Полупроводниковые резисторы и диоды – двухэлектродные приборы.

Транзисторы – трехэлектродные.

Тиристоры – могут быть как двух, так и трехэлектродными.

В полупроводниковых резисторах используются однородные (изо­тропные) полупроводники - материалы.

В полупроводниках диодах используют полупроводники с различными типами электропроводности, образующие один p-n переход.

В биполярных транзисторах полупроводники с различными типами проводимости образуют два p-n перехода. В полевых – один, в тиристорах 3 и более p-n переходов.

Полупроводниковые резисторы – это полупроводниковые приборы с двумя выводами, в которых электрическое сопротивление полупроводни­ка зависит от напряжения. Полупроводниковые резисторы изготавли­вают из полупроводников, равномерно легированных примесями.

Линейный резистор, в котором используется слаболегиро­ванный кремний или арсенид галлия. R=const в широком диапазоне изменений напряжений и токов. Используют в ИМС.

Варистор – полупроводниковый резистор с нелинейной симметричной БАХ. Изготавливают из кристаллического карбида кремния, смешанного с глиной. Применяют в целях защиты от перенапряжений.

Терморезисторы (позисторы – с ростом t° растет R)

(термисторы – с ростом t падает R)

– полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от t° термисторы изготавливают из полупроводниковых материалов с электронной электропроводностью – окислов металлов.

Позисторы изготавливают из титан бариевой керамики с примесью редкоземельных элементов. Применяют в систе­мах регулирования температуры, тепловой защиты, противопожарной сигнализации.

Тензорезистор – полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит oт линейной деформации рабочего тела. Материалом при изготовлении служит кремний p и n - ти­пов, применяют для измерения деформации твердых тел.

Фоторезистор - полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется под действием лучи­стой энергии. В качестве материала для фоторезистора используют селен, сернистый таллий, сернистый свинец, сернистый кадмий и др. полупроводники с n - проводимостью. Фоторезисторы обладают высокой интегральной чувствительностью и применяются в устройствах автоматики и телемеханики.

Полупроводниковые диоды - полупроводниковые приборы с одyим p-n переходом и двумя выводами делятся на два класса: точечные и пло­скостные. По способу внесения примесей: сплавные и диффузные.

1) Выпрямительный диод используется для выпрямления переменных токов и напряжений.

Основные параметры:

1) прямой ток диодаI пр (при U пр =l2B)

2) max допустимый ток диода I пр. max .

3) max допустимое обратное напряжение U обр. max .

4) обратный ток диода I обр. (при U обр. max .) Большинство диодов могут надежно работать при U обр.  0,70,8U проб. .

2) Стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Используют для стабилизации напряжения. Материал изготовления – кремний.

Основные параметры:

1) стабилизирующее напряжение U ст. (11000 В)

2) динамическое сопротивление на участке стабилизации

R=dU ст. /dI ст.  (0,5200 const)

3) min ток стабилитрона I ст. min 

4) max ток стабилитрона I ст. max 

5) температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации

TKU = dU­ ст. /dT100% (-0,5+0,2)% / °С.

Стабилитроны можно включать только последовательно друг с другом, при этом

U ст. = U­ ст. 1 + U ст. 2 + … + U ст. n .

Параллельное соединение не допустимо, т.к. из-за не идентичности ха­рактеристик возможен перегрев одного из стабилитронов.

3) Туннельный диод (1)(рассмотрен ранее)

Основные характеристики:

1) ток пика I n 100 мА)

2) ток впадины I в  (...)

3) отношение I n /I в 520

4) Обращенный диод – разновидность туннельного I n .0. Используется обратная ветвь. Применяют в импульсных устройствах, в преобразователях сигналов (смесителях и детекторах) в радиотехнических устройствах.

5)Варикап – полупроводниковый прибор, использующий зависимость емкости p-n перехода от обратного напряжения. Используется как элемент с электрически управляемой ем­костью (материал – кремний) а также в системах дистанционного управления и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов. Основные параметры:

1) общая емкость варикапа Св приU обр. =25 В.

2) коэффициент перекрытия по емкости Кс=520

– фотодиод

– светодиод

– фотоэлемент

Тиристор (теория в лаб. работе).

Транзисторы

биполярные

Биполярные транзисторы

Транзистор - электропреобразовательный полупроводниковый прибор, служащий для преобразования электрических величин. Наиболее распро­странены транзисторы с двумя p-n переходами. Эти транзисторы на­зывают биполярными, т.к. их работа основана на использовании носите­лей заряда обоих знаков. Первые транзисторы были точечными. Они ра­ботали не достаточно устойчиво. В настоящее время изготовляются и применяются исключительно плоскостные транзисторы.

Устройство биполярного транзистора. Средняя об­ласть называется Базой (Б), две крайние – Эмиттер (Э) и Коллектор (К). Пластинка по­лупроводника (Ge или Si) в которой созданы три области Э, Б, К. В транзисторе два p-n перехода: Эмиттерный (между Э Б) и Коллекторный (между Б и К). Область базы должна быть очень тонкой – это условие хорошей работы транзистора. Концентра­ция примесей в ^азе значительно меньше, чем в Э и К. Стрелка эмиттера показывает условное направление тока (от «+» к «–») при прямом на­пряжении.

Транзистор может работать в одном из трех режимов:

«А» => активном – на Э напряжение прямое, на К – обратное

«В» => отсечки (запирания) – на оба перехода подается U обр.

«С» => насыщение – на оба перехода подается U прямое.

Активный режим (режим линейный) – основной (A) он используется в большинстве усилителей и генераторов. Режимы отсечки (В) и насыщения (С) характерны для импульсной работы транзистора.

В схемах с транзисторами образуются две цепи:

– входная или управляющая – служит для управления работой транзи­стора и подключения источника усиливаемых колебаний;

– выходная или управляемая – служит для получения усиленных сигналов и подключения нагрузки.

Схемы включения биполярных транзисторов.

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.

Полупроводниковые приборы имеют в большинстве случаев гибкие выводы. Поэтому их включают в схему путем припайки. Пайку выводов производят на расстоянии не менее 10 мм от корпуса полупроводникового прибора (от вершины изолятора) с помощью низкотемпературного припоя. Изгиб выводов допускается на расстоянии не менее 3 - 5 мм от корпуса (рис. 90). Процесс пайки должен быть кратковременным (не более 10 сек). Мощность паяльника не должна превышать 50-60 Вт. Припаиваемый вывод плотно зажимают плоскогубцами. Плоскогубцы в данном случае играют роль теплоотвода. Необходимо следить за тем, чтобы нагретый паяльник даже на короткое время не прикасался к корпусу полупроводникового прибора. Капли припоя также не должны на него попадать.

Во избежание перегрева полупроводниковых приборов не следует располагать их вблизи силовых трансформаторов, электронных ламп и других излучающих тепло деталей аппаратуры. Желательно снижать рабочую температуру прибора. Если она будет на 10°С ниже предельной, то число отказов снижается вдвое. Крепление полупроводниковых приборов на выводах не рекомендуется, особенно если аппаратура может находиться в условиях вибрации. Рабочие напряжения, токи и мощности должны быть ниже предельных величин.

Срок службы диодов удлиняется, если их эксплуатировать при обратных напряжениях не свыше 80% предельно допустимых.

Нельзя допускать короткого замыкания выпрямителя на полупроводниковых диодах (испытания «на искру»). Это может привести к повреждению диодов. Полупроводниковый диод может быть поврежден, если на него включить напряжение в пропускном направлении (даже от одного аккумуляторного элемента) без последовательно включенного ограничительного сопротивления.

Транзисторы не должны даже короткое время работать с отключенной базой. При включении источников питания вывод базы транзистора должен присоединяться первым (при отключении - последним).

Нельзя использовать транзисторы в режиме, когда одновременно достигаются два предельных параметра (например, предельно допустимое напряжение коллектора и одновременно предельно допустимая рассеиваемая им мощность).

Срок службы транзистора удлиняется и надежность его работы увеличивается, если при его эксплуатации напряжение коллектора не превышает 80% предельно допустимой величины.

При работе транзистора в условиях повышенных температур нужно обязательно снижать рассеиваемую мощность и напряжение на коллекторе.

Необходимо следить за тем, чтобы подаваемое на транзистор питающее напряжение было правильной полярности (например, нельзя включать положительный полюс напряжения на коллектор транзистора p-n-p-типа или отрицательный на коллектор транзистора n-p-n-типа). Чтобы по указанной причине транзистор не пришел в негодность при установке его в схему, нужно твердо знать, какого он типа: p-n-p или n-p-n.

Если необходимо удалить транзистор из схемы (или включить его в схему), нужно предварительно выключить питание схемы.

Электрический монтаж радиокомпонентов должен обеспечивать надежную работу аппаратуры, приборов и систем в условиях механических и климатических воздействий, указанных в ТУ на данный вид РЭА. Поэтому при монтаже полупроводниковых приборов (ПП), интегральных схем (ИС) радиокомпонентов на печатные платы или шасси аппаратуры должны соблюдаться следующие условия:

• надежный контакт корпуса мощного ПП с теплоотводом (радиатором) или шасси;
• необходимая конвекция воздуха у радиаторов и элементов, выделяющих большое количество теплоты;

• удаление полупроводниковых элементов от элементов схемы, выделяющих при работе значительное количество теплоты;
• защита монтажа, расположенного вблизи съемных элементов, от механических повреждений при эксплуатации;
• в процессе подготовки и проведения электрического монтажа ПП и ИС механические и климатические воздействия на них не должны превышать значений, указанных в ТУ;
• при рихтовке, формовке и обрезке выводов ПП и ИС участок вывода около корпуса должен быть закреплен так, чтобы в проводнике не возникали изгибающие или растягивающие усилия. Оснастка и приспособления для формовки выводов должны быть заземлены;
• расстояние от корпуса ПП или ИС до начала изгиба вывода должно быть не менее 2 мм, а радиус изгиба при диаметре вывода до 0,5 мм - 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.

В процессе монтажа, транспортировки и хранения ПП и ИС (особенно полупроводниковых приборов СВЧ) необходимо обеспечивать их защиту от воздействия статического электричества. Для этого все монтажное оборудование, инструменты, контрольно-измерительную аппаратуру надежно заземляют. Чтобы снять статическое электричество с тела электромонтажника, пользуются заземляющими браслетами и специальной одеждой.

Для отвода теплоты участок вывода между корпусом ПП (или ИС) и местом пайки зажимают специальным пинцетом (теплоотводом). Если температура припоя не превышает 533 К ± 5 К (270 °С), а время пайки не более 3 с, пайку выводов ПП (или ИС) производят без теплоотвода или применяют групповую пайку (волной припоя, погружением в расплавленный припой или др.).

Очистку печатных плат (или панелей) от остатков флюса после пайки производят растворителями, которые не влияют на маркировку и материал корпусов ПП (или ИС).

При установке ИС с жесткими радиальными выводами в металлизированные отверстия печатной платы выступающая часть выводов над поверхностью платы в местах пайки должна быть 0,5-1,5 мм. Монтаж ИС этим способом производят после подрезки выводов (рис. 55). Для облегчения демонтажа установку ИС на печатные платы рекомендуется производить с зазорами между их корпусами.

Рис. 55. Формовка жестких радиальных выводов ИС:
1 - отформованные выводы, 2 - выводы перед формовкой

Интегральные схемы в корпусах с мягкими планарными выводами устанавливают на контактные площадки платы без монтажных отверстий. В этом случае их расположение на плате определяется формой контактных площадок (рис. 56).

Рис. 56. Монтаж ИС с плоскими (планарными) выводами на печатную плату:
1 - контактная площадка с ключом, 2 - корпус, 3 - плата, 4 - вывод

Примеры формовки ИС с планарными выводами приведены на рис. 57.

Рис. 57. Формовка плоских (планарных) выводов ИС при установке на плату без зазора (я), с зазором (б)

Установка и крепление ПП и И С, а также навесных радиокомпонентов па печатные платы должны обеспечивать доступ к ним и возможность их замены. Для охлаждения ИС их следует располагать на печатных платах с учетом движения воздушного потока вдоль их корпусов.

Для электрического монтажа ПП и малогабаритных радиокомпонентов сначала их устанавливают на монтажную арматуру (лепестки, штыри и т. п.) и механически закрепляют на ней выводы. Для пайки монтажного соединения применяют бескислотный флюс, остатки которого после пайки удаляют.

Радиокомпоненты к монтажной арматуре крепят либо механически на собственных выводах, либо дополнительно хомутом, скобой, держателем, заливкой компаундом, мастикой, клеем и др. При этом радиокомпоненты закрепляют так, чтобы они не смещались при вибрации и ударах (тряске). Рекомендуемые виды крепления радиокомпонентов (сопротивлений, конденсаторов, диодов, транзисторов) показаны на рис. 58.

Рис. 58. Установка радиокомпонентов на монтажную арматуру:
а, б - резисторов (конденсаторов) с плоскими и круглыми выводами, в - конденсатора ЭТО, г - диодов Д219, Д220, д - мощного диода Д202, е - триодов МП-14, МП-16, ж - мощного триода П4; 1 - корпус, 2 - лепесток, 3 - вывод, 4 - радиатор, 5 - провода, 6 - изоляционная трубка

Механическое крепление выводов радиокомпонентов на монтажной арматуре производится загибкой или скруткой их вокруг арматуры с последующим обжатием. При этом излом вывода при обжатии не допускается. При наличии в контактной стойке или лепестке отверстия вывод радиокомпонента перед пайкой механически закрепляют, продевая его через отверстие и огибая на половину или целый оборот вокруг лепестка или стойки с последующим обжатием. Излишек вывода при этом удаляют боковыми кусачками, а место крепления обжимают плоскогубцами.

Как правило, способы установки радиокомпонентов и крепления их выводов оговариваются в сборочном чертеже на изделие.

Для уменьшения расстояния между радиокомпонентом и шасси на их корпуса или выводы надевают изоляционные трубки, диаметр которых равен или несколько меньше диаметра радиокомпонента. В этом случае радиокомпоненты располагают вплотную друг к другу или к шасси. Изоляционные трубки, надеваемые на выводы радиокомпонентов, исключают возможность замыкания с соседними токопроводящими элементами.

Длина монтажных выводов от места пайки до корпуса радиокомпоиента приводится в ТУ и, как правило, оговаривается в чертеже: для дискретных радиокомпонеитов она должна быть не менее 8 мм, а для ПП - не менее 15 мм. Длина вывода от корпуса до изгиба радиокомпонента также оговаривается в чертеже: она должна быть не менее 3 мм. Выводы радиокомпонентов изгибают шаблоном, приспособлением или специальным инструментом. Причем внутренний радиус изгиба должен быть не меньше удвоенного диаметра или толщины вывода. Жесткие выводы радиокомпонентов (сопротивлений ПЭВ и т. п.) при монтаже отгибать не разрешается.

Радиокомпоненты, подбираемые при настройке или регулировке прибора, следует подпаивать без механического закрепления на полную длину своих выводов. После подбора их номиналов и регулировки прибора радиокомпоненты должны быть подпаяны к опорным точкам с механическим закреплением выводов.

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.