Wiązanie eutektyczne
Wiązanie eutektyczne , określane również jako lutowanie eutektyczne, opisuje technikę łączenia płytek z pośrednią warstwą metalu, która może wytworzyć system eutektyczny . Te metale eutektyczne to stopy, które przy określonym składzie i temperaturze przechodzą bezpośrednio ze stanu stałego w ciekły lub odwrotnie, bez przekraczania stanu równowagi dwufazowej, tj. stanu ciekłego i stałego. Fakt, że temperatura eutektyki może być znacznie niższa niż temperatura topnienia dwóch lub więcej czystych pierwiastków, może być ważny w wiązaniu eutektycznym.
Stopy eutektyczne są osadzane przez napylanie katodowe, odparowywanie z dwóch źródeł lub galwanizację. Mogą one również powstawać w wyniku reakcji dyfuzji czystych materiałów, a następnie stopienia kompozycji eutektycznej.
Opracowano wiązanie eutektyczne w celu przeniesienia materiałów epitaksjalnych, takich jak GaAs-AlGaAs, z dużym powodzeniem na podłoża Si, do ogólnego celu integracji optoelektroniki z elektroniką Si, a także do przezwyciężenia podstawowych problemów, takich jak niedopasowanie sieci w hetero-epitaksji, i zgłoszone przez Venkatasubramanian i in. w 1992 r. Walidacja działania urządzenia takich eutektycznych materiałów GaAs-AlGaAs związanych z metalami do ogniw słonecznych została dalej opisana przez Venkatasubramanian i in. w 1994 r. Wiązanie eutektyczne jest w stanie wytworzyć hermetycznie zamknięte opakowania i połączenia elektryczne w ramach jednego procesu (porównaj obrazy ultradźwiękowe). Ponadto procedura ta jest przeprowadzana przy niskich temperaturach obróbki, niskich naprężeniach wynikowych indukowanych w montażu końcowym, wysokiej sile wiązania, dużej wydajności wytwarzania i dobrej niezawodności. Atrybuty te są zależne od współczynnika rozszerzalności cieplnej między podłożami.
Najważniejszymi parametrami wiązania eutektycznego są:
- temperatura klejenia
- czas trwania wiązania
- nacisk narzędzia
Przegląd
Wiązanie eutektyczne opiera się na zdolności krzemu (Si) do łączenia się z licznymi metalami i tworzenia układu eutektycznego. Najbardziej znane formacje eutektyczne to Si ze złotem (Au) lub aluminium (Al). Ta procedura łączenia jest najczęściej stosowana w przypadku płytek krzemowych lub szklanych, które są pokryte warstwą Au/Al i częściowo warstwą kleju (porównaj z poniższym obrazem).
Para Si-Au ma zalety wyjątkowo niskiej temperatury eutektycznej, już powszechnego zastosowania w spajaniu matrycowym i kompatybilności z interkonektami Al. Dodatkowo w tabeli przedstawiono często stosowane stopy eutektyczne do łączenia płytek w produkcji półprzewodników. Wybór odpowiedniego stopu zależy od temperatury obróbki i kompatybilności użytych materiałów.
| Stop eutektyczny | Skład eutektyczny | Temperatura eutektyczna |
|---|---|---|
| Au-In | 0,6 / 99,4% wag. | 156°C |
| Cu-Sn | 5 / 95 % wag. | 231°C |
| Au-Sn | 80 / 20% wag. | 280°C |
| Au-Ge | 72 / 28% wag. | 361°C |
| Au-Si | 97,15 / 2,85 % wag. | 370°C |
| Al-Ge | 49 / 51 % wag. | 419°C |
| Al-Si | 87,5 / 12,5 % wag. | 580°C |
Ponadto wiązanie ma mniejsze ograniczenia dotyczące chropowatości i płaskości podłoża niż łączenie bezpośrednie. W porównaniu z wiązaniem anodowym nie są wymagane wysokie napięcia, które mogą być szkodliwe dla elektrostatycznych MEMS. Dodatkowo procedura wiązania eutektycznego sprzyja lepszemu odgazowaniu i hermetyczności niż wiązanie z organicznymi warstwami pośrednimi. W porównaniu do klejenia fryty szklanej, wybija się zaleta, że możliwe jest zmniejszenie geometrii pierścienia uszczelniającego, zwiększenie poziomów hermetyczności i zmniejszenie rozmiarów urządzenia. Geometria uszczelnień eutektycznych charakteryzuje się grubością 1 - 5 µm i szerokością > 50 µm. Zastosowanie stopu eutektycznego ma tę zaletę, że zapewnia przewodnictwo elektryczne i połączenie z warstwami redystrybucyjnymi.
Temperatura procedury wiązania eutektycznego zależy od użytego materiału. Wiązanie zachodzi w określonym % wagowym i temperaturze, np. 370°C przy 2,85% wagowych Si dla warstwy pośredniej Au (porównaj z diagramem fazowym).
Procedura wiązania eutektycznego dzieli się na następujące etapy:
- Obróbka podłoża
- Kondycjonowanie przed klejeniem (np. usuwanie tlenków)
- Proces klejenia (temperatura, ciśnienie mechaniczne przez kilka minut)
- Proces chłodzenia
Kroki proceduralne
Obróbka wstępna
Przygotowanie powierzchni jest najważniejszym krokiem do uzyskania skutecznego wiązania eutektycznego. Ta procedura wiązania jest spowodowana bardzo ograniczoną obecnością tlenków na podłożach krzemowych w oparciu o słabą zwilżalność Au na warstwie tlenku. Prowadzi to do słabej adhezji wiązania eutektycznego. Tlenek na powierzchni krzemu działa jak bariera dyfuzyjna. Głównym zadaniem przygotowania powierzchni jest ułatwienie osadzania metalu eutektycznego poprzez usuwanie tlenków lub osadzanie warstwy adhezyjnej.
Aby usunąć istniejące natywne warstwy tlenków, można zastosować trawienie chemiczne na mokro (HF clean), trawienie chemiczne na sucho lub chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) z różnymi typami kryształów. Również niektóre zastosowania wymagają wstępnej obróbki powierzchni przy użyciu suchych procesów usuwania tlenków, np. plazma H 2 i plazma CF 4 .
Dodatkową metodą usuwania niechcianych warstw powierzchniowych, tj. tlenków, jest zastosowanie ultradźwięków podczas procesu mocowania. Gdy tylko narzędzie zostanie opuszczone, aplikowana jest względna wibracja między płytką a podłożem. Zwykle spoiwa przemysłowe wykorzystują ultradźwięki o częstotliwości drgań 60 Hz i amplitudzie drgań 100 µm. Udane usunięcie tlenków skutkuje solidnym, hermetycznie szczelnym połączeniem.
Drugą metodą zapewnienia przyczepności metalu eutektycznego do płytki krzemowej jest użycie warstwy adhezyjnej. Ta cienka pośrednia warstwa metalu dobrze przylega do tlenku i metalu eutektycznego. Odpowiednimi metalami na związek Au-Si są tytan (Ti) i chrom (Cr), w wyniku czego powstaje np. Si-SiO 2 -Ti-Au lub Si-SiO 2 -Cr-Au. Warstwa adhezyjna służy do rozbijania tlenku poprzez dyfuzję krzemu do użytego materiału. Typowa płytka składa się z płytki krzemowej z tlenkiem, warstwy Ti lub Cr o grubości 30 - 200 nm oraz warstwy Au o grubości > 500 nm.
W produkcji płytek między złotem a płytką podłoża dodaje się warstwę niklu (Ni) lub platyny (Pt) jako barierę dyfuzyjną. Bariera dyfuzyjna pozwala uniknąć interakcji między Au i Ti/Cr i wymaga wyższych temperatur, aby utworzyć niezawodne i jednorodne wiązanie. Co więcej, bardzo ograniczona rozpuszczalność krzemu w tytanie i chromie może uniemożliwić rozwój kompozycji eutektycznej Au-Si opartej na dyfuzji krzemu przez tytan do złota.
Materiały eutektyczne i opcjonalne warstwy adhezyjne są zwykle uzyskiwane przez osadzanie stopu w jednej warstwie przez galwanizację dwuskładnikową, odparowanie z dwóch źródeł ( fizyczne osadzanie z fazy gazowej ) lub napylanie stopu kompozytu.
Usuwanie zanieczyszczeń z najbardziej utrwalonej dla krzemu warstwy Au odbywa się zwykle za pomocą spłukiwania wodą i podgrzewania płytek.
Proces klejenia
Kontaktowanie podłoży jest stosowane bezpośrednio po wstępnej obróbce powierzchni, aby uniknąć regeneracji tlenków. Procedura wiązania dla utleniania metali (nie Au) odbywa się na ogół w atmosferze zredukowanej 4% wodoru i przepływie obojętnego gazu nośnego, np. azotu. Wymagania dotyczące sprzętu wiążącego dotyczą jednorodności termicznej i ciśnieniowej w całym waflu. Umożliwia to równomierne ściśnięcie linii uszczelnienia.
Podłoże jest wyrównywane i mocowane na podgrzewanym stoliku, a płytka krzemowa w podgrzewanym narzędziu. Substraty włożone do komory spajającej stykają się, utrzymując wyrównanie. Gdy tylko warstwy znajdą się w kontakcie atomowym, rozpoczyna się reakcja między nimi. W celu podtrzymania reakcji stosuje się ciśnienie mechaniczne i przeprowadza się ogrzewanie powyżej temperatury eutektycznej.
Dyfuzyjność i rozpuszczalność złota w podłożu krzemowym wzrasta wraz ze wzrostem temperatury wiązania. W procesie wiązania zwykle preferowana jest temperatura wyższa niż temperatura eutektyczna. Może to skutkować utworzeniem grubszej warstwy stopu Au-Si i dalej silniejszym wiązaniem eutektycznym.
Dyfuzja rozpoczyna się, gdy tylko warstwy stykają się z atomami w podwyższonej temperaturze. Kontaktowana warstwa powierzchniowa zawierająca kompozyty eutektyczne topi się, tworząc stop w fazie ciekłej, przyspieszając dalsze procesy mieszania i dyfuzji, aż do osiągnięcia stanu nasycenia.
Inne popularne eutektyczne stopy wiążące powszechnie stosowane do łączenia płytek obejmują Au-Sn, Al-Ge, Au-Ge, Au-In i Cu-Sn.
Wybrana temperatura wiązania jest zwykle o kilka stopni wyższa niż temperatura eutektyczna, więc stop staje się mniej lepki i łatwo płynie z powodu większej chropowatości do obszarów powierzchni, które nie są w kontakcie z atomami. Aby zapobiec wyciskaniu stopionego materiału poza powierzchnię styku, konieczna jest optymalizacja kontroli parametrów wiązania, np. niewielka siła działająca na płytki. W przeciwnym razie może dojść do zwarć lub nieprawidłowego działania zastosowanych podzespołów (elektrycznych i mechanicznych). Ogrzewanie płytek prowadzi do zmiany tekstury powierzchni z powodu tworzenia się drobnych mikrostruktur krzemu na wierzchu złotej powierzchni.
Proces chłodzenia
Mieszanka materiałów ulega zestaleniu, gdy temperatura spada poniżej eutektyki lub zmienia się stosunek stężeń (dla Si-Au: T < 370 °C ). Zestalenie prowadzi do epitaksjalnego wzrostu krzemu i złota na wierzchu podłoża krzemowego, w wyniku czego liczne małe wyspy krzemowe wystają z polikrystalicznego stopu złota (porównaj z obrazem przekroju poprzecznego interfejsu wiążącego). Może to skutkować siłą wiązania około 70 MPa.
Znaczenie leży w odpowiednich parametrach procesu, tj. wystarczającej kontroli temperatury wiązania. W przeciwnym razie wiązanie pęka z powodu naprężeń spowodowanych niedopasowaniem współczynnika rozszerzalności cieplnej. Ten stres jest w stanie zrelaksować się w czasie.
Przykłady
Ze względu na dużą siłę wiązania procedura ta ma szczególne zastosowanie w przypadku czujników ciśnienia lub płynów. Można również wytwarzać inteligentne mikromechaniczne czujniki i siłowniki z funkcjami elektronicznymi i/lub mikromechanicznymi na wielu płytkach.
Specyfikacja techniczna
| Materiały |
Podłoże:
Warstwa pośrednia:
|
| Temperatura |
|
| Zalety |
|
| Wady |
|
| Badania |
|