Герметизація мікросхем (стр. 3 из 7)

У залежності від використовуваних матеріалів корпуси поділяються на металоскляні, скляні, металокерамічні, керамічні, металополімерні і полімерні.[5] Така класифікація враховує насамперед конструктивний матеріал, що використовується як механічна опора для закріплюваного кристалу (складального елементу), та матеріал, яким ізолюють виводи.[2]

Металоскляні корпуси складаються з металевої кришки і металевої основи, в яку, використовуючи ізолятори, впаяні виводи. В якості ізоляторів використовують скляні буси (при ізоляції кожного виводу окремо) або скло таблетки (при ізоляції групи виводів). Для забезпечення якісного металоскляного спаю підбирають матеріали таким чином, щоб температурні коефіцієнти лінійного розширення скла і металу були однаковими або близькими.

В металокерамічних корпусах дно і кришку формують із металу, а основу – із кераміки, яка в даному випадку виконує функцію підкладки. В керамічних корпусах в якості підкладки використовується не тільки основа, але і кришка. Розділяються вони між собою керамічною рамкою. Герметизація корпусу здійснюється або склоемаллю, або склоприпоєм, або клеєм. Металополімерні корпуси складаються зазвичай із металевої капсули (дна), в яку встановлюється плата. Ізоляція виводів і герметизація корпусу здійснюється заливкою компаундом. В полімерних (пластмасових) корпусах виводи впресовані в основу із полімеру, а кришка виготовляється, як правило із такого ж матеріалу, що і основа, і приклеюється до неї. До пластмасових корпусів відносяться також корпуси, які не мають ні кришки, ні основи. Герметизація мікросхеми і виготовлення корпусу в даному випадку відбувається одночасно.

Крім перечислених різновидів корпусів, на практиці зустрічаються також кераміко-полімерні, кераміко-скляні та ін.

Загерметизований корпус утворює замкнений об’єм, в якому розміщують кристал (складальний елемент) і з’єднувальні з внутрішніми контактними площинками корпусу провідники. Застосовують також балкові або стовпчикові виводи для з’єднання контактних площинок ІМС із контактними площинками корпусу. За способом герметизації корпуси ІМС поділяють на зварювані, паяні та герметизовані склоприпоєм. Широко застосовують герметизацію корпусів паянням припоєм, що складається з 80% Au та 20% Sn, за температури 570 К або склоприпоєм із температурою складання ІМС (673-703) К. Цими способами створюють з’єднання, які задовольняють умови герметичності щодо витікання гелію

[2], забезпечують високий відсоток виходу придатних ІМС та їх продуктивність.

Не дивлячись на хорошу якість герметизації мікросхеми в робочому металокерамічному або металосклянному корпусах неможливо забезпечити імовірність порушення герметичності (у виді тріщин в склі або поганого спаю діелектрика з металом) нижчу, ніж імовірність відказу самої мікросхеми. Нагадаємо, що інтенсивність відказів мікросхем має порядок

[4]. Пластмасові корпуси типу використовують для масових серій ІМС із малою розсіюваною потужністю. Вони працюють за нормальної та низької вологості в обмеженому діапазоні температур. До того ж слід відмітити, що якість герметизації мікросхем в пластмасовому і металополімерному корпусах взагалі незадовільна, так як полімерні матеріали, наприклад погано протистоять проникненню вологи [6]. Найнадійнішими є керамічні корпуси [2], однак через велику кількість виводів вони мають обмежену провідність, що знижує швидкодію ІМС, до того ж вони досить високовартісні.

Конструкція скляного корпусу показана на рис 2.3. Такий корпус забезпечує добру електричну ізоляцію і має невисоку вартість, але погану теплопровідність і низьку механічну міцність [3]. Тому їх виготовляють якомога менших розмірів. Герметизація цих корпусів здійснюється шляхом спаювання через шар легкоплавкого скла чи металізації.

Рис 2.3 Конструкція скляного корпусу[3]:

1 – відвід зовнішній;

2 – рамка;

3 – скляна або металічна кришка;

4 – скляна основа.

Хорошу електроізоляцію забезпечують керамічні корпуси, які виготовляють з алюмокераміки чи кераміки на основі оксиду берилію. Деталі конструкції плоского керамічного корпусу показані на рис 2.4. Для герметизацій великих інтегральних схем ВІС використовують керамічні корпуси типу DIP із дворядним розташуванням відводів. Після монтажу кристалу по периметру основи і кришки корпусу трафаретним друком наноситься скляна суспензія, яка складається з

. Після сушіння нанесеного шару проводиться суміщення корпусу і його запаювання. Такий корпус відзначається досить високою міцністю і низькою вартістю [3].

Рис 2.4 Деталі конструкції керамічного корпусу[3]:

1 – тришарова керамічна плата;

2 – відвід;

3 – металеве кільце;

4 – металізація.

Для герметизації мікросхем використовують також пластмасові корпуси, які виготовляються гарячим пресуванням з преспорошку марки К-124-38 або полістиролу. Кришка закріплюється до корпусу з допомогою клею. При усадці клею в процесі затвердіння забезпечується стягування і щільний притиск з’єднувальних деталей. Корпуси з шовно-клеймовими з’єднаннями найпростіші і найдешевші, але мікросхеми в таких корпусах можуть працювати лише в нормальних умовах експлуатації [3].

Велике значення для підвищення надійності ІМС і мікроелектронної апаратури має стандартизація конструкції корпусів. Державний стандарт визначає вимоги до форм і розмірів корпусів та мікросхем. Використовують корпуси п’яти форм. Корпус першого типу має прямокутну форму з виводами, перпендикулярними до площини їх кріплення (Рис 2.5, а), корпус другого типу – прямокутну форму з прямокутними виводами (Рис 2.5, б), корпус третього типу – круглу форму з круглими виводами (Рис 2.5, в), корпус четвертого типу – прямокутну форму з виводами, розташованими паралельно верхній та нижній площинам (Рис 2.5, г). Корпуси п’ятого типу – це плоскі «безвивідні корпуси» (Рис 2.5, д). Електричне з’єднання ІМС, змонтованої в такому корпусі, здійснюють за допомогою металізованих контактних площинок, які розташовують по периметру корпусу.

Рис 2.5 Ескізи конструкцій корпусів [1]:

1 – корпус першого типу;

2 – корпус другого типу;

3 – корпус третього типу;

4 – корпус четвертого типу;

5 – корпус п’ятого типу.

Для сучасних ВІС і НВІС потрібні корпуси з кількістю виводів більше 300, здатні розсіювати потужність до 60 Вт. Збільшення кількості виводів погіршує малогабаритні характеристики ІМС. Так, 64-вивідний корпус типу DIP має розміри

, масу 12 г, опір виводів 1 Ом, індуктивність виводів 5 нГ, ємність між виводами 5 пФ, тепловий опір кристал – навколишнє середовище 36 . У цьому корпусі кристал займає лише 4-7% загальної площі [2], а паразитні параметри значно знижують швидкодію ВІС. Нині розроблення корпусів для ВІС та НВІС стало так само важливим, як і розроблення власне НВІС.

Кристалоносії (КРН) – квадратні або прямокутні корпуси, які мають J-подібні виводи, розміщені з чотирьох сторін, і призначені для технології поверхневого монтажу кристалоносіїв ТПМК. За внутрішньою структурою та використовуваними матеріалами КРН не відрізняються від корпусів DIP. Одним із різновидів КРН є кристалоносії з виводами у вигляді контактних площинок, розміщених на бічних сторонах корпусу. Ці корпуси називають безвивідними. Безвивідні КРН займають на платі площу в 6 разів меншу, а їхня маса в 10 разів менша за масу корпусів DIP. Корпуси КРН є найпоширенішими для спеціального застосування НВІС. Вони призначені для безпосереднього монтажу на поверхню паянням або для установлення на панельки. Складаючи НВІС з кількістю виводів понад 100, КРН замінюють матричними корпусами (МК). Штиркові виводи або контактні площинки розміщені на основі кристалоносію із кроком 2, 5 мм у вигляді матриці виводів, завдяки чому при однаковій кількості виводів основа кристалоносію за площею менша від площі КРН. Матричні корпуси є найпридатнішими для НВІС з кількістю виводів 300 та більше [2].

Стандартні корпуси для герметизації напівпровідникових інтегральних мікросхем мають круглу (модифікований варіант корпусу транзистора) або прямокутну форму. Для гібридних інтегральних мікросхем найчастіше використовуються квадратні і прямокутні корпуси чи корпуси типу «пенал» з відводами, перпендикулярними або паралельними до площини основи корпусу.

Круглі корпуси типу ТО-5 відзначаються високою надійністю, перевіреною протягом тривалого часу зберігання і експлуатації. Корпус ТО-5 має невеликі розміри (діаметр 9.6 мм, висоту 4.6 мм), а кількість відводів – до 12. Кришка корпусу металічна. У випадку застосування круглих корпусів, зварювання кришки до основи здійснюються в основному холодним або електроконтактним способом. Недоліком таких корпусів є невисокий коефіцієнт заповнення об’єму [3].