Разработка конструкции и технологии изготовления логического элемента в интегральном исполнении

На втором этапе разработки топологии  выполняются расчёты параметров плёночных элементов.

После составляется эскиз топологии  и оценивается необходимая площадь  платы.

Затем проводят анализ и, в случае необходимости, корректировку схемы  с целью уменьшения габаритов, расшивки узких мест и уменьшения количества пересечений.

Используя схему коммутации, можно  приступить к разработке чернового  эскиза топологического чертежа  в масштабе 20:1 и при шаге координатной сетки 0,05 мм. При разработке топологического  чертежа базируемся на технологических  ограничениях, присущих технологии изготовления ИМС фотолитографическими методами. Рассчитав площадь платы, определяем её габариты из условий: максимальное количество плат на стандартной подложке 48´60 и максимальные размеры посадочных мест корпусов.

Итак, имеется (согласно расчётам, выполненным  в п. 3.3) 15 плат на одной подложке с учётом технологического поля 1. Шаг контактных площадок по периферии выбираем 0,8, что соответствует шагу выводов корпусов ГИС. В углах платы предусматриваем четыре реперных знака для ориентации платы при сборке и совмещения фотошаблонов при изготовлении платы. Периферийные контактные площадки плат располагаем с двух сторон (по длине).

Поскольку требований в техническом  задании к проводниковым элементам  не предъявляется, то максимальная их ширина не ограничивается, а минимальная  определяется ограничениями по технологии.

При оценке качества разработанной  технологии обращаем внимание на:

- соответствие схеме электрической;

- возможность контроля как в процессе изготовления платы, так и в процессе сборки ГИС;

- дешевизну технологического процесса  при изготовлении плат;

- возможность механизации и  автоматизации технологического  процесса;

- правильность расчета резисторов.

 

В целом, топология разработана  качественно, с учётом возможности  технологии, и автоматизации процесса изготовления платы ГИС.

После оценки качества топологии приступаем к разработке топологического чертежа, на котором показаны все слои (при  этом проводниковый и маркировочный  слой условно прозрачны) и плёночные  элементы, а также полностью установленные  навесные компоненты (см. Приложение А).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5  РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ  КОРПУСА

 

5.1 Расчет  типоразмера  корпуса

 

Для пленочных МКС и  МСБ необходимы полые корпуса  с большими размерами монтажных  площадок, поэтому чаще всего для  их герметизации используют металлостеклянные  корпуса.

Исходные данные: размер подложки – 12х16 мм; количество внешних  КП – 16.

Определяем минимальную длину корпуса по формуле (5.1):

 

                                                                           (5.1)  

                

где  В_max – максимальная длина подложки, мм;

        С_min – размер буртика корпуса (1,2 мм);

        DВ – зазор между корпусом и подложкой (0,5 мм).

 

19,2 мм.

 

Определим минимальную ширину корпуса по формуле (5.2):

 

                                                      (5.2) 

 

где  a_max – максимальная ширина подложки, мм;

       d_max – максимальный диаметр «бусы» (1,5 мм);

       Z_1min – Расстояние от крайнего вывода до края корпуса (2,25 мм);

       Dа – зазор между подложкой и «бусой» (0,5 мм).

 

19 мм.

Анализируя полученные размеры металлостеклянного корпуса, выбираем стандартный типоразмер: это 1205.14-6 ГОСТ 17467-89 (см. рисунок 5.1). Технические данные этого корпуса приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 – Технические  данные корпуса 1205.14-6 ГОСТ 17467-89

 

Параметр	Условное обозначение	Значение, мм
Длина корпуса	D	22
Ширина корпуса	Е	19,5
Высота корпуса	А	7,5
Количество выводов	n	16
Размер буртика корпуса	Сmin	1,2
Расстояние от крайнего вывода до края корпуса	z, z1	2,25
Расстояние между выводами	l	2,5
Расстояние между рядами выводов	l1	15
Максимальный диаметр  «бусы»	dmax	1,2

 

                     

 

                                                    (вид сверху)   

Рисунок 5.1 –  Корпус 1205.14-6 ГОСТ 17467-89

 

Герметизация этого металлостеклянного корпуса достигается пайкой в конвейерных печах (среда водородно-аргонная). Максимальная температура              250…350 ⁰К. При этом достигается герметичность 5*10^-3. . Размеры площадки для монтажа подложки 17´15,3 мм.

 

 

 

 

5.2  Обоснование выбранной  конструкции корпуса

 

5.2.1 Описание конструкции  корпуса

Корпусы ИМС, которые обеспечивают высокую надежность, должны отвечать следующим требованиям:

- иметь достаточную механическую  стойкость и коррозионную стойкость;

- иметь минимальные габариты  и массу;

- быть герметичными и предотвращать  проникновение влаги внутрь корпуса;

- защищать ИМС от воздействия  электромагнитного поля и радиоактивного  излучения;

- обеспечивать минимальные паразитные  емкости и индуктивности конструкции;

- обеспечивать надежную изоляцию  между элементами, и надежный  контакт между ИМС и платой;

- иметь минимальную стоимость;

- обеспечивать минимальное тепловое  сопротивление между ИМС и  окружающей средой;

- предоставлять возможность автоматизации  процессов сборочных и контрольных  операций ИМС.

Конструктивное исполнение выбранного корпуса ИМС в соответствии с  выбранным вариантом герметизации показано на рисунке 5.2.

1 – крышка; 2 – основание корпуса; 3 – вывод; 4 – буса; 5 – плата;

 

Рисунок 5.2 – Конструктивное и технологическое  исполнение выбранного металлостеклянного корпуса типа 1

 

5.2.2 Обоснование выбора  материалов корпуса

Использование ковара 29 НК ГОСТ 14080-68 для крышки, основания и выводов обусловлено:

- хорошей  защитой от электромагнитных  полей (ковар высокопроводящий);

- устойчив к коррозии, не требует никаких дополнительных покрытий;

- ковар прочный, гибкий, жесткий, хорошо паяется и сваривается.

Использование для изоляции стекла С48-2 ТХ0.735.016 или С52-1 НП0.027.600 объясняется близостью ТКЛР стекла с металлом, для обеспечения качественного металлостеклянного спая.

 

3.  Выбор и обоснование выбора метода герметизации

 

    Для данной ГИС используется корпусная герметизация.

Метод герметизации – пайка. Конструкция корпуса позволяет  использовать припойную прокладку  или лужение с применением  флюса, т. е. делает трудным попадание  припоя и флюса внутрь корпуса. Если это происходит, то припой и флюс попадают в небольших количествах, которые практически безвредны, т. к. подложка и выводы корпуса находятся  выше места стыка основания и  крышки. Таким образом, нет необходимости  в применении пайки без флюса  и припойной прокладки.

Выбранный метод герметизации и его характеристики приведены  в таблице 5.2.

 

Таблица 5.2 – Характеристики выбранного метода герметизации.

Характеристика корпуса	Металлостеклянный
Способ герметизации	Пайка в конвейерных печах с  припойной прокладкой
Газовая среда при герметизации	Водород-аргон
Скорость процесса мм/сек	2,4…….4,5
Максимальная температура на п/п кристалле 0С	250……350
Достигаемая герметичность Па*см3/сек	0,005
Степень надежности	Высокая

 

Герметизацию проводят для полной изоляции элементов микросхемы и  электрических соединений от контакта с окружающей средой, всегда содержащей влагу и другие химически активные компоненты, способные вызывать постепенные  отказы.

Выбор способа герметизации практически  однозначно определяется конструкцией корпуса микросхемы. Другими словами, конкретная конструкция корпуса  всегда ориентирована на определенный способ герметизации.

Технологические способы герметизации микросхемы должны:

- обеспечить механическую прочность  в рабочем диапазоне температурных  и механических воздействий при  эксплуатации;

- исключать в процессе герметизации  чрезмерный нагрев активных элементов;

- исключать выделение газов  и паров металлов внутри корпуса;

- выполняться в среде осушенного  и очищенного воздуха, азота  или инертного газа с точкой  росы не выше –25°С;

- допускать механизацию и автоматизацию.

 

При герметизации пайкой металлическими припоями требуется применение  для крышки и основания корпуса  материалов, хорошо смачиваемых припоями, или соответствующих покрытий (никелирование, золочение).

Основным недостатком герметизации с помощью пайки является необходимость значительного нагревания всего корпуса микросхемы, вредное влияние флюса, а также пониженная стойкость паяного шва из-за высокого ТКЛР по сравнению с коваром. Как показано выше и ниже, эти недостатки можно минимизировать.

Припой Ови (ПОС-61, ПСр-2,5) используется в виде прокладок соответствующей формы – рамки (может также наносится предварительным лужением). Для удаления с припойных прокладок окислов и загрязнений их обрабатывают кипячением в течение 6-8 мин в травителе на основе уксусной кислоты. После отмывки в деионизированной воде прокладки хранят в этиловом спирте.

Применение герметизации пайкой обусловлено:

- выбором металлостеклянного корпуса с небольшими габаритами и столбиковыми выводами;

- нет необходимости в больших давлениях сжатия и большого перегрева корпуса как при сварке, что важно для работоспособности активных элементов;

- нет необходимости в применении инструмента, что обеспечивает относительную простоту и невысокую стоимость технологического процесса; для серийного производства (как в данном случае) такой метод герметизации достаточно технологичен;

- достаточно малая интенсивность истечения газа из корпуса: 5_*10^-3 Па_*см³/с;

- необходимость выпускать микросхемы сериями;

- метод пайки по сравнению с методом сварки для малогабаритных корпусов (контактная электросварка, например) обеспечивает лучшее качество герметизации.

Коваровая рамка, обрамляющая основание корпуса, имеет золотое покрытие. На нее укладывается припойная прокладка, затем крышка, и прикладывается небольшое давление. В процессе нагрева припой расплавляется и заполняет зазор между крышкой и рамкой основания. Применяют различные способы нагрева.

Простейший способ нагрева (кондуктивный) заключается в применении нагревательных плит (специальные кассеты), на которые устанавливают предварительно собранные детали корпуса, прижимаемые с небольшим усилием прижимом. Припойные прокладки предварительно флюсуются погружением в раствор канифоли. Такой способ нагрева используется в мелко- и среднесерийном производстве в конвейерных печах с защитной средой.

Другой способ нагрева основан  на подаче и обдуве корпуса со стороны  крышки горячим газом. При этом активные элементы платы перегреваются меньше – используем этот метод нагрева. При использовании струи горячего сухого азота или аргона нет необходимости  применять флюс. Пайку струей горячего газа выполняют на двухместных (двухпозиционных) установках, поочередно заменяя герметизированный корпус новым на каждой позиции и совмещая, таким образом, вспомогательное время с основным технологическим.

 

4.  Контроль герметичности корпуса

 

Для полых (газонаполненных) корпусов достаточно объективным показателем  качества может служить интенсивность  истечения газа из корпуса. Методы испытания  на герметичность должны отвечать одновременно требованиям высокой чувствительности и экономичности.

Интенсивность истечения оценивается  потоком газа, т. е. количеством газа, вытекающего из корпуса в 1 с при определенном давлении внутри корпуса. Таким образом, интенсивность истечения имеет размерность «объем _* давление/время», например см³_*Па/с. Соответственно, под чувствительностью метода контроля понимается минимальный поток газа, который можно обнаружить данным методом.

Поскольку герметизация полых корпусов выполняется в среде с нормальным (или немного повышенным) давлением, обнаружение течи из корпуса возможно при условии, если:

- внутри корпуса имеется газ  с особыми свойствами, который  может быть выделен из общего  газового потока специальными  приборами;

давление окружающей среды ниже давления внутри корпуса.

 

Для повышения чувствительности методов  контроля может быть использовано либо первое, либо второе условие, либо оба  одновременно. Ниже приведены основные методы контроля герметичности:

- масс-спектрометрический метод  основан на обнаружении гелиевым течеискателем гелия, предварительно введенного в корпус микросхемы. Ввиду низкой производительности и сложности обслуживания установок контроля этот метод может быть рекомендован только для выборочного контроля на полуавтоматической установке УКГМ-2, например. Производительность установки – 120 шт/ч. Максимальная чувствительность установки к потоку гелия: 10^-9 см³_*Па/с; верхний предел отбраковки корпусов по потоку гелия: 1,3_*10^-4 см³_*Па/с;