Материалы деталей для корпусов полевых транзисторов

 

Всю совокупность материалов, применяемых для изготовления корпусов, можно разделить на две группы – металлические и неметаллические (органические и неорганические). К первым относятся ленты, полосы, прутки и проволока из цветных и железоникелевых сплавов, псевдосплавы, металлизационные пасты, металлические покрытие, твердые и мягкие припои. Неметаллы в конструкциях корпусов включая различные типы стекла, керамики и стеклокерамики, а также большой класс полимеров- герметиков и клеев.

В электроннной промышлености для корпусов полупроводниковых приборов используются следующие металлы и их сплавы: медь, никель, сталь, железоникелевый сплав, ковар (29% Ni, 17%Co, 53% Fe), платинит вольфрам, молибден, многослойные металлические материалы.

Медь отлично смачивается и паяется мягкими и твердыми припоями. Холодной сваркой меди с медью, коваром и сталью получают надежные и герметичные сварные швы. Контактная электрическая сварка меди довольно сложна, так как медь обладает малым электрическими сопротивлением и большой теплопроводностью. По химическим свойствам медь является малоактивным металлом. Окисляясь на воздух, она приобретает зеленоватый цвет (закись меди). К воздействию щелочей медь устойчива. Кроме того, она хорошо растворяется в азотной кислоте, а в серной и соляной вступает в реакции при нагреве.

Никель используется как правило, для штамповки крышек. Для никеля характерны высокая прочность и пластичность, но при воздействии высоких температур он мало формоустойчив.

Сталь обладает сравнительно высокой температурой плавления, высокой прочностью, способностью к глубокой вытяжке, хорошо обрабатывается резанием и сваривается, является дешевым. Но при этом сталь не обладает химической стойкостью и низка формоустойчивость при длительном воздействии высоких температур.

Все славы Fe-Ni допускают гальваническую обработку и пайку, достаточно пластичны и хорошо обрабатываются давлением и имеют приемлемую для большинства областей применения тепло- и электропроводность, малый коэффициэнт температурного расширения (КТР), близкий к КТР стекла и кремния. Они используются для изготовления деталей, работающих в спаях со стеклом или керамикой и выводных рамок.

Ковар обладает малой теплопроводностью и высоким удельным сопротивлением, что позволяет применять контактную электросварку для соединения деталей. Он хорошо паяется мягкими и твердыми припоями.

Платинит имеет сердечник из никелевой стали и медную оболочку и поэтому обладает разными КТР в осевом и радиальных направлениях.

Молибден и вольфрам имеют одинаковый с кремнием КТР, поэтому часто служит материалом термокомпрессирующих элементов в конструкции корпуса. Из аллюминия и фосфорной бронзы изготовляют крышки, а в некоторых случаях – и выводы корпусов.

Псевдосплавы представляют собой смеси твердого металла (молибдена, вольфрама) с мягкими (медью, серебром). Заданные свойства псевдосплавов получают, изменяя соотношение компонентов. Псевдосплавы W-Cu, Mo-Cu обеспечивают получение ненапряженных соединений с керамикой.

Для герметизации в последние годы стали ипользоваться триметаллические ленты. Основой лент является медь чистая или ее сплавы, планированные с двух сторон никелем или ее сплавы, планированные с двух сторон никелем или железоникелевыми сплавами. Такие рамки имеют лучшее тепло – и электропроводность.

В производсттве керамических корпусов пасты на основе тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, смеси молибдена с марганцем) используются для формирования токоведущих дорожек в объеме многослойной керамики и открытых метализированных площадок. Вольфрамовая паста позволяет получать более плотную металлизацию, а паста из смеси Mo-Mu обеспечивает более высокую адгезию металлизации к керамике благодаря образованию атомами марганца и аллюминия химического соединения типа шникеля. Удельное поверхностное сопротивление такой металлизации –0.010-0.015 и 0.35 Ом/кВ, соответственно, что в ряде случаев ограничивает быстродействие. Меньше сопротивление (0.004-0.090 Ом/кВ) имеют тонкопленочные проводники на основе паст из драгоценных металлов.

Для герметизации корпусов, вакуумного-плотного соединения деталей из разнообразных металлов, а также горячего лужения выводов используются припои. В зависимости от температуры плавления пртпои разделяются на легкие или низкотемпературные (температура плавления до 400 ), и твердые или высокотемпературные (температура плавления выше 400 ).

В корпусах полупроводниковых приборов используются в качестве электроизоляционного материала стекло и керамика. С коваром и платинитом стекло различных составов образует герметичные различные металлостеклянные спаи. Из стекла изготавливают корпуса маломощных полупроводниковых приборов. Стекло является плохим проводником теплоты и нестойко к воздействию кислот. Кроме того стекло хрупкий материал, а его электрические свойства заметно изменяются с температурой.

Поэтому для корпусов полевых транзисторов более подходящей является керамика. Керамика почти по всем показателям превосходит стекло (лишь диэлектрическая проницаемость стекла меньше, чем керамики). В производстве корпусов полупроводниковых приборов используются несколько видов керамик: корундовую, бериллевую,фторстеритовую и другие

Корундовая керамика (, , , в виде порошка Является основным компонентом паст, служащих для изготовления керамических лент и пленок. Из корундовой керамики изготавливают литьем крышки, технологическую оснаску и другое. Корундовая керамика отличается высокой механической прочностью, лыми электрическими потерями в широком диапазоне частот и температур, большим интервалом температуры спекания, устойчивостью структуры. Кроме того она не токсична.

Берилловая керамика (бромеллит) представляет свой спеченный оксид беррилия () и используется для изготовления изоляторов, подложек и других деталей полупроводниковых приборов. Бромеллит получил широкое применение благодаря высокой теплопроводности и хорошим электроизоляционным свойствам. Максимальное значение теплопроводности керамики имеют образцы, изготовленные методом горячего прессования у которых количество пор приближается к нулю. С с повышением температуры теплопроводность начинает уменьшаться. Уменьшение примеси в бромеллите повышает теплопроводность,и наоборот. Бромеллит имеет высокую термическую стойкость (температура плавления 2650 ). Высокая термостойкость бромеллита обеспечивает необходимую климатическую надежность полупроводниковых приборов во всем интервале рабочих температур, а согласование по КТР бериллевой керамики и полупроводникового материала (кремния) в диапазоне тех же температур исключает разрушение полупроводникового кристалла. По сравнению с другими видами керамики при высоких температурах характеризуется самым высоким объемным удельным электрическим сопротивлением, которое зависит от температуры и уменьшается по линейному закону при ее повы шении. Высокая стоимость и токсичность берилловой керамики препятствует более широкому ее применению. Механическая прочность бромеллита зависит от способа ее изготовления, температуры, размеров кристаллов, а мтакже процентного содержания оксида беррилия и плотности.

Используется также в качестве изоляционного материала корунд, рубин, сапфир, нитриды бора и аллюминния, карбид еремния и материалы на его основе. Нитриды бора и алюминия по некоторым свойствам превосходят даже бромеллит.

Используются также алмазы для изготовления полупроводниковых приборов, но алмазные теплоотводы могут использоваться только в исключительных случаях, так как получаются очень дорогие приборы.

В зависимости от выбранного способа герметизации полимерные материалы поставляются в жидком состоянии или в виде пресс-порошка, таблеток и гранул. Пластмассы и компаунды представляют собой сложные композиции, состоящие из основного материала –полимерного соединения () смолы и добавок (наполнителя, отвердителя, пластификатора и др.). Существует несколько видов смол, приеняемых в электронной промышленности: эпоксидные, кремний оганические, фенолформальдегидные.

Эпоксидные смолы- полимеры, получаемые поликонденсацией эпи- или дихлоргидрина и двух- или полиатомных фенолов в щелочной среде. При добавке аминов (полиэтилен, полиамин) в эпоксидную смолу она отвердевает при комнатной температуре. Эпоксидные смолы используют в качестве клеев холодного и горячего отвердения для склеивания различных материалов.

Кремнийорганические смолы-полимеры, получаемые поликонденсацией арихлорсиланов, обычно имеют жидкое состояние (стадия резола). При нагревании до кремнийорганическая смола переходит в стадию разита, т.е. находится в твердом неплавком и нерастворимом состоянии. Кремнийорганические смолы применяют в качестве высокотермостойких электроизоляционных лаков, водоотталкивающих покрытий.

Фенолформальдегидные смолы (ФФС)- синтетические полимеры, получаемые поликонденсацией фенола или его производных (крезола, ксилола) с формальдегидом в присутствии кислых или щелочных катализаторов. ФФС используется для изготовления пресс-порошков, клеев, лаков и других изоляционных материалов.

Для мощных полупроводниковых приборов очень важно, чтобы полимерный материал имел достаточно высокие коэффициэнт теплопроводности, электрическую прочность, удельное электрическое сопротивление.