Реактивное соединение

Реактивное соединение описывает процедуру соединения пластин с использованием высокореактивных наноразмерных многослойных систем в качестве промежуточного слоя между соединяемыми подложками. Многослойная система состоит из двух чередующихся тонких металлических пленок разной толщины. Самораспространяющаяся экзотермическая реакция внутри многослойной системы способствует локальному нагреву для соединения пленок припоя . термочувствительные компоненты и материалы с различными КТР , например, металлы , полимеры и керамику Учитывая ограниченную температуру воздействия материала подложки, можно использовать , без термического повреждения.

Обзор

Изображение многослойной системы как реактивного слоя на кремниевой пластине, полученное Fraunhofer ENAS.

Соединение основано на реактивных нанослоях, обеспечивающих внутренний источник тепла. Эти фольги комбинируются с дополнительными слоями припоя для достижения соединения. Тепло, необходимое для соединения, создается за счет самораспространяющейся экзотермической реакции многослойной системы. Эта реакция зажигается импульсом энергии, т.е. температурой, механическим давлением, электрической искрой или лазерным импульсом. Выделяемое тепло локализуется на границе раздела соединений и ограничивается за счет кратковременной фазы нагрева в течение миллисекунд.

Это тепло является преимуществом этого подхода, поэтому используемые материалы не подвергаются воздействию высоких температур и обеспечивают быстрое охлаждение. ^[1] Недостатком является то, что этот подход неприменим для размеров связующего каркаса в несколько десятков микрометров. Это основано на ограниченных возможностях фольги в обращении и структурировании при таких небольших размерах. ^[2]

Материал, используемый для многослойных систем, представляет собой бислой чередующихся элементов, обычно Ni / Al , Al/ Ti или Ti/ a-Si . ^[1] Металлический слой обычно имеет толщину от 1 до 30 нм и может быть расположен в виде горизонтальных или вертикальных пленок наноразмерного материала и представляет собой комбинацию реакционноспособного и легкоплавкого компонента. ^[2] С увеличением толщины бислоя скорость реакции уменьшается, а теплота реакции увеличивается. Следовательно, необходим определенный баланс между высокой скоростью реакции и высокой теплотой реакции. ^[3]

Коммерческим примером такого материала является NanoFoil . Соответствующий процесс склеивания известен как NanoBond.

Процедурные действия

Предварительная обработка

Создаются две разные реактивные структуры: традиционные латеральные послойные (многослойные) и вертикально расположенные структуры. ^[2] Из-за трудностей, возникающих при обращении, нанесении рисунка и позиционировании отдельно стоящей фольги, многослойные пленки наносятся непосредственно на кремниевую подложку. ^[4] Нанесение многослойных систем на кремний осуществляется методами магнетронного распыления , гальваники или травления . Вертикальные наноструктуры также создаются непосредственно на поверхности подложки. ^[2]

На поверхность подложки наносится слой припоя , т.е. золота (Au), методом физического осаждения из паровой фазы (PVD). Процесс PVD способствует смачиванию припоя. ^[1] Смешивание используемых компонентов во время осаждения влияет на параметры реакции, и для предотвращения этого подложки охлаждают. ^[4]

Распространенным методом нанесения многослойных структур является магнетронное распыление . Многослойная система состоит из тысяч тонких одиночных слоев комбинации компонентов, которые поочередно напыляются на поверхность подложки.

Для гальванического или электрохимического осаждения (ECD) многослойного осаждения установлены два подхода. С одной стороны, существует метод с двумя ваннами, который означает попеременное осаждение в двух разных гальванических ваннах. С другой стороны, можно использовать метод с одной ванной, когда электролит содержит оба пленочных компонента в одной ванне. Процесс ECD сокращает время и сложность процесса. Кроме того, этот метод позволяет наносить узоры, предотвращая сложный процесс травления структур.

Вертикальные наноструктуры создаются в два этапа. Сначала иглы в кремниевой подложке создаются методом сухого травления . Другой использованный материал наносится методом напыления, чтобы покрыть эти иглы. Этот подход значительно сокращает время и сложность процесса из-за отсутствия нанесения тысяч отдельных слоев. ^[2] Кроме того, реактивное формирование рисунка на фольге может быть реализовано путем применения процесса электрохимической обработки .

Склеивание

Схематическая самораспространяющаяся реакция в многослойной системе после воспламенения. ^[4]

Схематический процесс реактивного соединения с реактивным многослойным материалом в качестве источника тепла ^[2]

Процесс соединения основан на реакции наноразмерного мультислоя с высвобождением энергии, сконцентрированной на границе раздела. ^[1] Самораспространяющаяся реакция вызвана уменьшением энергии химической связи в многослойной системе (сравните с рисунком «Схема самораспространяющейся реакции в многослойной системе после воспламенения»).

Системный сплав или интерметаллическое соединение (AB) образуется из смешивающихся элементов (A+B) вследствие атомной диффузии . ^[2]

Реактивная фольга воспламеняется импульсом энергии, что приводит к немедленной самораспространяющейся реакции (сравните с рисунком «Схема процесса реактивного соединения с реактивным многослойным слоем в качестве источника тепла»).

Этот локальный процесс перемешивания производит тепло, которое передается соседним слоям элемента. Реакция распространяется по фольге за миллисекунды. ^[4] Это выделение энергии приводит к повышению температуры на границе раздела соединений. При этом компоненты за пределами границы раздела не подвергаются воздействию высоких температур реакции. ^[1] Помимо высокой энергии интерфейса, этой реакции также способствует малая толщина и, следовательно, уменьшенный путь диффузии отдельных металлических слоев. ^[2]

Возникающее в результате внутреннее тепло плавит слои припоя , образуя связь с многослойной системой и подложкой на основе диффузии. ^[5] Эта экзотермическая реакция может инициироваться в реактивных материалах , таких как компактированные порошки, например Ni/Ti или Ti/ Co , а также в наноструктурированных многослойных системах, например Ni/Al. ^[4] Склеивание может происходить в различных средах, например, в вакууме , ^[6] с силой, обеспечивающей определенное механическое давление ^[1] при комнатной температуре. ^[4] Высокое механическое давление усиливает текучесть припоя и, следовательно, может улучшить смачивание подложки. ^[5]

Примеры

Метод реактивного соединения используется для сборки MEMS компонентов , включая крепление матрицы и герметизацию микросистем корпусов . ^[1] Этот процесс используется для соединения термочувствительных биологически активированных субстратов для диагностических или медицинских устройств . Кроме того, одноразовые микрофлюидные устройства с сенсорной функцией и иммобилизованными клетками. можно изготовить ^[2]

Технические характеристики

Материалы	Субстрат: И Стекло Припой: В С Ал Из Металлическое стекло Реактивный компонент: Ал Из В а-Си Ко
Температура	Комнатная температура
Преимущества	локальный нагрев быстрое охлаждение хороший уровень герметичности
Недостатки	не применимо для скрепляющих рамок толщиной несколько десятков микрометров

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Беттге Б., Бройер Дж., Вимер М., Петцольд М., Багдан Дж. и Гесснер Т. (2010). «Изготовление и определение характеристик реактивных наноразмерных многослойных систем для низкотемпературного соединения в микросистемной технологии» . Журнал микромеханики и микроинженерии . Том. 20, нет. 6. {{cite news}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Лин, Ю.-К. и Баум М. и Хаубольд М. и Фремель Дж. и Вимер М. и Гесснер Т. и Эсаши М. (2009). «Разработка и оценка эвтектического соединения пластин AuSi». Конференция по твердотельным датчикам, приводам и микросистемам, 2009. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 2009. Международная конференция . стр. 244–247. дои : 10.1109/SENSOR.2009.5285519 . {{cite conference}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Цю, X. и Ван, Дж. (2008). «Склеивание кремниевых пластин реактивной многослойной фольгой». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 141 (2): 476–481. дои : 10.1016/j.sna.2007.10.039 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Вимер М., Бройер Дж., Вюнш Д. и Гесснер Т. (2010). «Реактивное соединение и низкотемпературное соединение гетерогенных материалов». ECS-транзакции . 33 (4): 307–318. Бибкод : 2010ECSTr..33d.307W . дои : 10.1149/1.3483520 . S2CID 96914667 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Jump up to: ^а ^б Ван Дж., Беснойн Э., Книо О.М. и Вейс Т.П. (2004). «Исследование влияния приложенного давления на соединение реактивной многослойной фольги». Акта Материалия . 52 (18): 5265–5274. Бибкод : 2004AcMat..52.5265W . дои : 10.1016/j.actamat.2004.07.012 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Цю X. и Уэлч Д. и Кристен Дж. и Чжу Дж. и Ойлер Дж. и Ю К. и Ван З. и Ю Х. (2010). «Реактивные нанослои для физиологически совместимой упаковки микросистем». Журнал материаловедения: Материалы в электронике . 21 (6): 562–566. дои : 10.1007/s10854-009-9957-5 . S2CID 137116832 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[BBW+2010-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Беттге Б., Бройер Дж., Вимер М., Петцольд М., Багдан Дж. и Гесснер Т. (2010). «Изготовление и определение характеристик реактивных наноразмерных многослойных систем для низкотемпературного соединения в микросистемной технологии» . Журнал микромеханики и микроинженерии . Том. 20, нет. 6. {{cite news}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[LBH+2009a-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Лин, Ю.-К. и Баум М. и Хаубольд М. и Фремель Дж. и Вимер М. и Гесснер Т. и Эсаши М. (2009). «Разработка и оценка эвтектического соединения пластин AuSi». Конференция по твердотельным датчикам, приводам и микросистемам, 2009. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 2009. Международная конференция . стр. 244–247. дои : 10.1109/SENSOR.2009.5285519 . {{cite conference}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[QW2008-3] Цю, X. и Ван, Дж. (2008). «Склеивание кремниевых пластин реактивной многослойной фольгой». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 141 (2): 476–481. дои : 10.1016/j.sna.2007.10.039 .

[WBWG2010-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Вимер М., Бройер Дж., Вюнш Д. и Гесснер Т. (2010). «Реактивное соединение и низкотемпературное соединение гетерогенных материалов». ECS-транзакции . 33 (4): 307–318. Бибкод : 2010ECSTr..33d.307W . дои : 10.1149/1.3483520 . S2CID 96914667 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[WBKW2004-5] Jump up to: ^а ^б Ван Дж., Беснойн Э., Книо О.М. и Вейс Т.П. (2004). «Исследование влияния приложенного давления на соединение реактивной многослойной фольги». Акта Материалия . 52 (18): 5265–5274. Бибкод : 2004AcMat..52.5265W . дои : 10.1016/j.actamat.2004.07.012 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[QWC+2010-6] Цю X. и Уэлч Д. и Кристен Дж. и Чжу Дж. и Ойлер Дж. и Ю К. и Ван З. и Ю Х. (2010). «Реактивные нанослои для физиологически совместимой упаковки микросистем». Журнал материаловедения: Материалы в электронике . 21 (6): 562–566. дои : 10.1007/s10854-009-9957-5 . S2CID 137116832 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]