Регистрация Вспомнить пароль
Задать вопрос специалисту
CAPTCHA

Полимерные клеи и стеклянные припои. Применение в сборке и герметизации интегральных микросхем и оптоволоконных приборов

27 Апреля 2010

Производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем включает в себя мно- жество технологических операций, среди которых особое место занимают сборка и герметизация. От качества сборочных операций зависят стабильность электрических параметров и надёжность конечного изделия. кроме того, выбор метода сборки влияет на суммарную стоимость продукта.

В данной статье мы рассмотрим современные технологические решения на основе клеёв и стеклянных припоев для следующих операций:

Типы адгезивов для сборки и герметизации

Рассмотрим основные типы клеёв и стеклянных припоев, применяемых в процессах сборки и герметизации интегральных микросхем и оптоволоконных приборов. Их различают по типу связующего вещества и по типу материала наполнителя.

1. Связующий материал

Органические полимеры, используемые в качестве адгезива, могут быть разделены на две основные категории: реактопласты и термопласты. Все они являются органическими материалами, но существенно отличаются по химическим и физическим свойствам.

В реактопластах при нагреве полимерные цепи необратимо сшиваются в жёсткую трёхмерную сетчатую структуру. Возникающие при этом связи позволяют получать высокую адгезионную способность материала, но при этом ремонтопригодность ограничена.

В термопластичных полимерах не происходит отверждения. Они сохраняют способность к размягчению и расплавлению при нагреве, создавая прочные эластичные связи. Это свойство позволяет использовать термопласты в приложениях, где требуется ремонтопригодность. Адгезионная способность термопластичных пластмасс ниже, чем у реактопластов, но в большинстве случаев вполне достаточна.

Третий тип связующего вещества – смесь термопластов и реактопластов, объединяющая в себе преимущества двух типов материалов. Их полимерная композиция представляет собой взаимопроникающую сеть термопластичных и реактопластичных структур, что позволяет использовать их для создания высокопрочных ремонтопригодных соединений при относительно низких температурах (150оС-200оС).

Помимо полимерных материалов для создания теплопроводящих соединений активно применяются неорганические материалы, так называемые стеклянные припои. Стеклянные припои – это материалы, состоящие из оксидов металлов. Они обладают хорошей адгезией к широкому спектру керамики, оксидов, полупроводниковых материалов, металлов и характеризуются высокой коррозионной стойкостью. Активно применяются для создания вакуум-плотных соединений (герметизация электронных, оптоволоконных микросхем и т.д.), используются при более высоких температурах по сравнению с полимерными клеями.

Каждая система имеет свои достоинства и недостатки. Одним из ограничений в использовании термопластичных паст является медленное удаление растворителя в процессе оплавления. Раньше для соединения компонентов с использованием термопластичных материалов требовалось провести процесс нанесения пасты (соблюдая плоскостность), сушки для удаления растворителя и только затем установки кристалла на подложку. Такой процесс исключал образование пустот в клеящем материале, но увеличивал стоимость и затруднял использование данной технологии в массовом производстве.

Современные термопластичные пасты обладают способностью очень быстрого испарения растворителя. Это свойство позволяет наносить их методом дозиро- вания, используя стандартное оборудование, и устанавливать кристалл на ещё не высушенную пасту. Далее следует этап быстрого низкотемпературного нагрева, во время которого растворитель удаляется, и после оплавления создаются адгезионные связи.

Долгое время имелись сложности с созданием высокотеплопроводящих клеёв на основе термопластов и реактопластов. Данные полимеры не позволяли увеличивать содержание теплопроводящего наполнителя в пасте, поскольку для хорошей адгезии требовался высокий уровень связующего вещества (60-75%). Для сравнения: в неорганических материалах доля связующего вещества могла быть уменьшена до 15-20%. Современные полимерные клеи (Diemat DM4130,DM4232, DM4030, DM5030, DM6030) лишены этого недостатка, и содержание теплопроводящего наполнителя достигает 80-90%.

2. Наполнитель

Основную роль в создании теплопроводящего адгезива играют тип, форма, размер и количество наполнителя. В качестве наполнителя используется серебро (Ag) как химически стойкий материал с наиболее высоким коэффициентом теплопроводности. Современные пасты содержат в себе серебро в виде порошка (микросферы) и хлопьев (чешуек). Точный состав, количество и размер частиц экспериментально подбираются каждым производителем и в сильной степени определяют теплопроводящие и клеящие свойства материалов.

В задачах, где требуется диэлектрик с теплопроводящими свойствами, в качестве наполнителя используется керамический порошок.

Присоединение кристалла к основанию корпуса

Основными требованиями при присоединении кристалла к основанию корпуса полупроводниковой микросхемы являются высокая надёжность соединения и высокий уровень передачи тепла от кристалла к подложке.

Операцию присоединения проводят с помощью пайки, приплавления с использованием эвтектических сплавов или приклеивания. Традиционные решения на основе сплавов и эвтектики позволяют создавать прочные соединения с высокими теплопроводящими свойствами, но, как правило, требуют предварительной металлизации поверхностей и особых условий технологического процесса (высокая температура, специальная атмосфера, отмывка после оплавления). В связи с этим в некоторых случаях возникает необходимость перехода на использование электро-, теплопроводящих клеёв и стеклянных припоев.

Среди преимуществ использования теплопроводящих полимерных клеёв и стёклянных припоев стоит отметить:

Теплопередача

Передача тепла от кристалла к корпусу может быть рассчитана по закону теплопроводности Фурье:

furie.jpg (1)

Теперь рассмотрим более подробно влияние характеристик и базовых особенностей электро-, теплопроводящих клеёв и стеклянных припоев на теплопередачу и надежность соединения.

Рис. 1 Передача тепла от кристалла к подложке

где Q – тепловой поток через клеевую линию между кристаллом и подложкой [Вт], k – коэффициент теплопроводности [Вт/моК], A – площадь соединения [м2], dx – толщина клеевого шва [м], dT – перепад температур между верхней и нижней границами клеевого шва [оК] (рис. 1).

Двумя величинами в уравнении 1, непосредственно относящимися к клеящему материалу, являются теплопроводность k и толщина клеевого шва dx. Таким образом, тепловой поток через клеевой шов находится в прямой зависимости от коэффициента теплопроводности адгезива. Это важнейшая характеристика материала, и она оценивается в первую очередь.

При выборе адгезионного материала также должна учитываться и толщина клеевого шва. На рис. 2 показаны результаты расчета теплового потока для адгезионных материалов с разными значениями коэффициентов теплопроводности и толщины клеевого шва. Для примера выбраны три материла: стандартный термопласт/ реактопласт на основе эпоксидных смол (k=3Вт/моК), серебросодержащие пасты Diemat на основе термопластов (k=20Вт/ моК) и серебросодержащий стеклянный припой Diemat DM3030 (k=65Вт/моК). График рассчитан для кристалла со стороной 10мм (А=100мм2) при температуре кристалла 75оС, присоединённого к подложке с температурой 25оС(dT=50оС).

Рис. 2 Зависимость теплового потока от толщины клеевого шва для разных значений теплопроводности

Как видно из рис. 2, материалы с низким коэффициентом k и тонким клеевым швом могут обеспечивать тепловой перенос на таком же уровне, как и материалы с высокой теплопроводностью и толстым клеевым швом. Например, серебросодержащий клей Diemat DM4130Hk(k=20Вт/моК) с толщиной клеевого шва 20 мкм, обеспечивает такой же теплоперенос, как серебросодержащий стеклянный припой Diemat DM3030(k= 65Вт/моК) с толщиной соединительного слоя 70 мкм.

При выборе адгезива для соединения кристалла следует обратить внимание на то, что термопласты, как правило, имеют малый модуль упругости (<1500МПа). Это позволяет соединять компоненты с различными КТР, используя очень тонкий клеевой шов. Напряжение сдвига в таком случае мало. Реактопласты и стеклянные припои имеют гораздо более высокий модуль упругости (3500МПа), поэтому минимальная толщина шва и размеры соединяемых компонентов для них могут быть ограничены из-за возможности возникновения больших термомеханических напряжений. Тепловой перенос может быть одинаков для систем на основе термопластов и стеклянных припоев, несмотря на большую теплопроводность последних.

Надежность

Как упоминалось ранее, полимерные клеи более эластичны по сравнению с припоями. Это позволяет создавать надёжные соединения между материалами с различными КТР (например, при установке кремниевого кристалла на печатную плату (Chip-on-board) или непосредственно на радиатор охлаждения). Помимо этого, на надёжность готового устройства положительно влияют низкие температуры монтажа и отсутствие флюсов.

Герметизация полупроводниковых микросхем

Рис. 3 Стеклянные преформы Diemat для герметизации интегральных микросхем и оптоволоконных приборов

Герметизация полупроводникового кристалла – создание герметичной, механически прочной оболочки для защиты кристалла от воздействия окружающей среды. Герметизация может быть осуществлена с помощью корпуса или в бескорпусном исполнении. Вакуум-плотную герметизацию обеспечивают металлические, стеклянные и керамические корпуса, детали которых (основание и крышку) соединяют с помощью сварки или пайки. Металлические припои в большинстве случаев не смачивают стекло и керамику, поэтому поверхности соединяемых деталей металлизируют.

Для герметизации полупроводниковых микросхем современная промышленность предлагает материалы на основе полимерных клеёв и стеклянных припоев. Для сборки и герметизации нет необходимости металлизировать поверхности и создавать специальные условия как для пайки обычными припоями. Это существенно сокращает стоимость технологического процесса.

Данные припои оплавляются при низких температурах (300оC-400оС) и могут поставляться в виде паст или готовых прокладок (преформ) (рис. 3).. Паста наносится методом трафаретной печати или дозированием, что позволяет автоматизировать процесс герметизации (в отличие от металлических припоев). Преформа заданной конфигурации и размеров помещается между основанием микросхемы и крышкой. После нанесения пасты или после сборки с использованием преформ, стеклянный припой оплавляется. При этом создаётся прочное, надёжное и герметичное соединение.

Герметизация оптоволоконных приборов

Герметизация оптоволоконных изделий традиционно осуществляется с использованием золото-оловянных припоев. Для фиксации оптоволокна оно металлизируется и запаивается в металлическую трубку, затем эта трубка устанавливается на металлическую платформу. При использовании данного метода критичными являются адгезия металлизированных слоёв к оптоволокну и механические напряжения, возникающие в процессе герметизации. От этого зависят качество и надёжность соединения.

Преформы для оптоволоконной техники представляют собой стеклянный порошок, запрессованный в форме шайб с добавлением органических растворителей рис. 4.

pg4-1.jpgРис. 4 Герметизация оптоволокна с помощью стеклянных преформ

Преформа устанавливается на соединяемые или закрепляемые детали и оплавляется любым из доступных методов нагрева (индукционный, резистивный, инфракрасный, лазерный и т.д.). Стеклянный припой оказывает малое давление на оптическое волокно и позволяет создавать высоконадёжные оптоэлектронные сборки.

Технологические особенности использования полимерных клеёв и стеклянных припоев

Принимая решение о применении полимерных клеёв и стеклянных припоев, необходимо учитывать некоторые технологические особенности этих материалов и соединяемых компонентов, а именно:

Заключение

Подводя итоги, еще раз подчеркнем, что использование клеёв и стеклянных припоев позволяет:

Также стоит отметить, что использование клеёв даёт возможность автоматизировать процесс сборки и осуществлять ремонт при низких температурах. Последнее особенно важно в случаях, когда кристалл тестируется в составе устройства или монтируется непосредственно на печатную плату (технология chip-on-board) или на гибкий носитель (chip-on-film).

Всё это даёт дополнительные возможности для настройки технологического процесса с целью увеличения надёжности, снижения стоимости конечного изделия и повышения эффективности Вашего производства.

Более подробную информацию Вы можете получить, обратившись в отдел технологических материалов Предприятия Остек, по телефону (495) 788-44-44 или по электронной почте materials@ostec-group.ru.

Передовые технологические решения на основе клеёв и стеклянных припоев

Основные электро-, теплопроводящие материалы Diemat для присоединения полупроводникового кристалла к основанию корпуса

Тип клея

Термопласты

Термопласты- Реактопласты

Реактопласты

Стеклянный припой

Название

4030LD

4030SM

4131HT

5030P

5130P

6030Hk

3030

Технические данные

Теплопроводность, Вт/м°K

15

10

18

25

27

60

65

Объемное удельное сопротивление, µОм-см

42

70

48

29

27

8

13

Адгезия, psi

1000

1500

2000

2000

2400

3200

900

Модуль изгиба, kpsi

85

100

175

300

400

600

350

КТР, ppm/°C

28

30

30

23

23

26

20

Температура ремонта, °C

120

120

150

N/A

N/A

N/A

N/A

Стеклянные припои для герметизации полупроводниковых микросхем и оптоволоконных приборов




Низкотемпературный

Бессвинцовый

Серия DM2700/2800

Серия DM2900

DM2700

DM2760

DM2995

Технические данные

Температура герметизации, °C

350

400

500

Температура стеклования Tg, °C

215

260

362

КТР (от 25 до 150°C), ppm/°C

7,5

7,5

6,4

Плотность стекла, г/см3

7,6

7

5,4

Скорость натекания гелия, атм-см3/сек

-8

-8

-9

Автор, должность:
Роман Кондратюк, ведущий инженер
Отдел:
Направление технологических материалов
Email:
materials@ostec-group.ru
Издание:
Информационный бюллетень «Степень интеграции», апрель 2010, №3