Способ герметизации корпуса интегральной схемы

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ГЕРМЕТИЗАЦИИ КОРПУСА ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ(71) Заявитель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ - управляющая компания холдинга ИНТЕГРАЛ(72) Авторы Турцевич Аркадий Степанович Керенцев Анатолий Федорович Солодуха Виталий Александрович Довженко Александр Алексеевич Зубович Анатолий Николаевич(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ - управляющая компания холдинга ИНТЕГРАЛ(57) 1. Способ герметизации корпуса интегральной схемы, при котором совмещают крышку корпуса с основанием корпуса, проводят ИК-нагрев в инертной среде при температуре от 110 до 150 С в течение от 5 до 15 мин, точечной контактной сваркой осуществляют предварительную фиксацию крышки с основанием корпуса, термически обрабатывают корпус в инертной среде при температуре 150 С в течение 48 ч, проводят ИК-нагрев в вакууме с остаточным давлением не более 60 кПа при температуре от 110 до 150 С в течение от 5 до 15 мин в герметичном контейнере, размещенном в скафандре установки шовно-роликовой сварки с инертной средой, а инертную среду в скафандре поддерживают с избыточным давлением не менее 0,2 кПа и точкой росы не выше 30 С, проводят окончательную герметизацию шовно-роликовой сваркой крышки с металлическим ободком основания корпуса. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед окончательной герметизацией шовно-роликовой сваркой проводят ИК-нагрев в инертной среде при температуре от 110 до 130 С в течение от 5 до 15 мин. Изобретение относится к электронной технике, а именно к технологии герметизации интегральных схем (ИС) повышенной надежности в результате снижения содержания паров воды в подкорпусном объеме. Известен способ герметизации полупроводниковых приборов 1, включающий нанесение на внутреннюю сторону крышки эфира циановой кислоты в форме рецептуры клея,совмещение с основанием корпуса, герметизацию корпуса и термообработку при температуре от 100 до 400 С. Эфир циановой кислоты при вступлении в реакцию с водой, содержащейся в подкорпусном объеме полупроводникового прибора, образует имидокарбоновую кислоту, которая молекулярно перестраивается в карбаматную молекулярную структуру. 18641 1 2014.10.30 Недостатком данного способа является то, что перед герметизацией детали корпуса не подвергаются сушке для удаления влаги, а сам процесс герметизации проводится в неконтролируемой среде. В результате термообработки при повышенной температуре от 100 до 400 С в подкорпусном объеме происходит обильное выделение в замкнутое пространство паров растворителей с кратковременным увеличением внутриполостного давления и последующим перераспределением летучих веществ по внутренним элементам корпуса. Это ухудшает электрические характеристики полупроводниковых приборов и может привести к отказу. Дополнительно выделяется влага из элементов корпуса и органического клея. В процессе длительной термообработки может происходить перенасыщение геттера влагой,что способствует попаданию избыточной влаги на металлизацию активной структуры,протеканию коррозионных процессов и повышению токов утечки. Данный способ малоэффективен, так как при повышенной температуре 100 С давление паров воды в атмосфере подкорпусного объема полупроводниковых приборов возрастает за счет выхода из геттера, а при вскрытии полости, в процессе разрушающего физического анализа, за счет высокой температуры и высокого вакуума, геттер отдает собранную влагу в объем вакуумированной испытательной камеры и определяемое содержание влаги может превышать допустимый уровень 0,5 об. . Это будет приводить к снижению выхода годных полупроводниковых приборов. Известен способ герметизации корпуса интегральной схемы 2, при котором на внутреннюю поверхность крышки наносят полимер (клей) с протонированным алюминосиликатным порошком состава -2 (2) , где 1-20 (указанный полимер содержит элементы углерода, водорода и один или несколько элементов кислорода, азота, серы, галогенов, а также кремния в своем звене весовое отношение указанного порошка и указанного полимера составляет от 0,001 до 2), проводят термообработку при повышенной температуры или в вакууме, совмещают крышку с основанием корпуса и проводят герметизацию корпуса. Недостатком данного способа является то, что сорбирующая эффективность данного протонированного алюминосиликатного порошка состава -2 (2) , где 1-20,оказывается недостаточной, так как он закрепляется на крышке с помощью клея и многие частицы порошка будут экранированы. Кроме того, перед герметизацией детали корпуса не подвергаются сушке для удаления влаги, а сам процесс герметизации проводится в неконтролируемой среде. Также данный способ обладает низкой технологичностью, так как любые отклонения от состава исходного геттера в процессе длительной термообработки будут приводить к перенасыщению его влагой и потере адсорбирующих свойств. В результате этого избыточная влага будет адсорбироваться на элементах конструкции корпуса и активной структуры, вызывать возникновение поверхностной проводимости и образование коррозионных процессов металлизации. При наличии влаги на поверхности кристалла меняется поверхностный потенциал, что приводит к инверсии проводимости в приповерхностных слоях полупроводника, вызывая дрейф характеристик и рост токов утечки. Одновременно с парами воды в объеме корпуса возрастает количество двуокиси углерода, метана, водорода и углеводородов, что также может усилить коррозию металлизации. Это будет приводить к снижению выхода годных ИС. Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является способ герметизации корпуса интегральной схемы 3, при котором совмещают крышку с основанием корпуса, осуществляют предварительную фиксацию крышки с основанием корпуса точечной контактной сваркой, термически обрабатывают корпус в инертной среде при температуре 150 С в течение требуемого времени, проводят непосредственно перед герметизацией термическую или термовакуумную обработку при температуре от 120 до 150 С в течение от 20 до 60 мин, проводят окончательную герметизацию шовно-роликовой сваркой крышки с металлическим ободком основания корпуса в инертной среде с точкой росы не выше 65 С. 2 18641 1 2014.10.30 Данный способ имеет недостаток, заключающийся в том, что проведение перед герметизацией непосредственно после термосушки, без контакта с внешней средой, термической или термовакуумной обработки при температуре от 120 до 150 С в течение от 20 до 60 мин и проведение окончательной герметизации шовно-роликовой сваркой крышки с металлическим ободком основания корпуса с подачей инертного газа с точкой росы не выше 65 С не обеспечивает воспроизводимого удаления влаги из подкорпусного объема. Это связано с тем, что термовакуумный отжиг характеризуется замедленной передачей тепла от источника к обрабатываемым корпусам интегральных схем. При этом в результате действия сил поверхностного натяжения будет затруднена десорбция влаги из металлокерамических элементов корпуса, для которых присуща определенная пористость. Поверхность алюмооксидной керамики имеет поры и микронеровности. Значительной пористостью обладает тугоплавкая металлизация корпуса, получаемая на основе порошков металлов вольфрама и молибдена с размером зерна до 10 мкм. Также имеются поры и в гальванических покрытиях никелем и золотом на монтажных площадках внутри корпуса. В результате хемосорбции молекулы воды в поверхностных порах оказываются трудноудалимыми за счет действия валентных сил с поверхностью. Поэтому данный способ может приводить к неполному удалению влаги из корпуса и снижению выхода годных ИС. Заявляемое изобретение решает задачу повышения выхода годных и снижения содержания паров воды в подкорпусном объеме ИС. Сущность изобретения заключается в том, что в способе герметизации корпуса интегральной схемы совмещают крышку корпуса с основанием корпуса, проводят ИК-нагрев в инертной среде при температуре от 110 до 150 С в течение от 5 до 15 мин, точечной контактной сваркой осуществляют предварительную фиксацию крышки с основанием корпуса, термически обрабатывают корпус в инертной среде при температуре 150 С в течение 48 ч, проводят ИК-нагрев в вакууме с остаточным давлением не более 60 кПа при температуре от 110 до 150 С в течение от 5 до 15 мин в герметичном контейнере, размещенном в скафандре установки шовно-роликовой сварки с инертной средой, а инертную среду в скафандре поддерживают с избыточным давлением не менее 0,2 кПа и точкой росы не выше 30 С, проводят герметизацию шовно-роликовой сваркой крышки с металлическим ободком основания корпуса перед окончательной герметизацией шовно-роликовой сваркой проводят ИК-нагрев в инертной среде при температуре от 110 до 150 С в течение от 5 до 15 мин. Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показал, что заявляемый способ отличается от известного тем, что перед предварительной фиксацией крышки с основанием корпуса точечной контактной сваркой проводят ИК-нагрев в инертной среде при температуре от 110 до 150 С в течение от 5 до 15 мин, а перед окончательной герметизацией шовно-роликовой сваркой проводят ИК-нагрев в вакууме с остаточным давлением не более 60 кПа при температуре от 110 до 150 С в течение от 5 до 15 мин в герметичном контейнере, размещенном в скафандре установки шовно-роликовой сварки с инертной средой, а инертную среду в скафандре поддерживают с избыточным давлением не менее 0,2 кПа и точкой росы не выше 30 С перед окончательной герметизацией шовно-роликовой сваркой сначала проводят ИК-нагрев в инертной среде при температуре от 110 до 150 С в течение от 5 до 15 мин. Использование идентичной или сходной совокупности отличительных признаков для решения поставленной задачи не обнаружено. Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. Внутри монтажного колодца основания металлокерамического корпуса ИС существуют неровности, углубления, поры и микрощели, в которых удерживается адсорбированная влага. Простая термическая сушка в камере тепла не может полностью удалить адсорбированную влагу,удерживаемую валентными силами хемосорбции. Поэтому для эффективного удаления влаги проводят отжиг крышек и оснований корпусов путем ИК-нагрева в инертной среде 3 18641 1 2014.10.30 при температуре от 110 до 150 С в течение от 5 до 15 мин. При проведении ИК-нагрева при температуре менее 110 С и времени менее 5 мин эффективность удаления влаги резко снижается. Проведение ИК-нагрева при температуре более 150 С и длительности более 15 мин увеличивает затраты на электроэнергию и экономически нецелесообразно. Непосредственно перед окончательной герметизацией шовно-роликовой сваркой проводят ИКнагрев в вакууме с остаточным давлением не более 60 кПа при температуре от 110 до 150 С в течение от 5 до 15 мин в герметичном контейнере, размещенном в скафандре установки шовно-роликовой сварки с инертной средой, а инертную среду в скафандре поддерживают с избыточным давлением не менее 0,2 кПа и точкой росы не выше 30 С. Благодаря ИК-нагреву в вакууме с остаточным давлением менее 60 кПа отмечается эффективное удаление влаги из основания корпуса с прихваченной крышкой. Увеличение остаточного давления инертного газа более 60 кПа приводит к снижению эффективности удаления влаги. Проведение ИК-нагрева в вакууме при температуре менее 110 С и времени менее 5 мин не позволяет полностью удалить влагу, так как металлокерамические корпуса не успеют прогреться до заданной температуры. Проведение ИК-нагрева в вакууме при температуре более 150 С и времени более 15 мин увеличивает длительность подготовки перед герметизацией, удлиняет технологический цикл и увеличивает расход электроэнергии, что экономически нецелесообразно. Непосредственно перед окончательной герметизацией шовно-роликовой сваркой сначала проводят ИК-нагрев в инертной среде при температуре от 110 до 150 С в течение от 5 до 15 мин. При проведении ИК-нагрева в инертной среде при температуре менее 110 С и времени менее 5 мин эффективность удаления влаги резко снижается, так как металлокерамические корпуса не успеют прогреться до заданной температуры. Проведение ИКнагрева в инертной среде при температуре более 150 С и длительности более 15 мин увеличивает затраты на электроэнергию и экономически нецелесообразно. Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими конкретными примерами основных вариантов герметизации. Пример 1. После выполнения технологических операций сборки ИС типа 16232, включающих монтаж кристаллов на основание корпуса 4119.28-6, присоединение проволочных выводов, контроль прочности соединений и разбраковку по внешнему виду, сборочные единицы поступают на герметизацию. При этом крышку из ковара с покрытием никелем толщиной 3 мкм и основания 4119.28-6 после сборки загружают в герметичный скафандр с подачей инертного газа с точкой росы не выше 65 С, помещают в устройство ИКнагрева и при температуре 100 С проводят термообработку в течение 3 мин. Это позволяет удалить влагу с поверхности металлокерамического корпуса. Затем крышку совмещают с основанием корпуса ИС и выполняют контактной сваркой локальную прихватку крышки с металлическим ободком основания корпуса. Сборочные единицы перегружают в герметичный контейнер 7829-8082 и проводят термообработку в камере тепла в среде осушенного азота при температуре 150 С в течение 48 ч. Затем изделия без контакта с внешней средой перемещают в скафандр установки герметизации, где инертную среду поддерживают с избыточным давлением 0,15 кПа и точкой росы 26 С. В герметичном контейнере проводят ИК-нагрев в вакууме с остаточным давлением 35 кПа при температуре 100 С в течение 3 мин и затем окончательную герметизацию корпусов ИС шовнороликовой сваркой. После термоциклирования загерметизированных корпусов проводится контроль герметичности электронозахватным методом в элегазе 6. Затем проводились испытания на коррозионную стойкость в течение 1000 ч и контроль содержания паров воды в подкорпусном объеме в соответствии с методом 222-111 073.013-83 и методом 1018 стандарта 883. Пример 2. После выполнения технологических операций сборки ИС типа 16232, включающих монтажкристаллов на основание корпуса 4119.28-6, присоединение проволочных выво 4 18641 1 2014.10.30 дов, контроль прочности соединений и разбраковку по внешнему виду, сборочные единицы поступают на герметизацию. При этом крышку из ковара с покрытием никелем толщиной 3 мкм и основания 4119.28-6 после сборки загружают в герметичный скафандр с подачей инертного газа с относительной влажностью не выше 65 С, помещают в устройство ИК-нагрева и при температуре 110 С проводят термообработку в течение 5 мин. Это позволяет удалить влагу с поверхности металлокерамического корпуса. Затем крышку совмещают с основанием корпуса ИС и выполняют контактной сваркой локальную прихватку крышки с металлическим ободком основания корпуса. Сборочные единицы перегружают в герметичный контейнер 7829-8082 и проводят термообработку в камере тепла в среде осушенного азота при температуре 150 С в течение 48 ч. Затем изделия без контакта с внешней средой перемещают в скафандр установки герметизации, где инертную среду поддерживают с избыточным давлением 0,2 кПа и точкой росы 36 С. В герметичном контейнере проводят ИК-нагрев в вакууме с остаточным давлением 40 кПа при температуре 110 С в течение 5 мин и затем окончательную герметизацию корпусов ИС шовнороликовой сваркой. После термоциклирования загерметизированных корпусов проводится контроль герметичности электронозахватным методом в элегазе 6. Затем проводились испытания на коррозионную стойкость в течение 1000 ч и контроль содержания паров воды в подкорпусном объеме в соответствии с методом 222-111 073.013-83 и методом 1018 стандарта 883. Пример 3. Крышку из ковара с покрытием никелем толщиной 3 мкм и основания 4119.28-6 после сборки кристаллов и разварки выводов загружают в герметичный скафандр с подачей инертного газа с точкой росы не выше 65 С, помещают в устройство ИК-нагрева и при температуре 130 С проводят термообработку в течение 10 мин. Затем крышку совмещают с основанием корпуса ИС и выполняют контактной сваркой локальную прихватку крышки с металлическим ободком основания корпуса. Сборочные единицы перегружают в герметичный контейнер 7829-8082 и проводят термообработку в камере тепла в среде осушенного азота при температуре 150 С в течение 48 ч. Затем изделия без контакта с внешней средой перемещают в скафандр установки герметизации, где инертную среду поддерживают с избыточным давлением 0,25 кПа и точкой росы 34 С. В герметичном контейнере проводят ИК-нагрев в вакууме с остаточным давлением 45 кПа при температуре 130 С в течение 10 мин и затем окончательную герметизацию корпусов ИС шовнороликовой сваркой. После термоциклирования загерметизированных корпусов проводится контроль герметичности электронозахватным методом в элегазе 6. Затем проводились испытания на коррозионную стойкость в течение 1000 ч и контроль содержания паров воды в подкорпусном объеме в соответствии с методом 222-111 073.013-83 и методом 1018 стандарта 883. Пример 4. Крышку из ковара с покрытием никелем толщиной 3 мкм и основания 4119.28-6 после сборки кристаллов и разварки выводов загружают в герметичный скафандр с подачей инертного газа с точкой росы не выше 65 С, помещают в устройство ИК-нагрева и при температуре 150 С проводят термообработку в течение 15 мин. Затем крышку совмещают с основанием корпуса ИС и выполняют контактной сваркой локальную прихватку крышки с металлическим ободком основания корпуса. Сборочные единицы перегружают в герметичный контейнер 7829-8082 и проводят термообработку в камере тепла в среде осушенного азота при температуре 150 С в течение 48 ч. Затем изделия без контакта с внешней средой перемещают в скафандр установки герметизации, где инертную среду поддерживают с избыточным давлением 0,27 кПа и точкой росы 26 С. В герметичном контейнере проводят ИК-нагрев в вакууме с остаточным давлением 60 кПа при температуре 150 С в течение 15 мин и затем окончательную герметизацию корпусов ИС шовнороликовой сваркой. После термоциклирования загерметизированных корпусов проводит 5 18641 1 2014.10.30 ся контроль герметичности электронозахватным методом в элегазе 6. Затем проводились испытания на коррозионную стойкость в течение 1000 ч и контроль содержания паров воды в подкорпусном объеме в соответствии с методом 222-111 073.013-83 и методом 1018 стандарта 883. Пример 5. Крышку из ковара с покрытием никелем толщиной 3 мкм и основания 4119.28-6 после сборки кристаллов и разварки выводов загружают в герметичный скафандр с подачей инертного газа с точкой росы не выше 65 С, помещают в устройство ИК-нагрева и при температуре 160 С проводят термообработку в течение 20 мин. Затем крышку совмещают с основанием корпуса ИС и выполняют контактной сваркой локальную прихватку крышки с металлическим ободком основания корпуса. Сборочные единицы перегружают в герметичный контейнер 7829-8082 и проводят термообработку в камере тепла в среде осушенного азота при температуре 150 С в течение 48 ч. Затем изделия без контакта с внешней средой перемещают в скафандр установки герметизации, где инертную среду поддерживают с избыточным давлением 0,3 кПа и точкой росы 7,0 С. В герметичном контейнере проводят ИК-нагрев в вакууме с остаточным давлением 80 кПа при температуре 160 С в течение 20 мин и затем окончательную герметизацию корпусов ИС шовнороликовой сваркой. После термоциклирования загерметизированных корпусов проводится контроль герметичности электронозахватным методом в элегазе 6. Затем проводились испытания на коррозионную стойкость в течение 1000 ч и контроль содержания паров воды в подкорпусном объеме в соответствии с методом 222-111 073.013-83 и методом 1018 стандарта 883. Обобщенные результаты сравнительных характеристик способов герметизации представлены в табл. 1 и 2. Таблица 1 Обобщенные результаты описываемых характеристик вариантов герметизации по заявляемому способу по п. 1 и прототипа ТемпераТемпераСодержаТемперату- тура ИКДавлеИзбытура точние паров ра ИК-на- нагрева в Время ние точное ки росы воды вгрева перед вакууме нагре- остадавление инертной подкор- ВГ/ВГП 1) п/п прихватперед ва, точного инертной среды в пусном кой крыш- гермети- мин вакуусреды,скафандобъеме,ки, С зацией,ма, кПа кПа ре, С об.С 1 100 100 3 35-7 0,60 1,0 1) Примечание ВГ/ВГП - отношение выхода годных согласно изобретению к выходу годных по прототипу. Выход годных определялся по 50 приборам каждого варианта с учетом контроля содержания паров воды в подкорпусном объеме и результатов испытаний на коррозионную стойкость в течение 1000 ч. Установлено, что заявляемый способ по п. 1 позволяет увеличить выход годных в (1,141,17) раза и уменьшить содержание влаги в подкорпусном объеме в (3,3-7,5) раза (табл. 1),а заявляемый способ по п. 1, 2 позволяет увеличить выход годных в (1,15-1,17) раз и уменьшить содержание паров воды в подкорпусном объеме в (4-12) раз (табл. 2). 6 18641 1 2014.10.30 Таблица 2 Обобщенные результаты описываемых характеристик вариантов герметизации по заявляемому способу по п. 2 и прототипа Температура ИК-нагрева Инертная среда Содержание паВремя в инертной среде перед ров воды в под п/п нагрева,ВГ/ВГП 1) окончательной герметикорпусном Азот Аргон мин зацией, С объеме, об.1 100 3 0,36 1,06 6 прототип 0,6 1,0 Примечания 1. Вариант по п. 3 соответствует варианту по п. 3 из табл. 1, 2. Для вариантов по пп. 1-5 температура ИК-нагрева перед прихваткой 130 С, перед герметизацией температура ИК-нагрева в вакууме 130 С в течение 10 мин с остаточным давлением 45 кПа при температуре точки росы в скафандре 34 С, избыточном давлении инертного газа 0,25 кПа. Таким образом, предлагаемый способ герметизации корпуса интегральной схемы позволяет решить задачу повышения выхода годных и снижения содержания паров воды в подкорпусном объеме ИС. Источники информации 1. Патент 5195299, МПК 65 25/00, 1993. 2. Патент 5401536, МПК 05 3/00, 1995. 3. Микросхемы интегральные. Технические требования к технологическому процессу сборки. РД 11 0274-90, дата введения с 01.09.1991. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7