Эффективная герметизация для микроэлектронных корпусов нового поколения

Идеально герметичный электронный корпус может выполнять свои функции без сбоев, ошибок или значительного снижения производительности в течение десятилетий. Однако инженеры-конструкторы и наладчики могут достичь такого уровня производительности только за счёт применения правильных материалов и герметиков, а также применения правильных инструментов, оборудования и технологических операций для создания электронных корпусов на основе полупроводников следующего поколения. Уверенность, которую обеспечивает герметичный корпус, неизбежно приводит к разработке более совершенных микросхем с расширенными функциями.

РАМЕШ КОТАНДАПАНИ, ТЕХНИЧЕСКИЙ ДИРЕКТОР ПО МИКРОЭЛЕКТРОННОЙ КОРПУСНОЙ КОМПЛЕКТАЦИИ, MATERION CORPORATION

ГЕРМЕТИЗАЦИЯ — важный процесс корпусирования полупроводниковых кристаллов. Слово «герметичный» в данном случае подразумевает герметичность. Полупроводниковый кристалл проходит несколько этапов технологического процесса, начиная с пластины, разрезаясь на отдельные кристаллы и, наконец, помещаясь в дискретный корпус. Такие кристаллы прочно прикрепляются к контактным площадкам кристалла с помощью эпоксидного или эвтектического припоя. Затем они электрически соединяются с контактными площадками керамического корпуса очень тонкими проводниками.

Керамический корпус, по сути, «кристаллодержатель», обычно многослойный, с электрическими выводами внутри керамического корпуса. Эти слои соединены изнутри с нижней или боковыми сторонами корпуса для монтажа на печатные платы вместе с другими электрическими компонентами. Для монтажа кристаллов доступен ряд корпусов, включая кристаллодержатель с выводами (LCC), керамический, четырёхъядерный, плоский корпус (CQFP) и четырёхъядерный плоский корпус (QFP) и другие.

Керамический корпус запаивается при помощи двух параллельно работающих электродов, которые расплавляют крышку и припаивают ее к керамическому или металлическому корпусу.

Керамический пакет с уплотнительным кольцом и проволочными и кристаллопроводящими прокладками.

Керамический корпус с креплением чипа.

Керамическая упаковка с размерами уплотнительного кольца.

Керамический корпус, содержащий чип с проволочными соединениями, в конечном итоге должен быть герметично закрыт, чтобы предотвратить проникновение загрязнений, таких как влага или свободные частицы.

Процесс герметизации критически важен для обеспечения работоспособности узла в процессе эксплуатации. На рисунке 1 показан полупроводниковый кристалл с сотнями тончайших проволочных соединений. Размеры кристаллов варьируются от нескольких миллиметров до десятков миллиметров. В кристаллах меньшего размера количество проволочных соединений может быть меньше, в то время как в кристаллах большего размера их могут быть сотни. Эти соединения тоньше человеческого волоса, их диаметр составляет всего 0,0007 дюйма (17,78 микрона).

Рекомендации по проектированию крышки корпуса и припоя.

Рисунок 7. Фазовая диаграмма золото-олово.

Развернутый вид керамического корпуса, паяльной рамки и металлической крышки с покрытием.

Дискретные микросхемы содержат микроэлектромеханические системы (МЭМС) со сверхтонкими шестеренками, тактовыми генераторами и подвижными приводами, которые невозможно увидеть невооруженным глазом. Любые частицы, оседающие на этих микросхемах, могут повлиять на их работу. Кроме того, поскольку тонкие проводники расположены так близко друг к другу, токопроводящие частицы или влага между ними могут вызвать сбой. Это делает надлежащую герметизацию собранных корпусов ещё более важной.
Прежде чем сосредоточиться на процессе герметизации, важно узнать о материалах, которые используются для герметизации, их ограничениях, рекомендациях по проектированию, хранении и процессах обработки.

Поперечное сечение четырех слоев, последовательно покрытых никелем и золотом.

Например, существует несколько типов керамической упаковки:

• Керамические корпуса для поверхностного монтажа
• Керамические корпуса с матрицей штыревых выводов
• Керамические четырехслойные плоские корпуса
• Керамические гибридные пакеты
• Пакеты волоконно-оптической связи
• Связующие материалы или припои
• Компоненты, которые необходимо прикрепить к упаковке, такие как штампы, материалы для крепления штампов, провода и т. д.

В зависимости от требуемого уровня герметичности упаковки подвергаются одному или двум процессам герметизации: запечатыванию металлической крышкой или запаиванию крышкой с гальваническим покрытием.

Процесс миграции никеля.

Сборка крышки рамы.

Прихваточные сварные швы по углам.

ЗАПЕЧАТАНО МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КРЫШКОЙ:
Это надёжный метод герметизации, при котором пара круглых электродов проходит по краю крышки, расплавляя её и приваривая к области уплотнительного кольца упаковки. Герметизация швов полезна в следующих случаях:
• Полупроводниковый кристалл не выдерживает высоких температур. Герметизация швов обеспечивает локальный нагрев краев.
• У пользователя может не быть возможности пайки в печи.
• Конечное применение связано с радиочастотами и требует низкого уровня герметичности (т. е. радиочастотная упаковка).

ЗАПАЯННЫЙ С ПОКРЫТОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КРЫШКОЙ:
Этот процесс также позволяет добиться высокой степени надёжности и герметичности. Для подтверждения его эффективности доступны несколько испытаний после герметизации.
Некоторые характеристики являются общими для всех типов корпусов, включая использование контактных площадок с кристаллами, контактных площадок с проволочным монтажом и уплотнительных колец. На рисунке 3 показаны некоторые ключевые особенности керамического корпуса.

Рисунок 13. Контроль критических параметров и рекомендации по эффективной герметизации с использованием конвейерной печи.

ПЛОЩАДКА ДЛЯ ПРИКРЕПЛЕНИЯ МИКРОПРОВОДНИКА: Это область, к которой крепится кристалл полупроводника с помощью эвтектического припоя или эпоксидных материалов. Эпоксидные клеи для присоединения кристалла обычно состоят из смолы и отвердителя, которые необходимо тщательно перемешать перед нанесением на площадку кристалла. Затем кристалл устанавливается на место и протирается под давлением для смачивания и удаления газов, содержащихся в связующих материалах. Сборка отверждается при высоких температурах до полного затвердевания – это довольно сложный процесс, требующий тщательного контроля.
В качестве эвтектических припоев могут использоваться как припои 88Au12Ge, так и 80Au20Sn. Они плавятся при температуре 361°C и 280°C соответственно. С учётом теплопотерь в оснастку и другие компоненты, температура плавления обычно выше. Оба типа эвтектических припоев представляют собой чистые сплавы без каких-либо связующих веществ.
Выбор связующего материала для крепления кристалла зависит от коэффициента термического расширения (КТР) кристалла и других соседних материалов, с которыми связующий материал может контактировать. Также необходимо определить температуры и условия плавления и отверждения.

Внутренняя камера вакуумной печи.

УСЛОВИЯ ПОСЛЕ ПРИСОЕДИНЕНИЯ ЧИПА К ПЕЧАТИ:
Важно проверить надежность соединения и обеспечить удаление скопившихся газов. Поставщики обычно предоставляют инструкции по отверждению и пошаговые инструкции по удалению органических веществ и связующих веществ. В противном случае в процессе герметизации припоем могут выделяться насыщенные водородом углеводороды или влага. Наличие скопившихся газов внутри корпуса негативно скажется на его общих электрических характеристиках и сроке службы.
Следовательно, для достижения безвоздушного склеивания важен хорошо контролируемый процесс присоединения кристалла. К сожалению, проверка после герметизации может быть дорогостоящей и давать неточные или вводящие в заблуждение результаты. Поэтому необходимо уделять особое внимание условиям хранения, сроку годности, соотношению компонентов, продолжительности использования и необходимому объёму на единицу продукции за смену. Кроме того, существует вероятность впитывания влаги из окружающей среды.

Профиль оплавления золото-олово.

УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ КОЛЬЦО:
Это один из важнейших компонентов керамического корпуса с точки зрения герметизации. Как и в случае с кристаллами и контактными площадками для проволочного монтажа, практически вся поверхность уплотнительного кольца используется в процессе пайки. Поверхность уплотнительного кольца, как правило, пористая и покрыта никелем и золотом, что может привести к миграции никеля на уплотнительное кольцо при повышенных температурах. Это, в свою очередь, может привести к образованию отверстий под пайку и пустот. Поэтому крайне важно соблюдать осторожность при обращении с ним и контролировать температуру.

Эффективная герметизация: шаг за шагом
Успешная герметизация зависит от нескольких факторов, включая:
• Рекомендации по проектированию уплотнительного кольца упаковки
• Выбор материала герметика и крышки
• Методы герметизации и контроля процесса
• Испытания после герметизации и устранение неисправностей
• Возможности упаковочных материалов нового поколения

РУКОВОДСТВО ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ УПЛОТНИТЕЛЬНОГО КОЛЬЦА УПАКОВКИ:
Учитывайте размер герметичной крышки и её припоя. Внешнее уплотнительное кольцо, металлическая крышка и оловянная рамка из золота — ключевые элементы дизайна. Например, если внешняя длина и ширина уплотнительного кольца упаковки составляют 0,500 дюйма (1,25 см), то крышка должна иметь площадь 0,500 дюйма (1,25 см) — 0,010 дюйма (1,25 см) — 0,010 дюйма (1,25 см) или 0,480 дюйма (1,25 см).
Далее следует определить внутренние размеры припоя из золота и олова. Для этого необходимо учесть как внутренние, так и внешние размеры. Если внутренние размеры уплотнительного кольца составляют 0,400 дюйма в квадрате, то внутренние размеры припоя из золота и олова должны быть 0,400 дюйма + 0,010 дюйма + 0,010 дюйма, или 0,420 дюйма в квадрате. Внутренний и внешний радиусы также важны для общей конструкции, как и толщина припоя и крышки. Эти размеры будут основаны на размере конечного корпуса. Зазор в 0,010 дюйма зависит от наличия места для уплотнительного кольца. Он может быть всего 0,002 дюйма для внешнего зазора и почти таким же маленьким для внутреннего уплотнительного кольца, если кольцо узкое.

Рисунок 16: Слева — сборка с применением давления. Справа — последующее уплотнение с паяльной галтелью.

ВЫБОР МАТЕРИАЛА ГЕРМЕТИКА:
Существует множество подходящих припоев и эвтектических припоев для герметичных соединений. Золото-олово особенно эффективно для приклеивания металлических крышек к керамическим или металлическим корпусам. Припой, содержащий 80% золота и 20% олова, плавится при температуре 280°C и хорошо выдерживает испытания на циклическое изменение температуры.
Сплав 80% золота и 20% олова должен быть изготовлен с минимальным содержанием примесей и его весовое процентное содержание должно находиться в пределах номинального, чтобы обеспечить хорошее соединение.
• Чистота золота-олова: снижение теплопроводности
• Загрязнение золотом и оловом: оксиды, органика
• Контактная область интерфейса золото-олово

Различные тесты на надежность.

ВЫБОР МАТЕРИАЛА КРЫШКИ:
Металлическая крышка изготовлена из сплава железа, никеля и кобальта, также известного как ASTM F-15. Для надёжного сцепления золото-оловянного припоя с корпусом металлическая крышка должна быть хорошо подготовлена. Крышка, содержащая более 50% железа (Fe), может со временем окислиться. Крышка без покрытия не позволит золото-оловянному припою смачивать корпус. Поэтому надёжное золочение крайне важно.
Крышка покрыта гальваническим слоем никеля толщиной от 100 до 350 микродюймов, а затем золотом толщиной 50 микродюймов. Для обеспечения высокой надежности наносятся дополнительные слои никеля и золота, однако суммарная толщина обоих слоев никеля не может превышать 450 микродюймов, а суммарная толщина слоев золота должна быть не менее 50 микродюймов. Это позволяет предотвратить избыточное накопление на краях, которое может негативно повлиять на герметичность. На следующем рисунке показано поперечное сечение четырёхслойной крышки с покрытием.

ЭФФЕКТИВНОЕ ПОКРЫТИЕ:
Процесс гальванизации крайне важен. Например, следует избегать наростов на кромках. Важно поддерживать как гальваническую ванну, так и химический состав. Следует отметить, что гальванизация не является косметическим средством, а предназначена для высококачественной герметизации, что также подразумевает хорошее сцепление припоя. Неправильное обслуживание гальванического покрытия может привести к накоплению нежелательных газов.
Для проверки качества гальванопокрытия, в частности, для количественной оценки содержания водорода в гальванических пленках, проводятся постгальванические испытания.
В профилактических целях необходимо периодически проводить техническое обслуживание гальванической ванны и проверку химического состава ванны. После последнего этапа гальванизации иногда также проводят отжиг покрытия при более низких температурах (от 120 до 150 °C) в течение 8–12 часов.
Высокотемпературный прогрев в течение длительного времени может привести к миграции внутреннего слоя никеля к слою золота и нарушению смачивания припоем. Припой золото-олово не смачивается никелем. Миграция никеля также возможна, если слой покрытия слишком тонкий или имеет высокую пористость на поверхности покрытия.

Методы герметизации и контроля процесса
• Прихваточная или точечная сварка: золото-оловянный припой должен быть прикреплен к покрытой крышкой точечной или прихваточной сваркой. Этот процесс крайне важен для предотвращения несоосности и других дефектов, которые могут в конечном итоге повлиять на прочность герметизации. Он также создает дополнительные преимущества для конечных пользователей, которым необходимо собрать рамку и крышку как единое целое перед окончательной герметизацией. Прихваточная сварка требует расплавления очень небольших участков эвтектического золото-оловянного припоя во всех четырех углах и присоединения их к покрытой крышке.

• Оборудование для оплавления и контроль процесса: важно выбрать правильное оборудование для оплавления перед герметизацией. Герметизация золото-оловянными или другими припоями требует инертной среды; в противном случае окисление может нарушить целостность герметизации. При использовании конвейерной печи необходимо тщательно контролировать техническое обслуживание и параметры герметизации. Необходимо отслеживать и контролировать содержание кислорода в камере оплавления. Аналогичный контроль необходим при выборе вакуумной печи для герметизации, что обеспечивает дополнительное преимущество в виде удаления нежелательных газов. В обоих случаях качество герметизации в конечном итоге определяется производительностью оборудования.

Профиль золото-оловянного уплотнения: Ниже приведены основные соображения относительно профиля золото-оловянного уплотнения:
• Скорость подъёма температуры: Скорость подъёма температуры должна быть постепенной и медленной. Это способствует выделению газов из различных компонентов, не способствуя миграции никеля. Такая миграция может быть результатом более быстрого выхода на режим, особенно в случае пористых покрытий. Вакуумные печи позволяют удалить все отходящие газы, в то время как конвейерная печь с азотом должна делать то же самое.
• Пиковая температура: температура плавления эвтектического золото-оловянного припоя составляет 280 °C. Помимо уплотнительных компонентов, тепло могут также отводить крепежные элементы, зажимы и другие материалы. Как только припой и крышка достигнут пиковой температуры, цель должна быть достигнута.
К ним относятся полное удаление газов, полное растекание припоя, формирование галтелей припоя и устранение дефектов или пустот. Продолжительность воздействия пиковой температуры весьма субъективна и зависит от размера изделия, сборочных инструментов и условий. Сокращение этой продолжительности во время выполнения критических процессов может выявить виды отказов, которые можно обнаружить визуально, с помощью испытаний на герметичность или рентгеновского контроля.

• Постепенное снижение температуры после пиковой зоны: Охлаждение продукта также должно осуществляться постепенно, так как резкое охлаждение или выталкивание продукта из печи может быть весьма вредным.
• Для достижения герметичного соединения необходимо приложить достаточное давление к золото-оловянному припою. Примечательно, что требуется всего лишь около 0,5–4 кгс. Во всех случаях давление передаётся от крышки к золото-оловянному герметику (см. рис. 16). Как уже упоминалось, это давление очень полезно в фазе пиковой температуры для прижима крышек и выдавливания расплавленного припоя, образуя галтель.

ЗАЖИМЫ-ПЕЧАТАКИ:
Существует множество различных типов легкодоступных зажимов. В зависимости от типа упаковки и объёма производства зажимы могут быть изготовлены по индивидуальному заказу. Также, если требуется увеличить объём производства, следует рассмотреть возможность использования выравнивающего приспособления.
ТЕСТ НАДЕЖНОСТИ ПОСЛЕ ГЕРМЕТИЗАЦИИ:
Испытания на надёжность после герметизации подтверждают правильность выбора процесса и материала. Последовательно проводятся испытания нескольких уровней. Подробную информацию обо всех перечисленных испытаниях можно найти в руководствах по стандарту Mil-883.
ВАРИАНТЫ УПАКОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ NEXT-GENERAL: Эти испытания предназначены для подтверждения успешной герметизации. Аналогичным образом, эффективный процесс упаковки может значительно продлить срок службы упаковки в полевых условиях. Многие компоненты, например, модуль на уровне платы, установленный на спутнике или космическом аппарате, недоступны для замены или ремонта. Поэтому они рассчитаны на работу даже в самых неблагоприятных условиях.
На рынке появляется множество новых материалов и технологий. Например, для герметичных систем нового поколения теперь доступен ряд инновационных крышек. К ним относятся герметичные крышки Visi-Lid для оптической связи, немагнитные комбинированные крышки для электромагнитных носовых органов управления и комбинированные крышки Getter для предотвращения выделения водорода из упаковки.

Первоначально статья была опубликована в выпуске: Выпуск 1, 2024, Power Electronics World.