Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Для защиты кристаллов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем от воздействий внешней среды, стабилизации параметров, повышения срока службы и надёжности осуществляют герметизацию в металлических, металлостеклянных, керамических, металлокерамических и пластмассовых корпусах. В отдельных случаях, особенно при защите активных и пассивных элементов гибридных микросхем, производят бескорпусную герметизацию.

Наряду с защитой полупроводниковых приборов и микросхем помещением их в корпус применяют герметизацию полимерными оболочками. Разработка эффективных способов пассивации поверхности полупроводников плёнками неорганических диэлектриков (оксидов, нитридов, легкоплавких стёкол и др.), а так же различных полимерных компаундов и пресс порошков, обладающих высокими защитными свойствами, позволила широко использовать этот метод в производстве полупроводниковых приборов и микросхем.

1. Корпус ИМС

Корпуса предназначены для защиты элементов и компонентов ИС от климатических (влага, газы) и механических воздействий и светового облучения. Корпус обеспечивает эффективный отвод тепла от тепловыделяющих элементов и компонентов микросхемы. Металлический корпус осуществляет также экранирование от воздействия электростатических, а в некоторых случаях и магнитных полей. Корпус имеет выводы, с помощью которых микросхему монтируют на печатную плату. Контактные площадки платы ИС электрически соединены с выводами корпуса.

В зависимости от материалов корпуса делятся на следующие типы: металлостеклянные, стеклянные, керамические, металлополимерные, пластмассовые, полимерные.

а, б, в-металлостеклянных; г - стеклянного; д - керамического; е, ж - металлополимерных; з - пластмассового; и, к - полимерных

Рисунок 1 - Схемы конструкций корпусов микросхем

В металлостеклянных корпусах армирование и крышку выполняют из металла, а выводы изолируют от основания стеклом

Металлокерамические корпуса состоят из керамического основания с выводами и металлической крышки. Так как из-за высокой температуры спекания керамики армировать основание металлическими выводами невозможно, их в специальной технологической рамке впаивают в него стеклом. Кроме того, к бортику керамического основания стеклом припаивают металлическую рамку, к которой сваркой или пайкой присоединяют металлическую крышку. Так как рамка и крышка должны при пайке хорошо смачиваться припоем на основе олова, их предварительно покрывают тонким слоем никеля, меди или золота. Выводы можно также присоединять к керамическому основанию с помощью проводящих паст.

Стеклянные корпуса более технологичны и состоят из стеклянного основания и металлической или стеклянной крышки. В процессе формовки основание армируют выводами и металлической рамкой, а затем спекают, в результате чего образуется металлостеклянный спай.

В керамических корпусах как крышка, так и основание выполнены из керамики. Это позволяет монтировать внешние выводы и выполнять герметизацию пайкой стеклом без рамки, что упрощает конструкцию.

Во избежание термических напряжений и растрескивания, рассмотренные корпуса изготовляют из материалов, имеющих близкие по значению температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР). Стекло, кроме того, в процессе сборки и герметизации приборов и ИМС не должно размягчаться при нагревании. Наиболее удачными парами материалов являются железо-никель-кобальтовый сплав 29НК (ковар) - стекло С48-2 или С49-2 (температуры размягчения 570 и 585°С), железо-никель-медный сплав 47НД - стекло С89-8 или С90-1 (температуры размягчения 530 и 550°С); керамика 22ХС или «Поликор» - стекло С72-4 (температура размягчения около 560°С). При получении спаев стекло - металл металлическую поверхность предварительно оксидируют.

В пластмассовых корпусах крышки приклеивают к основаниям специальными клеями. Этот вариант герметизации применяют только при изготовлении малоответственных ИМС, так как он не обеспечивает вакуумношотную защиту.

К корпусу ИС предъявляется ряд требований, обусловленных ее назначением и электрическими параметрами, особенностями сборки как самих ИС, так и сборки ИС на печатных платах, назначением, особенностями конструкции и условиями эксплуатации аппаратуры, в которой используются ИС. К этим требованиям относятся: герметичность конструкции, высокая надежность, малые габариты, эффективный теплоотвод, малые паразитные электрические параметры выводов (активное сопротивление, индуктивность и емкость), высокая механическая прочность, простота монтажа на печатных платах, легкость съема с печатной платы при необходимости ремонта, низкая стоимость, защита от светового облучения. К корпусу могут предъявляться требования, обусловленные специфическим назначением микросхемы: электростатическое и (или) магнитное экранирование, обеспечение возможности воздействия света при обработке оптической информации или при стирании информация в программируемых (полупостоянных) запоминающих устройствах (ПП3У) ультрафиолетовым облучением и др.

Основные требования, предъявляемые к корпусу, следующие:

1. механическая прочность и герметичность, обеспечивающие надежную защиту
микросхемы от воздействия окружающей среды и механических повреждений;

2. высокая теплопроводность;

3. возможность надежного электрического соединения контактных площадок микросхем с выводами корпуса;

4. возможность надежного крепления микросхемы при монтаже в аппаратуре;

5. простота изготовления и герметизации;

6. низкая стоимость.

Первые два требования обычно находятся в противоречии с двумя последними: пока не разработаны простые и дешевые корпуса, способные надежно защищать схему в тяжелых условиях эксплуатации. Испытания показывают, что интенсивность отказав ИС в трудоемких и дорогостоящих керамических корпусах в 3 -10 раз ниже, чем в самых дешевых полимерных корпусах. Высокая интенсивность отказов микросхем в полимерных корпусах объясняется их низкой влагостойкостью. Молекулы воды, размеры которых порядка 3А, проникают внутрь корпуса не только по границам раздела корпус - вывод, но и через толщу полимера.

Обеспечение герметичности корпуса. Элементы и компоненты ИС, предназначенных для работы в условиях повышенной влажности и в атмосфере различных газовых сред, следует помещать в корпуса, обеспечивающие полную герметизацию. Герметичность корпуса достигается применением непроницаемых для влаги и газов материалов и вакуумплотным соединением этих материалов.

В конструкциях корпусов широко используются соединения металлов с металлами, стеклом, керамикой и полимерами, керамики с керамикой и стеклом, стекла со стеклом и др. Высокотемпературные стекла и керамику обычно соединяют с помощью промежуточного слоя легкоплавкого стекла. Определенные трудности возникают при образовании вакуумплотных соединений металлов с керамикой и стеклом. Они обусловлены различными ТКЛР и коэффициентами теплопроводности. Дело в том, что при изготовлении корпуса, сборке микросхемы, эксплуатации детали конструкции подвергаются большим перепадам температуры. Из-за разницы ТКЛР и коэффициентов теплопроводности (разная скорость нагрева деталей) в элементах конструкции возникают большие механические напряжения, приводящие к растрескиванию соединений и нарушению герметичности. Опыт показывает, что разница ТКЛР соединяемых материалов должна составлять 1*10^-6°С^-1. ТКЛР материалов, применяемых при изготовлении герметичных корпусов, указаны в табл. 1.

интегральный корпус микросхема герметизация

Таблица 1 - Параметры материалов, применяемых для изготовления корпусов

Материал	Состав, %	ТКЛР, 10-6°С-1	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м *°С)
Алюминиевая керамика	94…96А12О3, 6…4MgOn Si02	6,4… 7,9	19,6
Бериллиевая керамика	97…99 BeO	7,0	208
Боросиликатное стекло	-	4,6	1,1
Припайное стекло	58РbO, 12Ва2О3, 20SiO2, 8ZnO, 2 - прочие окислы	4,0… 12,0	-
Ковар	18Co, 28Ni, 54Fe	4,7…5,5	16,7
Керамвар	25Co, 27Ni, 48Fe	8,1	-
Припой	61 Sn, 39Pb	21,5	-
Пластмассы	-	20…200	0,3…2,0

Для согласования ТКЛР металла со стеклом или керамикой используются буферные материалы с промежуточным значением ТКЛР. В роли буфера широко применяют так называемые припайные стекла, имеющие сравнительно невысокую температуру размягчения (~500° С). При нагреве припайное стекло размягчается и омачивает соединяемые поверхности подобно тому, как припой смачивает соединяемые металлические детали. ТКЛР припайного стекла находится в пределах (4…12) - 10^-6°С^-1. Его величина зависит от времени и температуры термообработки в процессе соединения материалов. Это обусловлено тем, что размеры кристаллов, образующихся после расплавления стекла, зависят от температуры и длительности термообработки. Кристаллизующийся спай обеспечивает высокую механическую прочность соединяемых материалов. Допускается многократный изгиб выводов без нарушения герметизации. Возникающие на поверхности стекла микротрещины оканчиваются на гранях приповерхностных кристаллов и не распространяются в глубь спая.

Для образования герметичных соединений керамики с керамикой и керамики с металлом используют также покрытые припоем слои воженного металла (серебра) в керамику. Сочетания керамики, стекла и металлов с пластмассами не обеспечивают полностью герметичных соединений вследствие большой разницы в тклр (см. табл. 1) и высокой влагопроницаемости пластмасс. Эпоксидные, фенольные и силиконовые пластмассы используются только в корпусах микросхем, предназначенных для работы в умеренных условиях (влажность <85%).

В зависимости от конструкции корпуса в практике производства находят применение следующие способы герметизации: холодная сварка давлением, электроконтактная конденсаторная сварка, пайка, заливка компаундами, склеивание, опрессовка компаундами.

2. Эксплуатационные и технологические требования

Конструирование корпуса и проектирование монтажно-сборочных операций должны составлять единую систему конструкторско-технологического проектирования микросхемы, в которой учитывается комплекс эксплуатационных и технологических требований:

1) надежно защищать элементы и соединения микросхемы от воздействий окружающей среды;

2) обеспечивать чистоту и стабильность характеристик материалов, находящихся в непосредственном соприкосновении с кристаллом полупроводниковой микросхемы или платой гибридной микросхемы;

3) обеспечивать удобство и надежность монтажа и сборки микросхемы в корпус;

4) отводить от неё тепло;

5) обеспечивать электрическую изоляцию между токопроводящими элементами микросхемы и корпусом;

6) обладать коррозионной и радиационной стойкостью;

7) обеспечивать надежное крепление, удобство монтажа и сборки корпусов в составе конструкции ячеек и блоков микроэлектронной аппаратуры;

8) быть простой, дешевой в изготовлении, обладать высокой надежностью.

Выводы корпуса должны быть механически прочными, устойчивыми к воздействию окружающей среды и технологическим воздействиям при создании конструкций микроэлектронной аппаратуры, хорошо смачиваться припоем, поддаваться формовке, иметь высокую электропроводность.

3. Виды корпусов ИМС

3.1 Металлостеклянные и металлокерамические

Металлостеклянные и металлокерамические корпуса состоят из металлического дна и металлической крышки, а также стеклянных и керамических деталей, в которые впаяны или впрессованы металлические круглого или прямоугольного сечения выводы. Металлическое дно также спаяно или спрессовано со стеклом или керамикой. Такие корпуса герметизируются созданием вакуум-плотного соединения крышки с вваренным в диэлектрик фланцем за счёт пайки или сварки. Монтажная площадка, контактные площадки и выводы таких корпусов имеют золотое покрытие толщиной 2…5 мкм для обеспечения монтажа кристаллов эвтектической пайкой или улучшения паяемости выводов при сборке. Если золочение монтажной площадки не осуществляется, для монтажа микросхемы в корпус эвтектическую пайку не применяют, а используют только клей холодного отверждения.

Рисунок 2 - Конструкция металлостеклянного корпуса

Для изготовления металлостеклянных и металлокерамических корпусов используются дефицитные материалы: золото, никель-кобальтовые сплавы, - поэтому они применяются лишь для микросхем специального назначения, дорогостоящих БИС и СБИС с большим количеством выводов.

Рисунок 3 - Конструкция металлокерамического корпуса с большим количеством выводов

При монтаже микросхем в аппаратуре и в процессе эксплуатации механические воздействия на выводы могут нарушить герметичность спая. С этой точки зрения более надежную герметичность обеспечивают корпусы, у которых внешние выводы монтируются вне герметизируемого объёма.

3.2 Керамические корпуса

Керамические корпуса (рис. 1) очень распространены (в этом варианте выполнено большое количество их типоразмеров), хотя они обладают худшими по сравнению с металлостеклянными и металлокерамическими корпусами защитными свойствами и характеристиками надежности из-за большей хрупкости керамического основания и крышки, если она выполняется тоже из керамики. Керамические корпуса имеют более высокое тепловое сопротивление. Внешние плоские металлические выводы прямоугольного сечения привариваются к внешним контактным площадкам керамического корпуса сбоку (рис. 1) или поверх его основания (рис. 2). Основным требованием к материалам керамических корпусов является согласование по температурным коэффициентам расширения (ТКР) с конструктивными элементами интегральных микросхем, иначе трудно избежать возникновения остаточных напряжений при проведении последующих технологических процессов и эксплуатации.

Керамическими являются и корпуса, показанные на рис. 3, называемые микрокорпусами или ещё кристаллодержателями. Они представляют собой керамическую пластину, внутри которой встроены металлические дорожки, а по периметру расположены металлизированные контактные площадки, используемые в качестве внешних выводов. Такая конструкция позволяет уменьшить размеры, увеличить стойкость к механическим воздействиям, улучшить схемотехнические характеристики, повысить технологичность, снизить стоимость корпусов. Благодаря более коротким выводам верхний частотный предел микросхемы, помещенной в кристаллодержатель, увеличивается примерно в 3 раза по сравнению с частотным пределом той же микросхемы, размещенной в другой корпус.

Рисунок 4 - Конструкция керамического корпуса

Упрощается технологический процесс установки и сборки кристаллодержателей в микросборках и на печатных платах, ремонтопригодность аппаратуры за счёт упрощения процесса смены (перепайки) микрокорпусов.

3.3 Пластмассовые

Наиболее дешев и доступен пластмассовый корпус (рис. 6). Защитные свойства пластмассовых корпусов невысоки в связи с тем, что пластмассы обладают низкими влагозащитными характеристиками и, кроме того, герметичность соединений металла с пластмассой нарушается из-за большой разницы ТКЛР этих материалов.

Недостатком также является плохой теплоотвод (на порядок ниже, чем у металлических корпусов), что имеет особо важное значение в схемах с высокой степенью интеграции. В связи с этим применение пластмассовых корпусов разрешено для герметизации малоответственных микросхем, устанавливаемых в стационарной аппаратуре, работающей в закрытых помещениях, в бытовой аппаратуре.

Первый способ состоит в заливке формовочного материала в стальную формовочную матрицу, отвердении и удаления формы. Собранные схемы загружаются в формы, которые перемещаются вдоль операционного участка автомата. Тщательно перемешанная эпоксидная смола автоматическим питателем заливается в формы, которые откачиваются для удаления пузырьков из смолы. После этого они отверждаются при нагреве.

Второй метод изготовления пластмассовых корпусов ИМС - трансферная прессовка. Он применяется наиболее широко и заключается в следующем: интегральную схему помещают в закрытую форму, в которую вносят сухой материал. Термоактивную смолу нагревают под давлением и доводят её до жидкого состояния. После заполнения формы жидкой смолой и выдержки при повышенных температурах и давлении происходит полимеризация смолы. Затем форма открывается, и из неё извлекается герметизированная ИМС.

Рисунок 5 - Сборочный чертёж полупроводниковой микросхемы в пластмассовом корпусе

Существует несколько методов герметизации в пластмассовые корпуса: формовка заливкой, трансферная прессовка и др.

Трансферная прессовка имеет ряд преимуществ по сравнению с методом заливки: меньшие допуска на размеры ИМС, меньшую продолжительность рабочего цикла, хорошую воспроизводимость и производительность.

Лучшее соединение между металлом и пластмассой получается при использовании специальных очень тонких грунтовочных или соединительных слоёв. Это повышает адгезию и влагозащищённость.

3.4 Металлополимерные

В металлополимерных корпусах (рис. 7, а, б) большая часть поверхности защищена металлическим кожухом (капсулой) 1, а герметизация выводов 2 осуществляется заливкой полимерным компаундом 3.



1. - металлический кожух (капсула), 2 - вывода, 3 - полимерный компаунд.

Рисунок 6 - Метало полимерный корпус

При повышенной стойкости против воздействия влаги и механических нагрузок такая конструкция сохраняет и высокую технологичность. Герметичность в условиях термоциклирования повышается, если капсула изготовлена из мягкого металла, в частности алюминия. Для улучшения адгезии с компаундом поверхность алюминия целесообразно анодировать.

4 Современный этап развития корпусов для герметизации кристаллов

В 1980-х годах количество контактов СБИС превысило возможности DIP корпусов, что привело к созданию корпусов PGA (pin grid array) и LCC (leadless chip carrier). В конце 80-ых, с ростом популярности поверхностного монтажа, появляются корпуса SOIC (Small-Outline Integrated Circuit), имеющие на 30-50% меньшую площадь чем DIP и на 70% более тонкие и корпуса PLCC (Plastic leaded chip carrier). В 90-ых начинается широкое использование plastic quad flat pack (PQFP) и TSOP (thin small-outline package) для интегральных схем с большим количеством выводов. Для сложных микропроцессоров, особенно для устанавливаемых в сокеты, используются PGA-корпуса. В настоящее время, Intel и AMD перешли от корпусов PGA к LGA (land grid array, разъем с матрицей контактных площадок).

На современном этапе можно выделить 4 типа корпусов в которые осуществляется герметизация кристаллов:

4.1 С вертикальными выводами, расположенными перпендикулярно плоскости корпуса интегральной микросхемы

DIP (Dual In-line Package, также DIL) - корпус с двумя рядами контактов тип корпуса микросхем, микросборок и некоторых других электронных компонентов. Имеет прямоугольную форму с двумя рядами выводов по длинным сторонам. Может быть выполнен из пластика (PDIP) или керамики (CDIP). Керамический корпус применяется из-за схожего с кристаллом коэффициента температурного расширения. При значительных и многочисленных перепадах температур в керамическом корпусе возникают заметно меньшие механические напряжения кристалла, что снижает риск его механического разрушения или отслоения контактных проводников. Также, многие элементы в кристалле способны менять свои электрические характеристики под воздействием напряжений и деформаций, что сказывается на характеристиках микросхемы в целом. Керамические корпуса микросхем применяются в технике, работающей в жёстких климатических условиях.

Рисунок 7 - DIP корпуса

Обычно в обозначении также указывается число выводов. Например, корпус микросхемы распространённой серии ТТЛ-логики 7400, имеющий 14 выводов, может обозначаться как DIP14.

В корпусе DIP могут выпускаться различные полупроводниковые или пассивные компоненты - микросхемы, сборки диодов, транзисторов, резисторов, малогабаритные переключатели. Компоненты могут непосредственно впаиваться в печатную плату, также могут использоваться недорогие разъёмы для снижения риска повреждения компонента при пайке. На радиолюбительском жаргоне такие разъёмы именуются «панелька» или «кроватка». Бывают зажимные и цанговые. Последние имеют больший ресурс (на переподключение микросхемы), однако хуже фиксируют корпус.

Корпус DIP был изобретён компанией Fairchild Semiconductor в 1965 году. Его появление позволило увеличить плотность монтажа по сравнению с применявшимися ранее круглыми корпусами. Корпус хорошо подходит для автоматизированной сборки. Однако, размеры корпуса оставались относительно большими по сравнению с размерами полупроводникового кристалла. Корпуса DIP широко использовались в 1970-х и 1980-х годах. Впоследствии широкое распространение получили корпуса для поверхностного монтажа, в частности PLCC и SOIC, имевшие меньшие габариты. Выпуск некоторых компонентов в корпусах DIP продолжается в настоящее время, однако большинство компонентов, разработанных в 2000-х годах, не выпускаются в таких корпусах. Компоненты в DIP-корпусах удобнее применять при макетировании устройств без пайки на специальных платах-бредбордах.

Корпуса DIP долгое время сохраняли популярность для программируемых устройств, таких как ПЗУ и простые ПЛИС (GAL) - корпус с разъёмом позволяет легко производить программирование компонента вне устройства. В настоящее время это преимущество потеряло актуальность в связи с развитием технологии внутрисхемного программирования.

Компоненты в корпусах DIP обычно имеют от 8 до 40 выводов, также существуют компоненты с меньшим или большим чётным количеством выводов. Большинство компонентов имеет шаг выводов в 0,1 дюйма (2,54 миллиметра) и расстояние между рядами 0,3 или 0,6 дюйма (7,62 или 15,24 миллиметра). Стандарты JEDEC также определяют возможные расстояния между рядами 0,4 и 0,9 дюйма (10,16 и 22,86 миллиметров) с количеством

выводов до 64, однако такие корпуса используются редко. В бывшем СССР и странах Восточного блока для корпусов DIP использовалась метрическая система и шаг выводов 2,5 миллиметра. Из-за этого советские аналоги западных микросхем плохо входят в разъёмы и платы, изготовленные для западных микросхем (и наоборот). Особенно остро это ощущается на корпусах с большим числом выводов.



Рисунок 8 - Нумерация выводов, вид сверху

Выводы нумеруются против часовой стрелки начиная с левого верхнего. Первый вывод определяется с помощью «ключа» - выемки на краю корпуса. Когда микросхема расположена маркировкой к наблюдателю и ключом вверх, первый вывод будет сверху и слева. Счёт идёт вниз по левой стороне корпуса и продолжается вверх по правой стороне.

В зависимости от материала корпуса выделяют два варианта исполнения:

* PDIP (Plastic DIP) - имеет пластиковый корпус;

* CDIP (Ceramic DIP) - имеет керамический корпус;

PGA - (Pin Grid Array) - корпус с матрицей выводов. Представляет собой квадратный или прямоугольный корпус с расположенными в нижней части штырьковыми контактами. В современных процессорах контакты расположены в шахматном порядке.

В зависимости от материала корпуса выделяют три варианта исполнения:

* PPGA (Plastic PGA) - имеет пластиковый корпус;



Рисунок 9 - Корпус PGA

* CPGA (Ceramic PGA) - имеет керамический корпус;

* OPGA (Organic PGA) - имеет корпус из органического материала;

Существуют следующие модификации корпуса PGA:

* FCPGA (Flip-Chip PGA) - в данном корпусе открытый кристалл процессора расположен на верхней части корпуса.

* FCPGA2 (Flip-Chip PGA 2) - отличается от FCPGA наличием теплораспределителя, закрывающего кристалл процессора.

* мFCPGA (Micro Flip-Chip PGA) - компактный вариант корпуса FCPGA.

* мPGA (Micro PGA) - компактный вариант корпуса FCPGA2.

Для обозначения корпусов с контактами, расположенными в шахматном порядке иногда используется аббревиатура SPGA (Staggered PGA).

Процессор в корпусе CPGA Процессор в корпусе FCPGA Процессор в корпусе FCPGA2

Рисунок 10 - Разновидности корпусов PGA

4.2 С плоскими выводами, выходящими параллельно корпусу интегральной микросхемы

PLCC - (Plastic Leaded Chip Carrier) и СLCC представляют собой квадратный корпус с расположенными по краям контактами, предназначенный для установки в специальную панель (часто называемую «кроваткой»). В настоящее время широкое распространение получили микросхемы флэш-памяти в корпусе PLCC, используемые в качестве микросхемы BIOS на системных платах.

QFP - (Quad Flat Package) - семейство корпусов микросхем, имеющих планарные выводы, расположенные по всем четырём сторонам. Микросхемы в таких корпусах предназначены только для поверхностного монтажа; установка в разъём или монтаж в отверстия штатно не предусмотрен, хотя переходные коммутационные устройства существуют. Количество выводов QFP микросхем обычно не превышает 200, с шагом от 0,4 до 1,0 мм.

Корпус стал широко распространённым в Европе и США в девяностых годах двадцатого века. Однако, ещё в семидесятых годах QFP корпуса начали использоваться в японской бытовой электронике.

Корпус PLCC схож с QFP корпусом, но при этом имеет более длинные выводы, загнутые так, чтобы было возможно не только припаять микросхему, но и установить её в гнездовую панель, что часто используется для установки микросхем памяти.

Форма основания микросхемы - прямоугольная, а зачастую используется квадрат. Корпуса обычно различаются только числом выводов, шагом, размерами и используемыми материалами. BQFP отличается расширениями основания по углам микросхемы, предназначенными для защиты выводов от механических повреждений до запайки.



Рисунок 9 - 3D чертёж корпус QFP

Рисунок 11 - Процессор в корпусе TQFP-304

4.3 Без выводные корпуса (металлизация контактных площадок на боковых стенках корпуса)

LCC - (Ceramic Leadless Chip Carrier Packages (CLCCs) - представляет собой низкопрофильный квадратный керамический корпус с расположенными на его нижней части контактами, предназначенный для поверхностного монтажа.

А Б

А - 3D чертёж корпуса PLCC, Б - Процессор в корпусе PLCC-68

Рисунок 12 - Корпус PLCC

4.4. С шариковыми выводами на нижней плоскости корпуса

BGA - (Ball Grid Array) - представляет собой корпус PGA, в котором штырьковые контакты заменены на шарики припоя. Предназначен для поверхностного монтажа. Чаще всего используется в мобильных процессорах, чипсетах и современных графических процессорах.

Рисунок 13 - 3D чертёж корпуса BGA

Существуют следующие варианты корпуса BGA:

* FCBGA (Flip-Chip BGA) - в данном корпусе открытый кристалл процессора расположен на верхней части корпуса, изготовленного из органического материала.

Рисунок 14 - 3D чертёж корпуса FBGA

* мBGA (Micro BGA) и мFCBGA (Micro Flip-Chip BGA) - компактные варианты корпуса.

* HSBGA

Flip-chip - открытый кристалл процессора расположен на верхней части корпуса.

5. Конструктивное исполнение корпуса

Выбор конструктивного исполнения корпуса определяется назначением, условиями эксплуатации и требованиями по сборке, установке и монтажу микросхем на печатных платах. Для микросхем, рассеивающих большие мощности, необходимо использовать корпуса с радиаторами.
Выбор типоразмера корпуса определяется размером необходимой монтажной площадки для установки кристалла, высотой микросхемы, а также числом её выводов.

Каждому типу корпуса присущи свои преимущества и недостатки. Плоские прямоугольные металлокерамические, металлостеклянные корпуса обеспечивают высокие надежность и плотность монтажа, минимальные габаритные размеры и массу, однако они дороги. Наиболее дешевы монолитные пластмассовые корпуса, они обеспечивают наилучшую защиту микросхемы от механических воздействий, но не идут ни в какое сравнение с металлостеклянными корпусами в отношении защиты от климатических воздействий и обеспечения оптимальных тепловых режимов работы. Прямоугольные корпуса с выводами, расположенными за пределами проекции тела корпуса параллельно плоскости основания, позволяют производить их сборку на обеих сторонах печатной платы без создания в ней отверстий под выводы. Процесс сборки печатных плат при использовании таких корпусов можно автоматизировать.

а - теплоотвод прикреплён к деталям корпуса, б - Т-образный отвод с размещенным кристаллом.

Рисунок 15 - Схематическое изображение корпусов с теплоотводом для микросхем повышенной мощности

Каждый вывод корпуса микросхемы имеет свою нумерацию. Нумерация начинается с вывода, расположенного в зоне ключа. В качестве ключа могут быть выступ, выемка, углубление или другой конструктивный знак на корпусе, знак или надпись, выполненные маркировкой.

Допускается применять корпус с большим, чем это необходимо по схеме числом выводов. При установке микросхемы на печатную плату незадействованные выводы удаляются, но нумерация выводов сохраняется.

До последнего времени наиболее распространёнными были корпуса с двухрядным расположением выводов, расположенных вдоль длинных сторон тела корпуса. Такая конструкция корпуса оказалась наиболее технологичной с точки зрения создания коммутации на печатной плате и сборки ячеек и блоков МЭА.

Двухрядный корпус позволяет достаточно эффективно использовать площадь плат при относительно небольшом количестве выводов (10…20). При большем числе выводов он становится слишком громоздким.

Рисунок 16 - Конструкции корпусов микросхем с увеличением числа внешних выводов

Для БИС с 64 контактными площадками корпус оказывается слишком длинным и широким, чтобы внутри было достаточно места для размещения проводников, соединяющих внешние выводы корпуса с контактными площадками БИС (рис. 9).В настоящее время осуществляется переход в корпусам с шагом выводов 1,25 мм и 0,625 мм, а также с четырехрядным расположением выводов. Использование таких корпусов существенно снижает занимаемую микросхемой площадь платы. В частности (рис. 9) квадратный корпус с 64 выводами по периметру с шагом 1,25 мм занимает в четыре раза меньшую площадь, чем 64-выводной двухрядный корпус.

Но самое плотное расположение выводов обеспечивают корпуса, в которых выводы располагаются в виде двухмерной матрицы. Матрица 8х8, содержащая 64 вывода с шагом 1.25 мм, занимает в свою очередь вчетверо меньшую площадь, чем квадратный корпус с таким же шагом выводов и таким же их количеством, но расположенных по периметру. Преимущества матричного расположения выводов становятся ещё большими с ростом их числа. Однако более плотное расположение штырьковых выводов в матрице затрудняет их присоединение к внешним цепям; для этого требуется более сложная по конструкции и, следовательно, более дорогая коммутационная плата. Корпуса с двухрядным и матричным расположением выводов размещаются на печатных платах в составе аппаратуры путём вставления выводов в сквозные металлизированные отверстия с последующей пайкой волной припоя.

а - в сквозное отверстие, б, г - внахлёст, в, г - встык, д - на столбики

Рисунок 17 - Способы монтажа микросхем на печатную плату

С увеличением числа выводов и сокращением расстояния между ними операция сборки микроэлектронных устройств становится трудновыполнимой. В настоящее время широкое применение находит монтаж корпусов микросхем на поверхность печатных плат без их сверления (рис. 16).

а - типа крыла чайки, б - типа крыла альбатроса, в, г - соответсвенно скрытый и открытый j-образный.

Рисунок 18 - Формы выводов корпусов микросхем

Для этих целей наиболее пригодны конфигурации выводов, изображенные на рис. 17, выводы в форме крыла чайки и крыла альбатроса легко устанавливаются и совмещаются с разводкой на поверхности печатной платы. За счёт хорошего доступа к выводам в этом случае легко может быть осуществлен тестовый контроль качества сборки. Корпуса со скрытыми J-образными выводами занимают на поверхности платы меньше места, более пригодны для автоматического размещения и припайки к посадочному месту, но тестовый контроль качества сборки в этом случае затруднён.

6. Методы герметизации пластмассами

Современный этап развития полупроводниковой промышленности характеризуется значительным увеличением объемов производства надежных и дешевых полупроводниковых приборов и микросхем путем разработки и выпуска их в пластмассовых корпусах, это, в первую очередь, связано с тенденцией микроминиатюризации, заменой дорогостоящих металлостеклянных и металло-керамических корпусов, возможностью совмещения технологических операций изготовления корпусов и герметизации и полной их механизации.

При применении пластмассовых корпусов устраняется контакт полупроводниковых структур с газовой средой внутри корпуса, уменьшается количество спаев, они изолируют приборы и микросхемы от внешних воздействий и обеспечивают требуемую механическую и электрическую прочность. Пластмассы как герметики имеют ряд серьезных преимуществ перед другими герметиками: в первую очередь - это доступность сырья, простота переработки, широкий диапазон свойств и возможность их регулирования.

Пластмассы под воздействием тепла или давления обладают пластическими свойствами (могут становиться вязкотёкучими), а при охлаждении затвердевают. Это дает возможность придать пластмассам требуемую форму.

Смолы являются связующим веществом пластмасс, определяют не только группу пластмасс (термореактивные или термопластические), но и основные их свойства механические, физико-химические и электроизоляционные.

Термореактивные пластмассы образуют после первого нагрева неплавкие продукты и поэтому «называются необратимыми; термопластические пластмассы способны неоднократно плавиться в процессе нескольких переработок, их называют обратимыми.

Помимо связующих веществ, являющихся основой пластических материалов, в их состав входят:

1) наполнители, вводимые для повышения механической прочности, для согласования по КТР с Материалами конструкций приборов, для улучшения диэлектрических свойств, для уменьшения усадки и др.;

2) пластификаторы, увеличивающие эластичность, гибкость и уменьшающие хрупкость пластмасс;

3) катализаторы, ускоряющие процесс отверждения пластмасс;

4) красители, придающие пластмассам нужный цвет.

Для герметизации полупроводниковых приборов и микросхем могут, быть использованы различные классы соединений (эпоксидные, крем-нийорганические и др.) и различные типы пластических материалов: эмали, заливочные компаунды, порошкообразные композиции.

Различные типы полупроводниковых изделий герметизируют в пластмассовые корпуса разными способами, что связано с электрофизическими параметрами изделий, их конструктивными особенностями, объемом производства. В настоящее время наиболее широкое распространение получили методы заливки во вспомогательные съемные формы или капсулированные (заливка в предварительно изготовленный корпус - капсулу), а также литьевое и компрессионное прессование. Менее широкое распространение получил метод герметизации обволакиванием. Несмотря на то, что многие типы полупроводниковых приборов, диодных матриц и микросхем, герметизированных пластмассами, успешно работают в различных радиотехнических устройствах и аппаратуре, вопрос о повышении надежности изделий в пластмассовых корпусах является актуальным. Недостаточная надежность изделий в пластмассовых корпусах связана с малой влагостойкостью пластмассовых конструкций, возможной нестабильностью свойств пластмасс и деструкцией в процессе длительной эксплуатации.

6.1 Герметизация методом обволакивания

Метод заключается в создании тонкой пленки полимерного материала путем обволакивания структуры каплей герметика. При растекании герметика за счет сил поверхностного натяжения получается сферическая форма. Для обеспечения механической прочности и герметичности структуры, как правило, наносят несколько слоев герметизирующего материала с предварительным подсушиванием каждого слоя. Основным требованием к материалам (компаундам) для обволакивания является способность их равномерно увеличивать вязкость.

Процесс герметизации полупроводниковых приборов методом обволакивания состоит из следующих операций: приготовление обволакивающего компаунда, нанесение компаунда на арматуру, полимеризация компаунда, контроль качества герметизирующего покрытия.

После проведения процесса силанирования на структуру диода наносят слой защитного закрепляющего состава на основе триацетатной электроизоляционной слабо пластифицированной пленки, которая растворяется в ледяной уксусной кислоте. Блоки арматуры загружают в специальные приспособления с зажимными устройствами - клипсами и стеклянной палочкой наносят одну каплю обволакивающего состава, покрывая тонким слоем со всех сторон кристалл и выступы на выводах. Клипса с блоками арматуры вставляется во вращающееся гнездо приспособления и выдерживается не менее 10 мин. Вращение арматуры предотвращает стекание капли неотвержденного компаунда и дает возможность получить корпуса равномерной толщины. В дальнейшем арматуру сушат, при 160-180°С в течение 1-2 ч в вакуумном сушильном шкафу с давлением не выше 110^-1 мм рт. ст. Аналогичную операцию повторяют несколько раз, последовательно чередуя процесс нанесения и сушки тринитроацетатной пленки до получения необходимого количества слоев, указанных в технологической документации. Герметизирующий материал представляет собой компаунд на основе эпоксидной кремнийорганической смолы СК-25 с наполнителем - нитридом бора. Приготовленный компаунд вакуумируют при температуре 100°С и давлении 10^-1 мм рт. ст. Так как срок жизни жидкого компаунда ограничен, то компаунд приготовляют небольшими партиями. Большое внимание уделяется правильному соотношению составляющих компаунда, так как это сильно сказывается на качестве за герметизированных этим компаундом приборов.

Нанесение герметизирующего эпоксидного компаунда и сушка проводятся в тех же клипсах и приспособлениях, что и при нанесении защитного закрепляющего состава. Каплю компаунда наносят на блок арматуры таким образом, чтобы он закрывал закрепляющий состав и выступы на выводах. Отверждение компаунда производится при повышенной температуре. После полимеризации компаунда Приборы передают на следующую операцию. Некоторые приборы рассматриваемой конструкции покрывают дополнительно массой на основе кремнийорганического электроизоляционного лака КО-989. После герметизации производят проверку электрических параметров приборов и контроль внешнего вида нанесенного герметика. Внешний вид контролируют под 'микроскопом или лупой. Не допускаются значительные выпуклости, впадины, царапины на герметизирующем покрытии, нарушающие габаритные размеры диода и обнажающие слои из другого материала, отколы герметика около выводов, отслаивание (отлипание, щели) между герметизирующим покрытием и выводами, изолированные пузыри в заливочной массе, образующие сплошные цепочки.

Метод герметизации полупроводниковых приборов обволакиванием отличается простотой, обеспечивает высокую устойчивость приборов в условиях воздействия влажной атмосферы, но имеет ряд недостатков: трудность нанесения равномерного по толщине покрытия, длительность технологического цикла и сложность механизации процесса.

6.2 Герметизация методом свободной заливки

Метод герметизации заливкой применяется обычно для приборов мелких серий со сложной арматурой. Существуют два метода заливки:

1) во вспомогательные съемные формы,

2) в предварительно изготовленный корпус.

Сущность метода герметизации заключается в заполнении жидким герметизирующим компаундом специальных форм или капсул, в которых размещены блоки арматур полупроводниковых приборов или микросхем. В качестве заливочных компаундов, как указывалось выше, чаще всего используют жидкие компаунды на основе эпоксидных смол.

Герметизация приборов и микросхем заливкой в капсулу (корпус) характеризуется тем, что после отверждения герметизирующего компаунда эти капсулы (корпус) остаются частью прибора или микросхемы. При капсулировании микросхема помещается в корпус выводами наружу. Свободный торец капсулы и вывода заливают компаундом. Основным условием этого метода герметизации является хорошая адгезия заливочного компаунда к материалу корпуса. Корпус может иметь любую геометрическую форму и таким образом может быть использован для герметизации различных типов полупроводниковых приборов и микросхем.

Наиболее распространен в промышленности метод герметизации заливкой во вспомогательные съемные формы. В зависимости от конструкции прибора или микросхемы применяют два способа заливки во вспомогательные формы.

Первый способ - заранее заполняют пустоты в литьевой форме, а затем в нее погружают ту часть прибора или микросхемы, на которой смонтирован полупроводниковый элемент. Предварительно кристалл с переходом монтируется на металлической рамке - держателе, а затем ее помещают в заливочную форму таким образом, чтобы кристалл с выводами располагался в центральной части рабочего, углубления заливочной формы, в которой залит жидкий герметизирующий компаунд. Полимеризация компаунда может происходить как при комнатной, так и при повышенной температурах. После отверждения компаунда металлическую рамку вынимают из формы и разделяют на отдельные части, которые представляют собой готовые за герметизированные приборы.

Второй способ - жидким компаундом заполняют пустоты предварительно нагретой литьевой формы с находящимися в ней блоками арматуры. Рассмотрим типовые технологические операции заливки.

Важной операцией является приготовление компаундов для заливки. Так, для получения эпоксидных компаундов компоненты, взятые в определенных соотношениях, тщательно перемешивают, выдерживают при определенных температурах и перед заливкой смешивают с отвердителем. Для избежание образования пузырей воздуха и раковин в корпусе, как правило, при приготовлении жидких заливочных композиций применяют их вакуумирование (иногда достаточно нагреть компаунд на 20-30°С ниже температуры его полимеризации). В зависимости от применяемого герметизирующего компаунда литьевые формы могут быть из пластмасс, силиконовой резины, металла или комбинации этих материалов. Резиновые формы перед заливкой обезжиривают путем их вакуумирования или нагревания.

Металлические и пластмассовые формы перед заливкой также прогревают при определенной температуре и смазывают антиадгезионным составом-смазкой - обычно раствором кремнийорганических каучуков. Нагрев загрузочных форм необходим для повышения текучести компаунда.

Заливочной формы и плотно прижимается верхней матрицей. В верхней части заливочной формы имеются специальные отверстия, а внутри - система каналов для подачи герметизирующего компаунда в рабочие гнезда. Формы заполняют компаундом с помощью специального дозирующего устройства или вручную дозирующим шприцем. Формы, заполненные компаундом, выдерживают при повышенной температуре (от 70 до 170° С в зависимости от применяемого компаунда и конструкции изделий).

После предварительного отверждения компаунда заливочные формы охлаждают и из них извлекают металлические рамки с загерметизированными в пластмассу приборами. Затем приборы на металлических рамках проходят дополнительную термообработку до полного отверждения пластмассы (полной полимеризации), после чего снимается облой и рамка с приборами разделяется на отдельные части, которые представляют собой готовые загерметизированные приборы.

Контроль качества герметизации проводится с помощью лупы или микроскопа. Не допускаются значительные сколы, раковины и другие дефекты корпуса, обнажающие ниже лежащие слои, затекания заливочной массы на вывод на величину, большую, чем указано в технической документации. С целью объективной отбраковки приборов по внешнему виду используют специально подобранные эталонные образцы.

Для успешного проведения процесса заливки необходимо выбрать не только соответствующий компаунд, но и оптимальный технологический режим, т.е. температуру и длительность отверждения, соотношение количеств смолы, отвердителя и наполнителя, конструкцию литьевой формы и т.д.

Методы герметизации полупроводниковых приборов и микросхем заливкой отличаются простотой, не требуют значительных капиталовложений, так как используется довольно простое оборудование для дозирования компаунда и дешевые заливочные формы. Кроме того, при герметизации микросхем (особенно гибридных) свободная заливка компаунда без давления; снижает возможность обрывов электродных выводов (10 - 50~мкм). Недостатки этого метода связаны с недостатками заливочных компаундов и относительно невысокой производительностью.

6.3 Герметизация методом прессования

Метод находит наиболее широкое применение при герметизации пластмассами полупроводниковых приборов и микросхем. Он основан на особенности ряда поли мерных материалов (в виде порошка или таблеток) расплавляться и течь под действием температуры и давления, заполняя при этом пустоты металлической формы с изделиями для герметизации.

Хотя этот метод переработки полимерных материалов известен давно, однако широкое применение для герметизации полупроводниковых изделий он начал находить после появления термореактивных смол, прессующихся при низких давлениях. Использование небольших давлений дает возможность осуществлять герметизацию микросхем с гибким проволочным монтажом.

Применяют в основном два способа герметизации прессованием: компрессионное и литьевое (трансферное литье).

При компрессионном прессовании пресс-материал загружают непосредственно в матрицу, при литьевом прессовании-в загрузочную камеру.

Герметизация компрессионным прессованием протекает следующим образом. В загрузочную камеру пресс-формы помещают арматуру изделия и таблетированный или порошкообразный материал. При замыкании пресс-формы материал под воздействием тепла и давления, развиваемого прессом, переходит в пластическое состояние и заполняет формующую полость. По окончании выдержки спрессованные изделия вынимают из пресс-формы. В процессе компрессионного прессования давление не остается постоянным. В начале прессования, когда материал переходит в пластифицированное состояние, заполняет формующую полость пресс-формы и начинает полимеризоваться, давление достигает максимума. К этому времени формующая полость заполняется полностью, но пластмасса еще не затвердела. При дальнейшей выдержке сохранение высокого давления не нужно. Выдержку проводят при незначительном давлении, необходимом для противодействия давлению паров, летучих веществ и воды, выделяемых преос-материа - лом.

При литьевом прессовании загрузочная камера отделена от формующей полости. Пресс-материал загружают в загрузочную камеру, где он подвергается воздействию тепла и давлению пуансона. Переходя в полужидкое состояние, он проходит по специальным каналам - литникам в формующую полость пресс-формы, в рабочих гнездах которой заложены арматуры полупроводниковых изделий. При этом обеспечивается полный равномерный прогрев всего пресс-материала.

Основные требования, предъявляемые к полимерным материалам, используемым для герметизации, хотелось бы подчеркнуть важное требование при выборе пластмасс для компрессионного и литьевого прессования - это способность к хорошему измельчению, способность формоваться при низких давлениях и сохранять высокую текучесть на период протекания состава и заполнения пресс-формы. Принципиально важным требованием является также отсутствие абразивного действия на пресс-форму, что надо учитывать при выборе наполнителей, так как приходится иметь дело с литниками, составляющими несколько десятых долей миллиметра.

Способностью формоваться при низких давлениях (0,5-5) * 10⁶ Н/м² обладают специально разработанные для электронной промышленности эпоксидные премиксы ЭФП-60, ЭФП-63, КС-81-39С, кремнийорганический пресс-порошок ЭПК-200 и др. Эти же материалы имеют требуемую текучесть (50-80 см).

При герметизации пластмассами методом литьевого прессования большое значение приобретает точная дозировка пресс-материала, загружаемого в загрузочную камеру или пресс-форму.

Точная дозировка материала обычно обеспечивается его таблетированием, заключающимся в его механическом прессовании в твердые таблетки самой разнообразной формы.

Таблетирование порошкообразных материалов дает следующие преимущества:

уменьшается объем исходного материала и, следовательно, размеры загрузочных камер пресс-формы и ускоряется их загрузка при компрессионном прессовании; уменьшаются его потери;

ускоряется отверждение пластмассовых порошков и сокращается цикл прессования.

Технологический процесс литьевого прессования * (трансферного литья) на съемных пресс-формах состоит из следующих этапов: подготовки материала к прессованию, подготовки пресс-формы и размещения в них арматур, собственно трансферного литья, доделочных операций, контроля качества опрессованных приборов. Подготовка материалов для опрессовки включает в себя отвешивание или отмеривание дозы пресс-порошка, необходимого для прессования или изготовления таблеток.

При повышенном, по сравнению с допустимым, содержании влаги и других летучих веществ производят подсушку пресс-порошков при температурах порядка +80° С. При повышенных требованиях к пластмассовым корпусам приборов или микросхем пресс-порошки дополнительно просеивают через. специальное сито. Подготовка пресс-форм состоит из очистки и протирки ее рабочих поверхностей миткалем или бязью, смоченными в спирте, предварительного прогрева пресс-формы при повышенных температурах (150-180°C) и прогрева арматуры в зависимости от конструкции, смазки пресс-форм кремиийорганическими жидкостями для предотвращения прилипания пресс-материала, загрузки арматуры.

Наиболее удобно герметизировать арматуры полупроводниковых приборов и микросхем, собранных на отрезках ленты или на рамках, где имеются специальные технологические отверстия, которые легко совмещать с фиксирующими штырьками пресс - форм и производить точную посадку арматуры в формующие полости.

Арматуру в пресс-формы загружают на рабочей плите, нагретой до температур порядка 180-200° С, тем самым компенсируется потеря тепла. После чего пресс - форму собирают и смыкают верхнюю и нижнюю части под пресс. Конструкции пресс-форм играют большую роль в качестве герметизации. Пресс-формы должны изготовлять из высококачественной стали. Оформляющие полости должны быть хромированы (толщина слоя 5 - 20 мкм) и полированы до чистоты поверхности V10 - V1.: Это также предотвращает прилипание пресс-материала и дает возможность получить внешний вид изделия, удовлетворяющий требованиям технической документации.