Главная » Книги и журналы

1 2 3 4 5 6 7 ... 31

Таблица 2.7. Компоненты эпоксидных композиций и сопутствующие им примеси

Компонент

Компоненты, появляющиеся в процессе синтеза, а также компоненты композиции

Потенциальные примеси в эпоксидной композиции

Эпоксидная смола

Эпихлоргидрии, дихлоргид-рин, аллилгидрин, пропилен, едкий натр, бифенол-А, ацетон, бензол, феиол, катализатор, ортосиликат натрия

С1-, Н0С1. Na+, ОН-, -С6Н4ОН (СНз)2С=0, СбНб, Вг-, Н+СО2, Н2О, СО- SiO-f, CeHjO

Отвердители

Этилеидиамин, диэтилентри-амин, другие амины, хлоруг-леводороды, полиамиды, ангидриды кислот

NH4+, С1-, NH3, н+, RCOO-, R(COO-, Н+)2

Наполнители

AI2O3, 5Ю2, СаСОз

А1+3, Si+*, COJ 2, Са+2, следы ионов металлов

Пигменты

ТЮй сажа, СаСОз

Ti+*. С, Са+2, С- 2

Растворители

Кетоны, эфиры, углеводороды, хлоруглеводороды, ал-коголи и др.

R2C=0, RCOO-, Н+, С1-, ROR, ROH, СвНбСНз

Агенты, регулирующие вязкость

Фирменные препараты, мочевина и др.

NH, NH3. Н2О, COsH+

Антивоспламенители

ЗЬгОз, смолы с содержанием хлора и брома'

Sb+3, С1-, Br-

шинство примесей. Если примеси неорганические, важна не только их абсолютная концентрация, но и характер связи со смолой и растворимость в композиции. В частности, ион хлора, связанный с эпок-ксидной смолой ковалентной связью, лишь при температуре 150° С и разрыве этой связи начинает оказывать вредное влияние (рис. 2.15).

У плохо растворимых в смоле примесей концентрация свободных ионов меньше их общей концентрации, меньше и их влияние на параметры р-п переходов, поэтому для эффективной герметизации полупроводниковых приборов необходим специальный выбор компонентов герметизирующей композиции. Как уже отмечалось, необходимо

2 Зак. 240


т по т №0 тч гео

Рис. 2.15. Ухудшение параметра транзистора при герметизации обычной эпоксидной смолой (!) и смолой с уменьшенным содержанием хлора {2) при обратном смещении f/cB=40 В



использовать очищенные смолы и отвердители (табл. 2.5 и 2.8), т. е. такие, чтобы после отверждения композиций в них отсутствовали подвижные ионы, а соотношение отвердителя к смоле приближалось к стехиометрическому. . В качестве наполнителей и других составных частей композиции следует выбирать по возможности трудно растворимые и плохо диссоциирующие вещества высокой химической чистоты.

Таблица 2.8. Реаультаты спектрографического аналиаа герметизирующих материалов fl9]

Марка материала

Условия получения материала

Обнаруженные металлы

Содержание примесей, %

Ероп 828 Ерои 828

Ероп 828

Поставляется фирмой Молекулярная пере- 1оцка компонентов Молекулярная перегонка компонентов, отделение фракций с малым молекулярным весом

Си, А1, Mg, Са, Si Са, Mg, Al, Fe, Си, Сг, Si Си

0,01 ...0,1 0,01 ...0,1

0,0I...0,1

Sylgard 182

После отверждения

Si, Ti, Mg

0,0001...0.01

Кремиийоргаии-ческий DC-644

После отверждения

Zn, Cu, Mg

0,01...0,1 0,0001...0,01

Кремннйоргани-ческий DC-305

После прессования

Cr, Pb, Ti, Ni,.Cu, Mn, Al, Mg, Fe, Co

0,01...0,1 0,1...5

Кремнийоргани-ческий гелеоб-разный

После отверждения

He обнаружено

Фенольная пластмасса

Поставляется фирмой

Ca, Mg, Fe, Si, Na, Cu, Mn, Al

5 0,1...5 0,01...0,1 0,0001...0,01

Тефлон TFE

Эмульсионный, спеченный

Cu, Mg

Фторопласт-4МБ

Cu, Mg, Ti

Тефлон TFK

Прессованный

0,0001...0.01

Фторопласт-4МБ

Cu, Ti, Mg

Эмульсионный спеченный

Ti, Cu, Mg



л

20 40

80 100


Рис 2 16. Влияние чистоты наполнителя на уменьшение коэффициента передачи тока транзистора, герметизированного эпоксидной смолой, при обратном смещении на базу (£/св=40 В) и температуре 125° С:

/ - Munasil SiOj неочищенный; 2 - Munasil SiO: промытый; S - Clemeosil SiOs: 4 - контрольный образец

Рис. 2.17. Влияние содержания на-, полнителя, способного к адсорбции примесей 5!02А120з, на коэффициент передачи тока /121 транзистора, герметизированного эпоксидной смолой при обратном смешении (£=40 В) и температуре 12.5 С

Установлено, что отрицательное влияние такого нейтрального по отношению к кремнию наполнителя, каким является SiOg, не проявляется, если предварительно в кипящей воде из него вымываются примеси (рис. 2.16). И наоборот, некоторые наполнители, например типа соли Левиса (SiOgAlaOa), могут даже адсорбировать, задерживать примеси, имеющиеся в композиции, и тем самым помогают избежать уменьшения коэффициента hzi (рис. 2.17).

Отрицательное влияние примесей на полупроводниковые приборы может быть следствием (а в некоторых случаях и главным результатом) и электрохимического коррозирующего воздействия ионных загрязнений на тонкие металлические пленки, в особенности алюминия, на поверхности полупроводника.

Несмотря на многие достоинства эпоксидных смол наличие в них примесей ограничивает их применение для герметизации полупроводниковых приборов и ИС специального назначения. В этом отношении предпочтение отдается синтетическим материалам, содержащим меньшее количество примесей. К таким материалам относятся прежде всего кремнийорганические материалы. Герметизация с помощью фтор-углеводородных материалов (фторопласт) несмотря на очень малое содержание в них примесей не получила ншрокого распространения из-за технологических трудностей. Другим решением является использование эластичных материалов, которые образуют прослойку между твердым и жестким эпоксидным покрытием и полупроводником. К таким материалам относятся кремнийорганические гелеобразные материалы и ряд ненаполненных кремнийорганических смол, которые содержат минимальное количество примесей и благодаря большой эластичности амортизируют механические напряжения, возникающие под влиянием твердой эпоксидной оболочки.

2* 35



Можно так подобрать составные части эпоксидной композиции, чтобы их воздействие на полупроводник было не больше, чем крем-нийорганической [131]. Вопрос этот весьма важен, если учесть многочисленные достоинства композиций, такие как высокая адгезия, высокая химическая стабильность и большая механическая прочность по сравнению с кремнийорганическими композициями. Особенно это относится к эпоксидно-новолачным смолам.

В целом признана целесообразной герметизация синтетическими материалами полупроводниковых изделий специального назначения. Одновременно продолжается изучение условий, дифференцирующих применение кремнийорганических и эпоксидных материалов.

Для оценки отрицательного воздействия на полупроводниковые приборы примесей, содержащихся в герметизирующих материалах, используются методы, пригодные для оценки коррозионных свойств: исследования проводимости, рН среды, а также сухого остатка водной вытяжки. Проведенные исследования [80] электропроводности экстракта синтетических материалов (выдержка в дистиллированной воде В течение 288 ч при 7Г С) дали следующие результаты: кремнийор-ганический - 4,1 мкСм/см; эпоксидный - 23 мкСм/см; фенольный 120 мкСм/см. Разница эта объясняется не только большей чистотой кремнийорганических смол, но и отсутствием компонентов, необходимых для структурирования смол, пластификаторов и добавок, затрудняющих горение, которые для них и не требуются. Малую проводимость имеют также водные вытяжки аллиловых материалов (DAP-25,2 и DAIP -9,6 мкСм/см) [127, 128].

Кроме выбора максимально чистых материалов, другим способом повышения стабильности и надежности полупроводниковых приборов, герметизируемых с помощью синтетических материалов, является пассивирование поверхности полупроводников, например, нитридом кремния SigNj (см. гл. 8).

2.6. механические напряжения, защита от воздействий вибрации и ударных нагрузок

Одной из задач герметизации является повышение устойчивости изделий к механическим воздействиям. Герметизация с помощью синтетических материалов обладает в этом отношении определенными достоинствами и недостатками. Герметизирующие материалы заполняют В общем случае все поры, отверстия, углубления, щели, а также образуют вместе с герметизируемым изделием единое целое той или иной геометрической формы. В такой системе оказываются как бы погруженными все конструкционные части изделия, например проводники, полупроводники, подложка и т. д. При воздействии ударов окружающая изделие масса поглощает возникающие колебания и механические напряжения, вследствие чего уменьшается опасность повреждения составных частей изделия. Степень такого уменьшения зависит от модуля упругости герметизирующего материала. Крайним случаем герметизирующей композиции с максимальной эластичностью В весьма широком диапазоне температур (-60 ...+250° С) является




so 60 40

О -20-40 -60 с

Рис. 2.18. Зависимость механических напряжений а от температуры Т в твердой смоле (1) и кремнийорганн-ческом геле (2)

кремпинорг;1ШГчес1С1и'1 lejib (рлс. 2.18). Этот состав обладает прозрачностью воды и консистенцией жидкого студня (желе). Вследствие высокой эластичности геля, весьма трудной для измерений, его не используют непосредственно для герметизации изделий. Поэтому он используется в качестве подслоя при герметизации в монолитные корпуса из жестких материалов либо для покрытия особо чувствительных к механическим воздействиям изделий. Гель практически совсем не передает возникающих при ударах и вибрациях напряжений, подавляя их почти на 100% [46]. Сам же гель несмотря на свою малую прочность при этом практически не повреждается.

Для исследования способности геля к снятию напряжений был проведен эксперимент [21], в котором стальной кубик со стороной 5 см (860 г) был залит в сосуд емкостью около 1 дм так, что над кубиком находился 5-см, а под ним - 10-см слой геля. Этот макет имитировал залитый трансформатор. Сосуд вместе с гелем и кубиком бросали с высоты 1 м. Только после четырех попыток гель был пробит находящимся в нем кубиком.

Имеются эпоксидные гели для радиоэлектронной промышленности; их вязкость очень мала, а твердость едва может быгь измерена.

При полной заливке изделия напряжения, возникающие в нем, аналогичны напряжениям при гидростатическом сжатии в жидкости. Эти напряжения зависят от модуля упругости Е герметизирующего материала, усадки гц, возникающей во время отверждения, а также от разницы ТКР композиции и материала изделия.

Следует помнить, что усадка, появляющаяся за время отверждения, является следствием структурирования. Это структурирование, вызывающее плотную упаковку материала, происходит постепенно, начиная от момента смешения ее жидких составных частей; скорость структурирования возрастает с температурой. Когда масса начинает твердеть, степень структурирования может составлять 30 ...80% от ее максимального значения и приблизительно такой же является усадка, наступающая еще в жидкой фазе. Напряжение вызывает, очевидно, только усадка, появляющаяся в твердой фазе. Для детального исследования механических напряжений существенным является знание процесса усадки как функции процесса отверждения, что в первом приближении можно получить, проводя отверждение пробы материала в калиброванном капилляре. На рис. 2.19 даны величины усадки во время отверждения нескольких композиций, используемых для герметизации.



Наиряжение можно вычислить по формуле а = £ [ек + (а„ - а„зд)]ДГ,

где ДГ - разность температур отверждения и окружающей среды; к. изд - температурные коэффициенты расширения (ТКР) смолы и герметизируемого элемента.

При изменении температуры во время эксплуатации на величину напряжения влияет не только изменение А'Т, но и модуля упругости Е, который уменьшается с повышением температуры. В результате с ростом температуры механические напряжения в твердой композиции первоначальнодовольно медленно уменьшаются, что связано с медленным уменьшением модуля упругости, вызванным нагревом.

При температуре перехода из кристаллического либо стеклообразного состояния в высокоэластическое либо эластическое состояние уменьшение напряжений происходит очень быстро, так что в интервале ДГ == 20 ...40° С напряжения уменьшаются в несколько десятков раз. Дальнейший рост температуры снова оказывает незначительное влияние на изменение напряжений. В результате зависимость о - - / (Г) имеет вид, несколько напоминающий зависимость у = = arctg / {х). Вид кривой а = / (Г), т. е. максимальное и минимальное значения а указывают интервал температур, в котором наиболее велика вероятность появления повреждения изделия (рис. 2.20).

Когда появление больших напряжений недопустимо, стремятся к выбору такого герметизирующего материала, в котором напряжения появляются при температурах, лежащих за пределами рабочих температур изделия. Когда опасньш является только резкое изменение напряжений, следует выбирать материал, для которого температурный диапазон перехода от малых к большим напряжениям находится вне пределов рабочих температур изделия либо этот переход имеет не резкий характер.

Графики рис. 2.20 правильно отражают характер зависимости [134] а = / (Г) для пяти видов эпоксидных смол несмотря на то, что величины измеренных механических напряжений представляются завышенными.

В смоле А величина напряжений превышает при комнатной температуре 200 МПа (2000 кгс/см*), а сильный спад напряжений проявляется только при температуре 60 ...90° С и является достаточно рез-

% г

о


40 SO izo о -40

5 т

40 Т

Рис. 2.19. Усадка в процессе отверждения: эпоксидной (/), по-лиуретановой Dobeckan IF 201 G/200 ( ) и полиэфирной композиций Dobeckan I131/1K/U/ VII ( /):

-Эпидан 5-1-алифатическив амин; 2 - Эпидаи 5+8НМ-ЬДМП 30; 3 -

эпидан 1+фтале19ый ангидрид; XXX - усадка в твердой фазе; □ - в жидкой и / - уменьшение объема за счет нагрева




КИМ. в смоле В величина напряжений такая же, а напряжения снижаются при 30 ...60* С. В смоле С действует напряжение 20 МПа, однако интервал перехода в область больших напряжений начинается вблизи комнатной температуры, а при температуре около 0°С напряжения достигают 70 МПа и, наконец, при температуре ниже -30° С асимптотически приближаются к максимальной величине, превышающей 140 МПа. При использовании эластичной смолы D напряжение при комнатной температуре не превышает нескольких мегапаскалей и только при температуре -55° С достигает 45 МПа. Другая картина наблюдается при использовании пенообразного герметизирующего материала Е (пенопласта). Напряжения в этом случае минимальны и не изменяются (с точностью до ошибки измерений) в диапазоне температур -40 ...+100° С.

Следует подчеркнуть также, что механические напряжения в ряде случаев могут привести не только к появлению механических повреждений, но и к изменению стабильности электрических параметров изделий.

На рис. 2.21 приведен пример влияния механических напряжений, возникающих в герметизирующей оболочке в диапазоне температур -55 ...+ 100° С, на величину сопротивления резистора с TKR 0,1 %/°С. Значение TKR при изменении давления, как следует из графика, составляет 1,5%/10 МПа. Влияние изменения напряжения на сопротивление резистора, таким образом, значительно больше, чем влияние

Рис. 2.20. Изменение механических напряжений в зависимости от темпе^ ратуры в пяти разных смолах [134]

МПа

кОи

т

- II?

т

Ь

Рис. 2.21. Влияние меха-

нических напряжений С

на изменение сопротивле-

- гв

ния резистора iR:

- резистор; 2 - смола; 3 -

- в

траисдуктор


-40 -20 О 20 40 ео 60



изменений температуры, которая вызывает эти изменения. Описанный пример является исключением; обычно наблюдаемое влияние напряжений на электрические параметры резисторов и емкостей значительно меньше и составляют для танталовых конденсаторов 0,05%/10 МПа, а для керамических конденсаторов 0,1%/10 МПа.

Из изложенного следует, что при герметизации изделий с помоп],ью синтетических материалов важно учитывать, являются ли эти изделия чувствительными к механическим воздействиям и какое именно влияние оказывают в этом случае механические напряжения. Выбор герметизирующего материала должен быть таким, чтобы как во время отверждения материала, так и при последующих изменениях температуры, предусмотренной соответствующей климатической группой изделия, не могли возникать напряжения, повреждающие изделия. Для прецизионных и высокостабильных резисторов следует также учитывать возможные влияние напряжений на электрические параметры изделий.

Характеристика материала а = f (Т) может быть измерена маг-нитньш трансдуктором (гл. 14).

Наиболее сложным является влияние процессов герметизации синтетическими материалами на катушки индуктивности L, при этом герметизирующая оболочка оказывает влияние и на магнитный сердечник, и на обмотку. Влияние на магнитный сердечник обусловливается тремя факторами. Первый касается изменения магнитострикцион-ных свойств стержня и может быть особенно заметен в материалах типа NiFe (пермаллой). Жесткая заливка затрудняет изменение размеров, вызванных намагничиванием, и приводит к возрастанию тока намагничивания трансформаторов и уменьшению индуктивности дросселей.

Второй фактор обусловлен сдвигами между соприкасаемыми поверхностями, появляющимися при нагревании и отверждении герметизирующего материала. Результатами этого снова могут быть изменения токов намагничивания, связанные с изменением зазоров в сердечнике. Магнитное сопротивление зазора как в ферритовых, так и в стальных сердечниках может изменяться при циклических изменениях температуры. Влияние изменения зазора может быть хотя бы частично оценено экспериментально, если монтаж изделия и герметизация происходят в точно контролируемых и воспроизводимых условиях. Радикальньш решением, дающим возможность избежать как маг-нитострикционного эффекта, так и эффектов, связанных с изменением магнитного зазора, является герметизация катушки перед ее монтажом на сердечнике и отказ от герметизации сердечника, в меньшей мере изменяющего параметры при воздействии факторов внешней средьь f- Третий фактор влияния герметизирующего материала следует из его адгезии с сердечником. При изменении температуры в твердых, но хрупких ферритовых сердечниках могут возникать трещины.

Адгезии герметизирующего материала с сердечником можно избежать, покрывая сердечник антиадгезионным материалом, например кремнийорганическим лаком. Адгезия отсутствует при герметизации методом впрыскивания такими термопластинными материалами, как полипропилен, полиамид и т. п. В таких случаях следует, однако,




Отн. ед 4

Рис. 2.22. Влияние механических напряжений на выходное напряжение катушки, герметизированной различными материалами:

i - без герметизации; 2 - кремиийорганическая смола типа RTV; 3 - эластичная кремнийорганическая смола; 4 - агесткая эпоксидная смола

Рис. 2.23. Зависимость tg 6 от времени отверждения эпоксидной смолы с аминным (1) и ангидридным (2) от-вердителями


Рйс. 2.24. Влияние механических напряжений на герметизированный синтетическим **атериалом сборочный узел при хорошей адгезии смолы (а) и при плохой (б):

-направление напряжений; 2 -вывод; 3 - ИС; 4-пайка; 5 - герметизирующая композиция; 6 - силовые ЛИНИИ; 7 - зазор



принимать во внимание воздействие на герметизируемое изделие механических напряжений и усадки впрыскиваемого материала, которые, правда, можно уменьшить добавлением наполнителя.

Чтобы исключить вредное влияние всех трех факторов, целесообразно для герметизации применять эластичные материалы, которые не препятствуют изменению размеров сердечника, вызванных разными причинами, и не создают напряжений, воздействующих на защищаемое изделие.

Отрицательное влияние герметизирующей оболочки на обмотку может проявляться в механическом смещении либо обрыве тонких проводников в результате появления в этой оболочке напряжений. В некоторых случаях следует также учитывать влияние герметизирующего материала на добротность Q катушки, которая зависит от потерь в материале (рис. 2.22). Как известно, величина тангенса угла диэлектрических потерь для термореактивных композиций может изменяться в течение многих недель после герметизации (рис. 2.23) в результате продолжающегося процесса стабилизации структуры. Так же изменяется и усадка ед материала, приводящая к изменению его объема. Эти явления могут затруднить регулировку и разбраковку изделий, есгш их производить вскоре после герметизации. Этих трудностей можно избежать, поддерживая постоянными параметры герметизации либо используя материалы с малыми потерями, которые не приводят к изменению tg б и усадке материала во время отверждения.

Существование напряжений в герметизирующей оболочке, которые не вызывают механических повреждений изделий или недопустимых изменений их параметров, играет и положительную роль, препятствуя проникновению влаги к изделию по поверхности выводов. Хорошая адгезия выводов с герметизирующим материалом предохраняет также изделия от действия напряжений, направленных вдоль выводов. При хорошей адгезии эти напряжения рассеиваются в материале и не достигают изделий (рис. 2.24).

3. ВОПРОСЫ ОТВОДА ТЕПЛА [7, 17, 83-87, 123-126] 3.1. распределение температуры и ее влияние на элементы

Повышенные температуры в общем случае могут нарушать структуру материалов электрорадиоэлементов. Даже если повышение температуры не вызывает сразу ухудшения их параметров, то ее воздействие проявляется в течение продолжительной работы. Повышение температуры на 10° С вызывает снижение срока жизни элемента примерно на 50%. Кроме того, у некоторых изделий имеются участки, особенно чувствительные к повышению температуры, например спай материалов с различными ТКР, в частности стекло-металл. Особого внимания требуют так называемые горячие точки элемента, т. е. участки, выделяющие особенно много тепла, например, коллекторные переходы мощных транзисторов. При разработке технологических процессов герметизации следует обеспечить благоприятные условия



1 2 3 4 5 6 7 ... 31
Яндекс.Метрика