книги из ГПНТБ / Минскер Ф.Е. Сборка полупроводниковых приборов учеб. пособие
.pdfФ .Е .М И Н С К Е Р - А .Ю .Б Е Р
СБОРКА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ
Ф. Е. МИНСКЕР, А. Ю. БЕР
СБОРКА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ
Одобрено Ученым советом Государственного комитета Совета Министров СССР
по профессионально-техническому образованию в качестве учебного пособия
для профессионально-технических учебных заведений и подготовки рабочих
на производстве
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1974
6Ф0.32
М62
Минскер Ф. Е., Бер А. Ю.
Сборка полупроводниковых приборов. Учеб, пособие для проф.-техн. учеб, заведений и подгот. рабочих на производстве. М., «Вьгсш. школа», 1974.
128 с. с ил.
В книге изложены теоретические основы сборочных процессов, техноло гии их проведения, применяемое оборудование, инструмент н приспособления.
Рассмотрены основные конструкции полупроводниковых приборов и инте
гральных схем, описаны технологические испытания, |
выявляющие брак при |
сборке. |
|
30407—575 |
6Ф0.32 |
М |
|
052(01)—74 |
|
Все замечания и предложения просим направлять по адресу:
Москва, К-51, Неглинная ул., 29/14, издательство «Высшая школа».
ѵО. П\ |
■:ѵ.ая |
©Издательство «Высшая школа», 1974
ПРЕДИСЛОВИЕ
Полупроводниковая электроника в настоящее время широко применяется во многих отраслях техники. Полу проводниковые приборы, обладая малым весом и габари тами, повышенной по сравнению с газоразрядными и вакуумными устройствами надежностью, дают возмож ность реализовать новые технические идеи в конкретных схемах и конструкциях.
В последние годы наряду с уже ставшими классиче скими дискретными элементами'—диодами, транзистора ми, тиристорами и другими полупроводниковыми прибо рами интенсивно разрабатываются и применяются инте гральные схемы (ПС), полупроводниковые генераторы, усилители, лазеры, преобразователи. Широко внедря ются в производство тонкие пленки и многослойные структуры.
ВОтчетном докладе ЦК КПСС XXIV съезду Комму нистической партии Советского Союза большое внимание уделено развитию различных отраслей промышленности,
вчастности, электроники.
Сразвитием электроники растут требования и к ква лификации кадров, занятых изготовлением полупровод никовых приборов и интегральных схем. В настоящее время трудно представить себе квалифицированного сборщика полупроводниковых, приборов, не владеющего основами технических знаний. Не зная теоретических ос нов, нельзя понять и практические вопросы производства полупроводниковых приборов и интегральных схем.
Особое значение для подготовки рабочих в профессио нально-технических учебных заведениях и на производ стве имеет специальная литература. Однако вопросы сборочных операций в систематизированном виде не из лагались в имеющихся учебных пособиях.
Вданном учебном пособии сделана попытка система тизировать материал, относящийся к сборке полупровод никовых приборов. Технологический процесс изготовле ния полупроводниковых приборов включает в себя операции обработки полупроводниковых материалов и
создания структур с электронно-дырочными переходами
иомическими контактами, сборку приборов и технологи ческие испытания, измерение электрических параметров
иклассификацию, операции окраски, маркировки и упа ковки. К сборке приборов относятся операции крепления кристаллов на держатель или ножку, присоединение электрических выводов, защита полупроводниковых структур и арматур, герметизация. Рассмотрению пере численных вопросов и посвящена данная книга.
Ограниченный объем книги не позволил уделить всем
вопросам одинакового внимания. Более широко и под робно освещены сборочные операции, находящие массо вое применение в промышленности.
Предисловие, гл. V, VII, VIII написаны Минскером Ф. Е., гл. I и VI — Мозгалевым В. А., гл. II и IV — Бером А. Ю., гл. Ill — Левшнным М. Ю.
Глава I
КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Под конструктивным оформлением полупроводниковых при боров следует понимать совокупность элементов корпуса, полу проводниковой структуры и соединительных элементов. Кон структивное оформление определяет методы установки и крепле ния приборов в аппаратуре, способ электрического соединения приборов со схемой, габаритные размеры и метод герметиза ции.
§ 1. Р-п-переход полупроводниковых приборов
Полупроводниковая структура является рабочим элементом полупроводникового прибора. Основные свойства полупроводни ковой структуры определяются электронно-дырочным переходом, который представляет собой границу раздела между электрон ным и дырочным типами проводимости полупроводника.
Электронно-дырочный переход (р-/г-переход) создается путем введения в полупроводник примесей различного типа (легирова нием). В современных полупроводниковых приборах может быть один или несколько электронно-дырочных переходов.
В полупроводниковом производстве используют различные методы получения р-п-перехода.
При изготовлении точечных диодов наиболее широкое приме нение имеет метод получения электронно-дырочного перехода
формовкой точечного контакта. При этом под точечным пони мается такой прибор, технология изготовления которого основа на на осуществлении контакта полупроводника с металлической иглой. Для улучшения электрических характеристик точечного контакта на острие иглы наносят легирующую примесь, после получения механического контакта при формовке происходит сварка полупроводника с иглой, диффузия примесей с иглы в полупроводник с образованием д-п-перехода.
Получение р-п-перехода сплавным методом основано на раз личном распределении примесей между жидкой и твердой фаза ми при кристаллизации полупроводника из расплава металл—
5
полупроводник, причем металл или сплав, применяемый в каче стве легирующей примеси при сплавном методе, должен удовле творять следующим требованиям:
обладать способностью создавать в полупроводнике проводи мость, по знаку противоположную исходной;
образовывать е полупроводником сплав, температура плав ления которого ниже температуры плавления полупровод ника;
иметь коэффициент теплового расширения, близкий к коэф фициенту теплового расширения полупроводника;
хорошо смачивать поверхность полупроводника; быть стойким к травителям, применяемым для очистки по
верхности полупроводника после сплавления.
Если введенная примесь обладает высоким коэффициентом диффузии, то сплавление .может одновременно сопровождаться диффузией * и будет получаться более плавный переход от полу проводника одного типа проводимости к полупроводнику другого типа проводимости.
Диффузионный метод получения р-и-перехода в настоящее время широко используется в производстве полупроводниковых приборов. Диффузионный метод не требует расплавления полу проводникового материала и заключается в диффузии легирую щих примесей из жидкого или газообразного диффузанта в твер дый полупроводник.
При использовании диффузионного метода р-л-переход обра зуется по всей площади полупроводниковой пластины. Затем различными способами (резкой полотнами пли алмазными дис ками, травлением и т. д.) пластина разделяется на отдельные кристаллы. Такой способ изготовления полупроводниковых структур называется групповым.
Дальнейшим развитием группового метода изготовления по лупроводниковых структур является планарная технология. Она сводится к тому, что полупроводниковую пластину окисляют, на образовавшийся окисел наносят слой фоторезиста, производят засвечивание и вытравливание в слое фоторезиста участков не обходимой геометрии, называемых окнами. Через образовавшие ся окна в фоторезисте вытравливают окна в слое окисла и через них производят локальную диффузию примесей в пластину полу проводника. Используемая в процессе локальной диффузии пленка на поверхности полупроводника (чаще всего окись крем ния Si02) одновременно служит и для защиты поверхности по лупроводниковой структуры от воздействия окружающей среды. Многократное использование процесса локального вытравлива ния слоя фоторезиста и окисла позволяет получать полупровод никовые структуры любой сложности.
* Под диффузией примесей в каком-либо теле понимают направленное; перемещение их в сторону убывания концентрации.
6
§ 2. Корпус и соединительные элементы полупроводниковых приборов
Корпус является одной из важнейших частей конструктивного 1 оформления полупроводниковых приборов, в значительной сте пени определяющей параметры приборов во времени, их надеж ность при работе в аппаратуре и механическую прочность.
Корпус выполняет следующие функции:
создает возможность образования точечного контакта (для приборов с точечным контактом);
обеспечивает необходимую атмосферу в приборе для повыше ния его надежности при работе в неблагоприятных климатиче ских условиях и хранении;
позволяет получать электрическое соединение прибора с эле ментами схемы различного типа в зависимости от конкретных условий работы прибора и типа применяемых соединений;
отводит тепло от р-п-перехода в процессе работы прибора в аппаратуре в результате излучения тепла в окружающую среду и конвекции с помощью специального радиатора, через шасси и детали аппаратуры;
предотвращает передачу механических напряжений на рабо чие элементы прибора в условиях воздействия механических на грузок на прибор, вибрации, ударов, резкой смены температуры; обеспечивает электрическую изоляцию элементов полупро водникового прибора в условиях значительных электрических по лей при нормальном атмосферном давлении и при различной
степени разрежения; защищает р-/г-переход прибора от воздействия светового из
лучения, которое вызывает появление дополнительных носите лей тока и мешает нормальной работе прибора.
Наилучшие условия работы прибора в корпусе обеспечива ются только в том случае, если:
металлические детали корпуса и изолятор согласуются по коэффициентам термического расширения (КТР) и образуют спай с минимально возможными напряжениями растяжения или сжатия, которые не вызывают пластической деформации охваты вающих деталей;
КТР материала кристаллодержателя согласуется с КТР по лупроводниковой структуры, а при их несогласованности между полупроводниковой структурой и кристаллодержателем имеется прокладка из материала с промежуточным значением КТР;
изолятор и спай корпуса обладают термостойкостью, соответ ствующей требованиям специальных технических условий на прибор;
в зависимости от мощности прибора детали корпуса (кри сталлодержатель и выводы) обладают достаточной теплопровод ностью.
С ростом частоты работы прибора важное значение приобре тает величина емкости корпуса С„, особенно в СВЧ приборах.
Предельная рабочая частота полупроводникового прибора мо жет быть рассчитана по следующей формуле:
где м — угловая частота, С — емкость прибора.
Емкость полупроводникового прибора складывается из емко сти р-н-перехода Ср_п и емкости корпуса Си:
С = Ср—п-(- Ск.
Таким образом, для повышения рабочих частот прибора сле дует снижать Ср_п и Ск. Для приборов обычных частот величи на Ск может составлять > 1 пф, для СВЧ желательно иметь Ск=0,2—0,3 пф. Емкость корпуса является дополнительным кри терием, характеризующим его конкретное оформление.
К соединительным элементам относятся пружинные контак ты, проволочные и ленточные выводы, которые обеспечивают электрическую связь полупроводниковой структуры с внешними электродами (выводами) корпуса.
Элементами корпуса являются держатели, баллоны, ножки, колпаки, внешние выводы, крышки.
В связи с необходимостью механизации и автоматизации процессов изготовления корпусов на основе базовых технологи ческих процессов в условиях специализированного производства, а также облегчения совмещения сборочных операций приборов различных классов на однотипном оборудовании в последние го ды все более широкое развитие получает унификация деталей и узлов корпусов.
Для сборки диодов, транзисторов и некоторых типов инте гральных схем используют универсальные корпуса. Их класси фикация в этом случае определяется только первым примене нием.
§ 3. Типы конструкций полупроводниковых приборов
В зависимости от мощности, выделяющейся в виде тепловых потерь в области р-п-перехода при работе прибора, назначения и рабочей частоты, полупроводниковые приборы могут быть клас сифицированы следующим образом:
1) приборы малой и средней мощности:
в цельностеклянном корпусе мощностью рассеяния 50— 200 мет и металло-стеклянном корпусе мощностью рассеяния
250—500 мет (рис. 1);
вметалло-стеклянном корпусе в двух вариантах мощностью рассеяния 500-—2000 мет в зависимости от геометрических раз меров корпуса и диаметра выводов (рис. 2);
вуниверсальном металло-стеклянном корпусе (с числом вы водов от 2 до 12) мощностью рассеяния 300 и 800 мет при под весном монтаже (рис. 3);
8
бескорпусная конструкция мощностью рассеяния до 200 мет
(рис. 4);
герметизируемые пластмассой на ленте мощностью рассеяния до 400 мет (рис. 5).
/2
Рис. 1. Прибор в металло-стеклянном корпусе q мощностью рассеяния 250—500 мет:
1 — стеклянная трубка, 2 — втулка, 3 — двухзвенные дер жатели, 4 — кристалл с верхним выводом, 5 — припой
2)Приборы большой мощности:
вметалло-стеклянном или металло-керамическом корпусе мощностью рассеяния 45 000 мет с одним, двумя или тремя изо
лированными верхними выводами, шестигранником и резьбовым хвостовиком для установки на специальном теплоотводе (рис. 6); герметизируемые пластмассой в вариантах с резьбовым хво стовиком- (рис. 7) и плоским основанием (рис. 8) для установки
на теплоотводе мощностью рассеяния'до 45 000 мет.
3)Приборы СВЧ диапазона:
вметалло-керамическом корпусе мощностью рассеяния до
300 мет (рис. 9);
вкоаксиальном металло-стеклянном корпусе мощностью рас сеяния до 200 мет (рис. 10);
вметалло-керамическом корпусе мощностью рассеяния до 3000 мет с крышкой для крепления и цанговым зажимом или с плоской крышкой (рис. 11).
4) Интегральные схемы различного функционального назна чения:
'в плоском металло-стеклянном или цельностеклянном корпу се мощностью рассеяния до 500 мет с числом выводов от 14 до
18 (рис. 12);
вметалло-стеклянном, металло-керамическом корпусе или гер метизируемые пластмассой мощностью рассеяния до 5000 мет с Г-образными выводами в количестве от 6 до 60 выводов (рис. 13);
впрямоугольном металло-стеклянном корпусе мощностью рассеяния до 100 000 мет при установке на теплоотводе с распо ложенными перпендикулярно основанию выводами в количестве от 14 до 200 (рис. 14).
Как видно из рассмотрения приведенных конструкций, габа ритные размеры корпусов и приборов, мощность рассеяния, раз меры и конструкции соединительных элементов могут изменяться в широких пределах. Столь же широка и разнообразна номен-
9