Безкорпусная герметизация полупроводниковых приборов

Рефераты по технологии » Безкорпусная герметизация полупроводниковых приборов

Московский Государственный Открытый Университет

Факультет информатики и радиоэлектроники

Кафедра электронных приборов.


Пояснительная записка

по дисциплине «Технология производства полупроводниковых приборов»

на тему: «Безкорпусная герметизация полупроводниковых приборов»

специальность 200300 /С

Студента: Иванова С.М.

шифр № 696823

заочная форма обучения

Преподаватель: Кротов В.В.

2000

Содержание.

Введение......................................................................................... 2

Методы защиты р-п-переходов полупроводниковых кристаллов и пластин.......................................................................................... 7

Защита поверхности p-n-переходов лаками и эмалями.............. 8

Эпоскидные смолы....................................................................... 13

Компаунды на основе эпоксидных смол...................................... 19

Защита поверхности p-n-переходов вазелином и цеолитами.. 27

Защита p-n-переходов плёнками окислов металлов................. 29

Защита поверхности p-n-переходов плёнками нитрида кремния. 32

Защита p-n-переходов легкоплавкими стеклами....................... 37

Защита поверхности p-n-переходов силанированием............... 42

Защита поверхности р-п-переходов окислением....................... 44

Очистка полупроводниковых приборов перед герметизацией. 50

Состояние и свойства поверхности полупроводников............. 52

Методы очистки поверхности полупроводника....................... 54

Химическая и электролитическая отмывка полупроводников. 55

Отмывка в кислотах и щелочах................................................. 59

Отмывка во фреонах................................................................. 60

Отмывка водой........................................................................... 62

Отмывка в ультразвуковых ваннах............................................ 64

Определение чистоты поверхности.......................................... 68

Контроль качества промывки.............................................. 73

Сушка деталей........................................................................... 74

Контроль герметичности полупроводниковых приборов...... 76

Описание технологического процесса................................. 78

Список используемой литературы..................................... 82

Введение.

Технология производства полупроводниковых приборов – это техническая наука занимающаяся изучением физико-химических основ технологических процессов производства электронных прибор и закономерностей действующих в процессе изготовления этих изделий.

Использование результатов исследований фундаментальных наук и доведение их до инженерного решения применительно к производству изделий электронной техники позволяют разрабатывать новые технологические процессы для серийного и массового изготовления.

Развитие прикладных наук в области получения чистых и сверх чистых материалов нанесения покрытий соединения различных материалов электрофизических и электрохимических методов обработки способствовали совершенствованию полупроводниковой и плёночной технологии особенно при производстве микросхем.

Повышение качеств изделий требует высокой технологической точности и дисциплины производства своевременного анализа и корректировки технологического процесса построения оптимального технологического процесса.

Повышению качеств и стабильности технологических процессов обеспечивающих массовое производство изделий с воспроизводимыми параметрами способствует внедрение автоматизированных систем управления с полным исключением человека-оператора и его субъективного влияния на ход технологического процесса.

Создание высокопроизводительных машин и автоматических линий требует знания основ технологии производства современных методов изготовления деталей и узлов нанесения покрытий получение электронно-дырочных переходов сборки приборов и микросхем и т.п.

Производство изделий электроники состоит из нескольких этапов в результате проведения которых материалы превращаются в готовые изделия.

Производственный процесс в электронном приборостроении состоит из: технологической подготовки производства; получения и хранения материалов и полуфабрикатов; технологического процесса изготовления деталей сборки изделий; испытания готовых изделий; упаковки и хранения готовых изделий.

Технологический процесс является той частью производственного процесса во время которого непосредственно происходит последовательное качественное изменение состояние продукта производства.

Проектирование технологического процесса ставит своей целью получение высококачественных изделий электронной техники отвечающих техническим условиям и чертежам при высокой производительности и экономичности.

Для защиты кристаллов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем кристаллов и подложек гибридных микросхем от воздействий внешней среды стабилизации параметров повышения срока службы и надёжности осуществляют герметизацию в металлических металлостеклянных керамических металлокерамических и пластмассовых корпусах. В отдельных случаях особенно при защите активных и пассивных элементов гибридных микросхем производят бескорпусную герметизацию.

При герметизации а так же эксплуатации в корпуса может попасть некоторое количество влаги присутствие которой как уже отмечалось вызывается со временем изменения их параметров обусловленные адсорбцией и десорбцией молекул воды поверхностью полупроводника при колебаниях температуры окружающей среду. Чтобы уменьшить влияние переменной влажности на параметры полупроводниковых приборов в корпуса вводят влогопоглотители – цеолиты адсорбированные осушители (силикагель активированный оксид алюминия пористые стёкла и др.) и реактивные поглотители влаги ( щелочные металлы и их гидриды полугидратированный сульфат кальция оксид бария и др.

Цеолиты — кристаллические алюмонесиликаты натрия или кальция – имеют кристаллическую решётку с узкими каналами (диаметром около 0 001 мкм) обладающими высокой сорбционной ёмкостью и способными адсорбировать большие количества веществ при их малых концентрациях в газовых смесях. Расположение на стенках каналов атомы Na+ или Са+ играют роль ионообменных катионов и образуют электростатические поля обеспечивающие высокое сродство цеолитов с полярными (электрически несимметрическими) молекулами особенно с молекулами воды. Цеолиты позволяют осушить газ до точки росы – 70С и активно поглощают влагу вплоть до 200С. Цеолиты применяются в виде кристаллического порошка а так же таблеток или шаров различных размеров в смеси с добавками глины. (15–20%).

Адсорбционные осушители — пористые вещества с сильно развитой поверхностью. Сорбционная емкость их значительно ниже сорбционной ёмкости цеолитов и при повышении температуры резко уменьшается . Недостаток адсорбционных осушителей является зависимость обеспечиваемой ими относительной влажности от количества влаги содержащейся в корпусе полупроводникового прибора и температуры окружающей среды.

Реактивные поглотители влаги обеспечивающие постоянную относительную влажность в корпусе полупроводникового прибора — это химические вещества способные необратимо поглощать влагу. В качестве реактивных влагопоглотителей применяют тонкоизмельчённые щелочные металлы. Мелкие частицы получаемые растворением щелочного металла в полуметилсилоксане или неполярных органических растворителях наносят погружая прибор в раствор непосредственно перед герметизацией.

Постоянную относительную влажность (ниже 1%) обеспечивает применение в качестве влагопоглотителя безводного сульфата кальция в смеси с полугидратированным сульфатом кальция. Так как две кристаллические фазы находятся в замкнутом объёме при определённой температуре устанавливается равновесие между полугидратом сульфата кальция с одной стороны и безводным сульфатом кальция м парами воды — с другой стороны. Равновесие а следовательно и содержание влаги в газовой фазе остаётся постоянным независимо от общего содержания в корпусе прибора. Тоглько после того как безводная фаза полностью исчезнет (превратится в гидратированную) добавление влаги резко повышает относительную важность.

Эффективное влагопоглощение (постоянную относительную влажность 0 2%) обеспечивает также смесь окиси бария с полугидратом сульфата кальция. На рис 65 приведены зависимости относительной влажности обеспечиваемой реактивными и адсорбционными влагопоглотителями от количества воды в корпусе прибора (кривые построены для замкнутого объёма 1 см3 в котором имеется 100 мг влагопоглотителя). Относительная влажность в объёме в состоянии установившегося равновесия зависит от типа влагопоглотителя и количества воды.

Использование химических влагопоглотителей при герметизации полупроводниковых приборов и микросхем повышает стабильность их эксплуатационных характеристик и улучшает параметры.

Наряду с защитой полупроводниковых приборов и микросхем помещением их в корпус применяют герметизацию полимерными оболочками. Разработка эффективных способов пассивации поверхности полупроводников плёнками неорганических диэлектриков (оксидов нитридов легкоплавких стёкол и др.) а так же различных полимерных компаундов и пресс порошков обладающих высокими защитными свойствами позволила широко использовать этот метод в производстве полупроводниковых приборов и микросхем.

Герметизация приборов и микросхем полимерными оболочками требует гораздо меньших (в 2-4 раза) затрат чем помещение их в металлические стеклянные и металлокерамические металлостеклянные и другие корпуса и обеспечивает высокую механическую прочность и большую стойкость к вибрациям и ударам. Кроме того использование полимерных оболочек позволяет получать полупроводниковые приборы с малым отношением объёма прибора к объёму его активной части.

Для герметизации полупроводниковых приборов и микросхем используют полимерные материалы на основе эпоксидных кремнийорганических и полиэфирных смол которые должны:

быть механически прочными выдержать определённые ударные нагрузки вибрацию и ускорение а так же обладать термостойкостью в диапазоне от –60 до +150 С;

обладать высокими диэлектрическими свойствами (малыми диэлектрическими потерями высокими удельным сопротивлением и электрической прочностью);

быть химически стойкими к воздействию различных химических реактивов применяемых при сборке приборов;

не содержать примесей ухудшающих параметры приборов;

легко поддаваться формовке и иметь малую усадку при отверждении;

быть дешевым;

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.

Страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8