Способ пайки, гироскоп и паяный узел

Изобретение может быть использовано при изготовлении бессвинцовой пайкой узла, содержащего подложку (4,28) и, по меньшей мере, частично электропроводное тело (2,34), например, при изготовлении гироскопического датчика. Подложка может быть выполнена, например, из диоксида кремния, силикона, керамики, оксидов металлов, кристаллических материалов или стекла. Проводят металлизацию подложки (4) путем осаждения соединительного слоя (8) и осаждения диффузионного барьерного слоя (12). Соединительный слой (8) выполнен из хрома, титана или титанового сплава. Диффузионный барьерный слой (12) выполнен из платины или палладия. На диффузионный барьерный слой (12) перед нанесением припоя наносят смачивающий слой из золота, поглощаемого припоем. Между электропроводным телом и металлизированной подложкой наносят припой из сплава олово-серебро или сплава олово-серебро-медь. Все осаждаемые слои выполнены тонкопленочными. Изобретение обеспечивает качественное соединение непаяемых материалов. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к способу бессвинцовой пайки в соответствии с директивой RoHS (2002/95/СЕ), к гироскопу и к паяному узлу, которые изготавливаются с помощью этого способа пайки.

В документе ЕР 1542271 описывается способ пайки полупроводникового светоизлучающего элемента на подложке 4, который уменьшает тепловое повреждение полупроводникового светоизлучающего элемента. В соответствии со способом на подложке осаждается многослойный компонент. Многослойный компонент содержит следующие последовательные слои: адгезивный слой, содержащий платину или титан; барьерный слой, содержащий палладий или платину; электродный слой; адгезионный слой, содержащий титан и платину, и, наконец, слой припоя.

Слой золота служит в качестве проводящего слоя, предназначенного для контроля светоизлучающего элемента. Этот слой золота не плавится с другими слоями после пайки. Слой платины осаждается под слоем золота и над ним, чтобы слой золота не соединялся со слоем сплава олово-серебро и адгезионным слоем.

Многослойный компонент содержит большое количество слоев. Следовательно, он является сложным и дорогостоящим для серийного производства.

Кроме того, этот многослойный компонент имеет слишком большую толщину и не соответствует некоторым техническим применениям.

В частности, изобретение относится к способу пайки электропроводящего тела к подложке с помощью сплава олово-серебро или сплава олово-серебро-медь, а также к гироскопу и к паяному узлу, которые изготавливаются с помощью этого способа пайки.

В настоящее время не существует способа для бессвинцовой пайки к тонкой пленке. Это связано с тем, что температура оплавления припоя олово-серебро, превышающая температуру оплавления припоя олово-свинец, увеличивает растворение и требует увеличения толщины этих пленок. При использовании хрупких подложек, например керамических подложек, желательно уменьшить механические напряжения и, следовательно, ограничить толщины тонких пленок.

Задача изобретения состоит в том, чтобы создать способ бессвинцовой пайки к тонким пленкам.

С этой целью первым объектом изобретения является способ пайки, по меньшей мере, частично электропроводящего тела, носящего название электропроводящее тело, к подложке, используя, сплав, выбранный из олово-серебро и олово-серебро-медь, который содержит следующие стадии:

- металлизация подложки; вышеуказанная стадия металлизации содержит этап осаждения соединительного слоя на подложке и этап осаждения диффузионного барьерного слоя, при этом вышеуказанный соединительный слой содержит любой из химических компонентов, выбранный из хрома, титана и титанового сплава; вышеуказанный диффузионный барьерный слой содержит материал, выбранный из платины и палладия; и

- нанесение припоя между электропроводящим телом и металлизированной подложкой, при этом вышеуказанный припой содержит сплав, выбранный из сплава олово-серебро и сплава олово-серебро-медь;

отличающийся тем, что способ включает осаждение смачивающего слоя, содержащего золото, который осаждают между этапами осаждения диффузионного барьерного слоя и нанесения припоя.

Этот способ пайки включает в себя осаждение диффузионного барьера, содержащего материал, выбранный из платины и палладия, и осаждение соединительного слоя и, необязательно, смачивающего слоя для компенсации недостатков диффузионного барьерного слоя.

В соответствии с отдельными вариантами выполнения способ включает один или несколько следующих отличительных признаков:

- соединительный слой является тонкой пленкой, имеющей толщину 5-50 нанометров;

- соединительный слой имеет толщину примерно 30 нанометров;

- диффузионный барьерный слой является тонкой пленкой, имеющей толщину примерно 100-1500 нанометров;

- диффузионный барьерный слой имеет толщину примерно 200 нанометров;

- припой осаждают непосредственно на смачивающий слой;

- смачивающий слой является тонкой пленкой, имеющей толщину, приблизительно равную 0,4% толщины припоя;

- смачивающий слой является тонкой пленкой, имеющей толщину примерно от 5 нанометров до 1 микрона;

- смачивающий слой имеет толщину примерно 50 нанометров; и

- соединительный слой содержит хром, и диффузионный барьерный слой содержит платину.

Кроме того, гироскоп, например, такого типа, как описан в патентной заявке FR 2805039, включает в себя держатель кремниевых электродов, соединенный с основанием через проводящие опорные стержни. Крышка, содержащая резонатор, держатель электродов и опорные стержни, герметично крепится к основанию. Под крышкой создается высокий вакуум.

Электроды образованы на участке верхней поверхности держателя электродов. Каждый из электродов соединен с опорным стержнем для получения возбуждающих сигналов и передачи детектирующих сигналов.

С этой целью держатель электродов содержит металлические втулки, установленные в сквозных отверстиях. Опорные стержни вставлены во втулки и прикреплены к ним с помощью проводящего адгезива, в частности с помощью эпоксидного состава.

Однако эти адгезивы сильно дегазируют. Это дегазирование затрудняет создание и, прежде всего, поддержание высокого вакуума под крышкой. Желательно, чтобы держатель электродов был жестко прикреплен к опорным стержням, при этом сводя к минимуму такое дегазирование и обеспечивая проводимость между держателем электродов и опорными стержнями.

Предметом изобретения также является гироскоп, содержащий:

- резонатор;

- подложку, поддерживающую резонатор; и

- по меньшей мере, частично электропроводящее тело, носящее название электропроводящее тело, прикрепленное к подложке;

причем следует отметить, что электропроводящее тело гироскопа крепится припоем к подложке за счет использования способа пайки по любому из вышеуказанных вариантов выполнения.

Как вариант, в гироскопе по изобретению подложка включает в себя, по меньшей мере, один возбуждающий/детектирующий электрод, при этом вышеуказанный электрод соединен с телом.

Наконец, еще одним предметом изобретения является паяный узел, содержащий, по меньшей мере, подложку и, по меньшей мере, частично электропроводящее тело, носящее название электропроводяще тело, прикрепленное к подложке; причем электропроводящее тело крепится припоем к подложке за счет использования способа пайки по любому из вышеуказанных вариантов выполнения.

Изобретение станет более понятным после изучения представленного ниже описания, приведенного исключительно в качестве примера, со ссылкой на чертежи, на которых:

фиг. 1 - структурная схема способа пайки по изобретению;

фиг. 2 - схематичный вид в разрезе паяной части; и

фиг. 3 - схематичный вид в разрезе по оси гироскопа по изобретению.

Изобретение относится к способу пайки тела 2 к подложке 4.

Тело 2 является, по меньшей мере, частично электропроводящим материалом. Далее оно называется электропроводящим телом. В частности, оно имеет, по меньшей мере, одну проводящую поверхность, предназначенную для пайки к подложке 4. Проводящая поверхность выполнена из проводящего материала, например из металлического материала или композитного материала, содержащего металл.

Подложка 4, к примеру, выполнена из диоксида кремния, силикона, керамики, оксидов металлов, кристаллических материалов или стекла.

Со ссылкой на фиг. 1 и 2 способ пайки начинают со стадии металлизации подложки. Эта стадия металлизации включает этап 6 осаждения соединительного слоя 8 на подложку 4, этап 10 осаждения диффузионного барьерного слоя 12 на соединительный слой 8 и этап 14 осаждения смачивающего слоя 16 на диффузионный барьерный слой 12.

Соединительный слой 8 предназначен для прочного соединения тела 2 с подложкой 4. Соединительный слой 8 выполняют, например, из хрома. Он имеет толщину примерно 5-50 нанометров. Предпочтительно этот слой имеет толщину примерно 30 нанометров.

Как вариант, этот соединительный слой 8 выполняют из титана или одного из его сплавов.

Диффузионный барьерный слой 12 выполняют, например, из платины, палладия или никеля. Диффузионный барьерный слой 12 образует диффузионный барьер, предназначенный для уменьшения скорости продвижения олова из припоя в подложку 4. Кроме того, диффузионный барьерный слой 12 образует прочные интерметаллические соединения с оловом.

Диффузионный барьерный слой 12 представляет собой тонкую пленку, имеющую толщину примерно 100-1500 нанометров. Предпочтительно этот слой имеет толщину примерно 200 нанометров.

Смачивающий слой 16 выполняют из золота. Смачивающий слой 16 способствует повышению смачивающей способности припоя для смачивания диффузионного барьерного слоя 12.

Смачивающий слой 16 представляет собой тонкую пленку, имеющую толщину примерно от 5 нанометров до 1 микрона. Предпочтительно смачивающий слой 16 имеет толщину примерно 50 нанометров. Смачивающий слой является временным слоем, который поглощается припоем, т.е. сплавом олово-серебро или сплавом олово-серебро-медь. Этот слой золота исчезает после процесса пайки. Этот слой золота добавляют для улучшения адгезии сплава олово-серебро или сплава олово-серебро-медь. Соединительный слой 8, диффузионный барьерный слой 12 и смачивающий слой 16, к примеру, получают посредством распыления или напыления.

Во время этапа 18 припой 20 наносят между металлизированной подложкой 4 и проводящей поверхностью 25 электропроводящего тела. Припой 20 изготавливают из сплава олово-серебро или сплава олово-серебро-медь. По изобретению припой 20 осаждают непосредственно на смачивающий слой 16, т.е. без использования какого-либо другого промежуточного слоя.

Смачивающий слой 16 представляет собой тонкую пленку, имеющую толщину, приблизительно равную 0,4% толщины припоя 20.

Паяное соединение, получаемое этим способом пайки, включает в себя тройной слой тонкой пленки, наносимый на подложку 4. Этот тройной слой содержит соединительный слой 8, диффузионный барьерный слой 12 и смачивающий слой 16. Этот тройной слой имеет толщину менее 3 микронов и предпочтительно менее 1 микрона.

На фиг. 2 показан пример паяного узла 21, изготавливаемого по описанному выше способу пайки. В этом примере паяный узел 21 является участком электронной схемы типа SMC (элементы, монтируемые на поверхности печатной платы). Эта электронная схема содержит подложку 4 и, в частности, пластину из оксида алюминия или оксида кремния, и электропроводящее тело 2, образованное электронным компонентом 23, вертикальные боковые поверхности которого металлизированы.

Как вариант, паяный узел является, например, электронным компонентом, гибридной схемой, датчиком и т.д.

Со ссылкой на фиг. 3 гироскоп 22, изготавливаемый посредством способа пайки по изобретению, содержит резонатор 24 в форме колокола или купола сферической формы, который имеет вал 26 для крепления резонатора, и узел 28, на котором расположены электроды 30, далее именуемый держатель 28 электродов, на котором закреплен вал 26 резонатора 24. Резонатор 24 изготавливают из оксида кремния, и держатель 28 электродов изготавливают из керамики или оксида кремния для обеспечения стабильности воздушных зазоров.

Держатель 28 электродов может быть полусферическим с электродами, обращенными к внутренней поверхности резонатора 24. В этом случае внутренняя поверхность резонатора 24 расположена по наружному периметру держателя 28 электродов (не показано).

Держатель 28 электродов также может быть плоским с электродами 30, обращенными к торцевой поверхности резонатора 24, как показано на фиг. 3.

Гироскоп 22 также включает в себя основание 32, стержни 34 для поддержки держателя 28 электродов, к примеру, изготовленные из Kovar®, и крышку 36, прикрепленную к основанию 32.

Опорные стержни 34 образуют конструкцию, в которой держатель 28 электродов устанавливают на основание 32 с помощью ″стоек″. Эта установочная конструкция со ″стойками″ в случае теплового расширения позволяет держателю 28 электродов перемещаться поступательно и параллельно основанию 32. Это поступательное движение обеспечивается за счет деформирования опорных стержней 34. Эта установочная конструкция со ″стойками″ описана в патенте FR 2805039.

К примеру, держатель 28 электродов поддерживают одиннадцать опорных стержней 34. Опорные стержни 34 являются проводящими. Они крепятся к нижней стороне держателя 28 электродов и, в частности, к электродам 30 для обеспечения электрического соединения между электродами 30 и опорными стержнями 34. Некоторые из опорных стержней 34 могут проводить возбуждающие сигналы или детектирующие сигналы резонатора. Другие опорные стержни 34 обеспечивают только устойчивость держателя 28 электродов.

По изобретению способ пайки, показанный на фиг. 1, предназначен для крепления опорных стержней 34 к электродам 30 держателя электродов. В частности, способ пайки предназначен для изготовления паяного соединения 38.

Основание 32 представляет собой круглую деталь, в которой в описываемом примере установлено одиннадцать изолирующих герметичных втулок 42, через которые проходят опорные стержни 34.

Крышка 36 образует с основанием 32 герметичную камеру, в которой создается высокий вакуум. В общем, совместно с вышеуказанной камерой предусматривается использование газопоглощающего материала, который абсорбирует остаточные газы после удаления газов и герметизации.

Как вариант, опорные стержни изготавливают из металла.

Способ пайки, описываемый в изобретении со ссылкой на фиг. 3, позволяет изготовить гироскоп с резонатором в форме колокола или в форме сферического купола. Однако он также может быть предназначен для изготовления других датчиков, имеющих тело, поддерживаемое проводящими опорными стержнями.

Преимущественно, способ пайки по изобретению также может использоваться для пайки гибридных схем, датчиков, стержней, платиков, соединителей, компонентов или для изготовления соединений двух подложек для МЭМС-устройств или для герметизации вакуумноплотных крышек на подложках.

Преимущественно, способ пайки позволяет паять материалы, которые по природе не способны припаиваться, например кристаллические подложки, керамику, стеклянную фритту и материалы со слабыми упругими свойствами.

Преимущественно, сплав олово-серебро имеет жесткость, превышающую жесткость, обеспечиваемую любым другим типом пайки или другим типом сборки, например склеиванием. Эта жесткость стабилизирует частотную плоскость гироскопа. Сплав увеличивает ударную прочность гироскопа.

Преимущественно, применение способа пайки гироскопа по изобретению позволяет компенсировать относительное расширение между опорными стержнями, изготовленными из Kover®, и подложкой.

Преимущественно, удалением газов из припоя по способу изобретения можно пренебречь по сравнению с удалением газов из адгезивов под высоким вакуумом. Соответственно, все газы под крышкой легко откачиваются газопоглотителем.

Преимущественно, поскольку припой олово-серебро и припой олово-серебро-медь имеют температуру плавления 230°С, имеется возможность увеличить температуру удаления газов примерно до 200°С для обеспечения улучшенного вакуума под крышкой.

Преимущественно, в отличие от проводящих адгезивов целостность цепи между электродами и опорными стержнями обеспечивается в течение времени.

Преимущественно и в отличие от склеивания пайка подложки к телу по способу изобретения не теряет механической жесткости во времени.

1. Способ бессвинцовой пайки, по меньшей мере, частично электропроводного тела (2, 34) к подложке (4, 28), включающий следующие этапы:
- этап металлизации подложки (4), которая содержит этап (6) осаждения соединительного слоя (8) на подложку (4) и этап (10) осаждения диффузионного барьерного слоя (12), при этом вышеуказанный соединительный слой (8) выполнен из хрома, титана или титанового сплава, а вышеуказанный диффузионный барьерный слой (12) выполнен из платины или палладия; и
- этап (18) нанесения припоя (20) между упомянутым телом (2, 34) и металлизированной подложкой (4), при этом припой (20) выполнен из сплава олово-серебро или сплава олово-серебро-медь,
отличающийся тем, что он включает этап (14) осаждения смачивающего слоя (16) из золота, поглощаемого припоем, на диффузионный барьерный слой (12) перед этапом (18) нанесения припоя (20), при этом все упомянутые осаждаемые слои выполнены тонкопленочными.

2. Способ по п. 1, в котором соединительный слой (8) имеет толщину 5-50 нанометров.

3. Способ по п. 1, в котором соединительный слой (8) имеет толщину 30 нанометров.

4. Способ по п. 1, в котором диффузионный барьерный слой (12) имеет толщину примерно 100-1500 нанометров.

5. Способ по п. 1, в котором диффузионный барьерный слой (12) имеет толщину примерно 200 нанометров.

6. Способ по п. 1, в котором припой (20) наносят непосредственно на смачивающий слой (16).

7. Способ по п. 1, в котором смачивающий слой (16) имеет толщину, приблизительно равную 0,4% толщины припоя (20).

8. Способ по п. 1, в котором смачивающий слой (16) имеет толщину примерно от 5 нанометров до 1 микрона.

9. Способ по любому из пп. 1-8, в котором смачивающий слой (16) имеет толщину примерно 50 нанометров.

10. Способ по п. 1, в котором соединительный слой (8) выполнен из хрома, а диффузионный барьерный слой (12) выполнен из платины.

11. Гироскопический датчик (22), отличающийся тем, что он содержит резонатор (24), поддерживающий резонатор (24) держатель электродов (28) с электродами (30) и, по меньшей мере, частично электропроводные опорные стержни (34), соединенные с держателем электродов (28) способом пайки по п. 1.

12. Гироскопический датчик (22) по п. 11, в котором электрод держателя электродов (28) представляет собой, по меньшей мере, один возбуждающий или детектирующий электрод (30).

13. Паяный узел (21), содержащий, по меньшей мере, подложку (4) и, по меньшей мере, частично электропроводное тело (2), прикрепленное к подложке (4), отличающийся тем, что упомянутое тело (2) прикреплено припоем к подложке (4) способом пайки по п. 1.