CC BY
21
УДК 621.792.053
В.И. Лукин1, B.C. Рылъников1, А.Н. Афанасъев-Ходыкин1, К.Е. Куцевич1, К.Н. Нищее2
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ СЦЕПЛЕНИЯ СЕРЕБРЯНОГО ПОКРЫТИЯ С КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКОЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КЛЕЯ
Разработана методика определения прочности сцепления серебряного покрытия с кремниевой подложкой с целью определения качества контактных соединений в полупроводниковых элементах. Показано, что оптимальным вариантом является использование высокопрочного пленочного клея ВК-51 и специальной оснастки с молибденовыми термокомпенсаторами.
Ключевые слова: пленочный клей, клей ВК-51, соединение полупроводниковых элементов, серебряное покрытие, термокомпенсаторы, молибденовая оснастка.
The method of determining the adhesion strength of silver coating to the silicon substrate was developed for defining the quality of contact connections in semiconductor elements. It is shown hereby that the best option is to use high-adhesive membranous glue VK-51 and a special tooling with molybdenum heat compensators.
Keywords: membranous glue, glue VK-51, connections in semiconductor elements, silver coating, temperature compensators, molybdenum rig.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «Ail-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: admin@viam.ru
2Институт физики и химии на базе Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева [Institute of Physics and Chemistry on the basis of Mordovia State University named after N.P. Ogareva] E-mail: www.phys-chem.mrsu.ru
Введение
В настоящее время в области силовой электроники для соединения полупроводниковых элементов с теплоотводящими основаниями активно внедряется технология низкотемпературного спекания серебросодержащей пасты. Данная технология позволяет создавать контактные соединения в силовых полупроводниковых приборах с более высокими электрическими и термомеханическими свойствами, а также с увеличенным сроком службы по сравнению с действующими технологиями. Однако для получения надежного соединения по данной технологии на соединяемые поверхности необходимо нанести серебряные покрытия.
Данная статья посвящена проблеме определения прочности сцепления серебряного покрытия с кремниевой подложкой для контроля качества нанесения покрытия в производственных условиях. Для определения прочности сцепления покрытия с подложкой необходимо выбрать клеи и технологии склеивания, которые должны обеспечить правильную передачу нагрузки при испытаниях и получение достоверных результатов [1-17]. В работе [18] исследовали прочность сцепления соединения кремния с молибденом через спеченную серебряную пасту и не рассматривали отдельно сцепление покрытий с кремнием, которое может существенно влиять на контактные соединения в силовых полупроводниковых приборах.
Материалы и методы
Для исследований были изготовлены образцы из кремния в виде шайб толщиной 2 мм и 024 мм. На торцевые поверхности шайб методом испарения в вакууме наносили серебряные покрытия толщиной 0,5-1 мкм. Качество сцепления покрытий с подложками оценивали по результатам испытаний на отрыв покрытий от подложек. Столь малая толщина слоя серебряного покрытия исключает применение низкотемпературной пайки для соединения образцов с оснасткой. Это обусловлено возможностью растворения слоя серебряного покрытия в припое, поэтому для соединения образцов с испытательной оснасткой из сплава Д16-АТ опробовали технологию склеивания с применением высокопрочных клеев. Схема испытаний приведена на рис. 1, а. Нагрузка в этом случае прикладывается перпендикулярно к двум плоскостям склеивания. Испытания проводили с помощью стандартной разрывной машины УТС110М501У. Кривая нагружения одного из образцов в процессе испытания показана на рис. 2.
а) б)
Клей
Клей
А
III
V
Термокомпенсаторы из молибдена
Рис. 1. Схема определения прочности сцепления серебряного покрытия с образцом по клеевому методу с использованием стандартной оснастки из сплава Д16-АТ (а) и оснастки с термокомпенсаторами из молиблена(б)
800
600-
« о
400-
200-
Рис. 2. Кривая нагружения при испытании клееного образца, полученного с использованием клея ВК-36
0,2 0,3 Перемещение, мм
При данном методе испытаний клей и клеевое соединение должны обладать прочностью выше прочности покрытия, чтобы выдерживать приложенное напряжение. Для исследований отобран ряд высокопрочных клеев (табл. 1).
0
Таблица 1
Характеристики высокопрочных клеев, выбранных для исследований
Клей Предел прочности при отрыве*, МПа Режим склеивания
давление, МПа температура, °С продолжительность, ч
ВК-27 (паста) 50 0,08 60 24
ВК-51 (пленка) 75 0,08 130 3
ВК-36 (пленка) 78 0,08 180 3
* Для клеевых соединений из сплава Д16-АТ.
Из данных табл. 1 видно, что наибольшим уровнем прочности соединений обладает клей марки ВК-36. Однако данный клей характеризуется наиболее высокой температурой склеивания, что может привести к наведению термических напряжений в испытываемом образце вследствие значительной разницы температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) между стандартным материалом оснастки - алюминием (а=22,210-6 К-1) и материалом образца - кремнием (а=5,110-6 К-1). Поэтому для определения прочности сцепления также опробованы клеи с меньшей температурой склеивания (табл. 2). Результаты микрорентгеноспектрального анализа изломов образцов после испытаний показали, что для клея ВК-27 разрушение произошло по границе «клей-серебряное покрытие», т. е. клей ВК-27 обладает недостаточно высокой прочностью сцепления с серебряным покрытием.
Таблица 2
Прочностные характеристики клеевого соединения _«образец из кремния-материал оснастки»_
Клей Предел прочности при отрыве, МПа Характер разрушения
ВК-27 7,0-9,0 «Клей-серебряное покрытие» и «подложка из кремния-серебряное покрытие
ВК-51 ВК-36 0,4-1,5 0,4-0,6 Расслоение образца из кремния
Из данных табл. 2 видно, что применение более высокопрочных клеев с повышенной температурой склеивания привело к разрушению испытываемого образца по кремнию, что свидетельствует о действии значительных термических напряжений и образовании микротрещин в теле образца при остывании после склеивания.
Для нивелирования действия разницы значений ТКЛР спроектирована и изготовлена оснастка с термокомпенсаторами (рис. 1, б). В качестве материала термокомпенсаторов выбран молибден, так как он характеризуется ТКЛР, наиболее близким по значениям к кремнию и равным 5,0-10 К-1. Пластины -термокомпенсаторы из молибдена толщиной 5 мм припаивали к остальной части оснастки, изготовленной из малоуглеродистой стали СтЗ, для снижения стоимости оснастки. Для снятия внутренних напряжений, возникающих на границе «сталь-молибден», пайку соединений производили медью М1, что позволяет получить паяный шов с высокой пластичностью.
Результаты
Результаты определения прочности сцепления серебряного покрытия с образцом из кремния, полученные с применением оснастки с термокомпенсаторами, приведены в табл.3.
Таблица 3
Прочностные характеристики клеевого соединения «образец из кремния-молибден»
Клей Предел прочности при отрыве*, МПа Характер разрушения
ВК-51 ВК-36 20,55-22,0 0,55-0,56 «Образец-серебряное покрытие» «Образец-серебряное покрытие» или «серебряное покрытие-клей»
* Максимальные и минимальные значения.
Невысокие значения прочности сцепления покрытия в случае использования клея ВК-36, по-видимому, обусловлены недостаточной степенью скомпенсированности напряжений, возникающих из-за разницы значений ТКЛР молибдена и кремния при температуре склеивания 180°С.
Обсуждение и заключения
Установлено, что для определения прочности сцепления серебряного покрытия с кремниевой подложкой возможно применять клей ВК-51 при условии нивелирования разницы значений ТКЛР кремния и материала оснастки. С этой целью для испытаний необходимо использовать оснастку с молибденовыми термокомпенсаторами. Эффективность предлагаемой методики определения адгезионных характеристик серебряных покрытий, нанесенных на кремниевую пластину, подтверждается отсутствием разрушений образцов по клеевому слою. Применение более высокопрочного клея ВК-36 исключается ввиду высокой температуры при склеивании.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. Авиакосмическое материаловедение //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. №3. С. 2-14.
2. Каблов E.H. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
3. Петрова А.П., Лукина Н.Ф. Клеи для многоразовой космической системы //Труды ВИАМ. 2013. №4. Ст. 04 (viam-works.ru).
4. Петрова А.П., Донской A.A., Чалых А.Е., Щербина A.A. Клеящие материалы. Герметики: Справочник. СПб.: Профессионал. 2008. 592 с.
5. Петрова А.П. Клеящие материалы: Справочник. М.: ЗАО Редакция журнала «Каучук и резина». 2002. 196 с.
6. Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Петрова А.П., Сереженков A.A. Конструкционные и термостойкие клеи //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 328-335.
7. Куцевич К.Е., Дементьева Л.А., Лукина Н.Ф., Чурсова Л.В. Свойства и назначение клея ВК-36РМ для авиационной техники //Клеи. Герметики. Технологии. 2013. №8. С. 5-6.
8. Дементьева Л.А., Лукина Н.Ф., Сереженков A.A., Куцевич КЕ. Основные свойства и назначение ПКМ на основе клеевых препрегов /В сб. тез. докл. XIX Международной науч.-техн.
конф. «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов». Обнинск. 2010. С. 11-12.
9. Дементьева Л.А., Сереженков А.А., Лукина Н.Ф., Куцевич К.Е. Клеевые препреги и слоистые материалы на их основе //Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 19-21.
10. Lukina N.F., Dement'eva L.A., Serezhenkov A.A. et al. Adhesive prepregs and composite matiri-als on their bases //Russian J. of General Chemistry. 2011. V. 81. №5. P. 1022-1024.
11. Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Сереженков A.A. и др. Клеевые препреги и композиционные материалы на их основе //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 53-56.
12. Дементьева Л.А., Сереженков А.А., Бочарова Л.И. и др. Свойства композиционных материалов на основе клеевых препрегов //Клеи. Герметики. Технологии. 2012. №6. С. 19-24.
13. Каблов Е.Н., Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф. Новый класс слоистых алюмостеклопластиков на основе алюминий-литиевого сплава 1441 с пониженной плотностью //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2011. №SP2. С. 174-184.
14. Клеевая композиция: пат. 2471842 Рос. Федерация; опубл. 11.05.2011.
15. Каблов Е.Н. Химия в авиационном материаловедении //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 3-4.
16. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф., Сидельников В.В., Шестов В.В. Слоистые ме-таллополимерные композиционные материалы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 226-230.
17. Шарова И.А., Петрова А.П. Обзор по материалам Международной конференции по клеям и герметикам (WAC-2012, Франция) //Труды ВИАМ. 2013. №8. Ст. 06 (viam-works.ru).
18. Zhang Zhiye (Zach), Lu Guo-Quan. Pressure-Assisted Low-Temperatuze Sintering of Silver Paste as an Alternative Die-Attach Solution to Soldez Reflow //Trans. Jnd. Applicat. 2002. V. 25. №4. P.279-283.
