Содержание к диссертации
Введение
Надежность полупроводниковых приборов и интегральных схем в пластмассовых корпусах 11
Герметизация полупроводниковых приборов и интегральных схем полимерными материалами 11
Полимерные пресс-материалы на основе эпоксидных и эпоксиноволачных смол 13
Основные факторы, влияющие на надежную работу полимерных материалов в качестве герметизирующих для ИЭТ 16
Влияние граничного слоя полимер - полупроводник на защиту р-n переходов от влаги 17
Влияние вида и качества наполнителя на основные физико- химические свойства герметика 21
Дополнительные факторы, влияющие на надежность полимерных материалов 31
Надежность полупроводниковых приборов 35
Проектирование надежности изделий электронной техники 46
Предсказание надежности приборов 48
Выводы
Разработка схемы процесса автоматизированного проектирования надежности полимерных материалов для ИЭТ 52
Задание на проектирование полимерного герметика 56
Формирование норм надежности для герметизирующего материала 58
Отработка рецептуры пресс-материала 66
2.3.1 Составление и отработка рабочей модели пресс-материала 67
2.3.2 Расчет содержания отвердителя 69
2.3.3 Расчет содержания наполнителя 70
2.3.4 Наработка опытных образцов пресс-материала 72
2.4 Отработка режимов переработки пресс-материала в изделие (герметизация) 72
2.4.1 Метод расчета кинетики отверждения по Борхардту-Даниельсу 76
2.4.2 Структурная схема алгоритма реализации для расчета кривых конверсии по методу Борхардта-Даниельса 80
2.5 Первичные испытания образцов герметика на надежность 85
2.6 Сравнение результатов испытания с нормами надежности 86
2.7 Коррекция параметров рецептуры и режимов герметизации 88
2.8 Прогнозирование срока службы герметика 91
2.8.1 Ускоренное определение "срока службы" полимерных материалов 92
2.9 Выводы
3 Разработка методик поргнозирования надежности полимерных материалов для ИЭТ 102
3.1 Распределение отказов ИЭТ, обусловленные старением элементов изделий (полимерная герметизация) 103
3.2 Определение связи надежности ИЭТ со сроком службы полимерных материалов, применяемых в них 112
3.3 Определение критических уровней параметров при оценке надежности полимерных материалов для ИЭТ 119
3.4 Выводы 124
4 Контрольный эксперимент 125
4.1 Результаты испытания по оценке качества проектирования 126
4.2 Результаты ускоренных испытаний пресс-материала 131
4.3 Определение норм надежности 139
4.3.1 Методика определения содержания ионных примесей в
герметиках 139
4.3.1.1 Метод определения электронной проводимости водных экстрактов материалов 140
4.3.1.2 Метод определения содержания ионов натрия и калия 142
4.3.1.3 Метод определения содержания хлорид иона 143
4.3.2 Влагозащитные свойства герметизирующих материалов 144
4.3.3 Определение температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) полимерных герметиков (дилатометрия) 149
4.3.4 Определение адгезии герметизирующего полимерного материала к конструкционным элементам прибора 150
4.4 Выводы 154
Заключение 155
Литература
- Основные факторы, влияющие на надежную работу полимерных материалов в качестве герметизирующих для ИЭТ
- Составление и отработка рабочей модели пресс-материала
- Определение связи надежности ИЭТ со сроком службы полимерных материалов, применяемых в них
- Определение норм надежности
Введение к работе
Данная работа посвящена разработке системы автоматизированного проектирования надежных полимерных материалов для герметизации полупроводниковых приборов и интегральных схем и методов прогнозирования надежной работы полимеров в приборах.
Герметизация полупроводниковых приборов и интегральных сем полимерными материалами сейчас является основным видом герметизации. Это связано с тем, что по сравнению с металлостеклянной и керамической полимерная герметизация легко поддается автоматизации и механизации процесса, так как полимеры обладают высокой технологичностью. Кроме того, они относительно дешевы. Эти свойства полимеров, если учесть то, что речь идет о миллиардах приборов, выпускаемых в год, делает полимеры важнейшими материалами после полупроводников. Однако переход к полимерной герметизации был достаточно сложным. Это связано с проблемой надежности приборов в полимерных корпусах. Дело в том, что полимеры обладают рядом крупных недостатков, влияющих на их надежность. Они влагопроницаемы, содержат вредные ионные примеси, обладают относительно невысокой теплостойкостью, подвержены старению. Устранение этих недостатков или сведение их к минимуму было и остается трудной задачей. Она требует создания принципиально новых, или коренной модификации старых материалов и технологических процессов. Дело в большей степени осложняется из-за непрерывно возрастающих принципиально новых требований к надежности приборов в полимерном герметике. Поэтому существует непрерывная потребность в создании новых более надежных полимерных материалов. Изменение конструкции приборов, появление больших интегральных схем (БИС) и сверх больших интегральных схем (СБИС), непрерывное увеличение степени интеграции, переход на алюминиевую коммутацию и т.д. Все это является причиной возникновения новых требований к полимерной защите.
Проблема обеспечения надежности полимерных материалов для изделий электронной техники (ИЭТ) имеет много аспектов, начиная от составления технического задания на разработку и самой разработки (проектирование) материала, и кончая его испытаниями на надежность в приборах в полевых условиях.
Наиболее важным является решение следующих задач.
Первая - разработка или проектирование материала. Это сложная задача в научном и техническом плане, так как в состав материала входит много компонентов (до 10), взаимно влияющих друг на друга. В задачу технолога -разработчика входит много факторов, требующих решения. Выбор или разработка лучших материалов для компонентов, входящих в рецептуру материала, выбор их оптимальных концентраций, отработка технологических режимов их производства и переработки, испытания, гарантирующие максимально объективную оценку их надежности. До сих пор эта проблема решалась путем постепенного перебора возможных вариантов (однофакторный эксперимент), что приводит к сильному увеличению времени и стоимости разработки, принципиальным трудностям при выборе оптимальных решений. Поэтому совершенно очевидной является задача внедрения в разработку материалов методов автоматизированного проектирования с применением средств вычислительной техники.
Вторая задача - разработка методов ускоренного прогнозирования надежности полимерных материалов, без которых разработка (проектирование) материалов ведется в слепую. Здесь также много нерешенных проблем. Прежде всего, это методическая несогласованность испытаний материала в образцах с требованиями к надежности полупроводниковых приборов в полимерных корпусах (интенсивность отказов, наработка на отказ, распределение отказов и т.д.). Поэтому разработка методов ускоренных испытаний, позволяющих по измерениям в образцах прогнозировать надежность приборов в полимерных корпусах, является актуальной и совершенно необходимой в общей проблеме надежности приборов.
Целью работы является создание системы автоматизированного проектирования надежности полимерных материалов для герметизации полупроводниковых приборов и интегральных схем, включающая в себя разработку общей схемы автоматизированного проектирования, выбор и оптимизацию параметров надежности, получение математической модели разрабатываемого материала, решение оптимизационных задач при отработке рецептуры и технологических режимов переработки материала, отработка системы контроля и алгоритмов коррекции.
Исследование методов ускоренных испытаний, позволяющих прогнозировать их надежное поведение в приборах, разработка методов, позволяющих установить методическое соответствие свойств материала с показателями надежности приборов, а также метода, дающего возможность установить реальные требования к срокам службы разрабатываемых полимерных материалов.
Методы исследований. Использованы методы автоматизированного проектирования систем управления технологическими процессами, теория надежности систем, химико-технологические методы разработки и производства полимерных материалов для изделий электронной техники, теория надежности полупроводниковых приборов, методы математической статистики и теории вероятности, экспериментальные методы физических исследований полимерных материалов.
Научная новизна работы. В результате проведенных исследований было получено: - предложен способ проектирования полимерных материалов заданной надежности для изделий электронной техники. Для реализации предложенного способа разработана структурная схема автоматизированного проектирования надежности герметизирующих полимерных материалов для полупроводниковых приборов и интегральных схем; - выделены и оптимизированы наиболее значимые параметры надежности изделий полимерных материалов для изделий электронной техники (ИЭТ) и разработана методика их оптимизации на основе временной экстраполяции; -разработана методика расчета рецептуры полимерного герметика для материалов электронной техники (МЭТ); - разработана программа расчета кривых конверсии по методу Борхардта-Даниельса; -предложена методика получения эффективного прогнозирования отказов приборов в полимерных корпусах, в основу которых положено старение полимерного герметика; -получена зависимость между сроками службы полимерных материалов и параметрами надежности полупроводниковых приборов (интенсивность отказов и т. д.). Предложен метод определения реального срока службы полимера в приборах; - разработан метод получения критических уровней критериальных параметров полимерных материалов при определении сроков службы.
Положения, выносимые на защиту: -разработана система автоматизированного проектирования надежных полимерных материалов для герметизации полупроводниковых приборов и интегральных схем с применением средств вычислительной техники; -расчет оптимальной рецептуры методом линейной свертки и определение технологических режимов переработки полимерных герметиков методом
Борхардта-Даниельса; -выбор и оптимизация показателей надежности при разработке полимерных герметиков по прототипам путем временной экстраполяции исключает субъективный подход при выборе норм надежности; -разработка математического обеспечения с применением средств вычислительной техники при прогнозировании надежности полупроводниковых приборов в полимерных корпусах: распределение отказов изделий, связь интенсивности отказов приборов со сроком службы полимерного материала, определение критических уровней критериальных параметров.
Практическая значимость работы. предложенная система автоматизированного проектирования надежности полимерных материалов для изделий электронной техники позволяет сократить время на 30-40% и значительно повысить качество проектирования; предложенные методики прогнозирования дают возможность достаточно объективного прогноза надежности полупроводниковых приборов в полимерных корпусах уже на этапе разработки (проектирования) полимерного материала, который в них будет применен, что также ускоряет и повышает качество разработки; полученные методики позволяют вводить оптимальные требования надежности полимерного материала при разработке технического задания на его проектирование, что может дать значительный научный и экономический эффект.
Реализация результатов работы. Результаты системы автоматизированного проектирования внедрены при разработке надежных полимерных материалов для герметизации полупроводниковых приборов и интегральных схем на НПО «Полимер». Экономический эффект от внедрения системы составил 150000 руб. в год. Результаты выполненной работы также внедрены в учебный процесс в рамках курсов «Материалы и элементы электронной техники» и «САПР».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:
1. Научно - технические конференции СКГТУ, Владикавказ, 1998 - 2003. 2. Вторая международная конференция молодых ученых и студентов "Актуальные проблемы современной науки", Самара, 2001.
3. Научно - технический совет НИИЭМ «Полимерные материалы для ИЭТ», Владикавказ, 1998 -2000.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 9-ти публикациях.
Основные факторы, влияющие на надежную работу полимерных материалов в качестве герметизирующих для ИЭТ
Надежность параметров полупроводниковых приборов определяется стабильностью р-п переходов.
При защите р-п переходов приборов, герметизируемых с помощью металлостеклянных и металлокерамических корпусов, задача защиты сводится, прежде всего, к изоляции р-п переходов от окружающей среды до момента помещения их в герметичные корпуса. Собранные в контролируемой среде р-п переходы в герметичных корпусах находятся в контакте со средой, имеющей постоянный состав. Поэтому стабильность параметров таких приборов можно регулировать подбором определенной среды внутри корпуса.
Защита р-п переходов полимерными материалами имеет свои особенности. Все полимерные материалы влагопроницаемы. Поэтому для полупроводниковых приборов в пластмассовых корпусах понятие «герметизация» является не совсем точным. При непосредственном контакте полимерного материала с поверхностью полупроводника в области р-п переходов через некоторое время, определяемое диффузными характеристиками полимерного материала, могут создаваться сверхдопустимые концентрации влаги, при которых параметры прибора выходят за пределы норм технических условий, при которых наступают катастрофические отказы.
Однако, практика показывает, что в ряде случаев время устойчивой работы приборов и схем в пластмассовых корпусах во много раз превосходит время, рассчитанное по диффузионным константам.
Термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР) полимерных материалов на порядок превышает ТКЛР кремния. Если рассматривать полупроводниковый кристалл и полимерный корпус как пару упругих материалов, то при отверждении (герметизации) или при повышенных температурах на границе полимер - кристалл могут развиваться большие внутренние механические напряжения, которые могут привести к разрушению корпуса или кристалла.
При переходе к герметизации полимерными материалами интегральных схем со все возрастающей плотностью активных элементов на поверхности кристалла очень важным параметром является чистота полимерного материала, прежде всего содержание ионных примесей типа Na+, К+, С1 . Требования к чистоте увеличились после введения алюминиевой коммутации.
Параметры полупроводниковых р-n переходов существенно зависят от концентрации влаги, адсорбированной на их поверхности.
В частности, адсорбция влаги в количестве, достаточном для образования подвижной полимолекулярной фазы, приводит к резкому увеличению обратного тока р-n перехода. В связи с этим большое значение имеет определение концентрации влаги, адсорбированной на защищенной поверхности полупроводника в условиях повышенной влажности.
Концентрацию влаги, адсорбированной на поверхности полупроводника, можно определить по методике, сущность которой заключается в определении эффективного времени жизни неосновных носителей заряда полупроводникового датчика, вызванного адсорбцией на его поверхности молекул воды, проникающей через защитное покрытие.
Из таблицы 1.1 видно, что значение равновесной концентрации влаги зависит от материала защитного покрытия датчика. Наблюдающееся различие может быть объяснено влиянием граничного слоя полимерных покрытий, свойства которого изменяются в зависимости от характера и степени взаимодействия полимера с поверхностью полупроводника. Для выяснения влияния граничного слоя полимерного покрытия, сформированного на поверхности полупроводника, на влагозащитные свойства в работе [ 17] определялись влажностные свойства, характеристики полимерных материалов: коэффициенты влагопроницаемости и растворимости.
Составление и отработка рабочей модели пресс-материала
Прежде чем перейти к проектированию материала необходимо разработать его рабочую модель, то есть дать достаточно полное описание предмета проектирования.
Для полимерных герметиков в.рабочую модель входят: - выбор прототипа; - рекомендации по рецептурному составу; - необходимые математические связи.
В качестве прототипа выбран пресс-материал ЭФП-63, разработанный в НИИЭМ и выпускаемый заводом «Крон» (г. Владикавказ). Материал в течение долгого времени широко и успешно применялся для герметизации полупроводниковых диодов и триодов. Однако, после появления больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС) потребность в их герметизации пресс-материал обеспечить уже не мог. Оставаясь вполне пригодным с точки зрения эксплуатационных свойств, он не мог обеспечить повышенных требований к надежности интегральных схем. Тем не менее опыт эксплуатации пресс-материала ЭФП-63 (прототипа) позволяет сделать важную рекомендацию. Проектируемый герметик должен разрабатываться на основе эпоксидных или эпоксиноволачных смол.
Первым компонентом является основа разрабатываемого материала -экстраполяция или эпоксиноволачная смола.
Вторым важным компонентом состава пресс-материала является отвердитель. Для него рекомендации по прототипу не могут быть однозначными. Вполне возможно потребуется выбор нового класса отвердителей и их концентраций.
В качестве наполнителя, как и в случае пресс-материала ЭФП-63, может быть использован кварцевый песок, хорошо зарекомендовавший себя в процессе эксплуатации ЭФП-63.
Однако, остается открытым вопрос о его концентрации. До сих пор она определяется путем ненадежного метода перебора. Поэтому требуется создание и применение объективных методов определения концентраций.
Остальные компоненты состава проектируемого элемента соответствуют прототипу. Таким образом, рецептурный состав проектируемого материала выглядит следующим образом: - основа (эпоксидная или эпоксиноволачная смола); - отвердитель; - наполнитель; - ускоритель; - пластификатор; - антипирен; - смазка. С точки зрения надежности эпоксидного герметика основную роль играют три первых компонента: - основа; - отвердитель; - наполнитель. В следующем параграфе приведены формулы, связывающие выбранные контрольные параметры (механическая прочность J, температурный коэффициент линейного расширения ос, влагосодержание В) с концентрацией вышеуказанных компонентов. Это позволяет поставить и решить задачу оптимизации состава пресс-материала.
Важнейшим для получения надежного материала является выбор оптимальных режимов переработки пресс-материала в готовый герметик, прежде всего температуры и времени отверждения. В настоящее время этот выбор осуществляется путем перебора. Это длительный и дорогостоящий процесс. По-видимому, и в этом случае целесообразно применять методы автоматизированного проектирования.
Расчет отвердителя зависит от выбора связующего. Расчет является достаточно сложным, так как предлагаемых формул для определения стехиометрического состава довольно много, имеющих, к сожалению, различную степень достоверности.
Определение связи надежности ИЭТ со сроком службы полимерных материалов, применяемых в них
Требования к сроку службы полимерных материалов должны обуславливаться требованиями к надежной работе изделий, в которых они применяются. Тем не менее, конструктор изделия, в техническом задании на которое стоят вполне определенные требования к надежности, зачастую встречает большие трудности при определении требования к сроку службы необходимого полимерного материала. Это объясняется тем, что между испытанием материала в образцах на срок службы и определением надежности изделия существует большой методический разрыв. Надежность изделий определяется такими статистическими характеристиками как распределение отказов, интенсивность отказов, наработка на отказ и т.д. Срок службы материала по существующим методикам определяется временем, необходимым для того, чтобы значение выбранного параметра материала в процессе старения достигло уровня, при котором, как предполагается, произойдет разрушение 50% изделий (критический уровень). Прямой связи между надежностью и сроком службы нет, поэтому требования к сроку службы предъявляются достаточно произвольно, чаще всего, ориентируясь на предыдущие документы. В настоящее время, когда требования к надежности изделий быстро растут, разработчики для гарантированного ее обеспечения резко завышают требования к применяемым полимерным материалам, задавая сроки службы, в несколько раз превышающие время эксплуатации изделий, или требуя материал с рабочей температурой, на несколько десятков градусов превышающей рабочую температуру изделия. Все это связано с дополнительным отвлечением значительных средств и времени, так как часто требует разработки и организации серийного производства новых материалов. Поэтому обоснованное определение требований при выборе материала с точки зрения сроков службы может дать ощутимый технико-экономический эффект.
Можно количественно оценить соответствие требований к надежности изделий и срокам службы материалов. Пусть причиной отказов изделий является деградация полимерного материала во время старения. Отметим также и то, что, срок службы данного материала, как и другие параметры полимеров, не является строго определенным, а распределен по величине. где: A\t) - интенсивность отказов; R{t) - функция надежности для данного типа распределения отказов; f\t) - плотность вероятности отказов.
Задавая интенсивность отказов, можно определить время, через которое она реализуется. Затем это время можно сравнить со средним сроком службы.
Для простоты возьмем нормальное распределение сроков службы материала, которое часто встречается на практике (рис. 3.6). есть от устойчивости технологии производства материала. Материалы с сг=0,2 вообще не могут быть применены в электронике, каким бы высоким ни было значение ср . В этом случае интенсивность отказов изделий будет уже в начальный период выше допустимой даже для бытовой электроники. Это значит, что отработка технологии производства материалов является решающим фактором в обеспечении надежности изделия. Действительно, для максимально допустимой интенсивности отказов (/1 = 1-10 ч ) при а = 0,\5тср имеем: тср = 5,7тфакт, при сг = 0,\тср тср = 2,2тфакт . Если -г" учесть что и ср прежде всего определяется физико-химической природой материала, то значит, что при разработке нового материала в первом случае нужно получить материал в 2,5 раза более долговечный, чем во втором. Это связано со значительными трудностями. Поэтому целесообразно сосредоточить усилия на создании стабильной технологии.
Кроме того, из таблицы 3.1 видно, что для материалов с хорошо отработанной технологией даже резкое увеличение требований к надежности не приводит к большому увеличению . Это говорит о том, что требования факт разработки новых материалов с ср , превышающим фактический срок эксплуатации изделий в несколько раз, часто технически, а следовательно, и экономически нецелесообразны. По-видимому, и в этом случае полезнее иметь материал с Тср - 2,5 — Зтфакт и хорошо отработанной технологией, который обеспечит все необходимые уровни надежности.
Таким образом, для получения материала с нужными характеристиками создание стабильной технологии его производства является, возможно, более эффективным путем, чем разработка нового материала. Требования к величине О", вероятно, должны входить в техническое задание на разработку нового материала.
Определение норм надежности
Как было рассмотрено в 1 главе, содержание ионных примесей типа Na+, К , СГ может оказать решающее значение на надежную работу герметика в приборах. Поэтому совершенно необходимы методы их контроля.
К проблеме определения содержания ионных примесей в герметизирующих полимерных материалах, а, следовательно, и к оценке их качества по этому параметру подходят двумя существенно различными методическими путями. Первый - это количественное определение содержания каждого вида ионов методами эмиссионного спектрального и атомно-абсорбционного анализов, пламенной фотометрии и химико-аналитическими методами. Это абсолютные методы, дающие наиболее полную информацию о примесях в материалах. Однако, их применение ограничивается необходимостью использовать сложную аппаратуру, требующую квалифицированного обслуживания. Поэтому все более широкое распространение получает определение содержания ионных примесей по измерению электропроводности и рН водных экстрактов испытываемых материалов.
Метод получил признание по следующим причинам. Во-первых, он достаточно доступен, и, во-вторых, что самое главное, он определяет не только содержание примесей, но и оценивает способность материала к отдаче примесей, их вымыванию, что имеет первостепенное значение при эксплуатации материала в изделии. Этот метод регламентирован большим количеством документов. Оставаясь в принципе одинаковыми, они отличаются друг от друга условиями вытяжки [5,7,14-18].
В электронной промышленности действует ОСТ II 094. 033-73 «Материалы органические полимерные. Методы определения чистоты по ионным примесям».
Однако, условия экстракции там таковы, что не дают возможности четко охарактеризовать современные полимерные материалы, обладающие высокой степенью чистоты. По этому ОСТу 0,5 г измельченной пробы взбалтывают в 50 мл деионизованной воды при температуре 25±10С в течение пяти часов. Это чрезвычайно мягкие условия экстракции. Поэтому метод мало чувствителен. Сейчас во всем мире существует тенденция переходить на вытяжку ионных примесей материалов в автоклавах при температурах, превышающих 100 С, в течение длительного времени.
В рамках этой работы освоены с доработками 4 метода определения содержания ионных примесей в герметизирующих материалах, дополняющие друг друга.
Метод заключается в экстрагировании ионных примесей и измерении электрической проводимости методом контактной кондуктометрии.
Для экстрагирования подготавливается деионизованная (по ОСТ II 029.003.80) или бидистиллированная (ГОСТ 6709-71) вода. Проводимость воды должна быть не хуже2-10 6(О/и 1м) . Само экстрагирование производится в специально сконструированных автоклавах, изготовленных из титана. Перед определением рассчитывают электрическую константу ячейки (автоклава) по формуле: где: G Q- удельная электрическая проводимость раствора хлористого калия при температуре 25С, Ом см"1; R -электрическое сопротивление ячейки, заполненной этим раствором; К - константа ячейки.
Измеряют фоновое сопротивление Кфводы в автоклаве. Для этого в автоклав заливают 100 мл деонизованной воды, 5 мл этилового спирта, выдерживают при температуре 120С в течение 48 часов и измеряют сопротивление.
Перед экстрагированием материалы, находящиеся в неотвержденном состоянии, отверждают и затем измельчают до размера частиц 50 мкм. Затем Юг подготовленного материала помещают в автоклав, заливают 100 мл деонизованной воды и 5 мл этилового спирта (для смачивания). Автоклав герметизируют и помещают в термостат с температурой 120С и выдерживают в течение 48 часов.
После охлаждения измеряют сопротивление. Удельная электрическая проводимость экстракта в См см"1 вычисляют по формуле: а =К (Х И KR КФ) (4.2) где: R -электрическое сопротивление, экстракта из материала; Кф- фоновое сопротивление, Ом.
Качество материала характеризуют или просто проводимостью экстракта из него, или так называемым эффективным (суммарным) содержанием ионных примесей. В последнем случае строится по эталонным растворам Na СІ с известной проводимостью градуировочная кривая в координатах «эффективное содержание ионных примесей - электрическая проводимость».
Похожие диссертации на Автоматизация проектирования герметиков заданной надежности для изделий электронной техники
