Крепление подложек и кристаллов

Метод крепления подложек и кристаллов на основании корпуса, кри­сталлов и других компонентов на подложках зависит от выбора материала присоединительного слоя — клея, стекла, припоя и т. д.

В свою очередь, материал присоединительного слоя должен обеспе­чивать эффективный отвод теплоты в подложку или корпус в зависимости от выделяемой мощности, согласование температурных коэффициентов расширения (ТКР) соединяемых элементов в широком диапазоне рабочих температур (обычно -60...+125 °С), стойкость к динамическим воздействи-

ям (с ускорением до 150g) в условиях воздействия вибраций и ударов. В от­дельных случаях присоединительный слой должен быть электропроводным. Отвод теплоты от кристалла (компонента) в полых корпусах осущест­вляется главным образом через присоединительный слой за счет механизма теплопроводности. Эффективность отвода теплоты зависит прежде всего от удельной теплопроводности материала присоединительного слоя, а также его геометрии — толщины и площади. Если считать кристалл и основание под ним изотермическими, а площадь слоя равной площади кристалла, то теп­ловой поток через слой однороден и тепловое сопротивление слоя, К/Вт,

где Я, — коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(см-К) (табл. 7.12); h — толщина слоя, см; s — площадь слоя, см².

Достаточно малые тепловые сопротивления (десятые доли К/Вт) име­ют присоединительные слои на основе металлических припоев. Тепловое сопротивление спая на основе стекла составляет 60...200 К/Вт. Наибольшим сопротивлением обладают клеевые соединения (вследствие малого коэффи­циента теплопроводности). Так как перегрев кристалла, т. е. перепад темпе­ратур в системе «кристалл—основание», зависит от мощности, выделяемой кристаллом (Д/°~Л/⁾), то присоединительные слои с большим тепловым со­противлением можно применять для компонентов, выделяющих малую мощность.

Различие температурных коэффициентов расширения кристалла (под­ложки) и основания в условиях нагрева или охлаждения вызывает в них внутренние напряжения (растягивающие или сжимающие в зависимости от соотношения ТКР). Эти напряжения имеют максимальные значения на кон­тактных поверхностях присоединительного слоя. При хорошей адгезии на­пряжения могут превышать предел прочности материала слоя на растяже­ние или сжатие, так как его прочность обычно ниже прочности соединяемых деталей. Например, слой стекла, имеющий высокую адгезию со многими материалами (до 100 МПа), плохо выдерживает напряжения растяжения.

Температурные деформации на границах слоя уменьшаются, если ТКР слоя имеет промежуточное значение между ТКР материалов соединяемых деталей (табл. 7.12). В этом случае слой выполняет роль своеобразного бу­фера. Наилучшие условия согласования ТКР создаются при плавном изме­нении состава (а следовательно, и ТКР) присоединительного слоя. Такие условия, в частности, возникают при пайке контактным плавлением.

При вибрациях, ударах и статических перегрузках на элементы конст­рукции МС действуют распределенные нагрузки, причем пиковые значения результирующих сил определяются массой элемента и ускорением (F = та). Эти силы в зависимости от направления стремятся сдвинуть или оторвать

Таблица 7.12. Значения коэффициентов теплопроводности и температурного расширения некоторых материалов

элемент. Благодаря малой массе, элементы МС (включая подложку) хорошо противостоят действию статических перегрузок и одиночных ударов. На­пример, при действии ускорения 150g в плоскости керамической подложки размером 30x24 мм сдвиговое усилие составляет около 40 Н, а соответст­вующее напряжение в присоединительном слое 60 кПа, что примерно в 100 раз меньше предела прочности на сдвиг (адгезии) для соединений на основе современных клеев (единицы МПа).

Более существенное влияние на прочность соединения оказывают длительные вибрационные воздействия (частотой 5...5000 Гц при ускоре­ниях до 40g), которые могут привести к усталостным разрушениям в слое. Развитию усталостных разрушений способствуют и температурные дефор­мации, возникающие при изменении температуры во время эксплуатации, а также остаточные температурные деформации в результате нагрева в про­цессе выполнения операции соединения. Наименее стойкими к вибрацион­ным воздействиям являются соединения стеклом, обладающие хрупкостью и пониженной прочностью на растяжение.

Процесс крепления подложек и кристаллов к основанию можно ус­ловно разделить на три этапа:

1) подготовка поверхности основания и нанесение присоединительно­
го материала (клея, стекла, припоя);

2) ориентированная установка кристалла (подложки) на основание;

3) собственно присоединение (в общем случае выполняется под дав­
лением и с нагревом).

Сеткографический способ является наиболее точным и производи­тельным способом нанесения присоединительного материала, обладающего свойствами пасты (клей, суспензия стекла, лудящая паста). Этот способ по­зволяет обеспечить точную дозировку присоединительного материала, а следовательно, „ высокую воспроизводимость геометрических размеров со­единения. Конструкция корпуса МС должна при этом обеспечивать воз­можность плотного прилегания сетки к основанию.

Ориентация кристалла непосредственно на основании нежелательна, предварительно кристаллы должны быть ориентированы и уложены в кассе­ты, откуда вакуумным пинцетом их переносят к месту соединения.

Собственно присоединение можно выполнять индивидуально для ка­ждого кристалла на специальных технологических установках (обычно при соединении пайкой) или групповым способом в кассетах под необходимым давлением с общим нагревом в печах или термостатах (соединения стеклом или склеиванием).

Клеевые соединения используют для МС и компонентов пониженной мощности. Технология клеевых соединений проста и применяется для ши­рокого круга материалов (с использованием клеев на эпоксидной основе) и диапазона рабочих температур (-60...+150 °С, кратковременно до 450 °С). Клеевые соединения стойки к вибрациям.

Основным недостатком эпоксидных смол является высокий ТКР и пониженная теплопроводность, поэтому клеи на основе этих смол все­гда содержат наполнители (минеральные или металлические), снижаю­щие значение а и увеличивающие X. Клеевые соединения характеризу­ются наличием внутренних напряжений, возникающих вследствие пер­вичной усадки при полимеризации (уплотнение структуры), усадки при охлаждении (при горячем отвердении), разницы ТКР соединяемых де­талей и клея.

При склеивании большинство клеев допускают варьирование темпе­ратуры и времени в широких пределах, причем при повышении температу­ры время отвердения клея резко сокращается. Режим холодного отвердения осуществляется при комнатной температуре, но требует длительной вы­держки (до 48 ч). Поэтому склеивание, как правило, выполняют с подогре­вом до 60...200 °С в зависимости от марки клея.

Монтаж кристаллов и подложек, предназначенных для работы в гер­метизированных корпусах, допускается только клеями, не содержащими активных компонентов, которые при температуре эксплуатации выделяются из клеевой дрослойки и заполняют объем корпуса. В связи с этим широкое применение находят клеи марок ВК-2, ВК-4, ВК-8 и ВК-9. Основные данные по клеям повышенной теплопроводности (в том числе и электропроводя­щим) для крепления кристаллов приведены в табл. 7.13.

Качество поверхности соединяемых элементов оказывает большое влияние на прочность клеевого слоя. Поэтому с поверхностей перед склеи­ванием тщательно удаляют загрязнения и жировые пленки, причем следы используемых органических растворителей должны быть полностью удале­ны сушкой.

При отвердении клея остаточный растворитель создает пористость и внутренние напряжения, снижающие прочность слоя. Для удаления раство­рителей, входящих в состав клея, проводят сушку на воздухе в течение 1... 1,5 ч, после чего проводят термообработку в соответствии с выбранным режимом отвердения.

Прочность клеевого слоя в объеме зависит от совершенства структуры полимера. Количество дефектов увеличивается с толщиной слоя и проч­ность соединения падает. Рекомендуется слой ограничивать толщиной 0,05... 0,1мм.