Анализ проблемы обеспечения герметичности изделий

Негерметичность корпуса герметичного прибора является основным дефектом, определяемым после операции герметизации. Именно она обусловливает возможность протекания химических или электрохимических реакций, приводящих к отказам изделий. Влага, компоненты парогазовой среды проникают через течи внутрь корпуса, поставляя тем самым необходимые для реакций вещества. Многочисленные результаты анализа отказавших герметизированных приборов показывают, что наличие течей в корпусах необходимо минимизировать. Особенно эти течи опасны на заключительных стадиях технологических процессов изготовления приборов, на которых они даже опаснее, чем при реальной эксплуатации в обычных условиях^[1].

После герметизации корпусов приборы обычно подвергаются различным воздействиям (очисткам, маркировке, термообработке и т. п.). В частности, корпуса из стали могут быть подвергнуты химической никелировке. В процессе обработок приборы могут неоднократно погружаться попеременно в горячие и холодные растворы, что резко повышает вероятность проникновения влаги и агрессивных химических веществ внутрь недостаточно герметичных корпусов. Многие приборы содержат алюминиевые проволочные соединения, дорожки алюминиевой металлизации. Для них очень опасно проникновение внутрь корпуса даже небольшого количества ионов хлора, так как при наличии влаги и ионов хлора возникает реакция разрушения алюминия, а хлор в ходе этой реакции не расходуется. В результате алюминиевый проводник или дорожка металлизации постепенно покрываются белыми хлопьями налета, состоящего из оксида алюминия, постепенно возникает обрыв токопроводящих дорожек из-за полного исчезновения металла в каком-либо месте проводника.

В результате химической реакции могут разрушиться как внутренние тонкие проводники и пленки, так и толстые внешние выводы приборов. Последние у полупроводниковых приборов часто делают из сплава ковара. Для защиты от коррозии выводы золотятся или облуживаются (покрываются припоем). Часто, однако, это защитное покрытие нарушается, особенно в местах, где выводы входят в стеклоизоляторы. В среде с высокой влажностью идет специфическая коррозия материала вывода вдоль границ отдельных зерен сплава, скорость которой многократно возрастает при наличии усилия, растягивающего выводы, при повышении температуры и влажности. Спустя некоторое время, когда процесс коррозии достигает уже большой глубины, происходит потеря прочности выводов и их обрыв.

При изготовлении разнообразных полупроводниковых приборов, ИС, ТС часто применяются многокомпонентные сплавы. Сложный состав имеют электродные сплавы для изготовления сплавно-диффузионных и германиевых сплавных /;-и-переходов. Например, эмиттерный электрод может быть выполнен из сплава Pb, Zn, Bi, Sb, Си, а базовый электрод — из сплава Pb, Sb, Bi и Sn. Электродные потенциалы указанных элементов сплава существенно различны, поэтому при наличии электролита протекает электрохимическая реакция разрушения сплавов. Электролитическая коррозия возникает в тех случаях, когда между двумя соседними электродами (в том числе между дорожками металлизации на поверхности кристалла) имеются разность потенциалов и необходимое для ее протекания количество осевшей из окружающей парогазовой среды влаги. В результате металл растворяющегося анода постепенно переносится к катоду, оставляя проводящую дорожку на пути этого переноса. После того как участок металлизации полностью исчезнет (растворится), возникнет обрыв в электрической цепи. В зависимости от конструкции прибора проводящая дорожка может замкнуть электроды еще до того, как один из них полностью растворится и возникнет обрыв.

Электролитическая коррозия наиболее опасна для приборов и интегральных схем, содержащих узкие полоски металлизации, находящиеся на небольших расстояниях друг от друга. Для ее предотвращения необходимо обеспечивать хорошую герметичность корпусов, а также окончательную герметизацию (например, сваркой) корпусов проводить в инертной сухой парогазовой среде.

При пассивации (защите) металлических пленок (например, тонким слоем стекла) скорость коррозии сильно снижается. Электролитическая коррозия является причиной большого числа отказов приборов в ныне широко распространенных (из-за их малой стоимости) пластмассовых корпусах. Применяемые в производстве полупроводниковых приборов пластмассы являются «прозрачными» для водяных паров, компонентов парогазовой среды. По этой причине давление паров в любой полости внутри пластмассы раньше или позже становится равным наружному давлению паров этих компонентов. Получается, что пластмассовая оболочка как бы передает влажность снаружи внутрь корпуса, к кристаллам.

Имеется и другой, более быстрый путь проникновения влаги к поверхности кристаллов. Он образуется вдоль границы соприкосновения с пластмассой металлических деталей (выводов), идущих от приборов (кристаллов). Известно, что количество перенесенного при электролизе вещества пропорционально времени процесса и величине тока. Ну, а ток пропорционален поверхностной проводимости, возникающей за счет осаждения на поверхность молекул воды из окружающей парогазовой среды. Установлено, что проводимость вдоль поверхности сильно растет при увеличении относительной влажности и повышении температуры, поэтому и время развития отказа прибора тоже сильно зависит от температуры и влажности. Ослабление контактов из разнородных металлов, их разрушение происходят также в результате образования в контактной области интерметаллических соединений или фазовых превращений в зоне контакта, происходящие при этом реакции не требуют наличия каких-либо других веществ или сред. А ускоряющим фактором выступает температура.

Одним из известных и изученных механизмов отказа такого типа является образование так называемого дефекта пурпурной чумы в контакте золото-алюминий, сформированном термокомпрессионной сваркой, в кремниевых пленарных приборах в условиях повышенной температуры. Специфические обрывы возникают иногда вследствие значительных напряжений в проводниках приборов в пластмассовой оболочке. Температурные коэффициенты линейного расширения металла (проводника) и пластмассы не совпадают, при изменении температуры на АТ в проводнике возникает напряжение.

где Е — модуль упругости проволоки; а_пл, а_пр — температурные коэффициенты линейного расширения пластмассы и проводника.

Анализ понятия «герметичность». Обеспечение герметичности миниатюрных электронных устройств всегда считалось проблемной задачей, решение которой весьма сложно. Заметим, что это свойство мифологически связано с именем древнегреческого бога Гермеса, эзотерическим учением Пифагора и, конечно, с практикой виноделия.

Первые попытки научного обоснования свойства герметичности, изоляции неких объемов от проникновения воздуха можно отнести к времени экспериментов Р. Бойля (1627—1691). Микросборка с герметичной внутренней полостью является, конечно, уже современным понятием, появившимся значительно позднее. Первоначальное, связанное с развитием электроники, назначение технологии герметизации состояло в защите полупроводниковых устройств от излишней влажности. Растущая потребность в высоконадежных устройствах для военной и аэрокосмической промышленности стала основной движущей силой для развития технологии герметизации, особенно при разработке миниатюрных устройств, где требуется длительный срок службы, исчисляемый десятилетиями, в течение которого должна быть обеспечена надежная работа изделий электронной техники, нередко в экстремальных условиях окружающей среды, например в космосе. Первоначальная концепция герметизации была проста и заключалась в размещении миниатюрных микроэлектронных устройств (МЭУ) в корпусах из металла или плотной керамики, т. е. материалов с низкой влагопроницаемостью^[2].

Герметизация МЭУ производилась в контролируемой атмосфере, часто посредством пайки. Целостность МЭУ и уплотнений была 100%-но протестирована с использованием разнообразных процедур, описанных в стандартах военной индустрии. Союз военной промышленности, металлургии и производства изделий электронной техники служил намеченной цели — получению качественных герметичных МЭУ в вакуумплотных корпусах на долгие годы. Многое из достижений военной и аэрокосмической электроники используется и по сей день. И герметичные защитные оболочки (корпуса) этих устройств могут быть морально старше самого оператора, производящего размещение и герметизацию МЭУ в них. Кроме того, необходимо учитывать еще один важный момент — высокую стоимость вакуумплотных корпусов. Это обстоятельство привело производителей герметичных МЭУ к поиску менее дорогих решений, в частности к использованию для герметизации МЭУ полимерных материалов (пластмасс).

• [1] См. работу [36], а также статьи: Тимошенков С. Я, Бойко А. Н., Заводян А. В. Технологии вакуумной герметизации МЭМС // Известия вузов. Электроника. 2010. № 1. С. 11—23;Бойко А. Н. и др. Исследование и разработка технологии герметизации микроэлектромехани-ческих устройств // Нанои микросистемная техника. 2007. № 11. С. 53—57.
• [2] Тимошенков С. Я., Бойко А. Н., Заводни А. В. Технологии вакуумной герметизацииМЭМС; Бойко А. Н. и др. Исследование и разработка технологии герметизации микроэлек-тромеханических устройств.