Способ соединения двух твердотельных образцов

Изобретение может быть использовано для соединения несмачиваемых припоем диэлектрических материалов, а именно полупроводниковых пластин с диэлектрическими слоями. Проводят предварительное напыление на соединяемые поверхности, по меньшей мере, двух слоев металла или сплава, образующих припой. Каждый последующий слой имеет температуру плавления ниже температуры плавления предыдущего слоя. В качестве первого слоя напыляют металл, выбранный из группы титан, хром, ванадий. В качестве внешнего слоя напыляют индий, или алюминий, или его сплав. Материалы соединяют напыленными поверхностями и нагревают при одновременном действии сжимающего усилия в течение времени, достаточного для плавления металлических слоев. Образуется соединение, имеющее температуру плавления выше температуры плавления припоя. Способ обеспечивает расширение сортамента соединяемых материалов при одновременном увеличении механической прочности соединения. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области обработки твердотельных материалов, а именно к области соединения плоских элементов, и может быть использовано для соединения немачиваемых припоем диэлектрических материалов.

Известен (SU, авторское свидетельство 927458 В23К 31/02, 1982) способ пайки полупроводниковых пластин с коммутационными шинами. Согласно известному способу на полупроводниковые пластины наносят металлическое покрытие, проводят сборку, нагрев, заполнение паяемых зазоров припоем и охлаждение. При реализации способа собранные пластины и шины размещают ребрами на залуженной расплавленным припоем поверхности нагревательной плиты, а после заполнения паяемых зазоров припоем из слоя полуды собранный узел передвигают по поверхности плиты в зону охлаждения, выполненную из материала, несмачиваемого припоем.

Недостатком известного способа следует признать непригодность его для спаивания пластин значительных размеров, поскольку затягивание припоя в зазор за счет действия капиллярных сил не позволяет припою высоко подняться по объему капилляра.

Известен также способ (SU, авторское свидетельство 910378 В23К 1/00, 1982) пайки. Согласно известному способу соединяемые поверхности полупроводниковых пластин диаметром 40 мм первоначально шлифуют, а затем травят по стандартной технологии. Пластины соединяют подготовленными поверхностями и помещают в графитовую кассету. В верхней части кассеты над местом соединения размещают навеску алюминия, а в нижней части размещают навеску молибдена. Подготовленную указанным образом кассету помещают в трубчатую печь вакуумной установки, создают вакуум, нагревают до 900°С и выдерживают в течение 15 мин. При этом навеска алюминия плавилась и под действием капиллярных сил втягивалась в зазор между пластинами, образуя прослойку жидкой фазы кремний - алюминий между спаиваемыми пластинами. По окончании процесса заполнения капиллярного зазора жидкая фаза кремний - алюминий контактирует с нагретым тугоплавким материалом - молибденом и вступает с ним в химическую реакцию. В результате указанной реакции алюминий практически полностью вытягивается из шва, который при этом закристаллизовывался, спаивая пластины в единой целое. В данном случае алюминий при реализации способа выполнял не функцию припоя, а функцию депрессанта - снижения температуры припоя.

Недостатком известного способа следует признать его сложность, а также возможность использования только для спаивания поверхностей малых линейных размеров из-за незначительности капиллярных сил, затягивающих расплав алюминия между пластинами.

Наиболее близким аналогом заявленного способа можно признать (SU, авторское свидетельство 774868 В23К 31/02, 1980) способ пайки деталей из разнородных материалов. Согласно известному способу на поверхность подложки из керамики «поликор» в вакууме последовательно напыляют слои хрома (0,03-0,05 мкм), меди (7-8 мкм), гальванически осаждают слой золота (2-3 мкм) и облуживают оловоиндиевым припоем ОИ-52 с использованием спиртово-канифольного флюса. В качестве металлического основания используют пластину из металлического сплава с формированием на паяемой поверхности конусных штырей высотой 3 мм, в теле каждого из которых было выполнено капиллярное отверстие диаметром 1 мм. Указанное основание покрывали последовательно слоями никеля (15 мкм), меди (6 мкм) и сплавом олово - висмут (9 мкм). Затем основание погружали в ванну с расплавленным припоем ОИ-52 для заполнения указанных капиллярных отверстий припоем. Между основанием и подложкой укладывали фольгу оловоиндиевого припоя ОИ-52 толщиной 50 мкм. Пайку образцов проводили в среде азота при температуре 150°С с использованием спиртово-канифольного флюса.

К недостаткам известного способа следует отнести его сложность, обусловленную использованием значительного количества вспомогательных операций.

Техническая задача, решаемая посредством предлагаемого способа, состоит в обеспечении возможности соединение двух образцов, обладающих несмачиваемыми припоем поверхностями.

Технический результат, получаемый при реализации предлагаемого способа, состоит в расширении области соединяемых материалов при одновременном увеличении механической прочности соединения при нагревании места соединения выше температуры плавления припоя.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать способ соединения твердотельных образцов, согласно которому предварительно на соединяемые поверхности напыляют, по меньшей мере, один слой металла или сплава, имеющего адгезию к материалу соединяемого образца, а затем слой алюминия или его сплава, или индия и его сплава, причем каждый последующий слой имеет температуру плавления ниже температуры плавления предыдущего слоя, затем соединяемые образцы соединяют последними слоями, прикладывают сжимающее усилие, нагревают и выдерживают при нагреве в течение времени, достаточном для плавления металлических слоев, и охлаждают. Предпочтительно, в качестве металла первых напыляемых слоев используют титан, хром или ванадий. Толщины первых слоев обычно составляют от 0,05 до 0,3 мкм, толщина наружного слоя - от 0,8 до 3,5 мкм. В случае использования алюминия или сплава на его основе в качестве металла внешнего слоя нагрев осуществляют до температуры от 670 до 760°С, а в случае использования индия - 170-310°С. Нагрев образцов при пайке предпочтительно осуществляют в вакууме. Напыление металлов на спаиваемые подложки может быть проведено любым известным способом, обеспечивающим получения слоя металла нужной толщины.

В микроэлектронике известно применение припоев на основе индия (сплавы индия с медью, свинцом, цинком, алюминием, висмутом или оловом), но температура плавления припоя на основе индия составляет, по меньшей мере, 380°С (Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. М., «Радио и связь», 1991, стр.464-465). Кроме того, спай, полученный на основе известных припоев на основе индия, при нагревании расплавляется с последующим рассоединением спаянных деталей.

Разработанный способ в базовом варианте может быть реализован следующим образом.

На поверхности подлежащих соединению твердотельных объектов напыляют последовательно слои титана, хрома или ванадия, каждый из которых имеет толщину 0,1-0,2 мкм, а затем слой алюминия, или сплава на основе алюминия (предпочтительно, с кремнием), или индия толщиной 1-3 мкм. Затем образцы прижимают друг к другу напыленными поверхностями, прикладывают сжимающее усилие 5÷10 Н и помещают в нагреваемый реактор. Температуру в реакторе поднимают до величины 180-300°С (в случае использования индиевого припоя) или 680-750°С (в случае использования в качестве припоя алюминия или его сплава). Образцы выдерживают при указанной температуре 25-35 мин и охлаждают.

В реакторе может быть создан вакуум не выше 10^-3 мм рт.ст. Также реактор может быть заполнен водородом или формир-газом (смесь азота и водорода).

В дальнейшем сущность и преимущества предлагаемого способа будут рассмотрены с использованием примеров реализации.

1. На пластины кремния диаметром 76 мм с термически выращенным слоем оксида кремния напылили последовательно слои титана толщиной 0,1 мкм и слой индия толщиной 1,5 мкм. Затем образцы прижали друг к другу напыленными поверхностями, приложили сжимающее усилие 7 Н и поместили в нагреваемый вакуумированный реактор. Температуру в реакторе подняли до величины 200°С. Образцы выдержали при указанной температуре 28 мин и охладили.

Из спаянных пластин вырезали квадратный образец размером 14×14 мм. К образцам приклеили клеем «Poxipol» металлические цилиндрические тяги диаметром 10 мм, на которые после затвердевания клея подали растягивающее усилия. При величине 700 Н/см² произошел отрыв тяги от образца, при этом соединение пластин осталось целым.

Второй аналогичный образец поместили в разогреваемый реактор и выдерживали при температуре 1100°С. заведомо превышающей температуру плавления индия. Расслаивания спаянных пластин не произошло.

2. На пластины кремния диаметром 76 мм с напыленным слоем нитрида кремния напылили последовательно слои титана толщиной 0,1 мкм, хрома толщиной 1,0 мкм и слой индия толщиной 1,2 мкм. Затем образцы прижали друг к другу напыленными поверхностями, приложили сжимающее усилие 9 Н и поместили в нагреваемый вакуумированный реактор. Температуру в реакторе подняли до величины 190°С. Образцы выдержали при указанной температуре 30 мин и охладили.

Из спаянных пластин вырезали квадратный образец размером 14×14 мм. К образцам приклеили клеем «Poxipol» металлические цилиндрические тяги диаметром 10 мм, на которые после затвердевания клея подали растягивающее усилия. При величине 720 Н/см² произошел отрыв тяги от образца, при этом соединение пластин осталось целым.

Второй аналогичный образец поместили в разогреваемый реактор и выдерживали при температуре 1150°С, заведомо превышающей температуру плавления индия. Расслаивания спаянных пластин не произошло.

3. На пластины кремния диаметром 76 мм с термически выращенным слоем оксида кремния напылили последовательно слои титана толщиной 0,1 мкм, ванадия толщиной 0,1 мкм и слой индия толщиной 2,0 мкм. Затем образцы прижали друг к другу напыленными поверхностями, приложили сжимающее усилие 8 Н и поместили в нагреваемый реактор, заполненный водородом. Температуру в реакторе подняли до величины 230°С. Образцы выдержали при указанной температуре 26 мин и охладили.

Из спаянных пластин вырезали квадратный образец размером 14×14 мм. К образцам приклеили клеем «Poxipol» металлические цилиндрические тяги диаметром 10 мм, на которые после затвердевания клея подали растягивающее усилие. При величине 740 Н/см² произошел отрыв тяги от образца, при этом соединение пластин осталось целым.

Второй аналогичный образец поместили в разогреваемый реактор и выдерживали при температуре 1200°С, заведомо превышающей температуру плавления индия. Расслаивания спаянных пластин не произошло.

4. Эксперимент повторили согласно условиям эксперимента 1, но индий напылили непосредственно на поверхность окисленной пластины. При нагрузке 330 Н/см² произошло разделение образцов по спаю.

5. Опыт повторили согласно условиям эксперимента 2, но слой титана напылили на слой хрома. При нагрузке 280 Н/см² произошло разделение образцов по спаю.

6. Опыт повторили согласно условиям эксперимента 1, но металлы напыляли на подложки из поликора. Результаты тождественны результатам примера 1.

7. Опыт повторили согласно условиям эксперимента 3, но металлы напыляли на подложки из арсенида галлия. Результаты тождественны результатам примера 3.

8. Опыт повторили согласно условиям эксперимента 1, но в качестве металла припоя использовали сплав алюминия с кремнием (содержание кремния 4% масс). Температура разогрева реактора составила 700°С. Результаты опыта тождественны результатам примера 1.

9. Опыт повторили согласно условиям эксперимента 1, но в качестве металла припоя использовали алюминий. Температура разогрева реактора составила 720°С. Результаты опыта тождественны результатам примера 2.

10. Опыт повторили согласно условиям эксперимента 5, но в качестве металла припоя использовали алюминий. Температура разогрева реактора составила 740°С. Результаты опыта тождественны результатам примера 5.

Использование способа позволяет расширить область соединяемых материалов за счет несмачиваемых припоем материалов при одновременном увеличении механической прочности соединения при нагревании места соединения выше температуры плавления припоя.

1. Способ соединения полупроводниковых пластин с нанесенными на них диэлектрическими слоями, включающий размещение между соединяемыми диэлектрическими слоями, по меньшей мере, двух слоев из металла или сплава, образующих припой, с температурой плавления каждого последующего слоя ниже температуры плавления предыдущего слоя, нагрев в течение времени, достаточного для плавления металлических слоев, и охлаждение, отличающийся тем, что размещение слоев металла или сплава осуществляют путем предварительного напыления на каждую из соединяемых поверхностей металла, выбранного из группы титан, хром, ванадий, а в качестве внешнего слоя - индия, или алюминия, или его сплава, при этом материалы соединяют напыленными поверхностями, а нагрев проводят при одновременном действии сжимающего усилия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют напыление последнего слоя толщиной от 0,8 до 3,5 мкм, а предыдущих слоев - толщиной от 0,05 до 0,03 мкм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании алюминия или его сплава в качестве внешнего слоя нагрев осуществляют до температуры от 670 до 760°С.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании индия в качестве внешнего слоя нагрев осуществляют до температуры от 170 до 310°С.