close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

к (2)

код для вставкиСкачать
 Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана
Калужский филиал
Факультет электроники, информатики и управления (ЭИУК)
Кафедра "Материаловедения" (ЭИУ4-КФ)
ЗАДАНИЕ
по курсовой работе по курсу_________________________________________________________
Студент ___________________________________ группа ФТМ _____
(фамилия, инициалы)
Руководитель ________________________________________________
(фамилия, инициалы)
Срок выполнения работы по графику:
20% к ___ нед., 40% к ___ нед., 60% к ___ нед., 80% к ___ нед., 100% к ___ нед.
Защита работы на _________ неделе 20____/____ уч.г.
Тема работы______________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
1. Техническое задание____________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2. Объем и содержание работы
Графические работы на ____ листах формата А1
Расчетно - пояснительная записка на ____ листах формата А4
Структура расчетно-пояснительной записки
Титульный лист, задание, содержание, введение, основная часть, заключение, литература, приложение(я).
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Содержание и структура основной части определяется студентом по согласованию с руководителем. Рисунки, таблицы, литература оформляются в соответствии с ГОСТ 2.105-89 ЕСКД. Общие требования к текстовым документам, ГОСТ 2.32-2001. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления.
Дополнительные указания по выполнению работы
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Рекомендуемая литература
______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Руководитель работы _____________________ _____________________
подпись Ф.И.О.
"____" ___________________ 2010 г.
Студент _____________________ _____________________
подпись Ф.И.О.
"____" ___________________ 2010 г.
Аннотация
В данной работе содержатся сведения о процессах сборки полупроводниковых приборов. Рассказывается о физических процессах их сборки. Также отдельно рассмотрены примеры различных видов сборки полупроводниковых приборов. Данная работа носит актуальный характер, так как в ней затрагиваются основные проблемы современной полупроводниковой промышленности, и рассмотрен самый важный этап создания полупроводниковых приборов. Предназначается для студентов технических. Содержание
1. Введение.....................................................................................6
2. Глава Ι. Полупроводниковые приборы ..........................................7
3. Глава ΙΙ. Присоединение кристалла к основанию корпуса ........................9
* 2.1 Пайка .........................................................................9
* 2.2 Приклеивание.............................................................13
4. Глава IΙΙ. Присоединение выводов.....................................................14
* 3.1 Термокомпрессионная сварка..........................................14
* 3.2 Электроконтактная сварка..............................................19
* 3.3 Ультразвуковая сварка..................................................20
5. Глава IV. Герметизация кристалла ....................................................21
6. Заключение.................................................................................24
7. Список литературы.......................................................................25
Введение
Сборка полупроводниковых приборов является наиболее трудоемким и ответственным технологическим этапом в общем цикле их изготовления. Поскольку на этапе сборки имеются только годные кристаллы, любой брак недопустим, и, как правило, приводит к удорожанию законченных приборов. Сборку полупроводникового прибора можно разделить на три этапа:
1. Посадка кристалла в корпус
2. Разварка выводов (присоединение токоведущих выводов)
3. Герметизация
Корпус полупроводникового прибора должен обеспечивать защиту кристалла от воздействия окружающей среды и механических нагрузок. Корпуса приборов средней и большой мощности должны обеспечивать охлаждение кристалла. В таком случае, между корпусом и кристаллом должно быть малое тепловое сопротивление, для того, чтобы их температуры не отличались. Кроме того, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) кристалла и корпуса должны быть равны, в противном случае, при эксплуатации прибора в напряженных режимах возможно возникновение больших механических напряжений на границе кристалла и корпуса, что в результате может привести к отрыву кристалла. Обычно у мощных полупроводниковых приборов между основанием корпуса, который выполняется из меди и кристаллом устанавливают пластину термокомпенсатора, который обычно выполняется из вольфрама или молибдена.
Глава. 1 Полупроводниковые приборы К простейшим полупроводниковым приборам относятся те, которые состоят из одного полупроводника с собственной проводимостью. Этотерморезисторы и фоторезисторы - устройства, изменяющие своё сопротивление в зависимости от температуры и/или освещённости. Более сложно устроены термоэлементы и фотоэлементы, а также диоды итриоды, так как состоят из нескольких полупроводниковых веществ и уже не с собственной, а с примесной проводимостью.
Термо- и фоторезисторы не создают электрический ток, а лишь меняют своё сопротивление току, идущему через них. Под влиянием тепла или света увеличивается число свободных электронов и дырок, в результате чего возрастает электропроводность (или, что то же самое, уменьшается сопротивление). Напротив, термо- и фотоэлементы способны создавать электрический ток, то есть быть источниками электроэнергии.
Полупроводниковый фотоэлемент состоит из кремниевого кристалла n-типа, в котором путём добавления примесей создана p-область. На концах p-n-перехода самостоятельно возникает разноимённая электризация. То есть его можно рассматривать как источник кратковременного тока. Если же к p-n-переходу постоянно подводить световую энергию (то есть вызывать образование всё новых и новых пар "электрон-дырка"), получится постоянно действующий источник электроэнергии с напряжением около 1 В.
Полупроводниковый термоэлемент состоит из двух полупроводников p-типа и n-типа, не образующих p-n-переход. Они соединены металлической пластиной, к которой подводится тепло от нагревателя. Другие концы полупроводников касаются отдельных металлических контактов, которые охлаждают (показаны зелёным цветом). Это приводит к тому, что в них уменьшается количество свободных электронов и дырок, так как при более низкой температуре "примесные" электроны реже покидают атомы, значит и реже образуются дырки.
Под действием тепла в верхних концах полупроводников, наоборот, увеличивается количество свободных электронов и, соответственно, дырок. И те, и другие, отталкиваясь от своих "братьев" или "сестёр", перемещаются в нижние части своих кристалов, заряжая их разноимённо. Строго говоря, наличие двух полупроводников в термоэлементе не обязательно, так как они не касаются друг друга. Пару используют лишь для того, чтобы создать встречные потоки электронов и дырок, то есть более высокое напряжение. Наряду с этим, теплота, получаемая от источника тепла, используется полнее, что ведёт и к значительному росту КПД элемента.
Полупроводниковый диод - прибор с одним p-n-переходом и двумя контактами для включения в цепь. Диоды применяются для пропускания тока только в одном направлении, что необходимо для преобразования переменного тока в постоянный, а также для детектирования радиосигналов.
Как правило, диоды изготавливают из кристалла германия или кремния, с проводимостью n-типа. В одну из поверхностей кристалла вплавляют каплю индия. Вследствие диффузии атомов индия в глубь второго кристалла, в нём образуется область p-типа. Остальная часть кристалла по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между ними и возникает p-n-переход. Для предотвращения воздействия влаги и света, а также для прочности кристалл заключают в корпус, снабжая контактами. Германиевые и кремниевые диоды могут работать в разных интервалах температур и с токами различной силы и напряжения.
Полупроводниковый триод или, что то же самое, транзистор - прибор с двумя p-n-переходами и тремя контактами для включения в цепь. Рассмотрим пример устройства и работы p-n-p-транзистора. Его средняя прослойка n-типа называется базой и изготавливается очень тонкой для облегчения прохождения электронов и дырок. Крайние прослойки называются эмиттером и коллектором.
Включим транзистор по схеме. Обратите внимание: эмиттер (он p-типа, то есть с положительной проводимостью) подключён к "+" первого источника тока. Однако коллектор (он также с положительной проводимостью) подключен наоборот: к "-" второго источника тока.
По причине тонкости базы, дырки из эмиттера "засасываются" электрическим полем коллектора (его отрицательным зарядом) и проходят транзистор "насквозь". Пренебрегая малым током через базу, можно записать, что Iэ  Iк. Первый источник обычно берут с напряжением 1-10 В, а второй с напряжением 10-100 В. Тогда при указанном равенстве сил токов мы получим усиление тока по мощности в 10 раз!Глава 2. 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.
2.1 Пайка
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.
Рис. 1 Варианты присоединения кристаллов.
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.
2.2 Приклеивание
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.
Глава 3. 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.
3.1 Термокомпрессионная сварка
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. Относительная деформация при термокомпрессионной сварке
,
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.
3.2 Электроконтактная сварка
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.
3.3 Ультразвуковая сварка
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.
Глава 4. Герметизация кристалла
После посадки кристалла в корпус и разварки его выводов необходимо обеспечить защиту кристалла. Герметизация полупроводникового прибора должна обеспечивать механическую защиту кристалла и защиту от воздействия окружающей среды.
Полупроводниковые приборы могут выпускаться в нескольких вариантах:
1. Без корпусов (в таком случае предприятия-изготовитель осуществляют разварку выводов, осуществлет защиту кристалла диэлектрическими либо со стороны выводов, либо всего кристалла. Кристалл в таком случае поставляется в специальной таре
2. В металлостеклянном или металлических корпусах. Металлостеклянный корпус представляет собой металлический фланец-изготовленный из меди, стали или ковара, который имеет изолированные стеклом выводы. При посадке кристалла в такой корпус основание кристалла электрическими соединяется с корпусом, поэтому коллектро транзистора находится на корпусе прибора и вывод коллектора в виде отдельного контакта может отсутствовать.
3. В пластмассовом корпусе. При посадке кристалла на фланец для мощных полупроводниковых структур может использоваться прокладка термокомпенсатора для согласования ТКЛР (температурный коэффициент линейного расширения) материала корпуса и кристалла. Изоляция выводов от корпуса осуществляется стеклом.
Спай стекла и металла не должен иметь скачка ТКЛР. Герметизация корпуса производится либо пайкой, либо электроконтактной сваркой, либо холодной сваркой. Наиболее часто используется пайка и холодная сварка. Пайка осуществляется либо с помощью припоя, который располагается между деталями либо без припоя, но тогда детали должны быть предварительно облужены. Для пайки необходимо, чтобы крышка и фланец были прокрыты металлом, имеющим хрупкий и маленький окисел (хром, никель). Пайку используют так же для соединения стекла и металла. Стекло ни с одним металлом не сваривается, так как жидкое стекло плохо смачивает металл. Если на поверхности металла имеется оксидная пленка, то смачиваемость улучшается за счет растворения этой пленки стеклом. После охлаждения такого соединения оно получается герметичным. Основная трудность соединения стекла и металла заключается в подборе компонентов с близкими коэффициентами линейного расширения. Даже небольшие различия в этих параметрах могут приводить к образованию микротрещин и разгерметизации приборов. Чтобы получить качественный спай стекла с металлом используют следующие приемы:
1. Подбирают компоненты с одинаковым температурным коэффициентом линейного расширения
2. Используют стеклянный припой в виде суспензии стекла с металлическим порошком
3. Материал стекла выбирают так, чтобы осуществить постепенный переход от металла с высоким ТКЛР к основному стеклу с низким ТКЛР
4. Проводят металлизацию стекла с помощью вакуумного осаждения и его вжигания
5. Для того, чтобы в месте спая стекла с металлом не возникало микротрещин можно использовать мягкий и эластичный металл
6. Для получения герметичного спая стекла с металлом используют три вида нагрева: в пламени газовой гарелки, с помощью токов высокой частоты, в муфельных печах. Во всех способах пайки процесс происходит в открытой атмосфере (на воздухе), то есть без флюса, поскольку оксидная пленка улучшает качество соединения. Как правило, интегральные схемы индустриального температурного диапазона и приборы СВЧ диапазона выпускаются в металлокерамических корпусах. Керамика обладает более высокой теплопроводностью по сравнению с пластмассой, но более дешева по сравнению с металлом. В таких корпусах необходимо осуществить пайку керамики и металла. Для получения паяного соединения, поверхность керамики предварительно металлизирую. Этот процесс чаще всего осуществляется при помощи паст, которые наносятся на поверхность керамики. После этого паста подвергается высокотемпературному вжиганию. При вжигании растворитель улетучивается, а мелкодисперсный порошок металла прочно соединяется с поверхностью керамики. При этом металл может проникать в глубину керамики на несколько микрометров. Впоследствии осажденный металл может быть облужен и к нему может производиться пайка обычным способом. Процесс вжигания металла может быть повторен многократно, при этом увеличивается механическая прочность соединения.
Заключение
Развитие полупроводниковой электроники происходит в направлении быстрого возрастания степени интеграции, которая часто достигает 10-20 тыс. Полупроводниковых приборов на одном кристалле, а также в направлении повышения мощности и частоты электромагнитных колебаний, преобразуемых в одном полупроводниковых приборе (до сотен вт и десятков Ггц), в том числе создания полупроводниковых генераторов и усилителей миллиметрового диапазона. Наряду с интеграцией большого числа сходных приборов развивается также интеграция в одной микросхеме приборов, использующих различные физические принципы. При этом, помимо физических процессов в полупроводниках, используют процессы в диэлектриках, сверхпроводниках (например, Джозефсона эффект), магнитных плёнках и т.д. ПП элементы, например холодные катоды сполупроводниковыми гетеропереходами, ПП аноды с p-n-переходом, в котором происходит умножение тока, матричные мишени видиконов, содержащие 0,5-1 млн. фотодиодов, проникают также в вакуумную электронику, позволяя существенно усовершенствовать некоторые типы электровакуумных приборов.
Список литературы
1. М. С. Шур. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х тт. М., Мир, 1992.
2. Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Физматлит, 2008.
3. http://www.fizika.ru/
2
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
105
Размер файла
898 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа