CC BY
45
УДК 621.865.8
П. Г. Михайлов, Е. Д. Фадеев, А. П. Михайлов, А. В. Соколов, В. П. Сазонова
НЕРАЗЪЕМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ В КОНСТРУКЦИЯХ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧ ИКОВ.
ОСОБЕННОСТИ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЙ ФОРМИРОВАНИЯ
Аннотация. Неразъемные соединения в узлах микроэлектронных датчиков несут основную силовую нагрузку, поэтому от их качества зависит эксплуатационная надежность всего датчика в целом. Большое разнообразие конструктивно-технологических решений, используемых в современных датчиках, требует применения принципиально различных технологических процессов соединения разнородных материалов в единые узлы. Описаны технологии, позволяющие осуществлять неразъемные соединения металлических и неметаллических материалов, которые позволяют эксплуатировать датчики в экстремальных условиях.
Ключевые слова: соединение, узел, неразъемное, датчик, полупроводник, диэлектрик, микромеханика, электростатическое, вакуум, стекло, металл.
Одной из проблем, которая сдерживает расширение применения микромеханических датчиков, является технология формирования надежных неразъемных соединений: полупроводник-диэлектрик, полупроводник-диэлектрик-полупроводник, полупроводник-металл-полупроводник, работоспособных в широком диапазоне температур, силовых и тепловых нагрузок. Это связано с тем, что у указанных структур имеется значительная разница в прочностных и тепловых свойствах [1]. Кроме того, к некоторым микромеханическим узлам (ММУ) датчиков физических величин (ДФВ) предъявляются еще и требования по отсутствию в соединяемых деталях и в зоне соединения остаточных напряжений, которые могут негативно повлиять на метрологию ДФВ. При этом традиционные клеевые и сварные соединения, широко используемые в приборостроении, как правило нетехнологичны, и при их формировании в узлах возникают значительные не-исчезающие механические напряжения.
Современные ДФВ представляют собой сложную гетерогенную систему взаимодействующих между собой материалов: металлов, полупроводников, изоляторов, объединенных в процессе изготовления в единую конструкцию (рис. 1).
Рис. 1. Микроэлектронный датчик - система с высокой гетерогенностью
Для обеспечения временной и параметрической стабильности ДФВ необходимо, чтобы взаимодействующие элементы и материалы системы были конструктивно и функционально совместимы. Условия совместимости включают в себя:
- минимизацию разности в температурных коэффициентах линейного расширения (ТКЛР) соединяемых материалов;
- минимальные значения внутренних механических напряжений в материалах и структурах;
- герметичность зоны соединения разнородных материалов;
- высокую прочность и пластичность переходной зоны бинарных структур.
При изготовлении ДФВ соединяют такие материалы, как металл-металл, металл-стекло, металл-полупроводник-стекло, металл-сапфир, металл-керамика, керамика-керамика, керамика-полупроводник-стекло-металл, металл-стекло-полупроводник-керамика и ряд других (табл. 1). Для корпусных и силовых материалов в ДФВ используются титановые и элинварные сплавы, нержавеющие стали, ковар.
В табл. 1 приняты следующие обозначения и сокращения: Ме - металл; Ст - стекло; Ке - керамика; Пп - полупроводник; Сапф - сапфир; ЭСС - электростатическая сварка; ДСВ - диффузионная сварка в вакууме; + - используемое, значительный разброс и невысокая повторяемость, удовлетворительная прочность соединения; ++ - предпочтительное, небольшой разброс, повторяемость, высокая прочность соединения.
Таблица 1
Перечень групп материалов, соединяемых в ДФВ
№ пп Тип соединяемых материалов Способы соединения Качество соединения
1 Ме Ме Сварка ++
2 Ме Ст Склейка Пайка ДСВ + + ++
3 Ме Ке Пайка ДСВ ++ ++
4 Ме Пп Склейка Пайка ДСВ + ++ +
5 Ме Пп Ст ЭСС ДСВ Пайка ++ + +
6 Ме Сапф Пайка ЭСС + ++
7 Ке Ке Пайка ДСВ ++ +
8 Ке Пп Ст Ме ЭСС ДСВ ++ +
9 Ме Ст Пп Ке Пайка-Склейка ЭСС-ДСВ + ++
В качестве материалов для изоляторов и несущих деталей используются щелочные, боросиликатные, кварцевые, аморфные и поликристаллические стекла; для изоляторов и воспринимающих элементов используются алюмооксидная (корундовая), муллитовая керамики, пьезокерамика.
В качестве полупроводниковых материалов используются кремний, карбид кремния, арсенид галлия, полупроводниковые структуры - кремний на сапфире (КНС), кремний на кремнии (КНК).
Среди известных методов неразъемного соединения можно отметить диффузионную сварку в вакууме (ДСВ) [2, 3], которая применяется на практике в основном для изготовления вакуумных систем и электронных ламп. Для ДФВ, как показали экспериментальные исследования, ДСВ не подходит из-за значительных усилий, прикладываемых к соединяемым деталям, и высокой температуры при соединении.
Например, для кремния, соединяемого с коваром, минимальная температура сварки должна быть больше, чем 0,5Тпл кремния [4], что составляет 567 °С, а давление сжатия -от 98 до 196 МПа в зависимости от температуры. Для кремния допустимое напряжение составляет 450 МПа, а рабочее « 50 МПа.
При этом эмпирическая зависимость между усилием и температурой при ДСВ может быть представлена следующим образом:
Тсв =115б-е-0017 • Рсв,
где Тсв - температура сварки, Рсв-давление на детали, прикладываемое при сварке.
Указанная экспоненциальная зависимость связана с активационными физико-химическими процессами, протекающими в материалах при сварке (диффузия, окислительно-восстановительные реакции и проч.).
Для активации процесса ДСВ и, соответственно, снижения температуры и давления применяют прокладки из диффузионно-активных металлов (N1, Ag, Си, А1) в виде пленочных покрытий или тонкой фольги, устанавливаемой между соединяемыми деталями. Так, при соединении кремния с молибденом через алюминиевую прокладку были достигнуты наиболее низкие давления (19,6 МПа) и температура (500 °С), при соединении кремния с вольфрамом - давление сварки 19,6 МПа и температура 550 °С [4].
Как показали экспериментальные работы по соединению деталей и узлов ДФВ методом ДСВ, добиться надежных, прочных узлов практически очень сложно, а зачастую и невозможно. ДСВ целесообразно использовать для изготовления стекло-полупроводниковых структур, используемых в дальнейшем для формирования чувствительных элементов (ЧЭ) ДФВ: абсолютных давлений, микромеханических акселерометров и проч.
В частности, при отработке ДСВ были получены гетерогенные структуры: стекло ЛК-5-кремний КЭФ 4,5 диаметром 60 мм и толщиной 1...2 мм. Из таких структур были изготовлены экспериментальные образцы ЧЭ датчиков абсолютного давления (рис. 4).
Очень остро проблема получения герметичных, прочных соединений металла с полупроводниковыми структурами возникла после освоения производства ЧЭ на основе КНС. Проблема состоит в том, что лейкосапфир является инертным в химическом отношении материалом, не склонным создавать промежуточных диффузионных фаз с металлами и неметаллами при ДСВ даже при очень высоких температурах и давлениях. Для соединения КНС-структур с титановыми сплавами используют высокотемпературные серебросодержащие припои типа ПСр-72 [6]. В процессе пайки титан, входящий в состав сплава, является активатором и способствует смачиванию припоем поверхности сапфира. Пайку проводят в вакууме 1-10-5 мм. рт. ст. при температуре 850 °С. Такая технология пайки с небольшими изменениями используется для изготовления КНС ЧЭ в датчиках типа «Сапфир», «ДИ», «МИДА», «Метран», «Криос» [7].
Основным недостатком технологии высокотемпературной пайки, применяемой при изготовлении КНС ЧЭ, является практическая невозможность использования групповых процессов и массового производства датчиков с такими ЧЭ. Так, нанесение контактной металлизации и формирование разводки пленочных проводников производится масочным методом индивидуально для каждого ЧЭ уже после пайки его с корпусом. Кроме то-
го, наличие значительных внутренних механических напряжений в КНС ЧЭ, привнесенных в процессе пайки, а также изначально присутствующих в пленке кремния (из-за значительной разницы в коэффициентах терморасширения (КТР) сапфира и кремния), способствует временной и параметрической нестабильности ДФВ.
Соединение с использованием пайки эвтектическими припоями
В микроэлектронной технологии закрепление кристаллов полупроводниковых приборов и микросхем на кристаллодержателях и теплоотводах осуществляется в большинстве случаев эвтектическими сплавами [8, 9]. Аналогичная технология была использована и при сборке ДФВ [10].
Приведем несколько примеров соединения кристаллов микросхем с использованием эвтектических сплавов для изготовления полупроводниковых ДФВ:
- при соединении кремния с кремнием использовалась прокладка толщиной 25 мкм из эвтектического сплава: Аи (97,1 %) + 8п (2,85 %); режимы пайки: 280 °С, среда -вакуум, время пайки с учетом охлаждения - 4 ч;
- при присоединении кремниевого кристалла к позолоченному кристаллодержате-лю использовалась прокладка из эвтектики: Аи (97,1 %) + 81 (2,85 %), температура пайки 360 °С;
- для пайки кристаллов к никельсодержащим корпусам на кремний напылялся слой N1 и использовались прокладки из сплавов Pb-In-Ag или РЬ-8п.
Общими недостатками микроузлов, соединенных с помощью припоев на основе эвтектики, является наличие значительных наведенных механических напряжений в зоне соединения, которые, релаксируя во времени и при изменении температуры, приводят к дрейфу нуля и чувствительности ДФВ. Поэтому пайка получила малое распространение в технологии изготовления ДФВ, несмотря на то, что данный процесс достаточно простой и не требует сложного технологического оборудования.
Соединение с помощью стеклоприпоев
Подбором стекол и стеклокомпозиций, а также специальной обработкой соединяемой поверхности кремния можно добиться смачивания расплавленным стеклом предварительно отполированной поверхности кремниевого ЧЭ. Используются легкоплавкие стекла типа фосфоросиликатного (ФСС) и боросиликатного (БСС), формируемые в виде пленки толщиной несколько мкм на поверхности кремниевого ЧЭ. Основными достоинствами соединения с использованием ФСС и БСС является их согласованность с кремнием по КТР, а также сравнительно низкая температура плавления, составляющая от 420 до 490 °С (в зависимости от содержания в стекле фосфора или бора). Чаще всего примесные стекла формируются путем насыщения окисной пленки (8162), сформированной на кремнии при его высокотемпературной обработке в парах диффузанта (бора или фосфора) и в присутствии кислорода.
Пример реализации: пластины кремния окислялись во влажном и сухом кислороде при температуре 900 °С, в результате чего на поверхности 81-пластин формировалась пленка 81О2 толщиной 1...2 мкм (в зависимости от времени окисления). Затем пластины обрабатывались в парах РОС13 + О2 при 900 °С, в результате чего формировался слой ФСС с содержанием окиси фосфора (Р2О5) около 10 %. Пластины накладывались друг на друга сторонами со слоем ФСС и поджимались кварцевым грузом, после чего помещались в диффузионную печь, где выдерживались при температуре 1000 °С в течение 30 мин, а затем охлаждались вместе с печью. В результате этого были получены
механически прочные структуры типа кремний на кремнии (КНК) и ЧЭ и ИМ из них рис. 2 [11].
Рис. 2. Конструкции ЧЭ и ИМ технологического центра МИЭТ с неразъемными соединениями
Следует отметить, что технологии изготовления структур КНК методом спаивания через примесные стекла не получили широкого распространения в связи со значительной энергоемкостью процесса и технологическими трудностями сращивания пластин большого диаметра (60 мм и выше) из-за их коробления в процессе нагрева.
Большее применение в ДФВ нашли стеклоспаи на основе порошковых стекол или ситаллоцементов, для которых температура соединения (кристаллизации) гораздо ниже, чем у примесно-силикатных стекол. Температура спаивания у ситаллоцементов варьируется в диапазоне 320...650 °С в зависимости от состава стекол. Усилие, прикладываемое к соединяемым деталям, невелико и составляет от 7 до 700 кПа в зависимости от соединяемых площадей. Группы соединяемых материалов: Б1-стекло, Б1-керамика, Биметалл. Стеклоспаи на основе аморфных и кристаллических порошковых стекол обеспечивают герметичное соединение, в том числе и на участках кристаллов, имеющих металлизацию.
Электростатическое соединение материалов и элементов ДФВ
Стремление смягчить технологические режимы соединения, сделать технологию более управляемой и совместимой с групповыми процессами микроэлектроники и, не в последнюю очередь, обеспечить соединение миниатюрных деталей без деградации их технических характеристик и разрушения привело к появлению нового направления в области создания неразъемных соединений разнородных материалов - электростатического соединения (ЭСС). Синонимами ЭСС, широко распространенными в научно-технической и патентной литературе, являются: электроадгезионное соединение, анодная сварка, электродиффузионная сварка.
Механизм соединения в ЭСС основан на активации диффузионных процессов за счет приложения к соединяемым деталям высокого электрического напряжения и подогрева (рис. 3) [12].
Внедрение ЭСС в микромеханические узлы ДФВ нового поколения позволило изготовить и применить малогабаритные конструктивно и функционально законченные измерительные модули (в том числе и герметичные), которые использованы для ДФВ (рис. 4), предназначенных для различных отраслей науки и техники [13].
а)
б)
Рис. 3- Схема ЭСС: а - с фиксированной полярностью; б - со средним электродом
Рис. 4. Конструкция измерительного модуля МЭД давления
Заключение
В результате проведенных аналитических и экспериментальных исследований по методам неразъемного соединения различных материалов в микромеханических узлах МЭД видим, что наиболее приемлемыми и технологически совместимыми методами при изготовлении ДФВ являются ЭСС и пайка стеклоприпоями. Кроме того, показано, что в такой сложной гетерогенной системе, которую представляет собой МЭД, необходимо обеспечивать конструктивную электрофизическую и технологическую совместимость материалов и узлов, а для снижения уровня остаточных механических напряжений в ММУ следует использовать технологические тренировки.
Библиографический список
1. Полякова, А. А. Деформация полупроводников и полупроводниковых приборов / А. А. Полякова. - М. : Энергия, 1979.
2. Казаков, Н. Ф. Диффузионная сварка материалов / Н. Ф. Казаков. - М. : Машиностроение, 1976. - 312 с.
3. Диффузионная сварка материалов: Справочник / под ред. Н. Ф. Казакова. - М. : Машиностроение, 1981. - 271 с.
4. Бачин, В. А. Диффузионная сварка стекла и керамики с металлами / В. А. Бачин. - М. : Машиностроение, 1986. - 182 с.
5. Метелкин, И. И. Сварка керамики с металлами / И. И. Метелкин. - М. : Металлургия, 1977. -159 с.
6. Никифорова, З. В. Пайка сапфировых мембран с высокопрочными сплавами титана / З. В. Никифорова, С. Г. Румянцев, С. Л. Киселевский // Сварочное производство. — 1974. — № 3. — С. 35.
7. Михайлов, П. Г. Стабильность микроэлектронных датчиков и технологий / П. Г. Михайлов. — Пенза : Изд-во ПГУ, 2003. — 231 с.
8. Готра, З. Ю. Технология микроэлектронных устройств. Справочник / З. Ю. Готра. — М. : Радио и связь, 1991. — 528 с.
9. Пат. Японии № 57026431 кл. Н01 429/84. Способ изготовления полупроводников. — Опубл. 1982.
10. Пат. США № 3506424 кл. С23 В29/04. Соединение изоляторов с изоляторами. — Опубл. 1970.
11. Шелепин, Н. А. Кремниевые преобразователи физических величин и компоненты датчиков. Датчики и микросистемы на их основе / Н. А. Шелепин // Микросистемная техника. — 2002. — № 9. — С. 2—10.
12. А. с. СССР, кл. 001Ь 1/04. Тензометрический преобразователь и способ его изготовления / П. Г. Михайлов, С. А. Козин. — № 1431470 ; публ. 1986.
13. А. с. СССР, кл. С04В 37/00. Способ соединения сапфира с металлом / П. Г. Михайлов, В. М. Косогоров. — № 1719375 ; публ. 1992.
14. Узлы и компоненты микроэлектронных датчиков / П. Г. Михайлов, К. А. Ожикенов, А. О. Касимов, А. У. Аналиева // Известия Южного федерального университета. Технические науки. — № 3(164). — 2015. — С. 184—193.
Михайлов Петр Григорьевич
доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, Пензенский государственный технологический университет,
Московский государственный университет
технологий и управления
им. К. Г. Разумовского (ПКУ)
(филиал г. Пенза)
E-mail: pit_mix@mail.ru
Mikhaylov Petr Grigor'evich
doctor of technical sciences, professor,
leading researcher,
Penza State Technological University,
Moscow State University
of Technology and Management (FCU)
(Penza branch)
Фадеев Евгений Дмитриевич
студент,
Пензенский государственный университет E-mail: pit_mix@mail.ru
Fadeev Evgeniy Dmitrievich
student,
Penza State University
Михайлов Алексей Петрович
ведущий специалист, ООО «РВС» (г. Москва) E-mail: pit_mix@mail.ru
Mikhaylov Aleksey Petrovich
leading specialist, JSC «RVS» (Moscow)
Соколов Александр Владимирович
соискатель,
Пензенский государственный университет E-mail: sokolov_av_avto@mail.ru.
Sokolov Aleksandr Vladimirovich
applicant,
Penza State University
Сазонова Вера Петровна
специалист по учебно-методической работе 1 класса, Технологический университет (г. Королев, Московская область) E-mail: pit_mix@mail.ru.
Sazonova Vera Petrovna
specialist in educational and methodical work 1 class, Technology University (Korolev, Moscow region)
УДК 621.865.8
Неразъемные соединения в конструкциях микроэлектронных датчиков. Особенности материалов и технологий формирования / П. Г. Михайлов, Е. Д. Фадеев, А. П. Михайлов, А. В. Соколов, В. П. Сазонова // Вестник Пензенского государственного университета. - 2016. - № 4 (16). - С. 78-85.
