10.3. Требования к конструкции корпусов

Развитие ИМС, увеличивающаяся их сложность и увеличение количества выводов, связывающих ИМС с внешней сетью, по­требителями и источниками входящей информации, повышаю­щиеся с каждым годом требования к надежности ставят очень трудные проблемы перед разработчиками корпусов ИМС.

Корпуса должны удовлетворять требованиям по минимиза­ции размеров и массы, высокой надежности при большом коли­честве выводов и малых расстояниях между ними.

В мировой практике установлены две категории требова­ний для корпусов:

а) требования, способствующие совершенствованию работы изготовителей корпусов:

• уменьшение стоимости изготовления;

• возможность размещения больших кристаллов;

• большое количество выводов;

• улучшенные частотные характеристики;

• улучшенные электрические характеристики;

• повышенное теплорассеяние;

• повышенное качество и надежность;

• использование новых технологий для уменьшения размеров;

б) требования для удовлетворения запросов изготовителей ИМС:

• уменьшение затрат на сборку;

• увеличение плотности расположения компонентов на крис­талле;

• уменьшение массы;

• повышение качества и надежности;

• улучшение электрических характеристик;

• автоматизация сборки ИМС.

При создании высоконадежных корпусов ИМС, оптималь­ных как по характеристикам, так и по стоимости, необходимо иметь в виду ограничения по пяти группам параметров: геомет-

рическим, электрическим, тепловым, механическим и стоимост­ным как при изготовлении, так и при обслуживании.

Электрические и тепловые параметры корпусов выдвигают два основных требования к используемым. Это, по возможнос­ти, высокие значения диэлектрической проницаемости материала и повышенная теплопроводность материала. Теплопроводность определяет возможность отвода тепла через корпус, выделяе­мого при работе микросхемы на кристалле; диэлектрическая проницаемость определяет задержку сигнала при прохождении его в корпусе и из корпуса, либо в корпус, т.е. определяет воз­можность реализации быстродействия ИС.

10.4. Металлокерамические корпуса

Совершенная по качеству, разнообразная по химическому составу и физико-химическим характеристикам керамика ста­ла важнейшим конструкционным материалом для полупровод­никовых изделий.

Разработка и широкое применение металлокерамических (в последнее время их стали называть просто керамическими) кор­пусов для ИМС имеют огромное значение для создания на­дежных, герметичных, быстродействующих изделий. Развитие этих корпусов привело к разработке керамических корпусов со штырьевыми выводами, позволивших существенно увеличить число выводов ИМС.

На рис. 10.1 показан металлокерамический корпус типа КТ-97С (TO-258). Корпуса данного типа применяются в основ­ном для мощных полупроводниковых приборов с рабочими на­пряжениями до 1500В и токами до 50А.

Металлокерамический корпус типа КТ-97С (см. рис. 10.1) изготовлен следующим образом. Металлическое основание (1) изготавливают из бескислородной меди, закрепляют на нем тер-мокомпенсатрр (2) из материала МД40 пайкой. Обечайку (3), изготовленную из профильной медной трубы, присоединяют к металлическому основанию (1) серебросодержащим припоем. В обечайке (3) выполняют два сквозных отверстия (4) требуемо­го диаметра и выемку (6) для третьего вывода (7). В отверстиях

(4) и (6), снаружи обечайки, выполняют разгрузочные канавки (16). Полые керамические изоляторы (8) покрытые слоем мо­либдена толщиной от 20 до 40 мкм за исключением торцов, располагают в сквозных отверстиях (4) обечайки (3). Выводы (5) с медным сердечником (10) и траверсами (11) располагают в полых изоляторах (8) так, что траверсы (11) выходят внутрь корпуса, а другой конец вывода (5) выходит наружу. Выводы (5) присоединяют серебросодержащим припоем к внутренней час­ти полых изоляторов (8). Ободок (12) из ковара присоединяют к внешней части обечайки (3) серебросодержащим припоем, за­тем все элементы корпуса и выводы (5, 7) покрывают слоем никеля (13) и слоем золота (14. 19). Металлическую крышку (15) соединяют с ободком (12), присоединенным к обечайке (3), по периметру с помощью шовно-роликовой сварки. Посадку по­лупроводникового кристалла на поверхность термокомпенсатора (2) производят контактно-реактивной пайкой с помощью эвтекти­ки золото-кремний.

На рис. 10.2 показан полый изолятор (8) из вакуум-плот­ной керамики с нанесенным на боковую поверхность слоем ме­таллизации (9). На внутреннем отверстии изолятора выполне­ны фаски (17).

Рис. 10.2. Керамический изолятор металлокерамического корпуса . типа КТ-97С

Изготовление таких керамических деталей производят горд-ним литьем, основанным на том, что керамический порошок и органическая связка в определенных условиях образуют устой­чивую дисперсную систему — термопластичный шликер. Такая система в жидком состоянии обладает высокой подвижностью и под действием внешних сил может легко заполнять полость металлической формы. За счет теплоотвода на форму жидкий шликер затвердевает, образуя изделие заданной конфигурации.

Технологически метод горячего литья включает в себя два наиболее важных процесса — изготовление литьевого шликера и собственно литье. Процесс изготовления шликера состоит в смешивании керамического порошка с органической связкой и последующего вакуумирования смеси с целью удалений воздуш-ных включений. Основные характеристики шликера: вязкость, литейная способность, плотность упаковки частиц, однород­ность - зависят от вида связки, количества порошка, метода их размешивания.

Процесс литья деталей осуществляется на полуавтомате М-902 или на машинах типов ЛМК-12, А-120-03 и других с автоматическим регулированием температуры и времени вы­держки. При выборе параметров процесса литья важно правиль­но установить соотношение между давлением и температурой шликера, а также температурой отдельных элементов литьевой формы. Повышенные температуры и давление нарушают про­цесс плавного заполнения объема формы, и в теле отливки мо­жет оказаться большое количество воздушных пузырей. При повышенной температуре шликера при охлаждении отливки могут возникнуть усадочные раковины. Если отливка ведется при низких давлении и температуре, в обожженных изделиях может быть скрытый брак из-за малой механической прочнос­ти в местах выхода избытка шликера.

Наиболее важно обеспечить правильную конструкцию лить­евой формы. Необходимыми условиями являются высокий класс обработки внутренней поверхности формы для обеспечения вы­емки деталей и достаточная толщина стенок для обеспечения нужного теплоотвода от шликера.

На примере керамического изолятора корпуса КТ-97С (рис. 10.2) рассмотрим технологический маршрут изготовле­ния керамических деталей методом горячего литья под дав­лением, который включает:

1. приготовление шликера;

2. вакуумирование шликера в течение времени до 4-х часов, обеспечивающее его однородность и удаление воздушных вклю­чений;

3. литье керамических деталей, при температуре Т = 50-70 °С, давлении 20-30 МПа в течение 2-7 с. При этом произ­водится постоянное перемешивание шликера для предотвраще­ния расслоения составляющих компонентов шликера и вакуу­мирование шликера через каждые 3 часа в течение 45 минут для удаления воздушных пузырей;

4. контроль деталей. Под микроскопом контролируют пали-чие пор, пустот, раковин на внутренней и внешней поверхности изделий. При обнаружении вышеуказанных дефектов в шликер

добавляют пластификатор для повышения пластичности массы шликера;

5. загрузку деталей в лодочки с оксидом магния. Вклады­ши ставят в лодочку с помощью пинцета вертикально, так, что­бы оксид магния входил в отверстия вкладышей, не допуская соприкосновения вкладышей друг с другом;

6. предварительный обжиг производится при температуре Т = 1150±50 °С в течение 8 часов;

7. выгрузку деталей из лодочки с оксидом магния;

8. отмывку от оксида магния;

9. контроль деталей;

10. нанесение металлических слоев;

11. предварительную сушку металлических слоев;

10. контроль деталей на наличие локальных непокрытий и замер толщины металлических слоев;

10. загрузку деталей в лодочки с окисью магния;

14. окончательный обжиг при температуре Т = 1580— 1720 °С в течение 8 часов;

15. химическое никелирование;

16. контроль деталей;

17. шлифование деталей;

18. контроль деталей.

Метод горячего литья имеет ряд важных достоинств:

• изотропность облитых изделий;

• высокая плотность заготовки и однородность ее структуры;

• возможность одновременного формирования нескольких де­талей в многоместных формах.

Основные характеристики применяемых керамических мате­риалов для изготовления корпусов и деталей корпусов пред­ставлены в табл. 10.3.

Использование керамики в качестве изоляционного матери­ала в корпусах ИМС обусловлено уникальным сочетанием его

высоких электрофизических свойств с механической прочнос­тью, стойкостью к воздействию температуры, влаги, химически агрессивных веществ и вакуумплотностью. Наибольшее распро­странение получила алюминооксидная (корундовая) керамика (80-96 % Аl₂O₃), в меньшей степени используется бериллиевая керамика (95-99,5 % ВеО).

Чистый корунд (а-модификация оксида алюминия Аl₂O₃) плавится при температуре 2323 К. При массовом производстве деталей для электронных приборов (оснований и крышек кор­пусов, подложек, держателей, различных изолирующих вставок и т.д.) для снижения температуры спекания керамики до 1773-2073 К к исходному порошку добавляют оксиды марганца, маг­ния, кремния, кальция, хрома, титана, циркония. В результате содержание а-Аl₂O₃, в зависимости от марки керамики, устанав­ливается в пределах от 26 до 97 масс. %. Для изготовления плат и корпусов ИС разработано и освоено около 20 марок корундовой керамики.

Все марки керамики, которые идут на изготовление корпусов, имеют практически нулевое водопоглощение, удельное объемное сопротивление при комнатной температуре не менее 10 Ом^.см и пробивное напряжение не менее 10 кВ/мм. При необходимос­ти создания большой рассеиваемой кристаллом мощности алю-мооксидную керамику заменяют бериллиевой. которая в 7-10 раз превосходит ее по теплопроводности.

Высокая стоимость и токсичность бериллиевой керамики препятствуют более широкому ее применению.

В последнее время стали использовать для этой цели ке­рамику из нитрида кремния, хотя стоимость ее сейчас в десятки раз выше стоимости корунда.

В табл. 10.4 дано сравнение используемых в корпусах мате­риалов по теплопроводности.

Таблица 10.4

Теплопроводность материалов

Материал	Теплоемкость, Вт/м.К
Стекло Кварцевое стекло Стеклокерамика Ковар (Ре; 29% Ni; 17,5% Со) Корунд (92 %-ный) Латунь Молибден Вольфрам Нитрид алюминия (AlN) Окись бериллия (ВеО) Золото Медь Серебро	0,7 1,36 5 10 20 111 150 200 230 240 308 884 407

363