Металлы и сплавы для элементов конструкции полупроводниковых приборов и микросхем
Это те же металлы и сплавы, что для электронно-вакуумных и газонаполненных приборов. Элементы корпусов полупроводниковых приборов и ИМС (фланцы, баллоны, держатели, выводы, термокомпенсаторы, переходы, кольца, втулки, колпачки, металлические жгуты) изготавливают из Си, Ni, W, Mo, Та, Nb, низкоуглеродистых и нержавеющих сталей, ковара, платинита и эльканайта.
Требования к конструкционным материалам:
- механическая прочность в сочетании с пластичностью, малой пластичностью;
- высокая чистота, не выделять загрязняющих примесей внутри баллона корпуса;
- высокая теплопроводность и электропроводность;
- быть коррозионно-стойкими;
- при соединении со стеклом ТКЛР должен быть приближенный к ТКЛР стекла, образовывать механически прочные и герметичные металлостеклянные спаи;
- обеспечение надежного электрического соединения электродных выводов;
- хорошо обрабатываться механическим способом для обеспечения необходимой геометрической формы;
- для внешних выводов: высокая пластичность, не образовывать трещин при многократном перегибе выводов;
- для баллонов и крышек корпусов должны соединяться между собой сваркой и пайкой.
Медь находит широкое применение для фланцев, держателей, баллонов, выводов теплоотводящих пластин для мощных диодов и транзисторов. Кроме этого медь используют для облицовки с одной стороны полиамидной перфорированной пленки, которая применяется при механизированной сборке ИМС для выполнения рамочных выводов.
Ni легко протягивается и механически обрабатывается. Хорошо сваривается, в атмосфере, паяется твердыми и мягкими припоями. Ni используют в виде лент и проволоки. Используется Ni лента с полоской Аu, получается методом накатки Аu-фольги. Аu-полоса шириной 5 мкм, из такой ленты можно вырубать детали и терми-чески обрабатывать их при температуре 550˚С, за 30 мин. Лента Ni-Cu-Ni (основа Си-лента, на которую наносятся Ni-слои 15 – 75 мкм) выдерживает термообработку при температуре 700 – 800˚C в тече-нии 3 – 5 мин.
Стали – это железоуглеродистые сплавы, при чем содержание С должно быть меньше 2,14%. Если содержание С больше, то это чугуны. В полупроводниковом производстве используют ннзкоуглеродистые и нержавеющие стали (Ст10 содержит 0,1%С) для изготовления корпусов и крепежных деталей. Это сталь хорошо обрабатывается резанием, сваривается. При горячей штамповке, ковке и прокатке она упрочняется.
Сталь вакуумной плавки применяется для изготовления металлокерамических корпусов полупроводниковых приборов, давая вакуумно-плотные спаи с форстеритовыми, стеатитовыми керамическими материалами.
Нержавеющие стали (хромоникелевые 18%Сr, 10-12%Ni) тоже применяются в металлокерамической конструкции корпусов в паре с Сu или коваром. Перед пайкой стальные детали покрываются Ni и паяются Сu твердыми припоями.
Ковар – сплав Ni (28 – 29%), Со (17%) и остальное Fe 29Н18К. У ковара ТКЛР приблизительно такой же как у стекла и керамики. У ковара в 3 – 4 раза больше твердость, чем у стали 10, предел прочности в 2,5 – 3 раза больше, относительное удлинение в 1,5 раза меньше, поэтому он труднее штампуется. Ковар обладает низкой теплопроводностью, что приводит к ухудшению тепловых характеристик корпусов, но имеет достаточно высокое удельное сопротивление до 1 мкОм·м, что позволяет осуществлять электросварку ковара друг с другом, а также с Ni, стальными деталями. По сравнению со сталью 10 ковар коррозионностоек. При окислении он образует плотную и прочную окисную пленку. Детали из ковара хорошо покрываются гальваническим способом Sn, Сu, Ni, Ag, Аu, Cd, Pb. Коваровые выводы можно подсоединять электросваркой, можно паять мягкими и твердыми припоями. Ho ковару присущи недостатки: склонность к образованию микротрещин при холодной штамповке, вытяжке, которые при пайке деталей из ковара подвергаются межкристаллитной коррозии. Поэтому ковар перед пайкой покрывается защитным покрытием Сu или Ni.
Платинит – 47НД это сплав в виде проволоки состоящей из Fe-Ni сердечника (сплав изначально – 43%Ni+57%Fe) и медной оболочки. Этот сплав, заменяет платину, для спаев в мягкие стекла. Но чтобы было лучше сцепление Сu-оболочки со стеклом на поверхность платинита наносят слой бората (безводный борнокислый калий). Очень надежный сплав получается при использовании стекла Pt-группы С-87-1 (ТКЛР стекла равен ТКЛР Pt), так как ТКЛР платинита лежит в пределах 80…90·10-7.
Железоникелевые сплавы 42Н, 46Н, содержащие, соответственно, 42 и 46% никеля, остальное Fe, имеют ТКЛР равный 9·10-6˚С-1. По сравнению с коваром эти сплавы «фени» более пластичны, детали из них хорошо свариваются.