Wiązanie anodowe

Wiązanie anodowe to proces łączenia płytek w celu uszczelnienia szkła z krzemem lub metalem bez wprowadzania warstwy pośredniej; jest powszechnie używany do uszczelniania płytek szklanych z krzemowymi w elektronice i mikroprzepływach. Ta technika łączenia, znana również jako łączenie wspomagane polem lub uszczelnianie elektrostatyczne, jest najczęściej stosowana do łączenia krzemu ze szkłem i metalu ze szkłem za pośrednictwem pól elektrycznych . Wymagania dotyczące wiązania anodowego to czyste i równe powierzchnie płytek oraz atomowy kontakt między wiążącymi podłożami poprzez wystarczająco silne pole elektrostatyczne. Konieczne jest również zastosowanie szkła borokrzemianowego zawierającego wysokie stężenie jonów alkalicznych. Współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) przetwarzanego szkła musi być zbliżony do współczynnika łączenia.

Wiązanie anodowe można nakładać za pomocą wafli szklanych w temperaturze od 250 do 400 °C lub za pomocą napylanego szkła w temperaturze 400 °C. Strukturyzowane warstwy szkła borokrzemianowego można również osadzać za pomocą odparowywania wiązką elektronów wspomaganego plazmą.

Ta procedura jest najczęściej stosowana do hermetycznego hermetyzowania mikromechanicznych elementów krzemowych. Hermetyzacja podłoża szklanego chroni przed wpływami środowiska, np. wilgocią lub zanieczyszczeniem. Ponadto do wiązania anodowego z krzemem stosuje się inne materiały, np. niskotemperaturową współspalaną ceramikę (LTCC).

Przegląd

Wiązanie anodowe na podłożach krzemowych dzieli się na wiązanie za pomocą cienkiej tafli szkła (płytki) lub warstwy szkła osadzonej na krzemie za pomocą techniki takiej jak napylanie katodowe. Szklany wafel to często zawierające sód okulary Borofloat lub Pyrex. Dzięki pośredniej warstwie szkła możliwe jest również połączenie dwóch płytek krzemowych. Warstwy szkła są osadzane przez napylanie katodowe, wirowanie roztworu szkła lub osadzanie z fazy gazowej na przetworzonej płytce krzemowej. Grubość tych warstw waha się od jednego do kilku mikrometrów, przy czym warstwy szkła typu spin-on wymagają grubości 1 µm lub mniej. Hermetyczne uszczelnienia krzemu ze szkłem za pomocą warstwy aluminium o grubości od 50 do 100 nm mogą osiągnąć wytrzymałość 18,0 MPa. Metoda ta umożliwia zakopanie izolowanych elektrycznie przewodów w interfejsie. Możliwe jest również sklejanie utlenionych termicznie płytek bez warstwy szkła.

Etapy proceduralne wiązania anodowego dzielą się na:

  1. Podłoża kontaktowe
  2. Podgrzewanie podłoży
  3. Klejenie przez zastosowanie pola elektrostatycznego
  4. Schładzanie stosu wafli

z procesem charakteryzującym się następującymi zmiennymi:

  • napięcie wiązania U B
  • temperatura wiązania T B
  • ograniczenie prądowe I B

Typowa siła wiązania wynosi od 10 do 20 MPa zgodnie z testami rozciągania i jest wyższa niż wytrzymałość szkła na pękanie.

Różne współczynniki rozszerzalności cieplnej stanowią wyzwanie dla wiązania anodowego. Nadmierne niedopasowanie może uszkodzić wiązanie poprzez wewnętrzne naprężenia materiału i spowodować zakłócenia w materiałach wiążących. Zastosowanie szkieł zawierających sód, np. Borofloat lub Pyrex, służy zmniejszeniu niedopasowania. Szkła te mają podobny CTE do krzemu w zakresie stosowanej temperatury, zwykle do 400°C.

Historia

Wiązanie anodowe zostało po raz pierwszy wspomniane przez Wallisa i Pomerantza w 1969 r. Jest ono stosowane jako wiązanie płytek krzemowych z płytkami szklanymi zawierającymi sód pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Ta metoda jest stosowana do dziś jako enkapsulacja czujników za pomocą szkieł przewodzących elektrycznie.

Proceduralne etapy wiązania anodowego

Przygotowanie podłoża

Procedura łączenia anodowego jest w stanie równie skutecznie łączyć hydrofilowe i hydrofobowe powierzchnie krzemowe. Chropowatość powierzchni powinna być mniejsza niż 10 nm i wolna od zanieczyszczeń na powierzchni, aby procedura przebiegała prawidłowo. Chociaż wiązanie anodowe jest stosunkowo odporne na zanieczyszczenia, powszechnie stosowana procedura czyszczenia RCA ma na celu usunięcie wszelkich zanieczyszczeń powierzchniowych.

Płytka szklana może być również trawiona chemicznie lub piaskowana w celu utworzenia małych wnęk, w których można umieścić urządzenia MEMS.

Dalszymi mechanizmami wspomagającymi proces wiązania niecałkowicie obojętnych materiałów anodowych może być planaryzacja lub polerowanie powierzchni oraz ablacja warstwy wierzchniej poprzez trawienie elektrochemiczne.

Kontakt z podłożami

Płytki spełniające wymagania są poddawane kontaktowi atomowemu. Gdy tylko kontakt zostanie nawiązany, proces łączenia rozpoczyna się w pobliżu katody i rozciąga się frontami do krawędzi, trwając kilka minut. Procedura wiązania anodowego opiera się na płytce szklanej, która jest zwykle umieszczana nad płytką krzemową. Elektroda styka się z płytką szklaną albo przez igłę, albo przez całą powierzchnię elektrody katodowej.

W przypadku użycia elektrody igłowej wiązanie rozchodzi się promieniowo na zewnątrz, co uniemożliwia uwięzienie powietrza pomiędzy powierzchniami. Promień połączonego obszaru jest w przybliżeniu proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego czasu, jaki upłynął podczas zabiegu. Poniżej temperatur od 350 do 400 ° C i napięcia wiązania od 500 do 1000 V metoda ta nie jest zbyt skuteczna ani niezawodna.

Zastosowanie pełnopowierzchniowej elektrody katodowej pokazuje reakcje wiązań na całym interfejsie po zasileniu potencjału. Jest to wynikiem jednorodnego rozkładu pola elektrycznego w temperaturach około 300°C i napięciu wiązania 250 V. Używając cienkich warstw szkła, potrzebne napięcia można znacznie zmniejszyć.

Nagrzewanie i spajanie za pomocą pola elektrostatycznego

Schemat procedury wiązania anodowego. Górne narzędzie działa jak katoda, a uchwyt jako anoda.


Dryf jonów w szkle wiążącym pod wpływem pola elektrostatycznego. (1) Tworzenie strefy zubożenia (szara) w wyniku dryfowania Na + . (2) Dryf jonów O − w strefie zubożonej.

Płytki są umieszczane między uchwytem a górnym narzędziem używanym jako elektroda wiążąca w temperaturach od 200 do 500 ° C (porównaj z obrazem „schemat procedury łączenia anodowego”), ale poniżej temperatury mięknienia szkła (temperatura zeszklenia). Im wyższa temperatura, tym lepsza ruchliwość jonów dodatnich w szkle.

Przyłożony potencjał elektryczny pomiędzy jest ustawiony na napięcie kilku 100 V. Powoduje to dyfuzję jonów sodu (Na + ) z interfejsu wiązania na tylną stronę szkła do katody. Powoduje to, w połączeniu z wilgocią, powstawanie NaOH. Wysokie napięcie wspomaga dryf jonów dodatnich w szkle do katody. Dyfuzja jest zgodnie z rozkładem Boltzmanna wykładniczo związana z temperaturą. Szkło (NaO 2 ) wraz z pozostałymi jonami tlenu (O 2− ) ma ujemny ładunek objętościowy na powierzchni wiążącej w porównaniu z krzemem (porównaj z rysunkiem „dryfowanie jonów w szkle wiążącym” (1)). Jest to oparte na wyczerpaniu jonów Na + .

Krzem w przeciwieństwie do np. aluminium jest obojętną anodą. W rezultacie żadne jony nie przedostają się z krzemu do szkła podczas procesu wiązania. Wpływa to na dodatni ładunek objętościowy płytki krzemowej po przeciwnej stronie. W rezultacie na barierze wiązania w płytce szklanej powstaje obszar zubożenia o wysokiej impedancji o grubości kilku mikrometrów. W szczelinie między krzemem a szkłem spada napięcie wiązania. Rozpoczyna się proces wiązania jako połączenie procesu elektrostatycznego i elektrochemicznego.

Natężenie pola elektrycznego w obszarze zubożonym jest tak duże, że jony tlenu dryfują do granicy międzyfazowej i przechodzą na zewnątrz, reagując z krzemem, tworząc SiO2 (porównaj z rysunkiem „dryfowanie jonów w szkle wiążącym” (2)). W oparciu o wysokie natężenie pola w obszarze zubożenia lub w szczelinie na granicy faz obie powierzchnie płytek są dociskane do siebie przy określonym napięciu wiązania i temperaturze wiązania. Proces prowadzi się w temperaturze od 200 - 500 °C przez około 5 do 20 min. Zwykle czas wiązania lub uszczelniania wydłuża się, gdy temperatura i napięcie są obniżone. Nacisk jest przykładany, aby stworzyć bliski kontakt między powierzchniami, aby zapewnić dobre przewodnictwo elektryczne w parze płytek. Zapewnia to bliski kontakt powierzchni partnerów wiążących. Cienka uformowana warstwa tlenku między powierzchniami wiązania, siloksan (Si-O-Si), zapewnia nieodwracalne połączenie między partnerami wiązania.

W przypadku stosowania płytek utlenionych termicznie bez warstwy szkła dyfuzja jonów OH- i H + zamiast jonów Na + prowadzi do wiązania.

Schłodzenie podłoża

Po procesie wiązania musi nastąpić powolne chłodzenie przez kilka minut. Można to wspomóc przedmuchaniem gazem obojętnym. Czas chłodzenia zależy od różnicy WRC dla łączonych materiałów: im wyższa różnica WRC, tym dłuższy okres chłodzenia.

Specyfikacja techniczna

Materiały
  • Si-Si
  • Si-szkło
  • Si-LTCC
  • Ceramika Si-szkło-PZT
  • Metal-szkło (Al, Cu, Kovar, Mo, Ni, Invar, ...)
Temperatura
  • Szkło Si: > 250 °C
  • Si-Si (z pośrednią warstwą szkła): > 300 °C
  • Metal-szkło: 200 - 450 °C
Napięcie
  • Szkło Si: 300 - 500 V (maks. < 2000 V)
  • Metal-szkło: 50 - 1500 V
Zalety
  • Łatwe procesy technologiczne
  • Generowanie stabilnych wiązań
  • Generowanie wiązań hermetycznych
  • Klejenie poniżej 450 °C
  • Niskie ograniczenia dla powierzchni Si
Wady
  • Ograniczona dopuszczalna różnica CTE w klejonych materiałach
Badania
  • Integracja procesu produkcyjnego
  • Si-LTCC
  1. ^ a b Wallis, George; Pomerantz, Daniel I. (1969). „Uszczelnianie szkła i metalu wspomagane w terenie”. Journal of Applied Physics . 40 (10): 3946–3949. Bibcode : 1969JAP....40.3946W . doi : 10.1063/1.1657121 .
  2. ^ a b c M. Wiemer; J. Frömel; T. Gessnera (2003). „Trends der Technologieentwicklung im Bereich Waferbonden”. W W. Dötzel (red.). 6. Chemnitzer Fachtagung Mikromechanik & Mikroelektronik . Tom. 6. Technische Universität Chemnitz. s. 178–188.
  3. ^ a b Gerlach, A .; Maas, D.; Seidel, D.; Bartuch, H.; Schundau, S.; Kaschlik, K. (1999). „Niskotemperaturowe anodowe wiązanie krzemu z płytkami krzemowymi za pomocą pośrednich warstw szklanych”. Technologie mikrosystemów . 5 (3): 144–149. doi : 10.1007/s005420050154 .
  4. ^ a b   Leib, Juergen; Hansen, Ulli; Maus, Szymon; Feindt, Holger; Hauck, Karin; Zoschke, Kai; Toepper, Michael (2010). „Wiązanie anodowe przy niskim napięciu przy użyciu cienkich warstw mikrostrukturyzowanego szkła borokrzemianowego”. Trzecia Konferencja Technologiczna Integracji Systemów Elektronicznych ESTC . s. 1–4. doi : 10.1109/ESTC.2010.5642923 . ISBN 978-1-4244-8553-6 .
  5. Bibliografia _ Ghavanini, FA; Haasl, S.; Löfgren, L.; Persson, K.; Rusu, C.; Schjølberg-Henriksen, K.; Enoksson, P. (2010). „Metody charakteryzowania enkapsulacji na poziomie płytki stosowanej na krzemie do wiązania anodowego LTCC”. Dziennik mikromechaniki i mikroinżynierii . 20 (6): 064020. Bibcode : 2010JMiMi..20f4020K . doi : 10.1088/0960-1317/20/6/064020 .
  6. ^ a b   Quenzer, HJ; Dell, C.; Wagnera B. (1996). „Silikonowo-krzemowe wiązanie anodowe z pośrednimi warstwami szkła za pomocą nakręcanych szkieł”. Materiały z dziewiątych międzynarodowych warsztatów na temat systemów mikroelektromechanicznych . s. 272–276. doi : 10.1109/MEMSYS.1996.493993 . ISBN 0-7803-2985-6 .
  7. ^ Schjølberg-Henriksen, K.; Poppe, E.; Moe, S.; Storås, P.; Taklo, MMV; Wang, DT; Jakobsen, H. (2006). „Anodowe wiązanie szkła z aluminium”. Technologie mikrosystemów . 12 (5): 441–449. doi : 10.1007/s00542-005-0040-8 .
  8. ^ a b c d e f g   S. Mack (1997). Eine vergleichende Untersuchung der physikalisch-chemischen Prozesse an der Grenzschicht direkt und anodischer verbundener Festkörper (praca). Jena, Niemcy: VDI Verlag / Instytut Maxa Plancka. ISBN 3-18-343602-7 .
  9. Bibliografia   _ T.Otto; M. Wiemer; J. Frömel (2005). „Sklejanie płytek w mikromechanice i mikroelektronice – przegląd” . W Bernd Michel (red.). Świat opakowań elektronicznych i integracji systemów . DDP Goldenbogen. s. 307–313. ISBN 978-3-93243476-1 .
  10. ^ Plößl, A. (1999). „Bezpośrednie wiązanie wafli: dopasowanie przyczepności między kruchymi materiałami”. Nauka o materiałach i inżynieria . 25 (1–2): 1–88. doi : 10.1016/S0927-796X(98)00017-5 .
  11. ^ a b M. Chiao (2008). „Opakowanie (i łączenie drutem)” . W D. Li (red.). Encyklopedia mikroprzepływów i nanoprzepływów . Springer Science+Business Media.
  12. ^ a b c   G. Gerlach; W. Dötzel (2008). Ronald Pething (red.). Wprowadzenie do technologii mikrosystemów: przewodnik dla studentów (Wiley Microsystem and Nanotechnology) . Wydawnictwo Wiley. ISBN 978-0-470-05861-9 .
  13. ^ ab ; Nitzsche, P . Lange, K.; Schmidt, B.; Grigull, S.; Kreissig, U.; Tomasz B.; Herzog, K. (1998). „ChemInform Abstract: Procesy dryfu jonów w szkle alkaliczno-borokrzemianowym typu Pyrex podczas wiązania anodowego”. ChemInform . 145 (5): 1755-1762. doi : 10.1002/chin.199830293 .
  14. ^ Wallis, George (1975). „Uszczelnianie szkła wspomagane w terenie” . Nauka i technologia ElectroComponent . 2 (1): 45–53. doi : 10.1155/APEC.2.45 .
  15. Bibliografia _ S. Sood (2008). „Opakowanie na poziomie wafla: wymagania dotyczące urządzeń równoważących i właściwości materiałów”. IMAPY . Międzynarodowe Towarzystwo Mikroelektroniki i Opakowań.
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Anodic_bonding&oldid=1004694023 ”