CC BY
33
УДК 666.1.037.5
Н.С.ПЩЕЛКО, канд. техн. наук, доцент, [email protected] А.С.ПОЛЛЬ, студент, [email protected] Д.О.РЕПЕТУХ, студент, [email protected] Санкт-Петербургский государственный горный университет
N.S.PSHCHELKO, PhD in eng. sc., associate professor, [email protected] A.S.POLL, student, [email protected] D.O.REPETUH, student, [email protected] Saint Petersburg State Mining University
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИЛОВОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ДЛЯ ВРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО СОЕДИНЕНИЯ
МАТЕРИАЛОВ
Физические процессы, приводящие к появлению больших сил притяжения между телами, соединяемыми электроадгезионным способом, связаны с образованием электрических полей больших напряженностей на границе контакта. Неразрушающий способ контроля прочности получаемых соединений ионный диэлектрик - проводник основан на взаимосвязи между зависимостью тока от времени, протекающего при формировании соединения и прочностью получаемого соединения. Теоретически обоснован новый технологический прием для неразрушающего контроля качественных соединений. Полученные результаты подтверждаются экспериментально.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, адгезия, электрическое поле.
USE OF POWER ACTION OF ELECTRIC FIELD FOR TEMPORARY AND PERMANENT CONNECTION OF MATERIALS
Physical processes that lead to the emergence of large forces of attraction between bodies, joined by anodic bonding technology result from the large electric fields strengths at the contact interface. Nondestructive method of monitoring the strength of obtained conductor-to ionic dielectric anodic bonding seals is based on the relationship between the dependence of current versus time flowing in the formation of seals and the strength of the resulting seals. Theoretically justified a new technological method for nondestructive testing of high-quality anodic bonding seals. The results obtained are confirmed experimentally.
Key words, nondestructive testing, adhesion, electric field.
В настоящее время процессы склеивания, прилипания, постоянного или временного закрепления объектов фигурируют в том или ином виде практически во всех областях производства. Поэтому разработка теоретических представлений об адгезии, а также разработка новых способов соединения материалов представляет безусловный интерес. Под адгезией (от латинского adhaesio - прилипание, сцепление, притяжение) подразумевается связь между разно-
родными конденсированными телами при их контакте. Проявляется адгезия в способности при контакте двух разнородных тел сопротивляться разрушению контакта. Поэтому явления, связанные с адгезией, естественно относить к поверхностным явлениям, контролируемым поверхностными силами.
Еще в 40-х гг. прошлого века была выдвинута теория адгезии, основанная на общем положении Гельмгольца о возникновении двойного электрического слоя на гра-
356 _
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т. 196
нице раздела фаз. Ее дальнейшим развитием явилась электронная теория адгезии, в которой исследовались процессы формирования двойного слоя при образовании связи между соединяемыми поверхностями и его вклад в прочность последней [1]. В соответствии с теоретическими исследованиями развивались и экспериментальные работы, в которых подтверждались основные положения электронной теории адгезии и обозначилась новая область исследований - электроадгезионные явления. Под этим термином подразумеваются электрические явления, связанные с процессами установления и разрушения связи между телами. В экспериментах обозначилась связь электроадгезионных явлений с явлениями трибоэлектричества и триболюминесценции, была обнаружена эмиссия быстрых электронов при нарушении адгезионного контакта в вакууме.
Из самых общих представлений об адгезии вполне естественным образом вытекает предположение о возможности регулирования адгезии с помощью приложения к соединяемым объектам электрического напряжения. Несмотря на то, что эта возможность доказана экспериментально, в настоящее время соответствующие методики используются недостаточно широко. В частности, это относится и к электроадгезионному способу соединения материалов, который будет рассмотрен в настоящей работе.
Электроадгезией называется взаимодействие объектов, например, твердых тел, приводящее к их скреплению друг с другом от приложения к этим объектам электрического напряжения. Электроадгезия является результатом электростатического (пондеро-моторного) притяжения электризованных тел, при котором заряды разных знаков оказываются разделены зазором между контактирующими поверхностями или тонким слоем одного из скрепляемых объектов, обедненном носителями заряда и имеющим поэтому повышенное сопротивление, примыкающее к поверхности раздела контакта. Большая часть приложенного напряжения поэтому падает на этот узкий слой, что и является причиной появления больших электростатических полей и сил.
Различают электроадгезию управляемую (объекты соединяют на время, ограниченное воздействием электрического напряжения) и неуправляемую (образуется неразъемное соединение, сохраняющееся и после окончания внешних воздействий). Подобная классификация условна, так как начальной стадией процесса образования неразъемного соединения всегда является управляемая электроадгезия.
Приложение электрического напряжения и активация дрейфа заряженных частиц в дополнение к их диффузии приводит к тому, что неразъемное соединение твердотельных объектов образуется при существенно меньших температурах, чем при диффузионной сварке. Неуправляемый электроадгезионный контакт (НЭАК) можно успешно использовать при получении неразъемных прочных вакуумноплотных соединений из таких материалов, как керамика, си-таллы, стекла, кварц и других ионных диэлектриков с различными металлическими проводниками и полупроводниковыми кристаллами в различных сочетаниях. Перспективно использование НЭАК при сборке и герметизации особо точных полупроводниковых и микроэлектронных приборов, например, полупроводниковых тензопреобра-зователей. Поскольку пондеромоторное давление действует «изнутри» соединительного шва, при помощи НЭАК можно соединять хрупкие детали, причем без промежуточных слоев (припои, клеи и т.п.) и при температурах существенно ниже плавления. Наилучшие результаты при этом получаются при соединении объектов с хорошо обработанными (полированными) поверхностями. Исследование поперечного и косого шлифов НЭАК с помощью доступного оборудования не позволило определить толщину переходного слоя между соединенными материалами. Однако, поскольку разрешение применявшейся установки составляло 0,5 мкм, можно предположить, что толщина переходного слоя очень мала, во всяком случае не превышает указанной величины. Поэтому представляется особенно перспективным использование технологии НЭАК при изготовлении электромеханических пре-
_ 357
Санкт-Петербург. 2012
-Н
Uo
—lr—W/---Ф
d1
Рис. 1. Схема получения электроадгезионного соединения ионный диэлектрик - проводник
1 - металл (полупроводник); 2 - диэлектрик; 3 - области фактического контакта; 4 - воздушный зазор, обусловленный шероховатостью контактирующих поверхностей; 5 - слой локализации объемного заряда в диэлектрике
образователей в изделиях микросистемной техники - бурно развивающейся в настоящее время области микроэлектроники - там, где особенно актуально отсутствие промежуточных слоев и прецизионность соединения. Увеличение с помощью пондеромотор-ных сил адгезии тонких слоев из различных материалов к подложкам позволяет повысить надежность и срок службы пленочных приборов, например, тонкопленочных микросхем, технических зеркал для лазеров и др.
Применяемые способы соединения различных материалов (например, сварка плавлением, контактная сварка, диффузионная сварка) не всегда могут преодолеть барьер несовместимости металлов и полупроводников с диэлектрическими материалами и обеспечить получение высококачественных соединений многих из них. Поэтому разработка теоретических представлений о возможностях нетрадиционных способов закрепления материалов (постоянного или временного) и контроля качества получаемых соединений представляет очевидный интерес.
Одним из таких способов является электроадгезионный способ соединения материалов (рис.1).
Физические процессы, приводящие к появлению больших сил притяжения между
358 _
соединяемыми телами, связаны с образованием электрических полей больших напря-женностей на границе контакта. Для получения больших усилий притяжения в точках фактического контакта в электроадгезионном способе соединения материалов используется миграционная поляризация, наблюдаемая в ионных диэлектриках и проявляющаяся в образовании тонкого (единицы микрометров) приповерхностного высоко-омного слоя диэлектрика у анода толщиной xm (рис.1). Этот слой образуется в результате действия приложенного извне электрического поля, вынуждающего покидать места своего закрепления слабосвязанные ионы (в стекле, например, это могут быть положительные ионы натрия, калия и т.п.). Таким образом, прианодный слой «очищается» от носителей тока и, следовательно, приобретает большое сопротивление. Тогда в точках фактического контакта приложенное напряжение будет падать не на всю толщину диэлектрика, а на узкий прианодный слой. Тем самым будет обеспечено большое пон-деромоторное давление не только в воздушном зазоре, но и в точках фактического контакта. При одновременном воздействии повышенной температуры при этом образуется НЭАК - «склейка» за счет электростатических сил данной пары материалов, сохраняющаяся и после отключения напряжения за счет взаимодиффузии соединяемых материалов.
Механизм протекания электрического тока через НЭАК в процессе его получения может быть положен в основу метода его неразрушающего контроля. Идея предлагаемого неразрушающего способа контроля прочности получаемых НЭАК ионный диэлектрик - проводник основана на взаимосвязи между зависимостью тока от времени, протекающего при формировании НЭАК, и прочностью получаемого соединения. В соответствии с рассмотренной в [3] моделью с течением времени возрастают «тянущие» электроадгезионные силы. Это приводит к увеличению площади фактического контакта соединяемых поверхностей и поэтому росту тока. Однако в целом, как правило, наблюдается уменьшение тока в процессе
x
x
m
получения НЭАК. Это обусловлено увеличением с течением времени толщины при-анодной области хт локализации объемного заряда [3]. Поскольку эта область при формировании НЭАК вследствие миграционной поляризации «очищается» от ионов, способных участвовать в проводимости, ее сопротивление оказывается велико, что и приводит к значительному (обычно на 1-3 порядка) уменьшению тока в конце процесса соединения. Таким образом, существует два конкурирующих процесса, влияющих на характер зависимости тока от времени, причем в случае, когда соединение успешно формируется за счет роста с течением времени площади фактического контакта, среднее значение тока и прошедший заряд оказываются значительно больше, чем в ситуации, когда соединение по каким-либо причинам не произошло. Иногда (например, при успешном соединении кремниевой пластины со щелочным стеклом) возможно даже появление локального максимума на зависимости тока от времени.
По полученным в работе [4] выражениям можно рассчитать зависимость площади фактического контакта НЭАК от времени. На основе этого результата и с учетом конечных значений удельных сопротивлений прианодной обедненной ионами области в настоящей работе были рассчитаны зависимости тока от времени при получении НЭАК (рис.2). При определенных параметрах соединяемых материалов на графике зависимости виден максимум тока от времени. Это объясняется более сильным проявлением фактора, влияющего на рост тока (увеличение площади фактического контакта), чем фактора, влияющего на уменьшение тока (увеличение толщины прианодной области с высоким сопротивлением).
Из рассмотренной модели следует, что ток, протекающий во внешней цепи при образовании НЭАК, связан с образованием участков фактического контакта соединяемых поверхностей. Поверхности наряду с микрорельефом содержат макровыступы и макровмятины. Поэтому при успешном формировании НЭАК на зависимостях тока от времени возможно появление характер-
Рис.2. Типичные зависимости тока от времени
при получении НЭАК 1 - ток в системе, не подвергшейся соединению; 12 и 13 - токи в системе при успешном осуществлении НЭАК для диэлектриков с различной удельной проводимостью обедненного прианодного слоя диэлектрика
ных «пиков», свидетельствующих о ступенчатом соединении площади.
Поскольку площадь фактического контакта пропорциональна прочности НЭАК, временная зависимость тока, протекающего через НЭАК при его получении, позволяет судить о прочности НЭАК в процессе его формирования и при необходимости обоснованно изменять параметры технологического режима (температуру, электрическое напряжение, время выдержки). Когда соединение образуется (рис.2), площадь под токовой кривой значительно больше, чем в случае, когда оно не происходит. На величину этой площади характер соединения (отдельными участками или плавный) существенно не влияет. Поэтому в качестве параметра, на основе которого можно нераз-рушающим способом судить о прочности формируемого НЭАК в процессе его получения, рационально выбирать величину заряда (на единицу соединяемой площади), прошедшего через НЭАК при его получении.
Разработанные в настоящей работе методы были использования при создании новых технологий получения и контроле ме-таллодиэлектрических структур с помощью электростатического поля [1,2].
Метод контроля прочности НЭАК является неразрушающим. Переходный слой при получении НЭАК получается очень тонким. Поэтому известные ультразвуко-
_ 359
Санкт-Петербург. 2012
вые, акустические, радиоскопические способы контроля прочности в рассматриваемом случае использовать затруднительно и разработанный метод может оказаться незаменимым.
ЛИТЕРАТУРА
1. Влияние постоянного электрического поля на процессы осаждения тонких металлических пленок платины методом ионно-плазменного распыления / В.П.Афанасьев, Д.А.Чигирев, Н.С.Пщелко, Н.П.Сидорова // Радиоэлектроника. 2010. Вып.6. С.59-65.
2. НагорныйВ.С. Анализ динамики процесса формирования электроадгезионного контакта / В.С.Нагорный, Н.С.Пщелко, Н.П.Сидорова // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Сер. Информатика, телекоммуникации, управление. 2009. № 6. С.166-170.
3. Пщелко Н.С. Влияние шероховатости поверхностей электроадгезионного контакта на его силовые характеристики / Н.С.Пщелко, Т.В.Стоянова // Цветные металлы. 2008. № 5. С.51-57.
4. Сетчатые иерархические пористые структуры с электроадгезионными контактами / И.Е.Грачева, С.С.Карпова, В.А.Мошников, Н.С.Пщелко // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. № 8. С.27-32.
REFERENCES
1. Afanasev V.P., Chigiriov D.A., Pshchelko N.S., Si-dorova N.P. Influence of a dc electric field on the deposition of ion-plasma sputtering thin metal films of platinum // Proceedings of Russian Universities. Radioelectronics. Saint Petersburg. 2010. Issue 6. P.59-65.
2. Nagorni V.S., Pshchelko N.S., Sidorova N.P. Analysis of the dynamics of the anodic bonding contact formation // Scientific and technical statements, Saint Petersburg Polytechnic University. Ser. Information technology, telecommunications and control. 2009. N 6. P.166-170.
3. Pshchelko N.S., Stoyanova T. V. Influence of anodic bonding surface roughness contact on its power characteristics // Non Ferrous Metals. 2008. N 5. P.51-57.
4. Gracheva I.E., Karpova S.S., Moshnikov V.A. Pshchelko N. S. Net hierarchical porous structures with anodic bonding contacts // Proceedings of the Saint Petersburg Electrotechnical Institute. 2010. N 8. P.27-32.
