Термокомпрессионное соединение
Термокомпрессионное соединение описывает метод соединения пластин и также называется диффузионной сваркой , соединением под давлением, термокомпрессионной сваркой или сваркой в твердом состоянии. Два металла, например золото - золото (Au) , приводятся в атомный контакт, одновременно применяя силу и тепло. [1] Диффузия требует атомного контакта между поверхностями атомов из-за движения . Атомы мигрируют из одной кристаллической решетки в другую в зависимости от колебаний кристаллической решетки . [2] Это атомарное взаимодействие объединяет интерфейс . [1] Процесс диффузии описывается следующими тремя процессами:
- поверхностная диффузия
- зернограничная диффузия
- объемная диффузия
Этот метод позволяет защитить внутреннюю структуру пакетов устройств и прямые электрические межсоединения без дополнительных шагов, помимо процесса поверхностного монтажа. [3]
Обзор [ править ]
Наиболее распространенными материалами для термокомпрессионного соединения являются медь (Cu) , золото (Au) и алюминий (Al). [1] из-за их высокой скорости диффузии. [4] Кроме того, алюминий и медь — относительно мягкие металлы с хорошей пластичностью .
Для склеивания Al или Cu необходима температура ≥ 400 °C, чтобы обеспечить достаточную герметичность . Кроме того, алюминий требует обширного осаждения и приложения большой силы для проникновения в поверхностный оксид , поскольку он не способен проникнуть сквозь оксид.
При использовании золота для диффузии для достижения успешного соединения необходима температура около 300 °C. По сравнению с Al или Cu он не образует оксида. Это позволяет пропустить процедуру очистки поверхности перед склеиванием. [1]
Медь имеет тот недостаток, что процесс дамасской обработки очень обширен. [5] Он также немедленно образует поверхностный оксид, который, однако, можно удалить муравьиной кислоты очисткой парами . Удаление оксидов одновременно с пассивацией поверхности.
Диффузия этих металлов требует хорошего знания различий КТР между двумя пластинами, чтобы предотвратить возникающее напряжение. [1] Следовательно, температура обоих нагревателей должна быть одинаковой и одинаковой от центра до края для синхронного расширения пластины. [2]
Процедурные действия [ править ]
Предварительное кондиционирование [ править ]
Окисление и примеси в металлических пленках влияют на реакции диффузии, снижая скорость диффузии. Поэтому применяются методы чистого осаждения и склеивания с удалением оксидов и предотвращением повторного окисления. [6] Удаление оксидного слоя можно осуществить различными химическими методами травления оксидов . Предпочтительны процессы сухого травления , т.е. очистка парами муравьиной кислоты, поскольку они сводят к минимуму погружение в жидкости и результирующее травление пассивационного или адгезионного слоя. [5] Использование процесса CMP , который особенно необходим для Cu и Al, создает планаризованную поверхность с микрошероховатостью около нескольких нанометров и позволяет достичь диффузионных связей без пустот . [7] Кроме того, возможна обработка поверхности для удаления органических веществ, например, воздействие УФ-озоном. [8]
Такие методы, как предварительная плазменная обработка поверхности, обеспечивают ускоренную скорость диффузии за счет увеличения поверхностного контакта. [2] Также считается, что использование этапа ультрапланаризации улучшает соединение за счет уменьшения переноса материала, необходимого для диффузии. Это улучшение основано на определенной высоте Cu , Au и Sn . [9]
Депонирование [ править ]
Металлические пленки могут быть нанесены путем испарения , напыления или гальванопокрытия . Испарение и напыление, позволяющие получить высококачественные пленки с ограниченным количеством примесей, являются медленными и поэтому используются для слоев толщиной микрометра и субмикрометра. Гальваническое покрытие обычно используется для более толстых пленок и требует тщательного мониторинга и контроля шероховатости пленки и чистоты слоя. [5]
Золотая пленка также может быть нанесена на диффузионно-барьерную пленку, т.е. оксид или нитрид . [8] Кроме того, дополнительная нанокристаллическая металлическая пленка, например, Ta, Cr, W или Ti, может повысить прочность адгезии диффузионной связи при пониженном приложенном давлении и температуре связи. [4]
Связывание [ править ]
Факторы выбранной температуры и приложенного давления зависят от скорости диффузии. Диффузия происходит между кристаллическими решетками за счет колебаний решетки. Атомы не могут перепрыгивать свободное пространство, т.е. загрязнения или вакансии. Помимо наиболее быстрого процесса диффузии (поверхностная диффузия), существуют зернограничная и объемная диффузия. [5]
Поверхностная диффузия , также называемая атомной диффузией, описывает процесс вдоль поверхности раздела, когда атомы перемещаются от поверхности к поверхности, получая свободную энергию.
означает Диффузия по границам зерен свободную миграцию атомов в свободных пространствах атомной решетки. В основе этого лежат поликристаллические слои и их границы, неполное совпадение атомной решетки и зерен.
Диффузия через объемный кристалл — это обмен атомами или вакансиями внутри решетки, который обеспечивает перемешивание. Объемная диффузия начинается при температуре от 30 до 50% температуры плавления материалов, которая экспоненциально увеличивается с температурой. [6]
Чтобы обеспечить процесс диффузии, прикладывают большую силу, чтобы пластически деформировать неровности поверхности пленки, т.е. уменьшая изгиб и коробление металла. [5] Кроме того, важное значение имеет приложенная сила и ее равномерность, которые зависят от диаметра пластины металла и особенностей плотности . Высокая степень однородности силы уменьшает общую необходимую силу и смягчает градиенты напряжений и чувствительность к хрупкости . [2] Температуру склеивания можно снизить, используя более высокое приложенное давление, и наоборот, учитывая, что высокое давление увеличивает вероятность повреждения конструкционного материала или пленок. [8]
Сам процесс склеивания происходит в вакууме или в среде формирующего газа , например N 2 . [10] Атмосфера высокого давления поддерживает теплопроводность и предотвращает вертикальные температурные градиенты поперек пластины и повторное окисление. [2] Благодаря сложному контролю разницы теплового расширения прецизионное выравнивание и высококачественные приспособления . между двумя пластинами используются [10]
Параметры склеивания наиболее распространенных металлов следующие (для пластин диаметром 200 мм): [1]
- Алюминий (Al)
- температура склеивания может составлять от 400 до 450 °C при приложении силы более 70 кН в течение 20–45 мин.
- Золото (Ау)
- температура склеивания составляет от 260 до 450 °C при приложении силы более 40 кН в течение 20–45 минут.
- Медь
- температура склеивания составляет от 380 до 450 °C с приложенной силой от 20 до 80 кН в течение 20–60 минут.
Примеры [ править ]
1. Термокомпрессионная сварка хорошо зарекомендовала себя в КМОП- индустрии и позволяет реализовывать вертикальные интегрированные устройства и производить корпуса уровня пластины с меньшими форм-факторами. [10] Эта процедура склеивания используется для изготовления датчиков давления , акселерометров , гироскопов и радиочастотных МЭМС. [8]
2. Обычно термокомпрессионное соединение осуществляется путем подачи тепла и давления на сопрягаемую поверхность с помощью инструмента для склеивания с твердым покрытием. Совместимое соединение [11] Это уникальный метод формирования такого типа твердотельной связи между золотым свинцом и поверхностью золота, поскольку тепло и давление передаются через податливую или деформируемую среду. Использование податливой среды обеспечивает физическую целостность провода, контролируя степень деформации провода. Этот процесс также позволяет одновременно скреплять несколько золотых проволок различных размеров, поскольку податливая среда обеспечивает контакт и деформацию всех проводов.
Технические характеристики [ править ]
| Материалы |
|
| Температура |
|
| Преимущества |
|
| Недостатки |
|
| Исследования |
|
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж Фарренс, С. (2008). Новейшие металлические технологии для 3D-интеграции и сварки на уровне пластин MEMS (отчет). СУСС MicroTec Inc.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и Фарренс, С. (2008). «Технологии и стратегии соединения пластин для 3D-микросхем». Ин Тан, CS; Гутманн, Р.Дж.; Рейф, Л.Р. (ред.). Технологический процесс изготовления трехмерных микросхем уровня пластины . Интегральные схемы и системы. Спрингер США. стр. 49–85. дои : 10.1007/978-0-387-76534-1 .
- ^ Юнг Э., Остманн А., Вимер М., Колесник И. и Хаттер М. (2003). «Процесс пайки для сборки защитного колпачка для MEMS CSP». Симпозиум по проектированию, тестированию, интеграции и упаковке MEMS/MOEMS 2003 . стр. 255–260. дои : 10.1109/ДТИП.2003.1287047 .
{{cite conference}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Симацу Т. и Уомото М. (2010). «Атомно-диффузионная сварка пластин с тонкими нанокристаллическими пленками металлов». Журнал вакуумной науки и техники Б. 28 (4): 706–714. дои : 10.1116/1.3437515 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и Фарренс, Шари и Суд, Сумант (2008). «Упаковка на уровне пластин: соответствие требований к устройствам и свойствам материалов» (PDF) . ИМАПС . Международное общество микроэлектроники и упаковки.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Фарренс, С. (2008). «Металлическая вафельная упаковка». Глобальное SMT и упаковка .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Вимер М., Фремель Дж., Ченпинг Дж., Хаубольд М. и Гесснер Т. (2008). «Вафельные технологии и оценка качества». 58-я конференция по электронным компонентам и технологиям (ECTC) . стр. 319–324. дои : 10.1109/ECTC.2008.4549989 .
{{cite conference}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Цау, Ч. Х., Спиринг, С. М. и Шмидт, Массачусетс (2004). «Характеристика термокомпрессионных связей на уровне пластины». Журнал микроэлектромеханических систем . 13 (6): 963–971. дои : 10.1109/JMEMS.2004.838393 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Райнерт В. и Фанк К. (2010). «Термокомпрессионное соединение Au-Au для интеграции 3D-МЭМС с планаризованными металлическими конструкциями». Международный семинар IEEE по низкотемпературному соединению для 3D-интеграции .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Фарренс, С. (2009). Методы склеивания пластин на основе металлов для упаковки на уровне пластины. Промышленная группа MEMS (Отчет). Том. 4. СУСС МикроТек Инк.
- ^ А.Кукулас, Труды «Соответствующего соединения», 1970 г., 20-я конференция IEEE по электронным компонентам, стр. 380–89, 1970. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CompliantBondingPublic_1-10.pdf https://www. Researchgate.net/publication/225284187_Compliant_Bonding_Alexander_Coucoulas_1970_Proceeding_Electronic_Components_Conference_Awarded_Best_Paper