Устройство герметичного корпуса. Методы герметизации
Герметизация - одна из завершающих операций технологического процесса производства изделий интегральной электроники, так как обеспечивает их долголетнюю работу при механических и климатических воздействиях. Кроме того, она является завершающей операцией сборки полупроводниковых приборов, от качества которой зависит процент выхода годных изделий.
Все герметизируемые изделия можно разделить на две группы:
· полые конструкции, в которых рабочая поверхность изделия не контактирует непосредственное герметизирующим материалом,
· конструкции без внутренних газовых полостей, в которых герметизирующий материал контактирует с рабочей поверхностью изделия (монолитные конструкции).
К первой группе относят металлостеклянные, металлокерамические, пластмассовые и другие корпуса. Ко второй - бескорпусные изделия и монолитные пластмассовые корпуса.
Особенностями герметизации в полых корпусах с воздушной или другой газовой средой являются:
• отсутствие воздействия на герметизируемые изделия механических напряжении,
• возможность расположения внутри корпусов геттеров для регулирования состава газовой среды и влажности,
• а также возможность заполнения при необходимости внутреннего объема инертным газом.
Материалы, используемые для изготовления полых корпусов, должны обладать высокой нагревостойкостью, а технология сборки должна гарантировать от попадания внутрь корпусов летучих веществ при герметизации.
В зависимости от типа корпуса и предъявляемых требований герметизация может осуществляться:
• пайкой,
• холодной сваркой,
• электроконтактной сваркой,
• сваркой плавлением и др.
Среди различных способов получения неразъемных соединений большое распространение получила холодная сварка. Отличаясь простотой и доступностью, она позволяет осуществлять прочные и надежные соединения. Холодной сваркой можно соединять не только однородные, но и разнородные металлы. Этот способ применяется в основном для герметизации металлостеклянных корпусов транзисторов и диодов средней и большой мощности.
Достоинством способа холодной сварки является отсутствие нагрева при герметизации и сопровождающего его явления - выделения газов внутри объема.
Для герметизации корпусов применяют чаще холодную сварку, образующую соединение внахлест - точечную холодную сварку по замкнутому контуру (периметру) силами Р, направленными перпендикулярно свариваемой поверхности (рис.1), и значительно реже - холодную сварку сдвигом или продавливанием при одновременном действии нормальных и тангенциальных усилий.
Рис. 1. Схема холодной сварки корпусов 1,2 - нижний и верхний пуансоны, 3 - крышка, 4 - корпус прибора
Замечания:
Для материалов, соединяемых холодной сваркой по замкнутому контуру, требуется, чтобы величина относительной деформации находилась в интервале 75-85%.
Давление обычно в 5-8 раз превышает предел прочности свариваемых металлов при растяжении.
Чтобы избежать деформации корпуса, применяют конструкции фланцев, держателей и баллонов с разгрузочными (компенсационными) элементами, способными в результате деформации снизить остаточные напряжения до безопасных значений.
Контактная (электроконтактная) сварка наиболее широко применяется для герметизации полупроводниковых приборов и микросхем в металлостеклянных корпусах круглой и прямоугольной формы со штырьковыми выводами, а также СВЧ приборов в керамических корпусах.
Основными ее видами являются контактная сварка по контуру и шовная (роликовая).
Контактная сварка представляет собой процесс получения неразъемного соединения материалов нагревом свариваемых кромок до пластического или расплавленного состояния с последующим их сжатием (давлением). Нагрев свариваемых деталей производится в результате выделяемой теплоты при прохождении через них электрического тока. При использовании больших сварочных токов сварку выполняют за десятые и даже сотые доли секунды.
Герметизация изделий контактной сваркой - высокопроизводительный процесс, легко поддающийся механизации и автоматизации.
Режим контактной сварки характеризуется основными параметрами:
• током и временем его прохождения,
• силой сжатия и временем ее действия.
Мощность разряда, выделяемая источником питания и обеспечивающая заданную глубину проплавления по контуру, составляет от 50 до 150 кВт.
К достоинствам контактной сварки по контуру относятся: точная дозировка энергии; хорошая воспроизводимость процесса; слабый общий нагрев свариваемых изделий вследствие кратковременности процесса сварки и резко выраженной локализации нагрева свариваемыхметаллов, что особенно важно при герметизации корпусов полупроводниковых приборов и микросхем, для которых общий нагрев корпуса не допускается выше рабочей температуры прибора.
Сварка плавлением:
Рис.2. Конструкция сварного соединения при сварке плавлением 1 - зона сварки, 2,3- соединяемые детали
Очень широко применяется при изготовлении ИМСсварка плавлением. Это объясняется особенностями конструкции ряда широко распространенных корпусов микросхем: боковым расположением выводов и наличием стеклоизолятора или керамического изолятора непосредственно под зоной герметизации или вблизи ее, что делает герметизацию сваркой давлением практически невозможной, а при герметизации пайкой требуется нагрев всей микросхемы. Наиболее распространены следующие способы герметизации сваркой плавлением: аргонно-дуговая, микроплазменная, электроннолучевая и лазерная.
Герметизация аргонно-дуговой сваркой является одним из видов электродуговой сварки, при которой нагрев свариваемых кромок осуществляется теплотой электрической дуги. В зону дуги подается защитная струя аргона, которая, обтекая электрическую дугу и сварочную ванну, предохраняет расплавленный металл от воздействия атмосферного воздуха (окисления и азотирования).
Герметизация при аргонно-дуговой сварке происходит при расплавлении кромок свариваемых деталей корпуса с образованием сварочной ванны и последующей кристаллизации металла шва. Для герметизации корпусов чаще применяется аргонно-дуговая сварка неплавящимся электродом, который служит только для возбуждения и поддержания горения дуги. Ее используют для герметизации металлостеклянных корпусов со штырьковыми выводами, периметр сварки которых превышает 50 мм, а суммарная толщина отбортованных кромок составляет 0,2-0,6 мм. В качестве неплавящегося электрода используют прутки вольфрама, содержащие 1,5-2% тория. Диаметр электрода для импульсного режима зависит от сварочного тока. Конец электрода должен быть заточен на конус с углом от 15 до 30°. К торцовой поверхности свариваемых кромок электрод следует располагать под углом 70°.
Рис.3. Схема аргонно-дуговой сварки
1 - электрод, 2 - сопло горелки, 3,5 - теплоотводы крышки и основания, 4-микросхема, б - корпус кассеты
Основными параметрами технологического режима аргонно-дуговой сварки являются:
• сварочный ток,
• скорость сварки,
• длина дуги,
• давление защитного газа в рабочей камере.
Сварочный ток и скорость сварки подбирают в зависимости от свариваемых металлов и толщины кромок. Давление защитного газа в сварочной камере должно быть 0,2-105 Па.
Разновидностью аргонно-дуговой сварки является микроплазменная сварка, применяемая для герметизации корпусов с малой толщиной. Для сварки этим способом используется сжатый дуговой разряд с интенсивным плазмообразованием (рис.4). Плазменная сварка не имеет тех недостатков, которые присущи аргонно-дуговой: сравнительно большого активного пятна и нестабильности при малых токах.
Плазменная дуга характеризуется высокими скоростями потока плазмы и температурой столба. Для получения дуговой плазменной струи используют специальные плазменные головки, или плазмотроны, в которых имеется неплавящийся вольфрамовый электрод, изолированный от канала и сопла, при этом анодом обычно служит герметизируемое изделие.
Газовая среда в плазмотроне выполняет следующие функции:
• защищает от окисления и охлаждает вольфрамовый электрод и сопло,
• обеспечивает получение стабильной плазменной струи с необходимой температурой и скоростью, а также максимальную теплопередачу к герметизируемому изделию.
• Газы разделяются на плазмообразующие и защитные.
• В качестве плазмообразующего газа при микроплазменной сварке обычно используют смесь Ar-Не или Аг-Н2, а в качестве защитного - аргон.
Рис. 4. Схема герметизации корпусов микроплазменной дугой
• 1 - электрод, 2 - плазмообразующий газ, 3 - корпус горелки, 4 - защитный
газ, 5 - теплоотвод, 6 - свариваемые кромки корпуса
Электронно-лучевая сварка по сравнению с другими видами имеет выгодные особенности:
• точное регулирование и управление тепловой энергией,
• локальный нагрев,
• высокая чистота при сварке благодаря наличию вакуума, которые позволяют успешно применять ее для герметизации микросхем.
Сущность герметизации электронно-лучевой сваркой состоит в формировании непрерывного сварного шва по всему контуру корпуса за счет перекрывающихся сварных точек, образующихся в результате воздействия нагрева до температуры плавления сфокусированного электронного луча на отбортовку вращающегося корпуса (крышки и основания).
Герметизацию электронно-лучевой сваркой можно выполнять в непрерывном и импульсном режимах, но предпочтительнее в импульсном, который позволяет осуществить герметизацию с малой зоной термического влияния.
Основными параметрами технологического процесса являются:
• ускоряющее напряжение,
• диаметр электронного луча,
• скорость сварки,
• длительность и частота следования импульсов (для импульсного режима).
Герметизация лазерной сваркой состоит в совместном оплавлении соединяемых материалов под действием интенсивного светового потока с образованием шва.
Рис.5. Схема герметизации корпусов лазерной сваркой
1 - лампа накачки, 2 - активный элемент, 3 - оптическая система, 4 -свариваемые детали
Для герметизации корпусов применяют шовную лазерную сварку, выполняемую как в непрерывном, так и в импульсном режимах работы лазера, тогда как точечная сварка чаще всего используется при приварке выводов и пайке тонких деталей.
Основными параметрами режима лазерной сварки являются:
• энергия лазерного излучения в импульсе или мощность лазерного излучения,
• длительность лазерного импульса,
• диаметр луча,
• частота следования импульсов,
Недостатками герметизации лазерной сваркой являются:
• незначительная глубина проплавления соединения металлов при средних мощностях излучения,
• -выплески испаряемого металла при использовании мощных лазеров,
• значительные потери энергии лазерного пучка при сварке металлов, обладающих высокими коэффициентами отражения.