кормилицые. ЭУП Кормилицын 2014. Лэти оп. Кормилицын механика конструкций приборостроения электронное учебное пособие СанктПетербург Издательство спбгэту лэти 2014 2
 Скачать 4.82 Mb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ ________________________________ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» ________________________________ ОП. КОРМИЛИЦЫН МЕХАНИКА КОНСТРУКЦИЙ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ Электронное учебное пособие Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2014 2 УДК 539.3:621.382 ББК В 852 К Кормилицын ОП. К Механика конструкций приборостроения электрон. учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. 154 с. ISBN 978-5-7629-1561-8 Рассмотрены конструкции полупроводниковых приборов, расчетные схемы. Приведены основные расчетные зависимости анализа прочности, жесткости конструкций приборостроения при силовом, температурном и динамическом внешнем воздействии. Предназначено для подготовки бакалавров по направлениям 200100 Приборостроение Радиоэлектронные системы и комплексы, 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника, 230101.62 Системы автоматизированного проектирования, 140400.62 Электроэнергетика и электротехника. УДК 539.3:621.382 ББК В 852 Рецензенты кафедра технических средств таможенного контроля и криминалистики Санкт-Петербургского филиала Российской академии таможни им. В. Б. Бобкова; канд. техн. наук ПА. Алешкевич (ООО «Тетрасофт»). Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве электронного учебного пособия ISBN 978-5-7629-1561-8 © СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 3 1. КОНСТРУКЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ И МИКРОСХЕМ. РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ 1.1. Конструкции корпусов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС) Длязащиты от внешних механических, климатических и световых воздействий полупроводникового кристалла с активными и пассивными элементами его помещают в корпус. Корпус является важнымэлементом полупроводникового прибора и ИМС, от конструкции которого во многом зависит их надежность и нормальная работоспособность. Основные функции корпуса объединение всех элементов прибора в общий комплекс отвод теплоты от полупроводникового кристалла предотвращение передачи механических воздействий к кристаллу обеспечение изоляции токоведущих частей защита от влаги, газов, агрессивных сред. К корпусам полупроводниковых приборов и ИМС предъявляют высокие требования по механической прочности, герметичности, критическим изменениям температур, тропикоустойчивости и устойчивости к космической радиации. Согласно ГОСТ 18472–82, все полупроводниковые приборы по форме корпуса, габаритными присоединительным размерам поделены на соответствующие типы и модификации. Корпуса ИМС подразделяются на пять типов (ГОСТ 17467–79) по форме проекции тела корпуса на плоскость основания и расположению выводов корпуса. Для изготовления корпусов полупроводниковых приборов и ИМС широко используют спаи металла со стеклом и керамикой, а также различные пластмассы. Рассмотрим конструктивные особенности основных типов ИМС. По кон- структивно-технологическим признакам принято различать ИМС с металло- стеклянными, металлополимерными и керамическими корпусами, основные конструктивные элементы которых – основание, крышка, ободок. На рис. 1.1 показана конструкция ИМС с полимерным монолитным корпусом. Кристалл 1 располагается на кристаллодержа- теле 2, а контактные площадки кристалла соединяются с выводами корпуса 3 отрезками тонкой проволоки. Корпус 4 выполнен из полимерного материала в процессе герметизации при заливке или прессовании. 1 2 3 4 Рис. 1.1 4 Значительное распространение получили ИМС с керамическими корпусами, номенклатура которых достаточно широка и включает в себя однослойные, многослойные, чашечные и безвыводные. На рис. 1.2 изображена ИМС с многослойным керамическим корпусом, который состоит из трех спеченных керамических слоев, содержащих металлизированные участки. На нижний слой 3 припаивается или приклеивается кристалл. На среднем слое 2 выполняются металлизированные выводы 4–6 и контактные площадки, предназначенные для приварки гибких проводников 12 от кристалла и подсоединения выводов корпуса. На верхний слой 1 приклеиваются ободок 9 и крышка корпуса 10. Безвыводные корпусы отличаются от многослойных тем, что их выводы 11 заменяются металлизированными контактными площадками на самом корпусе, которые припаиваются к контактным площадкам. На рис. 1.3 приведены две разновидности металлокерамических корпусов ИМС. Корпуса полупроводниковых диодов по конструктивно-технологическим признакам разделяются на стеклянные, металлокерамические, металлические с проходными изоляторами и пластмассовые. Рассмотрим конструктивные особенности основных типов корпусов диодов. На рис. 1.4 представлена конструкция стеклянного корпуса, которая состоит из проволочных кристаллодержателя и иглодержателя и стеклянного корпуса 1. Соединение указанных элементов веди- ный объект проводят в два этапа. Сначала изготавливают спай проволочного вывода из платинита с бусой 3 из стекла C48-1. Затем вывод с бусой вставляют в стеклянную трубку и спаивают стекло бусы со стеклом трубки. Аналогичную операцию проводят для второго вывода с бусой; при этом происходит герметизация корпуса. 1 2 3 4 Рис. 1.2 11 10 9 8 7 12 5 6 Рис. 1.3 1 2 3 Рис. 1.4 5 Второй вариант стеклянного корпуса, в отличие от первого, создается одной операцией спая стеклянной трубки с двумя выводами. Часть выводов, которая непосредственно соединяется со стеклом, изготавливается из платинита или молибдена, а та часть, которая со стеклом не соединяется, может быть изготовлена из меди, никеля, платинита. Рассмотренные стеклянные корпуса являются простыми,малогабарит- ными, достаточно дешевыми в изготовлении. Существенными недостатками этих корпусов являются невысокая механическая прочность спая металла со стеклом и возможность появления трещин в стекле при многократномизги- бании выводов при монтаже. На рис. 1.5 показана конструкция металлостеклянного корпуса, которая включаетв себя два металлических держателя, стекляннуютрубку 1 и две переходные коваровые втулки 2. Баллон корпуса представляет собой соединение стеклаС-48-2 идвух втулок из сплава никеля и ковара 29НК. Металлические втулки служат для центровки держателя и их закрепления приокончательной сборке корпуса прибора. Держатели кристалла ивывода 3 представляют собой отрезки проволоки разных диаметров, соединенные между собой с помощью ударной конденсаторной стыковки. 1 2 3 4 Рис. 1.5 2 Окончательно герметизируют корпус пайкой в конвейерной печи в атмосфере водорода. В качествеприпоя используют ПОС (поз. 4). Вторая модификация металлостеклянного корпуса состоит из баллона, двух разрезных стаканов и двух колпачков с проволочными или с ленточными выводами. Недостатком данного типа корпусов является процесс пайки на заключительном этапе сборки, что может повлиять на прочность корпуса. На рис. 1.6 показана конструкция металлического корпуса со стеклянным проходным изолятором. 6 Корпус состоит из кристаллодержателя 1, изготовленного из ковара или малоуглеродистой стали и баллона. По периферии кристал- лодержатель имеет кольцевой выступ, который обеспечивает надежное его соединение с баллоном корпуса 2 при электроконтактной сварке. К внешней части кристаллодержателя приваривают вывод 7 из никеля. Баллон корпуса состоит из металлической трубки 4 и металлической оболочки стеклоизолятора 3, которые соединены между собой прочными металло- стеклянными спаями. Оболочку баллона изготавливают холодной штамповкой из ленты из сплавов никеля 29НК или 47НД. Трубку 5 изготавливают из ковара. Для образования прочного герметичного спая оболочки баллона со стеклом истекла с трубкой используют стек- лотаблетки из стекла С или С. При сборке прибора полупроводниковый кристалл припаивают к основанию кристаллодержателя, а верхний вывод 8 от кристалла пропускают через трубку баллона. Баллон соединяют с кристаллодержателем кольцевой электроконтактной сваркой. Окончательно корпус герметизируют обжимом проварки верхнего конца трубки баллона с пропущенным через нее выводом полупроводникового кристалла. К обжатой части трубки приваривают проволочный вывод 6 из никеля. Конструкция металлического корпуса с проходным изолятором для приборов мощностью свыше 2 Вт отличается соединением баллона с кристаллодержа- телем, которое осуществляется методом холодной сварки и наличием отверстия в обжатой части трубки. Кристаллодержатель данной конструкции имеет вид шестигранника с винтом, что позволяет крепить корпус на теплоотво- дящем радиаторе. На рис. 1.7 представлена конструкция корпуса диода СВЧ-диапазона отличительными чертами данных корпусов являются многоцелевое назначение и унификация деталей. Корпуса предназначены для параметрических, смесительных, переключательных, ограничительных и умножительных диодов СВЧ-диалазона. Конструкция состоит из кристаллодержателя 1, керамической втулки 2 и металлического кольца 3. Керамическая втулка соединяет Рис. 1.6 2 3 4 5 6 7 8 7 ся с кристаллодержателем и металлическим кольцом с помощью высокотемпературного припоя ПСр-72. Кристаллодержатель и кольцо покрывают слоем золота. Окончательно герметизируют корпус присоединением к металлическому кольцу баллона электроконтактной сваркой корпуса металлической крышки 4. Керамическую втулку изготовляют из высокоглиноземистой керамики Мили 22ХС. Крышку делают из ковара. 1 Рис. 1.7 2 3 4 1 3 2 4 Рис. 1.8 Другая разновидность корпуса представлена на рис. 1.8. Основными узлами этой конструкции являются керамическая втулка с резьбой 2 из керамики СНЦ, металлическая втулка 1, кристаллодержатель 3 и иглодержатель 4. Металлическая втулка, иглодержатель и кристаллдержатель изготавливаются из латуни. Металлическая втулка соединяется с кристаллодержателем с помощью резьбы. Керамическая втулка соединяется с металлической втулкой и иглодержателем посредством герметизирующих компаундов на основе эпоксидных смол с различными отвердителями. Значительную часть корпусов полупроводниковых приборов составляют конструкции для транзисторов. Для герметизации полупроводниковых кристаллов р- и р–n–р-переходов в основномиспользуют металлические корпуса с проходными изоляторами и корпуса, выполненные с применением пластмасс. На рис. 1.9 представлена конструкция корпуса триода. Конструкции корпусов этого вида состоят из ножек 1–2 и баллона 3. Ножку корпуса изготавливают на основе спая стеклотаблетки из стекла G48-2 (сот- верстиями для выводов) и фланца 1. Выводы и фланец – коваровые. Баллон корпуса представляет собой полый цилиндр из стали 10 или никеля, на конце которого имеется буртик для соединения с ножкой корпуса. Для Рис. 1.9 1 2 3 4 8 герметизации корпуса баллон надевают на чашечку ножки, где он фиксируется буртиком ножки. Окончательную герметизацию проводят электроконтактной сваркой. Необходимо отметить, что благодаря наличию протяженного металло- стеклянного спая и большого объема стекломассы ножка корпуса обладает хорошей механической прочностью. 1.2. Внешние воздействия на элементы конструкций Элементы конструкций полупроводниковой техники, а также кристаллы подвергаются механическими температурным воздействиям в процессе их производства и сборки. Значительные механические воздействия имеют место присоединении элементов конструкций с помощью сварки. Так, например, присоединение гибких внутренних проводников интегральных схем и печатных кабелей к контактным площадкам, а также крышек корпусов к ободкам вызывает уровень давления на свариваемые детали от 10 до 250 МПа. Остаточные напряжения в кристалле появляются уже на заготовительной стадии – резке кристалла. Резка слитка на пластины, шлифовка и полировка могут дать упругие деформации и вызвать соответствующие напряжения. Наиболее опасной в отношении механических воздействий является операция присоединения внутренних проводников к кристаллу. При сварке термокомпрессией или с применением ультразвука инструмент оказывает локальное воздействие на кристалл, деформируя привариваемый проводник. Нормальное давление при сварке золотых проводников разного диаметра при температуре подложки от 300 до 375 С составляет 90…150 МПа, а при сварке алюминиевых проводников в том же диапазоне температур – 13…14 МПа. Эти напряжения могут привести к растрескиванию кристалла при последующих технологических операциях. На элементы конструкций полупроводниковых приборов и ИМС в процессе их изготовления и сборки наиболее опасно влияют температурные воздействия. Причинами возникновения напряжений в конструкциях при температурном воздействии являются различные коэффициенты линейного расширения материалов элементов, из которых состоит корпус прибора, игра- диент температур в отдельных элементах. Температурные воздействия на элементы конструкции в технологическом процессе происходят при операциях сварки, пайки, нанесения тонкопленочных и толстопленочных покрытий и др. 9 При сварке в зоне контакта соединяемых деталей температура достигает 300…700 С. При этом часто применяется предварительный подогрев деталей до 150…240 С. Пайка, как правило, происходит при температуре на 30…40 Свыше температуры плавления припоя. Обычно применяется припой с температурой плавления 190…779 С. Процессы вжигания толстопленочных паст протекают при температурах 1100…1300 С. Вакуумное нанесение тонкопленочных покрытий требует нагрева деталей до 500…600 СВ полупроводниковых приборах и микросхемах большие напряжения возникают в кристаллах при их постановке на основание корпуса или кри- сталлодержатель выводной рамки. Здесь напряжения возникают из-за различия температурных коэффициентов линейного расширения материалов, когда сборка кристалл–подложка остывает после завершения процесса. При посадке кристалла методом пайки соединение получается при температурах до 400 С, а при посадке кристалла приклеиванием соединение образуется при температуре термообработки клея 160…170 С. Так как материалы соединяемых деталей хрупкие, тов результате нагрева и последующего охлаждения полученное соединение кристалл–подложка подвергается деформации изгиба ив нем возникают напряжения. Значительные напряжения возникают в элементах конструкции и при их герметизации с применением полимерных материалов. Причиной возникновения напряжений при герметизации полимером является то, что герметизирующий полимерный материал имеет температурный коэффициент линейного расширения, существенно отличающийся от коэффициентов линейного расширения материалов кристалла, подложкиилирамки. В результате, после завершения процесса полимеризации при температуре 120…180 Си охлаждении до комнатной температуры кристалл сжата материал растянут. В случае одностороннего покрытия полимерным материалом охлаждение сопровождается деформацией изгиба соединения кристалл–подложка. Усадочные явления, присущие полимерным материалам, являются причиной возникновения напряжений, если полимеризация происходит даже при комнатной температуре. В процессе эксплуатации конструкции полупроводниковых приборов и ИМС в зависимости от места их установки подвергаются различным внешним воздействиям. Сточки зрения прочности конструкций и их элементов, наиболее опасными являются механические и температурные воздействия. 10 Приборы, устанавливаемые на автомобильных и железнодорожных транспортных средствах, испытывают действие вибрации, ударов, механических перегрузок. Аппаратура, устанавливаемая на морских судах, испытывает совместное действие механических и температурных воздействий. В особо тяжелых условиях работает аппаратура, устанавливаемая налета- тельных аппаратах (самолеты, ракеты, различные космические объекты. Здесь она работает в условиях интенсивных кратковременных вибраций, ударов значительных градиентов цикличности изменяющихся температур, длительных линейных ускорений, внутреннего или внешнего давления. Таким образом, изделия микроэлектроники в процессе эксплуатация подвергаются различного рода механическими температурным воздействиям. Анализ уровня механических воздействий показывает, что аппаратура может быть подвержена вибрациям в диапазоне частот колебаний 10…5000 Гц, амплитуд колебаний 0.1…250 мм и виброускорений 2…40 g; ударам с ускорением мс (15…400 g) и длительностью мс акустическим шумам с частотой колебаний 150…9600 Гц и ускорением звукового давления до 165 дБ, линейным ускорениям 5…50 g. Температуры, которым подвергается аппаратура в процессе эксплуатации, лежат в следующих пределах длительный нагрев до 70…400 Св течение 10…60 мин длительное охлаждение до –10 С Св течение 10…60 мин циклический нагрев и охлаждение от 70…400 С до –10…–85 °C в течение действия положительной и отрицательной температур от 10 домин термоудар 195…200 Св течение 5 с (время температуры не более 10 с. Испытания являются окончательной проверкой работоспособности микроэлектронной аппаратуры в экстремальных условиях. Готовые полупроводниковые приборы и ИМС подвергаются испытаниям в широком диапазоне внешних механических и температурных воздействий на специально разработанных стендах ив специальных камерах тепла и холода по заданиями программам, учитывающим специфику этих изделий. Так например, интегральные микросхемы подвергаются следующим испытаниям на обнаружение резонансных частот, на виброустойчивость, на вибропрочность, на воздействие одиночных и многократных ударов, навоз- действие линейных нагрузок, на прочность выводов при растяжении и при изгибе, на усталостную прочность выводов при изгибе, на прочность при сдвиге кристалл–подложка, на прочность внутренних выводов, на хладо- устойчивость, теплоустойчивость и термоудар. 11 Испытания на обнаружение резонансных частот проводят в диапазоне 100…20 000 Гц при ускорениях 1…5 g. Испытания на виброустойчивость определяют способность микросхемы быть работоспособной в условиях воздействия вибрационных нагрузок. Диапазон частот при этих испытаниях 100…5000 Гц, ускорения 10…40 g в зависимости от степени жесткости испытаний. Вибропрочностью оценивается работоспособность конструкции, те. возможность ее элементов сопротивляться разрушающему действию вибраций. Испытания проводят на частотах 100…1000 Гц при ускорении 10 g, в течение 15 ч и числе циклов изменения частоты 72 илина частотах 100…5000 Гц при ускорении 40 g в течение 7,5 ч и числе циклов 30 (в зависимости от степени жесткости испытаний. Ударопрочность при действии одиночных ударов проверяется в трех направлениях действия удара при максимальном ускорении 50 000 мс и длительности мс. Ударопрочность при действии многократно ударов проверяется при действии в трех направлениях по 1300 ударов в каждом направлении, максимальном ускорении 1400…1500 мс и длительности 1…3 мс. Испытание микросхем на воздействие линейных нагрузок проводят на специальных стендах-центрифугах при ускорениях до 20 000 мс и длительности действия нагрузки 1…3 мин. Испытания на хладоустойчивость проводят при температурах –10…–60 Сна теплоустойчивость – в диапазоне температур 40…315 СВ результате проведения всего комплекса испытаний конструкция микросхемы и ее отдельные элементы должны удовлетворять условиям прочности, а изделие должно полностью сохранить свою работоспособность. Таким образом, из изложенного следует, что изделия микроэлектроники на стадиях изготовления, испытаний и эксплуатации подвергаются различного рода механическими температурным воздействиям в широком диапазоне силовых и температурных факторов, и данного обстоятельства нельзя не учитывать. Поэтому при разработке корпусов полупроводниковых приборов и ИМС необходимо проводить анализ прочности и жесткости как в целом конструкций, таки отдельных их элементов при различных внешних воздействиях. |