2.3. Расчет влагозащиты микросхем.

При использовании в технологии сборки ИС герметизирующих полимерных органических материалов (пластмассовые и металлополимерные корпуса) возникает необходимость предусмотреть защиту кристаллов от влаги. Окружающая среда практически всегда представляет собой паровоздушную смесь, органические полимерные материалы "прозрачны" для молекул воды, содержание которой (М) пропорционально парциальному давлению паров воды (Р_H2O):

(2.13)

где Г – коэффициент растворимости (с² / м²), определяющий количество влаги, которое может поглотить полимер в данных климатических условиях.

Скорость процесса поглощения влаги материалом определяет коэффициент диффузии молекул воды Д (м²/с), а способность материала пропускать влагу – коэффициент влагопроницаемости В (с). Последний коэффициент характеризует процесс выравнивания концентраций влаги в двух различных объемах, разделенных мембраной из герметизирующего материала и содержащих различную концентрацию влаги в начальный момент времени. Эти коэффициенты взаимосвязаны:

(2.14)

Значения коэффициентов для различных герметизирующих материалов ИС приведены в таблице 2.3.

Исходными данными для расчета влагозащиты микросхем являются:

• температура окружающей среды Т_C, К,

• относительная влажность окружающей среды , %,

• парциальное давление паров воды в окружающей среде P₀, Па,

• парциальное давление паров воды, приводящее к отказу ИС Р_кр, Па,

• площадь герметизирующей оболочки, через которую диффундирует влага (молекулы воды) в корпус S, м²,

• толщина герметизирующей оболочки d, м,

• внутренний объем корпуса, в котором растворяется влага V, м³,

• коэффициенты В(с), Г(с²/м²), Д(м²/с), описанные выше.

Цель расчета – определить время влагозащиты ИС (), в течение которого обеспечивается безотказная работа микросхемы. При этом следует разделить расчеты, проводимые для корпусов, имеющих свободный внутренний объем (полые) и монолитных корпусов.

При проведении расчетов полагается, что в материале корпуса и его конструкции нет грубых механических дефектов типа пор, трещин, пустот, раковин, являющихся участками ускоренной диффузии влаги в корпус. Кроме того, в расчете не учитывается явление адсорбции влаги на внутренних стенках полого корпуса, что удлиняет .

2.3.1.Оценка влагостойкости полых корпусов.

Влагозащита полых корпусов оценивается временем , за которое давление паров воды внутри корпуса достигнет некоторого критического значения Р_кр, при котором наступает отказ. В зависимости от чувствительности к влаге различных элементов схем, принимают Р_кр = (0,85 – 0,95) P₀. При этом общее время влагозащиты:

(2.15)

где ₀ – время увлажнения материала оболочки,

₁ – время натекания влаги во внутренний объем корпуса.

(2.16)

где d – толщина оболочки, м,

Д – коэффициент диффузии молекул воды в оболочке, м²/с.

Из (2.16) следует, что насыщение материала герметика влагой осуществляется только путем молекулярной диффузии, обычно ₀ следует учитывать при d > 0.1мм.

(2.17)

Если внутри полого корпуса уже имеется воздух, который обладает определенной влажностью с парциальным давлением Р_H, то выражения (2.15 – 2.17) модифицируются:

(2.18)

Внимание! В вышеприведенных формулах (2.17 – 2.18) коэффициент растворимости Г принят для влаги в воздухе Г = 7,5 10^-6 с²/м². Если в полых корпусах внутренний объем с целью дополнительной влагозащиты заполняют герметизирующим материалом (эластомером), то следует использовать при расчете ₁ соответствующее значение Г для этого материала.

Расчетное задание 2.3.

Определить время влагозащиты микросхемы в металлополимерном корпусе при комнатной температуре, при парциальном давлении паров воды в окружающей среде (P₀) ⁼ 1 Па) и критическом давлении паров воды, приводящем к отказу Ркр = 0,95 P₀. Исходные данные для расчета по конкретному варианту приведены в таб­лице 2.2. Рассмотреть случаи:

а) отсутствие влаги внутри корпуса в начальный момент (Р_H);

б) внутри корпуса исходно содержится влага в количестве Р_H = 0,5 P₀;

в) отсутствие влаги в корпусе и заливка внутреннего объема полимерных ма­териалов, тип которого указан в таблице вариантов 2.4.;

г) в присутствии влаги в корпусе Р_H = 0,5 P₀ и при заливке внутреннего объе­ма тем же полимером.

Во всех расчетах общее время влагозащиты привести в сутках.