Чтобы понять требования к корпусам полупроводниковых приборов и
интегральных схем (ИС) и задачи технологии их производства, нужно кратко
ознакомиться с работой таких приборов, для создания которых
используются: Si, Ge, GaAs, InSb, SiC и др. Принцип действия приборов
основан на свойствах электроннодырочных р-л-переходов.
Диоды имеют один р-п-переход и применяются для выпрямления тока,
стабилизации напряжения и тока, детектирования (демодуляции) и т. п.
Транзисторы имеют два р-п-перехода (р-п-р или п-р-п). Три р-л-перехода —
это тиристоры — биполярные полупроводниковые приборы. Полевые
транзисторы типа металл-диэлектрик— полупроводник (МДП) предназначен для
генерирования и усиления электрических колебаний, мощности,
преобразования напряжений и т. д. Современное состояние технологии
полупроводников позволяет синтезировать композиции с одинаковыми
параметрами кристаллической решетки, но с различной шириной запрещенной
зоны. Это позволяет в одном весьма малом объеме полупроводникового
монокристалла получать различные гетеропереходы и реализовать сложные
электронные схемы.
Полупроводниковые приборы на р-я-переходах нашли
широкое применение в СВЧ-технике с диапазоном частот 30 МГц — 3000 ГГц,
что соответствует диапазону длин волн электромагнитных колебаний Л,= 10
м — 0,1 мм. Этот диапазон называют УКВ (ультракороткие волны) и
разбивают на более узкие: метровый (f = 30—3000 МГц, А,= 10—0,1 м),
деци-, санти-, милли- и субмил-лиметровый (/=300—3000 ГГц; Х=1—0,1 мм).
В данной главе будут рассмотрены диэлектрические материалы для
сантиметрового диапазона: f—З—30 ГГц, Л,= 10—1 см.
При работе мощных СВЧ-приборов в полупроводниковых кристаллах имеет
место рассеяние мощности, приводящее к нежелательному разогреву прибора.
Для обеспечения нормальной работы это тепло должно восприниматься
корпусом. Мощность полупроводникового прибора определяется его
способностью рассеивать выделяемое при работе тепло.
В корпусах ИС имеется большое число выводов, до 300—400. В процессе
работы схемы межэлектродные емкости и индуктивности могут отрицательно
влиять на рабочую частоту прибора: чем они меньше, тем выше частота, на
которой происходит отдача максимальной мощности. При разработке мощных
приборов возникают проблемы значительного рассеяния тепла на оболочке,
вывода больших уровней энергии через диэлектрическое окно, создание
надежной изоляции при напряжениях 102—103 кВ. Диэлектрические окно в
выходных устройствах электронного прибора предназначено для вывода в
волноводный тракт генерируемой внутри прибора электромагнитной энергии.
Из-за ограниченного размера выходного устройства плотность энергии в
окне резко возрастает, что приводит к увеличению напряжений
электромагнитных полей, пробоям, искрению, росту диэлектрических потерь
и разогреву окна. Это вызывает тепловые и механические напряжения в окне
и месте спая его с металлами и может привести к выходу из строя прибора
из-за разрушения окна [4,5].
Корпус выполняет много функций: эффективный отвод и рассеивание тепла,
выделяемого при работе микросхемы; электрическая изоляция
полупроводниковых кристаллов; герметизация соединений; защита схемы от
воздействия окружающей среды и механических повреждений. Корпус должен
иметь минимальные индуктивности выводов и межвыводные емкости, быть
согласованным по частотным характеристикам с системами, в которых
работают СВЧ-схемы. Он должен: обеспечивать удобство монтажа микросхемы,
надежность крепления при монтаже в аппаратуре; обладать коррозионной
стойкостью; малой массой при высокой прочности и жесткости; быть простым
и дешевым в изготовлении; сохранять целостность конструкции в условиях
значительной вибрации и ударных ускорений.
Корпуса ИС могут быть стеклянные, металлостеклянные, керамические,
металлокерамические, пластмассовые, металлопластмассовые и полимерные.
Стекло было традиционным материалом для корпусов, но последнее время
преимущественное распространение получили керамические материалы.
Преимущества керамики перед стеклом состоят: в уменьшении потерь
СВЧ-энергии; повышенной температуростойкости; более жестком и точном
креплении микросхем. Керамика имеет слабовыраженную температурную
зависимость характеристик до 500—1000°С (773—1273 К). Для стекол с
размягчением 490—700 °С (763—973 К) резко возрастает электропроводность,
диэлектрические потери, деформация, уменьшается механическая прочность.
Из-за высокой механической прочности в металлокерамических композициях
не обязательно совпадение температурного коэффициента линейного
расширения (ТКЛР). Керамика хорошо паяется.
Температура диссоциации оксидов керамики составляет 1000—1500 °С
(1273—1773 К). Они не содержат летучих примесей, поэтому газовыделение
керамики определяется сорбционными способностями и невелико по сравнению
со стеклами. По газопроницаемости керамика как бы сочетает в себе
положительные свойства стекла и металла; по отношению к водороду она
непроницаема подобно стеклу, по отношению к гелию она непроницаема
подобно металлам. Проницаемость газов через керамику мала. Например,
через керамику А1203 лишь при 1500 °С (1773 К) обнаруживается
проникновение N и Ог. Ее газопроницаемость при 900 °С (1173 К) на семь
порядков меньше, чем у меди, в спаях — на два порядка. Керамика мало
подвержена электролизу, по сравнению со стеклами обладает большой
радиационной стойкостью. Способность керамики образовывать
вакуумно-плотные высокотемпературные соединения с металлами делает ее
незаменимой как конструкционный диэлектрик, который применяется в
приборостроении более 50 лет. Первоначально керамику применяли для
внутриламповых деталей для электрической изоляции и механического
крепления арматуры. Дальнейшее развитие керамики связано с решением
проблем вывода высоких уровней СВЧ энергии, значительного улучшения
теплоотвода в мощных генераторах и усилительных приборах СВЧ.
Вакуумно-плотная керамика (ВПК) удовлетворяет жестким условиям работы
мощных СВЧ-приборов [5, 49, 52, 53]. К ней предъявляется целый комплекс
требований: максимальная теплопроводность;
способность образовывать вакуумно-плотные соединения с металлами и их
сплавами;
минимальные диэлектрические потери в диапазоне СВЧ (109— 10й Гц) при
температурах до 500—700°С (773—973 К);
высокая электрическая прочность в различных средах (воздух, вакуум,
жидкие диэлектрические среды) при постоянном и переменном напряжении с
большой длительностью импульсов;
высокая механическая прочность при нагревах и охлаждениях до
отрицательных температур в условиях вибрации;
способность выдерживать большие градиенты температур, местные перегревы,
быстрые изменения температур и многократные термические удары;
хорошая химическая стойкость и устойчивость к
воздействию различных климатических факторов (влаги, морской воды,
тумана, грибковой плесени), а также нейтральность к восстановительным и
окислительным газам, радиационная стойкость и устойчивость к плазме;
В конструкциях корпусов используются и металлические материалы для
выводов, теплоотводов, оснований, крышек и т. п. Металлы должны обладать
высокими химическими, механическими и технологическими свойствами,
способностью к пайке, сварке, гальваническим покрытиям. Применяют Сu, Al,
Ni, Ag, АL и сплавы. Особенно распространены сплавы железа с никелем и
кобальтом, которые образуют с рядом мягких и твердых стекол и керамикой
надежные спаи.
Вакуумные свойства ВПК определяются газовыделением и газопроницаемостью,
которые важны для построения правильного режима обезгаживания во время
откачки и прогнозирования поведения вакуумного прибора. Для
газовыделения существуют три причины: выделение легколетучих примесей,
диссоциация оксидов и десорбция поглощенных газов. Применительно к ВПК
значение имеет только последняя. Летучих примесей керамика не содержит,
но если они и были, то улетучились на предварительном обжиге.
Разлагаться с выделением газов могут остатки загрязнений.
Газопроницаемость — это величина, характеризующая
количество газа (см3) при нормальных условиях, проникающее через 1 см2
площади при толщине стенки 1 мм за 1 с при атмосферном давлении газа с
наружной (невакуумированной) стороны. Проникновение газов через ВПК, в
которой нет сквозных пор и не нарушена структура, связано в основном с
диффузией через монолитные структурные элементы — кристаллическую фазу и
стеклофазу. Исключение могут составлять материалы, у которых структурные
элементы отличаются по ТКЛР, поэтому могут образовываться микротрещины.
К аналогичному эффекту приводят структурные превращения кристаллической
фазы, например в стеатитовой керамике, протекающие с изменением объема.
Современные материалы ВПК не имеют подобных пороков.
Механическая прочность керамики почти на два
порядка меньше теоретической. Это объясняется поликристалличностью,
множеством дефектов в структуре и их усугублением под воздействием
окружающей среды, в том числе и влаги. Особенно сильно снижают прочность
поверхностные дефекты, поэтому эффективны глазурование, органические
пленки и другие покрытия. ВПК на основе А1203 имеет наибольшую прочность
— оизг=35—40 кг/мм2 по сравнению с 12 кг/мм2 у стеатитовой керамики.
Прочность в вакууме при 7=600 °С (873 К) возрастает на 39%, в воде при
нормальной температуре уменьшается на 18%, а при нагреве до 50 °С (327
К) —на 27%.
На тепловые свойства алюмоокаидной керамики: ТКЛР постоянный до
600—800°С (873—1073 К), теплоемкость, теплопроводность— сильное влияние
оказывает пористость и количество стек-лофазы.
Радиационная стойкость под воздействием нейтронного протонного,
рентгеновского и уизлучения А1203-керамики очень высокая. В условиях
облучения тепловыми нейтронами потоком (дозой) Ю17—Ю‘8 нейтрон/см2 при
Т= —150 (423 К) и 300 °С (573 К) все свойства керамики практически не
изменяются. При дозе 1020 нейтрон/см2 резко возрастают потери в
НЧ-диапазоне из-за увеличения проводимости, но электрическая прочность
изменяется незначительно. При больших облучениях из-за
структурно-фазовых превращений снижается теплопроводность.
Для корпусов ИС применяются ВПК: сапфир, поликор, корунд, стеатит,
форстерит, алюмооксидная керамика ВК-94 (22ХС) и др. При необходимости
рассеивать в схемах большую тепловую мощность применяют бериллиевую
керамику на основе ВеО (броке-лит-9, бромелит) или пленочные изоляторы
наносят на ВеО керамику.
Наибольшее применение нашли одно- и многослойные корпуса из керамических
пленок (лент), которые представляют собой эластичные листы,
изготовленные методом литья органического шликера на основе керамики
либо металлизационной пасты на полимерные подложки. В
металлокерамическом корпусе эластичный лист может состоять из двух
частей — керамической и металлизационной. Пленочные корпуса из керамики
имеют свои преимущества и недостатки. Преимущества: возможность
получения скрытых между слоями керамики токопроводящих дорожек,
вакуум-плотность токовводов, снижение емкостей и индуктивностей;
применение группового метода изготовления керамических изоляторов с
использованием карт из эластичных листов, что значительно повышает
производительность труда; частичное или полное исключение операции
шлифовки и др. Недостатки: сложность твердосплавной штамповочной
оснастки; необходимость применения шелкографии для металлизации и др.