герметизированных сваркой или пайкой, степень герметичности составляет 6,7^.10^-9м³Па/с, что обеспечивает поддержание избы­точного давления внутри блока в течение 8 лет.

13.6. Основные причины снижения влагоустойчивости приборов

Повышение влагоустойчивости полупроводниковых приборов и ИМС в пластмассовых корпусах является актуальной зада­чей, т.к. причинами отказов микросхем являются растрескива­ние корпусов в процессе пайки и коррозия алюминиевых про­водников и контактных площадок на поверхности кристалла. Негерметичный пластмассовый корпус - серьезная проблема защиты сложных электронных компонентов. Пластмассовые корпуса, предназначенные для поверхностного монтажа, могут расслаиваться или растрескиваться в процессе пайки оплавле­нием. Эффект растрескивания корпусов обусловлен влагой, по­глощенной при формировании пластмассового корпуса. Погло­щенная влага имеет тенденцию собираться под кристаллом, при­крепленным к основанию, и превращаться в пар, при нагреве корпуса до температур от 218 до 230 °С, которая является ти­пичной температурой для процесса пайки оплавлением. Обра­зующийся пар создает давление на границе кристалл - компа­унд и вызывает расслаивание и растрескивание корпусов (см. рис. 13.10).

Существует два пути проникновения влаги и ее адсорбции не на поверхность кристаллов микросхем, защищенных эпок­сидными компаундами. Первый - через поверхность раздела между компаундом и выводами; второй - диффузией влаги че­рез материал корпуса. Все пластмассы в какой-то степени ад­сорбируют влагу, однако количественно влагоустойчивость за­висит от структуры защитного покрытия и условий отвержде­ния. Компаунды, содержащие в своем составе полярные гидро­фильные группы, адсорбируют влагу значительно больше, чем неполярные смолы.

При определении времени влагозащиты следует рассматри­вать явление сорбции влаги герметизирующим материалом, т.е. постепенное повышение концентрации влаги на поверхности гер­метизируемого изделия. Расчет обычно сводится к определению времени, в течение которого на внутренней стороне герметизи­рующей оболочки образуется критическая концентрация влаги, соответствующая критическому давлению паров воды. Поэтому время наступления такого состояния будет определяться тол­щиной оболочки, а также скоростью процесса сорбции, т.е. ко­эффициентом диффузии влаги в полимер. Время влагозащиты монолитных полимерных корпусов можно определить из выра­жения:

Температурная зависимость коэффициента диффузии D опре­деляется выражением:

В результате адсорбции влаги и ее диффузии через гермети­зирующую оболочку со временем увеличивается количество ад­сорбированной влаги на изделиях внутри корпуса вплоть до некоторого значения, являющегося для данного корпуса крити­ческим. Однако при образовании адгезионных связей гермети­зирующего материала с поверхностью теплоотвода, энергия ко­торых превышает энергию адсорбции влаги этой поверхностью, действительное время влагозащиты превысит значение, опреде­ленное из выражения (13.18):

(13.20)

где t_диф - время влагозащиты, обусловленное временем диффузии влаги через герметизирующий слой полимера; t_адг — время влагозащиты, обусловленное наличием адгезионных связей полимера с поверхнос­тью кристаллодержателя.

Применение эффективной дополнительной защиты кристалла (нанесение защитного компаунда) позволяет увеличить время влагозащиты за счет составляющей t_диф, которая включаем:

(13.21)

где t_диф1 - время влагозащиты, обусловленное временем диффузии влаги через герметизирующий слой полимерного корпуса; t_диф2 - время влагозащиты, обусловленное временем диффузии влаги через герме­тизирующий слой компаунда на кристалле.

Однако не всякий компаунд обладает эффективной защи­той от проникновения влаги. В результате проникновения вла­ги и растворенных в ней ионных загрязнений, которые, попадая на поверхность кристалла, образуют агрессивный электролит, возникает коррозия проводников и контактных площадок на поверхности кристалла. Мобильные ионы Na⁺,К⁺, Li⁺, NH⁴⁺ и особенно Сl^-, вызывают разрушение проволочного монтажа и металлических слоев микросхем. Внешний вид таких дефектов микросварного соединения при разварке алюминиевой проволо­кой на кристаллодержатель показан на рис. 13.11.

Современная технология получения герметизирующих мате-риалов позволяет свести к минимуму количество ионов Сl и других примесей. Так пресс-материалы различных фирм-изгото-

вителей содержат в своем составе ионогенных примесей от 5 ^. 10^-3 - 5 ^. 10^-6 % (см. табл. 13,3).

Проникновение мобильных ионов внутрь корпуса может про­исходить в процессе изготовления ИМС на операциях очистки, металлизации, маркировки, пайки и др.

Рис. 13.11. Внешний вид дефектов микросварного соединения

Для изделий в пластмассовых корпусах попадание ионов хлора наиболее вероятно на таких операциях, предшествующих гальваническому осаждению сплава олово-висмут на внешние выводы и теплоотвод, как: обезжиривание деталей в растворе CaCO₃+NaON+Na₃PO₄+стекло натриевое при температуре 60-80 °С в течение 10-15 мин с плотностью тока на катоде 0,5-1,0 А/дм², травление в растворе HNO₃:H₂SO₄:HCl = 1:1:0,2, в течение 3-5 с и декапировании в растворе НСl:Н₂O = 2:1 в течение 60-180 с.

Эффективность защиты от воздействия агрессивных сред оце­нивали на приборах до формирования полимерного корпуса. Приборы, собранные с различными защитными покрытиями типа ЭП-91, КО-97, ЛД, КЭН-3, АД-9103 и ККП-2 подвергались воз­действию агрессивных сред, предусмотренных технологическим процессом. Прямое воздействие агрессивных сред на полимер­ные защитные покрытия ЭП-91, КО-97, ЛД, КЭН-3, АД-9103 приводит к деструкции и разрушению, снижению адгезии как к металлическому кристаллодержателю, так и к кремниевому кри­сталлу. В свою очередь это приводит к попаданию влаги на кристалл и растравливанию алюминиевого слоя на кристалле.

Для получения влагостойких полимерных корпусов важное значение имеет технология их формования, в частности, подго­товка и очистка поверхности пресс-формы перед процессом гер­метизации. Плохо подготовленная и неочищенная поверхность пресс-формы может приводить к снижению качества формова­ния и ухудшению герметичности корпуса. Поэтому непремен­ным условием является процедура хорошей периодической очи­стки пресс-форм, частота которой зависит от конструкции пресс-формы, параметров прессования, используемого пресс-материа­ла. При этом необходимо учитывать, что остатки компонентов самого очистителя в гнездах пресс-формы могут внедряться в состав полимерного корпуса в процессе последующей герметиза­ции, ухудшая качество приборов. Для повышения эффективнос­ти отделения корпуса от зеркала пресс-формы без остатков прес-сматериала в конструкции пресс-формы предусмотрено двухслой­ное хромовое покрытие, а угол боковых стенок литниковой си­стемы выбран в пределах 9-10°.

Для оценки состояния влагоустойчивости корпуса ТО-220, изготовленного с использованием пресс-материалов разных про­изводителей, проводилась выдержка приборов при избыточном давлении 0,5МПа в спиртовом растворе, содержащем краси­тель для визуализации пути проникновения влаги. После вскры­тия корпусов установлено, что основная масса затекшего рода­мина попадает в корпус со стороны кристаллодержателя, где отсутствует замок. Внешний вид кристаллодержателей с зате­канием родамина показан на рис. 13.12.

Пути проникновения влаги одинаковые для корпусов, изго­товленных с использованием различных пресс-материалов. Это указывает на то, проникновение влаги происходит по границе полимер - выводная рамка и во многом определяется адгезион­ной составляющей t_адг, обусловленной наличием адгезионных связей полимера с поверхностью выводной рамки, а также кон­струкцией рамки. Установлены основные пути затекания влаги в полимерный корпус в процессе испытаний в автоклаве (см. рис. 13.13): со стороны отверстия в теплоотводе (А), c вер­хней части боковых сторон кристаллодержателя выше «замка» (В), с нижней части боковых сторон кристаллодержателя ниже «замка» (С), с нижней части кристаллодержателя (D). В то же время со стороны выводов затекание родамина не выявлено.

Таким образом, для повышения влагоустойчивости улучша­ют адгезионную прочность сцепления пресс-материала и крис­таллодержателя, что достигается доработкой конструкции вы­водной рамки за счет введения замков герметичности по пери­метру кристаллодержателя, а также выбором оптимальных ре­жимов герметизации и окончательного отверждения полимерно­го корпуса.

Для оценки влагоустойчивости ИМС в дластмаcсовом кор­пусе целесообразно использовать ускоренные методы испыта­ний с повышением температуры и влажности среды с прило­женным внешним напряжением (HAST) и без напряжения (РСТ). Пластмассовый корпус не может полностью изолировать активную структуру ИМС от воздействия влаги. При этом рез­ко ускоряются процессы, приводящие к отказам ИМС. Поэтому наиболее распространенным является метод испытаний под дав­лением пара (pressure cookertest - РСТ) в автоклаве.

Испытание в автоклаве проводится в режиме хранения в перегретом паре при температуре 4-121 °С, давлении 0,2 МПа и относительной влажности 100 %. Такие испытания проводили в течение 240 ч. При этом перегретый пар быстро проникает по дефектам пластмассового корпуса и инициирует процессы гальванической коррозии. При испытаниях в автоклаве коэф­фициент ускорения определяли из выражения:

При приложении в этих условиях к ИМС электрической нагрузки (HAST - highly accelerated stress test) реализуются ис­пытания с большим ускорением. Они проводятся не только при температуре 121 °С, но и при более высоких температурах вплоть до 155 °С в условиях ненасыщенного пара (80—85 % относи­тельной влажности). При этом коэффициенты ускорения для ИМС в пластмассовых корпусах достигают 700-3500.