10.6. Пластмассовые корпуса

В настоящее время во всех странах ИМС широкого приме­нения выпускаются в пластмассовых корпусах, которые обеспе­чивают низшую себестоимость и простоту организации автома­тизированного производства.

Пластмассовые корпуса применяются для изделий массово­го и серийного производства, к которым не предъявляются по­вышенные требования к эксплуатации (повышенная защита от окружающей среды, повышенный теплоотвод и др.). Влагоус-тойчивость таких корпусов ниже, чем вакуумплотных. Поэтому для изделий с повышенными требованиями к эксплуатации при­меняют вакуумплотные металлокерамические, стеклокерамичес-кие или металлостеклянные корпуса. К недостаткам данного типа корпусов следует отнести также их относительно малую прочность, нагрузки на корпус передаются кристаллу, что резко снижает надежность ИМС по сравнению с аналогичными ИМС в металлокерамических и металлостеклянных корпусах.

ИМС в пластмассовых, корпусах изготавливают посредством герметизации полупроводникового изделия пластмассой.

На рис. 10.4 для примера показан полупроводниковый при­бор в корпусе ТО-220. Корпус ТО-220 представляет собой пла­стмассовый корпус со следующими габаритными размерами: ШхВхД 10,5±0,5 мм х 4,5±0,3 мм х 29,05=0,35 мм.

Герметизация полупроводниковых приборов методом прес­сования пластмасс основана на свойстве ряда полимерных мате­риалов расплавляться и течь под действием температуры и дав­ления, заполняя при этом пустоты металлической формы с из­делиями.

К пластмассам (пресс-материалам) предъявляются следую­щие основные требования:

1. хорошая текучесть при минимальном давлении для сохра­нения целостности полупроводникового прибора в процессе заливкщ

2. строго определенное время сохранения текучести (до запол­нения прессформы);

3. стабильность при хранении в течение 4-6 месяцев;

4. отсутствие абразивного воздействия на пресс-форму;

5. малая адгезия к стенкам формы (легкая выгрузка залитого прибора);

6. влагостойкость;

7. совместимость по коэффициенту температурного расшире­ния (КТР) с материалом выводов;

8. отсутствие ионных примесей;

9. высокая теплопроводность;

10. достаточная механическая прочность, обеспечивающал оп­ределенные ударные нагрузки, вибрацию и ускорение;

11. высокие диэлектрические свойства (малые диэлектрические потери, высокое удельное сопротивление и высокая элект­рическая прочность);

12. способность к хорошему измельчению;

13. низкая стоимость;

14. способность обеспечивать товарный вид изделия.

Основные свойства пресс-материалов определяются их ком­понентами: смолой, отвердителем, катализатором, пластифика­тором, модификатором, наполнителем, аппретом и другими не­обходимыми добавками.

Смолы выполняют роль связки. Сейчас при герметизации полупроводниковых приборов широко применяются эпоксидные смолы благодаря таким техническим характеристикам, как низ­кая стоимость и высокая производительность процессов перера­ботки. Эпоксидные смолы отличаются прочностью, высокими вязкостью и температурой стеклования, электроизоляционны­ми свойствами, не изменяющимися при старении, негорючестью, хорошей адгезией к различным материалам, малым КТР, не­значительной усадкой, а при отверждении - высокой химичес­кой стойкостью. Наиболее часто используются эпоксиноволач-ные смолы, реже бифенольные.

Отвердители служат для полимеризации эпоксидных смол и перевода их структуры в трехмерную сетку. Они обеспечивают вязкотекучие свойства до начала отверждения и необходимую скорость этого процесса.

Катализаторы ускоряют протекание реакций, приводящих к пространственному сшиванию полимера, и влияют на диэлект­рические и влагопоглощающие свойства композиций. В каче­стве катализаторов часто используются амины.

Пластификаторы (полисульфид, полибутадион и др.) снижа­ют напряжение усадки, увеличивают пластичность компаундов, сокращают время литьевого прессования.

Модификаторы способствуют уменьшению остаточных напря­жений, одновременно повышая ударопрочность. В качестве мо­дификаторов применяют различные каучуки.

Наполнители вводятся для увеличения модуля упругости, твердости, теплопроводности, уменьшения КТР, коэффициента сжатия при отверждении, а также для улучшения перерабаты-ваемости и снижения стоимости. На долю наполнителя прихо­дится до 70 % общей массы пресс-композиции. Максимально возможное количество наполнителя в системе определяется до­пустимой вязкостью композиции. Наиболее часто в качестве наполнителя применяют диоксид кремния (кварц) в двух ал­лотропических формах: аморфной и кристаллической (или в их сочетании). Введение наполнителей может сопровождаться загрязнением композиции различными примесями.

Аппреты усиливают сцепление между органическими поли­мерами и поверхностями неорганических наполнителей. При этом образуется система с улучшенными механическими свойствами, повышенной влагостойкостью и стойкостью к старению в не­благоприятных условиях. В качестве аппретов часто использу­ют силаны.

Для надежной герметизации полупроводниковых приборов необходимо, чтобы пресс-материалы обладали достаточно высо­кой эластичностью, КТР, сопоставимым с материалами конст­рукции полупроводниковых приборов, повышенными теплостой­костью, теплопроводностью, влагостойкостью, хорошими элект­роизоляционными свойствами и к тому же не содержали загряз­няющих примесей.

При создании пресс-композиций с заданными свойствами необходимо учитывать влияние различных, порой противоречи­вых, факторов. Например, при большой усадке облегчается из­влечение материала из прессформы и уменьшается влагопогло-щение. Но этого можно достичь и применением пластификато­ров или аппретов. Их введение в компаунд уменьшает модули упругости и вязкости, повышает прочность на изгиб. Пластифи­каторы снижают хрупкость эпоксидной смолы, увеличивают стойкость пластмассового корпуса к механическим воздействи­ям и улучшают работоспособность его конструкции. В то же время они уменьшают термохимическую стойкость, увеличива­ют диэлектрические потери, снижают температуру стеклования, что ухудшает тепловые характеристики пресс-композиций и ведет к увеличению водопоглощения. Иными словами, создать универсальную, на все случаи жизни, пресс-композицию, невоз­можно.

Необходимая пресс-композиция выбирается исходя из ее физико-химических свойств и возможности обеспечить техноло­гический процесс герметизации.

Основные марки пресс-материалов, используемых в серий­ном производстве, и их основные характеристики представлены в табл. 10.5.

В производстве дискретных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем применяются в основном два способа, герметизации прессованием: прямое и литьевое.

При прямом прессовании пресс-материал помещают непос­редственно в пресс-форму, при литьевом - в загрузочную камеру.

Герметизация прямым прессованием (рис. 10.5) происходит следующим образом. В пресс-форму (2) загружают арматуру из­делия и таблетированный или порошкообразный материал (3). При смыкании пресс-формы пресс-материал под воздействием теплоты и давления, развиваемого прессом, переходит в пласти­ческое состояние и заполняет полость (4). По окончании выдер­жки опрессованные изделия вынимают из пресс-форм. При комп-