Р при повышении вязкости герметизирующей оболочки?

18. Как изменяется Р_Р в полости при увеличении влагосодержания герметика?

Рекомендуемая литература

1. Волков В.А. Сборка и герметизация микроэлектронных устройств. -М.: Радио и связь, 1982. - С. 4, 5; 77-87.

2. Роздзял П. Технология герметизации элементов РЭА. / Под ред.

В.А. Волкова. - М.: Радио и связь, 1981. - С. 3-6; 87-108;160-211.

3. Волков В. А., Заводян А. В. Производство перспективных ЭВС. Ч. 1. - М.: МИЭТ, 1998. - С. 91-118.

* Термин "многослойные" КП обычно в литературе используют вместо "многоуровневые" КП, что не следует путать с термином "одно- и многослойные" структуры коммутации, когда структура одного или нескольких уровней коммутации является сложной, т.е. формируется из нескольких проводящих материалов (например, хром – медь – олово - висмут).