Оценка влагостойкости полых корпусов

При использовании в технологии сборки ИС герметизирующих полимерных органических материалов (пластмассовые и металлополимерные корпуса) возникает необходимость предусмотреть защиту кристаллов от влаги.

Скорость процесса поглощения влаги материалом определяет коэффициент диффузии молекул воды для данного материала Д (м²/с); количество влаги, которое может поглотить полимер в данных климатических условияхопределяет коэффициент растворимости Г (с²/м²); а способность материала пропускать влагу – коэффициент влагопроницаемос-ти В (с). Последний коэффициент характеризует процесс выравнивания концентраций влаги в двух различных объемах, разделенных мембраной из герметизирующего материала и содержащих различную концентрацию влаги в начальный момент времени. Эти коэффициенты взаимосвязаны:

(2.15)

Влагозащита полых корпусов оценивается временем t, за которое давление паров воды внутри корпуса достигнет некоторого критического значения Р_кр, при котором наступает отказ. При этом общее время влагозащиты:

, (2.16)

где t₀ – время увлажнения материала оболочки, t₁ – время натекания влаги во внутренний объем корпуса.

, (2.17)

гдеd – толщина оболочки, м,

Из (2.17) следует, что насыщение материала герметика влагой осуществляется только путем молекулярной диффузии, обычно t₀ следует учитывать приd > 0.1мм.

(2.18)

Если внутри полого корпуса уже имеется воздух, который обладает определенной влажностью с парциальным давлением Р_H, то выражения (2.16 – 2.18) модифицируются:

, (2.19)

где P_кр – критическое давление паров воды внутри полого корпуса, которое задано как 0.95·P₀

Исходные данные для расчётов для данного варианта:

1) условия эксплуатации: температура и влажность при данном расчёте напрямую не учитываются. Данные факторы учитывается косвенно через парциальное давление паров воды в воздухе P₀, которое составляет 1 Па;

2) парциальное давление паров воды, приводящее к отказу составляет P_кр=0.95·P₀;

3) площадь герметизирующей оболочки, через которую молекулы воды диффундируют в корпус составляет S=4·10^-6 м²;

4) толщина герметизирующей оболочки составляет: d=3·10^-3 м;

5) Материал герметизирующей оболочки – Фторпласт 4, коэффициент диффузии влаги через данный материал составляет: Д_к= 8.34·10^-13 м²/с;

6) внутренний объём корпуса, в котором растворяется влага: V=10^-7 м³;

7) Влажностные коэффициенты В, Г, Д. Влажностные коэффициенты принимают значения, соответствующее материалу заливки объёма или значения, соответствующие воздуху при отсутствии заливки. В нашем случае, при наличии заливки, материал – Кремний органический эластомер: В_з=8.2·10^-15 с; Д_з=8.2·10^-12 м²/с; Г_з=10^-3 с²/м². При отсутствии заливки влажностные коэффициенты для воздуха равны: В_В=1.6·10^-16 с; Д_В= 2.133·10^-11 м²/с; Г_В= 7.5·10^-6 с²/м².

 

Требуется по соответствующим формулам рассчитать время безотказной работы при следующих условиях:

1) отсутствие влаги внутри корпуса без полимерной заливки в начальный момент времени;

2) внутри корпуса без полимерной заливки в начальный момент времени присутствует влага при парциальном давлении P_н= 0.5·P₀;

3) отсутствие влаги внутри корпуса с полимерной заливкой из указанного материала в начальный момент времени;

4) внутри корпуса с полимерной заливкой в начальный момент времени присутствует влага при парциальном давлении P_н= 0.5·P₀;

 

1. Расчёт времени безотказной работы микросхемы в корпусе без полимерной заливки при отсутствии влаги в начальный момент времени

По формуле (2.17) рассчитаем время увлажнения материала оболочки:

с

 

 

с

По формуле (2.18) рассчитаем время насыщения полости корпуса влагой:

 

с

По формуле (2.16) рассчитаем время безотказной работы в секундах и в сутках:

 

2. Расчёт времени безотказной работы микросхемы в корпусе без полимерной заливки при наличии влаги в начальный момент времени

Парциальное давление влаги внутри корпуса в начальный момент времени составляет: P_н= 0.5·P₀.

с

По формуле (2.19) рассчитаем время безотказной работы в секундах и в сутках:

 

3. Расчёт времени безотказной работы микросхемы в корпусе с полимерной заливкой при отсутствии влаги в начальный момент времени

Время увлажнения материала оболочки будет таким же, как в предыдущем случае:

 

с

По формуле (2.18) рассчитаем время насыщения полости корпуса влагой, подставив в данную формулу влажностные коэффициенты для материала полимерной заливки – кремния органического эластомера:

с

 

 

с

По формуле (2.16) рассчитаем время безотказной работы в секундах и в сутках:

 

4. Расчёт времени безотказной работы микросхемы в корпусе с полимерной заливкой при наличии влаги в начальный момент времени

Парциальное давление влаги внутри корпуса в начальный момент времени составляет: P_н= 0.5·P₀.

с

По формуле (2.19) рассчитаем время безотказной работы в секундах и в сутках, подставив в формулу влажностные коэффициенты для материала заливки:

 

 

Выводы по данным расчетов влагозащиты полых корпусов: для защиты кристаллов микросхем в полых корпусах от влаги следует применять полимерную заливку, однако при её применении в большей степени возникает проблема теплоотвода, так как любые полимерные материалы имеют очень низкую теплопроводность. Поэтому здесь стоит сложная задача: защитить кристалл и от перегрева, и от влаги.