6 Обеспечение защиты имс и мп

6.1 Введение

На функциональные параметры микросхем оказывают дестабилизирующее влияние:

• тепловой перегрев;

• внешние и внутренние паразитные связи и помехи;

• механические воздействия;

• проникновение к электрическим цепям влаги и загрязнений.

Учёт влияния названных воздействий на параметры элементов, компонентов осуществляется расширением и дополнением электрических схем замещения электронных узлов, включением дополнительных источников привнесённых сигналов и внесением параметрических изменений параметров элементов и компонентов. В проектировании микросхем количественные оценки учёта влияния дестабилизирующих факторов на функциональные параметры изделий являются сферой деятельности специалистов по схемной организации микроэлектронных устройств.

Конструкторские решения связаны с выявлением каналов возникновения дестабилизирующего воздействия, оценкой уровня (значений) дестабилизирующих факторов, принятием конструктивно-технологических решений по их снижению.

По способу защиты от внешних воздействий и внутренних дестабилизирующих факторов конструкции микросхем подразделяются на две группы:

• корпусированные;

• бескорпусные.

Корпусированные ИМС и БИС имеют индивидуальную защиту от внешних климатических и механических воздействий и могут применяться в негерметизированной и герметизированной ЭВС. Корпусированное исполнение, являясь связующим звеном между близко расположенными контактными площадками кристаллов и плат и соединительными проводниками в конструкциях более высоких рангов, позволяет устанавливать ИМС в конструкциях с печатным и объёмным электромонтажом.

Бескорпусные исполнения ИМС предназначены для применения в качестве компонентов микросборок и гибридных конструкций. В таких исполнениях предусматриваются меры защиты плат и кристаллов, называемые бескорпусной герметизацией.

Состав корпусированной и бескорпусной ИМС были представлены на рисунках 1.1 и 1.2 (см. разд. 1 пособия).

Форма и размеры корпусов стандартизованы для отечественной промышленности, а при поставках и применении в изделиях экпортно-импортного обмена могут выпускаться с соблюдением стандартов зарубежных фирм.

6.2 Корпуса микросхем

Корпусная защита микросхем призвана предохранять кристаллы и платы от механических повреждений при монтаже и эксплуатации, обеспечивать эффективный теплоотвод, обеспечивать влагозащиту, защиту от дестабилизирующих газовых сред и защиту от облучений, обеспечивать удобство монтажа и электромонтажа. В конструкциях корпусов широко применяются вакуумплотные соединения металлов с металлами, металлов со стеклом, с керамикой, с полимерами и сочетаний стекла и керамики. Различие коэффициентов температурного расширения проводниковых и диэлектрических материалов создаёт проблемы образования вакуумплотных соединений. Требуемый уровень различия ТКЛР не должен превышать (1–2)∙10^–6 ˚С^–1. Теплопроводность и ТКЛР ряда материалов, применяемых в конструкциях корпусов микросхем, приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1

Материал	, Вт/м∙К	ТКЛР, К^–1 10^6	Материал	, Вт/м∙К	ТКЛР, К^–1 10^6
Алюминий	200	24	Ситалл СТ-50-1	1,5–1,7	6
Медь	400	16,5	Стекло	0,7–0,8	4 –12
Никель	90	13,3	Эпоксиды:		40–90
Сталь 10	70	11,5	без наполнителя	0,6–0,8
Сплав 29НК	20	4,8	с наполнителем	0,8–2,2
С Окончание табл. 6.1 плав 27 НК (Керамвар)	17	8,1	Силиконы:		200–290
Эвтектика Au-Si	310	7–8	без наполнителя	0,6–1
Припой Sn-Pb	390	26	с наполнителем	1–2,5
Кремний	140	4,2	Полиуретаны:		100–200
Кварц	1,3	4,5	без наполнителя	0,6–0,8
Керамика 22ХС	10–14	7	Воздушного зазора	0,025	–
Поликор	23–30	7,6	Керамика ВеО (99 %)	210	7

Для согласования ТКЛР металлов с диэлектриками (стекло, керамика) в качестве буферных материалов применяются припайные стёкла с температурой размягчения ≈500 С и значением ТКЛР варьируемым в диапазоне (1–12)∙10^–6 С^–1. Сложнее представляется образование вакуумплотных соединений металла с пластмассами, вследствие чего диапазон допустимой влажности для корпусов и покрытий с применением эпоксидных, фенольных, селиконовых ограничен (80–85) %.

Форма и размеры корпусов отечественных микросхем нормируются в соответствии со стандартом ГОСТ 17467-ред. «Микросхемы интегральные. Корпуса». Названный стандарт устанавливает габаритные и присоединительные размеры пяти типов корпусов по размещению и ориентации внешних выводов относительно тела корпуса. Первому типу (см. рис. 6.1, а) соответствует размещение выводов корпуса в пределах проекции тела корпуса на монтажную плоскость и перпендикулярных ей. Второму типу (см. рис. 6.1, б) соответствует размещение выводов корпуса за пределами проекции тела корпуса на монтажную плоскость и перпендикулярных ей. Третий тип корпуса (см. рис. 6.1, в) отличается от первого типа круглой формой проекции тела на монтажную плоскость. В корпусах четвёртого типа (см. рис. 6.1, г) выводы выходят за пределы проекции тела корпуса на монтажную плоскость и параллельны ей (планарные выводы). В корпусах пятого типа (промежуточных между первым и четвёртым типами) выводы размещаются по торцевым граням тела корпуса (см. рис. 6.1, д), перпендикулярны монтажной плоскости и находятся на внешней границе проекции тела корпуса. Последний тип конструкции преимущественно применяется в кристаллодержателях, когда периметр проекции корпуса на монтажную плоскость недостаточен для размещения выводов кристалла и применяется многорядная матричная конструкция выводов, показанная на рисунке 6.2. При фиксированном шаге, размещаемых матрично внешних выводов, предпочтительными являются квадратные формы тела корпуса.

Шаг выводов в приведенных типах корпусов чётно кратен размеру 0,625 мм и там, где это допустимо, принимается равным 1,25 и 2,50 мм. Расстояние от центра крайнего вывода корпуса до линии обреза тела корпуса принимается в среднем на 0,5 мм менее шага выводов.

Материалы конструкций кор-пусов стандартами не устанавливаются, однако опыт конструирования позволяет распространённые конструкции корпусов по составу применённых материалов разделить на следующие основные разновидности:

• металлостеклянные;

• керамические;

• металлокерамические;

• металлополимерные;

• пластмассовые.

Присутствие металлической составляющей в наименовании определяется не металлом внешних выводов, а металлом несущих частей конструкции корпуса (в этом смысле корпуса могут быть стеклянными, стеклокерамическими и иными композициями диэлектрических материалов).

Примеры конструкций корпусов перечисленных разновидностей представлены на рисунках 6.3, а (стеклянный), 6.3, б (металлостеклянный корпус), 6.4 (керамический), 6.6 (металлокерамический корпус), 6.7 (пластмассовый).

Рисунок 6.3

Рисунок 6.4

Металлостеклянные и металлокерамические корпуса состоят из металлического дна и металлической крышки, а также стеклянных и керамических деталей, в которые впаяны или впрессованы металлические круглого или прямоугольного сечения выводы. Металлическое дно корпусов спаяно или спрессовано со стеклом или керамикой. Вакуум-плотное соединение крышки с вваренным в диэлектрик фланцем образуется пайкой или сваркой. Монтажная площадка, контактные площадки и выводы таких корпусов имеют золотое покрытие толщиной 2...5 мкм для обеспечения монтажа кристаллов эвтектической пайкой и улучшения качества пайки выводов. Если золочение монтажной площадки не осуществляется, для монтажа микросхемы в корпус эвтектическую пайку не применяют, а используют только клей холодного отверждения. Для изготовления металлостеклянных и металлокерамических корпусов используются дефицитные материалы: золото, никель-кобальтовые сплавы, — поэтому они применяются лишь для микросхем специального назначения, дорогостоящих БИС и СБИС с большим количеством выводов.

Керамические корпуса широко распространены, хотя они обладают худшими по сравнению с металлостеклянными и металлокерамическими корпусами защитными свойствами, надежностью (из-за хрупкости керамического основания и крышки), повышенным тепловым сопротивлением.

Наиболее дешевы и доступны пластмассовые корпуса. Защитные свойства пластмассовых корпусов невысоки в связи с тем, что пластмассы обладают низкими влагозащитными характеристиками и, кроме того, герметичность соединений металла с пластмассой нарушается из-за значительного различия ТКЛР этих материалов. По этой причине пластмассовые корпуса применяются для герметизации микросхем, устанавливаемых в стационарной аппаратуре для работы в сухих отапливаемых помещениях и бытовой аппаратуре.

Выбор конструктивного исполнения корпуса определяется назначением, условиями эксплуатации и требованиями по сборке, установке и монтажу микросхем на печатных платах. Для облегчения теплового режима микросхем следует использовать корпуса с радиаторами и теплоотводящие шины, пример которых показан на рисунке 6.5.

Рисунок 6.5

В керамических и металлокерамических корпусах выводная рамка опрессовывается и спекается с керамическим материалом. Изменением состава температурные коэффициенты керамики и применяемых металлических элементов конструкции могут быть сближены, что позволяет образовать корпусные конструкции стойкие к действию влаги при повышенной, относительно стёкол и полимеров, теплопроводности.

Металлополимерныеконструкции корпусов преимущественно применяются для защиты плат гибридных ИМС, пленочные пассивные элементы и проводники которых формируются с одной или обеих сторон керамических подложек-оснований со сквозными металлизированными отверстиями. В эти отверстия впаиваются штыревые или пластинчатые выводы при сборке микросхемы. После установки пластмассовой или металлической крышки Плата микросхемы герметизируется со стороны выводов полимерным термореактивным материалом. Металлополимерные и полимерные корпуса применяются при пониженных требованиях к уровню тепловой и влажностной защиты.

Сопоставимыми свойствами с полимерными и металлополимерными корпусами характеризуются пластмассовые корпуса, один из вариантов конструкции которых показан на рисунке 6.6. Для снижения угрозы загрязнений и повреждений выводов в ИМС повышенных степеней интеграции применяются пластмассовые корпусы с внутренней полостью, не заполняемой при герметизации. Варианты конструкций таких корпусов изображены на рисунках 6.8, 6.9.

Рисунок 6.7

На рисунках 6.8, 6.9 приняты следующие обозначения: 1 — вывод; 2 — кристалл (плата); 3 — крышка (металл); 4 — кремнийорганическая пластмасса; 5 — эпоксидная пластмасса; 6 — полость; 7 — металлизация; 8 — подолжка; 9 — гибкие соединительные проводники; 10 — анодированный алюминий; 11 — теплоотводящая шина.

Рисунок 6.8

Рисунок 6.9

Монтаж плат ГИС и кристаллов полупроводниковых ИС в корпусах выполняется с помощью тонкого слоя клея (0,1 мм) к основанию корпуса (или промежуточной несущей подложки). Эффективный теплоотвод от кристаллов обеспечивается пайкой их непосредственно к металлическому основанию корпуса.

Электромонтаж плат и кристаллов в корпусах исполняется проволочными или ленточными проводниками с минимальным по критерию механической прочности линейным размером в сечении не менее 20 мкм.

Микросборки размещаются в металлостеклянных корпусах, на печатных платах или на керамических или металлических рамках-ячейках. Безрамочная конструкция с печатной платой характеризуется низкой механической прочностью и неудовлетворительными условиями охлаждения (в основном конвективный теплообмен). Такие конструкции применяют в аппаратуре, которая не подвергается значительным механическим воздействиям и характеризуется не напряжённым тепловым режимом.

Высокой механической прочностью и эффективным кондуктивным отводом тепла характеризуются рамочные конструкции ячеек, в которых МСБ клеем или демпфирующим компаундом приклеивается к теплоотводящим планкам рамки-носителя.

Внутренний электромонтаж осуществляют с помощью проволочных перемычек или гибких печатных шлейфов, соединяющих контактные площадки соседних МСБ. Перед монтажом в ячейках элементы и компоненты плат МСБ защищаются одним или несколькими слоями лака. Полную защиту МСБ от внешних воздействий осуществляют на уровне блока, объем, которого заполняют инертным газом.

Выводы корпусов нумеруются для установления однозначного соответствия их электрическим схемам. Отсчёт номеров выводов корпусов осуществляется относительно специального указателя — ключа, наносимого на корпусе (в форме уступов, выемок, топологических знаков и пр.) по движению часовой стрелки при наблюдении корпуса со стороны его монтажной поверхности.