Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ на тему:
«Пасти для проводять, резисторних і діелектричних елементів, їх характеристики. Методи формування малюнка та матеріали для герметизації кристалів і плат »
МІНСЬК, 2008
Як матеріал для виготовлення товстоплівкових елементів приймаються резистивні, діелектричні і провідні пасти. Вони являють собою суспензію порошків наповнювача і скла в якій-небудь органічної сполучною рідини або розчині. Наповнювач є основою пасти і додає плівкам необхідні резистивні, які проводять або діелектричні властивості.
Основні вимоги, які пред'являються до паст: можливість нанесення їх через трафарет і термообробка (вжигание); воспроіеводімость властивостей; хороша адгезія до підкладки; сумісність з іншими елементами; відповідні електричні властивості; здатність до пайки і термокомпрессіі.
Плата повинна бути певною величиною плинності. Занадто велика плинність призводить до розтікання пасти і спотворення малюнка, а «червона плинність - до поганого продавлюванню пасти через трафарет.
В якості наповнювачів провідникових паст використовуються порошки металів і сплавів з розміром часток не більше 5 мкм. Розміри і форма частинок роблять сильний вплив на фізичні і електричні властивості товстих плівок. Наповнювачі наст повинні мати вкрай низькою хімічною активністю при високих температурах термообробки в оксидує середовищі і при зіткненні з хімічно активним склом, а також повинні бути сприйнятливі ft стійкі (нерозчинні) до впливів припою, що застосовується при монтажі паянням. Це пояснюється застосування в якості наповнювачів благородних металів: золота, срібла, сплавів золото-паладій, золото-платина,. срібло-паладій та інших Порівняльна оцінка провідникових паст на основі різних наповнювачів наведена У таблиці 1.
Властивості провідникових паст Таблиця 1
Оцінка дана за 5 - бальною системою, 1 - найвищий бал.
Поряд з наведеними У таблиці 1 наповнювачами для провідникових паст застосовуються неблагородні метали: мідь, нікель, алюміній, вольфрам, молібден. Вони забезпечують не тільки меншу вартість паст, а й у ряді випадків кращі параметри і стабільність при високих температурах. Мідь, наприклад, є єдиним металом з високою електропровідністю, до якого можна приєднувати зовнішні висновки як зварюванням, так і паянням. Крім того, мідь має гарну адгезію до алюмокераміческім подложкам, високу теплопровідність, стійкість до видужування, і радіації, хороші властивості в діапазоні НВЧ.
В якості наповнювачів резистивних паст застосовується срібло, золото, паладій, платина, реній, оксиди талію, рутенію, ренію, паладію, а також різні композиції: срібло-паладій-оксид паладію, срібло-оксид рутенію, вісмут-рутеній, рутеній-іридій, платина-оксид іридію та ін товстоплівкові резистори мають номінали опорів від 1 до 10 Ом, питомий опір від 1 до 10 7 Ом / а і широкий діапазон значень ТКС.
При виготовленні діелектричних паст для конденсаторів в якості наповнювачів застосовують суміші порошків керамічних матеріалів і флюсів, а також скла і ферроелектріческіх матеріалів. Наприклад, пасти на основі композиції титанат барію - оксид титану - оксид алюмінію - легкоплавкое скло мають діелектричну проникність від 10 до 2000.
Діелектрики для межуровневом ізоляції провідників виготовляють на основі склокерамічних матеріалів. Але порівняно з діелектриками для конденсаторів вони володіють меншою діелектричною проникністю.
В якості постійного сполучного до складу паст входять скла, які не видаляються після формування плівки і залишаються в готовому плівковому елементі. У провідникової пасті, скло служить для утримування в контакті зерен наповнювача і для забезпечення адгезії товстої плівки до підкладки. При виборі складу скла необхідно враховувати залежність його в'язкості від температури, змочування підкладки, хімічну активність і коефіцієнт термічного розширення. Ці властивості скла впливають на режим термообробки, на освіту механічних зв'язків між зернами металевого наповнювача, на питомий опір плівки і процеси приєднання висновків до контактних площадок. Від складу скла в значній мірі залежить стабільність параметрів резисторів. У діелектрику, що застосовується для межуровневом ізоляції провідників, постійне сполучна є одночасно і основним функціональним компонентом. У діелектрики конденсаторів скло не повинне вносити дефектів, що призводять до виникнення коротких замикань між обкладками. В якості постійного сполучного застосовуються легкоплавкі стекла: свинцево-боросилікатне, цінкоборо-силікатні, кадмієві.
В якості органічних сполучних і розчинників паст може застосовуватися широкий набір матеріалів: етілцеллюдоза, воски, ланолін, вазелінове масло, циклогексан, рідкі смоли, органічні розчинники.
Органічні сполучні і розчинники вводяться для забезпечення рівномірного розподілу часток порошків різних компонентів у процесі приготування пасти, для отримання певної консистенції і для додання пасті необхідної в'язкості. При нанесенні пасти на підкладку органічні зв'язуючі повністю видаляються в процесі термообробки. При неповному видаленні органічних сполучних у складі діелектрика, наприклад, залишається вуглець, який різко підвищує електропровідність.
Спеціальні добавки вводять до складу паст для поліпшення адгезії, паяемости, для додання пастам тиксотропність та ін
ТіксотроПностио називається здатність паст під дією механічного тиску збільшувати текучість і потім після припинення впливу тиску знову загусати. Для додання пастам тиксотропних властивостей в їх склад вводять високомолекулярні з'єднання, наприклад, фуранкарбоновую або терефталева кислоти.
Методи формування малюнка. Трафаретний друк.
Провідники. Провідники товстоплівкових схем виконуються шляхом нанесення через трафарети провідникових паст.
Провідникові пасти повинні забезпечити отримання наступних характеристик композиції (після вжіганін):
1. Високу питому провідність щоб уникнути помітного падіння напруги та нагрівання.
2. Високу адгезію плівки з підкладкою, оскільки безпосередньо до неї приєднуються висновки і навісні елементи.
3. Можливість приєднання до поверхонь провідників монтажних проводів і навісних елементів пайкою або зварюванням.
4. Композиція повинна бути стійка до впливів, пов'язаних з виконанням технологічних процесів, і витримувати задані умови експлуатації.
Проектування топології товстоплівкових провідників багато в чому аналогічно проектування друкованих плат. Провідники повинні виготовлятися гранично короткими, щоб зменшити опір схеми. Поверхневий опір товстоплівкових провідників повинен змінюватися в межах від 0,005 Ом / а до 0,1 Ом / а в залежності від типу застосовуваної пасти. Для нанесення провідників необхідно використовувати тільки одну сторону підкладки. Кількість перетинів має бути мінімальним, оскільки для їх створення необхідні дві додаткові операції нанесення і вжигания плівок (нанесення міжшарового діелектрика і другого провідного шару). Для сучасної технології стандартною шириною провідника вважається 0,25 мм , Однак, якщо це необхідно, можна виготовляти смужки шириною до 0,125 мм . Такі ж значення допускаються і для відстаней між провідниками.
Товщина шару провідника, наприклад, на основі композицій паладій-срібло становить 10-25 мкм, мінімальна ширина (довжина) провідника коливається в межах 0,15 - 0,20 мм при нанесенні пасти на кераміку і 0,20 - 0,30 мм при нанесенні на шар діелектрика. Мінімальна відстань між провідниковим елементами 0,05 - 0,20 мм в залежності від рецептурного складу пасти.
Резистори. Резистивні пасти виготовляються на основі більш високоомних функціональних матеріалів, зазвичай композицій: срібло-паладій-окис паладію, срібло-окис рутенію, вісмут-рутеній, рутеній-іридій, платина-окис іридію. Резистивні пасти, що виготовляються на основі композиції паладій-срібло забезпечують номінальні опору резисторів від 25 Ом до 1 МОм. Опір квадрата резистивної плівки відповідає ряду значень: 5,100,500,1000,3000,6000,20000,50000 Ом / а. Температурний коефіцієнт опору подібних паст не перевищує 800.10 -6 1/град в інтервалі температур -60 ... +125 ° С. Товщина резистивних плівок після вжигания становить приблизно 18-25 мкм.
Облік відношення довжини плівкового резистора L до його ширини В є дуже важливим при проектуванні товстоплівкових резисторів. Відношення сторін L / B або B / L ніколи не повинно перевищувати 10. Його краще вибирати рівним 3 або менше. При проектуванні схеми слід уникати зигзагоподібних резисторів або резисторів у формі меандру. При такій геометрії на резисторі утворюються області перегріву, а опір резистора важко підганяти до номіналу. Мінімальний розмір резистора повинен бути близько 0,5 x0, 5 км, однак резистори повинні бути по можливості великими для збільшення відсотка виходу придатних і полегшення їх подальшої підгонки. Для забезпечення надійного електричного контакту резистор має бути вже провідника на 0,25 мм (За 0,125 мм з кожної сторони), а довжина перекриття резистора провідником повинна бути не менше 0,125 мм (Малюнок 1).
Мінімальна відстань від краю контактної площадки до краю резистора повинно бути не менше 0,25 мм .
Розрахунок резисторів проводиться таким чином. Номінальне значення опору резистора визначається за формулою
R = p a K ф (1)
де p a - опір квадрата резистивної плівки, Ом / а;
K = l / i, - коефіцієнт форми.
Малюнок 1. Товстоплівкових резистор; I - резистивна плівка, 2 - контактна майданчик.
Ширина резистора
де Р - розрахункове значення потужності розсіювання резистора, Вт; Р о - максимальна питома потужність розсіювання резистивної плівки, Вт / мм 2; К р - коефіцієнт запасу потужності, що враховує підгонку резистора, К Р = 2п/100 + 1; п-допустима негативне відхилення опору резистора від номінального до підгонки,%.
Максимальне значення Р приймається дорівнює 52%. Розрахункова довжина резистора визначається зі співвідношення для К ф і за формулою (2.2). Розрахунок резисторів, що мають К ф <1, починають з визначення довжини, замінюючи ширину В у формулі (2.2) на довжину l.
Питома потужність розсіювання резисторів на основі композиції паладій-срібло звичайно приймається рівної 3 Вт / сиг, проте товстоплівкові резистори можуть бути навантажені і сильніше, до 6 Вт / см і більше (для паст інших складів), за умови правильної організації охолодження.
Конденсатори. Діелектричні плівки в товстоплівкових мікросхемах застосовуються як діелектриків конденсаторів, міжшарової ізоляції, захисних шарів.
Діелектричні пасти для конденсаторів виготовляються на основі суміші керамічних матеріалів і флюсів. Товщина діелектричних товстих плівок для конденсаторів після термічної обробки складає 40-60 мкм.
Використовуючи плівки, що забезпечують питому ємність З = 3700 пФ / см 2, виготовляють конденсатори з номінальною ємністю від 500 до 300 пФ, а плівки з Со = 10000 пФ / см 2 дозволяють виробляти конденсатори в діапазоні від 100 до 2500 пФ. У більшості товстоплівкових гібридних схем і микросборок використовуються багатошарові дискретні керамічні конденсатори, оскільки на площі, необхідної для нанесення конденсатора з номіналом 300 пФ, можна розташувати навісний багатошаровий конденсатор на 10000 пФ. Похибка номінальної ємності конденсаторів зазвичай становить ± 15%. Пробивну напругу не менше 150 В.
Величина діелектричної проникності для діелектричних паст конденсаторів на основі композиції титанат барію - окис титану - окис алюмінію - легкоплавкое скло становить від 10 до 2000.
Виходячи з основного співвідношення, для ємності конденсатора
де
Розрахункова площа верхньої обкладки конденсатора визначається за формулою
S = C / C 0 (4)
де С - номінальна задане значення ємності; З 0-питома ємність.
Нижня обкладка конденсатора повинна виступати за край верхньої не менше, ніж на 0,3 мм , Плівка діелектрика - за край нижньої обкладки не менше, ніж на 0,2 мм . Пасти верхніх обкладок повинні бути інертні до лудіння.
Методи і матеріали для герметизації кристалів і плат
Під герметичністю розуміють здатність замкнутої конструкції не пропускати газ (рідина).
Абсолютно непроникних конструкцій не існує тому герметичність характеризується допустимої витоком (течио) газу (рідини), вимірюваної в одиницях потоку. Потік газу або рідини через мікроотвори висловлюють одиницею об'єму при певному тиску за певний час, тобто в м 3 • Па / с (1,32 • 10 -4 м 3 • Па / с = 1 л • мкм рт. ст. / с).
Корпуси напівпровідникових приладів та ІМС вважаються герметичними при натекания гелію не більш 1,32-10 "9 м 3-Па / с, Герметизація є однією з найважливіших заключних операцій технологічного процесу виробництва напівпровідникових приладів та ІМС, тому що забезпечує їх надійність і довговічність при механічних і кліматичних впливах в умовах експлуатації. Крім того, герметизація є останньою операцією складання напівпровідникових приладів та ІМС і від якості її виконання залежить вихід придатних виробів.
Підраховано, що трудомісткість складальних операцій (разом з герметизацією) деяких масових виробів мікроелектроніки (транзисторів, ІМС) перевищує трудомісткість всіх інших операцій. Забраковані негерметичні прилади є досить дорогі і майже готові вироби, що змушує з особливою ретельністю ставитися до процесів герметизації.
Постійне прагнення до підвищення компактності, мініатюризації і швидкодії електронних систем викликає збільшення щільності розсіюваною потужності (особливо в ІМС), що ускладнює тепловідвід від активних елементів, викликаючи додаткові вимоги до конструкції корпусів і способам їх герметизації. В даний час встановлено, що конструктивне виконання корпусів та їх герметизація не менш складні, ніж створення електронно-діркових переходів. Дослідження показали, що проникнення в процесі експлуатації в корпус транзистора навіть мізерної кількості вологи може викликати нестабільність його параметрів.
Такі способи герметизації корпусів напівпровідникових приладів, як заливка пластмасою, склеювання спеціальними клеями, склоцементу, глазур'ю або лаками, заварка склом, а також різні види зварювання та паяння, мають свої переваги і недоліки.
Герметизація пластмасою, наприклад, придатна для масового виробництва виробів мікроелектроніки широкого застосування. Прилади в пластмасовій оболонці характеризуються низькою вартістю, гарним зовнішнім виглядом, груповий технологією виробництва. Але пластмасова герметизація не забезпечує необхідної герметичності при випробуваннях на кліматичні впливи і в умовах експлуатації.
Деякі корпусу герметизують, приклеюючи керамічну кришку до металокерамічному підставі корпусу. Така герметизація надійна, не потребує дорогого устаткування, але процеси нанесення та затвердіння клею досить тривалі.
Герметизацію склоцементу, глазурями, лаками і склом застосовують обмежено.
Герметизація корпусів паянням. У виробництві виробів мікроелектроніки герметизацію корпусів пайкою використовують відносно рідко, тому що крім, порівняльної простоти (не потрібні складні оснащення, інструмент, обладнання; процес виконується без докладання значних тисків) вона має ряд недоліків. Так, при герметизації пайкою необхідний нагрів напівпровідникових приладів та ІМС до 200-420 ° С, що погіршує їхні параметри. Характерними видами браку при герметизації пайкою є утворення щілин (непропай) у з'єднаннях, затікання припою і флюсу всередину корпусу, перекоси деталей, часткове несмачіваніе поверхонь припоєм і ін Крім того, деталі, призначені для пайки, повинні мати дуже малі відхилення за плоскопаралельного і зазорам .
При герметизації деталей корпусів пайкою використовують непрямий контактний і безконтактний нагрів, гарячий інертний газ або Газополум'яний джерело.
При пайку з непрямим контактним нагріванням герметизируемой корпус укладають на нагрівач, розігрівають разом з припоєм до необхідної температури і накривають кришкою, а потім притискують її і охолоджують корпус. Зазвичай таку пайку виконують у середовищі захисного газу. Недоліком її є складність рівномірного нагріву корпусу і необхідність ретельної підгонки посадкового місця нагрівача до корпусів різних розмірів для створення гарного теплового контакту.
При пайку з непрямим безконтактним нагріванням (в конвеєрних газових печах) отримують кращі результати, тому що в цьому випадку підвищуються якість герметизації і продуктивність. Однак пайка в конвеєрних печах вимагає великої кількості складних касет, а сам процес недостатньо керований.
Пайка в струмені нагрітого інертного газу отримала найбільше розповсюдження. Цим способом, наприклад, герметизують корпусу з локальним золоченням деталей тільки в місцях з'єднання, використовуючи у вигляді окремої деталі припой, що складається з 99-99,5% олова і 0,1-1,0% вісмуту (сурми або срібла). Локальне золочення хоча і ускладнює герметизацію, але обмежує розтікання припою і знижує витрату золота. Товщина золотого покриття становить не більше 1,5-2 мкм.
Пайка в струмені нагрітого інертного газу застосовують також для герметизації металокерамічних корпусів з попереднім нанесенням шару припою олово - вісмут товщиною не менше 0,15 мм по периферії кришки. У цьому випадку на корпус по периметру, відповідному формі кришки, також наносять шар золота. При нагріванні деталей, що з'єднуються струменем гарячого газу шар припою на кришці плавиться, змочує золоте покриття і герметизує корпус.
Іноді нікелеві кришки золотять в кислому електроліті, використовують припій слово-вісмут-індій і нагрівання в струмені гарячого інертного газу. У процесі утворення паяного з'єднання золоте покриття повністю розчиняється у припої, який взаємодіє з чистою поверхнею нікелю, що знаходиться під золотом, утворюючи після кристалізації міцне герметичне з'єднання. Шов являє собою шар припою з дрібними включеннями часток золота і олова.
Газополум'яна паяння з використанням припою ПОС61 і ф л ю з а, при якій кришку корпусу нагрівають рухомим воднево-кисневим полум'ям, є досить продуктивним процесом герметизації (у 8-10 разів вище в порівнянні з паянням непрямим контактним нагріванням). Тим часом при термічних випробуваннях таких корпусів на надійність вони можуть стати негерметичними, так як золоте покриття кришки в зоні шва не повністю розчиняється у припої. Залишковий шар золота при термічних випробуваннях та експлуатації приладів або ІМС переходить в припой поступово і зв'язок кришки з припоєм порушується. Шар золота, який в даному випадку застосовують для поліпшення змочуваності, повинен бути не більше 2-3 мкм, що забезпечує його повне розчинення в припої.
Крім того, при герметизації напівпровідникових приладів та ІМС пайкою використовують микроплазменной нагрів.
Герметізіція корпусів контактної контурній електрозварюванням. Широке впровадження у виробництво контактної контурній електрозварювання стало можливим у зв'язку із створенням промислового зварювального обладнання та розробкою нових конструкцій корпусів, придатних для герметизації цим способом.
Як акумулюючої системи в установках контактної контурній електрозварювання зазвичай використовується батарея електролітичних конденсаторів. Електрична енергія, що накопичується при заряді конденсаторів від джерела постійної напруги (випрямляча), витрачається при їх розряді, перетворюючись у процесі зварювання в теплову енергію.
Достоїнствами цього виду зварювання є: постійну витрату електроенергії, що забезпечує високу відтворюваність результатів; короткочасність і концентроване тепловиділення в місці з'єднання, що забезпечує мінімальну зону нагріву зварюваних металів, безпосередньо навколишнє зварний шов; можливість якісного з'єднання різнорідних металів і сплавів, погано зварюються або зовсім не зварюються іншими способами.
Крім того, конденсаторна зварювання сприяє вирівнюванню фазової навантаження і повьпценію коефіцієнта потужності живильної електромережі.
Основними елементами установки контактної контурній електрозварювання (Малюнок 2) є випрямляч В, перетворює змінний струм в постійний, батарея конденсаторів С для накопичення (акумулювання) електроенергії і перемикач П для послідувало ного з'єднання батареї конденсаторів з джерелом живлення (випрямлячем) і зварювальним трансформатором Тр. призначеним для отримання в зварювального кола великих струмів при низькій напрузі.
Рис 2. Електрична схема установки контактної контурній електрозварювання
Накопичену в батареї конденсаторів енергію (Вт-с) визначають за формулою W = CU 2 ■ 10 ~ 6 / 2 (де С-робоча ємність батареї конденсаторів, мФ; U-напруга заряду конденсаторів, В). З цієї формули видно, що накопичену в конденсаторах енергію можна регулювати, змінюючи їх ємність, напругу заряду або одночасно обидва параметри.
При контактній електрозварювання з'єднуються деталі нагріваються теплотою, що виділяється при проходженні через них зварювального струму. Відомо два методи нагрівання деталей при контактній електрозварювання: опором або опором і оплавленням.
кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ на тему:
«Пасти для проводять, резисторних і діелектричних елементів, їх характеристики. Методи формування малюнка та матеріали для герметизації кристалів і плат »
МІНСЬК, 2008
Як матеріал для виготовлення товстоплівкових елементів приймаються резистивні, діелектричні і провідні пасти. Вони являють собою суспензію порошків наповнювача і скла в якій-небудь органічної сполучною рідини або розчині. Наповнювач є основою пасти і додає плівкам необхідні резистивні, які проводять або діелектричні властивості.
Основні вимоги, які пред'являються до паст: можливість нанесення їх через трафарет і термообробка (вжигание); воспроіеводімость властивостей; хороша адгезія до підкладки; сумісність з іншими елементами; відповідні електричні властивості; здатність до пайки і термокомпрессіі.
Плата повинна бути певною величиною плинності. Занадто велика плинність призводить до розтікання пасти і спотворення малюнка, а «червона плинність - до поганого продавлюванню пасти через трафарет.
В якості наповнювачів провідникових паст використовуються порошки металів і сплавів з розміром часток не більше 5 мкм. Розміри і форма частинок роблять сильний вплив на фізичні і електричні властивості товстих плівок. Наповнювачі наст повинні мати вкрай низькою хімічною активністю при високих температурах термообробки в оксидує середовищі і при зіткненні з хімічно активним склом, а також повинні бути сприйнятливі ft стійкі (нерозчинні) до впливів припою, що застосовується при монтажі паянням. Це пояснюється застосування в якості наповнювачів благородних металів: золота, срібла, сплавів золото-паладій, золото-платина,. срібло-паладій та інших Порівняльна оцінка провідникових паст на основі різних наповнювачів наведена У таблиці 1.
Властивості провідникових паст Таблиця 1
| Наповнювач | Вартість | Електропровідність | Адгезія | Стійкість до розплавленого припою | Контакт з резисторами | Міграція |
| Au | 4 | 3 | 4 | 5 | 5 | 2 |
| Pt - Au | 5 | 5 | 3 | 3 | 1 | 1 |
| Au - Pd | 3 | 4 | 3 | 2 | 3 | 2 |
| Ag - Pd | 2 | 2 | 2 | 3 | 2 | 3 |
| Ag | 1 | 1 | 1 | 5 | 4 | 5 |
Поряд з наведеними У таблиці 1 наповнювачами для провідникових паст застосовуються неблагородні метали: мідь, нікель, алюміній, вольфрам, молібден. Вони забезпечують не тільки меншу вартість паст, а й у ряді випадків кращі параметри і стабільність при високих температурах. Мідь, наприклад, є єдиним металом з високою електропровідністю, до якого можна приєднувати зовнішні висновки як зварюванням, так і паянням. Крім того, мідь має гарну адгезію до алюмокераміческім подложкам, високу теплопровідність, стійкість до видужування, і радіації, хороші властивості в діапазоні НВЧ.
В якості наповнювачів резистивних паст застосовується срібло, золото, паладій, платина, реній, оксиди талію, рутенію, ренію, паладію, а також різні композиції: срібло-паладій-оксид паладію, срібло-оксид рутенію, вісмут-рутеній, рутеній-іридій, платина-оксид іридію та ін товстоплівкові резистори мають номінали опорів від 1 до 10 Ом, питомий опір від 1 до 10 7 Ом / а і широкий діапазон значень ТКС.
При виготовленні діелектричних паст для конденсаторів в якості наповнювачів застосовують суміші порошків керамічних матеріалів і флюсів, а також скла і ферроелектріческіх матеріалів. Наприклад, пасти на основі композиції титанат барію - оксид титану - оксид алюмінію - легкоплавкое скло мають діелектричну проникність від 10 до 2000.
Діелектрики для межуровневом ізоляції провідників виготовляють на основі склокерамічних матеріалів. Але порівняно з діелектриками для конденсаторів вони володіють меншою діелектричною проникністю.
В якості постійного сполучного до складу паст входять скла, які не видаляються після формування плівки і залишаються в готовому плівковому елементі. У провідникової пасті, скло служить для утримування в контакті зерен наповнювача і для забезпечення адгезії товстої плівки до підкладки. При виборі складу скла необхідно враховувати залежність його в'язкості від температури, змочування підкладки, хімічну активність і коефіцієнт термічного розширення. Ці властивості скла впливають на режим термообробки, на освіту механічних зв'язків між зернами металевого наповнювача, на питомий опір плівки і процеси приєднання висновків до контактних площадок. Від складу скла в значній мірі залежить стабільність параметрів резисторів. У діелектрику, що застосовується для межуровневом ізоляції провідників, постійне сполучна є одночасно і основним функціональним компонентом. У діелектрики конденсаторів скло не повинне вносити дефектів, що призводять до виникнення коротких замикань між обкладками. В якості постійного сполучного застосовуються легкоплавкі стекла: свинцево-боросилікатне, цінкоборо-силікатні, кадмієві.
В якості органічних сполучних і розчинників паст може застосовуватися широкий набір матеріалів: етілцеллюдоза, воски, ланолін, вазелінове масло, циклогексан, рідкі смоли, органічні розчинники.
Органічні сполучні і розчинники вводяться для забезпечення рівномірного розподілу часток порошків різних компонентів у процесі приготування пасти, для отримання певної консистенції і для додання пасті необхідної в'язкості. При нанесенні пасти на підкладку органічні зв'язуючі повністю видаляються в процесі термообробки. При неповному видаленні органічних сполучних у складі діелектрика, наприклад, залишається вуглець, який різко підвищує електропровідність.
Спеціальні добавки вводять до складу паст для поліпшення адгезії, паяемости, для додання пастам тиксотропність та ін
ТіксотроПностио називається здатність паст під дією механічного тиску збільшувати текучість і потім після припинення впливу тиску знову загусати. Для додання пастам тиксотропних властивостей в їх склад вводять високомолекулярні з'єднання, наприклад, фуранкарбоновую або терефталева кислоти.
Методи формування малюнка. Трафаретний друк.
Провідники. Провідники товстоплівкових схем виконуються шляхом нанесення через трафарети провідникових паст.
Провідникові пасти повинні забезпечити отримання наступних характеристик композиції (після вжіганін):
1. Високу питому провідність щоб уникнути помітного падіння напруги та нагрівання.
2. Високу адгезію плівки з підкладкою, оскільки безпосередньо до неї приєднуються висновки і навісні елементи.
3. Можливість приєднання до поверхонь провідників монтажних проводів і навісних елементів пайкою або зварюванням.
4. Композиція повинна бути стійка до впливів, пов'язаних з виконанням технологічних процесів, і витримувати задані умови експлуатації.
Проектування топології товстоплівкових провідників багато в чому аналогічно проектування друкованих плат. Провідники повинні виготовлятися гранично короткими, щоб зменшити опір схеми. Поверхневий опір товстоплівкових провідників повинен змінюватися в межах від 0,005 Ом / а до 0,1 Ом / а в залежності від типу застосовуваної пасти. Для нанесення провідників необхідно використовувати тільки одну сторону підкладки. Кількість перетинів має бути мінімальним, оскільки для їх створення необхідні дві додаткові операції нанесення і вжигания плівок (нанесення міжшарового діелектрика і другого провідного шару). Для сучасної технології стандартною шириною провідника вважається
Товщина шару провідника, наприклад, на основі композицій паладій-срібло становить 10-25 мкм, мінімальна ширина (довжина) провідника коливається в межах 0,15 -
Резистори. Резистивні пасти виготовляються на основі більш високоомних функціональних матеріалів, зазвичай композицій: срібло-паладій-окис паладію, срібло-окис рутенію, вісмут-рутеній, рутеній-іридій, платина-окис іридію. Резистивні пасти, що виготовляються на основі композиції паладій-срібло забезпечують номінальні опору резисторів від 25 Ом до 1 МОм. Опір квадрата резистивної плівки відповідає ряду значень: 5,100,500,1000,3000,6000,20000,50000 Ом / а. Температурний коефіцієнт опору подібних паст не перевищує 800.10 -6 1/град в інтервалі температур -60 ... +125 ° С. Товщина резистивних плівок після вжигания становить приблизно 18-25 мкм.
Облік відношення довжини плівкового резистора L до його ширини В є дуже важливим при проектуванні товстоплівкових резисторів. Відношення сторін L / B або B / L ніколи не повинно перевищувати 10. Його краще вибирати рівним 3 або менше. При проектуванні схеми слід уникати зигзагоподібних резисторів або резисторів у формі меандру. При такій геометрії на резисторі утворюються області перегріву, а опір резистора важко підганяти до номіналу. Мінімальний розмір резистора повинен бути близько 0,5 x0, 5 км, однак резистори повинні бути по можливості великими для збільшення відсотка виходу придатних і полегшення їх подальшої підгонки. Для забезпечення надійного електричного контакту резистор має бути вже провідника на
Мінімальна відстань від краю контактної площадки до краю резистора повинно бути не менше
Розрахунок резисторів проводиться таким чином. Номінальне значення опору резистора визначається за формулою
R = p a K ф (1)
де p a - опір квадрата резистивної плівки, Ом / а;
K = l / i, - коефіцієнт форми.
Малюнок 1. Товстоплівкових резистор; I - резистивна плівка, 2 - контактна майданчик.
Ширина резистора
де Р - розрахункове значення потужності розсіювання резистора, Вт; Р о - максимальна питома потужність розсіювання резистивної плівки, Вт / мм 2; К р - коефіцієнт запасу потужності, що враховує підгонку резистора, К Р = 2п/100 + 1; п-допустима негативне відхилення опору резистора від номінального до підгонки,%.
Максимальне значення Р приймається дорівнює 52%. Розрахункова довжина резистора визначається зі співвідношення для К ф і за формулою (2.2). Розрахунок резисторів, що мають К ф <1, починають з визначення довжини, замінюючи ширину В у формулі (2.2) на довжину l.
Питома потужність розсіювання резисторів на основі композиції паладій-срібло звичайно приймається рівної 3 Вт / сиг, проте товстоплівкові резистори можуть бути навантажені і сильніше, до 6 Вт / см і більше (для паст інших складів), за умови правильної організації охолодження.
Конденсатори. Діелектричні плівки в товстоплівкових мікросхемах застосовуються як діелектриків конденсаторів, міжшарової ізоляції, захисних шарів.
Діелектричні пасти для конденсаторів виготовляються на основі суміші керамічних матеріалів і флюсів. Товщина діелектричних товстих плівок для конденсаторів після термічної обробки складає 40-60 мкм.
Використовуючи плівки, що забезпечують питому ємність З = 3700 пФ / см 2, виготовляють конденсатори з номінальною ємністю від 500 до 300 пФ, а плівки з Со = 10000 пФ / см 2 дозволяють виробляти конденсатори в діапазоні від 100 до 2500 пФ. У більшості товстоплівкових гібридних схем і микросборок використовуються багатошарові дискретні керамічні конденсатори, оскільки на площі, необхідної для нанесення конденсатора з номіналом 300 пФ, можна розташувати навісний багатошаровий конденсатор на 10000 пФ. Похибка номінальної ємності конденсаторів зазвичай становить ± 15%. Пробивну напругу не менше 150 В.
Величина діелектричної проникності для діелектричних паст конденсаторів на основі композиції титанат барію - окис титану - окис алюмінію - легкоплавкое скло становить від 10 до 2000.
Виходячи з основного співвідношення, для ємності конденсатора
де
Розрахункова площа верхньої обкладки конденсатора визначається за формулою
S = C / C 0 (4)
де С - номінальна задане значення ємності; З 0-питома ємність.
Нижня обкладка конденсатора повинна виступати за край верхньої не менше, ніж на
Методи і матеріали для герметизації кристалів і плат
Під герметичністю розуміють здатність замкнутої конструкції не пропускати газ (рідина).
Абсолютно непроникних конструкцій не існує тому герметичність характеризується допустимої витоком (течио) газу (рідини), вимірюваної в одиницях потоку. Потік газу або рідини через мікроотвори висловлюють одиницею об'єму при певному тиску за певний час, тобто в м 3 • Па / с (1,32 • 10 -4 м 3 • Па / с = 1 л • мкм рт. ст. / с).
Корпуси напівпровідникових приладів та ІМС вважаються герметичними при натекания гелію не більш 1,32-10 "9 м 3-Па / с, Герметизація є однією з найважливіших заключних операцій технологічного процесу виробництва напівпровідникових приладів та ІМС, тому що забезпечує їх надійність і довговічність при механічних і кліматичних впливах в умовах експлуатації. Крім того, герметизація є останньою операцією складання напівпровідникових приладів та ІМС і від якості її виконання залежить вихід придатних виробів.
Підраховано, що трудомісткість складальних операцій (разом з герметизацією) деяких масових виробів мікроелектроніки (транзисторів, ІМС) перевищує трудомісткість всіх інших операцій. Забраковані негерметичні прилади є досить дорогі і майже готові вироби, що змушує з особливою ретельністю ставитися до процесів герметизації.
Постійне прагнення до підвищення компактності, мініатюризації і швидкодії електронних систем викликає збільшення щільності розсіюваною потужності (особливо в ІМС), що ускладнює тепловідвід від активних елементів, викликаючи додаткові вимоги до конструкції корпусів і способам їх герметизації. В даний час встановлено, що конструктивне виконання корпусів та їх герметизація не менш складні, ніж створення електронно-діркових переходів. Дослідження показали, що проникнення в процесі експлуатації в корпус транзистора навіть мізерної кількості вологи може викликати нестабільність його параметрів.
Такі способи герметизації корпусів напівпровідникових приладів, як заливка пластмасою, склеювання спеціальними клеями, склоцементу, глазур'ю або лаками, заварка склом, а також різні види зварювання та паяння, мають свої переваги і недоліки.
Герметизація пластмасою, наприклад, придатна для масового виробництва виробів мікроелектроніки широкого застосування. Прилади в пластмасовій оболонці характеризуються низькою вартістю, гарним зовнішнім виглядом, груповий технологією виробництва. Але пластмасова герметизація не забезпечує необхідної герметичності при випробуваннях на кліматичні впливи і в умовах експлуатації.
Деякі корпусу герметизують, приклеюючи керамічну кришку до металокерамічному підставі корпусу. Така герметизація надійна, не потребує дорогого устаткування, але процеси нанесення та затвердіння клею досить тривалі.
Герметизацію склоцементу, глазурями, лаками і склом застосовують обмежено.
Герметизація корпусів паянням. У виробництві виробів мікроелектроніки герметизацію корпусів пайкою використовують відносно рідко, тому що крім, порівняльної простоти (не потрібні складні оснащення, інструмент, обладнання; процес виконується без докладання значних тисків) вона має ряд недоліків. Так, при герметизації пайкою необхідний нагрів напівпровідникових приладів та ІМС до 200-420 ° С, що погіршує їхні параметри. Характерними видами браку при герметизації пайкою є утворення щілин (непропай) у з'єднаннях, затікання припою і флюсу всередину корпусу, перекоси деталей, часткове несмачіваніе поверхонь припоєм і ін Крім того, деталі, призначені для пайки, повинні мати дуже малі відхилення за плоскопаралельного і зазорам .
При герметизації деталей корпусів пайкою використовують непрямий контактний і безконтактний нагрів, гарячий інертний газ або Газополум'яний джерело.
При пайку з непрямим контактним нагріванням герметизируемой корпус укладають на нагрівач, розігрівають разом з припоєм до необхідної температури і накривають кришкою, а потім притискують її і охолоджують корпус. Зазвичай таку пайку виконують у середовищі захисного газу. Недоліком її є складність рівномірного нагріву корпусу і необхідність ретельної підгонки посадкового місця нагрівача до корпусів різних розмірів для створення гарного теплового контакту.
При пайку з непрямим безконтактним нагріванням (в конвеєрних газових печах) отримують кращі результати, тому що в цьому випадку підвищуються якість герметизації і продуктивність. Однак пайка в конвеєрних печах вимагає великої кількості складних касет, а сам процес недостатньо керований.
Пайка в струмені нагрітого інертного газу отримала найбільше розповсюдження. Цим способом, наприклад, герметизують корпусу з локальним золоченням деталей тільки в місцях з'єднання, використовуючи у вигляді окремої деталі припой, що складається з 99-99,5% олова і 0,1-1,0% вісмуту (сурми або срібла). Локальне золочення хоча і ускладнює герметизацію, але обмежує розтікання припою і знижує витрату золота. Товщина золотого покриття становить не більше 1,5-2 мкм.
Пайка в струмені нагрітого інертного газу застосовують також для герметизації металокерамічних корпусів з попереднім нанесенням шару припою олово - вісмут товщиною не менше
Іноді нікелеві кришки золотять в кислому електроліті, використовують припій слово-вісмут-індій і нагрівання в струмені гарячого інертного газу. У процесі утворення паяного з'єднання золоте покриття повністю розчиняється у припої, який взаємодіє з чистою поверхнею нікелю, що знаходиться під золотом, утворюючи після кристалізації міцне герметичне з'єднання. Шов являє собою шар припою з дрібними включеннями часток золота і олова.
Газополум'яна паяння з використанням припою ПОС61 і ф л ю з а, при якій кришку корпусу нагрівають рухомим воднево-кисневим полум'ям, є досить продуктивним процесом герметизації (у 8-10 разів вище в порівнянні з паянням непрямим контактним нагріванням). Тим часом при термічних випробуваннях таких корпусів на надійність вони можуть стати негерметичними, так як золоте покриття кришки в зоні шва не повністю розчиняється у припої. Залишковий шар золота при термічних випробуваннях та експлуатації приладів або ІМС переходить в припой поступово і зв'язок кришки з припоєм порушується. Шар золота, який в даному випадку застосовують для поліпшення змочуваності, повинен бути не більше 2-3 мкм, що забезпечує його повне розчинення в припої.
Крім того, при герметизації напівпровідникових приладів та ІМС пайкою використовують микроплазменной нагрів.
Герметізіція корпусів контактної контурній електрозварюванням. Широке впровадження у виробництво контактної контурній електрозварювання стало можливим у зв'язку із створенням промислового зварювального обладнання та розробкою нових конструкцій корпусів, придатних для герметизації цим способом.
Як акумулюючої системи в установках контактної контурній електрозварювання зазвичай використовується батарея електролітичних конденсаторів. Електрична енергія, що накопичується при заряді конденсаторів від джерела постійної напруги (випрямляча), витрачається при їх розряді, перетворюючись у процесі зварювання в теплову енергію.
Достоїнствами цього виду зварювання є: постійну витрату електроенергії, що забезпечує високу відтворюваність результатів; короткочасність і концентроване тепловиділення в місці з'єднання, що забезпечує мінімальну зону нагріву зварюваних металів, безпосередньо навколишнє зварний шов; можливість якісного з'єднання різнорідних металів і сплавів, погано зварюються або зовсім не зварюються іншими способами.
Крім того, конденсаторна зварювання сприяє вирівнюванню фазової навантаження і повьпценію коефіцієнта потужності живильної електромережі.
Основними елементами установки контактної контурній електрозварювання (Малюнок 2) є випрямляч В, перетворює змінний струм в постійний, батарея конденсаторів С для накопичення (акумулювання) електроенергії і перемикач П для послідувало ного з'єднання батареї конденсаторів з джерелом живлення (випрямлячем) і зварювальним трансформатором Тр. призначеним для отримання в зварювального кола великих струмів при низькій напрузі.
Рис 2. Електрична схема установки контактної контурній електрозварювання
Накопичену в батареї конденсаторів енергію (Вт-с) визначають за формулою W = CU 2 ■ 10 ~ 6 / 2 (де С-робоча ємність батареї конденсаторів, мФ; U-напруга заряду конденсаторів, В). З цієї формули видно, що накопичену в конденсаторах енергію можна регулювати, змінюючи їх ємність, напругу заряду або одночасно обидва параметри.
При контактній електрозварювання з'єднуються деталі нагріваються теплотою, що виділяється при проходженні через них зварювального струму. Відомо два методи нагрівання деталей при контактній електрозварювання: опором або опором і оплавленням.