CC BY
18
УДК 537.222.4
Н.С.ПЩЕЛКО, канд. тех. наук, доцент, [email protected]
Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет)
N.S.PSHCHELKO, PhD in eng. sc., associate professor, [email protected] Saint Petersburg State Mining Institute (Technical University)
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ ПРОЧНОСТИ ЭЛЕКТРОАДГЕЗИОННЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРОВОДНИК -
ИОННЫЙ ДИЭЛЕКТРИК
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 получения качественных соединений. Полученные результаты подтверждаются экспериментально.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, адгезия, электрическое поле.
NON-DESTRUCTIVE STRENGTH TESTING OF ANODIC BONDING CONDUCTOR-TO IONIC DIELECTRIC SEALS
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 manufacturing of high-quality anodic bonding seals. The results obtained are confirmed experimentally.
Key words, nondestructive testing, adhesion, electric field.
Соединения материалов, сочетающих различные механические и электрические свойства необходимы в том или ином виде практически во всех областях производства. В частности, особый интерес представляет проблема соединения металлов, других проводящих материалов, в том числе и полупроводников, с диэлектриками. В качестве примера электропроводящих материалов можно привести медь, алюминий, сплавы, кремний, а в качестве диэлектриков - керамику различного состава, ситал-лы, сапфир и т.д. Многие из этих материалов мало пластичны, нерастворимы друг в
друге, имеют высокую температуру плавления. Применяемые способы соединения (например, сварка плавлением, контактная сварка, диффузионная сварка) не всегда могут преодолеть барьер несовместимости металлов и полупроводников с неметаллическими 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. Схема получения соединения деталей электроадгезионным способом показана на рис.1.
Физические процессы, приводящие к появлению больших сил притяжения между соединяемыми телами связаны с образованием электрических полей больших напряжен-ностей на границе контакта. Для получения больших усилий притяжения в точках фактического контакта в электроадгезионном способе соединения материалов используется миграционная поляризацию, наблюдаемая в ионных диэлектриках и проявляющаяся в образовании тонкого (единицы микрометров) приповерхностного высокоомного слоя диэлектрика у анода. 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 при-анодный слой. Тем самым будет обеспечено большое пондеромоторное давление не только в воздушном зазоре, но и в точках фактического контакта. При одновременном воздействии повышенной температуры при этом образуется электроадгезионное соединение (ЭАС) - «склейка» за счет электростатических сил данной пары материалов, сохраняющаяся и после отключения напряжения за счет взаимодиффузии соединяемых материалов.
Механизм протекания электрического тока через ЭАС в процессе его получения может быть положен в основу метода его неразрушающего контроля. Идея предлагаемого неразрушающего способа контроля прочности получаемых ЭАС ионный диэлектрик - проводник основана на взаимосвязи между зависимостью тока от времени, протекающего при формировании ЭАС и прочностью получаемого соединения. В соответствии с рассмотренной в [2] моделью,
1 2 3 4 5
Рис. 1. Схема получения электроадгезионного соединения проводник-ионный диэлектрик
1 - металл (полупроводник); 2 - воздушный зазор, обусловленный шероховатостью контактирующих поверхностей; 3 - слой ло кализации объемного вакансионного заряда в диэлектрике;
4 - слой диэлектрика, не содержащий зарядов
с течением времени возрастают «тянущие» электроадгезионные силы. Это приводит к увеличению с течением времени площади фактического контакта соединяемых поверхностей и поэтому росту тока. Однако, в целом, как правило, наблюдается уменьшение тока в процессе получения ЭАС. Это обусловлено увеличением с течением времени толщины прианодной области хт (рис.1) локализации объемного заряда [2]. Поскольку эта область при формировании ЭАС 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, имеется 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 ще-
Рис.2. Типичные зависимости тока от времени при получении ЭАС 71 - ток в системе, не подвергшейся соединению; /2 и Ь - токи в системе при успешном осуществлении ЭАС для диэлектриков с различными удельными проводимостями обедненного прианодного слоя диэлектрика
0 0,5 1,0 а, мКл/см2
Рис.3. Зависимость прочности (работы отрыва) электроадгезионного соединения алюминиевая фольга - оконное стекло от прошедшего через него заряда
лочным стеклом) возможно даже появление локального максимума на зависимости тока от времени.
На основе полученных в [3] выражений оказывается возможным рассчитать зависимость площади фактического контакта ЭАС от времени. На основе этой зависимости и с учетом конечных значений удельных сопротивлений прианодной обедненной ионами области, в настоящей работе были рассчитаны зависимости тока от времени при получении ЭАС (рис.2). При определенных параметрах соединяемых материалов возможно появление максимума на графике зависимости тока от времени.. Его наличие 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 ЭАС, связан с образованием участков фактического контакта соединяемых поверхностей. Поверхности наряду с микрорельефом содержат макровыступы и макровмятины. Поэтому при успешном формировании ЭАС на зависимостях тока от времени возможно появление характерных «пиков»,
свидетельствующих о ступенчатом соединении площади.
Поскольку площадь фактического контакта пропорциональна прочности ЭАС, то можно сделать вывод о том, что временная зависимость этого тока, протекающего через ЭАС при его получении, позволяет судить о прочности ЭАС в процессе его формирования и при необходимости обоснованно изменять параметры технологического режима (температуру, электрическое напряжение, время выдержки). Из рис.2 видно, что в случае, когда соединение образуется, площадь под токовой кривой значительно больше, чем в случае, когда по каким-либо причинам оно не произошло. На величину этой площади характер соединения (отдельными участками или плавный) существенно не влияет. Поэтому в качестве параметра, на основе которого можно неразрушающим способом судить о прочности формируемого ЭАС в процессе его получения, была выбрана величина заряда (на единицу соединяемой площади), прошедшего через ЭАС при его получении (рис.3).
Разработанный метод является способом неразрушающего контроля прочности ЭАС. Переходный слой при получении ЭАС получается очень тонким (порядка нескольких нанометров). Поэтому известные ультразвуковые, акустические, радиоскопические спосо-
бы контроля прочности в рассматриваемом случае использовать затруднительно.
Для экспериментальной проверки рассмотренного механизма изготовлялись соединения оконного стекла с алюминиевой фольгой. Соединения получались при различных условиях: температура варьировалась в интервале 190-500°С, электрическое напряжение - от 0 до 320 В, время выдержки - от 0 до 30 минут. Шероховатость поверхности фольги была Rz = 0,04 и Rz = 0,16. Прочность соединении измерялась на адгезиометре Дерягина Б.В. и Кротовой Н.А. Измеренная прочность была сопоставлена с зарядом, прошедшим через ЭАС при его получении (рис.3).
Разработанные в настоящей работе методы были использования при создании новых технологий получения и контроле ме-таллодиэлектрических структур с помощью электростатического поля [1, 4].
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 // Известия вузов России. Радиоэлектроника. СПб, 2010. Вып.6. С.59-65.
2. Нагорный В.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 СПбГЭ-ТУ. СПб, 2010 № 8. С.27-32.
REFERENCES
1. Influence of a dc electric field on the deposition of ion-plasma sputtering thin metal films of platinum / V.P.Afanas'ev, D.A.Chigiriov, N.S.Pshchelko, N.P.Sidorova // Proceedings of Russian Universities. Radioelectronics. Saint-Petersburg, 2010, Issue 6. P.59-1965.
2. Nagorni V.S. 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. № 6. P.166-170.
3. Pshchelko N.S. Influence of anodic bonding surface roughness contact on its power characteristics // Non-Ferrous Metals, 2008. № 5. P. 51-57.
4. Gracheva I.E. Net hierarchical porous structures with anodic bonding contacts / I.E.Gracheva, S.S.Karpova, V.A.Moshnikov, N.S.Pshchelko // Proceedings of the Saint-Petersburg Electrotechnical Institute «LETI», 2010. № 8. P.27-32.
