Hermetyzacja.Monokrystalizacja.Montaż przyrządów

półprzewodnikowych monolitycznych.

Arkadiusz Galant Ic

Hermetyzacja

Przyrządy półprzewodnikowe oraz monolityczne układy scalone muszą. być chronione przed wpływem środowiska. Do tego celu stosuje się hermetyczne obudowy metalowe, ceramiczne, szklane oraz z tworzyw sztucznych.

Najmniej skuteczną hermetyzację dają obudowy z tworzyw sztucznych.Obudowy metalowe, szklane i ceramiczne są uważane za najlepsze ze względu na szczelność i trwałość. Poza szczelnością stawia się im wymagania technologiczne, ekonomiczne, eksploatacyjne i montażowe. Muszą zatem obrabiać się łatwo, powinny kosztować tanio, wykazywać dobre właściwości eksploatacyjne oraz łatwość użycia w złożonych urządzeniach elektronicznych.

 

Obudowy

                                                                              

                                                                              

                                                                                                                                  

                                                                              

                                                                                                                                                             

                                                                              

Monokrystalizacja

-Wytwarzanie monokryształów metodą wyciągania z roztworu (metodą Czochralskiego):

Proces krystalizacji jest tu zapoczątkowany przez monokrystaliczny zarodek początkowo zanurzony w roztopionej substancji, a następnie wyciągany z odpowiednią szybkością z cieczy. Przez dobór warunków temperaturowych w obszarze krzepnięcia substancji można uzyskać efekt wzrostu monokryształu o orientacji krystalograficznej zgodnej z orientacją zarodka.

Uzyskanie pozytywnych wyników: Konstrukcja urządzenia powinna zapewnić w ob szarze cieczy spadek temperatury od ścianek i dna naczynia zawierającego stopioną substancję ku jego środkowi na powierzchni cieczy. W obszarze tym powinien być wytworzony gradient temperatury zapewniający wytworzenie się frontu krystalizacji w pewnej niewielkiej odległości od powierzchni cieczy. Wymaga się również, aby stopiona substancja była jednorodna chemicznie w całej swej masie. Warunek ten spełnia się przez obrotowy ruch tygla lub zarodka, co ponadto zapewnia równomierne odprowadzanie ciepła z obszaru krystalizacji.Do celów produkcyjnych wytwarza się obecnie monokryształy o średnicach 50, 75, 100, 150 mm i więcej. Długość monokryształu wynosi od kilkunastu do kilkudziesięciu centymetrów.

Monokrystalizacja metodą Czochralskiego1-zarodek krystalizacji, 2-monokryształ3-półprzewodnik stopiony, 4-front krystalizacji

-Wytwarzanie metodą Bridgmana-Stockbergera

Metoda ta polega na powolnym wysuwaniu z pionowego pieca rurki zawierającej stopiony półprzewodnik. Zarodek krystalizacji powstaje w zwężonej części rurki po jej wejściu w obszar o temperaturze niższej od temperatury krzepnięcia substancji. W miarę obniżania zasobnika rozrasta się w nim pojedynczy kryształ ukierunkowany powstałym w zwężeniu zarodkiem.  

Monokrystalizacja metodą Bridgmana-Stockberga1-piec pierwszy, 2-piec drugi, 3-przegroda    

Metoda Beztyglowa

W metodzie beztyglowej zarodek krystalizacji zostaje umieszczony w dolnym uchwycie urządzenia. Stopienie strefowe pręta w jego dolnej części powoduje nadtopienie zarodka krystalizacji. Przesunięcie ku górze strefy grzania wywołuje stopienie dalszej części pręta oraz zakrzepnięcie części uprzednio stopionej. Dzięki ukierunkowaniu zarodka faza ciekła przechodzi w stan stały w formie pojedynczego kryształu. Przy pionowym ustawieniu pręta stopiona strefa jest utrzymywana między stałymi jego częściami sitami napięcia powierzchniowego. Wynikają z tego ograniczenia średnicy pręta oraz długości stopionej strefy.

Metoda beztyglowa1,6-uchwyty, 2-polikryształy, 3-monokryształy,4-zarodek, 5-strefa stopienia

Monokrystalizacja z pary

Każdy kryształ powstaje z zarodka, który następnie przez przyłączenie atomów rozrasta się do określonych rozmiarów. Warunkiem powstania zarodka jest zgromadzenie pewnej liczby cząsteczek, które po przekroczeniu wartości krytycznej i uporządkowaniu tworzą strukturę trwa1ą. Atomy osadzające się z pary na podłożu monokrystalicznym zajmuję miejsca charakteryzujące się maksymalną liczbą sąsiadujących atomów. Zajmowanie miejsca w pobliżu największego zagęszczenia powoduje powstawanie struktury o ścisłym upakowaniu powierzchni. Monokrystalizacja z pary nie jest stosowana do wytwarzania monokryształów na płytki struktur półprzewodnikowych.

Montaż przyrządów półprzewodnikowych

monolitycznych

Na jednej monolitycznej płytce znajduje się po wytrawieniu selektywnej warstwy metalicznej kilkaset jednakowych przyrządów półprzewodnikowych. Nie wszystkie jednak spełniają warunki kwalifikujące je do dalszej operacji. Struktury wadliwe należy wyeliminować z procesu technologicznego.

Proces eliminacji opiera się na pomiarach elektrycznych kolejnych struktur. Do tego celu służy urządzenie składające się z mikromanipulatora wieloostrzowego oraz miernika parametrów elektrycznych (testera).

Mikromanipulator jest wyposażony w wieloostrzową głowicę wchodzącą w styk elektryczny ze struktury i umożliwiającą testerowi pomiar parametrów elektrycznych struktury. W przypadku odchyłek większych od dopuszczalnych tester znakuje struktury farbą magnetyczną. Po automatycznym sprawdzeniu wszystkich struktur płytki są rysowane (nacinane) za pomocą ostrza diamentowego i następnie dzielone.Do eliminowania złych struktur służy urządzenie magnetyczne (separator) wyposażone w taśmowy przenośnik struktur oraz głowicę magnetyczną do wychwytywania struktur, które jako wadliwe zostały oznaczone farbą magnetyczną.

 

Struktury uznane za dobre będą następnie łączone z podłożem. Stosuje się w zasadzie dwa sposoby łączenia: lutowanie oraz klejenie. Połączenia lutowane odznaczają się dobrą zdolnością do odprowadzania ciepła oraz możliwością wytworzenia kontaktu o malej rezystancji. Połączenia klejone stosuje się wówczas, gdy chodzi o izolację elek tryczną struktur. Jako lutowia stosuje się najczęściej stopy eutektyczne Si-Au lub Au-Ge.

100% Au Stężenie(% masy germanu)

Wykres równowagi termodynamicznej faz złoto-german

Podczas lutowania między łączone części wkłada się cienką folię z lutowia, która po podwyższeniu temperatury powyżej wartości eutektycznej ulega stopieniu, łącząc sąsiadujące ze sobą elementy.Prostym sposobem lutowania, najczęściej stosowanym w produkcji, jest lutowanie struktur półprzewodnikowych bez podkładki lutowia. Można bowiem stop eutektyczny wytworzyć, gdy płytkę krzemową będzie się nagrzewać na elemencie pokrytym warstewką złota. Wskutek dyfuzji złota do krzemu (i odwrotnie krzemu do złota) wytworzy się w pewnej chwili i w pewnym obszarze koncentracja odpowiadająca składowi eutektycznemu.

Jeżeli temperatura tego obszaru jest wyższa od temperatury topnienia stopu eutektycznego, to obszar ten ulegnie stopieniu. Obniżenie temperatury spowoduje skrzepnięcie stopu i przyłączenie struktury półprzewodnikowej do podłoża. Jest ono jednocześnie częścią obudowy przyrządu. Najczęściej stosuje się obudowy metalowe, metalowo-szklane lub ceramiczne. W pewnych przypadkach używa się również obudów tworzywa sztucznego w połączeniu z metalem. Liczba typów obudów jest ogromna. Wynika to z faktu żywiołowego i wielo-torowego rozwoju układów scalonych. Obecnie obserwuje się tendencję do unifikacji, a nawet normalizacji obudów.

Przykład obudowy metalowej typu TO51-przepusty z Fe-Ni, 2-obudowa z Fe-Ni-Co złocona,3-szkło, 4-miejsce dla struktury

Montaż drutowy-stosuje się do łączenia pól kontaktowych przyrządów i układów elektronicznych z wyprowadzeniami.

Dwie metody łączenia:-termokompresyjna-ultradźwiękowa(ultrakompresyjna)

Metoda termokompresyjna

Jest odmianą zgrzewania dostosowaną do warunków łączenia bardzo małych obszarów bardzo cienkimi drutami aluminiowymi lub złotymi. Polega ona na łączeniu warstw metalowych w wyniku ich odkształcenia plastycznego wywołanego naciskiem grota w temperaturze niższej od temperatury powstania fazy ciekłej. Połączenie następuje w wyniku zbliżenia atomów warstw wierzchnich na odległość wzajemnego oddziaływania, co prowadzi do powstania na granicy obu łączonych warstw wspólnej struktury krystalicznej obejmującej swym zasięgiem pewną strefę.

Zależnie od kształtu grota wywierającego nacisk na łączone materiały można wyróżnić termokompresję: klinową, kulkową oraz oczkową.W metodzie klinowej grot jest wykonany ze stali, podobnie jak w metodzie oczkowej. Natomiast w metodzie kulkowej, stosowanej tylko do drutu ze złota, drut jest prowadzony w kapilarze szklanej, z węglika wolframu lub niekiedy z rubinu. Przed przystąpieniem do łączenia należy na końcu drutu wystającego z kapilary uformować kulkę, która łatwo powstaje w płomieniu palnika tlenowo-wodorowego.Ponieważ średnica kulki jest większa od średnicy otworu kapilary, zatem wywarcie na nią nacisku kapilary spowoduje w miejscu styczności z podłożem odkształcenie plastyczne kulki i trwale połączenie obu łączonych elementów.W procesie termokompresji pożądana jest atmosfera gazu obojętnego w celu ochrony łączonych elementów przed utlenianiem w podwyższonej temperaturze. 

 

Klinowa Oczkowa

1-podłoże, 2-drut, 3-narzędzie

Metoda ultradźwiękowa

 

Umożliwia uzyskanie połączenia o bardzo małych powierzchniach, bez konieczności podwyższaniatemperatury łączonych elementów. Ma to istotne znaczenie w konstrukcji układów scalonych, gdzie liczba wyprowadzeń może byćznaczna, a więc i czas podgrzewania w procesie łączenia jednejstruktury nadmiernie długi. Połączenie części uzyskuje się dziękinaciskowi prostopadłemu do powierzchni łączonych elementów orazpoprzecznym drganiom ultradźwiękowym wywołanym przez prze-twornik magnetostrykcyjny (zjawisko magnetostrykcji polega na odkształcaniu wymuszanym zmiennym polem magnetycznym wielkiejczęstotliwości).

Drgania te przenoszą się następnie przez sonotrodę nałączone elementy, powodując ich plastyczne odkształcenie. Drganiapoprzeczne wywołują na powierzchniach łączonych elementów kruszenie warstewki tlenków, a tym samym ich oczyszczanie. Ponadtoenergia drgań powoduje tarcie między łączonymi powierzchniamiwskutek tego w miejscu styczności temperatura wzrasta, przyczyniając się do powstania spoiny.

Zasada łączenia ultradźwiękowego Sonotroda do montażu drutowego

1-elementy łączone, 2-transformator drgań,3-generator, 4-przetwornik magnetostrykcyjny

Montaż bezdrutowy

Jednym z rozwiązań montażu bezdrutowego tranzystorów są wyprowadzenia sferyczne. Polegają one na naniesieniu na po wierzchnią struktury szkliwa, w którym wytrawia się otwory do metalizacji. W te otwory wprowadza się bardzo małe kulki miedziane pocynowane, kontaktujące z obszarami bazy, emitera i kolektora, które następnie służą jako wyprowadzenia wykorzystywane przy montażu. Do metod montażu bezdrutowego nalezą też wyprowadzenia belkowe oraz połączenia wykonane metodą paskową.

Zasada montażu z wyprowadzeniem sferycznym

1-przyrząd, 2-wyprowadzenie sferyczne, 3-lutowie,4-taśma dystansowa, 5-ścieżka kontaktowa

Zasada montażu z wyprowadzeniem belkowym

1-przyrząd, 2-wyprowadzenie belkowe, 3-ścieżka kontaktowa

Technika paskowa

1-przyrząd, 2-taśma aluminiowa