В прогнозах, касающихся перспектив развития керамики для подложек и корпусов ИС, особо отмечается, что наиболее быст­рыми темпами будет увеличиваться производство бескислородной керамики (AlN, SiC, BN), стеклокерамических и других компо­зиционных материалов на основе керамики, в которых сохраня­ются наиболее важные свойства нескольких керамических ма­териалов. Например, можно изготавливать подложки, имеющие высокую теплопроводность нитрида алюминия и низкую ди­электрическую проницаемость муллита (3Аl₂O₃ ^. SiO₂).

Переход к управлению свойствами создаваемой «элек­тронной» керамики, к предварительному прогнозированию и рас­чету этих свойств станет, по-видимому, обычной практикой в технологии производства керамики в ближайшие годы.

В Японии в настоящее время резко увеличивается объем работ по получению и использованию тонких алмазных пленок. Применение алмазных пленок и алмазной керамики открывает большие перспективы в микроэлектронике благодаря их ко­лоссальной теплопроводности (до 900-1000 Вт/м^.К) и очень высокой электрической прочности (порядка 40 кВ/мм). Уже удается получить алмазные пленки толщиной 0,025 мкм и бо­лее, площадью до 20-30 см² на различных подложках. Рекорд­ная скорость осаждения пленок (до 180 мкм/ч) достигнута в настоящее время в Японии. Алмазную керамику, получаемую прессованием при высоких температурах и давлениях и со­держащую до 70-95 % зерен алмаза, выпускают многие фирмы Японии и США. Подложки из этой керамики используются в приборах высокотемпературной электроники.

10.5. Металлостеклянные корпуса

Другой большой группой диэлектрических материалов, при­меняемых в корпусах различного типа, являются стекла. Осно­ву многих марок стекол составляет оксид кремния. Но чисто силикатное (кварцевое) стекло имеет малый КТР, порядка (0,3 -0,5)^.10^-6 град^-1, что не позволяет получать ненапряженные проч­ные спаи с металлами или керамикой.

Основные недостатки, присущие всем маркам стекол, - низ­кая теплопроводность, нестойкость к воздействию кислот. Кро­ме того, стекло - хрупкий материал, а его электрические свой­ства заметно изменяются с температурой.

Получение металлостеклянных спаев в производстве ИМС имеет специфические особенности. Одна из них - малый размер таких спаев. Другой особенностью является то, что при изготов­лении полупроводниковых приборов металлостеклянный спай проходит ряд технологических операций, связанных с нагрева­нием, травлением, гальванической обработкой. Герметизация полупроводниковых приборов электроконтактной или холод­ной сваркой требует создания металлостеклянных спаев, ис­ключающих их разрушение под действием возникающих на­пряжений. Кроме того, к металлостеклянным спаям в полу­проводниковом производстве предъявляют высокие требования в отношении надежности.

По кривым теплового (термического) расширения некото­рых стекол, керамических материалов и металлов в зависимос­ти от температуры можно легко определить, что согласованны­ми будут спаи стекла С49-2, а также форстеритовой и корундо­вой керамики ВК94-1 с коваром. Напряжения, возникающие вследствие несовпадения КТР стекла (керамики) и металла в этих спаях, не превышают безопасных значений.

Несогласованными будут спаи стекла С87-1 с молибденом и керамики ВК94-1 с медью. Напряжения, возникающие в несог­ласованном спае вследствие несовпадения КТР стекла (керами­ки) и металла, могут достигать опасного для целостности слоя значения. Для сохранения спая в этом случае применяют осо­бую конструкцию металлических деталей или специальные спла­вы. Примером несогласованного спая может служить спай пла­тинита со стеклом С97-1. Высокая упругость медной оболочки платинита значительно снижает напряжения, которые могут возникать вследствие разности КТР различных материалов.

Если напряжения превышают допустимые значений, проис­ходит разрушение металлостеклянного спая, которое может быть двух видов: 1) в стекле образуются трещины; и 2) втекло отли­пает от металла. Образование трещин происходит, когда сцеп-

ление между стеклом и металлом настолько велико, что превы­шает напряжение, разрушающее стекло (напряжение растяже­ния). Отлипание стекла от металла происходит, когда силы сцеп­ления между частицами обоих материалов малы.

Различают механическое и оксидное спаивание стекла с металлом. При механическом спаивании стекло при непосред­ственном контакте с поверхностью металла смачивает металл и соединяется с ним. Такой спай обеспечивает хорошую герме­тичность, но он механически не прочен. При оксидном спаива­нии поверхностный оксидный слой диффундирует в размягчен­ное стекло, образуя промежуточный слой, в котором концент­рация металла постепенно уменьшается. Отсутствие резкого пе­рехода от металла к стеклу снижает создаваемые напряжения и увеличивает прочность спая. При большой толщине оксида на поверхности металла спай может оказаться негерметичным.

Основными условиями получения надежных металлостек­лянных спаев являются:

• создание на поверхности тонкой и плотной пленки оксида и наличие у стекла хороших адгезионных свойств по отно­шению к металлу;

• нагрев металла и стекла до температуры спаивания;

• подбор пар стекло-металл с равными или близкими КТР в широком интервале температур;

• создание спаев, для которых напряжение, возникающие вслед­ствие разности КТР стекла и металла, не являются опасными;

• использование металла с хорошей формоустойчивостью;

• обязательный отжиг стекла после получения металлостек-лянногр спая;

• создание технологического процесса, исключающего обра­зование газовых пузырьков в стекле, которые могут нару­шить прочность и герметичность спая.

По конструкции спая стекла с металлом металлостеклян-ные ножки (корпуса) разделяют на четыре группы:

1. Ножки, имеющие металлостеклянный спай, с одиночны­ми выводами. В этом случае стекло непосредственно спаивается с выводами и металлическим фланцем (см. рис. 10.3, а). Такие

металлостеклянные спаи в основном применяют для маломощ­ных приборов, так как они создают меньшую опасность наруше­ния герметичности ввиду отсутствия паек. Для надежного спая нужна его достаточная протяженность. При герметизации при­боров электроконтактной или холодной сваркой на спай не должны передаваться опасные для его целостности напряже­ния. Металл по своим свойствам должен быть пригодным для получения надежного спая и хорошо свариваться электрокон­тактной и холодной сваркой.

2. Ножки, имеющие металлостеклянный спай, с нескольки­ми выводами, проходящими через один стеклянный изолятор (см. рис. 10.3, б). Такие металлостеклянные спаи применяются в корпусах высокочастотных приборов, выводы которых элект­рически изолированы от корпуса.

3. Ножки имеющие металлостеклянный спай чашечного типа (см. рис. 10.3, в). Такие спаи применяются в корпусах малогабаритных приборов, выводы которых также электричес­ки изолированы от корпуса. Спай достаточно протяженный, что обеспечивает его герметичность.

4. Ножки, имеющие металлостеклянный спай, с отдельны­ми проходными изоляторами (см. рис. 10.3, г). Такие спаи используют в корпусах мощных приборов, достоинством кото­рых является возможность применения различных металлов для фланца и спая со стеклом. Недостатками их следует считать сложность технологического процесса изготовления, наличие па­яных соединений, создающих дополнительную опасность нару­шения герметичности, а также невозможность применения та­ких изоляторов в малогабаритных корпусах.

При подготовке стеклянных деталей к спаиванию с их поверх­ности удаляют грязь, жир, металлическую пыль и другие загряз­нения, которые могут способствовать образованию газовых пузы­рей в стекле, затруднять спаивание и ослаблять сцепление стекла с металлом.

Стеклянные бусы травят в течение 1,5—2 мин в 28%-ном водном растворе плавиковой кислоты. После травления бусы тща­тельно промывают холодной, а затем горячей водой в течение 5-10 мин и сушат на фильтровальной бумаге в сушильном шка­фу. Более эффективным способом очистки поверхности стекла от механических загрязнений является ультразвуковая мойка.

Таблетки из стеклопорошка перед спаиванием промывают в насыщенном растворе дихромата калия в течение 2-3 мин, а затем в горячей и холодной проточной воде до удаления ок­раски дихромата калия и сушат 30 мин в сушильном шкафу при температуре 100-110 °С.

Если окажется, что на стеклянных бусах и таблетках име­ются следы металлической пыли, их травят 3-5 мин в водород­ном растворе азотной кислоты (в соотношении 1:1), осторожно перемешивая, а затем промывают и сушат. Стеклянные детали должны быть чистыми, без следов глифталевой замазки и дих­ромата калия. Хранить обработанные детали следует в чистой таре с крышками.

Коваровые детали для очистки травят в водородном раство­ре серной и соляной кислот (1:1:1) при 60-80 °С в течение 10-20 мин (в зависимости от толщины их стенок). При травлении вместе с оксидами и другими загрязнениями снимается тонкий слой металла. Затем детали последовательно промывают в про­точной горячей и холодной дистиллированной воде, осушают в спирте и сушильном шкафу 10-15 мин.

После травления коваровые детали отжигают, а так как газо­вые пузырьки ослабляют спай и нарушают герметичность, наи­большее распространение нашел отжиг в водороде.

Для получения надежного спая стекла с металлом необходи­мо, чтобы шероховатость поверхностей металлических деталей была 5-7-го классов. Установлено, что сцепление стекла с ше­роховатой поверхностью металла значительно прочнее, чем с гладкой, но шероховатая поверхность легко загрязняется и трудно отмывается. Глубокие следы обработки нежелательны, так как спай может получиться негерметичным.

В производстве полупроводниковых приборов и ИМС в основ­ном применяют два метода изготовления металлостеклянных спаев: в конвейерных печах и высокочастотным нагревом.

Метод получения спаев в конвейерных печах является наибо­лее распространенным, так как обладает высокой производитель­ностью, воспроизводимостью результатов при стабилизирован­ных технологических режимах, возможностью независимого ре­гулирования газового и температурного режимов, а также режимов огневой полировки стекла, сравнительной простотой техно­логической оснастки и возможностью механизации сборки кассет.

Приготовленные к соединению стеклянные и металлические детали загружают в графитовые кассеты. Загрузку выполняют вручную пинцетами или используют напальчники, чтобы за­грязняющие вещества не попадали на детали. При механизиро­ванной загрузке используют графитовые кассеты на 50-80 мест. При этом кассету ставят на стол вибростенда и накладывают на него металлический кондуктор с ящиком, в котором нахо­дятся стеклянные бусы. Отверстия в кондукторе совпадают с отверстиями кассеты, но по диаметру немного больше диаметра

бус. Под действием вибрации в течение нескольких секунд в каждое отверстие кондуктора, а следовательно, и кассеты попа­дает только по одной бусине. Вибростенд включают и, предва­рительно наклонив кассету с кондуктором и ящиком на 90°, снимают их. Затем на место снятого ставят другой кондуктор с ящиком, в котором находятся выводы. Процесс повторяют. После этого загружают фланцы и собранную кассету передают на опе­рацию спаивания.

Технологический процесс получения металлостеклянного спая определяется температурным, газовым и временным режи­мами работы конвейерной печи. Различают три этапа получе­ния спая стекла с металлом в конвейерной печи.

На первом этапе осуществляется разогрев стеклянных и ме­таллических спаев. При повышении температуры происходит размягчение стекла и окисление коваровых деталей кислоро­дом, содержащимся в азоте. Скорость подъема температуры на этом этапе 60 °С/мин и может быть увеличена до 80-100 °С/ мин и более.

На втором этапе происходит спаивание стекла с металлом в атмосфере азота. Температура в печи достигает максимально­го значения. Расплавленное стекло смачивает окисленную по­верхность коваровых деталей, оксидная пленка растворяется в нем и частично в самом коваре, образуя промежуточный слой. Время образования спая несколько минут. Хорошая смачивае­мость ковара расплавленным стеклом С49-2 происходит в ин­тервале температур 900-1000 °С.

На третьем этапе восстанавливается оксидная пленка на поверхностях коваровых деталей, свободных от стекла, и выполняется отжиг стекла в атмосфере водорода. Температура снижается со скоростью примерно 50-60 °С/мин до температу­ры верхней границы зоны отжига. Для стекла С49-2 верхняя граница зоны отжига 575 °С.

В интервале температур зоны отжига охлаждение производит­ся со скоростью 6-10 °С/мин до температуры 110 °С. Вблизи нижней границы зоны отжига скорость снижения температуры желательно иметь еще ниже, поэтому ниже зоны отжига стекла скорость снижения температуры составляет 3 °С/мин. Время

прохождения зоны (20 мин) можно считать достаточным для снятия остаточных напряжений в стекле. При скорости движе­ния конвейерной ленты печи от 0,1 до 0,12 м/мин получение спая происходит примерно за 1 ч. Вышедшие из печи кассеты охлаждают до комнатной температуры, разгружают и передают на последующие операции.

Качество спая стекла с металлом зависит от стабильности давления газов в магистралях и рабочем туннеле цепи. В связи с тем что водород в семь раз легче азота, возможно разложение атмосферы и проникновение водорода в зону образования спая. Водород, попавший в зону спаивания, восстанавливает оксид­ную пленку, на коваровых деталях и увеличивает хрупкость стек­ла. При смещении восстановленной водородной зоны по тунне-лю возможны выбросы пламени. При смещении защитней азот-ной зоны в сторону восстановительной зоны возможны потем­нения спекаемых деталей вследствие окисления. Поэтому необ­ходимо следить, чтобы водород в зону спекания не попадал, а газовый режим был стабилен.

Водород и азот, применяемые в конвейерных электрокечах, необходимо контролировать на влажность (по точке росы) и содержанию кислорода. Пригодным для работы считают водо­род и азот с содержанием кислорода соответственно до 0,3-1 %. Температура точки росы для водорода составляет -30 °С, а для азота -25 °С.

Водород имеет большую скорость диффузии в стекле, поэто­му подача его в процессе охлаждения кассет при высокой температуре (выше 600 °С) может вызвать восстановление ок­сида ковара и снижение прочности спая. При подаче водорода в зону печи с меньшей температурой (при охлаждении кассет) прочность спая увеличивается.

Метод получения спаев высокочастотным нагревом име­ет ограниченное применение й используется в основном для изготовления баллонов диодов. Основные достоинства этого ме­тода - сравнительная чистота процесса получения оная, а так­же механизация загрузки деталей и автоматизация процесса спаивания стекла с металлом, а недостаток — сложность обору­дования.