Герметизация полупроводниковых приборов и ИМС

Механизмы привода сварочной головки связаны кинематически так, что при повороте столика на 90⁰ одновременно с помощью кулачков и осей, перемещающихся в пазах рычагов, происходит автоматическая установка заданных расстояний между сварочными роликами для герметизации продольных и поперечных сторон корпуса. В рабочем состоянии сварочная головка автоматически выдаёт сигналы на начало и окончание работы блока питания при герметизации корпуса. Момент включения и выключения блока питания устанавливают, вращая соответствующие ручки на пульте управления.

После завершения очередного цикла сварки полуавтомат включают нажатием педали. Герметизировать корпуса можно на воздухе или в среде инертного газа, для чего полуавтомат оборудован автоматической системой его подачи к месту сварки.

Система электрооборудования полуавтомата предусматривает два варианта подключения к сварочному трансформатору: питание подают непосредственно на ролики и последовательно на ролики и столик.

При герметизации оператор укладывают корпус ИМС с предварительно прихваченной крышкой в гнездо поворотного столика каретки сварочной головки. После нажатия на педаль поворотный столик начинает автоматически двигаться от оператора и прижим опускается на крышку корпуса. При проходе под сварочными роликами происходит сварка двух параллельных сторон корпуса. Когда каретка доходит до крайнего положения и останавливается, прижим поднимается над корпусом, поворотный столик поворачивается на 90⁰ против часовой стрелки, ролики раздвигаются, каретка начинает двигаться к оператору, прижим опускается на корпус и происходит сварка двух других параллельных сторон корпуса.

В крайнем ближнем к оператору положении поворотный столик с ИМС поворачивается на 90⁰ по часовой стрелке, останавливается в исходном положении и оператор, сняв загерметизированный корпус, укладывает в освободившееся гнездо столика другой, предназначенный для герметизации. Для выполнения очередного цикла герметизации оператор рукояткой поворачивает столик, возвращая его на позицию герметизации.

Вследствии значительной скорости перемещения предметного столика (6,5 мм/с) создаётся малая зона нагрева герметизируемых корпусов и повышается выход годных изделий (по герметичности, механической прочности и внешнему виду) до 98%. Производительность полуавтомата можно повысить, если уменьшить время, затрачиваемое на вспомогательные работы (укладку деталей на предметный столик, их совмещение), разделив процесс на две операции: сборку основания корпуса и крышки с их предварительной прихваткой на отдельном приспособлении и последующую герметизацию на полуавтомате.

В начале сварки контактное сопротивление между роликами, крышкой и основанием корпуса достигает 50 – 100 мОм, а в процессе ее постоянно изменяется в пределах от 2 до 20 мОм. В зависимости от контактного сопротивления изменяется плотность тока в местах контакта роликов со свариваемыми деталями корпуса, а следовательно, уменьшается или увеличивается мощность, что является причиной образования выплесков расплавленного металла и плохой герметизации.

Для устранения этого недостатка в конструкцию полуавтомата введено устройство автоматического регулирования режима сварки(рис 40) действие которого основано на изменении выходной мощности в зависимости от контактного сопротивления, измеренного между импульсами в процессе сварки.

Во включенном, но неработающем состоянии тиристоры Т закрыты и питание от сети подаётся на дополнительный трансформатор Тр2, а от него – на измерительную обмотку III сварочного трансформатора Тр1. Измерительная обмотка III и конденсатор С образуют резонансный колебательный контур, настроенный на частоту измерения. Если ролики I не замкнуты на герметизируемый корпус 2, с выхода измерительной обмотки III снимается напряжение, соответствующее коэффициенту трансформации.

При замыкании роликов на герметизируемый корпус происходит замыкание вторичной обмотки II сварочного трансформатора Тр1, что является моментом начала измерения контактного сопротивления между роликами и корпусом. При этом напряжение на измерительной обмотке III прямо пропорционально контактному сопротивлению между роликами и корпусом и воспринимается измерительным блоком ИБ , в котором формируется сигнал, управляющий с помощью блока управления сварочным током БУСТ режимом сварки.

Когда контактное сопротивление становится больше номинального, срабатывает специальное устройство и в измерительном блоке ИБ формируется сигнал, по которому блок БУСТ уменьшает выходную мощность (ток) на роликах. Снижение выходной мощности при значительном увеличении контактного сопротивления ролики – корпус уменьшает выплески металла.

2.2 Герметизация пластмассой

Пластмассовую герметизацию (капсюляцию, опрессовку) выполняют несколькими методами, основными из которых являются заливка в съемные формы и корпуса, обволакивание и окунание, литьевое (трансферное) и компрессионное прессование. Кроме того, применяют полые пластмассовые корпуса.

Заливку в съемные формы (свободную заливку) применяют преимущественно при групповой технологии изготовления полупроводниковых приборов и ИМС. При этом методе в открытую часть формы с предварительно загруженной металлической арматурой и полупроводниковыми кристаллами заливают пластмассу (компаунд) и нагревают ее для полимеризации. Загерметизированные приборы извлекают из формы, которую снова используют для заливки.

Так герметизируют, например, кремниевые планарные транзисторы КТ315, которые собирают на перфорированной ленте в резиновые 20-местные формы и на специальной установке, представляющей собой многопозиционный плунжерный дозатор, заливают через сопла компаундом ЭКМ. Рабочий стол установки имеет механизм автоматического перемещения очередного ряда форм после каждой заливки. Производительность установки 700 приборов в час.

Заливку выполняют при комнатной температуре, а затем загерметизированные приборы выдерживают 30 мин при 80 °С, 12 ч при 120 °С и сутки при 170 °С. После полимеризации компаунда приборы извлекают из заливочных форм и отделяют друг от друга, разрубая перфоленту на специальном штампе.

Этот метод прост, не требует дорогостоящих пресс-форм и оборудования. Готовые полупроводниковые приборы и ИМС со стороны открытой части заливочной формы имеют неровную поверхность. Желательно, чтобы TKJIP пластмассы был ниже TKJIP металлической арматуры герметизируемых приборов, так как это способствует надежной герметизации.

Заливка в корпусе отличается от заливки в съемные формы тем, что заливочной формой в этом случае является часть герметизируемого корпуса. Для надежной герметизации необходимо, чтобы TKJIP пластмасс и компаундов был близок к ТКЛР материала герметизируемых корпусов и имел хорошую адгезию к нему.

Обволакивание и окунание применяют для дополнительной герметизации полупроводниковых приборов и ИМС или в качестве основного метода герметизации бескорпусных изделий. Как окунание, так и обволакивание могут быть многократными. Для придания правильной геометрической формы и удаления излишков жидкого герметизирующего материала изделия вращают. Этот метод прост, применяется ограниченно, но желательно использование пластмасс с меньшим ТКЛР, чем ТКЛР кристаллов. Форма загерметизированных изделий не регламентируется.

Рассмотренные методы пластмассовой герметизации характеризуются тем, что при них давление не прикладывается и в результате приборы и ИМС не повреждаются. Жидкая пластмасса заполняет предоставленный ей объем, поэтому из нее можно изготовлять изделия любой формы.

При литьевом прессовании — наиболее распространенном методе пластмассовой герметизации — используют как термопластичные, так и термореактивные пластмассы. Сущность этого метода состоит в том, что дозированную пластмассовую таблетку (или порошок) расплавляют до заливки вне литьевой формы, а заливка происходит при дополнительном повышении жидкотекучести пластмассы и незначительном увеличении давления.

Процесс герметизации, например термореактивной пластмассой ЭФП, состоит из следующих операций: прессования пластмассы (пресс-порошка) в таблетки; предварительного нагрева их и подогрева литьевых форм; прессования — заливки литьевой формы; отделения загерметизированных изделий друг от друга. Прессование пресс-порошка в таблетки необходимо для дозировки пластмассы, а также ее уплотнения. Это очень важно, так как при прессовании для заполнения пустот приходится удалять воздух из литьевой формы. Воздух из литьевой формы удаляют также через специальные отверстия размером примерно 0,05 мм вакуумированием и, кроме того, он вытесняется расплавленной пластмассой.

Предварительный нагрев пластмассовых таблеток, который выполняют в специальных подогревателях — печах с высокочастотным нагревом, а при отсутствии их - в сушильных шкафах, необходим для снижения давления прессования. Желательно, чтобы в момент заливки давление расплавленной пластмассы было (3 v 4) • 105 Па. При таком давлении при заливке не требуется специальная защита кристаллов с р-n-переходами и электродных выводов от повреждений. Так, при использовании пластмасс ЭФП при этом давлении заливка полупроводниковых приборов и ИМС с электродными выводами диаметром до 25 мкм предварительной специальной защиты не требует, так как брак по обрывам выводов составляет менее 1 %. Предварительный подогрев литьевых форм до 40-60 °С необходим для хорошего заполнения пустот пластмассой и выполняется на электрических плитах или специальных плитках с электро подогревом, установленных на прессах.

Непосредственно перед герметизацией перфоленту определенной длины со смонтированными ИМС укладывают, фиксируя по перфорации, в пресс-формы, которые закрывают, и производят прессование.

Процесс прессования-заливки пресс-форм состоит из нескольких операций. При прессовании подвижный плунжер-трансфер (отсюда и название метода — трансферное прессование) опускается и расплавившаяся пластмасса под давлением заполняет пустоты пресс-форм с находящимися в них ИМС, частично полимеризуясь. Для завершения процесса полимеризации пресс-формы открывают, при этом автоматически выталкивается лента с ИМС в сформированной оболочке.

После этого пластмассу дополнительно полимеризуют, а затем отделяют загерметизированные ИМС друг от друга на специальном штампе, обрубая края перфоленты и рассекая ее поперек. Если необходимо, отгибают выводы ИМС на штампе.

Литьевое прессование (=трансферное) позволяет одновременно надежно загерметизировать несколько (по числу мест в литьевой форме) полупроводниковых приборов или ИМС, но требует довольно сложных литьевых форм, стоимость которых в несколько раз превышает стоимость прессового оборудования. Поэтому с подобными пресс-формами следует работать бережно, своевременно выполнять их профилактический ремонт и постоянно следить за состоянием.

Компрессионное прессование менее распространено, чем литьевое. Сущность этого метода состоит в том, что плавление герметизирующего материала и заливка им полупроводниковых приборов или ИМС осуществляются в пресс- форме с частичной полимеризацией. Пресс-форма Для компрессионного прессования имеет обогрев верхней и нижней частей (матрицы и паунсона). При герметизации в нижнюю часть пресс-формы помещают таблетку пластмассы, на нее — металлическую арматуру герметизируемых приборов или ИМС, а затем — вторую таблетку пластмассы. Далее обе части формы, соединяют.

При нагревании и под действием давления пластмасса переходит в пластическое состояние, заполняет все полости рабочего объема пресс-формы и полимеризуется. После этого пресс-форма раскрывается и из нее выталкиваются загерметизированные изделия.

Основными параметрами режима прессования являются температура, удельное давление и продолжительность выдержки герметизирующего материала в пресс-форме под давлением.

Компрессионное прессование применяют лишь в том случае, когда пластмасса имеет низкую температуру плавления (не более 300 °С) и низкое давление прессования, при котором не повреждаются металлическая арматура, кристалл (плата) и электродные выводы. Для снижения вероятности повреждений кристаллы с электронно-дырочными переходами и электродные выводы защищают лаками, смолами или компаундами.

Полые пластмассовые корпуса применяют для герметизации МДП-структур, очень чувствительных к различного рода загрязнениям. При этом первоначально кремнийорганической пластмассой 6 опрессовывают ленточные выводы корпуса, получая полую конструкцию. После монтажа кристалла и соединения электродных выводов конструкцию сверху и снизу закрывают коваровыми крышками и опрессовывают эпоксидной пластмассой.

Кремнийорганическая пластмасса более устойчива к воздействию влаги, чем эпоксидная, которая, в свою очередь, создает лучшую герметизацию в местах соединения выводов с кремнийорганической, а также обладает повышенной устойчивостью к воздействию соляного тумана и изгибающим нагрузкам.

Так герметизируют многовыводные изделия, когда другими методами их загерметизировать невозможно.

Полые корпуса получают также опрессовкой эпоксидной пластмассой изогнутых металлических выводов, конструкция которых исключает образование сквозных микротрещин. Поверх пластмассы наносят дорожки металлизации и приклеивают металлическую пластину, предназначенную для монтажа кристалла. После присоединения электродных выводов корпус герметизируют, приклеивая металлическую или пластмассовую крышку эпоксидным клеем.

Полые корпуса, кроме того, получают опрессовкой выводов, и основания из анодированного алюминия эпоксидной пластмассой. Алюминиевые детали не только улучшают теплоотвод, но и позволяют монтировать кристаллы и присоединять электродные выводы ультразвуковой сваркой.

Полые корпуса получают и опрессовкой ленточных выводов эпоксидной пластмассой. Кристалл, защищенный слоем нитрида кремния, отдельно монтируют на позолоченной коваровой пластине, которую приклеивают фенольным клеем к пластмассовому корпусу снизу. Затем присоединяют электродные выводы, покрывают кристалл слоем кремнийорганической пластмассы и герметизируют корпус, приклеивая фенольным клеем коваровую крышку сверху. Такая герметизация повышает надежность ИМС при температурных воздействиях.