Курсовая работа: Герметизація мікросхем

Першим завданням мікроелектроніки є створення максимально надійних електронних схем і пристроїв [1]. Це завдання вирішується переважно за якісно новими принципами виготовлення електронної апаратури, тобто відмовленням від використання дискретних елементів та створенням інтегральних мікросхем (ІМС), в яких активні (транзистори, діоди) та пасивні елементи (резистори, конденсатори) та з’єднувальні елементи електронної схеми формуються на поверхні чи в об’ємі напівпровідникового кристалу або на поверхні діелектричної підкладки в єдиному технологічному циклі. Мінімальна кількість внутрішніх з’єднань дає можливість різко підвищити надійність мікроелектронної апаратури. Саме цим долаються складні суперечності між зростаючими вимогами до надійності електронної апаратури та її стрімким ускладненням.

Другим завданням мікроелектроніки є зниження вартості електронних схем та пристроїв [2]. Це завдання вирішується формуванням за один технологічний цикл структур різних елементів, міжелементних з’єднань та контактних площинок для багатьох ІМС на відносно великій напівпровідниковій пластині або на діелектричній підкладці з подальшим розподілом відповідно на кристали або на плати ІМС. При цьому вдається уникнути багатьох нераціональних технологічних операцій, зменшити кількість внутрішніх з’єднань, виключити роздільну герметизацію окремих елементів і значно скоротити кількість складальних операцій у процесі виготовлення дискретних елементів та їх монтажу. Ці переваги ІМС набувають більшої значущості в міру їх ускладнення та зростання в них кількості елементів. Поруч з вирішенням цих двох найважливіших завдань мікроелектроніки створення та використання ІМС сприяють різкому зменшенню маси та об’єму електронної апаратури порівняно з масою та об’ємом апаратури на дискретних елементах, а також зменшенню споживаної потужності.

Інтегральна мікросхема – мікроелектронний виріб, який виконує визначену функцію оброблення сигналу і/або накопичення інформації і має високу щільність розміщення неподільно виконаних і електрично з’єднаних елементів.

Для захисту елементів і компонентів ІМС від дії зовнішнього середовища кристал герметизують за допомогою ізоляційних матеріалів або щільної герметизації, використовуючи вакуум. Це ускладнює конструкцію ІМС, але істотно підвищує її надійність.

Герметизація – це комплекс заходів і технологічних операцій, які забезпечують захист інтегральних мікросхем, мікрозбірок від механічних та кліматичних впливів, дій агресивних середовищ, атмосферного кисню, пилу, вологи, механічних і електромагнітних дій, вібрації, і надійність при виготовленні, зберіганні й експлуатації [2]. Під герметичністю розуміють здатність герметизованої конструкції не пропускати через свої елементи рідину або газ. Герметичність іноді характеризують натіканням кількості потоку рідини або газу. Герметизація – одна з останніх операцій технологічного процесу виробництва [3], отже, повинна забезпечувати максимальний вихід придатних ІМС та безвідмовну роботу їх в умовах експлуатації.

1.2 Вимоги до захисту інтегральних мікросхем

У процесі зберігання і експлуатації ІМС піддаються зовнішнім впливам, які обумовлені частіше за все змінами температури або вологості навколишнього середовища, збільшенням чи зменшенням атмосферного тиску, наявністю активних речовин в навколишній атмосфері, наявністю вібрацій, ударів та іншими факторами. Для захисту мікросхем від таких впливів виконується комплекс спеціальних заходів. Найбільш широке поширення в теперішній час отримали два способи захисту мікросхем: безкорпусний захисту і корпусний.

Вибір конструктивно-технологічного варіанту виконання без корпусного захисту визначається в першу чергу призначенням і вимогами, які ставляться до мікросхеми, котру потрібно захистити. Якщо безкорпусна мікросхема виготовляється у вигляді самостійного виробу, то її захист здійснюється з урахуванням всього комплексу кліматичних механічних впливів, які передбачені технічними умовами на дану схему.

Особливі вимоги у випадку безкорпусного захисту ставляться до хімічної чистоти і термостійкості герметизуючих покрить, до їх фізико-механічних властивостей, вологопоглинання. Крім того, герметизуючі матеріали повинні забезпечувати не тільки високу жорсткість створюваної конструкції, але й стійкість її до різних видів впливів.

Якщо в процесі експлуатації і зберігання мікросхем потрібний захист, який забезпечував би їх роботоздатність на протязі тривалого проміжку часу, то в цьому випадку рекомендується використовувати корпусний захист. Причому корпуси повинні відповідати наступним основним вимогам: мати достатню механічну міцність і корозійну стійкість; мати мінімальні розміри; забезпечувати чистоту середовища навколо мікросхеми; дозволяти легко і надійно виконувати електричне з’єднання між елементами мікросхеми і друкованої плати, на яку встановлюється мікросхема; забезпечувати мінімальні паразитні ємності та індуктивності конструкції; забезпечувати надійну ізоляцію між струмопровідними елементами; бути герметичними і запобігати проникненню вологи до мікросхеми, яка захищається; забезпечувати мінімальний тепловий опір між мікросхемою, розміщеною всередині корпусу, і навколишнім середовищем; захищати мікросхему від дій електромагнітного поля і радіоактивного випромінювання; забезпечувати можливість процесу автоматизації процесу збірки; мати мінімальну вартість та ін.

2. ВИДИ ГЕРМЕТИЗАЦІЇ

Відомо кілька методів герметизації інтегральних мікросхем. Залежно від конструктивно-технологічного виконання, призначення й галузей застосування інтегральних мікросхем використовують корпусний та безкорпусний захист [2], а також пасивування структур мікросхем безпосередньо на підкладці [4].

2.1 Пасивування

Поряд із захистом мікросхем в корпусі широко використовується захист структур мікросхем безпосередньо на підкладці. Такий захист забезпечують спеціальні пасивуючі шари, а сам процес називається пасивуванням. В напівпровідникових мікросхемах цю роль виконує шар двоокису кремнію, отриманий або окисленням кремнієвої підкладки або термовакуумним напиленням двооксиду на поверхню кристалу готової мікросхеми. В гібридно-плівкових мікросхемах пасивування виконується нанесенням двооксидів , монооксидів , оксиду алюмінію. Використовується також захист оплавленням скла, нанесенням плівки полімерних матеріалів і т.д.

Пасивуючий шар може забезпечити настільки надійний захист, що опресована пластмасою мікросхема виявляється досить стійкою до впливів навколишнього середовища. Такі мікросхеми задовільно працюють в умовах, непов’язаних з дією різко агресивних середовищ – морського туману, хімічно активних газів та ін. Їх широко використовують в побутовій та іншій масовій апаратурі [4]. Їхня вартість набагато нижча, ніж аналогічних мікросхем в металокерамічних і металосклянних корпусах, тому такий спосіб захисту має широке використання.

2.2 Безкорпусна герметизація

Здійснюється спеціальними вологозахисними лаками і еластичними компаундами методами лиття під тиском або заповненням у вакуумі і застосовується лише для захисту напівпровідникових мікросхем при незначній зміні зовнішніх впливів [3].

Використання безкорпусних ВІС в мікроелектронній апаратурі дозволяє забезпечити значне зменшення її малогабаритних характеристик, зниження значень перехідних опорів, паразитних індуктивностей і ємностей, збільшення надійності. Безкорпусні ВІС наділені універсальністю використання при пониженій матеріалоємності.

Безкорпусні ВІС виготовляють з гнучкими дротяними виводами, на поліамідному носії з об’ємними виводами. На комутаційній платі ВІС на поліамідному носії займають площу, в 4-10 і більше разів меншу в порівнянні з мікросхемами в корпусах. Для монтажу на плату виводи ВІС в цьому випадку мають вид квадратних контактних площадок, розміщених в периферійних областях кристалу.

Використання безкорпусних ВІС на поліамідних носіях дозволяє підвищити надійність мікроелектронної апаратури за рахунок: зменшення кількості зварних і паяних з’єднань в розрахунку на одну контактну площадку ВІС (для корпусних – три-чотири з'єднання, для безкорпусних – два-три), покращення умов відводу теплоти при установці кристалу безпосередньо на тепловідвідний п’єдестал, зниження механічних напруг в кристалі ВІС і невеликої маси.

Безкорпусні ВІС з об’ємними виводами являють собою кристали ВІС, на контактних площадках яких утворені шарикові (або стовпчикові) виводи. Об’ємні виводи виготовляють із золота, залуженої або позолоченої міді і сплаву олово-срібло. Такі ВІС займають на комутаційній платі площу в 16-40 разів меншу, ніж корпусні ВІС, і в 4-10 разів меншу, ніж безкорпусні ВІС на поліамідному носії. Опір їх виводів в 20-100 разів, паразитна ємність в 60-200 разів і міжвивідна ємність в 9-50 разів нижча, ніж у корпусних ВІС.

Об’ємні виводи на контактних площадках кристалу ВІС можуть бути сформовані двома різними способами. В першому способі, який називають «мокрим», використовують процеси вакуумного осадження бар’єрного шару (хром-нікель, хром-мідь, ванадій-мідь), на якому гальванічно вирощують пропійні шарики. Бар’єрний шар створюють з металів, які мають хорошу адгезію до алюмінію кристалу ВІС і не утворюють з ним випрямляючих контактів, тобто таких, що не впливають на електричні параметри ВІС. До недоліків «мокрого» способу відносять важкість нанесення однорідного покриття необхідної товщини, важкість контролю за складом припою і витримуванням параметрів об’ємних виводів через гальванічне розростання, а також погіршення параметрів ВІС, особливо на МДН-структурах.

Щоб уникнути недоліків «мокрого» способу формування об’ємних виводів, використовують «сухий» спосіб. Його суть полягає в ультразвуковому приєднанні шариків із золотого дроту з наступною обрізкою дроту безпосередньо над шариком. «Сухий» спосіб простий і практично не впливає на параметри ВІС.

Об’ємні виводи формують на кристалах, які знаходяться в складі пластини до її розділення. При цьому «сухий» спосіб забезпечує вибірковість у формуванні об’ємних виводів: вони створюються на контактних площадках тільки придатних, попередньо провірених по електричним параметрам кристалів ВІС.

Приєднання носія може бути здійснено пайкою або термокомпресійною зваркою. Об’ємні золоті виводи на носії формують імпульсною зваркою із золотим покриттям мідної балки, а також лазерною імпульсною зваркою або зваркою.

Приєднувати мідні, покриті олово-вісмутом, балкові виводи поліімідного носія до контактних площадок кристалів складніше, так як мідь та алюміній технічно несумісні при мікрозварці та пайці. Тому перед їх з’єднанням на контактних площадках кристалу або ленточних виводах носія формують об’ємні виводи, на кристалі – золоті або припійні, на носії – золоті.

Поліамідні носії з алюмінієвими балковими виводами (рис 2.1) приєднують до алюмінієвих контактних площадок кристалів ВІС ультразвуковою мікрозваркою. В цьому випадку при взаємодії матеріалів виводу і контактної площадки утворюється надійне однокомпонентне мікрозварне з’єднання.

Рис. 2.1 Безкорпусна інтегральна мікросхема з виводами на поліамідному носії[2]

В олов’яне покриття мідних балкових виводів вводять вісмут (до 10%) або свинець (до 40%) з метою запобіганню утворення крихкої фази інтерметаліду . При добавленні вісмуту товщина інтерметаліду після пайки при температурі 250ºС і часом витримки 30 с складає 0,5-2 мкм. Легування припою свинцем при пайці в таких же умовах приводить до утворення шару інтерметаліду товщиною 4-5 мкм, котрий сприяє утворенню міцних паяних з’єднань. Дальше збільшення його товщини викликає зменшення міцності.