Корпусная герметизация

Корпусная герметизация

Корпуса предназначены для защиты элементов и компонентов ИС от климатических (влага, газы) и механических воздействий и светового облучения. Корпус обеспечивает эффективный отвод тепла от тепловыделяющих элементов и компонентов микросхемы. Металлический корпус осуществляет также экранирование от воздействия электростатических, а в некоторых случаях и магнитных полей. Корпус имеет выводы, с помощью которых микросхему монтируют на печатную плату. Контактные площадки платы ИС электрически соединены с выводами корпуса.

В зависимости от материалов корпуса  делятся на следующие типы: металлостеклянные, стеклянные, керамические, металлополимерные, пластмассовые, полимерные.

Рис. 1.1. Схемы  конструкций корпусов микросхем: а, б, в - металлостеклянных; г - стеклянного; д - керамического; е, ж - металлополимерных; з - пластмассового; и, к - полимерных

В металлостеклянных корпусах  армирование  и крышку выполняют из металла, а выводы изолируют от основания стеклом

Металлокерамические корпуса состоят из керамического основания с выводами и металлической крышки. Так как из-за высокой температуры спекания керамики армировать основание металлическими выводами невозможно, их в специальной технологической рамке впаивают в него стеклом. Кроме того, к бортику керамического основания стеклом припаивают металлическую рамку, к которой сваркой или пайкой присоединяют металлическую крышку. Так как рамка и крышка должны при пайке хорошо смачиваться припоем на основе олова, их предварительно покрывают тонким слоем никеля, меди или золота. Выводы можно также присоединять к керамическому основанию с помощью проводящих паст.

Стеклянные корпуса более технологичны и состоят из стеклянного основания и металлической или стеклянной крышки. В процессе формовки основание армируют выводами и металлической рамкой, а затем спекают, в результате чего образуется металлостеклянный спай.

В  керамических корпусах как крышка, так и основание выполнены  из керамики. Это позволяет монтировать  внешние выводы и выполнять герметизацию пайкой стеклом без рамки, что упрощает конструкцию.

Во избежание термических напряжений и растрескивания, рассмотренные  корпуса изготовляют из материалов, имеющих близкие по значению температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР). Стекло, кроме того, в процессе сборки и герметизации приборов и ИМС не должно размягчаться при нагревании. Наиболее удачными парами материалов являются железо-никель-кобальтовый сплав 29НК (ковар) — стекло С48-2 или С49-2 (температуры размягчения 570 и 585 °С), железо-никель-медный сплав 47НД - стекло С89-8 или С90-1 (температуры размягчения 530 и 550 °С); керамика 22ХС или "Поликор" - стекло С72-4 (температура размягчения около 560 °С). При получении спаев стекло - металл металлическую поверхность предварительно оксидируют.

В пластмассовых корпусах крышки приклеивают к основаниям специальными клеями. Этот вариант герметизации применяют только при изготовлении малоответственных ИМС, так как он не обеспечивает вакуумношотную защиту.

К корпусу ИС предъявляется ряд требований, обусловленных ее назначением и электрическими параметрами, особенностями сборки как самих ИС, так и сборки ИС на печатных платах, назначением, особенностями конструкции и условиями эксплуатации аппаратуры, в которой используются ИС. К этим требованиям относятся: герметичность конструкции, высокая надежность, малые габариты, эффективный теплоотвод, малые паразитные электрические параметры выводов (активное сопротивление, индуктивность и емкость), высокая механическая прочность, простота монтажа на печатных платах, легкость съема с печатной платы при необходимости ремонта, низкая стоимость, защита от светового облучения. К корпусу могут предъявляться требования, обусловленные специфическим назначением микросхемы: электростатическое и (или) магнитное экранирование, обеспечение возможности воздействия света при обработке оптической информации или при стирании информация в программируемых (полупостоянных) запоминающих устройствах (ПП3У) ультрафиолетовым облучением и др.

Основные требования, предъявляемые к корпусу, следующие:

1)механическая прочность и герметичность,  обеспечивающие надежную защиту 
микросхемы от воздействия окружающей среды и механических повреждений.

2) высокая теплопроводность.

3) возможность надежного электрического соединения контактных площадок микросхем с выводами корпуса;

4) возможность надежного крепления микросхемы при монтаже в аппаратуре;

5)простота изготовления и герметизации;

6)низкая стоимость.

Первые два требования обычно находятся  в противоречии с двумя последними: пока не разработаны простые и дешевые корпуса, способные надежно защищать схему в тяжелых условиях эксплуатации. Испытания показывают, что интенсивность отказав ИС в трудоемких и дорогостоящих керамических корпусах в 3 -10 раз ниже, чем в самых дешевых полимерных корпусах. Высокая интенсивность отказов микросхем в полимерных корпусах объясняется их низкой влагостойкостью. Молекулы воды, размеры которых порядка 3А, проникают внутрь корпуса не только по границам раздела корпус - вывод, но и через толщу полимера.

Обеспечение герметичности  корпуса. Элементы и компоненты ИС, предназначенных для работы в условиях повышенной влажности и в атмосфере различных газовых сред, следует помещать в корпуса, обеспечивающие полную герметизацию. Герметичность корпуса достигается применением непроницаемых для влаги и газов материалов и вакуумплотным соединением этих материалов.

В конструкциях корпусов широко используются соединения металлов с металлами, стеклом, керамикой и полимерами, керамики с керамикой и стеклом, стекла со стеклом и др. Высокотемпературные стекла и керамику обычно соединяют с помощью промежуточного слоя легкоплавкого стекла. Определенные трудности возникают при образовании вакуумплотных соединений металлов с керамикой и стеклом. Они обусловлены различными ТКЛР и коэффициентами теплопроводности. Дело в том, что при изготовлении корпуса, сборке микросхемы, эксплуатации детали конструкции подвергаются большим перепадам температуры. Из-за разницы ТКЛР и коэффициентов теплопроводности (разная скорость нагрева деталей) в элементах конструкции возникают большие механические напряжения, приводящие к растрескиванию соединений и нарушению герметичности. Опыт показывает, что разница ТКЛР соединяемых материалов должна составлять 1•10^-6°С^-1. ТКЛР материалов, применяемых при изготовлении герметичных корпусов, указаны в табл. 1.

Таблица 1 Параметры материалов, применяемых для изготовления корпусов

Для согласования ТКЛР металла со стеклом или керамикой используются буферные материалы с промежуточным значением ТКЛР. В роли буфера широко применяют так называемые припайные стекла, имеющие сравнительно невысокую температуру размягчения (~500° С). При нагреве припайное стекло размягчается и омачивает соединяемые поверхности подобно тому, как припой смачивает соединяемые металлические детали. ТКЛР припайного стекла находится в пределах (4...12)-10^-6 °С^-1. Его величина зависит от времени и температуры термообработки в процессе соединения материалов. Это обусловлено тем, что размеры кристаллов, образующихся после расплавления стекла, зависят от температуры и длительности термообработки. Кристаллизующийся спай обеспечивает высокую механическую прочность соединяемых материалов. Допускается многократный изгиб выводов без нарушения герметизации. Возникающие на поверхности стекла микротрещины оканчиваются на гранях приповерхностных кристаллов и не распространяются в глубь спая.

Для образования герметичных соединений керамики с керамикой и керамики с металлом используют также покрытые припоем слои воженного металла (серебра) в керамику. Сочетания керамики, стекла и металлов с пластмассами не обеспечивают полностью герметичных соединений вследствие большой разницы в тклр (см. табл. 1) и высокой влагопроницаемости пластмасс. Эпоксидные, фенольные и силиконовые пластмассы используются только в корпусах микросхем, предназначенных для работы в умеренных условиях (влажность <85%).

В зависимости от конструкции корпуса  в практике производства находят  применение следующие способы герметизации: холодная сварка давлением, электроконтактная конденсаторная сварка, пайка, заливка компаундами, склеивание, опрессовка компаундами.

В зависимости от применяемых материалов и конструктивных особенностей микросхемы используют следующие методы соединений:

1. Cварка

1. Холодная сварка

2. Электроконтактная конденсаторная сварка (ЭКС)
3. Аргонно-дуговая сварка
4. Микроплазменная сварка
5. Термокомпрессионная сварка
6. Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИП)
7. Сварка сдвоенным (расщепленным) электродом
8. Ультразвуковая сварка
9. Роликовая сварка
10. Электроннолучевая сварка
2. Пайка
1. Пайка припоями
2. Пайка стеклом
3. Заливка
4. Склеивание
5. Опресссовка
6. Капсулирование