Министерство образования Российской Федерации

Кафедра: «Электронное машиностроение».

Курсовой проект

Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем

Выполнил: ст-т гр. ЭПУ - 32

Козачук Виталий Михайлович

Проверил: доцент

Шумарин Виктор Пракофьевич

Саратов 2000 г.

СБОРКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Особенности процесса сборки

Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем является наиболее трудоемким и ответственным технологическим этапом в общем цикле их изготовления. От качества сборочных операций в сильной степени зависят стабильность электрических параметров и надежность готовых изделий.

Этап сборки начинается после завершения групповой обработки полупроводниковых пластин по планарной технологии и разделе­ния их на отдельные элементы (кристаллы). Эти кристаллы, могут иметь простейшую (диодную или транзисторную) структуру или включать в себя сложную интегральную микросхему (с большим количеством активных и пассивных элементов) и поступать на сборку дискретных, гибридных или монолитных композиций.

Трудность процесса сборки заключается в том, что каждый класс дискретных приборов и ИМС имеет свои конструктивные особенности, которые требуют вполне определенных сборочных операций и режимов их проведения.

Процесс сборки включает в себя три основные технологические операции: присоединение кристалла к основанию корпуса; присоединение токоведущих выводов к активным и пассивным элементам полупроводникового кристалла к внутренним элементам корпуса; герметизация кристалла от внешней среды.

Присоединение кристалла к основанию корпуса

Присоединение кристалла полупроводникового прибора или ИМС к основанию корпуса проводят с помощью процессов пайки, приплавления с использованием эвтектических сплавов и приклеи­вания.

Основным требованием к операции присоединения кристалла является создание соединения кристалл - основание корпуса, об­ладающего высокой механической прочностью, хорошей электро- и теплопроводностью.

Пайка - процесс соединения двух различных деталей без их расплавления с помощью третьего компонента, называемого при­поем. Особенностью процесса пайки является то, что припой при образовании паяного соединения находится в жидком состоянии, а соединяемые детали - в твердом.

Сущность процесса пайки состоит в следующем. Если между соединяемыми деталями поместить прокладки из припоя и всю композицию нагреть до температуры плавления припоя, то будут иметь место следующие три физических процесса. Сначала рас­плавленный припой смачивает поверхности соединяемых деталей. Далее в смоченных местах происходят процессы межатомного вза­имодействия между припоем и каждым из двух смоченных им ма­териалов. При смачивании возможны два процесса: взаимное растворение смоченного материала и припоя или их взаимная диф­фузия. После охлаждения нагретой композиции припой переходит в твердое состояние. При этом образуется прочное паяное соедине­ние между исходными материалами и припоем.

Процесс пайки хорошо изучен, он прост и не требует сложного и дорогостоящего оборудования. При серийном выпуске изделий электронной техники припайка полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов производится в конвейерных печах, обла­дающих высокой производительностью. Пайка проводится в вос­становительной (водород) или нейтральной (азот, аргон) среде. В печи загружают многоместные кассеты, в которые предваритель­но помещают основания корпусов, навески припоя и полупроводни­ковые кристаллы. При движении конвейерной ленты кассета с сое­диняемыми деталями последовательно проходит зоны нагрева, постоянной температуры, охлаждения. Скорость движения кассеты и температурный режим задают и регулируют в соответствии с тех­нологическими и конструктивными особенностями конкретного типа полупроводникового прибора или ИМС.

Наряду с конвейерными печами для припайки полупроводнико­вого кристалла к основанию корпуса используют установки, кото­рые имеют одну индивидуальную нагреваемую позицию, на которую устанавливают только одну деталь корпуса (ножку) и один полупроводниковый кристалл. При работе на такой установке оператор с помощью манипулятора устанавливает кристалл на основание корпуса и производит кратковременный нагрев соединя­емого узла. В зону нагрева подается инертный газ. Этот способ соединения деталей дает хорошие результаты при условии предва­рительного облуживания соединяемых поверхностей кристалла и основания корпуса.

Процесс присоединения кристалла пайкой подразделяют на низкотемпературный (до 400°С) и высокотемпературный (выше 400°С). В качестве низкотемпературных припоев используют спла­вы на основе свинца и олова с добавками (до 2%) сурьмы или вис­мута. Добавка сурьмы или висмута в оловянно-свинцовый припой позволяет избежать появления «оловянной чумы» в готовых при­борах и ИМС при их эксплуатации и длительном хранении. Высо­котемпературные припои изготовляют на основе серебра (ПСр-45, ПСр-72 и др.).

На технологический процесс пайки и качество полученного пая­ного соединения деталей сильное влияние оказывают чистота сое­диняемых металлических поверхностей и применяемого припоя, состав атмосферы рабочего процесса и наличие флюсов.

Наиболее широкое применение процесс пайки находит при сборке дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзис­торов, тиристоров и Др.). Это объясняется тем, что процесс пайки дает возможность получить хороший электрический и тепловой контакт между кристаллом полупроводника и кристаллодержателем корпуса, причем площадь контактного соединения может быть достаточно большой (для приборов большой мощности).

Особое место процесс пайки занимает при закреплении полу­проводникового кристалла большой площади на основании корпу­са из меди. В этом случае для снижения термомеханических напря­жений, возникающих за счет разницы в температурных коэффици­ентах расширения полупроводниковых материалов и меди, широко используют молибденовые и молибденовольфрамовые термоком­пенсаторы, имеющие площадь, равную площади полупроводнико­вого кристалла, а ТКl -близкий к ТКl полупроводника. Такая сложная многоступенчатая композиция с двумя прослойками из припоя с успехом используется при сборке полупроводниковых приборов средней и большой мощностей.

Дальнейшее развитие процесс пайки получил при сборке интег­ральных микросхем по технологии «перевернутого кристалла». Эта технология предусматривает предварительное создание на планарной стороне кристалла с ИМС «шариковых выводов» или «контакт­ных выступов», которые представляют собой бугорки из меди, покрытые припоем или оловом. Такой кристалл располагают на поверхности подложки или на основании корпуса так, чтобы бугор­ки соприкасались с ней в определенных участках. Таким образом, кристалл переворачивается и его планарная сторона посредством бугорков контактирует с поверхностью основания корпуса.

При кратковременном нагреве такой композиции происходит прочное соединение контактных выступов полупроводникового кристалла с основанием корпуса. Следует отметить, что те участки поверхности корпуса, с которыми соприкасаются «выступы», пред­варительно тоже облуживаются. Поэтому в момент нагрева проис­ходит соединение припоя основания корпуса с припоем контактных вы­ступов.

На рис. 1, а показан вариант присоединения кристалла ИМС, имеющего медные облуженные кон­тактные выступы, к подложке. Та­кая конструкция выводов не боится растекания припоя по подложке. Наличие высокого грибообразного выступа обеспечивает необходимый зазор между полупроводниковым кристаллом и подложкой при расплавлении припоя. Это позволяет проводить присоединение кристалла к подложке с высокой степенью точ­ности.

На рис. 1, в показан вариант сборки кристаллов, имеющих мяг­кие столбиковые выводы из припоя на основе олово-свинец.

Присоединение такого кристалла к основанию корпуса проводят обычным нагревом без дополнитель­ного давления на кристалл. Припой контактных выступов при нагрева­нии и расплавлении не растекается по поверхности облуженных участ­ков основания корпуса за счет сил поверхностного натяжения. Это, кроме того, обеспечивает определен­ный зазор между кристаллом и под­ложкой.

Рассмотренный метод присоединения кристаллов ИМС к осно­ванию корпуса или к какой-либо плате позволяет в значительной степени механизировать и автоматизировать технологический про­цесс сборки.

Приплавление с использованием эвтектических сплавов. Этот способ присоединения полупроводниковых кристаллов к основанию корпуса основан на образовании расплавленной зоны, в которой происходит растворение поверхностного слоя полупроводникового материала и слоя металла основания корпуса.

В промышленности широкое применение получили два эвтекти­ческих сплава: золото-кремний (температура плавления 370°С) я золото-германий (температура плавления 356°С). Процесс эвтектического присоединения кристалла к основанию корпуса имеет две разновидности. Первый вид основан на использовании прокладки из эвтектического сплава, которая располагается между соединяемыми элементами: кристаллом и корпусом. В этом виде соединения поверхность основания корпуса должна иметь зо­лотое покрытие в виде тонкой пленки, а поверхность полупроводни­кового кристалла может не иметь золотого покрытия (для кремния и германия) или быть покрытой тонким слоем золота (в случае присоединения других полупроводниковых материалов). При на­греве такой композиции до температуры плавления эвтектического сплава между соединяемыми элементами (кристалл-основание корпуса) образуется жидкая зона. В этой жидкой зоне происходит с одной стороны растворение слоя полупроводникового материала кристалла (или слоя золота, нанесенного на поверхность кри­сталла).

После охлаждения всей системы (основание корпуса - эвтектический расплав-полупроводниковый кристалл) происходит за­твердевание жидкой зоны эвтектического сплава, а на границе полупроводник-эвтектический сплав образуется твердый раствор. В результате этого процесса создается механически прочное соеди­нение полупроводникового материала с основанием корпуса.

Второй вид эвтектического присоединения кристалла к основа­нию корпуса обычно реализуется для кристаллов из кремния или германия. В отличие от первого вида для присоединения кристал­ла не используется прокладка из эвтектического сплава. В этом случае жидкая зона эвтектического расплава образуется в резуль­тате нагрева композиции позолоченное основание корпуса-кри­сталл кремния (или германия). Рассмотрим подробнее этот процесс. Если на поверхность основания корпуса, имеющего тонкий слой золотого покрытия, поместить кристалл кремния, не имеющий золотого покрытия, и всю систему нагреть до температуры на 40-50°С выше температуры эвтектики золото-кремний, то между соединяемыми элементами образуется жидкая фаза эвтектического состава. Так как процесс сплавления слоя золота с кремнием явля­ется неравновесным, то количество кремния и золота, растворив­шихся в жидкой зоне, будет определяться толщиной золотого по­крытия, температурой и временем проведения процесса сплавления. При достаточно больших выдержках и постоянной температуре процесс сплавления золота с кремнием приближается к равновес­ному и характеризуется постоянным объемом жидкой фазы золо­то-кремний. Наличие большого количества жидкой фазы может привести к вытеканию ее из-под кристалла кремния к его перифе­рии. При затвердевании вытекшая эвтектика приводит к образова­нию достаточно больших механических напряжений и раковин в структуре кристалла кремния, которые резко снижают прочность сплавной структуры и ухудшают ее электрофизические параметры.

При минимальных значениях времени и температуры сплавление золота с кремнием происходит не равномерно по всей площади соприкосновения кристалла с основанием корпуса, а лишь в ее от­дельных точках.

В результате этого уменьшается прочность сплавного соедине­ния, увеличиваются электрическое и тепловое сопротивления кон­такта и снижается надежность полученной арматуры.

Существенное влияние на процесс эвтектического сплавления оказывает состояние поверхностей исходных соединяемых элемен­тов. Наличие загрязнений на этих поверхностях приводит к ухуд­шению смачивания контактирующих поверхностей жидкой фазой и неравномерному растворению.

Приклеивание -это процесс соединения элементов друг с дру­гом, основанный на клеящих свойствах некоторых материалов, которые позволяют получать механически прочные соединения между полупроводниковыми кристаллами и основаниями корпусов (металлическими, стеклянными или керамическими). Прочность склеивания определяется силой сцепления между клеем и склеива­емыми поверхностями элементов.

Склеивание различных элементов интегральных схем дает воз­можность соединять самые разнообразные материалы в различных сочетаниях, упрощать конструкцию узла, уменьшать его массу, снижать расход дорогостоящих материалов, не применять припоев и эвтектических сплавов, значительно упрощать технологические процессы сборки самых сложных полупроводниковых приборов и ИМС.

В результате приклеивания можно получать арматуры и слож­ные композиции с электроизоляционными, оптическими и токопроводящими свойствами. Присоединение кристаллов к основанию корпуса с помощью процесса приклеивания незаменимо при сборке и монтаже элементов гибридных, монолитных и оптоэлектронных схем.

При приклеивании кристаллов на основания корпусов применя­ют различные типы клеев: изоляционные, токопроводящие, светопроводящие и теплопроводящие. По активности взаимодействия между клеем и склеиваемыми поверхностями различают полярные (на основе эпоксидных смол) и неполярные (на основе полиэти­лена).

Качество процесса приклеивания в значительной степени зави­сит не только от свойств клея, но и от состояния поверхностей склеиваемых элементов. Для получения прочного соединения необ­ходимо тщательно обработать и очистить склеиваемые поверхно­сти. Важную роль в процессе склеивания играет температура. Так, при склеивании элементов конструкций, которые не подвергаются в последующих технологических операциях воздействию высоких температур, можно использовать клеи холодного отверждения на эпоксидной основе. Для приклеивания кремниевых кристаллов к металлическим или керамическим основаниям корпусов обычно используют клей ВК-2, представляющий собой раствор кремний-органической смолы в органическом растворителе с мелкодиспергированным асбестом в качестве активного наполнителя или ВК-32-200, в котором в качестве наполнителя используют стекло или кварц.

Технологический процесс приклеивания полупроводниковых кристаллов проводят в специальных сборочных кассетах, обеспе­чивающих нужную ориентацию кристалла на основании корпуса и необходимое прижатие его к основанию. Собранные кассеты в зависимости от используемого клеящего материала подвергают определенной термической обработке или выдерживают при ком­натной температуре.

Особые группы составляют электропроводящие и оптические клеи, используемые для склеивания элементов и узлов гибридных и оптоэлектронных ИМС. Токопроводящие клеи представляют собой композиции на основе эпоксидных и кремнийорганических смол с добавлением порошков серебра или никеля. Среди них наи­более широкое распространение получили клеи АС-40В, ЭК-А, ЭК-Б, К-3, ЭВТ и КН-1, представляющие собой пастообразные жидкости с удельным электрическим сопротивлением 0,01- 0,001 Ом-см и диапазоном рабочих температур от -60 до +150°С. К оптическим клеям предъявляют дополнительные требования по значению коэффициентов преломления и светопропускания. Наи­более широкое распространение получили оптические клеи ОК.-72 Ф, ОП-429, ОП-430, ОП-ЗМ.

Присоединение выводов

В современных полупроводниковых приборах и интегральных мик­росхемах, у которых размер контактных площадок составляет несколько десятков микрометров, процесс присоединения выводов является одним из самых трудоемких технологических операций.

В настоящее время для присоединения выводов к контактным площадкам интегральных схем используют три разновидности сварки: термокомпрессионную, электроконтактную и ультразву­ковую.

Термокомпрессионная сварка позволяет присоединять электри­ческие выводы толщиной несколько десятков микрометров к оми­ческим контактам кристаллов диаметром не менее 20-50 мкм, причем электрический вывод можно присоединить непосредственно к поверхности полупроводника без промежуточного металлическо­го покрытия следующим образом. Тонкую золотую или алюминие­вую проволоку прикладывают к кристаллу и прижимают нагретым стержнем. После небольшой выдержки проволока оказывается плотно сцепленной с поверхностью кристалла. Сцепление происхо­дит вследствие того, что даже при небольших удельных давлениях, действующих на кристалл полупроводника и не вызывающих его разрушения, локальное давление в микровыступах на поверхности может быть весьма большим. Это приводит к пластической дефор­мации выступов, чему способствует подогрев до температуры ниже эвтектической для данного металла и полупроводника, что не вы­зывает каких-либо изменений в структуре кристалла. Происходя­щая деформация (затекание) микровыступов и микровпадин обус­ловливает прочную адгезию и надежный контакт, вследствие ван-дер-ваальсовых сил сцепления, а с повышением температуры меж­ду соединяемыми материалами более вероятна химическая связь. Термокомпрессионная сварка имеет следующие преимущества:

a) соединение деталей происходит без расплавления свариваемых материалов;

b) удельное давление, прикладываемое к кристаллу, не приводит к механическим повреждениям полупроводникового материала;

c) соединения получают без загрязнений, так как не используют припои и флюсы.

К недостаткам следует отнести малую производительность процесса.

Термокомпрессионную сварку можно осуществлять путем сое­динений внахлест и встык. При сварке внахлест электрический проволочный вывод, как отмечалось, накладывают на контактную площадку кристалла полупроводника и прижимают к нему специ­альным инструментом до возникновения деформации вывода. Ось проволочного вывода при сварке располагают параллельно плос­кости контактной площадки. При сварке встык проволочный вывод приваривают торцом к контактной площадке. Ось проволочного вывода в месте присоединения перпендикулярна плоскости кон­тактной площадки.

Сварка внахлест обеспечивает прочное соединение кристалла полупроводника с проволочными выводами из золота, алюминия, серебра и других пластичных металлов, а сварка встык-только с выводами из золота. Толщина проволочных выводов может со­ставлять 15-100 мкм.

Присоединять выводы можно как к чистым кристаллам полу­проводника, так и к контактным площадкам, покрытым слоем напылённого золота или алюминия. При использовании чистых поверхностей кристалла увеличивается переходное сопротивление контакта и ухудшаются электрические параметры приборов.

Элементы, подлежащие термокомпрессионной сварке, проходят определенную технологическую обработку. Поверхность кристалла полупроводника, покрытую слоем золота или алюминия, обезжи­ривают.

Золотую проволоку отжигают при 300-600°С в течение 5-20 мин в зависимости от способа соединения деталей. Алюминие­вую проволоку протравливают в насыщенном растворе едкого нат­ра при 80°С в течение 1-2 мин, промывают в дистиллированной воде, и сушат.

Основными параметрами режима термокомпрессионной сварки являются удельное давление, температура нагрева и время сварки, Удельное давление выбирают в зависимости от допустимого на­пряжения сжатия кристалла полупроводника и допустимой дефор­мации материала привариваемого вывода. Время сварки выбирают экспериментальным путем.

где d -диаметр проволоки, мкм; b -ширина соединения, мкм.

Давление на инструмент определяют, исходя из распределения напряжений на стадии завершения деформации:

где A -коэффициент, характеризующий изменение напряжений в процессе деформации проволоки; f -приведенный коэффициент трения, характеризующий трение между инструментом, проволо­кой и подложкой; -относительная деформация; -предел те­кучести материала проволоки при температуре деформации; d - диаметр проволоки; D - диаметр прижимного инструмента, рав­ный обычно (2÷3)d.

Рис. 2. Номограмма для выбора режимов термокомпрессионной сварки:

а - золотой проволоки с плёнкой алюминия; б - алюминиевой проволоки с плёнкой алюминия

На рис. 2 приведены номограммы режимов термокомпрес­сионной сварки золотой (а) и алюминиевой (б) проволоки с алю­миниевыми контактными площадками. Эти номограммы дают воз­можность оптимального выбора соотношения между давлением, температурой и временем.

Термокомпрессионная сварка имеет довольно много разновид­ностей, которые можно классифицировать по способу нагрева, по способу присоединения, по форме инструмента. По способу нагре­ва различают термокомпрессионную сварку с раздельным нагревом иглы, кристалла или пуансона, а также с одновременным нагре­вом двух из этих элементов. По способу присоединения термоком­прессионная сварка может быть встык и внахлест. По форме инструмента различают «птичий клюв», «клин», «капилляр» и «иглу» (рис. 14.3).

При сварке инструментом «птичий клюв» одно и то же устройство подает проволоку, присоединяет ее к контактным площадкам интегральной схемы и автоматически обрывает, не выпуская ее из «клюва». Инструмент в виде «клина» прижимает конец проволоки к подложке, при этом вдавливается не вся проволока, а только центральная ее часть. При сварке с помощью «капиллярного инст­румента» проволока проходит через него. Капиллярный наконеч­ник одновременно служит инструментом, передающим давление на проволоку. При сварке «иглой» конец проволочного вывода подво­дят в зону сварки специальным механизмом и накладывают на контактную площадку, а затем прижимают ее иглой с определенным усилием.

Рис. 3. Типы инструментов для проведения термокомпрессионной сварки:

а - «птичий клюв»; б - «клин»; в - «капилляр»; г - «игла»

Для осуществления процесса термокомпрессионной сварки ис­пользуются различные установки, основными узлами которых являются: рабочий столик с нагревательной колонкой или без нее, механизм создания давления на присоединяемый вывод, рабочий инструмент, механизм подачи и обрыва проволоки для выводов, механизм подачи кристаллов или деталей с присоединенным к ним кристаллом; механизм совмещения соединяемых элементов, опти­ческая система визуального наблюдения процесса сварки, блоки питания и управления. Все перечисленные узлы могут иметь раз­личное конструктивное исполнение, однако принцип их устройства и характер выполняемой работы одинаков.

Так, рабочий столик всех установок служит для закрепления кристалла или корпуса интегральной схемы в определенном поло­жении. Обычно рабочий столик термокомпрессионных установок является сменным, что позволяет закреплять кристаллы различных размеров и геометрических форм. Нагревательная колонка служит для нагрева кристаллов или корпусов до требуемой температуры и позволяет регулировать ее в пределах 50-500°С с точностью ре­гулировки +5°С. Механизм создания давления предназначен для прижатия вывода к контактной площадке кристалла и обеспечива­ет регулирование усилия от 0,01 до 5 Н с точностью ±5%. Рабо­чий инструмент является одним из основных узлов термокомпрес­сионной установки. Его изготовляют из твердых сплавов типа ВК-6М, ВК-15 (для инструментов «птичий клюв» и «капилляр»)

или из синтетического корунда (для «клина» и «иглы»). Конструк­ция механизма подачи и отрыва проволоки зависит от типа уста­новки и формы рабочего инструмента. Наиболее широко распрост­ранены два способа отрыва; рычажный и электромагнитный. Про­цесс отрыва проволочного вывода после изготовления термоком­прессионного соединения на кристалле интегральной схемы без нарушения его прочности во многом зависит от конструктивных особенностей механизма. Механизм подачи кристаллов или дета­лей к месту сварки представляет собой обыкновенные зажимы или сложные кассеты, смонтированные на рабочем столике уста­новки. Наибольшая производительность достигается при использо­вании кассет с металлической лентой, на которой корпуса или кристаллы предварительно ориентируются в заданной плоскости и в определенном положении. Механизм совмещения обычно вклю­чает в себя манипуляторы, которые позволяют перемещать кри­сталл до его совмещения с соединяемыми элементами. Обычно используют манипуляторы двух видов: рычажные и пантографные. Оптическая система визуального наблюдения состоит из биноку­лярного микроскопа или увеличительного экрана-проектора. В за­висимости от размеров присоединяемых элементов выбирают уве­личение оптической системы от 10 до 100 крат.

Электроконтактная сварка применяется для присоединения металлических выводов к контактным площадкам кристаллов по­лупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Физиче­ская сущность процесса электроконтактной сварки заключается в нагреве соединяемых элементов в локальных участках приложения электродов. Разогрев локальных областей соединяемых элементов происходит за счет возникающего в местах контакта материала с электродами максимального электрического сопротивления при прохождении через электроды электрического тока. Основными параметрами процесса электроконтактной сварки являются значе­ние сварочного тока, скорость нарастания тока, время воздействия тока на соединяемые элементы и сила прижатия электродов к сое­диняемым деталям.

В настоящее время для присоединения выводов к контактным площадкам кристаллов интегральных схем используются два спо­соба электроконтактной сварки: с односторонним расположением двух электродов и с односторонним расположением одного сдвоен­ного электрода. Второй способ отличается от первого тем, что ра­бочие электроды выполнены в виде двух токонесущих элементов, разделенных между собой изоляционной прокладкой. В момент прижатия такого электрода к проволочному выводу и пропускания через образовавшуюся систему электродного тока происходит вы­деление большого количества теплоты в месте контакта. Внешнее давление в сочетании с разогревом деталей до температуры плас­тичности или расплавления приводит к прочному их соединению.

Технологическое оборудование для присоединения выводов ме­тодом электроконтакной сварки включает в себя следующие ос­новные узлы: рабочий столик, механизм создания давления на электрод, механизм подачи и отрезки проволоки, рабочий инстру­мент, механизм подачи кристаллов или корпусов с кристаллами, механизм совмещения соединяемых элементов, оптическую систему визуального наблюдения процесса сварки, блоки питания и управ­ления. Рабочий столик служит для расположения на нем кристал­лов или корпусов с кристаллами. Механизм создания давления на электрод позволяет прикладывать усилия 0,1-0,5 Н. Принцип дей­ствия механизма подачи и отрезки проволоки основан на движении проволоки через капиллярное отверстие и отрезании ее рычажным ножом. Форма и материал рабочего инструмента оказывают боль­шое влияние на качество и производительность процесса электро­контактной сварки. Обычно рабочая часть наконечников электро­дов имеет форму усеченной пирамиды и изготовляется из высокопрочного материала на основе карбида вольфрама марки ВК-8. Механизм подачи кристаллов включает в себя набор кассет, а ме­ханизм совмещения-систему манипуляторов, которые позволяют располагать кристалл в нужном положении. Оптическая визуаль­ная система наблюдения состоит из микроскопа или проектора. Блок питания и управления позволяет задавать рабочий режим сварки и производить его перестройку и регулировку при смене типа кристалла и материала вывода.

Ультразвуковая сварка, применяемая для присоединения выво­дов к контактным площадкам полупроводниковых приборов и ин­тегральных схем, имеет следующие преимущества: отсутствие нагрева соединяемых элементов, малое время сварки, возможность сварки разнородных и трудносвариваемых материалов. Отсутствие нагрева позволяет получать соединения без плавления сваривае­мых деталей. Малое время сварки дает возможность повысить про­изводительность процесса сборки.

Механизм образования соединения между выводом и контакт­ной площадкой при ультразвуковой сварке определяется пластиче­ской деформацией, удалением загрязнения, самодиффузией и сила­ми поверхностного натяжения. Процесс ультразвуковой сварки характеризуется тремя основными параметрами: амплитудой и частотой ультразвуковых колебаний, значением приложенного дав­ления и временем проведения процесса сварки. ^Установки для ультразвуковой сварки состоят из следующих основных узлов: ра­бочего столика, механизма создания давления, механизма подачи Н отрезки проволоки, ультразвукового сварочного устройства и оп­тической системы.

Герметизация кристалла

После того как полупроводниковый кристалл ориентирован и за­креплен на основании корпуса и к его контактным площадкам присоединены выводы, его необходимо защитить от влияния окру­жающей среды, т. е. создать вокруг него герметичную и механиче­ски прочную оболочку. Такая оболочка может быть создана либо присоединением к основанию корпуса специальной крышки (баллона), которая накрывает полупроводниковый кристалл и изолирует его от внешней среды, либо обволакиванием основания корпуса с расположенным на нем полупроводниковым кристаллом пласт­массой, которая также отделяет кристалл от внешней среды.

Для герметичного соединения основания корпуса с крышкой или баллоном (дискретный вариант полупроводниковых приборов) широко используют пайку, электроконтактную и холодную сварку, а для герметизации кристалла на держателе-заливку, обволаки­вание и опрессовку пластмассой.)

Пайка. Пайку применяют для герметизации как дискретных приборов, так и ИМС. Наибольшее практическое использование этот процесс нашел при сборке и герметизации корпусов диодов и транзисторов. Элементы конструкции корпусов включают в себя отдельные узлы и блоки, полученные на основании процессов пайки: металла с металлом, металла с керамикой и металла со стеклом. Рассмотрим эти виды пайки.

Пайка металла с металлом уже рассматривалась в §2. По­этому здесь остановимся лишь на технологических особенностях, которые связаны с получением герметичных паяных соединений.

Основными элементами паяного соединения при герметизации интегральных схем являются основание корпуса и крышка. Про­цесс соединения основания корпуса с крышкой может проводиться либо с использованием прослойки припоя, которая располагается между основанием корпуса и крышкой в виде кольца, либо без прослойки припоя. Во втором случае края основания корпуса и крышки предварительно облуживают припоем.

При герметизации диодов, транзисторов и тиристоров в зависи­мости от конструкции корпуса могут иметь место несколько пая­ных соединений. Так, пайкой соединяют кристаллодержатель с баллоном и герметизируют верхние выводы корпуса тиристора.

К процессу пайки при герметизации предъявляют требования по чистоте исходных деталей, которые предварительно подверга­ются очистке, промывке и сушке. Процесс пайки проводят в ваку­уме, инертной или восстановительной среде. При использовании флюсов пайку можно проводить на воздухе. Флюсы в значитель­ной степени улучшают смачивание и растекание припоя по соеди­няемым поверхностям деталей, а это залог образования герметич­ного паяного шва. По выполняемой роли флюсы подразделяют на две группы; защитные и активные. Защитные флюсы предохраня­ют детали от окисления в процессе пайки, а активные способствуют восстановлению оксидов, образовавшихся в процессе пайки. В качестве защитных флюсов наиболее часто используют рас­творы канифоли. Активными флюсами служат хлористый цинк и хлористый аммоний. Для пайки используют припои ПОС-40 и ПОС-60.

Пайка керамики с металлом . В полупроводниковой технике. как и в электровакуумной, широкое применение находят спаи ке­рамики с металлом, которые обеспечивают более надежную герме­тизацию.интегральных схем.

Припои, которые используют для пайки металла с металлом, не смачивают поверхность керамических деталей и поэтому не спаи­ваются с керамическими деталями корпусов интегральных схем.

Для получения паяных соединений керамики с металлом ее предварительно металлизируют. Металлизация проводится с по­мощью паст, которые наносят на керамическую деталь. Хорошее сцепление металлизационного слоя с поверхностью керамики достигается высокотемпературным вжиганием. При вжигании паст растворитель улетучивается, а металлические частицы прочно соединяются с" поверхностью керамической детали. Толщина воз-жженного слоя металла составляет обычно несколько микрометров. Нанесение и вжигание пасты можно повторять по нескольку раз, при этом толщина слоя увеличивается и качество металлизационного слоя улучшается. Полученную таким образом металлизирован­ную керамику можно паять обычными припоями.

Распространенным способом нанесения металлических покры­тий на детали керамических корпусов является спекание слоя металлизационной пасты с керамикой при высокой температуре. В качестве исходных материалов используются порошки молибде­на, вольфрама, рения, тантала, железа, никеля, марганца, кобаль­та, хрома, серебра и меди с размерами зерен в несколько микро­метров. Для приготовления паст эти порошки разводят в связую­щих веществах: ацетоне, амилацетате, метиловом спирте и др.

Пайка металлизированных керамических деталей с металличе­скими проводится обычным способом.

Пайка стекла с металлом. Стекло ни с одним из чистых метал­лов не спаивается, так как чистая поверхность металлов не смачи­вается или плохо смачивается жидким стеклом.

Однако если поверхность металла покрыта слоем оксида, то смачивание улучшается, оксид частично растворяется в стекле и после охлаждения может произойти герметичное соединение. Ос­новная трудность при изготовлении спаев металл - стекло состоит в подборе компонентов стекла и металла с достаточно близкими значениями коэффициентов термического расширения во всем диа­пазоне от температуры плавления стекла до минимальной рабочей температуры полупроводникового прибора. Даже небольшое раз­личие в коэффициентах термического расширения может привести к образованию микротрещин и разгерметизации готового прибора.

Для осуществления пайки стекла с металлом для получения герметичных спаев необходимо: подбирать компоненты с одинако­выми коэффициентами термического расширения; применять стек­лянный припой в виде суспензии с металлическим порошком; по­степенно переходить от металла к основному стеклу с помощью промежуточных стекол; металлизировать поверхность стекла.

Для получения герметичных спаев стекла с металлом использу­ют три способа нагрева исходных деталей: в пламени газовой го­релки, с помощью токов высокой частоты, в муфельных или силитовых печах. Во всех случаях процесс проводят на воздухе, так как наличие оксидной пленки способствует процессу пайки.

Электроконтактная сварка . Этот процесс широко используется для герметизации корпусов полупроводниковых приборов и инте­гральных микросхем. Она основана на расплавлен ни определен­ных частей соединяемых металлических деталей за счет прохож­дения через них электрического тока. Сущность процесса электро­контактной сварки состоит в том, что к свариваемым деталям под­водят два электрода, на которые подают определенное напряжение. Так как площадь электродов значительно меньше, чем площадь сва­риваемых деталей, то при прохождении через всю систему элект­рического тока в месте соприкосновения свариваемых деталей, "находящихся под электродами, выделяется большое количество теплоты. Это происходит за счет большой плотности тока в малом объеме материала свариваемых деталей. Большие плотности тока разогревают контактные участки до расилавления определенных зон исходных материалов.

При прекращении действия тока температура контактных уча­стков снижается, что влечет за собой остывание расплавленной зоны и ее рекристаллизацию. Полученная таким образом рекристаллизационная зона герметично соединяет однородные и разно­родные металлические детали друг с другом.

Форма сварного шва зависит от геометрической конфигурации рабочих электродов. Если электроды выполнены виде заострен­ных стержней, то сварка получается точечной. Если электроды в виде трубки, то сварочный шов имеет форму кольца. При пластин­чатой форме электродов сварочный шов имеет вид полосы.

Большое значение для качественной герметизации корпусов приборов электросваркой имеет материал, из которого изготовляют рабочие электроды. К материалу электродов предъявляют повы­шенные требования по тепло- и электропроводности, а также по механической прочности. Для удовлетворения этих требований электроды делают комбинированными, выполненными из двух ма­териалов, один из которых обладает высокой теплопроводностью, а другой механической прочностью. Широкое распространение получили электроды, основание которых изготовлено из меди, а сердечник (рабочая часть) - из сплава вольфрама с медью.

Наряду с комбинированными используют электроды, выпол­ненные из однородного металла или сплава. Так, для сваривания стальных деталей используют электроды из меди (М1 и МЗ) и бронзы (0,4-0,8% хрома, 0,2-0,6% цинка, остальное-медь). Для сварки материалов с высокой электропроводностью (медь, серебро и т. п.) применяют электроды из вольфрама и молибдена.

Электроды должны хорошо прилегать друг к другу по рабочим свариваемым поверхностям. Наличие дефектов на рабочих поверх­ностях деталей (риски, вмятины, раковины и т. п.) приводит к не­равномерному разогреву свариваемых участков деталей и обра­зованию негерметичного сварного шва в готовом изделии. Особое внимание следует уделять креплению электродов в электродержа­телях, так как при плохом креплении между ними возникает так называемое переходное сопротивление, которое приводит к разо­греву самих электрододержателей. Электроды должны быть строго соосны между собой. Отсутствие соосности электродов приводит к возникновению брака при сварке.

Качество сварки в большой степени зависит от выбранного электрического и временного режима. При малом значении сва­рочного тока выделяющаяся теплота оказывается недостаточной для нагрева деталей до температуры плавления свариваемых ме­таллов, в этом случае получается так называемый «непровар» де­талей. При большом значении сварочного тока выделяется слиш­ком большое количество теплоты, которое может расплавить не только место сварки, но и всю деталь, что связано с «пережогом» деталей и выплеском металла.

Большое значение имеет время прохождения сварочного тока через электроды и детали. Как только включается сварочный ток, в месте контакта начинается разогрев свариваемых деталей, при­чем точки плавления достигают только поверхностные слои метал­ла. Если в этот момент выключить ток, то получится непрочная сварка. Чтобы получить прочный сварной шов, необходимо время для образования расплавленного ядра по всей локальной площад­ке свариваемых деталей. Перегрев ядра расплавленного металла приводит к его разрастанию и выплеску металла наружу. В ре­зультате этого могут образовываться раковины, которые рез­ко снижают механическую прочность и герметичность сварных швов.

Перед проведением процесса электроконтактной сварки все де­тали корпусов интегральных схем подвергают тщательной обра­ботке (промывке, обезжириванию, травлению, зачистке и т. п.).

Качество сварки контролируют внешним осмотром и с помощью поперечных разрезов сваренных изделий. Основное внимание уде­ляется механической прочности и герметичности сварных швов.

Холодная сварка. Метод герметизации холодной сваркой широко используется в электронной промышленности. В тех случаях, когда при герметизации исходных деталей корпусов недопустим их на­грев и требуется высокая чистота процесса, применяют холодную сварку-сварку под давлением. Кроме того, холодная сварка обес­печивает прочное герметичное соединение наиболее часто исполь­зуемых разнородных металлов (меди, никеля, ковара и стали).

К недостаткам данного метода следует отнести наличие значи­тельной деформации деталей корпусов в месте соединения, что приводит к существенному изменению формы и габаритных разме­ров готовых изделий.

Изменение наружного диаметра корпуса прибора зависит от толщины исходных свариваемых деталей. Изменение наружного диаметра готового прибора после проведения процесса холодной сварки

где - толщина буртика верхней детали до сварки; - толщи­на буртика нижней детали до сварки.

Большое значение для проведения процесса холодной сварки имеет наличие на поверхности соединяемых деталей пленки оксида. Если эта пленка пластичная и более мягкая, чем основной металл, то под давлением она растекается во все стороны и утоньшается, разделяя тем самым чистые металлические поверхности, в резуль­тате чего сварка не происходит. Если оксидная пленка более хруп­кая и твердая, чем покрываемый ею металл, то под давлением она трескается, причем растрескивание происходит одинаково на обеих соединяемых деталях. Загрязнения, имевшиеся на поверхности пленки, оказываются упакованными с обеих сторон в своеобразные пакеты, прочно зажатые по краям. Дальнейшее увеличение давле­ния приводит к растеканию чистого металла к периферийным уча­сткам. Наибольшее растекание происходит в серединной плоскости образовавшегося шва, благодаря чему все пакеты с загрязнения­ми вытесняются наружу, а чистые поверхности металла, всту­пая в межатомные взаимодействия, прочно сцепляются друг с другом.

Таким образом, хрупкость и твердость-это основные качества оксидной пленки, обеспечивающие герметичное соединение. Так как у большинства металлов толщина покрытия оксидными плен­ками не превосходит 10 -7 см, детали из таких металлов перед сваркой никелируют или хромируют. Пленки никеля и хрома об­ладают достаточной твердостью и хрупкостью и, следовательно, значительно улучшают сварное соединение.

Перед проведением процесса холодной сварки все детали обез­жиривают, промывают и сушат. Для образования качественного соединения двух металлических деталей необходимо обеспечить достаточную деформацию, пластичность и чистоту свариваемых деталей.

Степень деформации К при холодной сварке должна находить­ся в пределах 75-85%:

,

где 2Н -суммарная толщина свариваемых деталей; t -толщина сварного шва.

Прочность сварного соединения

где Р - усилие разрыва; D - диаметр отпечатка выступа пуансо­на; Н - толщина одной из свариваемых деталей с наименьшим размером; -предел прочности на растяжение с наименьшим значением.

Для деталей корпусов при холодной сварке рекомендуются сле­дующие сочетания материалов: медь МБ-медь МБ, медь МБ-медь М1, медь МБ-сталь 10, сплав Н29К18 (ковар) -медь МБ, ковар-медь М1.

Критические давления, необходимые для пластической дефор­мации и холодной сварки, например для сочетания медь-медь, составляют 1,5*10 9 Н/м 2 , для сочетания медь - ковар они равны 2*10 9 Н/м 2 .

Герметизация пластмассой . Дорогостоящую герметизацию стек­лянных, металлостеклянных, металлокерамических и металлических корпусов в настоящее время успешно заменяют пластмассовой герметизацией. }В ряде случаев это повышает надежность приборов и ИМС, так как устраняется контакт полупроводникового кристал­ла с газовой средой, находящейся внутри корпуса.

Пластмассовая герметизация позволяет надежно изолировать кристалл от внешних воздействий и обеспечивает высокую механи­ческую и электрическую прочность конструкции. Для герметизации ИМС широко используют пластмассы на основе эпоксидных, крем-нийорганических и полиэфирных смол.

Основными методами герметизации являются заливка, обвола­кивание и опрессовка под давлением. При герметизации заливкой используют полые формы, в которые помещают полупроводниковые кристаллы с припаянными внешними выводами. Внутрь форм за­ливают пластмассу.

При герметизации приборов обволакиванием берут два (или более) вывода, изготовленных из ленточного или проволочного ма­териала, соединяют их между собой стеклянной или пластмассовой бусой и на один из выводов напаивают полупроводниковый кри­сталл, а к другому (другим) выводу присоединяют электрические контактные проводники. Полученную таким образом сборку герме­тизируют обволакиванием пластмассой.

Наиболее перспективным путем решения проблемы сборки и герметизации приборов является герметизация кристаллов с актив­ными элементами на металлической ленте с последующей гермети­зацией пластмассой. Преимущество этого метода герметизации со­стоит в возможности механизации и автоматизации процессов сбор­ки различных типов ИМС. Основным элементом конструкции пласт­массового корпуса является металлическая лента. Для выбора профиля металлической ленты необходимо исходить из размеров кристаллов, тепловых характеристик приборов, возможности мон­тажа готовых приборов на печатную плату электронной схемы, максимальной прочности на отрыв от корпуса, простоты конст­рукции.

Технологическая схема пластмассовой герметизации прибора включает в себя основные этапы планарной технологии. Присоеди­няют полупроводниковые кристаллы с активными элементами к металлической ленте, покрытой золотом, эвтектическим сплавле-нием золота с кремнием или обычной пайкой. Металлическую ленту изготовляют из ковара, меди, молибдена, стали, никеля.

ВВЕДЕНИЕ

Современный мир трудно представить без полупроводниковых приборов. Они открывают большие возможности в самых различных областях науки, техники, быту, медицине, военной и аэрокосмической отраслях.

Основной целью дипломного проекта является разработка стендов для изучения и исследования полупроводниковых приборов с использованием современных компонентов оборудования «Основы аналоговой электроники» предназначенных для быстрого освоения лабораторного практикума по разделам курсов «Электронная техника», «Промышленная электроника», «Электроника и микроэлектроника».

В проекте рассмотрены следующие вопросы:

классификация полупроводниковых приборов и их применение в преобразователях энергии и передаче информации;

система условных обозначений диодов и транзисторов. Основные характеристики и параметры. Способы охлаждения. Расчёт нагрузочной способности;

исследования силовых полупроводниковых приборов на лабораторном стенде;

специальные типы диодов. Система условных обозначений. Основные характеристики и параметры;

транзисторы. Система обозначений. Основные характеристики и параметры;

охрана труда и техника безопасности при проведении работ;

технико-экономический расчет;

безопасность в чрезвычайных ситуациях.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ЭНЕНРГИИ И ПЕРЕДАЧЕ ИНФОРМАЦИИ

Назначение и классификация полупроводниковых приборов

Полупроводниковыми приборами называются электронные устройства, действие которых основано на электронных процессах в полупроводниках. В электронике полупроводниковые приборы используются для обработки электрических сигналов, а также для преобразования одних видов энергии в другие. Полупроводниковые приборы делятся на дискретные и интегральные.

Дискретные полупроводниковые приборы, выполняются в виде отдельных устройств, различаются по назначению, виду характеристик, типу материала, принципу действия, области применения, конструкции и технологии. К их основным классам относят:

электропреобразовательные приборы (диод, транзистор, тиристор и другие);

оптоэлектронные приборы, преобразующие световые сигналы в электрические и наоборот (фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, полупроводниковый лазер, излучающий диод и т.д.);

термоэлектрические, преобразующие тепловую энергию в электрическую и наоборот (термоэлемент, термоэлектрический генератор, терморезистор и т.п.);

магнитоэлектрические приборы (измерительный преобразователь на основе эффекта Холла);

пьезоэлектрические и тензометрические приборы, реагирующие на изменение давления или механическое смещение.

Интегральные полупроводниковые приборы являются активными элементами интегральных схем. Интегральные схемы состоят из интегральных диод, транзистор, тиристор, резисторов, конденсаторов и соединений между ними. Элементы интегральных схем создаются в едином техническом цикле на одном кристалле полупроводника. Если же пассивные элементы изготавливают отдельно на диэлектрической подложке, а активные элементы устанавливают в схему в виде дискретных бескорпусных полупроводниковых приборов, то интегральная схема называется гибридной.

Интегральные системы классифицируются по областям использования (аналоговые и цифровые). Цифровые включают в себя логические, счетно-преобразовательные и интегральные схемы памяти. Аналоговые интегральные схемы охватывают приборы усиления, источники вторичного питания, сверхвысокочастотные схемы.

В зависимости от применяемого полупроводникового материала различают германиевые. Кремневые, арсенид-галлиевые и другие приборы.

По конструктивным и технологическим признакам полупроводниковые приборы разделяют на точечные и плоскостные. Плоскостные в свою очередь делятся на диффузионные, мезапланарные, планарные и другие. Основной технологией полупроводниковых приборов является планарная технология.

В зависимости от мощности преобразуемых сигналов различают полупроводниковые приборы малой мощности (токи до 10А) и силовые полупроводниковые приборы (СПП).

Применение полупроводниковых приборов в преобразователях энергии и передаче информации.

Преобразователь электрической энергии - это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии (Рис.1.1)

Рис 1.1. Классификация по характеру преобразования

Выпрямители

Выпрямители делятся на выпрямители тока и выпрямители напряжения.

В выпрямителях тока ток на выходе протекает в одном направлении, а мгновенные значения напряжения на выходе могут менять полярность. В качестве вентилей в них применяют диоды и тиристоры.

В выпрямителях напряжения напряжение на выходе не меняет полярность, а ток на выходе может менять направление. В качестве вентилей в них применяют диоды и транзисторы или запираемые тиристоры.

В настоящее время основное применение имеют выпрямители тока. Именно они рассматриваются в этой и последующих главах. Для сокращения в дальнейшем будем называть их просто выпрямителями, опуская слово тока.

Выпрямители напряжения сложнее и будут рассмотрены позже. Выпрямители тока классифицируются по ряду признаков (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Классификация выпрямителей

1. По числу фаз выпрямители делятся:

а) на однофазные, которые питаются от однофазной сети;

б) на многофазные, которые питаются от многофазной сети.

2. По числу выпрямляемых полуволн выпрямители делятся:

а) на однополупериодные;

б) на двух полупериодные.

3. По построению схем выпрямители делятся на следующие:

а) нулевые (однотактные, в которых ток по вторичной обмотке трансформаторов протекает в одном направлении);

б) мостовые (двухтактные, в которых ток по вторичной обмотке трансформаторов протекает в двух направлениях). В мостовой схеме трансформатор может отсутствовать.

4. По мощности выпрямители делятся на следующие:

а) малой мощности (до сотен ватт);

б) средней мощности (до десятков киловатт);

в) большой мощности (сотни и тысячи киловатт).

5. По возможностям управления выпрямители делятся:

а) на неуправляемые, выполненные на диодах;

б) на управляемые, выполненные на тиристорах.

На рис. 1.3 приведена обобщенная структурная схема выпрямителя, содержащая сетевой фильтр СФ, трансформатор Т, вентильный блок ВБ, сглаживающий фильтр СГФ, стабилизатор СТ, систему управления СУ и нагрузку Н. Энергия из сети подается через сетевой фильтр, служащий для уменьшения вредного влияния выпрямителя на питающую сеть. Трансформатор служит для согласования выпрямленного напряжения и напряжения сети, а также для потенциального разделения нагрузки и сети. Вентильный блок служит для выпрямления переменного тока. Сглаживающий фильтр осуществляет фильтрацию (сглаживание) выпрямленного напряжения. Стабилизатор обеспечивает поддержание с необходимой точностью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети и тока нагрузки. Система управления в управляемом выпрямителе обеспечивает регулирование выпрямленного напряжения.

Рис. 1.3. Обобщённая структурная схема выпрямителя

Не все указанные блоки обязательно присутствуют в схеме. В зависимости от предъявляемых требований могут отсутствовать все блоки, кроме ВБ. Однако, в большинстве случаев необходим и трансформатор. Поэтому в дальнейшем процессы рассматриваются для комплекта Т - ВБ. Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Существенным при этом является характер входной цепи сглаживающего фильтра, определяющий совместно с внешней нагрузкой вид нагрузки выпрямителя.

Возможны следующие виды нагрузок выпрямителя (с учетом фильтра):

а) активная;

б) активно-индуктивная (например, выпрямитель работает на обмотку возбуждения двигателя);

в) активно-индуктивная с противо-ЭДС (выпрямитель работает на якорь двигателя);

г) активно-емкостная (емкостный фильтр).

В виду сложности расчетов выпрямителей, анализ процессов в них в первом приближении выполняется при упрощающих допущениях об индуктивности нагрузки. Принимается, что либо индуктивность в цепи выпрямленного тока L d =0, либо L d =∞.

Инверторы

Классификация инверторов

Инвертирование - это преобразование постоянного тока в переменный. Существует два типа инверторов: ведомые и автономные.

Ведомые инверторы (ВИ) работают на сеть, в которой есть другие источники электроэнергии. Коммутации вентилей в них осуществляются за счет энергии этой сети. Частота на выходе ВИ равна частоте сети, а напряжение - напряжению сети.

Автономные инверторы (АИ) - это инверторы, которые работают на сеть, в которой нет других источников электроэнергии. Коммутации вентилей в них осуществляются благодаря применению полностью управляемых вентилей или устройств искусственной коммутации. При этом частота на выходе АИ определяется частотой управления, а напряжение – параметрами нагрузки и системой регулирования.

Наиболее часто ведомые инверторы применяются, когда нужно отдать механическую энергию, запасенную в маховых массах электродвигателя и рабочей машины, обратно в сеть. Торможение электропривода, осуществляемое таким образом, является наиболее энергетически эффективным. Количество возвращаемой энергии может быть весьма велико.

Автономные инверторы применяются для получения регулируемой частоты в электроприводах переменного тока, а также для получения более высоких частот в электротермических и электротехнологических установках. Они являются основной частью преобразователей частоты.

Переход от выпрямительного к инверторному режиму

Ведомые инверторы выполняются по тем же схемам, что и управляемые выпрямители. Переход от выпрямительного к инверторному режиму возможен в системе (рисунок 1.4 а), содержащей выпрямитель и электрическую машину (ЭМ). Реактор (индуктивность L d) между выпрямителем и ЭМ воспринимает на себя разницу мгновенных значений ЭДС выпрямителя и ПЭДС двигателя. На рисунке 1.4 б приведены диаграммы токов и напряжений, иллюстрирующие процессы в выпрямителе, нагруженном на ЭМ, работающую в двигательном режиме. ЭДС выпрямителя создается в основном положительными участками полуволн напряжения и ее среднее значение положительно. Также положительна ПЭДС двигателя.

Если угол управления увеличить до 90°, то ЭДС выпрямителя уменьшится до нуля, и двигатель остановится. При этом ЭДС выпрямителя в одинаковой степени создается положительными и отрицательными участками полуволн напряжения (рисунок 1.4 в).

Изменение направления потока мощности в системе, содержащей вентили, возможно только по второму способу, описанному выше. Для того чтобы перейти из выпрямительного режима в инверторный нужно:

1) привести во вращение ЭМ в другом направлении, подведя к ней механическую энергию и переведя ее в генераторный режим;

2) увеличить угол управления (больше 90°), чтобы в основном использовать отрицательные участки полуволн напряжения сети и сделать среднее значение ЭДС инвертора отрицательным (рисунок 1.4 г).

При описании процессов в ведомом инверторе, кроме угла управления a (угла запаздывания), используется угол управления b (угол опережения), отсчитываемый от точки, находящейся через 180° от точки естественной коммутации. Следовательно,β = 180°-α.

Угол управления β не может достигать 0°, т.к. требуется время на восстановление запирающих свойств тиристора в прямом направлении (рисунок 1.4 г).

Рис. 1.4. Переход из выпрямленного в инверторный режим в трёхфазной нулевой схеме (а); б, в, г – диаграммы токов и напряжений при различных углах α.

Регулировочные и внешние характеристики ведомого инвертора

Преобразователь, который может работать как в выпрямительном, так и в инверторном режиме назовем ведомым преобразователем. На рисунке 1.5 приведены внешние и регулировочные характеристики ведомого инвертора в режиме непрерывного тока совместно с характеристиками выпрямителя.

Рис.1.5. Регулировочные характеристики преобразователя в непрерывном и прерывистом режиме при работе на ПЭДС (а) и его внешние характеристики в непрерывном режиме (б)

Напряжение на зажимах постоянного тока инвертора назовем инвертируемым напряжением. Так как оно измеряется между теми же точками, что и выпрямленное, то будем обозначать их одинаково - U d . Закон изменения этого напряжения при изменении угла управления тот же, что и в выпрямительном режиме. Поэтому регулировочная характеристика ведомого преобразователя в непрерывном режиме (рис. 1.5 а) определяется тем же уравнением

U daо = U d о cosα . (1.1)

Коммутация вентилей происходит за счет напряжения сети, и на участке коммутации напряжение идет посредине между фазными ЭДС (рис. 7.4 а - б). За счет дополнительной коммутационной площадки с ростом тока напряжение по модулю увеличивается.

Внешние характеристики приведены на рисунке 1.5 б.

Рисунок 1.6. Диаграммы токов и напряжений в ведомом инверторе при Х d =∞, X a ≠ 0 для трёхфазной нулевой (а) и мостовой (б) схем

В первом квадранте (для выпрямителя) они связывают выходные величины и являются выходными. Характеристики в 4-м квадранте (ведомого инвертора) связывают входные величины (по энергетическому каналу) и поэтому являются входными. Внешние характеристики выпрямителя по смыслу являются выходными, и поэтому выходное напряжение за счет внутреннего сопротивления с ростом тока падает. Внешние характеристики инвертора являются по смыслу входными и поэтому, если необходимо «загнать» в инвертор больший ток, нужно подать на вход большее напряжение.

Внешние характеристики с учетом наличия области прерывистого режима приведены на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7. Внешние характеристики ведомого преобразователя, выполненного по трёхфазной нулевой (а) и трёхфазной мостовой (б) схемам.

Преобразователи частоты

Преобразователи частоты (ПЧ) предназначены для преобразования переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты. Преобразователи частоты для частотно-регулируемых электроприводов преобразуют электроэнергию, поступающую из сети переменного тока, в электроэнергию с меняющейся по заданным законам частотой и напряжением.

Преобразователи частоты по построению могут быть разбиты на два типа:

а) двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ);

б) непосредственные преобразователи частоты (НПЧ).

В ДПЧ первое звено представляет собой выпрямитель (управляемый или неуправляемый) с фильтром на выходе, а второе - автономный инвертор. Таким образом, нагрузка связана с сетью через два звена, и происходит двукратное преобразование энергии. Второе звено в ДПЧ может быть выполнено как на основе автономного инвертора напряжения (АИН), так и на основе автономного инвертора тока (АИТ).

ДПЧ позволяют получить на выходе частоты как меньшие, так и большие входных. Их недостаток - двойное преобразование энергии, ведущее к увеличению потерь.

НПЧ выполняются на основе реверсивных преобразователей. Однофазный НПЧ представляет собой двухкомплектный реверсивный преобразователь, на выходе которого подключена нагрузка. Каждый комплект вентилей пропускает одну полуволну тока. Трехфазный НПЧ представляет собой три реверсивных преобразователя, каждый из которых питает одну фазу нагрузки.

НПЧ позволяют получить на выходе частоты, только меньшие входных. В НПЧ происходит однократное преобразование энергии.

Принцип действия НПЧ

В НПЧ напряжение сети подается непосредственно на двигатель черезуправляемые вентили. Каждая фаза НПЧ выполняется на основ реверсивногодвухкомплектного преобразователя с раздельным или совместнымуправлением комплектами.

На рисунке 1.8 а приведена схема трехфазно-однофазного НПЧ, выполненного на основе трехфазных нулевых схем, преобразующего трехфазное напряжение сети частотой 50 Гц в однофазное с регулируемой частотой. При переключении комплектов В и Н на выходе формируется двуполярное напряжение. Возможны два закона управления - прямоугольный и синусоидальный. При прямоугольном управлении в течение полуволны тока на один комплект подаются управляющие импульсы с углом управления (углом задержки) a = const пока этот комплект работает в выпрямительном режиме, а затем с углом управления (углом опережения) b = a, когда для снижения тока необходим переход в инверторный режим (рисунок 1.8 б). После бестоковой паузы аналогично подаются управляющие импульсы на второй комплект.

При синусоидальном управлении угол управления a непрерывно меняется так, чтобы гладкая составляющая выходного напряжения изменялась по синусоидальному закону (рисунок 1.8 в).

Рисунок 1.8. Схема трёхфазно-однофазного НПЧ (а), диаграммы напряжения и тока нагрузки при прямоугольном управлении (б) и диаграммы напряжения на нагрузке при синусоидальном управлении (в)

Схема трехфазно-трехфазного НПЧ, выполненного на основе трехфазных мостовых схем приведена на рисунке 1.9. Эта схема требует разделения фаз нагрузки.

Рисунок 1.9. Схема трёхфазно-трёхфазного НПЧ

Введение

Лабораторные занятия по курсу «Электронная преобразовательная техника» дают представление о физических свойствах, параметрах и характеристиках дискретных полупроводниковых приборов.

Лабораторный стенд имеет источники питания, наборную панель с гнёздами и клеммами для сборки электрических схем, необходимых для снятия характеристик используемого прибора. На рабочем месте имеется комплект проводов с наконечниками, измерительными и исследуемыми приборами. На рисунке 3.1 представлен план учебной лаборатории.

Рисунок 3.1 План учебной лаборатории

Входное напряжение блока питания 127 В. Выходное напряжение постоянное:

0…15 В 0,5 А – регулируемый G1;

0…15 В 0,5 А – регулируемый G2;

0…5 В 3 А – регулируемый G3.

Регулируемые источники питания имеют защиту от короткого замыкания. При срабатывании защиты необходимо выключить стенд и выдержать в таком состоянии 5…10 сек.

Источник питания выполнен в виде отдельного модульного элемента в корпусе и вмонтирован в лабораторный стенд.

Источник питания осеспечивает

200 В; 0,1 А – нерегулируемый;

50 В; 5 А – нерегулируемый;

5 В; 0,3 А – для питания входных цепей транзисторов, регулируемый 0…4,5 В;

15 В; 0,5 А – для питания выходных цепей транзисторов, регулируемый 0…14 В.

Виды и обозначение диодов

В зависимости от свойств и поведения ВАХ различают следующие виды диодов.

1) Выпрямительные диоды различных классов, отличающиеся напряжением, временем переключения, рабочей полосой частот. ВАХ как у обычного p-n -перехода. Обозначение стандартное (таблица 2.1). В качестве выпрямительных используют сплавные эпитаксиальные и диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричных p-n-переходов. Для выпрямительных диодов характерны малые сопротивления и большие токи в прямом режиме. Барьерная емкость из-за большой площади перехода достигает значений десятков пикофарад. Германиевые выпрямительные диоды применяют до температур 70-80 о С, кремниевые до 120-150 о С, арсенид-галлиевые до 150 о С.

Основные параметры выпрямительных диодов:

U обр,макс –максимально допустимое обратное напряжение, которое диод может выдержать без нарушения его работоспособности;

I вып,ср - средний выпрямленный ток;

I пр,п – пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и формы импульса;

U пр,ср – среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока;

P ср – средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях;

r диф – дифференциальное сопротивление диода в прямом режиме.

Стоит отметить класс импульсных диодов, имеющих очень малую длительность переходных процессов из-за малых емкостей переходов (доли пикофарад); уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади p-n -перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них меньше, чем у низкочастотных выпрямительных диодов. Их используют в импульсных схемах.

К параметрам, перечисленным выше, для импульсных диодов следует отнести общую емкость С Д, максимальные импульсные прямые и обратные напряжения и токи, время установления прямого напряжения от момента подачи импульса прямого тока до достижения им заданного значения прямого напряжения и время восстановления обратного сопротивления диода с момента прохождения тока через нуль до момента, когда обратный ток достигает заданного малого значения (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 Ток обратной ветви

После изменения полярности напряжения в течение времени t 1 обратный ток меняется мало, он ограничен только внешним сопротивлением цепи. При этом заряд неосновных носителей, накопленных в базе диода, рассасывается. Далее ток уменьшается до своего статического значения при полном рассасывании заряда в базе.

2) Стабилитроны – диоды, предназначенные для работы в режиме электрического пробоя. Условное обозначение отличается от стандартного (таблица 2.1). В этом режиме при значительном изменении тока стабилитрона напряжение на нем меняется мало. В низковольтных (до 5,7В) стабилитронах используется туннельный пробой, а в высоковольтных – лавинный пробой. В них более высокоомная база.

Основные параметры:

U ст – напряжение стабилизации при заданном токе в режиме пробоя;

I ст,мин и I ст,макс – минимально допустимый и максимально допустимый токи стабилизации;

r ст – дифференциальное сопротивление стабилитрона на участке пробоя;

Температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации при заданном токе стабилизации. Туннельный пробой характеризуется отрицательным ТКН, а лавинный - положительным.

Для стабилизации малых напряжений (0,3…1,9В) используют диоды, называемые стабисторами, которые работают в прямом режиме, имеют специальную форму прямой ветви. Обозначение такое же, как у выпрямительных диодов.

3) Диод Шотки – разновидность выпрямительных диодов, работающий на основе выпрямляющего контакта металл – полупроводник, образующего контактную разность потенциалов из-за перехода части электронов из полупроводника n -типа в металл и уменьшения концентрации электронов в полупроводниковой части контакта. Эта область обладает повышенным сопротивлением. При подключении внешнего источника плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, потенциальный барьер понизится и через переход пойдет прямой ток.

В диоде Шотки отсутствуют явления накопления и рассасывания основных носителей, поэтому они очень быстродействующие и могут работать на частотах до десятков ГГц. Прямое напряжение составляет ~0,5 В, прямой допустимый ток может достигать сотни ампер, а обратное напряжение – сотен вольт. ВАХ диода Шотки напоминает характеристику обычных p-n-переходов, отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8-10 декад напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи достаточно малы – 10 -10 …10 -9 А.

Конструктивно диоды Шотки выполняют в виде пластины из низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла.

Диоды Шотки применяют в переключательных схемах, а также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах, из-за соответствующей вида его ВАХ.

4) Варикап – полупроводниковый диод, предназначенный для работы в качестве емкости, величина которой зависит от приложенного к нему напряжения. Основная его характеристика – вольт-фарадная С(U) (таблица 2.1).

Варикап работает как правило при обратном напряжении, при изменении которого изменяется в широких пределах барьерная емкость диода, причем:

, (4.1)

где С(0) – емкость при нулевом напряжении на диоде; - контактный потенциал; n=2 для резких и n =3 для плавных p-n-переходов.

Основные параметры варикапа:

С – емкость, измеренная между выводами при заданном обратном напряжении;

Коэффициент перекрытия по емкости;

r П – суммарное активное сопротивление диода;

Добротность, определяемая при заданном значении емкости.

5) Туннельный диод – полупроводниковый диод с падающим участком на прямой ветви ВАХ, обусловленный туннельным эффектом. Обозначение и ВАХ даны в таблице 2.1. Падающий участок характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением.

В зависимости от функционального назначения туннельные диоды условно подразделяются на усилительные, генераторные и переключательные.

4.2. Основные параметры:

I П и U П – пиковые ток и напряжение начала падающего участка;

I В и U В – ток и напряжение впадины (конца падающего участка);

Отношение тока впадины к пиковому току;

U Р – диапазон напряжений падающего участка (раствор).

L Д – полная последовательная индуктивность диода при заданных условиях (рис.4.2, представляющий схему замещения диода на падающем участке ВАХ для малых изменений тока и напряжения на диоде).

Рисунок 4.2 Схема замещения диода

f 0 – резонансная частота, при которой общее реактивное сопротивление p-n-перехода и индуктивности корпуса обращается в нуль;

f R - предельная резистивная частота, при которой активная составляющая полного сопротивления последовательной цепи, состоящей из p-n-перехода и сопротивлений потерь, обращается в нуль;

К Ш – шумовая постоянная туннельного диода, определяющая коэффициент шума диода;

r П – сопротивление потерь, включающее сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов.

Разновидностью туннельного диода является обращенный диод. Это полупроводниковый диод, физические явления в котором подобны физическим явлениям в туннельном диоде. Его рассматривают иногда как вариант туннельного диода. Здесь участок с отрицательным сопротивлением выражен более слабо, чем у туннельного, а иногда даже отсутствует. Обозначение и ВАХ даны в таблице. Обратная ветвь обращенного диода используется как прямая ветвь обычного диода.

Таблица 4.1

Тип диода	Условное обозначение	Характеристика
Выпрямительный
Диод Шотки
Стабилитрон
Стабистор
Варикап
Туннельный диод
Обращенный диод

Классификация транзисторов

Транзистор - это электропреобразовательный прибор, содержащий два и более p -n -переходов, имеющий три и более вывода и предназначенный для усиления мощности. В силовой электронике транзисторы практически всегда применяются только в ключевом режиме, то есть могут быть либо полностью открыты, либо полностью закрыты. Транзисторы обычно не допускают приложения к ним обратного напряжения и, поэтому, шунтируются встречно включенными диодами. Такое сочетание транзистора и диода будем называть транзисторным ключом.

В настоящее время существует множество различных типов транзисторов. На рисунке 6.1 приведена классификация основных типов транзисторов.

Транзисторы по принципу действия делятся на биполярные (управляемые током), униполярные (управляемые электрическим полем или полевые) и /GST-транзисторы. Аббревиатура IGBT - это сокращение названия Insulated gate bipolar transistor.В переводе это значит биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ).

В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей зарядов обоих знаков: электронов и дырок, поэтому они называются биполярными.

В полевых транзисторах ток определяется шириной проводящего канала, по которому движутся носители зарядов одного знака, отсюда их другое название - униполярные.

IGBT -транзисторы являются гибридными, в них сочетаются положительные свойства биполярных и полевых транзисторов.

Биполярные транзисторы содержат три чередующихся слоя с различным типом проводимости. Средний слой структуры называется базой. Крайний слой, являющийся источником носителей заряда, называется эмиттером. Другой крайний слой, принимающий заряды, называется коллектором. В зависимости от порядка их чередования биполярные транзисторы делятся на транзисторы типа n-p-n и p-n-p.

Полевые транзисторы (ПТ) делятся по принципу действия на ПТ с затвором в виде p-n -перехода и на ПТ с изолированным затвором (ПТИЗ). Последние по их структуре называют также МОП-транзисторами.

Рис. 6.1. Классификация основных типов транзисторов (к - коллектор; э -эмиттер; б - база; с - сток; и - исток; з - затвор; п - подложка) (металл – окисел- полупроводник) или МДП-транзисторами (металл-диэлектрик - полупроводник).

Электрод, из которого выходят основные носители, называется истоком. Электрод, куда приходят основные носители, называется стоком. От истока к стоку носители движутся по каналу. Электрод, регулирующий ширину канала, называется затвором.

МОП-транзисторы могут быть выполнены с встроенным и с индуцированным каналом. МОП-транзисторы с встроенным каналом при отсутствии управляющего сигнала открыты (нормально открыты). МОП-транзисторы с индуцированным каналом при отсутствии управляющего сигнала закрыты (нормально закрыты).

Из полевых транзисторов МОП-транзисторы с индуцированным каналом получили наибольшее применение в преобразовательной технике.

В зависимости от типа полупроводника, из которого выполнен канал, ПТ делятся на ПТ с каналом n-типа и ПТ с каналом p -типа. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) или, как они сокращенно называются по-английски / GBT, представляют собой гибрид биполярного транзистора и ПТИЗ, сочетающий их лучшие свойства. БТИЗ - это сложная многослойная структура и процессы в ней весьма сложны. Поэтому на рисунке 6.2 приведена очень упрощенная схема замещения. При подаче на затвор З напряжения, положительного относительно точки Э, ПТИЗ открывается и начинает проходить ток от точки К через эмиттерно-базовый переход биполярного транзистора и открытый ПТИЗ к точке Э. При этом открывается биполярный транзистор, через который проходит ток от точки К к точке Э. Буквами Э, К, З обозначены эмиттер, коллектор и затвор БТИЗ. БТИЗ могут работать только в ключевом режиме.

БТИЗ в настоящее время получили наибольшее распространение в устройствах силовой электроники при мощностях от сотен Вт до тысячи кВт.

Рисунок 6.2. Упрощенная схема замещения БТИЗ

Анализ опасных факторов

Согласно ГОСТ 12.0.003-99 системы стандартов безопасности труда опасные и вредные производственные факторы подразделяют по природе действия на физические, химические, биологические и психофизиологические.

В таблице 8.1 приведены характеристики опасных и вредных производственных факторов, действующих на обслуживающий персонал.

Таблица8.1 Характеристика опасных и вредных производственных факторов (ОВПФ)

Продолжение таблицы 8.1

ОВПФ	Источник	Норма	Документ	Чем обеспечивается Защита
Повышенная температура воздуха		18÷20	ГОСТ12.1.005-91	Кондиционирование
Скорость движения воздуха		До 0,2м/с	ГОСТ12.1.005-91	Кондиционирование

В соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.019-01, 12.1.038-01 мероприятия по защите работающих от действия электрического тока подразделяются на:

организационные;

коллективные;

индивидуальные.

К организационным мероприятиям относятся:

назначение лиц, ответственных за организацию и производство работ;

оформление работы распоряжением;

допуск к работе;

надзор во время работы.

К коллективным мероприятиям относятся:

отключения питания;

обеспечение невозможности ошибочного включения;

установка знаков безопасности и ограждение частей оставшихся под напряжением.

К индивидуальным мероприятиям относятся использование работающим индивидуальных средств защиты.

К техническим способам защиты относятся:

защитное заземление;

зануление;

защитное отключение.

Требование безопасности к оборудованию лаборатории отражены в ГОСТ 12.2.003-91.

Безопасность оборудования стендов обеспечивается:

выбором рациональных конструкций и безопасностью их элементов;

применением средств автоматизации, дистанционного управления, блокировок, сигнализации и средств защиты;

герметизацией оборудования;

мероприятиями по снижению нервно-психических нагрузок и выполнению требований эргономики.

СБОРКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Особенности процесса сборки

Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем является наиболее трудоемким и ответственным технологическим этапом в общем цикле их изготовления. От качества сборочных операций в сильной степени зависят стабильность электрических параметров и надежность готовых изделий.

Этап сборки начинается после завершения групповой обработки полупроводниковых пластин по планарной технологии и разделе­ния их на отдельные элементы (кристаллы). Эти кристаллы, могут иметь простейшую (диодную или транзисторную) структуру или включать в себя сложную интегральную микросхему (с большим количеством активных и пассивных элементов) и поступать на сборку дискретных, гибридных или монолитных композиций.

Трудность процесса сборки заключается в том, что каждый класс дискретных приборов и ИМС имеет свои конструктивные особенности, которые требуют вполне определенных сборочных операций и режимов их проведения.

Процесс сборки включает в себя три основные технологические операции: присоединение кристалла к основанию корпуса; присоединение токоведущих выводов к активным и пассивным элементам полупроводникового кристалла к внутренним элементам корпуса; герметизация кристалла от внешней среды.

Присоединение кристалла к основанию корпуса

Присоединение кристалла полупроводникового прибора или ИМС к основанию корпуса проводят с помощью процессов пайки, приплавления с использованием эвтектических сплавов и приклеи­вания.

Основным требованием к операции присоединения кристалла является создание соединения кристалл -основание корпуса, об­ладающего высокой механической прочностью, хорошей электро- и теплопроводностью.

Пайка - процесс соединения двух различных деталей без их расплавления с помощью третьего компонента, называемого при­поем. Особенностью процесса пайки является то, что припой при образовании паяного соединения находится в жидком состоянии, а соединяемые детали - в твердом.

На рис. 1, а показан вариант присоединения кристалла ИМС, имеющего медные облуженные кон­тактные выступы, к подложке. Та­кая конструкция выводов не боится растекания припоя по подложке. Наличие высокого грибообразного выступа обеспечивает необходимый зазор между полупроводниковым кристаллом и подложкой при расплавлении припоя. Это позволяет проводить присоединение кристалла к подложке с высокой степенью точ­ности.

На рис. 1, в показан вариант сборки кристаллов, имеющих мяг­кие столбиковые выводы из припоя на основе олово-свинец.

П
рисоединение такого кристалла к основанию корпуса проводят обычным нагревом без дополнитель­ного давления на кристалл. Припой контактных выступов при нагрева­нии и расплавлении не растекается по поверхности облуженных участ­ков основания корпуса за счет сил поверхностного натяжения. Это, кроме того, обеспечивает определен­ный зазор между кристаллом и под­ложкой.

Рассмотренный метод присоединения кристаллов ИМС к осно­ванию корпуса или к какой-либо плате позволяет в значительной степени механизировать и автоматизировать технологический про­цесс сборки.

Приплавление с использованием эвтектических сплавов. Этот способ присоединения полупроводниковых кристаллов к основанию корпуса основан на образовании расплавленной зоны, в которой происходит растворение поверхностного слоя полупроводникового материала и слоя металла основания корпуса.

В промышленности широкое применение получили два эвтекти­ческих сплава: золото-кремний (температура плавления 370°С) я золото-германий (температура плавления 356°С). Процесс эвтектического присоединения кристалла к основанию корпуса имеет две разновидности. Первый вид основан на использовании прокладки из эвтектического сплава, которая располагается между соединяемыми элементами: кристаллом и корпусом. В этом виде соединения поверхность основания корпуса должна иметь зо­лотое покрытие в виде тонкой пленки, а поверхность полупроводни­кового кристалла может не иметь золотого покрытия (для кремния и германия) или быть покрытой тонким слоем золота (в случае присоединения других полупроводниковых материалов). При на­греве такой композиции до температуры плавления эвтектического сплава между соединяемыми элементами (кристалл-основание корпуса) образуется жидкая зона. В этой жидкой зоне происходит с одной стороны растворение слоя полупроводникового материала кристалла (или слоя золота, нанесенного на поверхность кри­сталла).

После охлаждения всей системы (основание корпуса - эвтектический расплав-полупроводниковый кристалл) происходит за­твердевание жидкой зоны эвтектического сплава, а на границе полупроводник-эвтектический сплав образуется твердый раствор. В результате этого процесса создается механически прочное соеди­нение полупроводникового материала с основанием корпуса.

Второй вид эвтектического присоединения кристалла к основа­нию корпуса обычно реализуется для кристаллов из кремния или германия. В отличие от первого вида для присоединения кристал­ла не используется прокладка из эвтектического сплава. В этом случае жидкая зона эвтектического расплава образуется в резуль­тате нагрева композиции позолоченное основание корпуса-кри­сталл кремния (или германия). Рассмотрим подробнее этот процесс. Если на поверхность основания корпуса, имеющего тонкий слой золотого покрытия, поместить кристалл кремния, не имеющий золотого покрытия, и всю систему нагреть до температуры на 40-50°С выше температуры эвтектики золото-кремний, то между соединяемыми элементами образуется жидкая фаза эвтектического состава. Так как процесс сплавления слоя золота с кремнием явля­ется неравновесным, то количество кремния и золота, растворив­шихся в жидкой зоне, будет определяться толщиной золотого по­крытия, температурой и временем проведения процесса сплавления. При достаточно больших выдержках и постоянной температуре процесс сплавления золота с кремнием приближается к равновес­ному и характеризуется постоянным объемом жидкой фазы золо­то-кремний. Наличие большого количества жидкой фазы может привести к вытеканию ее из-под кристалла кремния к его перифе­рии. При затвердевании вытекшая эвтектика приводит к образова­нию достаточно больших механических напряжений и раковин в структуре кристалла кремния, которые резко снижают прочность сплавной структуры и ухудшают ее электрофизические параметры.

При минимальных значениях времени и температуры сплавление золота с кремнием происходит не равномерно по всей площади соприкосновения кристалла с основанием корпуса, а лишь в ее от­дельных точках.

В результате этого уменьшается прочность сплавного соедине­ния, увеличиваются электрическое и тепловое сопротивления кон­такта и снижается надежность полученной арматуры.

Существенное влияние на процесс эвтектического сплавления оказывает состояние поверхностей исходных соединяемых элемен­тов. Наличие загрязнений на этих поверхностях приводит к ухуд­шению смачивания контактирующих поверхностей жидкой фазой и неравномерному растворению.

Приклеивание -это процесс соединения элементов друг с дру­гом, основанный на клеящих свойствах некоторых материалов, которые позволяют получать механически прочные соединения между полупроводниковыми кристаллами и основаниями корпусов (металлическими, стеклянными или керамическими). Прочность склеивания определяется силой сцепления между клеем и склеива­емыми поверхностями элементов.

Склеивание различных элементов интегральных схем дает воз­можность соединять самые разнообразные материалы в различных сочетаниях, упрощать конструкцию узла, уменьшать его массу, снижать расход дорогостоящих материалов, не применять припоев и эвтектических сплавов, значительно упрощать технологические процессы сборки самых сложных полупроводниковых приборов и ИМС.

В результате приклеивания можно получать арматуры и слож­ные композиции с электроизоляционными, оптическими и токопроводящими свойствами. Присоединение кристаллов к основанию корпуса с помощью процесса приклеивания незаменимо при сборке и монтаже элементов гибридных, монолитных и оптоэлектронных схем.

При приклеивании кристаллов на основания корпусов применя­ют различные типы клеев: изоляционные, токопроводящие, светопроводящие и теплопроводящие. По активности взаимодействия между клеем и склеиваемыми поверхностями различают полярные (на основе эпоксидных смол) и неполярные (на основе полиэти­лена).

Качество процесса приклеивания в значительной степени зави­сит не только от свойств клея, но и от состояния поверхностей склеиваемых элементов. Для получения прочного соединения необ­ходимо тщательно обработать и очистить склеиваемые поверхно­сти. Важную роль в процессе склеивания играет температура. Так, при склеивании элементов конструкций, которые не подвергаются в последующих технологических операциях воздействию высоких температур, можно использовать клеи холодного отверждения на эпоксидной основе. Для приклеивания кремниевых кристаллов к металлическим или керамическим основаниям корпусов обычно используют клей ВК-2, представляющий собой раствор кремний-органической смолы в органическом растворителе с мелкодиспергированным асбестом в качестве активного наполнителя или ВК-32-200, в котором в качестве наполнителя используют стекло или кварц.

Технологический процесс приклеивания полупроводниковых кристаллов проводят в специальных сборочных кассетах, обеспе­чивающих нужную ориентацию кристалла на основании корпуса и необходимое прижатие его к основанию. Собранные кассеты в зависимости от используемого клеящего материала подвергают определенной термической обработке или выдерживают при ком­натной температуре.

Особые группы составляют электропроводящие и оптические клеи, используемые для склеивания элементов и узлов гибридных и оптоэлектронных ИМС. Токопроводящие клеи представляют собой композиции на основе эпоксидных и кремнийорганических смол с добавлением порошков серебра или никеля. Среди них наи­более широкое распространение получили клеи АС-40В, ЭК-А, ЭК-Б, К-3, ЭВТ и КН-1, представляющие собой пастообразные жидкости с удельным электрическим сопротивлением 0,01- 0,001 Ом-см и диапазоном рабочих температур от -60 до +150°С. К оптическим клеям предъявляют дополнительные требования по значению коэффициентов преломления и светопропускания. Наи­более широкое распространение получили оптические клеи ОК.-72 Ф, ОП-429, ОП-430, ОП-ЗМ.

Основными параметрами режима термокомпрессионной сварки являются удельное давление, температура нагрева и время сварки, Удельное давление выбирают в зависимости от допустимого на­пряжения сжатия кристалла полупроводника и допустимой дефор­мации материала привариваемого вывода. Время сварки выбирают экспериментальным путем.

Относительная деформация при термокомпрессионной сварке

,

где d-диаметр проволоки, мкм; b-ширина соединения, мкм.

Давление на инструмент определяют, исходя из распределения напряжений на стадии завершения деформации:

,

г

де A-коэффициент, характеризующий изменение напряжений в процессе деформации проволоки; f-приведенный коэффициент трения, характеризующий трение между инструментом, проволо­кой и подложкой; -относительная деформация; -предел те­кучести материала проволоки при температуре деформации; d- диаметр проволоки;D-диаметр прижимного инструмента, рав­ный обычно (2ч3)d.

Рис. 2. Номограмма для выбора режимов термокомпрессионной сварки:

а- золотой проволоки с плёнкой алюминия; б- алюминиевой проволоки с плёнкой алюминия

На рис. 2 приведены номограммы режимов термокомпрес­сионной сварки золотой (а) и алюминиевой (б) проволоки с алю­миниевыми контактными площадками. Эти номограммы дают воз­можность оптимального выбора соотношения между давлением, температурой и временем.

Термокомпрессионная сварка имеет довольно много разновид­ностей, которые можно классифицировать по способу нагрева, по способу присоединения, по форме инструмента. По способу нагре­ва различают термокомпрессионную сварку с раздельным нагревом иглы, кристалла или пуансона, а также с одновременным нагре­вом двух из этих элементов. По способу присоединения термоком­прессионная сварка может быть встык и внахлест. По форме инструмента различают «птичий клюв», «клин», «капилляр» и «иглу» (рис. 14.3).

При сварке инструментом «птичий клюв» одно и то же устройство подает проволоку, присоединяет ее к контактным площадкам интегральной схемы и автоматически обрывает, не выпуская ее из «клюва». Инструмент в виде «клина» прижимает конец проволоки к подложке, при этом вдавливается не вся проволока, а только центральная ее часть. При сварке с помощью «капиллярного инст­румента» проволока проходит через него. Капиллярный наконеч­ник одновременно служит инструментом, передающим давление на проволоку. При сварке «иглой» конец проволочного вывода подво­дят в зону сварки специальным механизмом и накладывают на контактную площадку, а затем прижимают ее иглой с определенным усилием.

Р

ис. 3. Типы инструментов для проведения термокомпрессионной сварки:

а- «птичий клюв»; б- «клин»; в- «капилляр»; г- «игла»

Для осуществления процесса термокомпрессионной сварки ис­пользуются различные установки, основными узлами которых являются: рабочий столик с нагревательной колонкой или без нее, механизм создания давления на присоединяемый вывод, рабочий инструмент, механизм подачи и обрыва проволоки для выводов, механизм подачи кристаллов или деталей с присоединенным к ним кристаллом; механизм совмещения соединяемых элементов, опти­ческая система визуального наблюдения процесса сварки, блоки питания и управления. Все перечисленные узлы могут иметь раз­личное конструктивное исполнение, однако принцип их устройства и характер выполняемой работы одинаков.

В настоящее время для присоединения выводов к контактным площадкам кристаллов интегральных схем используются два спо­соба электроконтактной сварки: с односторонним расположением двух электродов и с односторонним расположением одного сдвоен­ного электрода. Второй способ отличается от первого тем, что ра­бочие электроды выполнены в виде двух токонесущих элементов, разделенных между собой изоляционной прокладкой. В момент прижатия такого электрода к проволочному выводу и пропускания через образовавшуюся систему электродного тока происходит вы­деление большого количества теплоты в месте контакта. Внешнее давление в сочетании с разогревом деталей до температуры плас­тичности или расплавления приводит к прочному их соединению.

Механизм подачи кристаллов включает в себя набор кассет, а ме­ханизм совмещения-систему манипуляторов, которые позволяют располагать кристалл в нужном положении. Оптическая визуаль­ная система наблюдения состоит из микроскопа или проектора. Блок питания и управления позволяет задавать рабочий режим сварки и производить его перестройку и регулировку при смене типа кристалла и материала вывода.

Холодная сварка. Метод герметизации холодной сваркой широко используется в электронной промышленности. В тех случаях, когда при герметизации исходных деталей корпусов недопустим их на­грев и требуется высокая чистота процесса, применяют холодную сварку-сварку под давлением. Кроме того, холодная сварка обес­печивает прочное герметичное соединение наиболее часто исполь­зуемых разнородных металлов (меди, никеля, ковара и стали).

К недостаткам данного метода следует отнести наличие значи­тельной деформации деталей корпусов в месте соединения, что приводит к существенному изменению формы и габаритных разме­ров готовых изделий.

Изменение наружного диаметра корпуса прибора зависит от толщины исходных свариваемых деталей. Изменение наружного диаметра готового прибора после проведения процесса холодной сварки

где - толщина буртика верхней детали до сварки; - толщи­на буртика нижней детали до сварки.

Большое значение для проведения процесса холодной сварки имеет наличие на поверхности соединяемых деталей пленки оксида. Если эта пленка пластичная и более мягкая, чем основной металл, то под давлением она растекается во все стороны и утоньшается, разделяя тем самым чистые металлические поверхности, в резуль­тате чего сварка не происходит. Если оксидная пленка более хруп­кая и твердая, чем покрываемый ею металл, то под давлением она трескается, причем растрескивание происходит одинаково на обеих соединяемых деталях. Загрязнения, имевшиеся на поверхности пленки, оказываются упакованными с обеих сторон в своеобразные пакеты, прочно зажатые по краям. Дальнейшее увеличение давле­ния приводит к растеканию чистого металла к периферийным уча­сткам. Наибольшее растекание происходит в серединной плоскости образовавшегося шва, благодаря чему все пакеты с загрязнения­ми вытесняются наружу, а чистые поверхности металла, всту­пая в межатомные взаимодействия, прочно сцепляются друг с другом.

Таким образом, хрупкость и твердость-это основные качества оксидной пленки, обеспечивающие герметичное соединение. Так как у большинства металлов толщина покрытия оксидными плен­ками не превосходит 10-7 см, детали из таких металлов перед сваркой никелируют или хромируют. Пленки никеля и хрома об­ладают достаточной твердостью и хрупкостью и, следовательно, значительно улучшают сварное соединение.

Перед проведением процесса холодной сварки все детали обез­жиривают, промывают и сушат. Для образования качественного соединения двух металлических деталей необходимо обеспечить достаточную деформацию, пластичность и чистоту свариваемых деталей.

Степень деформации К при холодной сварке должна находить­ся в пределах 75-85%:

,

где 2Н-суммарная толщина свариваемых деталей; t-толщина сварного шва.

Прочность сварного соединения

где Р - усилие разрыва; D - диаметр отпечатка выступа пуансо­на; Н - толщина одной из свариваемых деталей с наименьшим размером; -предел прочности на растяжение с наименьшим значением.

Для деталей корпусов при холодной сварке рекомендуются сле­дующие сочетания материалов: медь МБ-медь МБ, медь МБ-медь М1, медь МБ-сталь 10, сплав Н29К18 (ковар) -медь МБ, ковар-медь М1.

Критические давления, необходимые для пластической дефор­мации и холодной сварки, например для сочетания медь-медь, составляют 1,5*109 Н/м2, для сочетания медь - ковар они равны 2*109 Н/м2.

Герметизация пластмассой. Дорогостоящую герметизацию стек­лянных, металлостеклянных, металлокерамических и металлических корпусов в настоящее время успешно заменяют пластмассовой герметизацией. }В ряде случаев это повышает надежность приборов и ИМС, так как устраняется контакт полупроводникового кристал­ла с газовой средой, находящейся внутри корпуса.

Пластмассовая герметизация позволяет надежно изолировать кристалл от внешних воздействий и обеспечивает высокую механи­ческую и электрическую прочность конструкции. Для герметизации ИМС широко используют пластмассы на основе эпоксидных, крем-нийорганических и полиэфирных смол.

Основными методами герметизации являются заливка, обвола­кивание и опрессовка под давлением. При герметизации заливкой используют полые формы, в которые помещают полупроводниковые кристаллы с припаянными внешними выводами. Внутрь форм за­ливают пластмассу.

При герметизации приборов обволакиванием берут два (или более) вывода, изготовленных из ленточного или проволочного ма­териала, соединяют их между собой стеклянной или пластмассовой бусой и на один из выводов напаивают полупроводниковый кри­сталл, а к другому (другим) выводу присоединяют электрические контактные проводники. Полученную таким образом сборку герме­тизируют обволакиванием пластмассой.

Наиболее перспективным путем решения проблемы сборки и герметизации приборов является герметизация кристаллов с актив­ными элементами на металлической ленте с последующей гермети­зацией пластмассой. Преимущество этого метода герметизации со­стоит в возможности механизации и автоматизации процессов сбор­ки различных типов ИМС. Основным элементом конструкции пласт­массового корпуса является металлическая лента. Для выбора профиля металлической ленты необходимо исходить из размеров кристаллов, тепловых характеристик приборов, возможности мон­тажа готовых приборов на печатную плату электронной схемы, максимальной прочности на отрыв от корпуса, простоты конст­рукции.

Технологическая схема пластмассовой герметизации прибора включает в себя основные этапы планарной технологии. Присоеди­няют полупроводниковые кристаллы с активными элементами к металлической ленте, покрытой золотом, эвтектическим сплавле-нием золота с кремнием или обычной пайкой. Металлическую ленту изготовляют из ковара, меди, молибдена, стали, никеля.

Приложения

Р

ис. 3. Схема сборки веерного типа

Р
ис. 4. Схема сборки с базовой деталью

Р

ис. 5. Схема сборки (а) и разрез ИС (б) в круглом корпусе:

1-балон; 2-соединительные проводники; 3-кристалл; 4-контактные площадки; 5-припой; 6-колпачёк ножки; 7-стекло; 8-выводы; 9-спай выводов со стеклом; 10-соединение электроконтактной сваркой баллона и ножки; 11-металлизационный слой (шина)

Рис. 6. Схема соединения (сборки) кристалла с шариковыми выводами и подложки пайкой:

1
-кристалл; 2-контактная площадка; 3-стекло; 4-шарик медный; 5-медная подушка; 6-припой (высокотемпературный); 7-припой (низкотемпературный); 8-вывод из сплава AgPb; 9-подложка.

Рис. 7. Схема соединения (сборки) кристалла с балочными выводами и подложки пайкой:

1-золотой балочный вывод; 2-силицид пластины; 3-кристалл; 4-нитрид кремния; 5-платина; 6-титан; 7-подложка; 8-золотая контактная площадка.

Рис. 8. Схема линии сборки интегральных схем

На линии сборки используют трансферные ленты. Сборка и транспортировка осуществляются на коваровой ленте, которую на участках Л и Б подвергают фотолитографии для получения выво­дов 2 (рис. 10, а). На участкахВ, Г и Д на базе ленты с выводны­ми рамками изготавливают корпуса приборов с золочеными выво­дами. Отрезки ленты с корпусами поступают на сборку. Лента 2, сматываясь с катушки 1, подвергается промывке и обезжириванию в ванне 3 и нанесению фоторезиста в ванне 4, экспонированию в установке 5 с помощью ультрафиолетовой лампы 7. Роль маски в установке выполняет непрерывно движущаяся синхронно с лентой 2лента 6. Затем ленты промывают в ваннах 8 и 9. Выводы рамки 2 (рис. 10, а) и перфорационные отверстия вытравливают в ванне 10. Слой фоторезиста удаляют в ванне 11, и на выходе ленту сушат. Полученные перфорационные отверстия используют для натяжения и перемещения ленты с помощью звездочки 12. В установке 13 на коваровую ленту с выводами приклеивают с двух сторон трансферную ленту со слоем припоечного стекла. Полученная система обжи­гается, адгезивный слой выгорает, а стекло спаивается с металлом основной ленты (рис. 10, б). Охлаждение до комнатной темпе­ратуры производят в камере 14. С помощью устройства 15 на стеклянные слои приклеивают маскирующие ленты с окнами, через ко­торые в ванне16 осуществляют вытравливание полостей до обна­ружения внутренних выводов (рис. 10, е).

П
олученные таким образом из металлической и стеклянных лент корпусные блоки подают в ванну 17 для золочения выводов. На устройстве 18 лента режется на отрезки с корпусами, которые по конвейеру 19 подаются на сборку. Кристалл с готовыми структура­ми методом перевернутого монтажа лицевой стороной вниз с по­мощью шариковых выступов присоединяют к системе выводов внут­ри полученного корпуса (рис. 10, г). Герметизацию корпуса в за­щитной среде производят отрезками коваровой ленты 7, которые припаивают к основанию с помощью стекла, нагреваемого инстру­ментом (рис. 10, д). Полученная микросхема представлена на рис. 10, е

Рис. 9. Трансферная лента:

1-несущий слой; 2-трансферный слой; 3-адгезивный слой; 4-антиадгезивная бумага

Р

ис. 10. Схема автоматизированной сборки ИС на ленте:

1-лента-носитель; 2- выводы (после травления); 3- перфорация для перемещения ленты; 4-стеклянная лента-припой; 5-полость корпуса ИС; 6-кристалл с гото­выми структурами; 7 - корпус; 8-крышка; 9-нагревательный инструмент

Анализ отказов полупроводниковых приборов и микросхем показывает, что в большинстве случаев они связаны с повышением предельно допустимых напряжений и токов, а также с механическими повреждениями. Чтобы во время ремонта и регулировки полупроводниковые приборы и микросхемы не выходили из строя, необходимо соблюдать меры предосторожности. Произвольная замена радиоэлементов, определяющих режим схемы, недопустима даже на короткое время, так как это может привести к перегрузкам транзисторов, микросхем и выходу их из строя. Особенно тщательно надо следить за тем, чтобы щупами измерительных приборов не вызвать случайного замыкания цепей схемы. Не следует подключать к полупроводниковым приборам источник сигнала с малым внутренним сопротивлением, потому что через них могут протекать большие токи, превышающие предельно допустимые значения.

Исправность полупроводниковых диодов можно проверить с помощью омметра. Степень их годность определяют путем измерения прямого и обратного сопротивлений. В случае пробоя диода указанные сопротивления будут равны и составят несколько Ом, а при обрыве они будут бесконечно велики. Исправные диоды имеют прямое сопротивление в пределах: германиевые точечные - 50-100 Ом; кремниевые точечные - 150-500 Ом и плоскостные (германиевые и кремниевые) - 20-50 Ом.

При измерении сопротивления диода, имеющего утечку, показание стрелки прибора медленно уменьшается и, достигнув определенного значения, стрелка прибора останавливается. При повторном измерении процесс повторяется снова. Диоды с такими дефектами следует заменить. Взамен вышедших из строя подбирают диоды того же типа или аналоги, проверяют их и определяют полярность включения.

Проверку исправности транзисторов и измерение их основных параметров можно производить с помощью специального испытателя параметров транзисторов типа Л2-23. С помощью испытателя можно быстро определить коэффициент передачи тока "альфа", обратный ток коллектора, наличие или отсутствие пробоя между эмиттером и коллектором и др. Измерение таких важнейших эксплуатационных параметров позволяет судить о возможностях дальнейшего использования транзистора в схемах БРЭА.

При отсутствии специального прибора исправность транзисторов можно определить путем измерения сопротивления р-п-переходов с помощью омметра. Измерение рекомендуется выполнять на высшем диапазоне измерений омметра, где протекающий ток минимальный.

Проверку исправности микросхем начинают с измерения постоянных и импульсных напряжений на их выводах. Если результаты измерений отличаются от требуемых, то следует установить причину: дефекты в подсоединенных к ИМС радиоэлемента, отклонение их значений от номинальных, источник, откуда поступают необходимые импульсные и постоянные напряжения, или неисправность самой ИМС.

Нельзя проверять исправность ИМС методом замены, если для этой цели она должна быть выпаяна из печатной платы. Выпаянную ИМС не рекомендуется устанавливать вновь, даже если проведенная проверка показала ее исправность. Такое требование объясняется тем, что из-за повторного перегрева выводов не гарантируется ее без отказная работа.

При необходимости замены полупроводниковых приборов и микросхем нужно придерживаться следующих правил:

1. Установка и крепление полупроводниковых приборов должны проводиться с сохранением герметичности корпуса прибора. Чтобы предотвратить появление в них трещин, изгиб выводов рекомендуется производить на расстоянии не менее 10 мм от корпуса прибора. Для этого необходимо плоскогубцами жестко фиксировать выводы между местом изгиба и стеклянным изолятором.

2. Замена полупроводниковых приборов, микросхем и микросборок производится только при отключенном питании аппарата. При демонтаже транзистора из схемы сначала выпаивается коллекторная цепь. Базовые выводы транзистора отключают последними, а при монтаже базовый вывод подключается первым. Нельзя подавать напряжение на транзистор, базовый вывод которого отключен.

3. Пайка выводов полупроводниковых приборов производится на расстоянии не менее 10 мм от корпуса прибора, за исключением транзисторов (например, КТ315, КТ361 и др.), для которых это расстояние составляет 5 мм. Между корпусом и местом пайки следует применять теплоотвод. При монтаже микросхему устанавливают на печатную плату с зазором, который обеспечивается конструкцией выводов (выводы не формируются).

4. Электропаяльник должен быть небольшого размера, мощностью не более 40 Вт, с питанием от источника напряжения 12-42 В. Температура жала паяльника не должна превышать 190 град. Цельсия. В качестве припоя необходимо применять сплав с низкой температурой плавления (ПОС-61, ПОСК-50-18, ПОСВ-33). Время пайки каждого вывода не более 3 сек. Интервал между пайками соседних выводов микросхем не менее 10 сек. С целью экономии времени рекомендуется пайку микросхем осуществлять через один вывод. Жало паяльника и корпус (общую шину) радиоаппарата следует заземлять или электропаяльник включать в сеть через трансформатор, так как во время пайки возникновение токов утечки между жалом паяльника, включенного в сеть, и выводами ИМС может привести к выходу ее из строя.

5. Для лучшего охлаждения мощные транзисторы и микросхемы устанавливают на радиаторах. Во избежании выхода из строя этих приборов из-за перегрева при их установке нужно соблюдать правила.

6. Контактные поверхности должны быть чистыми, без шероховатостей, мешающих их плотному прилеганию.

7. Контактные поверхности необходимо смазывать пастой с двух сторон (паста КПТ-8).

8. Винты, крепящие транзистор, должны затягиваться с усилием. При недостаточной затяжки винтов возрастает тепловое сопротивление контакта, что может привести к выходу из строя транзистора.

9. Чтобы заменить микросборок, ее следует вынуть из панели. Для этого нужно на 1-2 мм вытянуть из панели один край микросборки, а затем другой. Затем повторить операцию и окончательно извлечь микросборку без перекосов. Запрещается брать микросборку за плоскость, на которой расположены все элементы. Все операции следует производить, держа микросборку за торцевые части. Микросборка сначала вставляется в направляющие боковые пазы панели. Затем нажимают на нее с одной стороны, пока нижняя кромка этой стороны на пройдет в контакты панели на 1-2 мм. После этого нажимают на микросборку посередине и вводят ее в панель до упора без перекоса.

Министерство Науки и Образования

Реферат на тему:

Применение полупроводниковых приборов

Выполнил:

ученик 10-В класса

Средней Общеобразовательной

Школы №94

Гладков Евгений

Проверила:

Ольга Петровна

г. Харьков, 2004.

Полупроводниковые приборы – различные по конструкции, технологии изготовления и функциональному назначению электронные приборы, основанные на использовании свойств полупроводников. К полупроводниковым приборам относят также полупроводниковые микросхемы, которые представляют собой монолитные законченные функциональные узлы (усилитель, триггер, набор элементов), все компоненты которых изготавливаются в едином технологическом процессе.

Полупроводники – вещества, электронная проводимость которых имеет промежуточное значение между проводимостью проводников и диэлектриков. К полупроводникам относится обширная группа естественных и синтетических веществ различной химической природы, твердых и жидких, с разными механизмами проводимости. Наиболее перспективными полупроводниками в современной технике являются так называемые электронные полупроводники, проводимость которых обусловлена движением электронов. Однако в отличие от металлических проводников концентрация свободных электронов в полупроводниках очень мала и возрастает с повышением температуры, чем объясняется их пониженная проводимость и специфическая зависимость от удельного сопротивления и температуры: если у металлических проводников при нагревании электрическое сопротивление повышается, то у полупроводников оно понижается. Увеличение концентрации свободных электронов с повышением температуры объясняется тем, что с увеличением интенсивности тепловых колебаний атомов полупроводников все большее количество электронов срывается с внешних оболочек этих атомов и получает возможность перемещаться по объему полупроводника. В переносе электричества через полупроводники, помимо свободных электронов могут принимать участие места, освободившиеся от перешедших в свободное состояние электронов – так называемые дырки.

Поэтому и свободные электроны и дырки называют носителями электрического заряда, причём дырке приписывают положительный заряд, равный заряду электрона. В идеальном полупроводнике образование свободных электронов и дырок происходит одновременно, парами, а потому концентрации электронов и дырок одинаковы. Введение же в полупроводник определенных примесей способно привести к увеличению концентрации носителей одного знака и сильно повысить проводимость. Это происходит при условии, что на внешней оболочке атомов примеси находится на один электрон больше (донорные примеси) или на один электрон меньше (акцепторные примеси), чем у атомов исходного полупроводника. В первом случае примесные атомы (доноры) легко отдают лишний электрон, а во втором (акцепторы)– забирают недостающий электрон от атомов полупроводника, создавая дырку. Для наиболее распространённых полупроводников (кремния и германия), являющихся четырёхвалентными химическими элементами, донорами служат пятивалентные вещества (фосфор, мышьяк, сурьма), а акцепторами – трехвалентные (бор, алюминий, индий). В зависимости от преобладающего типа носителей примесные полупроводники делят на полупроводники электронного (п-типа) и дырочного (р-типа).

Зависимость электропроводимости полупроводника от различных внешних воздействий служит основой разнообразных технических приборов. Так, уменьшение сопротивления используется в термисторах, уменьшение сопротивления при освещении– в фоторезисторах. Появление ЭДС при прохождении тока через полупроводник, помещённый в магнитное поле (эффект Холла) применяется для измерения магнитных полей, мощности и т.д. Особенно ценными свойствами обладают неоднородные полупроводники (с изменяющейся от одной части объёма к другой проводимостью), а также контакты разных полупроводников между собой и полупроводников с металлами. Возникающие в таких системах эффекты наиболее ярко проявляются у электронно-дырочных переходов (р-п-переходом). Использование р-п-переходов лежит в основе действия многих полупроводниковых приборов: транзистора, полупроводникового диода, полупроводникового фотоэлемента, термоэлектрического генератора, солнечной батареи.

60-е – 70-е годы составляют эпоху полупроводниковой техники и собственно электроники. Электроника внедряется во все отрасли науки, техники и народного хозяйства. Являясь комплексом наук, электроника тесно связана с радиофизикой, радиолокацией, радионавигацией, радиоастрономией, радиометеорологией, радиоспектроскопией, электронной вычислительной и управляющей техникой, радиоуправлением на расстоянии, телеизмерениями, квантовой радиоэлектроникой.

В этот период продолжалось дальнейшее усовершенствование электровакуумных приборов. Большое внимание уделяется повышению их прочности, надёжности, долговечности. Разрабатывались пальчиковые и сверхминиатюрные лампы, что давало возможность снизить габариты установок, насчитывающих большое количество радиоламп.

Продолжались интенсивные работы в области физики твёрдого тела и теории полупроводников, разрабатывались способы получения монокристаллов полупроводников, методы их очистки и введения примесей. Большой вклад в развитие физики полупроводников внесла советская школа академика А.Ф.Иоффе.

Полупроводниковые приборы быстро и широко распространились за 50-е-70-е годы во все области народного хозяйства. В 1926 г. был предложен полупроводниковый выпрямитель переменного тока из закиси меди. Позднее появились выпрямители из селена и сернистой меди. Бурное развитие радиотехники (особенно радиолокации) в период второй мировой войны дало новый толчок к исследованиям в области полупроводников. Были разработаны точечные выпрямители переменных токов СВЧ на основе кремния и германия, а позднее появились плоскостные германиевые диоды. В 1948 г. американские учёные Бардин и Браттейн создали германиевый точечный триод (транзистор), пригодный для усиления и генерирования электрических колебаний. Позднее был разработан кремниевый точечный триод. В начале 70-х годов точечные транзисторы практически не применялись, а основным типом транзистора являлся плоскостной, впервые изготовленный в 1951 г. К концу 1952 г. были предложены плоскостной высокочастотный тетрод, полевой транзистор и другие типы полупроводниковых приборов. В 1953 г. был разработан дрейфовый транзистор. В эти годы широко разрабатывались и исследовались новые технологические процессы обработки полупроводниковых материалов, способы изготовления p-n- переходов и самих полупроводниковых приборов. В начале 70-х годов, кроме плоскостных и дрейфовых германиевых и кремниевых транзисторов, находили широкое распространение и другие приборы, использующие свойства полупроводниковых материалов: туннельные диоды, управляемые и неуправляемые четырёхслойные переключающие приборы, фотодиоды и фототранзисторы, варикапы, терморезисторы и т.д.

Развитие и совершенствование полупроводниковых приборов характеризуется повышением рабочих частот и увеличением допустимой мощности. Первые транзисторы обладали ограниченными возможностями (предельные рабочие частоты порядка сотни килогерц и мощности рассеяния порядка 100 - 200 МВт) и могли выполнять лишь некоторые функции электронных ламп. Для того же диапазона частот были созданы транзисторы с мощностью в десятки ватт. Позднее были созданы транзисторы, способные работать на частотах до 5 МГц и рассеивать мощность порядка 5 Вт, а уже в 1972 г. были созданы образцы транзисторов на рабочие частоты 20 - 70 МГц с мощностями рассеивания, достигающими 100 Вт и более. Маломощные же транзисторы (до 0,5 - 0,7 Вт) могут работать на частотах свыше 500 МГц. Позже появились транзисторы, работающие на частотах порядка 1000 МГц. Одновременно велись работы по расширению диапазона рабочих температур. Транзисторы, изготовленные на основе германия, имели первоначально рабочие температуры не выше +55 ¸ 70 °С, а на основе кремния - не выше +100 ¸ 120 °С. Созданные позже образцы транзисторов на арсениде галлия оказались работоспособными при температурах до +250 °С, и их рабочие частоты в итоге увеличились до 1000 МГц. Есть транзисторы на карбиде, работающие при температурах до 350 °С. Транзисторы и полупроводниковые диоды по многим показателям в 70-е годы превосходили электронные лампы и в итоге полностью вытеснили их из областей электроники. В интегральной электронике МДП-структуры широко используются для создания транзисторов и на их основе различных интегральных микросхем.

Перед проектировщиками сложных электронных систем, насчитывающих десятки тысяч активных и пассивных компонентов, стоят задачи уменьшения габаритов, веса, потребляемой мощности и стоимости электронных устройств, улучшения их рабочих характеристик и, что самое главное, достижения высокой надёжности работы. Эти задачи успешно решает микроэлектроника - направление электроники, охватывающее широкий комплекс проблем и методов, связанных с проектированием и изготовлением электронной аппаратуры в микроминиатюрном исполнении за счёт полного или частичного исключения дискретных компонентов.

Основной тенденцией микроминиатюризации является "интеграция" электронных схем, т.е. стремление к одновременному изготовлению большого количества элементов и узлов электронных схем, неразрывно связанных между собой. Поэтому из различных областей микроэлектроники наиболее эффективной оказалась интегральная микроэлектроника, которая является одним из главных направлений современной электронной техники. Сейчас широко используются сверхбольшие интегральные схемы, на них построено всё современное электронное оборудование, в частности ЭВМ и т.д.

Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое применение в микроэлектронике - теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.

Биполярный транзистор – универсальный полупроводниковый усилительный прибор, выполняющий те же функции, что и электронная лампа с управляющей сеткой. По аналогии с лампой, биполярный транзистор называют полупроводниковым триодом. Его действие основано на использовании особых свойств неоднородных полупроводников. Особенность транзистора состоит в том, что между электронно-дырочными переходами существует взаимодействие – ток одного из переходов может управлять током другого.

Помимо усиления электрических колебаний, биполярные транзисторы широко используются как бесконтактные коммутационные устройства, в разнообразных генераторных схемах, для преобразования и детектирования колебаний, причём от соответствующих ламповых устройств схемы с биполярными транзисторами отличаются миниатюрностью, высокой экономичностью питания, большой механической прочностью, мгновенной скоростью к действию, большой долговечностью. Максимальные рабочие частоты самых высокочастотных биполярных транзисторов превышают 10000 МГц, наибольшие мощности – примерно 200-250 Вт. К недостаткам биполярных транзисторов относится существенная температурная зависимость их характеристик.

Основные материалы, из которых изготовляют транзисторы - кремний и германий, перспективные – арсенид галлия, сульфид цинка и широкозонные проводники.

Полевой транзистор – полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого сигналом. Полевой транзистор отличается от биполярного тем, что используемый в нём механизм усиления обусловлен носителями заряда только одного знака (электронами или дырками). Полевой транзистор называют также канальным и униполярным транзистором.

Полевые транзисторы имеют ВАХ (вольт-амперные характеристики), подобные ламповым, и обладают всеми принципиальными преимуществами транзисторов. Это позволяет применять их в схемах, в большинстве случаев использовались электронные лампы, например, в усилителях постоянного тока с высокоомным входом, в истоковых повторителях с особо высокоомным входом, в электрометрических усилителях, различных реле времени, RS - генераторах синусоидальных колебаний низких и инфранизких частот, в генераторах пилообразных колебаний, усилителях низкой частоты, работающих от источников с большим внутренним сопротивлением, в активных RC - фильтрах низких частот. Полевые транзисторы с изолированным затвором используют в высокочастотных усилителях, смесителях, ключевых устройствах.

Полевые транзисторы имеют вольт-амперные характеристики, подобные ламповым, и обладают всеми принципиальными преимуществами транзисторов.

Полупроводниковый диод – двухэлектродный полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании свойств электронно-дырочного перехода. Основное свойство полупроводникового диода – односторонняя проводимость, позволяющая применять полупроводниковые диоды в качестве выпрямителей переменного тока. Прообразом современных полупроводниковых диодов был кристаллический детектор, состоящий из кристалла (карборунда, цинкита) и металлической пружинки, острие которой прижималось к поверхности кристалла. Эффект выпрямления у таких детекторов зависел от выбранной точки соприкосновения пружинки с кристаллом и отличался большой неустойчивостью, что требовало периодических поисков "чувствительной" точки. В современных точечных полупроводниковых диодах используются пластинки из кристаллов кремния или германия, а контакт металлической иглы с полупроводником подвергается особой электрической формовке. Эти меры наряду с применением герметической оболочки обеспечивают большую стабильность и долговечность точечных полупроводниковых диодов. Помимо детектирования радиосигналов всех частот вплоть до сотен тысяч МГц, точечные полупроводниковые диоды применяются для преобразования частоты, в измерительной радиоаппаратуре и т.д. и т.п. Наиболее обширную группу полупроводниковых диодов образуют плоскостные диоды, в которых электронно-дырочный переход создается теми же методами, что и в плоскостных транзисторах: вплавлением примесей, путем диффузии примесных веществ в объем исходной пластинки. Полупроводниковые диоды применяются также для многих других целей, в том числе для селекции импульсов определенной полярности, для стабилизации напряжения, в качестве управляемого конденсатора и др. Особыми разновидностями полупроводникового диода являются переключающие диоды с тремя р-п-переходами, двухбазовый диод (применяют главным образом в импульсных пусковых схемах) и туннельный диод, фотодиод и обращенный диод.

Туннельный диод – двухэлектродный диод полупроводниковый прибор, который применяется для усиления и генерирования высокочастотных электрических колебаний и в качестве быстродействующего переключателя в импульсных и электронных логических устройствах. Принцип работы туннельных диодов основан на явлении квантовомеханического туннельного эффекта. Туннельные диоды применяются в широкополосных усилителях, для усиления и генерирования высокочастотных электрических колебаний и в качестве быстродействующего переключателя в импульсных и электронных логических устройствах.

Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую. Внутренний фотоэффект заключается в том, что под воздействием энергии светового излучения в области р-п-перехода происходит ионизация атомов основного вещества и смеси, в результате чего генерируются пары носителей заряда – электрон и дырка. Во внешней цепи, присоединенной к р-п-переходу, возникает ток, вызванный движением этих носителей. Промышленность выпускает германиевые и кремниевые фотодиоды. Разновидность фотодиода, используемого для силового преобразования лучистой энергии, – солнечная батарея, которая является важным источником питания в космической технике, но находит применение для питания аппаратуры и в земных условиях.

Полупроводниковый стабилизатор напряжения (стабилитрон) – это кремниевый плоскостной полупроводниковый диод, напряжение на котором сохраняется с определенной точностью при протекании через него тока в заданном диапазоне. Т.е., если стабилитрон рассчитан на прибивное напряжение 4,5в и напряжение до стабилитрона было, предположим, 5в, то после него его значение будет не больше 4,5в. Если напряжение, на которое рассчитан стабилитрон, в несколько раз меньше напряжения на участке до него, то он будет сильно греться, не исключена и его порча (он сгорит). Стабилитроны изготовляются для стабилизации напряжений от 3 до сотен вольт, благодаря чему находят большое применение в радиотехнике для стабилизации напряжения. Во избежание порчи стабилитрона последовательно с ним включается ограничивающий ток резистор.

Варикап – специально сконструированный полупроводниковый диод, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости. Значение емкости варикапа определяется емкостью р-п-перехода и изменяется при изменении приложенного к переходу (к диоду) напряжения. С электрической цепи с варикапом, появляются составляющие тока новых частот. Это явление используется в радиотехнике для умножения и деления частоты, для параметрического усиления. Варикап может также использоваться для настройки колебательного контура, для автоматической подстройки частоты и частотной модуляции.

Варистор – полупроводниковый прибор, сопротивление которого изменяется по нелинейному закону при изменении приложенного напряжения. К варисторам относятся большинство полупроводниковых, электронных и ионных приборов. Чаще всего варисторы применяются для защиты элементов электрических схем от перенапряжений и контактов реле от разрушения, а также в стабилизаторах амплитуды в качестве элементов, снижающих нелинейные искажения, в схемах преобразования частоты.

Оптрон – полупроводниковый прибор, содержащий источник и приёмник светового излучения, которые оптически и конструктивно связаны между собой. Элементами оптрона являются источник света и фотоприёмник, но существуют оптроны, состоящие из большого количества электросветовых и фотоэлектрических преобразователей. Оптрон представляет собой сочетание в одном корпусе электросветового преобразователя (лампочки накаливания, светодиода) с фотоэлектрическим (фоторезистором, фотодиодом). Такой оптрон позволяет, например, при полной электрической изоляции двух цепей осуществлять управление током в одной цепи путем изменения тока в другой (дистанционное включение, регулирование громкости, АРУ и т.п.). Наряду с элементарным оптроном создаются сложные конструкции, включающие в себя большое число электросветовых и фотоэлектрических преобразователей. Такие оптроны аналогичны интегральным микросхемам. Они позволяют выполнять логическую обработку большого числа сигналов, воспроизводить сложные функции усиления, генерации и преобразования электрических сигналов.

Тиристор – электропреобразовательный полупроводниковый прибор, содержащий три или более р-п-перехода. По числу внешних электродов тиристоры делятся на: двухэлектродные – динисторы и трехэлектродные – тринисторы. Те и другие представляют собой четырёхслойную структуру полупроводника с разного вида проводимостями. Крайние слои являются анодом и катодом, а третий электрод у тринисторов служит управляющим электродом. Поэтому динисторы являются переключающими диодами, а тринисторы – управляемыми. Если такой прибор включить в цепь переменного тока, то он открывается, пропуская ток в нагрузку лишь тогда, когда мгновенное значение напряжения достигает определенного уровня, либо при подаче отпирающего напряжения на специальный управляющий электрод. Маломощные тиристоры находят применение в импульсной технике. Выпускаются мощные тиристоры для применения в устройствах управления электроприводом и в мощных выпрямителях.

Фототиристор отличается от обычного тем, что в его корпусе имеется окно для облучения структуры световым потоком. Поэтому Фототиристор можно отпирать как воздействием светового потока, так и подачей на управляющий электрод электрического импульса управления. Уровень излучения, необходимый для запуска фототиристора, зависит от температуры и анодного напряжения. Для точного запуска фототиристора используют излучения лазеров и светодиодов. Применяются фототиристоры в тех областях, где необходима электрическая изоляция между управляющим сигналом силовой цепью.

Терморезистор – полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется при изменении температуры. Основой терморезисторов являются поликристаллические полупроводниковые материалы с электронной проводимостью – окислы так называемых переходных металлов (от титана до цинка), а также сульфиды, карбиды и нитриды некоторых металлов.

Используются терморезисторы в качестве датчиков устройств противопожарной сигнализации, тепловой защиты, для стабилизации токов и температурной компенсации в транзисторной аппаратуре.

Полупроводниковый светодиод – это излучающий полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения. Конструкцией светодиода предусмотрена возможность вывода светового излучения из области перехода сквозь прозрачное стекло в корпусе.

Светодиоды используются как световые индикаторы, источники излучения в оптоэлектронных парах, при работе с кино- и фототехникой, в устройствах автоматики, вычислительной и измерительной технике.

Условные обозначения полупроводниковых приборов:

Литература

1). Виноградов Ю.В. "Основы электронной и полупроводниковой техники". Изд. 2-е, доп. М., "Энергия", 1972 г.

2). Журнал "Радио", номер 12, 1978 г.

3). Терещук Р.М. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя / 4-е издание, стер. - Киев: Наук. Думка 1989.

4). Бочаров Л.Н. Полевые транзисторы. - М.: Радио и связь, 1984.

5). Полупроводниковые приборы: транзисторы: Справочник / Н.Н.Горюнова. М.; Энергоатомиздат, 1985.

6). Справочник " Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы"; М.: Энергоатомиздат, 1987г.