Проблемы обеспечения низкого уровня паров воды в корпусах интегральных схем

Введение

Функциональные характеристики интегральных схем, а также микроэлектронных, оптоэлектронных, микро- и наноустройств зависят от степени защиты, обеспечиваемой герметичным корпусом. В зависимости от типа устройства пары, адсорбируемые вещества или конденсаты влаги, водорода, кислорода, углеводородов, аммиака и других летучих веществ могут нарушить функциональную работу устройства. Причем такие механизмы отказов, как коррозия, утечки тока или электрическая неустойчивость, дендритный рост, электромиграция металлов и т. п., вызваны, как правило, присутствием вышеперечисленных веществ. Нежелательными летучими веществами способны стать примеси в газовой среде, используемой при герметизации. Эти вещества могут испаряться из материалов внутри корпуса вследствие температурных воздействий при обработке после герметизации. Летучие вещества проникают под корпус через пути утечки из-за некачественной герметизации или в результате термических и механических напряжений, снижающих целостность герметичного соединения.

Исследователями в области военных и аэрокосмических программ установлено, что главной проблемой надежности является коррозия слоя металлизации активного устройства и поверхностные утечки тока, вызываемые влагой, выделяемой из материалов, или утечкой в корпус. При этом было установлено, что образование трех монослоев адсорбированной воды является пороговым условием для поддержания утечек тока через поверхность. Пороговое условие для адсорбирования трех монослоев молекул воды на поверхности в замкнутом пространстве составляет 5000 частиц на миллион по объему (5000 ppmv = 0,5 об. %) паров воды [1]. Температура точки росы, при которой в замкнутом пространстве при давлении 1 атмосфера концентрация паров воды 5000 ppmv, составляет –2 °C. Совмещение этих фактов привело к установке значения 5000 ppmv в качестве максимально допустимого уровня содержания влаги в герметизированных микроэлектронных устройствах. Этот порог сегодня применяется в военной микроэлектронике и является значением «по умолчанию» для любых герметизированных устройств, если отсутствуют другие обоснованные рекомендации [2].

В отраслевые стандарты также было включено требование по содержанию влаги внутри корпуса не более 0,5 об. % при 100 °C или 0,05 об. % при 25 °C. Контроль содержания паров воды внутри корпуса должен проводиться при приемо-сдаточных и периодических испытаниях с приемочным уровнем, равным с = 0, при выборке, равной N = 2. Контроль содержания паров воды внутри корпуса ИС не проводился, если герметизация происходила в контролируемой осушенной среде, обеспечивающей вышеуказанные требования, непосредственно после выполнения операции термообработки при условии исключения соприкосновения схемы с рабочим объемом помещения [3].

Контроль содержания паров воды внутри корпусов микросхем осуществлялся с помощью масс-спектрометра по методу 222–1 [4]. Учитывая высокую стоимость, сложность обслуживания и аттестации аппаратуры для реализации этого метода, испытания микросхем проводят в специализированных испытательных центрах.

В военном стандарте США MIL-STD‑883 норма по содержанию паров воды в корпусе при 100 °C установлена равной 5000 ррm (эквивалентно 0,5 об. %) для монолитных ИС с внутренним объемом и 6000 ррm (эквивалентно 0,6 об. %) для гибридных ИС [5].

Содержание паров воды больше допустимого уровня приводит к конденсации влаги на поверхности кристалла и может вызвать одновременно несколько деградационных процессов с преобладанием коррозии (рис. 1а, б).

Рис. 1. Коррозия алюминиевой металлизации:
а) на контактных площадках кристалла;
б) на основании корпуса

Факторы, вызывающие повышение паров воды в корпусе

Основными источниками повышенного содержания паров воды в подкорпусном объеме, образующей пленку на поверхности кристалла, являются: высокая концентрация паров воды в среде герметизации; внутренние источники, в первую очередь клей, применяемый для посадки кристалла, защитные и пассивирующие покрытия кристалла, а также конструкционные материалы корпуса, способные накапливать на своей поверхности и в порах за счет хемо- и физической сорбции значительные количества влаги.

Влага, адсорбированная в порах и на микронеровностях керамики и металла, а также содержащаяся в атмосфере установки герметизации, практически трудно удаляется из внутреннего объема корпуса. Для уменьшения влажности герметизацию рекомендуется проводить в замкнутом объеме, заполненном инертным газом с долей влаги не более 50–20 ppm, что соответствует температуре точки росы Т_р = –48…–55 °C [6]. Применяемый с этой же целью обдув герметизируемого прибора потоком сухого азота или гелия малоэффективен. Сухая атмосфера при этом является необходимым, но недостаточным условием для обеспечения низкого содержания влаги во внутреннем объеме приборов из-за десорбции влаги с поверхности и из пор керамики, тугоплавких металлов и гальванопокрытий внутри корпуса, из клеевых материалов и полимерных пленок, применяемых для сборки приборов. Так, в корпусе, герметизированном в среде с уровнем влажности 40 ppm, но без предварительной термообработки основания и крышки, через некоторое время была обнаружена влажность до 1,5 об. % [7].

Также установлено, что герметизация в скафандре, наполненном азотом, без принятия специальных мер по удалению влаги с внутренних поверхностей корпуса (предварительной термообработки) приводит к высокому (6–8 об. %) содержанию влаги, способному в условиях эксплуатации привести к ее конденсации на поверхности кристалла при положительных температурах. Аналогичные данные получены для герметизации в скафандре с подачей осушенного азота с температурой точки росы –60 °C (содержание влаги достигает 1,3–1,7 об. %). Герметизация в скафандре с применением предварительной ИК-сушки при температуре 150 °C в течение 20 мин без контакта с атмосферой цеха обеспечивает содержание влаги в корпусе на уровне 3000–5000 ррm (0,3–0,5 об. %), что соответствует требованиям к качеству изготовления ИС [8].

Следовательно, чтобы добиться снижения содержания паров воды в подкорпусном объеме до допустимых значений, необходим жесткий контроль уровня влажности в используемой среде герметизации. Поэтому параметры атмосферы герметизации — температура, точка росы и относительная влажность инертной атмосферы — должны быть включены в обязательный мониторинговый регламент. Для контроля этих параметров эффективно применение многоканальных измерителей влажности типа ИВГ‑1/4 МК. При подключении компьютера имеется возможность постоянного мониторинга параметров атмосферы четырех установок в течение рабочей смены (рис. 2а, б).

Рис. 2. Измерительный комплекс для мониторинга состояния атмосферы в скафандрах установок герметизации:
а) экран монитора компьютера;
б) блок измерения и светодиодной индикации состояния параметров атмосферы

Прибор состоит из блока измерения и первичных преобразователей влажности, соединяемых с блоком измерения удлинительными кабелями длиной до 1000 м. Измерительный блок считывает информацию из измерительного преобразователя влажности ИВПТ‑09, температуру и влажность анализируемой среды и индицирует их на индикаторах лицевой панели. В качестве чувствительного элемента влажности в преобразователе используется емкостный сенсор сорбционного типа.

Для измерения температуры применяется платиновый терморезистор. Связь с измерительным блоком ведется по цифровому интерфейсу RS‑485 на скорости 9600 бит/с. Интервал опроса преобразователя составляет около 1 c. Выносные первичные преобразователи влажности, конструктивно оформленные в виде проточной камеры, закрепляются в скафандре установки герметизации (рис. 3).

Рис. 3. Выносной первичный преобразователь для контроля состояния атмосферы герметизации

Индикация показаний осуществляется с помощью светодиодного индикатора, где одновременно отображаются: номер канала, по которому производятся измерения (от 1 до 4), влажность (в градусах Цельсия по точке росы, ppm, мг/м³) и температура.

Установлено, что наиболее эффективными оказываются процессы герметизации с ИК-сушкой или термическим отжигом непосредственно перед герметизацией, которая должна выполняться в сухой атмосфере герметичного бокса. Отжиг на воздухе даже длительностью до 48 ч не дает существенного эффекта, если перед герметизацией детали корпуса находились в контакте с атмосферой цеха даже незначительное время. Это объясняется высокой сорбционной способностью керамики на основе оксида алюминия из-за наличия в ней поверхностных пор и частичной гидратацией окислов, входящих в ее состав.

Для дальнейшего снижения содержания влаги в подкорпусном объеме ИС категории качества «ВП» разработано и внедрено в производство устройство ИК-нагрева с вакуумированием, используемое непосредственно перед герметизацией в защитной атмосферной камере (рис. 4).

Рис. 4. Устройство ИК-нагрева и вакуумирования

ИС, загерметизированные с использованием устройства ИК-нагрева с вакуумированием, имеют в основном пониженный уровень паров воды в корпусе — от 0,01 до 0,09 об. %, что подтверждается протоколами испытаний в РНИА «Электронстандарт». Однако воспроизводимость полученных результатов, особенно для корпуса 401.14-5М, может снижаться из-за присутствия дефектов в стекло-керамической изоляции корпуса. Рассмотрим сравнительные результаты исследований при использовании 14‑ и 16‑выводных корпусов типа 401.14-5М и 402.16-32, 402.16-32-05 соответственно (рис. 5а, б, в).

Рис. 5. Основания металлокерамических корпусов до герметизации:
а) 401.14-5М;
б) 402.16-32;
в) 402.16-32-05

Особенности корпусов заключаются в способах изоляции внешних выводов. Так, для корпуса 401.14-5М изоляция обеспечивается заливкой стекла С‑52 с добавкой керамики ВК‑94 (до 18% по массе), то есть данный корпус относится к типу стеклокерамических корпусов. Корпуса 402.16-32 и 402.16-32-05 изолируются спеканием многослойной алюмооксидной керамики. Такие корпуса являются металлокерамическими.

Сравнительный анализ структуры изоляции выводов показал, что стеклокерамическая изоляция корпуса 401.14-5М имеет наибольшую дефектность. При этом электронной микроскопией выявлены многочисленные поверхностные поры, размер которых достигает 26 мкм, а после подшлифовки верхнего слоя открываются внутренние поры и пустоты, чей размер достигает 214 мкм (рис. 6а, б). Для металлокерамических корпусов поверхностные поры не превышают 6 мкм.

Рис. 6. Пористость стеклокерамической изоляции выводов (корпус 401.14-5М):
а) до подшлифовки верхнего слоя;
б) после подшлифовки верхнего слоя

Результаты анализа состава материала корпусов с использованием рентгеновского спектрометра AVALON‑8000 представлены в таблице.

Корпус из белой керамики дополнительно содержит оксиды P₂O₅ (1,36 масс. %) и MgO (0,91 масс. %). Сравнительные результаты периодических испытаний по контролю содержания паров влаги в исследуемых трех типах корпусов ИС представлены на рис. 7.

Рис. 7. Содержание паров воды в подкорпусном объеме для трех типов корпусов

Наибольшее содержание влаги от 0,01 до 0,45 об. % было выявлено в стеклокерамическом корпусе 401.14.-5М, имеющем в области расположения внешних выводов повышенное количество пор и пустот. Для корпусов 402.16-32 и 402.16-32-05, имеющих незначительную дефектность, содержание влаги находится в пределах (0,01–0,22) об. %. Полученные результаты показывают, что скрытые дефекты корпусов являются дополнительным фактором, способным изменять параметры газовой среды в подкорпусном объеме ИС. Негативное влияние дефектов корпуса также может проявляться при проведении длительной электротермотоковой тренировки при повышенной температуре (ЭТТ 125 °С в течение 168 ч), поскольку скрытые дефекты создают условия для ускоренного диффузионного обмена газовой среды внутри корпуса с внешней влажной средой (рис. 8).

Рис. 8. Содержание паров воды в корпусе 401.14-5М после ЭТТ при разной температуре

Следует отметить, что получаемые результаты измерений не всегда объективны по отношению к качеству испытуемых изделий. Например, известны неоднократные случаи разрушения материала корпуса и внутренней структуры ИС в процессе прокалывания крышки, что не допускается требованием метода 222-1 ОСТ 11 073.013, ч. 2 (рис. 9а, б, в). Разрушение корпусов и внутренней структуры ИМС приводит к увеличению содержания влаги за счет ее выделения из материала корпуса и материала соединения кристалл-корпус.

Рис. 9. Разгерметизация корпуса:
а) и б) прокалыванием крышки;
в) с образованием трещины в керамическом основании

Игла для прокола крышки попадает, как правило, на знаки маркировочного клейма. При оптимальной настройке длины хода иглы прокола прокалываемая часть остается связанной с крышкой, но при длинном ходе иглы прокола она достигает дна корпуса (рис. 10).

Рис. 10. След от иглы на основании корпуса ИС в результате прокалывания отверстия в крышке корпуса при проведении испытаний

В этом случае игла делает локальный отпечаток на дне корпуса размером около 226 мкм, внутри которого обнаружены частицы темного цвета. Рентгеноспектральный анализ частиц темного цвета в зоне деформации показал присутствие таких элементов, как Cl, K и Са, что указывает на то, что перед прокалыванием проведено некачественное обезжиривание крышки корпуса.

В процессе производства ИС с уменьшенным уровнем паров воды в корпусе важнейшую роль играет не только собственно процесс, но и правильный выбор оборудования для герметизации.

Оборудование для герметизации корпусов сваркой

В электронной промышленности пост-советского пространства применяется несколько типов установок и линий герметизации шовно-роликовой сваркой. В полуавтомате конвейерного типа модели 03 КС‑700-2 при герметизации автоматически поддерживается заданный режим: частота повторения сварочных импульсов, сварочный ток и выходное напряжение, усилие прижатия сварочных роликов к корпусу, заданное расстояние между роликами для сварки параллельных продольных и поперечных его сторон. В начале сварки контактное сопротивление между крышкой и ножкой корпуса может достигать 100 мОм, а в процессе ее постоянно изменяется в пределах от 2 до 10 мОм. В зависимости от контактного сопротивления меняется и плотность тока в местах контакта роликов со свариваемыми деталями, а следовательно, уменьшается или увеличивается мощность, что становится причиной образования выплесков расплавленного металла и плохой герметизации корпуса. Для устранения этого явления в полуавтомате предусмотрено автоматическое регулирование режима сварки, основанное на изменении выходной мощности в зависимости от контактного сопротивления, измеряемого между импульсами сварки.

Ведущими зарубежными фирмами в области разработки и производства оборудования для герметизации ИС шовно-роликовой сваркой являются Scientific Sealing Technology (SST), Polaris Electronics, Benchmark Industries, Miyachi Unitek. Типичной из выпускаемых ими установок может считаться модель, управляемая компьютером Precision Seal PS1000 Model 15, фирмы Miyachi Unitek. Она обеспечивает гарантированный выход годных не менее 99%. Параметры атмосферы в боксе, выполненном из специально обработанной (для снижения сорбции летучих веществ) нержавеющей стали (включая содержание водяных паров и кислорода, температуру и давление), непрерывно контролируются встроенными датчиками и регистрируются на пульте управления. Аналогичные модели Ассu-Weld 4000, Ассu-Weld 5000 и Ассu-Weld 7000 производит фирма Polaris Electronics. В последней из перечисленных установок имеется восемь позиций сварки на вращающемся столике, что позволяет оператору выполнять до 2300 сварок в час. Современное оборудование представлено моделями шовно-роликовой сварки Pyramid HPS 9206, конденсаторной сварки Pyramid CW-XKJ и лазерной сварки Pyramid LMC‑3000 (Великобритания) [9, 10].

Модель 2400E (рис. 11а) с автоматическим размещением крышки и двумя системами технического зрения (обработка крышки и герметизация корпуса), а также с двусторонним, многоуровневым освещением обеспечивает высокую точность размещения крышки ±0,05 мм и выход годных по герметичности не менее 99%.

Рис. 11. Установки шовно-роликовой сварки:
а) модель 2400E;
б) Pyramid HPS 9206

Установка Pyramid HPS 9206 для герметизации электронных компонентов в различных видах корпусов размером от 3×3 до 150×150 мм в условиях мелко- и среднесерийного производства может быть дооснащена для встраивания в полностью автоматическую производственную линию (рис. 11б). Ее длительность сварочного импульса находится в пределах 10–25 мс, энергия сварочного импульса составляет 1000 Дж, точность позиционирования изделия ±0,025 мм, воспроизводимость позиционирования ±0,025 мм, выход годных не менее 99%.

Герметизация выполняется с предварительным автоматическим позиционированием по высоте и регулированием давления электрода на корпус детали, обеспечивая мягкое касание для минимизации воздействия на корпусную деталь. Содержит программное обеспечение в среде Windows с системой меню и многоуровневой защитой операционной системы. Работа шаговых электродвигателей в реальном времени отслеживается системой управления.

В установке «Венера IV» (рис. 12а) Polaris Electronics Corp. встроенный микропроцессор обеспечивает управление процессом герметизации прямоугольных и квадратных корпусов размером от 1,27 до 140 мм. Производительность для матричного расположения корпусов (рис. 12б) составляет 2000 шт./ч, а выход годных не менее 99%. Программируемая скорость образования сварного шва в пределах от 1,27 до 50,8 мм/с. Энергонезависимая память обеспечивает хранение до 60 сварочных программ. Максимальная потребляемая мощность — 3500 Вт.

Рис. 12. Установки:
а) «Венера IV»;
б) матричное расположение корпусов

Модель AF8500 (Miyachi Unitek) [12] представляет собой систему групповой обработки: монтажа, прихватки крышки и шовной роликовой сварки (рис. 13а, б). Компьютерное управление, техническое зрение и высокая частота сварки обеспечивают отличное качество герметизации с высокой повторяемостью. Размер герметизируемых корпусов от 3 до 203 мм. Техническое зрение и вакуумный инструмент создают условия для точного (±0,025 мм) размещения крышек на корпусе.

Рис. 13. Установки:
а) модель AF8500;
б) матричное расположение корпусов

Атмосферные камеры для герметизации в контролируемой среде

Атмосферные камеры обеспечивают требуемую инертную атмосферу в процессе герметизации ИС. Модульная система перчаточного бокса MX2000 Miyachi Unitek (США) может включать любую комбинацию шлюзов и проходных камер с нагревом, газовых анализаторов, мониторов влажности и контроля за состоянием окружающей среды (рис. 14а). Камера сушки обеспечивает термовыдержку при 125 или 200 °С, содержание кислорода в атмосфере камеры 0,1 об. %, влажность 0–0,015 об. %. Для создания вакуума 415 кПа применяются роторные и турбонасосы.

Атмосферная камера Generation 5 (рис. 14б) содержит вакуумную камеру и камеру подогрева до 200 °С, где создается инертная среда — азот 65 psi (448 кПа) с содержанием кислорода 0–1000 ррm. Имеется встроенный мониторинг влаги и кислорода.

Рис. 14. Атмосферные камеры:
а) MX2000;
б) Generation 5

Базовая модель скафандра Alpha Series Gloveboxes в своем составе содержит камеру нагрева ((125 ±10) °C) и вакуумирования (безмасляный вакуумный насос), а на лицевой панели предусмотрено двойное слоистое небьющееся стекло, в котором размещено два перчаточных порта (рис. 15). Система оснащена газовым мониторингом (температура, влажность, содержание кислорода).

Рис. 15. Современные скафандры Alpha

Атмосфера в скафандре AX5000 задается и контролируется компьютером на платформе Windows (поддерживается интегрированная влажность, кислород, аргон и контроль гелия). Конструкция скафандра обеспечивает безопасное выполнение операций, связанных с процессом герметизации корпусов ИС. Все скафандры (атмосферные камеры) содержат входные и выходные шлюзы.

Система Glovebox Pyramid Engineering предназначена для широкого применения в различных областях техники и медицины (рис. 16). Такая система, управляемая компьютером, создает требуемый микроклимат инертной среды (азот, гелий, аргон) для проведения герметизации ИС и других изделий электронной техники.

Рис. 16. Система Glovebox Pyramid Engineering

Флуоресцентное освещение создает комфортные условия безбликового контроля деталей. Смотровое стекло (окно толщиной 6 мм) позволяет максимальный обзор рабочей зоны. Перчаточные овальные порты размером 200×150 мм удобны в работе. Корпус сварен из нержавеющей стали толщиной 1,25 мм, швы герметизированы. Перчаточные камеры серии GB предназначены для работы в условиях пониженного давления инертной атмосферы ±7,00 мбар.

Заключение

Основными источниками повышенного содержания паров воды в объеме корпусов полупроводниковых приборов, образующей пленку на поверхности кристалла, являются высокая концентрация паров воды в среде герметизации, клей, применяемый для посадки кристалла, защитные и пассивирующие покрытия кристалла, а также конструкционные материалы корпуса, способные накапливать на своей поверхности и в порах за счет хемо- и физической сорбции значительные количества влаги.

Для снижения содержания влаги в корпусах полупроводниковых приборов в процессе их герметизации шовно-роликовой сваркой предложено основание корпусов подвергать ИК-нагреву с вакуумированием непосредственно перед герметизацией, а для создания защитной инертной атмосферы в рабочей зоне — применять атмосферную камеру.