Безкорпусная герметизация полупроводниковых приборов

производстве полу-проводниковых приборов и микросхем.

Герметизация приборов и микросхем полимерными оболочками требует гораздо меньших (в 2-4 раза) затрат, чем помещение их в ме-таллические, 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 ис-пользуют полимерные материалы на основе эпоксидных, кремнийоргани-ческих и полиэфирных смол, которые должны:

— быть механически прочными, выдержать определённые удар-ные нагрузки, вибрацию и ускорение, а так же обладать термо-стойкостью в диапазоне от –60 до +150 С;

— обладать высокими диэлектрическими свойствами (малыми ди-электрическими 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 отвер-ждении;

— быть дешевым;

— обеспечивать товарный вид изделия.

Стабильность параметров и надежность полупроводнико-вых приборов, герметизированных полумерами , определяются из-менениями, которые происходят на поверхности полупроводника при проникновении влаги через полимерную оболочку, а также на-личием примесей в полимерном материале и внутренним механиче-скими 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 мо-гут возникнуть только напряжения растяжения. При охлаждении системы полупроводник–полимер, отверждённой при высокой температуре, возникают термические напряжения, также яв-ляющиеся напряжениями натяжения. Внутренее механическое на-пряжения могут вызвать растрескивание и отслаивание полимер-ной оболочки от полупроводникового кристалла, то есть наруше-ние герметичности, возникновение механических напряжений в по-лупроводниковом кристалле, существенно влияющих на электриче-ские характеристики p-n-переходов, нарушение монтажных меж-соединений внутри полимерной оболочки и повышение её газо- и влагопроницаемости.

Так как при длительной работе полупроводниковых прибо-ров в полимерном материале могут протекать процессы старе-ния, сопровождающиеся изменением его пластичности и прочно-сти, необходимо использовать полимерные материалы, сохраняю-щие работоспособность в течение длительного времени. Чтобы обеспечить достаточную работоспособность полимерных оболо-чек и максимально уменьшить внутренние напряжения, необходи-мо процесс отверждения проводить при строго контролируемой температуре в наиболее благоприятном диапазоне.

Методы защиты р-п-переходов полупроводниковых кри-сталлов и пластин.

В процессе хранения и эксплуатации ИМС подвергаются внешним воздействиям, которые обусловлены чаще всего изменени-ем 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 исполне-ния бес корпусной защиты определяется в первую очередь назначе-нием и требованиями, предъявленными к защищаемой микросхеме. Например, если предусматривается защита сборочной единицы, в состав которой входит бескорпусная микросхема, то предвари-тельно производится лишь промежуточная технологическая за-щита микросхемы, обеспечивающая стабильность её параметров на этапе изготовления. Если же бескорпусная микросхема выпус-кается в виде самостоятельного изделия, то её защита осуществ-ляется с учётом всего комплекса климатических и механических воздействий, предусмотренных техническими условиями эксплуа-тации на данную микросхему.

Особое требование в случае бескорпусной защиты предъяв-ляются к химической частоте и термостойкости герметизирую-щих покрытий, к их физико-механическим свойствам, влагопогла-щению. Кроме того, герметизирующие материалы должны не только обеспечивать высокую жёсткость создаваемой конструк-ции, но и устойчивость её к различным видам воздействий.

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

Если в процессе эксплуатации или хранения полупроводнико-вых приборов требуется защита, обеспечивающая их работоспо-собность в течении промежутка времени, то в этом случае реко-мендуется применять корпусную герметизацию. Причём корпуса должны отвечать следующим основным требованиям: обладать достаточной механической прочностью и коррозионной стойко-стью; иметь минимальные размеры; обеспечивать чистоту среды, окружающей полупроводниковый прибор; позволять легко и на-дёжно выполнять электрическое соединение между полупровод-никовым приборами печатной платы, на которую устанавливает-ся полупроводниковый прибор; обеспечивать минимальные пара-зитные ёмкости и индуктивности конструкции; обеспечивать надёжную изоляцию между токопроводящими элементами; быть герметичными и предотвращать проникновение влаги к защищае-мой микросхеме; обеспечивать минимальное тепловое сопротивле-ние между полупроводниковой структурой и окружающей средой ; защищать от воздействий электромагнитного поля и радиоактив-ного излучения; обеспечивать возможность автоматизации про-цесса 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 поверх-ностью полупроводника и предотвращает доступ водяных паров, кислорода и др. Достоинством метода является его простота и технологичность.

Защита p-n-переходов методом лакировки имеет ряд не-достатков. К основным из них следует отнести то, что приме-няемые в настоящее время лаки не отвечают требованиям, предъ-являемым полупроводниковой технологией : недостаточно влаго-стойки, плохо переносят резкое изменение температуры окру-жающей среды, растрескиваются или отслаиваются при низких температурах.

Кроме перечисленных недостатков, следует отметить еще один важный недостаток лаков- их способность создавать в при-поверхностном слое полупроводника значительные механические напряжения, что объясняется разными коэффициентами терми-ческого 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 влагостойко-стью и хорошими диэлектрическими свойствами. Однако чистые кремнийорганические лаки имеют ряд недостатков ( трескаются при низких температурах, недостаточно сцепляются с полупро-водниками, хрупки) , которые устраняют введением модифици-рующих добавок и специальных наполнителей. Некоторые свойст-ва наиболее употребительных лаков и эмалей приведены в таб. 26. При выборе защитного покрытия ( лака или эмали ) необходимо ис-ходить из эксплуатационных требований, которые предъявляют к конкретному полупроводниковому прибору.

Важным фактором при защите p-n-переходов лаков явля-ется чистота лакируемой поверхности, которая должна быть тщательно протравлена, промыта и высушена. После сушки p-n-переходы переносят в специальных вакуумных эксикаторах в ска-фандры, в которых носят лак на поверхность кристалла. При на-несении лакового покрытия лак набирают в шприц и осторожно небольшими порциями выдавливают на поверхность полупроводни-кового кристалла. Для покрытия круглых структур применяют различные полуавтоматические приспособления. Сушат лак в спе-циально 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 кремнийорганиче-ского лака после полимеризации при 130–150 С в течение не менее 4 ч почти прозрачна и удовлетворительно переносит термоциклиро-вание. Термостойкость около 200 0С. Применяют лак К-1 в основ-ном 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 желто-ватого цвета, приготавливаемая из полиорганосилоксановой смо-лы. Защитная пленка образуется на поверхности полупроводнико-вого кристалла после обработки при 130-1500С