Методические указания по выполнению второго задания

Для выполнения задания следует проработать материал /2,с.115-121;121-124/.

На практике очень часто приходится сталкиваться с использованием спаев металл-стекло. Например, для защиты микросхем от воздействия окружающей среды их устанавливают с использованием спая металла со стеклом, который затем герметизируется. При этом электрические вводы осуществляются с использованием спая металла со стеклом, который также должен быть герметичным. При охлаждении полученного спая ниже температуры стеклования в нем развиваются термические напряжения, возникающие из-за разности коэффициентов термического расширения стекла и металла. Следует обратить особое внимание на то, что напряжения растут именно от температуры перехода стекла в стеклообразное твердое состояние (температура стеклования) и присутствуют во всем температурном диапазоне ниже этой температуры.

Термические напряжения могут вывести прибор из строя в результате растрескивания стекла в месте спая или разрыва проводника. Напряжение на границе раздела металл-стекло определяется из выражения

, (21)

где α_ст и а_м – коэффициенты линейного термического расширения стекла и металла соответственно; Е_ст и μ_ст – модуль Юнга и коэффициент Пауссона стекла соответственно; Т – T_g – разность между температурой эксплуатации и начальной температурой, в качестве начальной температуры принимается T_g – температура стеклования.

Если эти напряжения превысят предел прочности стекла на разрыв, то произойдет его растрескивание. Одновременно возникают напряжения в сечении проводника:

, (22)

где 1 – длина проводника в месте спая; r – его радиус.

Если напряжения растяжения в сечении проводника превысят его предел прочности на разрыв, то также произойдет выход прибора из строя.

Из выражений (21) и (22) видно, что механические напряжения тем выше, чем выше разность коэффициентов термического расширения стекла и металла. Принято считать, что стекло и металл совместимы при пайке, если разность их КТЛР не превышает порядка 1·10^-6 К^-1.

Стекла и ситаллы, используемые в микроэлектронике, маркируются с указанием КТЛР (две цифры после букв). Например, стекло С59 имеет КТЛР 5,9·10^-6 К^-1.

Стекло представляет собой твердое аморфное вещество, образующееся при сплавлении стеклообразующих оксидов и безоксидных соединений. Стеклообразующими являются оксиды SiO₂, В₂О₃, Р₂О₅, GeO₂ и некоторые безкислородные соединения селена, теллура, мышьяка. По виду стеклообразующих оксилов стекла называют соответственно силикатными, боратными, фосфатными, германатными. Основную часть стекол, применяемых в радиоэлектронных средствах, составляют силикатные стекла.

Кварцевое стекло, или плавленый кварц состоит из практически чистого SiO₂ в аморфном состоянии. Его получают из горного хрусталя или из мелкого кварцевого песка при температуре выше 1700°С. Кварцевое стекло обладает рядом уникальных свойств:

температурный коэффициент линейного расширения
α₁ °С^-1 (ТКЛР) имеет наименьшее значение из всех материалов и составляет 5·10^-7, а при температуре ниже -73 °С имеет отрицательное значение ТКЛР;

модуль упругости растет с повышением температуры;

удельное сопротивление составляет 10¹⁵-10¹⁶ Ом·м;

высокие диэлектрические свойства - тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 10⁶ Гц составляет (1-2) 10^-4, а диэлектрическая проницаемость ε = 3,8;

высокая нагревостойкость (длительная до 1200°С и в течение нескольких часов – 1400°С).

Благодаря выше перечисленным свойствам кварцевое стекло является материалом для изготовления линз, баллонов ламп ультрафиолетового излучения; применяется в полупроводниковой технологии в виде труб, тиглей, термостойкой и химической посуды. Высокие диэлектрические свойства наряду с высокой механической добротностью и малым КТЛР являются определяющими параметрами кварцевого стекла при изготовлении на его основе диэлектрических резонаторов. Тонкие аморфные пленки SiO₂, полученные осаждением из газовой фазы, широко применяются в технологии интегральных схем и полупроводниковых приборов.

Электровакуумные стекла используются при изготовлении баллонов электронных ламп и изоляционных бус для электровакуумных, полупроводниковых приборов и гибридных интегральных схем. Определяющим параметром этих стекол наряду с высокими электрическими свойствами, является значение ТКЛР. Электровакуумные стекла по признаку спаиваемости с определенным металлом или сплавом подразделяются на: вольфрамовые, молибденовые и платиновые, хотя в своем составе не содержат указанных металлов. Так стекла молибденовой группы имеют ТКЛР, равный молибдену и при спаивании с ним образуют прочные вакуумно-плотные спаи. К стеклам вольфрамой группы относятся стекла марок С37-1...С41-1, молибденовой группы С47-1...С52-1 и.платиновой группы – С48-1...С95-3. Цифра после дефиса указывает порядковый номер разработки. Так стекло марки С52-1 имеет ТКЛР равный 52·10^-7 С^-1.

Молибденовые электровакуумные стекла С48-1, С49-1, С49-2, С52-1 широко применяются для спаивания с коваром при изготовлении вакуумноплотных выводов гибридных интегральных схем.

Конденсаторные стекла применяются в качестве диэлектриков тонкопленочных конденсаторов. Такие стекла помимо высокой диэлектрической проницаемости и малого значения tgδ должны иметь высокие удельное сопротивление и электрическую прочность, отсутствие пор. Для пленочных конденсаторов применяют в основном двухкомпонетные боро-силикатные с удельной емкостью (С_уд = 150 пФ/мм²) алюмо-силикатные (С_уд = 300 пФ/мм²) и иттрий-боросиликатные (С_уд = 500 пФ/мм²) стекла.

Стекла для герметизации полупроводниковых приборов и ИС. Эти стекла используются в виде тонких пленок, наносимых на поверхность кремниевых кристаллов для защиты от внешних воздействий. Пленки должны хорошо покрывать ступеньки топологического рельефа и поэтому иметь ТКЛР, близкий к ТКЛР кремния; должны быть сплошными, без разрывов и пор.

Проводящие стекла представляют собой стеклообразные вещества, которые вследствие нестехиометрического состава обладают повышенной электропроводностью, при этом носителями в них служат электроны. К таким стеклам (халькогенидные) относятся, например, соединения химического состава As₂, S₃, Sb₂S₃, GeSe и другие. Халькогенидные стекла имеют низкую температуру размягчения (230...430 °С) и удельное сопротивление ρ = 10⁵ -10^-3 Ом·м. Низкая температура обработки обусловила использование высокоомных стекол для герметизации интегральных схем, но основное применение они находят из-за их полупроводниковых свойств (как полупроводниковые материалы).

Ситаллы являются многофазными материалами, состоящими из зерен одной или нескольких кристаллических фаз, скрепленных между собой стекловидной прослойкой. В настоящее время синтезированы ситаллы на основе стекол различного химического состава: литий-, кальций-, магний-, стронций-, натрий-алюомосиликатных, калиево-титаносили-катных и др.

По структуре ситаллы занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой. От стекол они отличаются тем, что имеют в основном кристаллическое строение, и от керамики – значительно меньшим размером кристаллических зерен и отсутствием пористости. Ситаллы по сравнению со стеклами обладают более высокой механической прочностью, нагревостойкостью, теплопроводностью. Температурный коэффициент линейного расширения (ТКР) лежит в пределах (7-30)·10^-7 С^-1.

Термоситаллы марок СТ38-1, СТ50-1, СТ50-2 в виде полированных пластин толщиной 0,5-1 мм широко используются в качестве подложек тонкопленочных гибридных интегральных микросхем.

Выводы из корпусов через стекло чаще всего выполняют из платенита (сплава состава 54% Fe + 46% Ni), этот сплав характерен тем, что его КТЛР равен КТЛР платины (8,9 ∙10^-6 К^-1) – отсюда его название. Для спаивания с тугоплавкими стеклами применяют также сплав ковар (54% Fe + 29% Ni + 17% Co), KTЛР которого равен 5·10^-6 К^-1.

Все сплавы с низким КТЛР представляют собой сплавы никеля и железа, что связано с ферромагнитной природой этих металлов. Для ферромагнитных материалов КТЛР можно представить в виде

,

где α_анг – температурный коэффициент линейного расширения, определяемый ангарнонизмом межатомных взаимодействий; dλ/dT – слагаемое, учитывающее изменение магнитострикции с температурой.

Так как никель обладает большой отрицательной магнитострикцией, то его присутствие в сплаве приводит к понижению КТЛР сплава.