Кузнецов О. А. и др. Прочность элементов микроэлектронной аппаратуры / О. А. Кузнецов, А. И. Погалов, В. С. Сергеев. — М.: Радио и связь, 1990.— 144 с: ил.— (Б-ка конструктора-технолога радиоэлектронной аппаратуры).


Рассматриваются типовые элементы конструкций микроэлектронной аппаратуры (МЭА), обеспечивающие ее прочность при механических и термических воздействиях. Приводятся сведения о природе, видах и уровнях механических и термических нагрузок. Даны рекомендации по определению характеристик некоторых материалов. Затрагиваются вопросы амортизации и передачи усилий между элементами МЭА. Предлагается инженерный анализ прочности корпусов микроблоков и деталей корпусов ИС, монтажных плат, электромонтажа различных уровней, стеклоспаев, паяных, сварных и метал-локерамических соединений.
Для специалистов, занимающихся конструированием и производством МЭА и ее элементной базы, а также для студентов соответствующих специальностей. В процессе производства и эксплуатации все изделия микроэлектроники подвергаются различным внешним воздействиям, которые могут приводить к параметрическим и катастрофическим отказам. Около 50% отказов микроэлектронной аппаратуры (МЭА) возникает из-за недопустимо больших деформаций монтажных плат, разгерметизации соединений корпусных элементов, нарушений в электромонтаже, разрушения паяных и сварных соединений при механических и термических воздействиях. В связи с этим конструкторам и технологам МЭА и ее элементной базы приходится решать сложные задачи обеспечения прочности различных по структуре и свойствам узлов.
Специфика МЭА заключается прежде всего в том, что наряду с традиционными конструкционными материалами в ней находят широкое применение многослойные неоднородные материалы для монтажных плат и подложек, тонкопроволочные и тонкопленочные материалы для электромонтажных соединений, а также разнообразные припои, полимерные материалы и герметизирующие покрытия. Анализ механических свойств материалов показывает, что возможно снижение массогабаритных характеристик МЭА за счет более детального учета жесткости соединения слоев многослойных конструкций, учета конструкционных характеристик механических свойств припоев и паяных ими соединений, тонкопроволочных и тонкопленочных материалов, свойства которых существенно отличаются от свойств монолитных образцов. Важное значение при оценке прочности элементов МЭА имеет также учет изменения электрофизических характеристик полупроводниковых структур под действием механических напряжений.
Соотношение размеров, форма и свойства материалов типовых элементов МЭА (корпус, подложка, электромонтаж, кристалл и т. д.) таковы, что при расчете напряжений в них могут быть использованы методы прикладной теории упругости, ползучести и пластичности, широко применяемые для этих целей в инженерной практике. Вместе с тем снижению массогабаритных характеристик элементов МЭА может способствовать более детальный учет многослойной структуры элементов МЭА, особенностей распределения напряжений в герметизирующих соединениях, в паяных и сварных соединениях и в металлокерамических узлах (МКУ), рассмотрению которых уделено основное внимание в работе.
Изложенный материал может служить основой для оценки прочности типовых элементов МЭА и выработки рекомендаций по снижению массогабаритных характеристик МЭА. В настоящее время находит практическое применение радиоаппаратура III, IV и V поколений, в которой применены интегральные схемы (ИС) различной степени интеграции [1].
Основой аппаратуры III поколения, в которой используются ИС1 и ИС2, являются функциональные узлы, смонтированные на односторонних, двусторонних или многослойных печатных платах (МПП). В аппаратуре IV поколения применяются гибридные ИС (ГИС), представляющие собой функционально законченный узел, смонтированный на диэлектрической подложке, на которой установлены навесные электрорадиоэлементы (ЭРЭ), пленочные проводники, резисторы, конденсаторы, колебательные цепи, фильтры и т. п. В ее состав входят также ИСЗ и ИС4 Дальнейшее совершенствование радиоэлектронных средств связано с разработкой и применением крупноформатных гибридно-интегральных узлов, выполненных на эмалированных металлических или керамических платах, размеры которых соответствуют размерному ряду печатных плат. На одной или обеих поверхностях плат методом толстопленочной технологии выполняют проводники, резисторы, некоторые конденсаторы. На платы устанавливают бескорпусные ЭРЭ, включая ИС, а затем проводят локальную или общую (в единый корпус) герметизацию. В законченном виде такая конструкция становится гибридно-интегральным модулем (ГИМ). Наряду с ГИМ разрабатывают микропроцессорные комплекты на основе ИС5, оптоэлектронные устройства, содержащие волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Аппаратуру, в которой предлагается использовать ИС5, ГИМ, ВОЛС и оптоэлектронные устройства, принято считать аппаратурой V поколения. Радиоаппаратуру III, IV, V поколений называют МЭА.
Анализ МЭА различных поколений показывает, что основными конструктивными элементами аппаратуры являются: полупроводниковые кристаллы, в приповерхностном слое которых сформированы ЭРЭ ИС; подложки и платы, на которые монтируются ЭРЭ МЭА; электрические соединения (электромонтаж), объединяющие ЭРЭ и элементы различного структурного уровня МЭА [2]; корпусные элементы ЭРЭ, блоков и собственно МЭА; сварные и паяные соединения элементов МЭА различного структурного уровня. Рассмотрим конструктивные особенности этих элементов. Полупроводниковые кристаллы изготавливают из кремния, германия и арсенида галлия. Как правило, они имеют прямоугольную или квадратную форму. Толщина кристаллов составляет 0,2 ... 0,3 мм; размеры в плане — 0,7X0,7 ... 10x10 мм. В приповерхностных слоях кристаллов формируют полупроводниковые и резисторные структуры, имеющие многослойную конструкцию.
Кристалл представляет собой многослойную систему, состоящую из подложки и различного рода слоев, отличающихся друг от друга по своим физико-механическим характеристикам: полупроводниковые слои, подвергнутые диффузионному или ионному легированию; полупроводниковые эпитаксиальные слои; проводящие и диэлектрические пленки; защитные и пассивирующие слои.
Вертикальная структура планарно-эпитаксиального биполярного транзистора с двумя выводами базы и кольцевым выводом коллектора показана на рис. 1.1. Такие транзисторы являются основными схемными элементами ИС.
На рис. 1.2 даны топологические размеры областей интегрального биполярного транзистора, типичные для средней степени интеграции. Таким образом, основные изменения механических свойств подложки полупроводникового материала, как правило монокристаллического кремния или германия или соединений вида AnBv, подвергаемого различного рода технологическим операциям, затрагивают относительно тонкий (0,1... 10 мкм) приповерхностный слой.