Министерство образование и науки Российской
Федерации
ФБГОУ Воронежский Государственный университет
Физический факультет
Кафедра физики полупроводников и микроэлектроники
КУРСОВАЯ РАБОТА
Тема «Герметизация полупроводниковых
приборов и ИМС»
Выполнил: студент 3 курса СПО
Воробьёв Д.Г.
Принял: к.ф.м.н. доцент
Меньшикова Т.Г.
Воронеж 2013
Герметизация полупроводниковых
приборов и ИМС
ВВЕДЕНИЕ
Технология производства полупроводниковых
приборов – это техническая наука, занимающаяся
изучением физико химических основ
технологических процессов производства
электронных приборов и закономерностей,
действующих в процессе изготовления
этих изделий.
Использование результатов исследований
фундаментальных наук и доведение их до
инженерного решения применительно
к производству изделий электронной техники
позволяют разрабатывать новые технологические
процессы для серийного и массового изготовления.
Развитие прикладных наук в области получения
чистых и сверхчистых материалов, нанесения
покрытий, соединения различных материалов,
электрофизических и электрохимических
методов обработки способствовали
совершенствованию полупроводниковой
и плёночной технологии, особенно при
производстве микросхем.
Повышение качеств изделий требует высокой
технологической точности и дисциплины
производства, своевременного анализа
и корректировки технологического процесса,
построения оптимального технологического
процесса. Повышению качеств и стабильности
технологических процессов, обеспечивающих
массовое производство изделий с воспроизводимыми
параметрами, способствует внедрение
автоматизированных систем управления
с полным исключением человека-оператора
и его субъективного влияния на ход технологического
процесса.
Создание высокопроизводительных машин
и автоматических линий требует знания
основ технологии производства, современных
методов изготовления деталей и узлов,
нанесения покрытий, получение электронно-дырочных
переходов, сборки
приборов и микросхем и т.п. Производство
изделий электроники состоит из нескольких
этапов, в результате проведения которых
материалы превращаются в готовые изделия.
Производственный процесс в электронном
приборостроении состоит из: технологической
подготовки производства; получения и
хранения материалов и полуфабрикатов;
технологического процесса изготовления
деталей, сборки изделий; испытания готовых
изделий; упаковки и хранения готовых
изделий. Технологический процесс является
той частью производственного процесса,
во время которого непосредственно происходит
последовательное качественное
изменение состояние продукта производства.
Проектирование технологического процесса
ставит своей целью получение высококачественных
изделий электронной техники, отвечающих
техническим условиям и чертежам при высокой
производительности и экономичности.
Для защиты кристаллов полупроводниковых
приборов и интегральных микросхем,
кристаллов и подложек гибридных микросхем
от воздействий внешней среды, стабилизации
параметров, повышения срока службы и
надёжности осуществляют герметизацию
в металлических, металлостеклянных, керамических,
металлокерамических и пластмассовых
корпусах. В отдельных случаях, особенно
при защите активных и пассивных элементов
гибридных микросхем, производят бескорпусную
герметизацию. Наряду с защитой полупроводниковых
приборов и микросхем помещением
их в
корпус применяют герметизацию полимерными
оболочками. Разработка эффективных способов
пассивации поверхности полупроводников
плёнками неорганических диэлектриков
(оксидов, нитридов, легкоплавких стёкол
и др.), а так же различных полимерных компаундов
и пресс порошков, обладающих высокими
защитными свойствами, позволила широко
использовать этот метод в производстве
полупроводниковых приборов и микросхем.
Герметизация приборов и микросхем полимерными
оболочками требует гораздо меньших
(в 2-4 раза) затрат, чем помещение их
в металлические, стеклянные и металлокерамические,
металлостеклянные и другие корпуса,
и обеспечивает высокую механическую
прочность и большую стойкость к вибрациям
и ударам. Кроме того, использование полимерных
оболочек позволяет получать полупроводниковые
приборы с малым отношением объёма
прибора к объёму его активной части.
Для герметизации полупроводниковых
приборов и микросхем используют полимерные
материалы на основе эпоксидных, кремнийорганических
и полиэфирных смол,
которые должны:
· быть механически прочными,
выдержать определённые ударные
нагрузки, вибрацию и ускорение,
а так же обладать термостойкостью в диапазоне
от –60 до +150 С;
· обладать высокими диэлектрическими
свойствами (малыми
диэлектрическими потерями,
высокими удельным сопротивлением и электрической
прочностью);
· быть химически стойкими к
воздействию различных химических
реактивов, применяемых при
сборке приборов;
· не содержать примесей, ухудшающих
параметры приборов;
· легко поддаваться формовке
и иметь малую усадку при отверждении;
· быть дешевым;
· обеспечивать товарный вид
изделия.
Стабильность параметров и надежность
полупроводниковых приборов, герметизированных
полумерами, определяются изменениями,
которые происходят на поверхности полупроводника
при проникновении влаги через полимерную
оболочку, а также наличием примесей в
полимерном материале и внутренним механическими
напряжениями, возникающие в герметизирующем
слое. Внутренние механические напряжения,
возникающие в полимерной оболочке, обусловленные
усадкой материала при отверждении
и разностью значений коэффициентов температурного
расширения полимера и полупроводникового
материала, соответственно делит на усадочные
и термические.
Усадка полимера при отверждении происходит
вследствие испарения растворителя, если
оболочку получают из раствора, или
уплотнения, если отверждение происходит
полимеризацией. Так, как в процессе усадки
объём оболочки
уменьшается, в ней могут возникнуть
только напряжения растяжения. При охлаждении
системы полупроводник–полимер, отверждённой
при высокой температуре, возникают термические
напряжения, также являющиеся напряжениями
натяжения. Внутреннее механическое напряжения
могут вызвать растрескивание и отслаивание
полимерной оболочки от полупроводникового
кристалла, то есть нарушение герметичности,
возникновение механических напряжений
в полупроводниковом кристалле, существенно
влияющих на электрические характеристики
p-n-переходов, нарушение монтажных межсоединений
внутри полимерной оболочки и повышение
её газо - и влагопроницаемости.
Так как при длительной работе полупроводниковых
приборов в полимерном материале могут
протекать процессы старения, сопровождающиеся
изменением его пластичности и прочности,
необходимо использовать полимерные материалы,
сохраняющие работоспособность в течение
длительного времени. Чтобы обеспечить
достаточную работоспособность полимерных
оболочек и максимально уменьшить внутренние
напряжения, необходимо процесс отверждения
проводить при строго
контролируемой температуре в наиболее
благоприятном диапазоне.
Состояние и свойства
поверхности полупроводников.
Электрические параметры полупроводников,
а также их способность работать
в течение длительного времени во многом
зависит от состояния и степени чистоты
поверхности полупроводника, поэтому
перед герметизацией полупроводникового
прибора необходимо произвести
очистку поверхности изделия. Электрические
свойства поверхности полупроводника
отличаются от электрических свойств
его объёма, так как поверхностные атомы
имеют свободные валентные связи, образующиеся
в результате разрыва кристаллической
решётки. Состояние поверхности полупроводника
зависит от механических, физических и
химических
методов обработки, а так
же от условий окружающей среды. При механической
и физической обработке образуется слой
с нарушенной кристаллической решеткой,
и поверхность становится шероховатой,
загрязняется, а при химической она покрывается
оксидной плёнкой, толщина которой зависит
от применяемых реактивов и режимов обработки,
и загрязняется присутствующими в реактивах
примесями. Под воздействием окружающей
среды электрические свойства незащищённой
поверхности полупроводника изменяются,
увеличивается толщина оксидных пленок,
и она дополнительно загрязняется. Загрязнения,
попадающие на поверхность полупроводника
из окружающей среды, а также при взаимодействии
с технологическими средами и химическими
реактивами, ухудшают и вызывают дрейф
характеристик полупроводниковых приборов.
Особенно опасны загрязнения поверхности
интегральных схем, на единице площади
которых расположено большое количество
полупроводниковых элементов. Так, загрязнение
даже одного микроучастка может
вывести из строя всю микросхему.
Очистка поверхности полупроводника
и её защита от внешних атмосферных воздействий
являются сложными технологическими процессами.
Различают загрязненную, чистую и атомарно
чистую поверхности. Загрязнённая поверхность
требует очистки. Чистой считается
поверхность, на которой остаются допустимое
количество загрязнений, а атомарно-чистой
– на которой отсутствуют какие либо
посторонние вещества. Предъявляемые
на различных этапах изготовления полупроводниковых
приборов и микросхем требования
к чистоте поверхности неодинаковы.
Поверхность, чистая для одной операции,
может оказаться недопустимо грязной
для другой.
Источниками загрязнения поверхности
полупроводниковых пластин, кристаллов
являются: абразивные, смазочные и клеящие
материалы, используемые при механической
обработке; пыль, водяные пары, пары масел,
попадающие из атмосферы производственных
помещений; технологические среды (газы,
вода, химические реактивы), в которых
обрабатываются полупроводники, а
также инструмент, оснастки, тара для переноса
и хранения, с которыми они соприкасаются;
материалы покрытий для защиты герметизации
полупроводниковых приборов. Продукты
дыхания, отпечатки пальцев, кремы, пудры,
аэрозоли также загрязняют поверхность.
Поверхностные загрязнения можно разделить
на молекулярные, ионные и атомарные.
К молекулярным относятся
органические (натуральные и синтетические
воски,
смолы, масла, жир, остатки фоторезистов,
растворителей и др.) и механические
(пыль, абразивные частицы,
ворсинки, частицы металлов, полупроводников,
кварца и других технологических
материалов) загрязнения, плёнки химических
соединений (оксидов, сульфидов,
нитридов и др.), образующиеся при химической
и термической обработке
полупроводниковых пластин и их хранении,
а также
газы и пары. Молекулярные загрязнения
закрепляются на поверхности полупроводника
статически. Исключение составляют
плёнки химических соединений, имеющие
прочную химическую связь с поверхностью
полупроводника. Молекулярные загрязнения
вызывают брак. Так при выращивании эпитаксиальных
слоёв из-за
микроскопических молекулярных
загрязнений образуются дефекты кристаллической
решётки. Остатки молекулярных загрязнений
снижают качество фотолитографической
обработки и вызывают быстрый износ фотошаблонов.
Нерастворимые в воде органические
загрязнения делают поверхность гидрофобной,
что препятствует её очистки от ионных
и атомарных примесей,
поэтому их удаление должно
быть первым этапом очистки.
К ионным загрязнениям относятся
растворимые в воде соли, кислоты и основания,
которые осаждаются на поверхности
пластин из травильных и моющих растворов.
Особое вредное воздействие
оказывают ионы щелочных металлов, которые
при
повышении температуры или
под воздействием электрического поля
могут
перемещаться по поверхности,
что при водит к изменениям электрических
характеристик полупроводниковых
приборов и в некоторых случаях к выходу
их из
строя. Ионные загрязнения адсорбируются
на поверхности, образуя с ней
физическую и химическую связь.
К атомарным загрязнениям относят
атомы тяжёлых металлов (золота, серебра,
меди, железа), осаждающиеся
на поверхность полупроводников в
виде
металлических микрозародышей
из химических реактивов. Атомарные загрязнения
влияют на время жизни неосновных
носителей заряда в полупроводнике,
поверхностную проводимость
и другие электрофизические параметры
полупроводниковых материалов.
ГЕРМЕТИЗАЦИЯ КОРПУСОВ КОНТАКТНОЙ
РОЛИКОВОЙ СВАРКОЙ
Роликовая(шовная) электросварка является
разновидностью контактной и применяется
для герметизации прямоугольных корпусов
ИМС на полуавтоматах ПГРС, предназначенного
для герметизации корпусов ИМС с размерами
сторон от 3,8 до 40 мм (с разницей между продольной
и поперечной сторонами не более 12 мм).
При работе полуавтомата поддерживаются
заданный режим герметизации: частота
повторения сварочных импульсов; сварочный
ток и выходное напряжение; усилие прижатия
сварочных роликов к изделию; заданное
расстояние между роликами для сварки
продольных и поперечных сторон корпусов.
Полуавтомат выполнен в виде металлического
стола, на столешнице которого в средней
части сварочная головка с роликами, по
сторонам от неё – блоки управления, а
в тумбах – электрооборудование.
Сварочная головка (рис. 39) приводится
в действие двумя электродвигателями:
один перемещает каретку 12 вперёд – назад,
а другой столик 11, на котором закрепляют
герметизируемый корпус 10. Каретка приводится
в действие от электродвигателя через
сменную пару цилиндрических шестерен,
ходовой винт с трапецеидальной резьбой
и ролик, находящийся в зацеплении с ходовым
винтом. Столик приводится в действие
электродвигателем через муфту, поводок,
мальтийский механизм, пару зубчатых конических
шестерен и штифты. Для фиксации герметизируемых
корпусов(крышки к основанию) служит рычаг
ножевого типа, расположенный над столиком
и приводимый в действие упорами при движении
каретки.
Сварочные ролики 5 могут перемещаться
по горизонтали и вертикали, создавая
требуемое усилие сжатия свариваемых
деталей. Настройка роликов для сварки
продольных и поперечных сторон корпуса
(перемещения по горизонтали) производится
индивидуально для каждого ролика соответственно
при вращении одной из четырёх ручек 3
и 7 или 4 и 6, расположенных на пульте управления.
Вращением двух винтов 2 и 8 регулируют
независимо друг от друга положение сварочных
роликов по высоте (перемещение по вертикали).
Натяжение или ослаблением пружин, которое
выполняют, вращая ручки 1 и 9 на пульте,
изменяют усилие прижима роликов к свариваемому
корпусу.