Реферат: Безкорпусная герметизация полупроводниковых приборов

— обеспечивать товарный вид изделия.

Стабильность параметров и надежность полупроводниковых приборов, герметизированных полумерами , определяются изменениями, которые происходят на поверхности полупроводника при проникновении влаги через полимерную оболочку, а также наличием примесей в полимерном материале и внутренним механическими напряжениями, возникающие в герметизирующем слое. Внутренние механические напряжения, возникающие в полимерной оболочке, обусловленные усадкой материала при отверждении и разностью значений коэффициентов температурного расширения полимера и полупроводникового материала, соответственно делит на усадочные и термические.

Усадка полимера при отверждении происходит вследствии испарения растворителя, если оболочку получают из раствора, или кплотнения, если отверждение происходит полимеризацией. Так, как в процессе усадки объём оболочки уменьшается, в ней могут возникнуть только напряжения растяжения. При охлаждении системы полупроводник–полимер, отверждённой при высокой температуре, возникают термические напряжения, также являющиеся напряжениями натяжения. Внутренее механическое напряжения могут вызвать растрескивание и отслаивание полимерной оболочки от полупроводникового кристалла, то есть нарушение герметичности, возникновение механических напряжений в полупроводниковом кристалле, существенно влияющих на электрические характеристики p-n-переходов, нарушение монтажных межсоединений внутри полимерной оболочки и повышение её газо- и влагопроницаемости.

Так как при длительной работе полупроводниковых приборов в полимерном материале могут протекать процессы старения, сопровождающиеся изменением его пластичности и прочности, необходимо использовать полимерные материалы, сохраняющие работоспособность в течение длительного времени. Чтобы обеспечить достаточную работоспособность полимерных оболочек и максимально уменьшить внутренние напряжения, необходимо процесс отверждения проводить при строго контролируемой температуре в наиболее благоприятном диапазоне.

Методы защиты р-п-переходов полупроводниковых кристаллов и пластин.

В процессе хранения и эксплуатации ИМС подвергаются внешним воздействиям, которые обусловлены чаще всего изменением температуры или влажности окружающей среды, увеличением или уменьшением атмосферного давления, присутствием активных веществ в окружающей атмосфере, наличием вибраций, ударов и других факторов. Для защиты полупроводниковых приборов от таких воздействий предусматривается комплекс специальных мер. Наиболее широкое распространение в настоящее время получили два способа защиты полупроводниковых структур: бескорпусная защита и корпусная защита (с использованием различных типов корпусов).

Выбор конструктивно-технологического варианта исполнения бес корпусной защиты определяется в первую очередь назначением и требованиями, предъявленными к защищаемой микросхеме. Например, если предусматривается защита сборочной единицы, в состав которой входит бескорпусная микросхема, то предварительно производится лишь промежуточная технологическая защита микросхемы, обеспечивающая стабильность её параметров на этапе изготовления. Если же бескорпусная микросхема выпускается в виде самостоятельного изделия, то её защита осуществляется с учётом всего комплекса климатических и механических воздействий, предусмотренных техническими условиями эксплуатации на данную микросхему.

Особое требование в случае бескорпусной защиты предъявляются к химической частоте и термостойкости герметизирующих покрытий, к их физико-механическим свойствам, влагопоглащению. Кроме того, герметизирующие материалы должны не только обеспечивать высокую жёсткость создаваемой конструкции, но и устойчивость её к различным видам воздействий.

Для бескорпусной защиты полупроводниковых структур используются в основном неорганические и органические полимерные материалы. Более высокой надёжностью характеризуются покрытия из неорганических материалов, однако, бескорпусная защита на основе органических материалов гораздо дешевле.

Если в процессе эксплуатации или хранения полупроводниковых приборов требуется защита, обеспечивающая их работоспособность в течении промежутка времени, то в этом случае рекомендуется применять корпусную герметизацию. Причём корпуса должны отвечать следующим основным требованиям: обладать достаточной механической прочностью и коррозионной стойкостью; иметь минимальные размеры; обеспечивать чистоту среды, окружающей полупроводниковый прибор; позволять легко и надёжно выполнять электрическое соединение между полупроводниковым приборами печатной платы, на которую устанавливается полупроводниковый прибор; обеспечивать минимальные паразитные ёмкости и индуктивности конструкции; обеспечивать надёжную изоляцию между токопроводящими элементами; быть герметичными и предотвращать проникновение влаги к защищаемой микросхеме; обеспечивать минимальное тепловое сопротивление между полупроводниковой структурой и окружающей средой ; защищать от воздействий электромагнитного поля и радиоактивного излучения; обеспечивать возможность автоматизации процесса сборки; иметь минимальную стоимость.

Защита поверхности p-n-переходов лаками и эмалями

Защищают p-n- переходы от внешних воздействий тонкими слоями специальных лаков и эмалей, наносимых на место выхода перехода на поверхность. Покрытие плотно сцепляется с поверхностью полупроводника и предотвращает доступ водяных паров, кислорода и др. Достоинством метода является его простота и технологичность.

Защита p-n- переходов методом лакировки имеет ряд недостатков. К основным из них следует отнести то, что применяемые в настоящее время лаки не отвечают требованиям, предъявляемым полупроводниковой технологией : недостаточно влагостойки, плохо переносят резкое изменение температуры окружающей среды, растрескиваются или отслаиваются при низких температурах.

Кроме перечисленных недостатков, следует отметить еще один важный недостаток лаков- их способность создавать в приповерхностном слое полупроводника значительные механические напряжения, что объясняется разными коэффициентами термического расширения лака и полупроводникового материала. Таким образом, качество защиты p-n- переходов и свойства лакированных приборов зависят от свойств лаков.

В качестве исходных материалов для лаков используются кремнийорганические смолы, обладающие высокой влагостойкостью и хорошими диэлектрическими свойствами. Однако чистые кремнийорганические лаки имеют ряд недостатков ( трескаются при низких температурах, недостаточно сцепляются с полупроводниками, хрупки) , которые устраняют введением модифицирующих добавок и специальных наполнителей. Некоторые свойства наиболее употребительных лаков и эмалей приведены в таб. 26. При выборе защитного покрытия ( лака или эмали ) необходимо исходить из эксплуатационных требований, которые предъявляют к конкретному полупроводниковому прибору.

Важным фактором при защите p-n-переходов лаков является чистота лакируемой поверхности, которая должна быть тщательно протравлена, промыта и высушена. После сушки p-n-переходы переносят в специальных вакуумных эксикаторах в скафандры, в которых носят лак на поверхность кристалла. При нанесении лакового покрытия лак набирают в шприц и осторожно небольшими порциями выдавливают на поверхность полупроводникового кристалла. Для покрытия круглых структур применяют различные полуавтоматические приспособления. Сушат лак в специально выделенных термостатах. Режим сушки зависит от вида лака или эмали, а также типа прибора.

Лак К-1 — довольно густая, почти прозрачная масса вязкостью 80 –100 сСт при 20 С. Плёнка этого кремнийорганического лака после полимеризации при 130–150 С в течение не менее 4 ч почти прозрачна и удовлетворительно переносит термоциклирование. Термостойкость около 200 ⁰ С. Применяют лак К-1 в основном для защиты сплавных кремниевых p-n-переходов. Наносят лак иглой шприца или тонкой стальной проволокой, окуная ее в тигелек с лаком. При нанесении лак не полностью переходит с иглы ( или проволоки ) на кристалл, что приводит к утолщению ее кончика, которое удаляют, протирая иглу миткалем, смоченным в спирте.

Лак К-55 –густая прозрачная вязкая масса желтоватого цвета, приготавливаемая из полиорганосилоксановой смолы. Защитная пленка образуется на поверхности полупроводникового кристалла после обработки при 130-150⁰ С в течении 2-3 ч. Удельное объемное сопротивление пленки при 20⁰ С равно 10¹³ Ом ×см, а при 200 ⁰ С-10¹² Ом ×см. После пребывания пленки в атмосфере с повышенной влажностью ( 98%) ее объемное сопротивление снижается до 10¹¹ Ом ×см. Термостойкость 150-180⁰ С.

Лак К-57 –прозрачная вязкая масса светло-желтого цвета.Время высыхания пленки лака при температуре 200⁰ С равно 1-1,5 часа. Удельное сопротивление при 20⁰ С равно 10¹⁴ Ом ×см, а при 200⁰ С –10¹² Ом см. Термостойкость 180-200⁰ С. Пленка обладает высокой влагостойкостью и стойкостью к термоциклическому изменению температуры. Рекомендуемый режим сушки: выдержка 10 часов при 150-170⁰ С.

Лак МК-4У –вязкая масса желтого цвета. Связующим веществом является кремнийорганическая смола , модифицированная полиэфирами и эпоксидными смолами, а в качестве наполнителя в смолу вводиться слюда мусковит. Рекомендуемый режим сушки: выдержка 2 ч при 180⁰ С. Удельное объемное сопротивление при 20⁰ С равно 10¹⁴ Ом*см. Термостойкость 180-200⁰ С.

Защитный лак ПЭ-518 – терефталевоглицириновой смолы ТФ-4 в циклогексане; прозрачная жидкость от светло- до темно-жёлтого цвета. Обладает термостойкостью в диапазоне температур от –60 до +100С. Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 10⁶ Гц равен 0,04. Удельное объёмное сопротивление равное в обычных условия 10¹⁴ Ом*см, после пребывание во влажной среде атмосфере в течении 48 часов снижается до 10¹² Ом*см. Применяется для защиты p-nпереходов от воздействия влаги и воздуха.

Защитный лак КО-938В — раствор кремнийорганической смолы и толуола, модифицированный полиэфиром; жидкость коричневого цвета. Перед употреблением в лак добавляют сиккатив. Содержание сухого остатка равно 50%. Плёнка высыхает при 150 С в течение 30 мин. Адгезионная прочность 8*10⁴ Н/м² . Электрическая прочность при 20 С равна 75 кВ/мм, при 200 С — 40 кВ/мм, а после воздействия влажной атмосферы в течении 48 часов —50 кВ/мм. Удельное объёмное электрическое сопротивление при 20 С равна 10¹⁴ Ом*см, а при 200 С — 10¹² Ом*см. Диэлектрическая проницаемость на частоте 10⁶ Гц при 20 С равна 4, а тангенс диэлектрических потерь при тех же условиях – 6*10^-4 . Применяется для защиты p-n-переходов полупроводниковых приборов, работающих при температурах до 200 С, а также в качестве адгезионного подслоя для эластичные заливочные компаунды.

Кремнийорганический лак КО-961-п — раствор полиметилвинилфенолсилоксилазана в толуоле; бесцветная или светло-жёлтая жидкость без механических примесей. Содержание сухого остатка не привышает 57-63%. Плёнка высыхает при 20 С в течение 60 минут. Электрическая прочность при 20 С равна 85 кВ/мм, а при 150 С — 5 кВ/мм. Удельное объёмное сопротивление при 20 С равно 10¹⁴ Ом*см, а при 150 С — 10¹² Ом*см. Покрытия обладают хорошей влагостойкостью и высокими диэлектрическими характеристиками. Тангенс угла диэлектрических потерь – 0,003. Диэлектрическая проницаемость 4,5. Лак легко воспламеняется: нижний температурный предел воспламеняемости насыщенных паров в воздухе 8 С, а верхний 36 С. Предельно допустимая концентрация раров лака в воздухе составляет 10–20 мг/м³ .

Лак сульфон —раствор полисульфонамида на основе изофталеновой кислоты и 3,3-диаминодифенисульфона в диметилацетамиде или диметилформамиде; жидкость желтоватого цвета. Содержание сухого остатка не превышает 15%. Удельное объёмное сопротивление при 20 С равно 10¹⁴ Ом*см , при 200 С — 10¹² Ом*см, а при 48-часовом воздействии влаги (95%) и 55 С — 10¹³ Ом*см. Электрическая прочность при 20 равна 50 кВ/мм. Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 10³ Гц при температуре 20 С равен 0,02, а диэлектрическая постоянная при тех же условиях – 4. Применяется для защиты p-n-переходов полупроводниковых приборов, работающих в интервале температур от –60 до +200 С.

Лак «Пан» — 5%-ный раствор полинитрилоакрилата в диметилформамиде; прозрачная жидкость жёлтого цвета без механических примесей. Вязкость при 20 С равна 80–150 сСт. Показатель преломления 1,43–1,44.

Эмаль АС–539 —суспензия пигмента свинцового сурика в растворе эпоксидной смолы, ярко-оранжевого цвета. Разбавляется ксилолом. Вязкость при 20 С равна 90–100 сСт. Содержание сухого остатка 25%. Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1МГц и температуре 20 С не превышает 0,025. Плёнка высыхает при 18-23 С в течение 1 ч, а при 130 С – 4 ч. Удельное объёмное сопротивление при 20 С равно 5*10¹⁴ Ом*см, а после пребывания во влажной атмосфере (98%) в течение 48 часов снижается до 10¹³ Ом*см. Электрическая прочность 20 кВ/мм. Влагонабухаемость плёнки в течение 48 часов при 18-23 С не превышает 1%. Эмаль устойчива к перепаду температур от –60 до + 125 С . Применяется для защиты полупроводниковых приборов и кристаллов с p-n-переходов от внешних воздействий в интервале температур от –60 до +150 С.

Эмаль КО-97 — смесь кремнийорганического лака ФМ-34 и смолы БКМ-5 с добавлением пигментов и наполнителей. Вязкость при 20 С равна 80-100 сСт. Содержание сухого остатка не превышает 48-58%. Удельное объёмное сопротивление при 20 С равно 10¹⁴ Ом*см, а при 170 С — 10¹² Ом*см, а после пребывания во влажной атмосфере снижается до 10¹¹ Ом*см. Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 МГц при 20 С равен 0,01, а при 170 С повышается до 0,015. Диэлектрическая проницаемость при тех же условиях соответственно равна 3,5 и 5,5. Влагонабухаемость не превышает 1%. Электрическая прочность 20 кВ/мм. Эмаль устойчива к перепаду температур от –65 до +150 С.

Эмаль ЭП-274 — суспензия пигментов в эпоксидном лаке ЭП-074. Для разбавления применяется смесь, содержащая 30% ацетона, 30% этилцеллозольва и 40% ксилола. Вязкость 80-100 сСт. Время высыхания плёнки при 150 С равно 1 ч. Содержание сухого остатка лежиит в пределах от 35 до 45%. Применяется для окраски полупроводниковых приборов, эксплуатирующихся в условиях тропического климата, и выпускаются в двух цветов: серого и черного.

Эмаль РПЭ-401 — смесь кремнийорганического лака ФМ-ЗУ и раствора смолы БМК-5 в соотношении 5:1, в которую добавляют наполнители: 20% рутила, 20% кварца, 30% слюды и 30% талька. Плёнка высыхает при 200 С в течение 5 часов. Удельное объёмное сопротивление при 20 С равно 10¹⁴ Ом*см, при 200 С — 10¹² Ом*см, а после выдержки во влажной атмосфере (98%) – 2,8*10¹³ Ом*см.