Дайте визначення інтегральної схеми?

Які є рівні проектування?

Яка класифікація інтегральних мікросхем?

Де використовують інтегральні мікросхеми?

Література:
Абрамов И.И. Лекции по моделированию элементов интегральных схем. – М., 2002.
Мазор Ю., Мачуський Є. Радіотехніка. Енциклопедичний навчальний довідник. – К., 2001.
Прищепа М.М., Погребняк В.П. Мікроелектроніка: В 3 ч. Ч. 2. Елементи мікросхемотехніки. – К., 2006.

Лекція №5

Збірка напівпровідникових приладів

І інтегральних мікросхем

План

Особливості процесу збірки

Приєднання кристала до основи корпусу

Приплавлення з використанням евтектичних сплавів.

Приклеювання

Особливості процесу збірки

Збірка напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем є найбільш трудомістким і відповідальним технологічним етапом в загальному циклі їх виготовлення. Від якості складальних операцій в сильній мірі залежать стабільність електричних параметрів і надійність готових виробів.

Етап зборки починається після завершення групової обробки напівпровідникових пластин за планарною технологією і розділення їх на окремі елементи (кристали). Ці кристали, можуть мати просту (діодну або транзисторну) структуру або включати складну інтегральну мікросхему (з великою кількістю активних і пасивних елементів) і поступати на зборку дискретних, гібридних або монолітних композицій.

Трудність процесу збірки полягає в тому, що кожен клас дискретних приладів і ІМС має свої конструктивні особливості, які вимагають цілком певних складальних операцій і режимів їх проведення.

Процес збірки включає три основні технологічні операції: приєднання кристала до основи корпусу; приєднання струмовідний виводів до активних і пасивних елементів напівпровідникового кристала до внутрішніх елементів корпусу; герметизація кристала від зовнішнього середовища.

Приєднання кристала до основи корпусу

Приєднання кристала напівпровідникового приладу або ІМС до основи корпусу проводять за допомогою процесів пайки, приплавлення з використанням евтектичних сплавів і приклеювання.

Основною вимогою до операції приєднання кристала є створення з’єднання кристал основа корпусу, що має високу механічну міцність, хорошу електро і теплопровідність.

Пайка - процес з' єднання двох різних деталей без їх розплавлення за допомогою третього компонента, званого припаєм. Особливістю процесу пайки є те, що припай при утворенні паяного з'єднання знаходиться в рідкому стані, а деталі, що сполучаються, в твердому.

Суть процесу пайки полягає в наступному. Якщо між деталями, що сполучаються, помістити прокладення з припаю і усю композицію нагрівати до температури плавлення припою, то матимуть місце наступні три фізичні процеси. Спочатку розплавлений припій змочує поверхні деталей, що сполучаються. Далі в змочених місцях відбуваються процеси міжатомного взаємодією між припоєм і кожним з двох змочених їм матеріалів. При змочуванні можливі два процеси: взаємне розчинення змоченого матеріалу і припою або їх взаємна дифузія. Після охолодження нагрітої композиції припій переходить в твердий стан. При цьому утворюється міцне паяне з‘єднання між початковими матеріалами і припаєм.

Процес пайки добре вивчений, він простий і не вимагає дорогого устаткування. При серійному випуску виробів електронної техніки припаювання напівпровідникових кристалів до підстав корпусів виробляється в конвеєрних печах, що обладає високою продуктивністю. Пайка проводитися у відновлюваючому (водень) або нейтральному (азот, аргон) середовищі. У печі завантажують багатомісні касети, в які попередній поміщають підстави корпусів, навішування припою і напівпровідникові кристали. При русі конвеєрної стрічки касета з з’єднаними деталями послідовно проходять зони нагріву, постійної температури, охолодження. Швидкість руху касети і температурний режим задають і регулюють відповідно до технологічних і конструктивних особливостей конкретного типу напівпровідникового приладу або ІМС.

Разом з конвеєрними печами для припаювання напівпровідникових кристалів до основи корпусу використовують установки, які мають одну індивідуальну позицію, що нагрівається, на якому встановлюють тільки одну деталь корпусу (ніжку) і один напівпровідниковий кристал. При роботі на такій установці оператор за допомогою маніпулятора встановлює кристал на основу корпусу і виробляє короткочасний нагрів з’єднаного вузла. У зону нагріву подається інертний газ. Цей спосіб з' єднання деталей дає добрі результати за умови попереднього лудіння поверхонь кристала і основи корпусу, що сполучаються.

Процес приєднання кристала пайкою підрозділяють на низькотемпературний (до 400°С) і високотемпературний (вище 400°С). Як низькотемпературні припаї використовують сплави на основі свинцю і олова з добавками (до 2%) сурми або вісмуту. Добавка сурми або вісмуту в олов'яно-свинцевий припій дозволяє уникнути появи "олов'яної чуми" в готових приборах і ІМС при їх експлуатації і тривалому зберіганні. Високотемпературний припаї виготовляють на основі срібла (ПСр- 45, ПСр- 72 та ін.).

На технологічний процес пайки і якість отриманого паяного з' єднання деталей сильний вплив чинять чистота з’єднувальних металевих поверхонь і вживаного припою, склад атмосфери робочого процесу і наявність флюсів.

Найбільш широке застосування процес пайки знаходить при зборці дискретних напівпровідникових приладів (діодів, транзисторів, тиристорів та ін.). Це пояснюється тим, що процес пайки дає можливість отримати хороший електричний і тепловий контакт між кристалом напівпровідника і кристалотримачем корпусу, причому площа контактного з' єднання може бути досить великою (для приладів великої потужності).

Особливе місце процес пайки займає при закріпленні напівпровідникового кристала великої площі на підставі корпусу з міді. У цьому випадку для зниження термомеханічних напруження, що виникають за рахунок різниці в температурних кооффіцієнтах розширення напівпровідникових матеріалів і міді, широко використовують молібденові і молібденовольфрамових термокомпенсатори, що мають площу, рівну площі напівпровідникового кристала, а ТКl -близкий до ТКl напівпровідника. Така доладна багатоступінчаста композиція з двома прошарками з припаю з успіхом використовується при зборці напівпровідникових приладів середньою і великою потужностей.

Приплавлення з використанням евтектичних сплавів. Цей спосіб приєднання напівпровідникових кристалів до основи корпусу заснований на утворенні розплавленої зони, в якій відбувається розчинення поверхневого кулі напівпровідникового матеріалу і кулі металу основи корпусу.

У промисловості широке застосування отримали два евтектичного сплаву: золото(кремній) (температура плавлення 370°С) золото(германій)(температура плавлення 356°С). Процес евтектичного приєднання кристала до основи корпусу має два різновиди. Перший вид заснований на використанні прокладення з евтектичного сплаву, яку розташовується між елементами, що сполучаються,: кристалом і корпусом. У цьому виді з' єднання поверхня основи корпусу повинна мати золоте покриття у вигляді тонкої плівки, а поверхня напівпровідного кристала може не мати золотого покриття (для кремнію і германію) або бути покритою тонкою кулею золота (у разі приєднання інших напівпровідникових матеріалів).

Другий вид евтектичного приєднання кристала до основи корпуси зазвичай реалізується для кристалів з кремнію або германію. На відміну від першого виду для приєднання кристала не використовується прокладення з евтектичного сплаву. У цьому випадку рідка зона евтектичного розплаву утворюється в результаті нагріву композиції позолочену основу корпусу(кристал, кремнію або германію).

Приклеювання (це процес з'єднання елементів друг з другом, заснований на склеювальних властивостях деяких матеріалів, які дозволяють отримувати механічно міцні з'єднання між напівпровідниковими кристалами і підставами корпусів (металевими, скляними або керамічними). Міцність склеювання визначається силою зчеплення між клеєм і склеювальними поверхнями елементів.

Склеювання різних елементів інтегральних схем дає можливість сполучати найрізноманітніші матеріали в різних поєднаннях, спрощувати конструкцію вузла, зменшувати його масу, знижувати витрату дорогих матеріалів, не застосовувати припаїв і евтектичних сплавів, значно спрощувати технологічні процеси зборки найскладніших напівпровідникових приладів і ІМС.

У результаті приклеювання можна отримувати арматури і складні композиції з електроізоляційними, оптичними і струмопровідними властивостями. Приєднання кристалів до основи корпусу за допомогою процесу приклеювання незамінне при зборці і монтажі елементів гібридних, монолітних і оптоелектронних схем.

При приклеюванні кристалів на підстави корпусів застосовують різні типи клеїв: ізоляційні, струмопровідні, світлопровідники і теплопровідники. По активності взаємодії між клеєм і склеюваними поверхнями розрізняють полярні (на основі епоксидних смол) і неполярні (на основі поліетилену).

Технологічний процес приклеювання напівпровідникових кристалів проводять в спеціальних складальних касетах, забезпечуваних потрібну орієнтацію кристала на підставі корпусу і необхідне притиснення його до основи. Зібрані касети поклад від використовуваного склеювального матеріалу піддають певній термічній обробці або витримують при кімнатній температурі.

Особливі групи складають електропровідні і оптичні клеї, використовувані для склеювання елементів і вузлів гібридних і оптоелектронних ІМС. Струмопровідні клеї є композиціями на основі епоксидних і кремнійорганічних смол з додаванням порошків срібла або нікелю.

 

Питання: