Герметизация компонентов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Способы контроля герметичности

Герметизация компонентов РЭА. Способы контроля герметичности.
Радиоэлектронная аппаратура эксплуатируется в различных климатических условиях и на надежность ее работы оказывают влияние такие параметры окружающей среды, как температура, влажность, наличие микроорганизмов, пыли, радиации.
Все методы герметизации можно условно разделить на две группы: бескорпусную и корпусную герметизацию.
пропитка, обволакивание, пассивирование, литьевое прессование
в корпусах из неорганических материалов, опрессовка, заливкой и капсулированием

Вне зависимости от метода герметизации для обеспечения качества и эффективности процессов необходимо выполнить следующие условия:
Тщательно очистить изделия от всех видов загрязнений и полностью удалить присутствующую в них влагу;
При выборе материалов предпочтение следует отдавать химически чистым, с низким значением влагопроницаемости и высокой нагревостойкостью;
Температурные коэффициенты линейного расширения герметизирующих материалов, материалов корпусов и электрических выводов должны быть максимально сближены;
Режим отверждения герметичных материалов необходимо выбирать в зависимости от температуры эксплуатации изготовленных изделий с учетом нагревостойкости применяемых материалов и предельно допустимой температуры ЭРЭ;
Остаточные напряжения не должны превышать прочность на разрыв герметизируемого материала; изделия, чувствительные к механическим усилиям, возникающим при отверждении, рекомендуется покрывать демпфирующим слоем из эластичного материала;
В процессе эксплуатации герметизированных изделий не должно происходить выделения летучих веществ и должен быть обеспечен нормальный температурный режим работы;
Процессы приготовления герметизирующих смесей не должны загрязнять исходные материалы, а используемые растворители удалены при полимеризации.

Структура процесса герметизации

Корпуса предназначены для защиты элементов и компонентов ИС от климатических (влага, газы) и механических воздействий и светового облучения. Корпус обеспечивает эффективный отвод тепла от тепловыделяющих элементов и компонентов микросхемы. Металлический корпус осуществляет также экранирование от воздействия электростатических, а в некоторых случаях и магнитных полей. Корпус имеет выводы, с помощью которых микросхему монтируют на печатную плату. Контактные площадки платы ИС электрически соединены с выводами корпуса.
В зависимости от материалов корпуса делятся на следующие типы: стеклянные, керамические, пластмассовые, металлостеклянные, металлокерамические, металлополимерные, стеклокерамические.
Герметичность корпуса достигается
применением непроницаемых для влаги
и газов материалов и вакуумплотным
соединением этих материалов.
Корпусная герметизация

В зависимости от конструкции корпуса, применяемых материалов и особенностей микросхемы используют следующие методы герметизации:
1. Cварка:
Холодная сварка;
Электроконтактная конденсаторная сварка (ЭКС);
Аргонно-дуговая сварка;
Термокомпрессионная сварка;
Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН);
Сварка сдвоенным (расщепленным) электродом;
Ультразвуковая сварка;
Роликовая сварка;
Электроннолучевая сварка;
2. Пайка
Пайка припоями;
Пайка стеклом;
3. Заливка
4. Опрессовка
5. Герметизация капсулированием
6. Герметизация в вакуум-плотных корпусах.
Герметизация

Бескорпусную герметизацию выполняют пропиткой, обволакиванием герметиком, заливкой полимером, а также опрессовкой расплавленным термопластическим или термореактивным материалом.
Обволакивание - наиболее простой способ, при котором каплю герметика наносят на сборку или кратковременно погружают сборку в герметик. Этот способ используют для предварительной защиты изделий перед заливкой или опрессовкой.
Заливку выполняют в специальные многократного использования литьевые формы из силиконовой резины. Заливка может быть свободной или в вакууме.
Литьевое прессование является наиболее совершенным способом создания бескорпусных оболочек, применяемым в серийном производстве. Этот способ основан на использовании разъемных пресс-форм и пресс-порошков, получаемых из эпоксидных и кремнийорганических смол или их композиций.

Пропитка - процесс герметизации гигроскопичных (поглощение влаги) изделий путем заполнения пор, капилляров, трещин, воздушных зазоров диэлектрическими материалами, которые после обработки могут оставаться жидкими, застывать или отвердевать. Проводится при атмосферном давлении (открытая пропитка), в вакууме, путем чередования пониженного и повышенного давления (циклическая пропитка) под действием центробежных сил и ультразвука.
Обволакивание - процесс получения защитных покрытий путем погружения изделия в жидкий лак или компаунд и последующего их отверждения. Он нашел широкое применение в массовом производстве из-за простоты реализации и экономичности оборудования.
Заливка - это процесс заполнения лаками, смолами или ком­паундами свободного пространства между изделием и специальной съемной формой. Он проводится в вакууме (остаточное давление 4…6,5 кПа) при атмосферном или повышенном давлении.

Наиболее дешевыми являются полимерные корпуса, получаемые путем опрессовки микросхемы компаундом. Полимерные корпуса используют в основном для толстопленочных гибридных и полупроводниковых интегральных микросхем, работающих в нормальных условиях (промышленная и бытовая аппаратура).
Опрессовку микросхем осуществляют методом литья под давлением во временные формы компаундов горячего отверждения. Ввиду давления и высокой температуры требуется предварительная защита собранного узла (особенно проволочных перемычек) с помощью компаундов холодного отверждения.

Герметизация способом капсулирования: а - изделие со штыревыми выводами; б - односторонний пенальный корпус; в - двусторонний: 1 – капсула; 2 – подложка; 3 – герметизирующий компаунд; 4 – вывод; 5 – прокладка
Герметичность металлополимерного корпуса в целом во многом определяется герметичностью выводов в плате.
Качественная металлизация площадки платы около выводов и хорошее лужение обеспечивают герметичность корпусов.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ГЕРМЕТИЗАЦИИ
Методы выходного контроля разделяются на две группы: неразрушающие и разрушающие.
К группе неразрушающих методов относятся: контроль внешнего вида на отсутствие пор, трещин, сколов, газовых включений, определение геометрических параметров и физико-механических характеристик (внутренних напряжений, влагопроницаемости, теплопроводности и др.), проверка функционирования и герметичности.
При разрушающем контроле изделие после испытаний вскрывают и проверяют наличие обрывов и коротких замыканий токопроводящих элементов, следов коррозии, возможные каналы потери герметичности.
Для оценки герметичности разработан ряд методов (жидкостной, масс-спектрометрический, галогенный, радиоактивный, электронного захвата и др.), каждый из которых характеризуется своей чувствительностью. Выбор метода контроля определяется требованиями к степени герметичности, направлением и величи­ной газовой нагрузки на оболочку, пробными веществами, допустимыми к применению, и экономичностью. Процедура испытания строится на последовательной отбраковке изделий с большими течями и переходе на контроль малых течей.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ГЕРМЕТИЗАЦИИ
Наиболее точным является радиоактивный метод (чувствительность 10-8…5*10-9 мкм рт.ст. -л/с). Образцы, подлежащие испытанию, герметизируются в ат­мосфере сжатого радиоактивного газа (например, Кг85). При испытании с помощью счетчиков регистрируется интенсивность гамма-излучения газа, вытекающего из кор­пуса. Вследствие сложности и высокой стоимости этот метод используется только в экспериментальном производстве (отработка конструкции корпуса или технологии герметизации).
Масс-спектрометрический метод основан на обнаружении гелиевым течеискателем гелия, предварительно введенного в корпус прибора. Применение гелия обуслов­лено его высокой проникающей способностью (малые размеры молекул). Чувствительность метода определяется чувствительностью течеискателя. Высокая проникающая способность гелия затрудняет обнаружение больших течей, так как к моменту испытания гелий может полностью вытечь из корпуса. Поэтому для образцов, подлежащих испытанию, целесообразно вводить гелий после герметизации, но непосредственно перед испытанием. Macс-спектрометрический метод целесообразен только для выборочного контроля.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ГЕРМЕТИЗАЦИИ
При проверке герметичности вакуум-жидкостным методом микросхемы поме­щают в емкость с керосином или уайт-спиритом, над которым создается разрежение (10…15 мм рт. ст.). Вытекающий из корпуса газ (непрерывная струйка пузырьков) позволяет определить не только интенсивность, но и место расположения течи. Чувствительность метода 5*10-3 мм. рт. ст. Он является весьма распространенным в производстве для выборочного метода контроля.
Компрессионно-термический метод отличается от предыдущего тем, что испытуемые микросхемы погружают в нагретое масло. При этом давление газа внутри корпуса повышается и чувствительность метода несколько увеличивается (4*10-3 мм. рт. ст.).

БСС, ФСС
Разработаны и выпускаются стекла двух типов: некристаллизующиеся (vitreous glasses) и кристаллизующиеся (crystallising glasses). Некристаллизующееся монолитное, обычно прозрачное стекло при нагревании и охлаждении сохраняет стеклообразное состояние. Кристаллизующееся стекло при нагревании в области температур кристаллизации превращается в стеклокерамику в результате образования кристаллической фазы. Эти стекла имеют более высокие механическую прочность и допустимую температуру нагрева.
Кроме того, разработаны различные композиции стекол разного состава и стекла с керамическим наполнителем.
Выпускаются следующие изделия из стекла:
1. Горячетянутые трубки, капилляры и штабики (стержни) из стекла различных марок. Трубки и капилляры изготавливают с точностью наружного и внутреннего диаметров ±0,05 мм.
2. Порошки из стекла различных марок. Порошки получают сухим или мокрым (в воде или в спирте) помолом в шаровых мельницах. После помола стекло просеивают через сита со стандартными размерами ячеек. Для порошков основным параметром является распределение частиц по размерам — PSD (particle size distribution). PSD характеризуется величиной максимально допустимого (D99) и среднего (D50) размеров частиц.

БСС, ФСС
Чем мельче порошок, тем сложнее его изготавливать и тем дороже он стоит. Для кристаллизующихся стекол размеры частиц порошка особенно сильно влияют на КЛТР, вязкостные свойства и прочность стекла.
3. Прессованные и спеченные стеклотаблетки и таблетки из монолитного стекла (glass preforms).
4. Стеклянные диски.
5. Пасты на основе стеклянного порошка.
6. Структурированные стеклянные подложки.
7. Прессованный гранулят.

1. Основное назначение стекла в электронике — получение герметичных спаев с металлами и керамикой. Такие спаи применяют при изготовлении транзисторов, диодов, тиристоров, корпусов интегральных схем, низкочастотных и высокочастотных вводов, коаксиально-микрополосковых переходов и др. Для этой цели используют предварительно изготовленные стеклотаблетки из монолитного или прессованного и спеченного стекла.
2. Стеклоприпои различных размеров и формы применяют для герметизации откачиваемых электронных приборов, для герметичной установки зеркал лазеров, панелей дисплеев и др. 3. Специальные стеклянные порошки используют в составе серебряных и алюминиевых паст для солнечных батарей.
4. Порошки стекол с низкими диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь применяют при создании многослойной низкотемпературной керамики LTCC (low temperature co-fired ceramic).
5. Порошковое стекло входит в состав различных паст для толстопленочной металлизации диэлектриков.
6. Пассивирующие стекла с низким содержанием щелочей и железа применяют в производстве высоковольтных транзисторов, диодов, тиристоров, термисторов для механической и химической защиты поверхностей полупроводниковых структур.
7. Стеклянные подложки и окна выводов энергии применяют в изделиях микроэлектроники.
Область применения

БСС, ФСС
ОСТ11027.003-73 - все стекла подразделяют на семь классификационных групп в зависимости от диапазона значений КЛТР — как показано в таблице.

БСС
Боросиликатные стекла. Стеклообразующими окислами этих стекол являются B2O3 (более 8 %) и SiO2. В свою очередь, боросиликатные стекла делятся на 3 подгруппы:
– Боросиликатные стекла без щелочно-земельных металлов. В состав этих стекол входят 12…13% B2O3 и более 80% SiO2. Стекла отличаются высокой химической стойкостью и низким КТЛР (33·10–7 1/°С).
– Щелочно-земельные боросиликатные стекла. В дополнение к 75% SiO2 и 8…12% B2O3 они содержат до 5% окислов щелочно-земельных металлов и Al2O3. КТЛР стекол (40…50) ·10–7 1/°С.
– Высокоборатные стекла. Состав этих стекол: 65…70% SiO2, 15…25% B2O3 и небольшое количество щелочей и Al2O3. Из-за высокого содержания B2O3 химическая стойкость этих стекол понижена.

БСС
Стеклоприпои применяют для соединения стекла с металлами, керамикой и другими стеклами без расплавления соединяемых материалов. Пайка происходит при вязкости стеклоприпоя 104 — 105 пуаз.
Для пассивации полупроводниковых структур применяют стекла с содержанием свинца и бессвинцовые стекла. Содержащие свинец (от 5 до 30 вес.%) стекла являются композициями типов Pb-B-Zn и Pb-B-Si. Их КЛТР (36…66)·10–7 1/°С, температура пайки (520…760)°С, толщина пассивирующего слоя стекла (5…30) мкм.
Бессвинцовые стекла синтезированы в системах Zn-B-Si, Bi-Zn-Si. КЛТР этих стекол (37…94)·10–7, 1/°С, температура пайки (396...576)°С.
Тонкие слои трехкомпонентного борофосфороси-ликатного стекла, получаемые методами химического осаждения из газовой фазы, используются в качестве планаризуемого изолирующего геттерирующего материала между затворами МДП-транзисторов и первым уровнем алюминиевой металлизации интегральных микросхем.

БСС
Горячепрессованные и полированные заготовки из боросиликатного стекла используют для изготовления окон выводов энергии, выпуклых и вогнутых линз.
Оригинальной разработкой (патент США 4716082 от 29 декабря 1987 года) является стекло, покрытое защитным слоем керамики — MAG I,III (Military Armor Glass или Duplex Glass). Оно применяется в стеклотаблетках для согласованных и сжатых спаев в герметичных выводах энергии. Защитный слой керамики может быть на одном или обоих торцах таблетки.
Вывод энергии, герметизированный стеклом MAG, с двухсторонним и односторонним слоем керамики