Стремительное развитие и расширение областей применения электронных устройств обусловлено совершенствованием элементной базы, основу которой составляют полупроводниковые приборы . Поэтому, для понимания процессов функционирования электронных устройств необходимо знание устройства и принципа действия основных типов полупроводниковых приборов.

Транзисторы

Транзистор - это полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов, а также коммутации электрических цепей.

Отличительной особенностью транзистора является способность усиливать напряжение и ток - действующие на входе транзистора напряжения и токи приводят к появлению на его выходе напряжений и токов значительно большей величины.

С распространением цифровой электроники и импульсных схем основным свойством транзистора является его способность находиться в открытом и закрытом состояниях под действием управляющего сигнала.

Свое название транзистор получил от сокращения двух английских слов tran(sfer) (re)sistor - управляемый резистор. Это название неслучайно, так как под действием приложенного к транзистору входного напряжения сопротивление между его выходными зажимами может регулироваться в очень широких пределах.

Транзистор позволяет регулировать ток в цепи от нуля до максимального значения.

Классификация транзисторов:

По принципу действия: полевые (униполярные), биполярные, комбинированные.

По значению рассеиваемой мощности: малой, средней и большой.

По значению предельной частоты: низко-, средне-, высоко- и сверхвысокочастотные.

По значению рабочего напряжения: низко- и высоковольтные.

По функциональному назначению: универсальные, усилительные, ключевые и др.

По конструктивному исполнению: бескорпусные и в корпусном исполнении, с жесткими и гибкими выводами.

В зависимости от выполняемых функций транзисторы могут работать в трех режимах:

1) Активный режим - используется для усиления электрических сигналов в аналоговых устройствах. Сопротивление транзистора изменяется от нуля до максимального значения - говорят транзистор «приоткрывается» или «подзакрывается».

2) Режим насыщения - сопротивление транзистора стремится к нулю. При этом транзистор эквивалентен замкнутому контакту реле.

3) Режим отсечки - транзистор закрыт и обладает высоким сопротивлением, т.е. он эквивалентен разомкнутому контакту реле.

Режимы насыщения и отсечки используются в цифровых, импульсных и коммутационных схемах.

Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя выводами, обеспечивающей усиление мощности электрических сигналов.

В биполярных транзисторах ток обусловлен движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок, что и определяет их название.

На схемах транзисторы допускается изображать, как в окружности, так и без неё (рис. 3). Стрелка указывает направление протекания тока в транзисторе.

Рисунок 3 - Условно - графическое обозначения транзисторов n-p-n (а) и p-n-p (б)

Основой транзистора является пластина полупроводника, в которой сформированы три участка с чередующимся типом проводимости - электронным и дырочным. В зависимости от чередования слоев различают два вида структуры транзисторов: n-p-n (рис. 3, а) и p-n-p (рис. 3, б).

Эмиттер (Э) - слой, являющийся источником носителей заряда (электронов или дырок) и создающий ток прибора;

Коллектор (К) – слой, принимающий носители заряда, поступающие от эмиттера;

База (Б) - средний слой, управляющий током транзистора.

При включении транзистора в электрическую цепь один из его электродов является входным (включается источник входного переменного сигнала), другой - выходным (включается нагрузка), третий электрод - общий относительно входа и выхода. В большинстве случаев используется схема с общим эмиттером (рис 4). На базу подается напряжение не более 1 В, на коллектор более 1 В, например +5 В, +12 В, +24 В и т.п.

Рисунок 4 – Схемы включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Ток коллектора возникает только при протекании тока базы Iб (определяется Uбэ). Чем больше Iб, тем больше Iк. Iб измеряется в единицах мА, а ток коллектора - в десятках и сотнях мА, т.е. IбIк. Поэтому при подаче на базу переменного сигнала малой амплитуды, малый Iб будет изменяться, и пропорционально ему будет изменяться большой Iк. При включении в цепь коллектора сопротивления нагрузки, на нем будет выделяться сигнал, повторяющий по форме входной, но большей амплитуды, т.е. усиленный сигнал.

К числу предельно допустимых параметров транзисторов в первую очередь относятся: максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе Рк.mах, напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ.mах, ток коллектора Iк.mах.

Для повышения предельных параметров выпускаются транзисторные сборки, которые могут насчитывать до нескольких сотен параллельно соединенных транзисторов, заключенных в один корпус.

Биполярные транзисторы ныне используются все реже и реже, особенно в импульсной силовой технике. Их место занимают полевые транзисторы MOSFET и комбинированные транзисторы IGBT , имеющие в этой области электроники несомненные преимущества.

В полевых транзисторах ток определяется движением носителей только одного знака (электронами или дырками). В отличии от биполярных, ток транзистора управляется электрическим полем, которое изменяет сечение проводящего канала.

Так как нет протекания тока во входной цепи, то и потребляемая мощность из этой цепи практически равна нулю, что несомненно является достоинством полевого транзистора.

Конструктивно транзистор состоит из проводящего канала n- или p-типа, на концах которого находятся области: исток, испускающий носители заряда и сток, принимающий носители. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, регулирующий ток в цепи за счет изменения сечения проводящего канала.

Различают полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода и с изолированным затвором.

У полевых транзисторов с изолированным затвором между полупроводниковым каналом и металлическим затвором расположен изолирующий слой из диэлектрика - МДП-транзисторы (металл - диэлектрик - полупроводник), частный случай - окисел кремния - МОП-транзисторы.

МДП-транзистор со встроенным каналом имеет начальную проводимость, которая при отсутствии входного сигнала (Uзи = 0) составляет примерно половине от максимальной. В МДП-транзисторы с индуцированным каналом при напряжении Uзи=0 выходной ток отсутствует, Iс =0, так как проводящего канала изначально нет.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом называют также MOSFET транзисторы. Используются в основном в качестве ключевых элементов, например в импульсных источниках питания.

Ключевые элементы на МДП-транзисторах имеют ряд преимуществ: цепь сигнала гальванически не связана с источником управляющего воздействия, цепь управления не потребляет тока, обладают двухсторонней проводимостью. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, не боятся перегрева.

Подробнее о транзисторах смотрите здесь:

Тиристоры

Тиристор - это полупроводниковый прибор, работающие в двух устойчивых состояниях – низкой проводимости (тиристор закрыт) и высокой проводимости (тиристор открыт). Конструктивно тиристор имеет три или более p-n – переходов и три вывода.

Кроме анода и катода, в конструкции тиристора предусмотрен третий вывод (электрод), который называется управляющим.

Тиристор предназначен для бесконтактной коммутации (включения и выключения) электрических цепей. Характеризуются высоким быстродействием и способностью коммутировать токи весьма значительной величины (до 1000 А). Постепенно вытесняются коммутационными транзисторами.

Рисунок 5 - Условно - графическое обозначение тиристоров

Динисторы (двухэлектродные) - как и обычные выпрямительные диоды имеют анод и катод. С увеличением прямого напряжения при определенном значении Ua = Uвкл динистор открывается.

Тиристоры (тринисторы - трехэлектродные) - имеют дополнительный управляющий электрод; Uвкл изменяется током управления, протекающим через управляющий электрод.

Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо подать напряжение обратное (- на анод, + на катод) или уменьшить прямой ток ниже значения, называемого током удержания Iудер.

Запираемый тиристор – может быть переведен в закрытое состояние подачей управляющего импульса обратной полярности.

Тиристоры: принцип действия, конструкции, типы и способы включения

Симисторы (симметричные тиристоры) - проводят ток в обоих направлениях.

Тиристоры применяются в качестве бесконтактных переключателей и управляемых выпрямителей в устройствах автоматики и преобразователях электрического тока. В цепях переменного и импульсных токов можно изменять время открытого состояния тиристора, а значит и время протекания тока через нагрузку. Это позволяет регулировать мощность, выделяемую в нагрузке.

Использование: в области изготовления полупроводниковых приборов путем бесфлюсовой пайки на воздухе без применения защитных сред, может быть использовано при сборке диодов Шоттки и биполярных транзисторов путем пайки полупроводниковых кристаллов к корпусам припоями на основе свинца. Сущность изобретения: способ сборки полупроводниковых приборов заключается в том, что на основании корпуса размещают фильтрующий и легирующий элемент, на который помещают навеску припоя и кристалл, а кассету с собранными приборами загружают в конвейерную водородную печь при температуре пайки 370°С. Новым в способе является то, что полупроводниковые кристаллы с припоем на коллекторной стороне фиксируют в перевернутом положении в ячейках вакуумной присоски и совмещают с контактными площадками корпусов приборов, а нагрев до температуры пайки осуществляют на воздухе импульсом тока через V-образные электроды, которые жестко закреплены в кронштейне, электрически последовательно соединены друг с другом и расположены дифференцированно над каждым кристаллом, а в момент расплавления припоя вакуумную присоску с кристаллами подвергают воздействию ультразвуковых колебаний в направлении, параллельном паяному шву, при этом давление на каждый кристалл осуществляют массой корпуса прибора и кронштейна с электродами. Техническим результатом изобретения является повышение надежности полупроводниковых приборов за счет снижения температуры нагрева при пайке поверхности кристалла со структурами, улучшение смачивания припоем соединяемых поверхностей, повышение производительности сборочных операций за счет групповой пайки кристаллов к корпусам. 2 ил.

Изобретение относится к изготовлению полупроводниковых приборов путем бесфлюсовой пайки на воздухе без применения защитных сред. Оно может быть использовано при сборке диодов Шоттки и биполярных транзисторов путем пайки полупроводниковых кристаллов к корпусам припоями на основе свинца. Существуют различные способы пайки полупроводниковых кристаллов к корпусу. Известен способ сборки мощных транзисторов кассетным методом, по которому ножка транзистора размещается на направляющих в кассете, а между кристаллом и корпусом размещается навеска припоя, при этом пайка осуществляется в конвейерной печи с восстановительной средой без использования флюсов. Кассета обеспечивает точную ориентацию кристалла относительно ножки прибора и исключает его смещение в процессе пайки. Недостатком известного способа является достаточно высокая трудоемкость изготовления полупроводниковых приборов. Кроме того, наличие оксидных пленок на соединяемых поверхностях ухудшает смачивание и капиллярное течение припоя в соединительном зазоре. Известен способ пайки микрополосковых устройств низкотемпературными припоями без применения флюсов, при котором паяемые поверхности предварительно покрывают металлами или сплавами с температурой плавления, близкой к температуре плавления припоя, но выше ее, а в момент расплавления припоя одной из паяемых деталей сообщают низкочастотные колебания. Основным недостатком указанного способа является низкая производительность данной сборочной операции, т.к. пайка осуществляется дискретно. Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ сборки полупроводниковых приборов , заключающийся в том, что на основании корпуса размещают фильтрующий и легирующий элемент, на который затем помещают навеску припоя и кристалл. Недостатком данного способа является высокая трудоемкость сборочных операций и низкий процент выхода годных приборов. Кроме того, данный способ не обеспечивает предварительной ориентации и фиксации кристалла относительно корпуса, в результате чего возможны разворот и смещение кристалла еще до начала процесса пайки. Более того, при пайке необходима высокая температура нагрева, что предъявляет определенные требования к кристаллу. Особенно следует отметить наличие непропаев в паяном шве, что способствует увеличению теплового и электрического сопротивления контакта полупроводникового кристалла с корпусом. Поэтому этот способ сборки полупроводниковых приборов является низкоэффективным (или неэффективным), особенно при пайке полупроводниковых кристаллов к корпусам изделий силовой электроники. Задача, на решение которой направлено заявляемое решение, - это повышение надежности полупроводниковых приборов за счет снижения температуры нагрева при пайке поверхности кристалла со структурами, улучшение смачивания припоем соединяемых поверхностей, повышение производительности сборочных операций за счет групповой пайки кристаллов к корпусам. Эта задача достигается тем, что в способе сборки полупроводниковых приборов, заключающемся в том, что на основании корпуса размещают фильтрующий и легирующий элемент, на который помещают навеску припоя и кристалл, а кассету с собранными приборами загружают в конвейерную водородную печь при температуре пайки 370 o C, с целью повышения надежности полупроводниковых приборов за счет снижения температуры нагрева при пайке поверхности кристаллов со структурами, улучшения смачивания припоем соединяемых поверхностей и повышения производительности сборочных операций за счет групповой пайки кристаллов к корпусам, полупроводниковые кристаллы с припоем на коллекторной стороне фиксируют в перевернутом положении в ячейках вакуумной присоски и совмещают с контактными площадками корпусов, а нагрев до температуры пайки осуществляют на воздухе импульсом тока через V-образные электроды, которые жестко закреплены в кронштейне, электрически последовательно соединены друг с другом и расположены дифференцированно над каждым кристаллом, а в момент расплавления припоя вакуумную присоску с кристаллами подвергают воздействию ультразвуковых колебаний в направлении, параллельном паяному шву, при этом давление на каждый кристалл осуществляют массой корпуса прибора и кронштейна с электродами. Сопоставимый анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что с целью повышения надежности полупроводниковых приборов за счет снижения температуры нагрева при пайке поверхности кристалла со структурами, улучшения смачивания припоем соединяемых поверхностей и повышения производительности сборочных операций за счет групповой пайки кристаллов к корпусам полупроводниковые кристаллы с припоем на коллекторной стороне фиксируют в перевернутом положении в ячейках вакуумной присоски и совмещают с контактными площадками корпусов, а нагрев до температуры пайки осуществляют на воздухе импульсом тока через V-образные электроды, которые жестко закреплены в кронштейне, электрически последовательно соединены друг с другом и расположены дифференцированно над каждым кристаллом, а в момент расплавления припоя вакуумную присоску с кристаллами подвергают воздействию ультразвуковых колебаний в направлении, параллельном паяному шву, при этом давление на каждый кристалл осуществляют массой корпуса прибора и кронштейна с электродами. Таким образом, заявляемый способ сборки полупроводниковых приборов соответствует критерию "новизна". Сравнение заявляемого способа с другими известными способами из известного уровня техники, также не позволило выявить в них признаки, заявляемые в отличительной части формулы. Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых схематически изображены: на фиг. 1 - схема сборки и пайки полупроводниковых кристаллов к корпусам, вид сбоку; на фиг. 2 - фрагмент сборки и пайки одного кристалла к корпусу, вид сбоку. Способ сборки полупроводниковых приборов (фиг. 1 и 2) реализуется по схеме, содержащей основание 1, соединенное с вакуумным насосом. На основании закреплена вакуумная присоска 2, в ячейках которой фиксируются коллекторной поверхностью вверх полупроводниковые кристаллы 3 с припоем 4 на паяемой поверхности. На кристаллах размещают корпуса приборов 5. V-образные электроды 6 жестко закреплены в кронштейне 7, электрически последовательно соединены друг с другом и расположены дифференцированно над каждым кристаллом. Для равномерного нагрева всей площади кристалла при пайке размеры рабочей площади электрода должны быть на 0,6-1,0 мм больше каждой из сторон кристалла. Нагрев корпуса, кристалла и припоя до температуры пайки осуществляется за счет тепла, выделяемого рабочей площадкой V-образного электрода при прохождении через него импульса тока. Для разрушения оксидных пленок и активации соединяемых поверхностей кристалла и корпуса в момент расплавления припоя кристаллы 3 через вакуумную присоску 2 и основание 1 подвергаются воздействию ультразвуковых колебаний в направлении, параллельном паяному шву от ультразвукового концентратора 8. Давление на каждый кристалл осуществляется массой корпуса и кронштейна с электродами. Примером сборки полупроводниковых приборов может служить сборка диодов Шоттки. На коллекторную поверхность полупроводникового кристалла в составе пластины по известной технологии последовательно наносят следующие пленки: алюминия - 0,2 мкм, титана - 0,2-0,4 мкм, никеля - 0,4 мкм, а для пайки - припой, например ПСр2,5 толщиной 40-60 мкм. Затем полупроводниковую пластину разделяют на кристаллы. Металлическую пластину, состоящую из 10 корпусов 5 типа ТО-220, покрывают по известной технологии гальваническим никелем толщиной 6 мкм. Процесс сборки диодов Шоттки заключается в следующем: кристаллы 3 коллекторной поверхностью вверх фиксируются в ячейках вакуумной присоски 2, включается вакуумный насос, и за счет разности давлений кристаллы прижимаются к стенкам вакуумной присоски; пластина с корпусами приборов 5 размещается на кристаллах; кронштейн 7 с электродами 6 совмещают с контактными площадками корпусов в местах их пайки с кристаллами 3. При пайке кронштейн 7 с электродами 6 прижимает пластину из корпуса 5 к кристаллам 3. Через электроды, соединенные электрически последовательно друг с другом, пропускается импульс тока. Тепло от рабочей площадки электрода передается корпусам и далее кристаллам, разогревая припой до температуры пайки. В это время кристаллы подвергаются воздействию ультразвуковых колебаний в направлении, параллельном паяному шву от ультразвукового концентратора 8. Это способствует разрушению оксидных пленок и улучшению смачивания припоем соединяемых поверхностей кристалла и корпуса. Через заданное время отключается ток, и после кристаллизации припоя образуется качественное паяное соединение. Сжимающее усилие кристалла к корпусу при пайке задается массой корпуса и кронштейна с электродами. Так как при импульсной пайке происходит нагрев кристалла через корпус, то коллекторная поверхность нагревается до температуры пайки, а противоположная поверхность кристалла со структурами имеет температуру нагрева значительно ниже, чем коллекторная. Этот фактор способствует повышению надежности полупроводниковых приборов. Таким образом, использование предлагаемого способа сборки полупроводниковых приборов обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества. 1. Повышается надежность полупроводниковых приборов за счет снижения температуры нагрева при пайке поверхности кристалла со структурами. 2. Улучшается смачивание припоем соединяемых поверхностей. 3. Повышается производительность сборочных операций за счет групповой пайки кристаллов к корпусам. Источники информации 1. Сборка мощных транзисторов кассетным методом /П.К. Воробьевский, В.В. Зенин, А. И. Шевцов, М.М. Ипатова//Электронная техника. Сер. 7. Технология, организация производства и оборудование. - 1979.- Вып. 4.- С. 29-32. 2. Пайка микрополосковых устройств низкотемпературными припоями без применения флюсов / В.И. Бейль, Ф.Н. Крохмальник, Е.М. Любимов, Н.Г. Отмахова//Электронная техника. Сер.7. Электроника СВЧ.- 1982.- Вып. 5 (341).- С. 40. 3. Яковлев Г.А. Пайка материалов припоями на основе свинца: Обзор.- М.: ЦНИИ "Электроника". Сер. 7. Технология, организация производства и оборудование. Вып. 9 (556), 1978, с. 58 (прототип).

Формула изобретения

Способ сборки полупроводниковых приборов, заключающийся в том, что на основании корпуса размещают фильтрующий и легирующий элемент, на который помещают навеску припоя и кристалл, а кассету с собранными приборами загружают в конвейерную водородную печь при температуре пайки 370°С, отличающийся тем, что полупроводниковые кристаллы с припоем на коллекторной стороне фиксируют в перевернутом положении в ячейках вакуумной присоски и совмещают с контактными площадками корпусов приборов, а нагрев до температуры пайки осуществляют на воздухе импульсом тока через V-образные электроды, которые жестко закреплены в кронштейне, электрически последовательно соединены друг с другом и расположены дифференцированно над каждым кристаллом, а в момент расплавления припоя вакуумную присоску с кристаллами подвергают воздействию ультразвуковых колебаний в направлении, параллельном паяному шву, при этом давление на каждый кристалл осуществляют массой корпуса прибора и кронштейна с электродами.

Министерство Науки и Образования

Реферат на тему:

Применение полупроводниковых приборов

Выполнил:

ученик 10-В класса

Средней Общеобразовательной

Школы №94

Гладков Евгений

Проверила:

Ольга Петровна

г. Харьков, 2004.

Полупроводниковые приборы – различные по конструкции, технологии изготовления и функциональному назначению электронные приборы, основанные на использовании свойств полупроводников. К полупроводниковым приборам относят также полупроводниковые микросхемы, которые представляют собой монолитные законченные функциональные узлы (усилитель, триггер, набор элементов), все компоненты которых изготавливаются в едином технологическом процессе.

Полупроводники – вещества, электронная проводимость которых имеет промежуточное значение между проводимостью проводников и диэлектриков. К полупроводникам относится обширная группа естественных и синтетических веществ различной химической природы, твердых и жидких, с разными механизмами проводимости. Наиболее перспективными полупроводниками в современной технике являются так называемые электронные полупроводники, проводимость которых обусловлена движением электронов. Однако в отличие от металлических проводников концентрация свободных электронов в полупроводниках очень мала и возрастает с повышением температуры, чем объясняется их пониженная проводимость и специфическая зависимость от удельного сопротивления и температуры: если у металлических проводников при нагревании электрическое сопротивление повышается, то у полупроводников оно понижается. Увеличение концентрации свободных электронов с повышением температуры объясняется тем, что с увеличением интенсивности тепловых колебаний атомов полупроводников все большее количество электронов срывается с внешних оболочек этих атомов и получает возможность перемещаться по объему полупроводника. В переносе электричества через полупроводники, помимо свободных электронов могут принимать участие места, освободившиеся от перешедших в свободное состояние электронов – так называемые дырки.

Поэтому и свободные электроны и дырки называют носителями электрического заряда, причём дырке приписывают положительный заряд, равный заряду электрона. В идеальном полупроводнике образование свободных электронов и дырок происходит одновременно, парами, а потому концентрации электронов и дырок одинаковы. Введение же в полупроводник определенных примесей способно привести к увеличению концентрации носителей одного знака и сильно повысить проводимость. Это происходит при условии, что на внешней оболочке атомов примеси находится на один электрон больше (донорные примеси) или на один электрон меньше (акцепторные примеси), чем у атомов исходного полупроводника. В первом случае примесные атомы (доноры) легко отдают лишний электрон, а во втором (акцепторы)– забирают недостающий электрон от атомов полупроводника, создавая дырку. Для наиболее распространённых полупроводников (кремния и германия), являющихся четырёхвалентными химическими элементами, донорами служат пятивалентные вещества (фосфор, мышьяк, сурьма), а акцепторами – трехвалентные (бор, алюминий, индий). В зависимости от преобладающего типа носителей примесные полупроводники делят на полупроводники электронного (п-типа) и дырочного (р-типа).

Зависимость электропроводимости полупроводника от различных внешних воздействий служит основой разнообразных технических приборов. Так, уменьшение сопротивления используется в термисторах, уменьшение сопротивления при освещении– в фоторезисторах. Появление ЭДС при прохождении тока через полупроводник, помещённый в магнитное поле (эффект Холла) применяется для измерения магнитных полей, мощности и т.д. Особенно ценными свойствами обладают неоднородные полупроводники (с изменяющейся от одной части объёма к другой проводимостью), а также контакты разных полупроводников между собой и полупроводников с металлами. Возникающие в таких системах эффекты наиболее ярко проявляются у электронно-дырочных переходов (р-п-переходом). Использование р-п-переходов лежит в основе действия многих полупроводниковых приборов: транзистора, полупроводникового диода, полупроводникового фотоэлемента, термоэлектрического генератора, солнечной батареи.

60-е – 70-е годы составляют эпоху полупроводниковой техники и собственно электроники. Электроника внедряется во все отрасли науки, техники и народного хозяйства. Являясь комплексом наук, электроника тесно связана с радиофизикой, радиолокацией, радионавигацией, радиоастрономией, радиометеорологией, радиоспектроскопией, электронной вычислительной и управляющей техникой, радиоуправлением на расстоянии, телеизмерениями, квантовой радиоэлектроникой.

В этот период продолжалось дальнейшее усовершенствование электровакуумных приборов. Большое внимание уделяется повышению их прочности, надёжности, долговечности. Разрабатывались пальчиковые и сверхминиатюрные лампы, что давало возможность снизить габариты установок, насчитывающих большое количество радиоламп.

Продолжались интенсивные работы в области физики твёрдого тела и теории полупроводников, разрабатывались способы получения монокристаллов полупроводников, методы их очистки и введения примесей. Большой вклад в развитие физики полупроводников внесла советская школа академика А.Ф.Иоффе.

Полупроводниковые приборы быстро и широко распространились за 50-е-70-е годы во все области народного хозяйства. В 1926 г. был предложен полупроводниковый выпрямитель переменного тока из закиси меди. Позднее появились выпрямители из селена и сернистой меди. Бурное развитие радиотехники (особенно радиолокации) в период второй мировой войны дало новый толчок к исследованиям в области полупроводников. Были разработаны точечные выпрямители переменных токов СВЧ на основе кремния и германия, а позднее появились плоскостные германиевые диоды. В 1948 г. американские учёные Бардин и Браттейн создали германиевый точечный триод (транзистор), пригодный для усиления и генерирования электрических колебаний. Позднее был разработан кремниевый точечный триод. В начале 70-х годов точечные транзисторы практически не применялись, а основным типом транзистора являлся плоскостной, впервые изготовленный в 1951 г. К концу 1952 г. были предложены плоскостной высокочастотный тетрод, полевой транзистор и другие типы полупроводниковых приборов. В 1953 г. был разработан дрейфовый транзистор. В эти годы широко разрабатывались и исследовались новые технологические процессы обработки полупроводниковых материалов, способы изготовления p-n- переходов и самих полупроводниковых приборов. В начале 70-х годов, кроме плоскостных и дрейфовых германиевых и кремниевых транзисторов, находили широкое распространение и другие приборы, использующие свойства полупроводниковых материалов: туннельные диоды, управляемые и неуправляемые четырёхслойные переключающие приборы, фотодиоды и фототранзисторы, варикапы, терморезисторы и т.д.

Развитие и совершенствование полупроводниковых приборов характеризуется повышением рабочих частот и увеличением допустимой мощности. Первые транзисторы обладали ограниченными возможностями (предельные рабочие частоты порядка сотни килогерц и мощности рассеяния порядка 100 - 200 МВт) и могли выполнять лишь некоторые функции электронных ламп. Для того же диапазона частот были созданы транзисторы с мощностью в десятки ватт. Позднее были созданы транзисторы, способные работать на частотах до 5 МГц и рассеивать мощность порядка 5 Вт, а уже в 1972 г. были созданы образцы транзисторов на рабочие частоты 20 - 70 МГц с мощностями рассеивания, достигающими 100 Вт и более. Маломощные же транзисторы (до 0,5 - 0,7 Вт) могут работать на частотах свыше 500 МГц. Позже появились транзисторы, работающие на частотах порядка 1000 МГц. Одновременно велись работы по расширению диапазона рабочих температур. Транзисторы, изготовленные на основе германия, имели первоначально рабочие температуры не выше +55 ¸ 70 °С, а на основе кремния - не выше +100 ¸ 120 °С. Созданные позже образцы транзисторов на арсениде галлия оказались работоспособными при температурах до +250 °С, и их рабочие частоты в итоге увеличились до 1000 МГц. Есть транзисторы на карбиде, работающие при температурах до 350 °С. Транзисторы и полупроводниковые диоды по многим показателям в 70-е годы превосходили электронные лампы и в итоге полностью вытеснили их из областей электроники. В интегральной электронике МДП-структуры широко используются для создания транзисторов и на их основе различных интегральных микросхем.

Перед проектировщиками сложных электронных систем, насчитывающих десятки тысяч активных и пассивных компонентов, стоят задачи уменьшения габаритов, веса, потребляемой мощности и стоимости электронных устройств, улучшения их рабочих характеристик и, что самое главное, достижения высокой надёжности работы. Эти задачи успешно решает микроэлектроника - направление электроники, охватывающее широкий комплекс проблем и методов, связанных с проектированием и изготовлением электронной аппаратуры в микроминиатюрном исполнении за счёт полного или частичного исключения дискретных компонентов.

Основной тенденцией микроминиатюризации является "интеграция" электронных схем, т.е. стремление к одновременному изготовлению большого количества элементов и узлов электронных схем, неразрывно связанных между собой. Поэтому из различных областей микроэлектроники наиболее эффективной оказалась интегральная микроэлектроника, которая является одним из главных направлений современной электронной техники. Сейчас широко используются сверхбольшие интегральные схемы, на них построено всё современное электронное оборудование, в частности ЭВМ и т.д.

Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое применение в микроэлектронике - теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.

Полупроводниковые приборы, сведения о которых приводятся в справочнике, являются приборами общего применения. Они могут работать в разнообразных условиях и режимах, характерных для различных классов радиоэлектронной аппаратуры широкого, промышленного и специального применения.

Общие технические требования к приборам, предназначенным для аппаратуры определенного класса, содержатся в общих технических условиях (ОТУ) на эти приборы. Конкретные нормы на значения электрических параметров и специфические требования к данному типу приборов излагаются в частных технических условиях (ЧТУ) и ГОСТ на приборы.

Высокая надежность радиоэлектронной аппаратуры на полупроводниковых приборах может быть обеспечена лишь при условии учета на стадии ее проектирования, изготовления и эксплуатации следующих особенностей приборов:

• разброса значений параметров, их зависимости от режима и условий работы;
• изменения значений параметров в течение времени хранения или работы;
• необходимости хорошего отвода тепла or корпусов приборов;
• необходимости обеспечения запасов по электрическим, механическим и другим нагрузкам на приборы в радиоэлектронной аппаратуре;
• необходимости принятия мер, обеспечивающих отсутствие перегрузок приборов во время монтажа и сборки радиоэлектронной аппаратуры.

Значения параметров приборов одного типа не одинаковы, а лежат в некотором интервале. Этот интервал ограничивается минимальными или максимальными значениями, указанными в справочнике. Некоторые параметры имеют двухстороннее ограничение значений. Приведенные в справочнике вольтамперные характеристики, зависимости параметров от режима и температуры являются усредненными для большою количества экземпляров приборов данного типа. Эти зависимости могут использоваться при выборе типа прибора для данной схемы и ориентировочного ее расчета.

Большинство параметров полупроводниковых приборов значительно изменяется в зависимости от режима работы и температуры. Например, время восстановления обратного сопротивления импульсных диодов зависит от значения прямого тока, напряжения переключения и сопротивления нагрузки; потери преобразования и коэффициент шума СВЧ диодов зависят от уровня подводимой мощности. Значительно изменяется в диапазоне температуры, указанном в технических условиях, обратный ток диода. В справочнике приводятся значения параметров, гарантируемых ТУ для соответствующих оптимальных или предельных режимов использования.

Применение и эксплуатация приборов должны осуществляться в соответствии с требованиями ТУ и стандартами - руководствами по применению. При конструировании радиоэлектронной аппаратуры необходимо стремиться обеспечить ее работоспособность в возможно более широких интервалах изменений важнейших параметров приборов. Разброс параметров приборов и изменение их значений во времени при проектировании аппаратуры учитываются расчетными методами или экспериментально, например методом граничных испытаний.

Время, в течение которого полупроводниковые приборы могут работать в аппаратуре (их срок службы), практически неограниченно Нормативно-техническая документация на поставку приборов (ГОСТ. ТУ), как правило, гарантирует минимальную наработку не менее 15 000 ч. а в облегченных режимах и условиях эксплуатации - до 30 000 ч. Однако теория и эксперименты показывают, что через 50 - 70 тыс. ч работы возрастания интенсивности отказов не наблюдается. Тем не менее за время храпения и работы могут происходить изменения значений параметров приборов. У отдельных экземпляров эти изменения оказываются столь значительными, что происходит отказ аппаратуры. Для контроля уровня надежности изготовляемых приборов используются такие показатели, как гамма-процентный ресурс, гамма-процентная сохраняемость, минимальная наработка (гарантийная наработка), интенсивность отказов при специальных кратковременных испытаниях в форсированном режиме. Нормы на эти показатели устанавливаются в ТУ на приборы.

Для расчета надежности радиоэлектронной аппаратуры следует использовать количественные показатели надежности, устанавливаемые путем проведения специальных испытаний, обработки большого объема статистических данных о различных испытаниях и "эксплуатации приборов в разнообразной аппаратуре.

Экспериментально установлено, что интенсивность (вероятность) отказов приборов растет при увеличении рабочей температуры переходов, напряжения на электродах и тока. В связи с повышением температуры ускоряю(сч практически отказы всех видов: короткие замыкания, обрывы и значительные изменения параметров. Повышение напряжения значительно ускоряет отказы приборов с МДП структурами и с низковольтными переходами. Увеличение тока приводит, главным образом, к ускоренному разрушению контактных соединений и токоведуших дорожек металлизации на кристаллах.

Приближенная зависимость интенсивности отказов от нагрузки имеет вид:

где λ(T п,макс, U макс, I макс) интенсивность отказов при максимальной нагрузке (может быть взята из результатов кратковременных испытаний в форсированном режиме). Значение В приблизительно равно 6000 К.

Для повышения надежности работы приборов в аппаратуре необходимо снижать, главным образом, температуру переходов и кристаллов, а также рабочие напряжения и токи, которые должны быть существенно ниже предельно допустимых. Рекомендуется устанавливать напряжения и токи (мощность) на уровне 0.5-0.7 предельных (максимальных) значений. Эксплуатация полупроводниковых приборов при температуре, напряжении или токе, равных предельному значению, запрещается. Не допускается даже кратковременное (импульсное) превышение предельно допустимою режима при эксплуатации. Поэтому необходимо принимать меры по защите приборов от электрических перегрузок, возникающих при переходных процессах (при включении и выключении аппаратуры, при изменении режима ее работы, подключении нагрузок, случайных изменениях напряжения источников питания).

Режимы работы приборов должны контролироваться с учетом возможных неблагоприятных сочетаний условий эксплуатации аппаратуры (повышенная окружающая температура, пониженное давление окружающей среды и др.).

Если необходимое значение тока или напряжения превышает предельно допустимое для данною прибора значение, рекомендуется применение более мощною или высоковольтного прибора, а в случае диодов - их параллельное или последовательное соединение. При параллельном соединении необходимо выравнивать токи через диоды с помощью резисторов с небольшим сопротивлением, включаемых последовательно с каждым диодом. При последовательном включении диодов обратные напряжения на них выравниваются с помощью шунтирующих резисторов или конденсаторов. Рекомендуемые сопротивления и емкости шунтов обычно указываются в ТУ на диоды. Между последовательно или параллельно включенными приборами должна быть хорошая тепловая связь (например, все приборы устанавливаются на одном радиаторе). В противном случае распределение нагрузки между приборами будет неустойчивым.

При воздействии различных факторов (температуры, влаги, химических. механических и других воздействий) параметры, характеристики и некоторые свойства полупроводниковых приборов могут изменяться. Для защиты структур полупроводниковых приборов от внешних воздействий служат корпуса приборов. Корпуса мощных приборов одновременно обеспечивают необходимые условия отвода тепла, а корпуса СВЧ приборов - оптимальное соединение электродов приборов со схемой. Необходимо иметь в виду, что корпуса приборов имеют ограничения по герметичности и коррозионной устойчивости, поэтому при эксплуатации приборов в условиях повышенной влажности рекомендуется покрывать их специальными лаками (например, типа УР-231 или ЭП-730).

Обеспечение отвода тепла от полупроводниковых приборов является одной и; главных задач при конструировании радиоэлектронной аппаратуры. Необходимо придерживаться принципа максимально возможного снижения температуры переходов и корпусов приборов. Для охлаждения мощных диодов или тиристоров используются теплоотводящие радиаторы, работающие в условиях естественной конвекции или принудительного обдува, а также конструктивные элементы узлов и блоков аппаратуры, имеющие достаточную поверхность или хороший теплоотвод. Крепление приборов к радиатору должно обеспечивать падежный тепловой контакт. Если корпус прибора должен быть изолирован, то для уменьшения общего теплового сопротивления лучше изолировать радиатор от корпуса аппаратуры, чем диод или тиристор oт радиатора.

Отвод тепла улучшается при вертикальном расположении активных поверхностей радиатора, так как при этом лучше условия конвекции. Ориентировочные размеры теплоотводяших радиаторов в форме вертикально ориентированных пластин из алюминия (квадратных или прямоугольных) в зависимости от рассеиваемой ими мощности, можно определить но формуле

где S - площадь одной стороны пластины, см 2 ; Р - рассеиваемая в приборе мощность, Вт. Пластины площадью до 25 см 2 могут иметь толщину 1-2 мм, площадью от 25 до 100 см 2 2-3 мм. свыше 100 см 2 - 3 - 4 мм.

При заливке плат с полупроводниковыми приборами компаундами, пенопластами, пенорезиной необходимо учитывать изменение теплового сопротивления между корпусом прибора и окружающей средой, а также возможность увеличения дополнительного нагрева приборов от расположенных вблизи элементов схемы с большим тепловыделением. Температура при заливке не должна превышать максимальной температуры корпуса прибора, указанной в ТУ. При заливке не должны возникать механические нагрузки на выводы, нарушающие целостное 1Ь стеклянных изоляторов или корпусов приборов.

В процессе подготовки и проведения монтажа полупроводниковых приборов в аппаратуру механические и климатические воздействия на них не должны превышать значений, указанных в ТУ.

При рихтовке, формовке и обрезании выводов участок вывода около корпуса должен быть закреплен гак. чтобы в проводнике не возникали изгибающие или растягивающие усилия. Оснастка и приспособления для формовки выводов должны быть заземлены. Расстояние от корпуса прибора до начала изгиба вывода должно быть не менее 2 мм. Радиус изгиба при диаметре вывода до 0,5 мм должен быть не менее 0.5 мм, при диаметре 0,6-1 мм - не менее 1 мм. при диаметре свыше 1 мм - не.менее 1,5 мм.

Паяльники, применяемые для пайки выводов приборов, должны быть низковольтными. Расстояние от корпуса или изолятора до места лужения или пайки вывода должно быть не менее 3 мм. Для отвода тепла участок вывода между корпусом и местом пайки зажимается пинцетом с губками из красной меди. Жало паяльника должно быть надежно заземлено. Если температура припоя не превышает 533 + 5 К, а время пайки не более 3 с. то можно производить пайку без теплоотвода или групповым методом (волной, погружением в припой и др.).

Очистка печатных плат от флюса производится жидкостями. которые не влияют на покрытие, маркировку или материал корпуса (например, спирто-бензиновой смесью).

В процессе монтажа, транспортировки, хранения СВЧ приборов необходимо обеспечивать их защиту ог воздействия статического электричества. Для лого все измерительное, испытательное, монтажное оборудование и инструменты надежно за?емляю1ся: для снятия заряда с тела оператора применяются заземляющие браслеты или кольца. используются антистатическая одежда, обувь, покрытия столов рабочих мест.

Диоды СВЧ необходимо предохранять от воздействия внешних электрических наволок и электромагнитных полей. Не следует хранить или даже кратковременно оставлять СВЧ диоды без специальной экранирующей упаковки. Перед установкой СВЧ диодов в аппаратуру последняя должна быть заземлена. Входы и выходы СВЧ тракта в неработающем или хранящемся блоке аппаратуры с использованием СВЧ диодов должны выть перекрыты металлическими заглушками.

При эксплуатации аппаратуры должны быть приняты меры, предохраняющие СВЧ диоды от электрических СВЧ перегрузок, которые могут привести либо к необратимому ухудшению параметров. либо к полному отказу (выгоранию) диодов. Для защиты от СВЧ перегрузок в аппаратуре применяются резонансные разрядники, ферритовые oграничители, газоразрядные аттенюаторы.

Министерство образования Российской Федерации

Кафедра: «Электронное машиностроение».

Курсовой проект

Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем

Выполнил: ст-т гр. ЭПУ - 32

Козачук Виталий Михайлович

Проверил: доцент

Шумарин Виктор Пракофьевич

Саратов 2000 г.

СБОРКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Особенности процесса сборки

Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем является наиболее трудоемким и ответственным технологическим этапом в общем цикле их изготовления. От качества сборочных операций в сильной степени зависят стабильность электрических параметров и надежность готовых изделий.

Этап сборки начинается после завершения групповой обработки полупроводниковых пластин по планарной технологии и разделе­ния их на отдельные элементы (кристаллы). Эти кристаллы, могут иметь простейшую (диодную или транзисторную) структуру или включать в себя сложную интегральную микросхему (с большим количеством активных и пассивных элементов) и поступать на сборку дискретных, гибридных или монолитных композиций.

Трудность процесса сборки заключается в том, что каждый класс дискретных приборов и ИМС имеет свои конструктивные особенности, которые требуют вполне определенных сборочных операций и режимов их проведения.

Процесс сборки включает в себя три основные технологические операции: присоединение кристалла к основанию корпуса; присоединение токоведущих выводов к активным и пассивным элементам полупроводникового кристалла к внутренним элементам корпуса; герметизация кристалла от внешней среды.

Присоединение кристалла к основанию корпуса

Присоединение кристалла полупроводникового прибора или ИМС к основанию корпуса проводят с помощью процессов пайки, приплавления с использованием эвтектических сплавов и приклеи­вания.

Основным требованием к операции присоединения кристалла является создание соединения кристалл - основание корпуса, об­ладающего высокой механической прочностью, хорошей электро- и теплопроводностью.

Пайка - процесс соединения двух различных деталей без их расплавления с помощью третьего компонента, называемого при­поем. Особенностью процесса пайки является то, что припой при образовании паяного соединения находится в жидком состоянии, а соединяемые детали - в твердом.

Сущность процесса пайки состоит в следующем. Если между соединяемыми деталями поместить прокладки из припоя и всю композицию нагреть до температуры плавления припоя, то будут иметь место следующие три физических процесса. Сначала рас­плавленный припой смачивает поверхности соединяемых деталей. Далее в смоченных местах происходят процессы межатомного вза­имодействия между припоем и каждым из двух смоченных им ма­териалов. При смачивании возможны два процесса: взаимное растворение смоченного материала и припоя или их взаимная диф­фузия. После охлаждения нагретой композиции припой переходит в твердое состояние. При этом образуется прочное паяное соедине­ние между исходными материалами и припоем.

Процесс пайки хорошо изучен, он прост и не требует сложного и дорогостоящего оборудования. При серийном выпуске изделий электронной техники припайка полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов производится в конвейерных печах, обла­дающих высокой производительностью. Пайка проводится в вос­становительной (водород) или нейтральной (азот, аргон) среде. В печи загружают многоместные кассеты, в которые предваритель­но помещают основания корпусов, навески припоя и полупроводни­ковые кристаллы. При движении конвейерной ленты кассета с сое­диняемыми деталями последовательно проходит зоны нагрева, постоянной температуры, охлаждения. Скорость движения кассеты и температурный режим задают и регулируют в соответствии с тех­нологическими и конструктивными особенностями конкретного типа полупроводникового прибора или ИМС.

Наряду с конвейерными печами для припайки полупроводнико­вого кристалла к основанию корпуса используют установки, кото­рые имеют одну индивидуальную нагреваемую позицию, на которую устанавливают только одну деталь корпуса (ножку) и один полупроводниковый кристалл. При работе на такой установке оператор с помощью манипулятора устанавливает кристалл на основание корпуса и производит кратковременный нагрев соединя­емого узла. В зону нагрева подается инертный газ. Этот способ соединения деталей дает хорошие результаты при условии предва­рительного облуживания соединяемых поверхностей кристалла и основания корпуса.

Процесс присоединения кристалла пайкой подразделяют на низкотемпературный (до 400°С) и высокотемпературный (выше 400°С). В качестве низкотемпературных припоев используют спла­вы на основе свинца и олова с добавками (до 2%) сурьмы или вис­мута. Добавка сурьмы или висмута в оловянно-свинцовый припой позволяет избежать появления «оловянной чумы» в готовых при­борах и ИМС при их эксплуатации и длительном хранении. Высо­котемпературные припои изготовляют на основе серебра (ПСр-45, ПСр-72 и др.).

На технологический процесс пайки и качество полученного пая­ного соединения деталей сильное влияние оказывают чистота сое­диняемых металлических поверхностей и применяемого припоя, состав атмосферы рабочего процесса и наличие флюсов.

Наиболее широкое применение процесс пайки находит при сборке дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзис­торов, тиристоров и Др.). Это объясняется тем, что процесс пайки дает возможность получить хороший электрический и тепловой контакт между кристаллом полупроводника и кристаллодержателем корпуса, причем площадь контактного соединения может быть достаточно большой (для приборов большой мощности).

Особое место процесс пайки занимает при закреплении полу­проводникового кристалла большой площади на основании корпу­са из меди. В этом случае для снижения термомеханических напря­жений, возникающих за счет разницы в температурных коэффици­ентах расширения полупроводниковых материалов и меди, широко используют молибденовые и молибденовольфрамовые термоком­пенсаторы, имеющие площадь, равную площади полупроводнико­вого кристалла, а ТКl -близкий к ТКl полупроводника. Такая сложная многоступенчатая композиция с двумя прослойками из припоя с успехом используется при сборке полупроводниковых приборов средней и большой мощностей.

Дальнейшее развитие процесс пайки получил при сборке интег­ральных микросхем по технологии «перевернутого кристалла». Эта технология предусматривает предварительное создание на планарной стороне кристалла с ИМС «шариковых выводов» или «контакт­ных выступов», которые представляют собой бугорки из меди, покрытые припоем или оловом. Такой кристалл располагают на поверхности подложки или на основании корпуса так, чтобы бугор­ки соприкасались с ней в определенных участках. Таким образом, кристалл переворачивается и его планарная сторона посредством бугорков контактирует с поверхностью основания корпуса.

При кратковременном нагреве такой композиции происходит прочное соединение контактных выступов полупроводникового кристалла с основанием корпуса. Следует отметить, что те участки поверхности корпуса, с которыми соприкасаются «выступы», пред­варительно тоже облуживаются. Поэтому в момент нагрева проис­ходит соединение припоя основания корпуса с припоем контактных вы­ступов.

На рис. 1, а показан вариант присоединения кристалла ИМС, имеющего медные облуженные кон­тактные выступы, к подложке. Та­кая конструкция выводов не боится растекания припоя по подложке. Наличие высокого грибообразного выступа обеспечивает необходимый зазор между полупроводниковым кристаллом и подложкой при расплавлении припоя. Это позволяет проводить присоединение кристалла к подложке с высокой степенью точ­ности.

На рис. 1, в показан вариант сборки кристаллов, имеющих мяг­кие столбиковые выводы из припоя на основе олово-свинец.

Присоединение такого кристалла к основанию корпуса проводят обычным нагревом без дополнитель­ного давления на кристалл. Припой контактных выступов при нагрева­нии и расплавлении не растекается по поверхности облуженных участ­ков основания корпуса за счет сил поверхностного натяжения. Это, кроме того, обеспечивает определен­ный зазор между кристаллом и под­ложкой.

Рассмотренный метод присоединения кристаллов ИМС к осно­ванию корпуса или к какой-либо плате позволяет в значительной степени механизировать и автоматизировать технологический про­цесс сборки.

Приплавление с использованием эвтектических сплавов. Этот способ присоединения полупроводниковых кристаллов к основанию корпуса основан на образовании расплавленной зоны, в которой происходит растворение поверхностного слоя полупроводникового материала и слоя металла основания корпуса.

В промышленности широкое применение получили два эвтекти­ческих сплава: золото-кремний (температура плавления 370°С) я золото-германий (температура плавления 356°С). Процесс эвтектического присоединения кристалла к основанию корпуса имеет две разновидности. Первый вид основан на использовании прокладки из эвтектического сплава, которая располагается между соединяемыми элементами: кристаллом и корпусом. В этом виде соединения поверхность основания корпуса должна иметь зо­лотое покрытие в виде тонкой пленки, а поверхность полупроводни­кового кристалла может не иметь золотого покрытия (для кремния и германия) или быть покрытой тонким слоем золота (в случае присоединения других полупроводниковых материалов). При на­греве такой композиции до температуры плавления эвтектического сплава между соединяемыми элементами (кристалл-основание корпуса) образуется жидкая зона. В этой жидкой зоне происходит с одной стороны растворение слоя полупроводникового материала кристалла (или слоя золота, нанесенного на поверхность кри­сталла).

После охлаждения всей системы (основание корпуса - эвтектический расплав-полупроводниковый кристалл) происходит за­твердевание жидкой зоны эвтектического сплава, а на границе полупроводник-эвтектический сплав образуется твердый раствор. В результате этого процесса создается механически прочное соеди­нение полупроводникового материала с основанием корпуса.

Второй вид эвтектического присоединения кристалла к основа­нию корпуса обычно реализуется для кристаллов из кремния или германия. В отличие от первого вида для присоединения кристал­ла не используется прокладка из эвтектического сплава. В этом случае жидкая зона эвтектического расплава образуется в резуль­тате нагрева композиции позолоченное основание корпуса-кри­сталл кремния (или германия). Рассмотрим подробнее этот процесс. Если на поверхность основания корпуса, имеющего тонкий слой золотого покрытия, поместить кристалл кремния, не имеющий золотого покрытия, и всю систему нагреть до температуры на 40-50°С выше температуры эвтектики золото-кремний, то между соединяемыми элементами образуется жидкая фаза эвтектического состава. Так как процесс сплавления слоя золота с кремнием явля­ется неравновесным, то количество кремния и золота, растворив­шихся в жидкой зоне, будет определяться толщиной золотого по­крытия, температурой и временем проведения процесса сплавления. При достаточно больших выдержках и постоянной температуре процесс сплавления золота с кремнием приближается к равновес­ному и характеризуется постоянным объемом жидкой фазы золо­то-кремний. Наличие большого количества жидкой фазы может привести к вытеканию ее из-под кристалла кремния к его перифе­рии. При затвердевании вытекшая эвтектика приводит к образова­нию достаточно больших механических напряжений и раковин в структуре кристалла кремния, которые резко снижают прочность сплавной структуры и ухудшают ее электрофизические параметры.

При минимальных значениях времени и температуры сплавление золота с кремнием происходит не равномерно по всей площади соприкосновения кристалла с основанием корпуса, а лишь в ее от­дельных точках.

В результате этого уменьшается прочность сплавного соедине­ния, увеличиваются электрическое и тепловое сопротивления кон­такта и снижается надежность полученной арматуры.

Существенное влияние на процесс эвтектического сплавления оказывает состояние поверхностей исходных соединяемых элемен­тов. Наличие загрязнений на этих поверхностях приводит к ухуд­шению смачивания контактирующих поверхностей жидкой фазой и неравномерному растворению.

Приклеивание -это процесс соединения элементов друг с дру­гом, основанный на клеящих свойствах некоторых материалов, которые позволяют получать механически прочные соединения между полупроводниковыми кристаллами и основаниями корпусов (металлическими, стеклянными или керамическими). Прочность склеивания определяется силой сцепления между клеем и склеива­емыми поверхностями элементов.

Склеивание различных элементов интегральных схем дает воз­можность соединять самые разнообразные материалы в различных сочетаниях, упрощать конструкцию узла, уменьшать его массу, снижать расход дорогостоящих материалов, не применять припоев и эвтектических сплавов, значительно упрощать технологические процессы сборки самых сложных полупроводниковых приборов и ИМС.

В результате приклеивания можно получать арматуры и слож­ные композиции с электроизоляционными, оптическими и токопроводящими свойствами. Присоединение кристаллов к основанию корпуса с помощью процесса приклеивания незаменимо при сборке и монтаже элементов гибридных, монолитных и оптоэлектронных схем.

При приклеивании кристаллов на основания корпусов применя­ют различные типы клеев: изоляционные, токопроводящие, светопроводящие и теплопроводящие. По активности взаимодействия между клеем и склеиваемыми поверхностями различают полярные (на основе эпоксидных смол) и неполярные (на основе полиэти­лена).

Качество процесса приклеивания в значительной степени зави­сит не только от свойств клея, но и от состояния поверхностей склеиваемых элементов. Для получения прочного соединения необ­ходимо тщательно обработать и очистить склеиваемые поверхно­сти. Важную роль в процессе склеивания играет температура. Так, при склеивании элементов конструкций, которые не подвергаются в последующих технологических операциях воздействию высоких температур, можно использовать клеи холодного отверждения на эпоксидной основе. Для приклеивания кремниевых кристаллов к металлическим или керамическим основаниям корпусов обычно используют клей ВК-2, представляющий собой раствор кремний-органической смолы в органическом растворителе с мелкодиспергированным асбестом в качестве активного наполнителя или ВК-32-200, в котором в качестве наполнителя используют стекло или кварц.

Технологический процесс приклеивания полупроводниковых кристаллов проводят в специальных сборочных кассетах, обеспе­чивающих нужную ориентацию кристалла на основании корпуса и необходимое прижатие его к основанию. Собранные кассеты в зависимости от используемого клеящего материала подвергают определенной термической обработке или выдерживают при ком­натной температуре.

Особые группы составляют электропроводящие и оптические клеи, используемые для склеивания элементов и узлов гибридных и оптоэлектронных ИМС. Токопроводящие клеи представляют собой композиции на основе эпоксидных и кремнийорганических смол с добавлением порошков серебра или никеля. Среди них наи­более широкое распространение получили клеи АС-40В, ЭК-А, ЭК-Б, К-3, ЭВТ и КН-1, представляющие собой пастообразные жидкости с удельным электрическим сопротивлением 0,01- 0,001 Ом-см и диапазоном рабочих температур от -60 до +150°С. К оптическим клеям предъявляют дополнительные требования по значению коэффициентов преломления и светопропускания. Наи­более широкое распространение получили оптические клеи ОК.-72 Ф, ОП-429, ОП-430, ОП-ЗМ.

Присоединение выводов

В современных полупроводниковых приборах и интегральных мик­росхемах, у которых размер контактных площадок составляет несколько десятков микрометров, процесс присоединения выводов является одним из самых трудоемких технологических операций.

В настоящее время для присоединения выводов к контактным площадкам интегральных схем используют три разновидности сварки: термокомпрессионную, электроконтактную и ультразву­ковую.

Термокомпрессионная сварка позволяет присоединять электри­ческие выводы толщиной несколько десятков микрометров к оми­ческим контактам кристаллов диаметром не менее 20-50 мкм, причем электрический вывод можно присоединить непосредственно к поверхности полупроводника без промежуточного металлическо­го покрытия следующим образом. Тонкую золотую или алюминие­вую проволоку прикладывают к кристаллу и прижимают нагретым стержнем. После небольшой выдержки проволока оказывается плотно сцепленной с поверхностью кристалла. Сцепление происхо­дит вследствие того, что даже при небольших удельных давлениях, действующих на кристалл полупроводника и не вызывающих его разрушения, локальное давление в микровыступах на поверхности может быть весьма большим. Это приводит к пластической дефор­мации выступов, чему способствует подогрев до температуры ниже эвтектической для данного металла и полупроводника, что не вы­зывает каких-либо изменений в структуре кристалла. Происходя­щая деформация (затекание) микровыступов и микровпадин обус­ловливает прочную адгезию и надежный контакт, вследствие ван-дер-ваальсовых сил сцепления, а с повышением температуры меж­ду соединяемыми материалами более вероятна химическая связь. Термокомпрессионная сварка имеет следующие преимущества:

a) соединение деталей происходит без расплавления свариваемых материалов;

b) удельное давление, прикладываемое к кристаллу, не приводит к механическим повреждениям полупроводникового материала;

c) соединения получают без загрязнений, так как не используют припои и флюсы.

К недостаткам следует отнести малую производительность процесса.

Термокомпрессионную сварку можно осуществлять путем сое­динений внахлест и встык. При сварке внахлест электрический проволочный вывод, как отмечалось, накладывают на контактную площадку кристалла полупроводника и прижимают к нему специ­альным инструментом до возникновения деформации вывода. Ось проволочного вывода при сварке располагают параллельно плос­кости контактной площадки. При сварке встык проволочный вывод приваривают торцом к контактной площадке. Ось проволочного вывода в месте присоединения перпендикулярна плоскости кон­тактной площадки.

Сварка внахлест обеспечивает прочное соединение кристалла полупроводника с проволочными выводами из золота, алюминия, серебра и других пластичных металлов, а сварка встык-только с выводами из золота. Толщина проволочных выводов может со­ставлять 15-100 мкм.

Присоединять выводы можно как к чистым кристаллам полу­проводника, так и к контактным площадкам, покрытым слоем напылённого золота или алюминия. При использовании чистых поверхностей кристалла увеличивается переходное сопротивление контакта и ухудшаются электрические параметры приборов.

Элементы, подлежащие термокомпрессионной сварке, проходят определенную технологическую обработку. Поверхность кристалла полупроводника, покрытую слоем золота или алюминия, обезжи­ривают.

Золотую проволоку отжигают при 300-600°С в течение 5-20 мин в зависимости от способа соединения деталей. Алюминие­вую проволоку протравливают в насыщенном растворе едкого нат­ра при 80°С в течение 1-2 мин, промывают в дистиллированной воде, и сушат.

Основными параметрами режима термокомпрессионной сварки являются удельное давление, температура нагрева и время сварки, Удельное давление выбирают в зависимости от допустимого на­пряжения сжатия кристалла полупроводника и допустимой дефор­мации материала привариваемого вывода. Время сварки выбирают экспериментальным путем.

где d -диаметр проволоки, мкм; b -ширина соединения, мкм.

Давление на инструмент определяют, исходя из распределения напряжений на стадии завершения деформации:

где A -коэффициент, характеризующий изменение напряжений в процессе деформации проволоки; f -приведенный коэффициент трения, характеризующий трение между инструментом, проволо­кой и подложкой; -относительная деформация; -предел те­кучести материала проволоки при температуре деформации; d - диаметр проволоки; D - диаметр прижимного инструмента, рав­ный обычно (2÷3)d.

Рис. 2. Номограмма для выбора режимов термокомпрессионной сварки:

а - золотой проволоки с плёнкой алюминия; б - алюминиевой проволоки с плёнкой алюминия

На рис. 2 приведены номограммы режимов термокомпрес­сионной сварки золотой (а) и алюминиевой (б) проволоки с алю­миниевыми контактными площадками. Эти номограммы дают воз­можность оптимального выбора соотношения между давлением, температурой и временем.

Термокомпрессионная сварка имеет довольно много разновид­ностей, которые можно классифицировать по способу нагрева, по способу присоединения, по форме инструмента. По способу нагре­ва различают термокомпрессионную сварку с раздельным нагревом иглы, кристалла или пуансона, а также с одновременным нагре­вом двух из этих элементов. По способу присоединения термоком­прессионная сварка может быть встык и внахлест. По форме инструмента различают «птичий клюв», «клин», «капилляр» и «иглу» (рис. 14.3).

При сварке инструментом «птичий клюв» одно и то же устройство подает проволоку, присоединяет ее к контактным площадкам интегральной схемы и автоматически обрывает, не выпуская ее из «клюва». Инструмент в виде «клина» прижимает конец проволоки к подложке, при этом вдавливается не вся проволока, а только центральная ее часть. При сварке с помощью «капиллярного инст­румента» проволока проходит через него. Капиллярный наконеч­ник одновременно служит инструментом, передающим давление на проволоку. При сварке «иглой» конец проволочного вывода подво­дят в зону сварки специальным механизмом и накладывают на контактную площадку, а затем прижимают ее иглой с определенным усилием.

Рис. 3. Типы инструментов для проведения термокомпрессионной сварки:

а - «птичий клюв»; б - «клин»; в - «капилляр»; г - «игла»

Для осуществления процесса термокомпрессионной сварки ис­пользуются различные установки, основными узлами которых являются: рабочий столик с нагревательной колонкой или без нее, механизм создания давления на присоединяемый вывод, рабочий инструмент, механизм подачи и обрыва проволоки для выводов, механизм подачи кристаллов или деталей с присоединенным к ним кристаллом; механизм совмещения соединяемых элементов, опти­ческая система визуального наблюдения процесса сварки, блоки питания и управления. Все перечисленные узлы могут иметь раз­личное конструктивное исполнение, однако принцип их устройства и характер выполняемой работы одинаков.

Так, рабочий столик всех установок служит для закрепления кристалла или корпуса интегральной схемы в определенном поло­жении. Обычно рабочий столик термокомпрессионных установок является сменным, что позволяет закреплять кристаллы различных размеров и геометрических форм. Нагревательная колонка служит для нагрева кристаллов или корпусов до требуемой температуры и позволяет регулировать ее в пределах 50-500°С с точностью ре­гулировки +5°С. Механизм создания давления предназначен для прижатия вывода к контактной площадке кристалла и обеспечива­ет регулирование усилия от 0,01 до 5 Н с точностью ±5%. Рабо­чий инструмент является одним из основных узлов термокомпрес­сионной установки. Его изготовляют из твердых сплавов типа ВК-6М, ВК-15 (для инструментов «птичий клюв» и «капилляр»)

или из синтетического корунда (для «клина» и «иглы»). Конструк­ция механизма подачи и отрыва проволоки зависит от типа уста­новки и формы рабочего инструмента. Наиболее широко распрост­ранены два способа отрыва; рычажный и электромагнитный. Про­цесс отрыва проволочного вывода после изготовления термоком­прессионного соединения на кристалле интегральной схемы без нарушения его прочности во многом зависит от конструктивных особенностей механизма. Механизм подачи кристаллов или дета­лей к месту сварки представляет собой обыкновенные зажимы или сложные кассеты, смонтированные на рабочем столике уста­новки. Наибольшая производительность достигается при использо­вании кассет с металлической лентой, на которой корпуса или кристаллы предварительно ориентируются в заданной плоскости и в определенном положении. Механизм совмещения обычно вклю­чает в себя манипуляторы, которые позволяют перемещать кри­сталл до его совмещения с соединяемыми элементами. Обычно используют манипуляторы двух видов: рычажные и пантографные. Оптическая система визуального наблюдения состоит из биноку­лярного микроскопа или увеличительного экрана-проектора. В за­висимости от размеров присоединяемых элементов выбирают уве­личение оптической системы от 10 до 100 крат.

Электроконтактная сварка применяется для присоединения металлических выводов к контактным площадкам кристаллов по­лупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Физиче­ская сущность процесса электроконтактной сварки заключается в нагреве соединяемых элементов в локальных участках приложения электродов. Разогрев локальных областей соединяемых элементов происходит за счет возникающего в местах контакта материала с электродами максимального электрического сопротивления при прохождении через электроды электрического тока. Основными параметрами процесса электроконтактной сварки являются значе­ние сварочного тока, скорость нарастания тока, время воздействия тока на соединяемые элементы и сила прижатия электродов к сое­диняемым деталям.

В настоящее время для присоединения выводов к контактным площадкам кристаллов интегральных схем используются два спо­соба электроконтактной сварки: с односторонним расположением двух электродов и с односторонним расположением одного сдвоен­ного электрода. Второй способ отличается от первого тем, что ра­бочие электроды выполнены в виде двух токонесущих элементов, разделенных между собой изоляционной прокладкой. В момент прижатия такого электрода к проволочному выводу и пропускания через образовавшуюся систему электродного тока происходит вы­деление большого количества теплоты в месте контакта. Внешнее давление в сочетании с разогревом деталей до температуры плас­тичности или расплавления приводит к прочному их соединению.

Технологическое оборудование для присоединения выводов ме­тодом электроконтакной сварки включает в себя следующие ос­новные узлы: рабочий столик, механизм создания давления на электрод, механизм подачи и отрезки проволоки, рабочий инстру­мент, механизм подачи кристаллов или корпусов с кристаллами, механизм совмещения соединяемых элементов, оптическую систему визуального наблюдения процесса сварки, блоки питания и управ­ления. Рабочий столик служит для расположения на нем кристал­лов или корпусов с кристаллами. Механизм создания давления на электрод позволяет прикладывать усилия 0,1-0,5 Н. Принцип дей­ствия механизма подачи и отрезки проволоки основан на движении проволоки через капиллярное отверстие и отрезании ее рычажным ножом. Форма и материал рабочего инструмента оказывают боль­шое влияние на качество и производительность процесса электро­контактной сварки. Обычно рабочая часть наконечников электро­дов имеет форму усеченной пирамиды и изготовляется из высокопрочного материала на основе карбида вольфрама марки ВК-8. Механизм подачи кристаллов включает в себя набор кассет, а ме­ханизм совмещения-систему манипуляторов, которые позволяют располагать кристалл в нужном положении. Оптическая визуаль­ная система наблюдения состоит из микроскопа или проектора. Блок питания и управления позволяет задавать рабочий режим сварки и производить его перестройку и регулировку при смене типа кристалла и материала вывода.

Ультразвуковая сварка, применяемая для присоединения выво­дов к контактным площадкам полупроводниковых приборов и ин­тегральных схем, имеет следующие преимущества: отсутствие нагрева соединяемых элементов, малое время сварки, возможность сварки разнородных и трудносвариваемых материалов. Отсутствие нагрева позволяет получать соединения без плавления сваривае­мых деталей. Малое время сварки дает возможность повысить про­изводительность процесса сборки.

Механизм образования соединения между выводом и контакт­ной площадкой при ультразвуковой сварке определяется пластиче­ской деформацией, удалением загрязнения, самодиффузией и сила­ми поверхностного натяжения. Процесс ультразвуковой сварки характеризуется тремя основными параметрами: амплитудой и частотой ультразвуковых колебаний, значением приложенного дав­ления и временем проведения процесса сварки. ^Установки для ультразвуковой сварки состоят из следующих основных узлов: ра­бочего столика, механизма создания давления, механизма подачи Н отрезки проволоки, ультразвукового сварочного устройства и оп­тической системы.

Герметизация кристалла

После того как полупроводниковый кристалл ориентирован и за­креплен на основании корпуса и к его контактным площадкам присоединены выводы, его необходимо защитить от влияния окру­жающей среды, т. е. создать вокруг него герметичную и механиче­ски прочную оболочку. Такая оболочка может быть создана либо присоединением к основанию корпуса специальной крышки (баллона), которая накрывает полупроводниковый кристалл и изолирует его от внешней среды, либо обволакиванием основания корпуса с расположенным на нем полупроводниковым кристаллом пласт­массой, которая также отделяет кристалл от внешней среды.

Для герметичного соединения основания корпуса с крышкой или баллоном (дискретный вариант полупроводниковых приборов) широко используют пайку, электроконтактную и холодную сварку, а для герметизации кристалла на держателе-заливку, обволаки­вание и опрессовку пластмассой.)

Пайка. Пайку применяют для герметизации как дискретных приборов, так и ИМС. Наибольшее практическое использование этот процесс нашел при сборке и герметизации корпусов диодов и транзисторов. Элементы конструкции корпусов включают в себя отдельные узлы и блоки, полученные на основании процессов пайки: металла с металлом, металла с керамикой и металла со стеклом. Рассмотрим эти виды пайки.

Пайка металла с металлом уже рассматривалась в §2. По­этому здесь остановимся лишь на технологических особенностях, которые связаны с получением герметичных паяных соединений.

Основными элементами паяного соединения при герметизации интегральных схем являются основание корпуса и крышка. Про­цесс соединения основания корпуса с крышкой может проводиться либо с использованием прослойки припоя, которая располагается между основанием корпуса и крышкой в виде кольца, либо без прослойки припоя. Во втором случае края основания корпуса и крышки предварительно облуживают припоем.

При герметизации диодов, транзисторов и тиристоров в зависи­мости от конструкции корпуса могут иметь место несколько пая­ных соединений. Так, пайкой соединяют кристаллодержатель с баллоном и герметизируют верхние выводы корпуса тиристора.

К процессу пайки при герметизации предъявляют требования по чистоте исходных деталей, которые предварительно подверга­ются очистке, промывке и сушке. Процесс пайки проводят в ваку­уме, инертной или восстановительной среде. При использовании флюсов пайку можно проводить на воздухе. Флюсы в значитель­ной степени улучшают смачивание и растекание припоя по соеди­няемым поверхностям деталей, а это залог образования герметич­ного паяного шва. По выполняемой роли флюсы подразделяют на две группы; защитные и активные. Защитные флюсы предохраня­ют детали от окисления в процессе пайки, а активные способствуют восстановлению оксидов, образовавшихся в процессе пайки. В качестве защитных флюсов наиболее часто используют рас­творы канифоли. Активными флюсами служат хлористый цинк и хлористый аммоний. Для пайки используют припои ПОС-40 и ПОС-60.

Пайка керамики с металлом . В полупроводниковой технике. как и в электровакуумной, широкое применение находят спаи ке­рамики с металлом, которые обеспечивают более надежную герме­тизацию.интегральных схем.

Припои, которые используют для пайки металла с металлом, не смачивают поверхность керамических деталей и поэтому не спаи­ваются с керамическими деталями корпусов интегральных схем.

Для получения паяных соединений керамики с металлом ее предварительно металлизируют. Металлизация проводится с по­мощью паст, которые наносят на керамическую деталь. Хорошее сцепление металлизационного слоя с поверхностью керамики достигается высокотемпературным вжиганием. При вжигании паст растворитель улетучивается, а металлические частицы прочно соединяются с" поверхностью керамической детали. Толщина воз-жженного слоя металла составляет обычно несколько микрометров. Нанесение и вжигание пасты можно повторять по нескольку раз, при этом толщина слоя увеличивается и качество металлизационного слоя улучшается. Полученную таким образом металлизирован­ную керамику можно паять обычными припоями.

Распространенным способом нанесения металлических покры­тий на детали керамических корпусов является спекание слоя металлизационной пасты с керамикой при высокой температуре. В качестве исходных материалов используются порошки молибде­на, вольфрама, рения, тантала, железа, никеля, марганца, кобаль­та, хрома, серебра и меди с размерами зерен в несколько микро­метров. Для приготовления паст эти порошки разводят в связую­щих веществах: ацетоне, амилацетате, метиловом спирте и др.

Пайка металлизированных керамических деталей с металличе­скими проводится обычным способом.

Пайка стекла с металлом. Стекло ни с одним из чистых метал­лов не спаивается, так как чистая поверхность металлов не смачи­вается или плохо смачивается жидким стеклом.

Однако если поверхность металла покрыта слоем оксида, то смачивание улучшается, оксид частично растворяется в стекле и после охлаждения может произойти герметичное соединение. Ос­новная трудность при изготовлении спаев металл - стекло состоит в подборе компонентов стекла и металла с достаточно близкими значениями коэффициентов термического расширения во всем диа­пазоне от температуры плавления стекла до минимальной рабочей температуры полупроводникового прибора. Даже небольшое раз­личие в коэффициентах термического расширения может привести к образованию микротрещин и разгерметизации готового прибора.

Для осуществления пайки стекла с металлом для получения герметичных спаев необходимо: подбирать компоненты с одинако­выми коэффициентами термического расширения; применять стек­лянный припой в виде суспензии с металлическим порошком; по­степенно переходить от металла к основному стеклу с помощью промежуточных стекол; металлизировать поверхность стекла.

Для получения герметичных спаев стекла с металлом использу­ют три способа нагрева исходных деталей: в пламени газовой го­релки, с помощью токов высокой частоты, в муфельных или силитовых печах. Во всех случаях процесс проводят на воздухе, так как наличие оксидной пленки способствует процессу пайки.

Электроконтактная сварка . Этот процесс широко используется для герметизации корпусов полупроводниковых приборов и инте­гральных микросхем. Она основана на расплавлен ни определен­ных частей соединяемых металлических деталей за счет прохож­дения через них электрического тока. Сущность процесса электро­контактной сварки состоит в том, что к свариваемым деталям под­водят два электрода, на которые подают определенное напряжение. Так как площадь электродов значительно меньше, чем площадь сва­риваемых деталей, то при прохождении через всю систему элект­рического тока в месте соприкосновения свариваемых деталей, "находящихся под электродами, выделяется большое количество теплоты. Это происходит за счет большой плотности тока в малом объеме материала свариваемых деталей. Большие плотности тока разогревают контактные участки до расилавления определенных зон исходных материалов.

При прекращении действия тока температура контактных уча­стков снижается, что влечет за собой остывание расплавленной зоны и ее рекристаллизацию. Полученная таким образом рекристаллизационная зона герметично соединяет однородные и разно­родные металлические детали друг с другом.

Форма сварного шва зависит от геометрической конфигурации рабочих электродов. Если электроды выполнены виде заострен­ных стержней, то сварка получается точечной. Если электроды в виде трубки, то сварочный шов имеет форму кольца. При пластин­чатой форме электродов сварочный шов имеет вид полосы.

Большое значение для качественной герметизации корпусов приборов электросваркой имеет материал, из которого изготовляют рабочие электроды. К материалу электродов предъявляют повы­шенные требования по тепло- и электропроводности, а также по механической прочности. Для удовлетворения этих требований электроды делают комбинированными, выполненными из двух ма­териалов, один из которых обладает высокой теплопроводностью, а другой механической прочностью. Широкое распространение получили электроды, основание которых изготовлено из меди, а сердечник (рабочая часть) - из сплава вольфрама с медью.

Наряду с комбинированными используют электроды, выпол­ненные из однородного металла или сплава. Так, для сваривания стальных деталей используют электроды из меди (М1 и МЗ) и бронзы (0,4-0,8% хрома, 0,2-0,6% цинка, остальное-медь). Для сварки материалов с высокой электропроводностью (медь, серебро и т. п.) применяют электроды из вольфрама и молибдена.

Электроды должны хорошо прилегать друг к другу по рабочим свариваемым поверхностям. Наличие дефектов на рабочих поверх­ностях деталей (риски, вмятины, раковины и т. п.) приводит к не­равномерному разогреву свариваемых участков деталей и обра­зованию негерметичного сварного шва в готовом изделии. Особое внимание следует уделять креплению электродов в электродержа­телях, так как при плохом креплении между ними возникает так называемое переходное сопротивление, которое приводит к разо­греву самих электрододержателей. Электроды должны быть строго соосны между собой. Отсутствие соосности электродов приводит к возникновению брака при сварке.

Качество сварки в большой степени зависит от выбранного электрического и временного режима. При малом значении сва­рочного тока выделяющаяся теплота оказывается недостаточной для нагрева деталей до температуры плавления свариваемых ме­таллов, в этом случае получается так называемый «непровар» де­талей. При большом значении сварочного тока выделяется слиш­ком большое количество теплоты, которое может расплавить не только место сварки, но и всю деталь, что связано с «пережогом» деталей и выплеском металла.

Большое значение имеет время прохождения сварочного тока через электроды и детали. Как только включается сварочный ток, в месте контакта начинается разогрев свариваемых деталей, при­чем точки плавления достигают только поверхностные слои метал­ла. Если в этот момент выключить ток, то получится непрочная сварка. Чтобы получить прочный сварной шов, необходимо время для образования расплавленного ядра по всей локальной площад­ке свариваемых деталей. Перегрев ядра расплавленного металла приводит к его разрастанию и выплеску металла наружу. В ре­зультате этого могут образовываться раковины, которые рез­ко снижают механическую прочность и герметичность сварных швов.

Перед проведением процесса электроконтактной сварки все де­тали корпусов интегральных схем подвергают тщательной обра­ботке (промывке, обезжириванию, травлению, зачистке и т. п.).

Качество сварки контролируют внешним осмотром и с помощью поперечных разрезов сваренных изделий. Основное внимание уде­ляется механической прочности и герметичности сварных швов.

Холодная сварка. Метод герметизации холодной сваркой широко используется в электронной промышленности. В тех случаях, когда при герметизации исходных деталей корпусов недопустим их на­грев и требуется высокая чистота процесса, применяют холодную сварку-сварку под давлением. Кроме того, холодная сварка обес­печивает прочное герметичное соединение наиболее часто исполь­зуемых разнородных металлов (меди, никеля, ковара и стали).

К недостаткам данного метода следует отнести наличие значи­тельной деформации деталей корпусов в месте соединения, что приводит к существенному изменению формы и габаритных разме­ров готовых изделий.

Изменение наружного диаметра корпуса прибора зависит от толщины исходных свариваемых деталей. Изменение наружного диаметра готового прибора после проведения процесса холодной сварки

где - толщина буртика верхней детали до сварки; - толщи­на буртика нижней детали до сварки.

Большое значение для проведения процесса холодной сварки имеет наличие на поверхности соединяемых деталей пленки оксида. Если эта пленка пластичная и более мягкая, чем основной металл, то под давлением она растекается во все стороны и утоньшается, разделяя тем самым чистые металлические поверхности, в резуль­тате чего сварка не происходит. Если оксидная пленка более хруп­кая и твердая, чем покрываемый ею металл, то под давлением она трескается, причем растрескивание происходит одинаково на обеих соединяемых деталях. Загрязнения, имевшиеся на поверхности пленки, оказываются упакованными с обеих сторон в своеобразные пакеты, прочно зажатые по краям. Дальнейшее увеличение давле­ния приводит к растеканию чистого металла к периферийным уча­сткам. Наибольшее растекание происходит в серединной плоскости образовавшегося шва, благодаря чему все пакеты с загрязнения­ми вытесняются наружу, а чистые поверхности металла, всту­пая в межатомные взаимодействия, прочно сцепляются друг с другом.

Таким образом, хрупкость и твердость-это основные качества оксидной пленки, обеспечивающие герметичное соединение. Так как у большинства металлов толщина покрытия оксидными плен­ками не превосходит 10 -7 см, детали из таких металлов перед сваркой никелируют или хромируют. Пленки никеля и хрома об­ладают достаточной твердостью и хрупкостью и, следовательно, значительно улучшают сварное соединение.

Перед проведением процесса холодной сварки все детали обез­жиривают, промывают и сушат. Для образования качественного соединения двух металлических деталей необходимо обеспечить достаточную деформацию, пластичность и чистоту свариваемых деталей.

Степень деформации К при холодной сварке должна находить­ся в пределах 75-85%:

,

где 2Н -суммарная толщина свариваемых деталей; t -толщина сварного шва.

Прочность сварного соединения

где Р - усилие разрыва; D - диаметр отпечатка выступа пуансо­на; Н - толщина одной из свариваемых деталей с наименьшим размером; -предел прочности на растяжение с наименьшим значением.

Для деталей корпусов при холодной сварке рекомендуются сле­дующие сочетания материалов: медь МБ-медь МБ, медь МБ-медь М1, медь МБ-сталь 10, сплав Н29К18 (ковар) -медь МБ, ковар-медь М1.

Критические давления, необходимые для пластической дефор­мации и холодной сварки, например для сочетания медь-медь, составляют 1,5*10 9 Н/м 2 , для сочетания медь - ковар они равны 2*10 9 Н/м 2 .

Герметизация пластмассой . Дорогостоящую герметизацию стек­лянных, металлостеклянных, металлокерамических и металлических корпусов в настоящее время успешно заменяют пластмассовой герметизацией. }В ряде случаев это повышает надежность приборов и ИМС, так как устраняется контакт полупроводникового кристал­ла с газовой средой, находящейся внутри корпуса.

Пластмассовая герметизация позволяет надежно изолировать кристалл от внешних воздействий и обеспечивает высокую механи­ческую и электрическую прочность конструкции. Для герметизации ИМС широко используют пластмассы на основе эпоксидных, крем-нийорганических и полиэфирных смол.

Основными методами герметизации являются заливка, обвола­кивание и опрессовка под давлением. При герметизации заливкой используют полые формы, в которые помещают полупроводниковые кристаллы с припаянными внешними выводами. Внутрь форм за­ливают пластмассу.

При герметизации приборов обволакиванием берут два (или более) вывода, изготовленных из ленточного или проволочного ма­териала, соединяют их между собой стеклянной или пластмассовой бусой и на один из выводов напаивают полупроводниковый кри­сталл, а к другому (другим) выводу присоединяют электрические контактные проводники. Полученную таким образом сборку герме­тизируют обволакиванием пластмассой.

Наиболее перспективным путем решения проблемы сборки и герметизации приборов является герметизация кристаллов с актив­ными элементами на металлической ленте с последующей гермети­зацией пластмассой. Преимущество этого метода герметизации со­стоит в возможности механизации и автоматизации процессов сбор­ки различных типов ИМС. Основным элементом конструкции пласт­массового корпуса является металлическая лента. Для выбора профиля металлической ленты необходимо исходить из размеров кристаллов, тепловых характеристик приборов, возможности мон­тажа готовых приборов на печатную плату электронной схемы, максимальной прочности на отрыв от корпуса, простоты конст­рукции.

Технологическая схема пластмассовой герметизации прибора включает в себя основные этапы планарной технологии. Присоеди­няют полупроводниковые кристаллы с активными элементами к металлической ленте, покрытой золотом, эвтектическим сплавле-нием золота с кремнием или обычной пайкой. Металлическую ленту изготовляют из ковара, меди, молибдена, стали, никеля.