Результаты исследования влагозащитных свойств компаундов марок кэн-1, кэн-1с, кэн-2, кэн-2м, кэн-3, кэн-3с, кэн-4, используемых для защиты алюминиевой металлизации микросхем Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ЛИТЕРАТУРА

1. Гриднев В.Н., Гриднева Г.Н. Проектирование коммутационных структур электронных средств -Москва, 2014. Том 7. 344 с.

2. Aлексеев В.Г., Гриднев В.Н., Нестеров Ю.И., Филин Г.В. Технология ЭВA, оборудование и автоматизация - Москва, Издательство "Высшая Школа". 1984. 392 с.

3. Гриднев В.Н., Яншин A.A. Технология элементов ЭВA - Москва, Издательство "Высшая Школа". 1976. 288 с.

4. Юрков Н.К. Технология производства электронных средств // Учебник - Лань, 2014, - 480 с.

5. Юрков Н.К. Технология радиоэлектронных средств // Учебник - Пенза: Изд-во ПГУ, 2012, - 640

с.

6. Brokaw, Paul and Jeff Barrow, "Grounding for Low- and High-Frequency Circuits," Analog Devices Application Note AN-345. [Брокау, Пол и ДжеффБарроу «Заземление в низко- и высокочастотных схемах»]

7. DiSanto, Greg, "Proper PC-Board Layout Improves Dynamic Range", EDN, November 11, 2004. [ДиСанто, Грег «Правильная топология ПП улучшает динамический диапазон»]

В. Johnson, Howard W., and Martin Graham, High-Speed Digital Design, a Handbook of Black Magic, Prentice Hall, 1993. [Джонсон, ХовардУ., Мартин Грэхем «Проектирование высокоскоростных цифровых схем»]

9. Buxton, Joe, "Careful Design Tames High-Speed Op Amps," Analog Devices Application Note AN-257. [Бакстон, Джо «Правильное проектирование приручает высокоскоростные ОУ»]

10. Ron Mancini Op Amps For Everyone II Design Reference. 2002. August.

11. Зимин Д.В., Гриднев В.Н. Обеспечение качества проектирования многослойных печатных плат при конструировании ВЧ-устройств II Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2 017. Т. 2. С. 183-18 6.

12. Горячев Н.В., Юрков Н.К. Типовой маршрут проектирования печатной платы и структура проекта в СAПР электроники ALTIUM DESIGN // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 2. С. 120-122.

13. Гриднев В.Н., Емельянов Е.И., Власов A-И., Леонидов В.В. Методика автоматизированного проектирования электронных коммутационных структур в среде ALTIUM DESIGNER // Датчики и системы. 2016. В 5 (203). С. 28-36.

14. Гриднев В.Н., Емельянов Е.И., Власов A-И., Карпунин A.A. Методика автоматизированного проектирования электронных коммутационных структур в среде ALTIUM DESIGNER: Управление проектом // Датчики и системы. 2016. В 6 (204). С. 46-52.

15. Гриднев В.Н., Григорьев П.В., Емельянов Е.И., Камышная Э.Н. Методика автоматизированного проектирования электронных коммутационных структур в среде ALTIUM DESIGNER. Разработка библиотеки посадочных мест // Датчики и системы. 2016. В 7 (205). С. 33-41.

16. Aрабов Д.И., Гриднев В.Н., Емельянов Е.И., Леонидов В.В. Методика автоматизированного проектирования электронных коммутационных структур в среде ALTIUM DESIGNER. Разработка библиотеки компонентов // Датчики и системы. 2016. В 8-9 (206). С. 42-51.

17. Власов A-И., Гриднев В.Н., Жалнин В.П., Емельянов Е.И. Методика автоматизированного проектирования электронных коммутационных структур в среде ALTIUM DESIGNER. Схемотехническое проектирование // Датчики и системы. 2016. В10 (207). С. 37-45.

1В. Власов A-И., Гриднев В.Н., Жалнин В.П., Емельянов Е.И. Методика автоматизированного проектирования электронных коммутационных структур в среде ALTIUM DESIGNER. Топологическое проектирование // Датчики и системы. 2016. В11 (208). С. 28-39.

19. Власов A-И., Гриднев В.Н., Жалнин В.П., Емельянов Е.И. Методика автоматизированного проектирования электронных коммутационных структур в среде ALTIUM DESIGNER. Синтез проекта коммутационной структуры // Датчики и системы. 2016. В12 (209). С. 34-45.

20. Гриднев В.Н., Жалнин В.П., Козлова A.K). Комплексная методика автоматизированного технологического проектирования в среде СAМ350 II Информационные технологии в проектировании и производстве. 2017. В 2 (166). С. 55-66.

21. Власов A-И., Гриднев В.Н., Милешин С-A., Козлова A.K). Маршрут технологической подготовки производства печатных плат в среде СAМ350 II Технологии инженерных и информационных систем. 2017. В 1. С. 14-45.

22. Власов A-И., Ганев Ю.М., Карпунин A.A. Системный анализ "Бережливого производства" инструментами визуального моделирования II Информационные технологии в проектировании и производстве. 2015. В 4 (160). С. 19-24.

23. Власов A-И., Ганев Ю.М., Карпунин A.A. Картирование потока создания ценностей в концепции "Бережливого производства" II Информационные технологии в проектировании и производстве. 2016. В 2 (162). С. 23-27.

Гришин М.В., Зелякова Т.И., Рубан С.О.

Филиала 46 Центрального научно-исследовательского института Министерства обороны Российской Федерации, Москва, Россия

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛАГОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ КОМПАУНДОВ МАРОК КЭН-1, КЭН-1С, КЭН-2, КЭН-2М, КЭН-3, КЭН-3С, КЭН-4, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ЗАЩИТЫ АЛЮМИНИЕВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ МИКРОСХЕМ

Приведены результаты экспериментальных исследований влагозащитных характеристик компаундов марок КЭН-1, КЭН-1С, КЭН-2, КЭН-2М, КЭН-3, КЭН-3С, КЭН-4*:равновесное влагопоглощение, коэффициент влагопроницаемости, содержание примесных ионов.

Исследована кинетика сорбции влаги защитными покрытиями (компаундами), характер распределения ее в полимерах. Полученные данные позволят оценить целесообразность использования полимерных защитных покрытий (компаундов) при производстве микросхем для аппаратуры вооружения и военной техники.

Ключевые слова:

ЗЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, КРЕМНИЙОРтНИЧЕСКИЕ КОМПAУНДЫ, AЛЮМИНИЕВAЯ МЕТAЛЛИЗAЦИЯ МИКРОСХЕМ, РAВНОВЕС-НОЕ ВЛAГОПОГЛОЩЕНИЕ, КОЭФФИЦИЕНТ ВЛAГОПРОНИЦAЕМОСТИ, ПРИМЕСНЫЕ ИОНЫ

В настоящее время для защиты кристаллов при Примечание:

производстве микросхем военного назначения при- - компаунды марки КЭН-1(1С,2, 2М, 3, 3С, 4)*

меняются более 3 0-ти кремнийорганических ком- - кремнийорганические эластичные низкотемпера-паундов различной рецептуры. Известно, что крем- турного отверждения, на основе каучука СКТН-Б и нийорганические компаунды обладают высокой тер- отверждающиеся по реакции дегидроконденсации с мостойкостью, хорошими электрофизическими ха- выделением воды;

рактеристиками, однако имеют сравнительно высо- - цифры - 1,2,3,4 - номер рецептуры; М - мо-

кую влагопроницаемость [1,2]. дифицированный; С - стабилизированный.

К материалам, в том числе и к защитным полимерным покрытиям (компаундам) , применяемым в производстве изделий электронной техники, предъявляются весьма жесткие требования, среди которых первостепенное значение имеет их химическая совместимость в составе микросхемы и стойкость к воздействию эксплуатационных факторов (влаги, рабочего напряжения, нагрева) [3]. В этой связи большой интерес представляет изучение сорбцион-ных свойств этих материалов, механизма диффузии влаги в них, так как знание диффузионных свойств конкретных полимеров - непременное условие правильного выбора защитного покрытия при производстве интегральных микросхем военного назначения.

Требованиям химической совместимости с конструкционными элементами микросхем отвечают такие параметры защитных покрытий, как равновесное влагопоглощение, коэффициент влагопроницаемости и содержание примесных ионов коррозионно-актив-ных элементов (калия, натрия, хлора и серы).

Учитывая актуальность проблемы, мы провели исследования сорбционных свойств кремнийоргани-ческих компаундов марок КЭН-1, КЭН-1С, КЭН-2, КЭН-2М, КЭН-3, КЭН-3С, КЭН-4. Для этого по методикам, разработанным в 22 ЦНИИИ Минобороны России (после 2011 года - Филиал 4 6 Центрального научно-исследовательского института Министерства обороны Российской Федерации) и при использовании созданного нами рабочего места, были

определены равновесное влагопоглощение, коэффициент влагопроницаемости исследуемых компаундов и содержание примесных ионов коррозионно-актив-ных элементов в их составе [4,5]. При решении поставленных задач использовались комплексные методы исследования, включающие эксперимент, моделирование, весовой метод и метод рентгенофлу-оресцентной спектроскопии.

Рабочее место включало в себя сушильный шкаф, климатическую установку, позволяющую поддерживать повышенную влажность (95±3)% , температуру (25±5)° С, аналитические весы, микроанализатор «СПЕКТРОСКАН Макс-9У» [5, 6]. Предусмотрены были также устройства для подготовки проб к анализу и средства визуализации результатов анализа. Для испытания использовались образцы полимера, имеющие форму диска диаметром (65±1) мм и толщиной от 0,8 до 2,0 мм, отвержденного по режимам указанным в ТУ. Испытаниям подвергались не менее 5 образцов каждой марки. Испытания проводили при повышенной влажности (95±3)% и температуре (25±5)0С.

Значения равновесного влагопоглощения, коэффициентов: растворимости, диффузии и влагопро-ницаемости для всех исследуемых компаундов пре-ведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты испытаний защитных покрытий

№ п/п Марка компаунда Равновесное влаго- поглощение, Коэффици ент растворимости, Ь кг / (м3 Па) Коэффици ент диффузии, Дм2 /сут Коэффици ент влагопрони- цаемости,Р кг/(м-сут-Па) Продолжительность испытаний, сутки

1 КЭН - 1С 0,045 9,59-10-6 2,5-10-7 1,9-10-12 1,0

2 КЭН - 1 0,052 1,1-10-5 3,8-10-8 4,4-10-13 1,5

3 КЭН - 2 0,062 1,1-10-5 4,8-10-9 5,5-10-14 8,0

4 КЭН - 2М 0,23 3,5-10-6 1,5-10-7 6,3-10-13 2,0

5 КЭН - 3С 0,012 3,3-10-6 3,5-10-8 1,2-10-13 4,0

6 КЭН - 3 0,13 2,4-10-5 4,9-10-8 9,3-10-13 10,0

7 КЭН - 4 0,24 5,8-10-5 2,7-10-8 8,4-10-13 9,0

Продолжительность влагонасыщения у компаундов разная и составила от 1 суток (24 ч). до 10 суток (240 часов). По полученным значениям равновесного влагопоглощения строилась кривая кинетики 0,06

сорбции влаги компаундом в координатах влагопо-глощение (%) - время (сутки). Кривые сорбции компаундов приведены на рисунках 1-7.

гР.05

М

а

ЗД.04

§>.03

и

о

§>,02

§>.01 рр

■ 0,045

г 0,047 0,04^1 1), и 4 Г)

— -1

0.06 о

>.05

а

Г4

о

Н).03

&-Н

о

§3.02

б с;

Рисунок 1 - Кривая сорбции компаундом КЭН-1С

Время, сутки

> > 0 0^

гтГгш

(0 пп

-

2 3 4 5 6 7

Рисунок 2 - Кривая сорбции компаундом КЭН-1

Зремя, сутки

0,07

0,06

Я °-05

о>

В 0.04

со

0,03

0.02 0,01

► Г) 06?

•<034

«^0 011 з

-1

9 10

Вр емя, сутки

Рисунок 3 - Кривая сорбции компаундом КЭН-2

0,02? 0,02

0 О,

§0,015 ®

1

с

о

и

§0.00? Сй

1 п ( Л -1

* и, 1

4 од со

4 б 5 10 12 14 16

Время, сутки

Рисунок 4 - Кривая сорбции компаундом КЭН-2М

0 0.5 1 1,5 2 время, сутки* ,5

Рисунок 5 - Кривая сорбции компаундом КЭН-ЗС

0.3

0,25

га.2

<и

§15

я

о

14),1

О К

£05

IV

Й О

<5^22 » 0.24"» 0.24

<^0,122

-

2 4 6

Рисунок 6 - Кривая сорбции компаундом КЭН-4

8 Время, сутки Ю

Экспериментальные точки хорошо легли на прямую сорбции II типа по классификации, предложенной С. Брунауэром, Л. Демингом, У. Демингом и

Э.Теллером (БЭТ). Изотерма 11-типа характерна для сорбции лэнгмюровского типа, когда зависи-

мость сорбции полимера от относительной влажности линейна [6]. Линейная зависимость сорбции от относительной влажности и низкий коэффициент влагопроницаемости свидетельствует о том, что данные компаунды содержат минимальное количество свободных полярных групп и гидрофильных низкомолекулярных примесей. А также указывает о наличии в цепях полимера помимо группы [-Si - O - Si -], содержатся группы [- Si - СН2 - СН2 - Si -] и, что большая часть влаги конденсируется в микропорах компаунда. Регулярно расположенные пустоты заполняются мономерными молекулами воды. Взаимодействия между молекулами сорбированной воды превосходят взаимодействия макромолекул полимера с молекулами воды. В случае компаунда КЭН-4 увеличение времени пребывания образцов в термовлагокамере приводит к предпочтительному взаимодействию молекул воды друг с другом и, как

Содержание

следствие, к кластерообразованию внутри полимера, о чем свидетельствует кинетика сорбции влаги компаундом КЭН-4 (рис.6). Кластерообразо-вание может приводить к деструкции основных цепей компаунда, к уменьшению густоты сетки этих эластомеров и выделению продуктов деструкции. Причем, отмечена коррозионная активность продуктов деструкции компаундов КЭН-3 и КЭН-3С .

Для определения концентраций ионных примесей были использованы образцы компаундов марок КЭН-1, КЭН-1С, КЭН-2, КЭН-2М, КЭН-3, КЭН-3С, КЭН-4, прошедшие исследования на влагопроницаемость и влагопоглощение, которые не имели нарушений внешнего вида (трещин, сколов, раковин, царапин) и других дефектов. Содержание примесных ионов коррозионно-активных элементов в образцах определяли рентгенофлюорисцентным методом. Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2

ионных примесей

В п/п Марка компаунда Массовая доля ионных примесей, не более, % :Na, K, CI, S

норма фактически

1. КЭН-1 2-10-4 2-10-4 2-10-3 отсутствует Na - 5-10-3 K - 5-10-6 Cl - 1,38*10-3 S - 3-10-6

2. КЭН-1С То же Na - 5-10-3 K - 5-10-6 Cl - 1,64*10-3 S - 3-10-6

3. КЭН-2 То же Na - 5-10-3 K - 5-10-6 Cl- 1.39-10-3 S - 3-10-6

4. КЭН-2М То же Na - 5-10-3 K - 5-10-6 Cl - 1,40*10-3 S - 3-10-6

5. КЭН-3 отсутствует Na - 5-10-3 K - 1,07*10-3 Cl - 2,0*10-4 S - 4,0-10-5

6. КЭН-3С 2-10-4 2-10-4 2-10-3 отсутствует Na - 5-10-3 K - 5-10-6 Cl - 1,53*10-3 S - 3-10-6

7. КЭН-4 То же Na - 5-10-3 K - 5-10-6 Cl - 1,38*10-3 S - 3-10-6

Исследования элементного состава кремнийор-ганических полимеров показали, что в этих защитных покрытиях присутствуют примеси, отличные от указанных в ТУ. Превышение нормы по содержанию ионов хлора, натрия и наличие ионов серы в компаундах могут снижать коррозионную стойкость алюминиевой металлизации изделий микроэлектроники.

Выводы

Установлено, что все исследуемые кремнийор-ганические защитные покрытия (компаунды) следует условно отнести к гидрофобным полимерам, так как значения равновесного содержания воды в них не превышает 1-2%.

На основании полученных данных о сорбции влаги можно утверждать, что сорбированная влага не растворяется в полимерах, а конденсируется на поверхности внутренних микрополостей.

Исследования элементного состава защитных покрытий показали также, что в компаундах присутствуют примеси коррозионно-активных элементов, концентрация которых отличается от указанных в ТУ. Наличие гидрофильных ионных примесей в полимерах увеличивает значение равновесного вла-гопоглощения, коэффициента влагопроницаемости.

Результаты работы позволяют оценить целесообразность использования полимерных защитных покрытий (компаундов) при производстве микросхем для аппаратуры вооружения и военной техники.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нестеров В. Б., Теверовский А.А. Исследование термо-, влагостойкости кремнийорганических компаундов, применяемых для защиты полупроводниковых приборов.//Электронная техника. Сер. Материалы, 1986, вып.3 (214), с.4 9-54.

2. «Исследование и испытание защитных покрытий (компаундов), применяемых в ИС военного назначения» Отчет о НИР Шифр: «Оборона» (I этап) / Отв. исп. Зелякова Т.И./ ФГУП «22 ЦНИИИ Минобороны России».- Мытищи.- 2002.- 41 с.

3. ОСТ 11 0044-84 «Материалы полимерные для защиты и герметизации полупроводниковых приборов и интегральных схем»

4. Зелякова Т.И. Влияние кремнийорганических покрытий на коррозионную стойкость интегральных микросхем: дис.к.т.н., М., 2007.- 144 с

5. Зелякова Т.И., Крутов Л.Н., Баринов П.Е. Комплекс средств для контроля характеристик компаундов // Экономика и производство.—2 0 05. №3.-72 с.

6. Рейтлингер С.А. Проницаемость полимерных материалов.- М.: Химия, 1974, с.104.