Сварка полупроводниковых пластин через полимеры

Основной физический принцип

В основе электродуговой сварки лежит не один, а сразу два электрических принципа: явление короткого замыкания, с которым знакомы все, имеющие набор школьных знаний по электричеству, и явление пробоя. Вот на нем стоит остановиться внимание.

Имеется в виду пробой диэлектрика, который происходит в результате насыщения его межатомного пространства частицами, несущими электрический заряд. Положительный заряд несут ионы, отрицательный — электроны.

Теоретически пробой возможен для любого диэлектрика (в определенных условиях), но в случае электродуговой сварки используется конкретно пробой воздушного пространства между электродом и массой (деталью).

Технологический процесс подразумевает создание на электроде заряда тока низкого напряжения, но большой силы — порядка 80-200 А, и огромной плотности — до нескольких тысяч А/см².

Когда электродом касаются массы, то есть другого материала с высокой электропроводностью, в случае сварки металла, то возникает короткое замыкание, инициирующее мощное электрическое поле.

В этом поле и происходит пробой. Вследствие насыщения заряженными частицами прослойка воздуха превращается из диэлектрика в проводник тока.

Именно в этот момент и возникает сварочная дуга, давая название электродуговой сварке. Температура в зоне соприкосновения дуги с металлом может достигать 5000 °C.

Что дает анодирование

Чем-то анодирование похоже на гальванические процессы, возникающие во время хромирования или оцинковки стали. Но есть существенная разница: исключено использование посторонних веществ, пусть даже похожих по свойствам и химическому составу. Оксидирование ведётся на основе самого металла, подвергаемого электрохимическому воздействию.

При анодировании процесс поддаётся регуляции, оксидному слою придаются заранее заданные свойства, а результатом служит прочность оксидируемого участка.

Лучше всего защитный слой в результате анодирования образуется на таких металлах, как алюминий, титан, сталь, тантал. Главное же требование к технологии, чтобы металл имел только один оксид с высокими адгезивными свойствами.

Но для обеспечения адгезии нужна пористая структура, которая обеспечит соприкосновение рабочей смеси с чистым металлом поверхности, что значительно ускоряет процесс оксидирования.

Получается, что при электрохимическом процессе могут образовываться два типа оксидных защитных покрытий, отличающиеся как назначением, так и строением.

1. Первый тип – пористая поверхность оксидной плёнки. Получается при воздействии на металл кислых электролитов. Структурированная порами поверхность служит отличной основой для того, чтобы на неё легли лакокрасочные материалы, которые своей структурой, образующейся в процессе полимеризации основы, закрепляется во фракталах пор. То есть анодированная поверхность способствует повышенной адгезии.
2. Барьерная. Относится ко второму типу. Это самостоятельное защитное покрытие, которое защищает металл от контактов с внешней агрессивной средой.

Впрочем, созданием защитных слоёв процесс анодирования не ограничивается. Применяя разные материалы и меняя уровень напряжения, можно получить разные оттенки анодированной плёнки. Чем активно пользуются дизайнеры при оформлении интерьеров, когда облицовочным материалом служит алюминий.

Анодирование алюминия

Оксидирование этого металл даёт самые широкие возможности с широчайшей сферой применения. Есть много способов образования на поверхности этого металла оксидов, более половины из них связаны с получением цветных ярко окрашенных, поверхностей.

Виды аппаратов и виды включений

Сварочный аппарат самого простого типа для электродуговой сварки — трансформаторный. По сути своей он представляет трансформатор, понижающий напряжение и увеличивающий ток. Этот аппарат варит переменным током.

Процесс имеет ряд описанных выше недостатков, кроме того, трансформаторный аппарат для преобразования тока промышленной частоты очень громоздкий и тяжелый.

Поэтому там, где требуется мобильность, чаще всего применяются сварочные инверторы. Эти устройства сначала преобразуют переменный ток от бытовой сети в ток высокой частоты, а затем преобразуют его в постоянный — выпрямляют. Эти устройства имеют значительно меньшие габариты и массу.

Электродуговая сварка инвертором позволяет, во-первых, добиться высокой стабильности дуги, что означает лучшее качество шва, а во-вторых, использовать разные режимы подключения — с прямой и обратной полярностью.

Полярность прямая, когда электрод подключается к катоду, а масса к аноду, то есть сварка идет «от плюса к минусу». Такой электродуговой сваркой соединяют большинство металлов.

Но в некоторых отдельных случаях, например, для сварки коррозионностойких (нержавеющих) сталей и некоторых других химически активных металлов может использоваться обратная полярность — электрод к аноду, а масса к катоду.

Работа с обратной полярностью, как правило, идет под флюсом, образующим защитную газовую среду, и с присадочной проволокой.

Выбор материала

Таблица 1 Свойства полимеров для сварки

Это свойство позволяет им распределять механические напряжения, возникающие при соединении пластин с разными коэффициентами теплового расширения (КТР). Учитывая, что процесс сварки проводится при относительно невысоких температурах, использование данных материалов позволяет осуществлять 3D-интеграцию разнородных устройств, выполненных на основе разных полупроводников.

Нефоточувствительные материалы применяются тогда, когда не нужно создавать топологию в соединяющем слое, т. е. когда происходит сварка с помощью сплошного слоя. Такой способ может быть использован, например, для соединения двух пластин, когда одна сторона предназначена для соединения с подложкой с помощью шариковых выводов, а другая для проволочной разварки.

Примеры нефоточувствительных материалов, которые могут использоваться для сварки, – это полимер на основе бензоциклобутена (BCB) Cyclotene серии 3000 и нефоточувствительные полиимиды серий PI 2500 и PI 2600. На рис 3 приведена микрофотография кристалла, при изготовлении которого пластины были соединены с помощью полимера на основе BCB.

Обычные фоторезисты являются классическими фоточувствительными материалами. Это простейший пример материалов для сварки пластин. С точки зрения прочности соединений, которые можно создавать с помощью фоторезистов, практически нет корреляции с тональностью этого материала (позитивный или негативный).

Производители фоторезистов обычно не предоставляют данные по диэлектрическим характеристикам своих материалов, а также по долговременной стабильности их свойств, поскольку эти данные не требуются в обычном фотолитографическом процессе. Поэтому такие материалы могут быть использованы для сварки при изготовлении прототипов изделий МЭМС, для проверки технологических концепций в области 2,5D- и 3D-интеграции, но не для перманентной сварки в изделиях, требующих долговременной эксплуатации.

В одноразовых изделиях микрофлюидики для неагрессивных жидкостей сварка через фоторезисты может быть применена при серийном производстве, поскольку для данных изделий не существует требований к электрическим характеристикам. Примером фоторезистов, которые можно рекомендовать для сварки через полимеры, является серия AZ P4000.

Это позитивные химически усиленные фоторезисты, которые позволяют наносить плёнки толщиной 1-30 мкм. Механические и диэлектрические свойства этого материала стабилизируются после дополнительной тепловой обработки вслед за проявлением (post develop backing).

Особым классом материалов для сварки пластин являются перманентные фоторезисты, предназначенные для формирования функциональных слоёв. Они обладают стабильностью механических свойств и высокой химической стойкостью. Самый известный пример – фоторезисты серии SU-8.

Экспериментально было показано3, что при использовании данных материалов достигается наивысшая прочность соединения пластин по сравнению с другими фоторезистами. На рис 3 приведена фотография поперечного сечения двух кремниевых пластин, соединённых при помощи SU-8.

Фоточувствительные диэлектрики на основе полиимидов и BCB также могут широко использоваться для сварки. Они сохраняют стабильность механических и диэлектрических свойств в широком диапазоне температур. Для формирования в них топологии не требуется нанесение дополнительного слоя фоторезиста, как для их нефоточувствительных аналогов.

Таблица 2 Технологические свойства фоточувствительных диэлектриков, пригодных для сварки через полимеры (производитель – компания DuPont)

BCB = бензоциклобутен; PI = полиимид; TMAH = тетраметиламмония гидроксид

Существуют специальные материалы, разработанные для перманентной сварки пластин. Компания Kayaku Advanced Materials (ранее известная как Microchem) выпускает серию материалов под брендом PermiNex. Они оптимизированы для процесса сварки с точки зрения адгезии к поверхности при нанесении. Также они обеспечивают большую прочность соединения на разрыв по сравнению с фоторезистами (даже SU-8), BCB и полиимидами.

Таким образом, существует множество полимерных материалов, пригодных для сварки при изготовлении разнообразных изделий. Обычные фоторезисты используются для изготовления прототипов МЭМС, некоторых изделий микрофлюидики. Полимеры, специально разработанные для сварки, и перманентные фоторезисты применяют при изготовлении прочих изделий МЭМС и микрофлюидики, где не требуется герметичность.

Как научиться

Проще всего осваивать электродуговые сварочные работы, начав с бытового инвертора, подключаемого к сети 220 В. После того как вы научитесь правильно варить в домашних условиях, можно будет переходить к обучению более сложным технологиям, таким, как, например, аргонодуговая сварка.

Кроме инвертора понадобятся:

• плотная одежда с длинными рукавами;
• сварочные перчатки или рукавицы;
• маска;
• молоток;
• зубило;
• металлическая щетка;
• пачка универсальных электродов;
• заготовка в виде куска толстого металла — лучше всего обычной стали.

Надо подключить электрод к катоду (минусу) аппарата с помощью специального держателя. Плюс, соответственно, надо подать на заготовку. Осталось только включить аппарат электродуговой сварки.

Электрическая дуга зажигается постукиванием или чирканьем по массе. После вспышки необходимо отдалить электрод от металла примерно на 5 мм. Возникнет дуга, и металл начнет плавиться.

Существует два способа вести электрод — острым углом от себя и на себя. Первый способ сложнее, но позволяет делать менее глубокий шов (это нужно в работе с тонким металлом). Второй — проще, это стандартный метод работы.

Электрод при электродуговой сварке нужно вести не по прямой, а зигзагообразными движениями, чтобы получался шов, похожий на строчки швейной машинки. Ход электрода должен перекрывать обе стороны соединяемых листов.

Тренироваться сначала нужно просто на кусочке стали, потом — переходить на сварку листового металла.

Нержавеющая сталь

Самый трудный для анодирования объект из-за своей химической инертности. Чтобы получить на ней оксидированную поверхность, нержавейку предварительно подвергают процедуре никелирования. Хотя сейчас ведется активная разработка специальных диффузионных паст, на которых оксид будет образовываться без никелевой «подушки».

Области сварочной дуги

Дуга замыкает цепь между электродом и массой. С точки зрения теории сварного дела, в сварочной дуге выделяют несколько областей:

• катодную;
• анодную;
• приэлектродную.

Катод — это «минус», источник тока (напомним, что ток образуют движущиеся электроны — отрицательные частицы). Анод соответственно — «плюс».

Анодная область отдает ионы в результате бомбардировки потоком электронов, поэтому на аноде всегда образуется так называемый кратер — вогнутое пятно, площадь которого зависит от площади электронной бомбардировки.

Электродуговые установки постоянного тока имеют фиксированные анод и катод. В аппаратах переменного тока анод с катодом постоянно меняются местами. Это вызывает нестабильность сварочной дуги, сильное разбрызгивание металла и другие неприятные факторы, а кроме того, не позволяет производить сварку определенных металлов, для которых требуется особая техника.

Общая характеристика метода

Полимер, с помощью которого производится сварка, наносится на одну из пластин методом центрифугирования или спреем. Затем при необходимости в нём формируется топология, после чего пластины соединяются внутри специальной установки, где под воздействием механического прижима и температуры формируется их надёжное соединение.

В качестве полимеров могут быть использованы практически любые материалы для фотолитографии или межслойной изоляции самых верхних уровней металлизации. Если используются фоточувствительные полимеры, то можно формировать в них топологию обычным литографическим методом.

Преимущества такого метода:

• невысокие требования к шероховатости поверхности и геометрии пластин;
• низкая чувствительность к дефектам;
• небольшие усилия прижима;
• невысокая температура в процессе сварки.

Основным недостатком способа является невозможность обеспечения герметичности из-за того, что полимеры в силу своей структуры пропускают молекулы газов. Это ограничение не позволяет применять способ в тех устройствах, где требуется вакуум (различные высокодобротные резонаторы в МЭМС, устройства вакуумной электроники, изделия со стабильной атмосферой в герметичном объёме).

Особенности процесса

Схема технологического процесса сварки пластин через полимеры приведена на рис 4. Подготовка пластин перед сваркой полностью совпадает со стандартным литографическим процессом. В процессе нанесения полимера важно сделать удаление краевого валика и промывку обратной стороны пластины.

Валик помешает приведению пластин в контакт и потребует значительного увеличения температуры и давления при сварке. После нанесения полимера на подготовленную поверхность пластины происходит сушка для испарения растворителя. Если полимер фоточувствительный, то проводится литография.

После проявления и сушки производится дополнительная температурная обработка. Для фоторезистов она стабилизирует их свойства (температура 90-150 °C, время 5-20 минут). У полиимидов и BCB при температурной обработке происходят реакции сшивки входящих в их состав полимеров, эти процессы осуществляются при температурах 200-250 °C в течение 10-60 минут.

Для сварки желателен вакуум 10-3 мбар. Откачка камеры установки сращивания позволяет избежать формирования воздушных пустот, а также снижает влияние атмосферного кислорода на полимеры5.

После загрузки пластин в камеру сварки и откачки воздуха обе пластины нагреваются до температуры, которая на 10 °C превосходит температуру оплавления полимера. Для фоторезистов это диапазон 110-150 °C. BCB и полиимиды являются более термически стойкими, для них температура в процессе нагрева подложек должна составлять около 250 °C. Пластины выдерживаются при выставленной температуре 10 минут для обеспечения равномерного прогрева.

После завершения прогрева убираются разделительные проставки между пластинами, и пластины приводятся в контакт. Для получения надёжного соединения необходимо, чтобы полимер смочил поверхность пластины, к которой осуществляется сварка. При этом не требуется экстремально низкая шероховатость поверхности, как в случае непосредственной сварки, для полимерной сварки достаточно шероховатости до 10 нм.

В процессе сварки к сборке равномерно прикладывается усилие 0,3-0,5 МПа. Полимер не чувствителен к мелким точечным дефектам поверхности (размер менее толщины плёнки), они будут погружены в него и не повлияют на качество соединения. Через несколько минут после приложения усилия в камеру сварки напускается азот и происходит охлаждение пластин.

При температуре около 50 °C для фоторезистов и 100 °C для полиимидов и BCB механическое усилие снимается. Пластины можно выгружать из установки при температуре 50 °C. После сварки создаётся высокопрочное соединение, которое без каких-либо повреждений выдерживает процесс разделения на кристаллы при помощи алмазного диска (рис 5) и дальнейшие нагрузки при эксплуатации.

Таким образом, технологический процесс сварки достаточно прост. Если установка сварки оснащена принудительным охлаждением держателей пластин, то весь цикл от загрузки пластин до выгрузки занимает 20-30 минут. Благодаря невысокой температуре, до которой нагреваются подложки, это время существенно ниже того, которое требуется для сварки через стеклокерамический припой и анодной сварки.

Откуда появился сам термин

При электрохимическом создание оксидной плёнки на поверхности металлов деталь/изделие опускают в ванну с электролитом. Чаще всего это раствор кислоты. Электролиты электропроводны (что ясно из самого названия). Когда через раствор пропускают постоянный ток (это важно, чтобы ток постоянно шёл в одном направлении!), на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород, с помощью которого образуется оксидный, то есть окисленный целенаправленно, слой с заранее заданными свойствами, зависящими от силы тока и концентрации раствора кислоты.

Варьируя силу тока и использование специальных добавок-присадок, можно добиться практически любой окраски анодированного покрытия.

Преимущества анодированных поверхностей

• Выдающиеся антикоррозийные свойства. Оксидная плёнка надёжно защищает от обычной влаги и от большинства агрессивных сред.
• Прочность оксидной плёнки. Оксиды по своим прочностным физическим характеристикам в большинстве случаев прочнее металла, на котором они образованы.
• Непроводимость тока. Парадоксальным образом образованная на металле и из металла оксидная плёнка практически является диэлектриком – что находит своё применение в создании электролитических (оксидных) конденсаторов.
• Экологический аспект: при производстве посуды нанесённая на неё оксидная плёнка не даёт ионам металла переходить в пищу, не даёт ей подгорать, стенки и дно посуды приобретают устойчивость к большим перепадам температуры.
• Широкое использование анодированных поверхностей металла в дизайне. Применение в растворах электролита некоторых солей позволяет получать глубокие и насыщенные оттенки.

Проблема сварки анодированного алюминия

Серебро

Для создания оксидной плёнки на серебре, применяют серную печень – сплав порошкообразной серы с поташом при сильном нагревании без присутствия воды. Впрочем, такой метод нанесения оксидных плёнок применяют и для бронзы, где получаемая плёнка называется искусственной патиной. На серебре обработка таким реактивом способна дать синий и фиолетовый цвета. Но без изменения свойств серебра как металла.

Способы анодирования

Образование на металлах оксидной плёнки зависит от выбранной технологии со всеми её факторами вроде типа электролита, мощности подаваемого тока, поверхности детали-анода. Универсальность раз и навсегда отработанных методов позволяет проделывать процесс анодирования даже в домашних условиях – нужно только владеть технологиями, от которых будет зависеть цвет получаемой оксидной плёнки.

Среди разных видов анодирования популярен процесс нанесения цветной оксидной плёнки. Популярность его связывается не только с декоративностью получаемого покрытия, но и с разной степенью его прочности, которая зависит от цвета.

Теперь о методах, вынесенных в заголовок материала, а именно:

1. Тёплый метод
2. Холодный метод
3. Твёрдое анодирование.

Твёрдое анодирование

Самая лучшая для высокого качества покрытия на стали. Такой способ анодирования применяют в аэрокосмической промышленности, где часто требуются запредельные нагрузки на узлы и агрегаты. Особенность метода — применение сложных по составу электролитов, а рецептура таких составов защищена патентами с международной регистрацией.

Тёплый метод

В большинстве случаев используется как промежуточный, ибо получаемые на его основе оксидные плёнки не стойки к воздействиям.

Титан

Металлические изделия из титана проходят обязательную процедуру оксидирования, из-за того, что нанесение оксидной плёнки на 15-28% увеличивает износостойкость верхнего слоя изделий из титана. А также дополнительно придаёт изделиям декоративность, кардинально меняя цвет. Титан очень нетребователен к составу кислот для электролитических реакций – подойдёт практически любая.

Требования госстандартов

На электродуговую, как и на многие сварки плавлением, существуют свои ГОСТы, которые обязательны к выполнению на любом производстве. Они описывают классификацию сварки металлов, методы оценки качества, специфику применяемых присадок и флюсов, и многое другое.

В частности, ГОСТ 11533-75 описывает автоматическую и полуавтоматическую дуговую сварку под флюсом, ГОСТ 14771-76 — дуговую сварку в защитных газах. Сварщики, работающие на предприятии, обязаны знать требования госстандартов минимум в своей конкретной области.

Устройства, оборудование, реактивы

В промышленных масштабах анодирование делается в растворах серной кислоты разной концентрации. Они обеспечивают как большую скорость процесса, так и заданную глубину оксидной плёнки. Применение автоматики позволило полностью автоматизировать этот достаточно вредный для здоровья процесс.

Оборудование для анодирования бывает трех типов:

1. Базовое, или основное. Тут всё просто: ванна с электролитом из инертного, не вступающего в реакцию, материала, притом обладающего свойствами теплоизолятора для предотвращения перегрева электролита. И катод, материал которого находится в прямой зависимости от того материала, который нужно анодировать.
2. Обслуживающее оборудование. К нему относятся агрегаты, обеспечивающие работоспособность установки для оксидирования. Это узлы подачи напряжения, предохранительные и приводные механизмы.
3. Вспомогательное. Это оборудование для работ по обработке и подготовке изделий к анодированию. В него входят и средства доставки деталей к ваннам. И средства упаковки и перемещения к местам, где готовые изделия складируются.

Самыми трудными, экологически опасными операциями при обработке металлов анодированием являются процессы загрузки и выгрузки деталей в ванны. Поэтому на качество работы приводных механизмов для этого всегда обращается особое внимание.

Исторически сложилось так, что все производственные процессы связаны с потреблением переменного тока – который совершенно не годится для процессов анодирования. Для того, чтобы ток был постоянным (то есть текущий в проводниках только в одном направлении, применяют выпрямители с достаточным запасом мощности.

Оптимальная мощность для промышленных выпрямителей, связанных с процессами оксидирования – 2,5 киловатта. А для обеспечения получения анодированной плёнки разных цветов и оттенков для таких выпрямителей монтируют бесступенчатую систему подачи мощности.

Холодный метод

При холодном методе скорость образования анодированной плёнки выше скорости растворения металла на катоде, что обеспечивает высокую прочность получаемого защитного слоя. Но обязательно требование поддержания температуры раствора электролита на уровне не выше 5⁰С, что и дало название методу. Так как температура раствора в ванне в её середине всегда выше, чем у бортов, необходимо обеспечить циркуляцию раствора.

Электроды и защитные газы

Видов электродуговой сварки, различающихся по применяемым материалам, довольно много, но базовое различие одно: по типу электрода. Классификация здесь следующая. Сварка может быть плавящимся электродом и электродом, не расплавляющимся при работе (неплавящимся). Что это значит?

Электрод — металлический контакт, стержень, имеющий оболочку из специального состава. Прогорая, эта оболочка образует защитную газовую среду, предохраняя расплав от окисления.

Но при этом плавящийся электрод является еще и присадкой, его основной металл входит в состав сварного соединения. Электродуговая сварка неплавящимся электродом требует ввода в сварочную ванну (непосредственно в точку, где происходит реакция) дополнительной присадочной проволоки.

Существует много разновидностей металлических и неметаллических электродов для электродуговой сварки, в том числе угольных и графитовых.

Каждый из них подбирается под конкретный металл и способ сварки. Кроме того, в определенных случаях применяется сварка в защитном газе (в основном для химически активных металлов). В качестве газов могут применять гелий, аргон и углекислоту.

Все эти способы диктуют свои подходы к собственно методике работы. Могут различаться виды сварочных аппаратов, виды горелок. Например, в полуавтомате для электродуговой сварки в защитной среде через сопло горелки подается одновременно и защитный газ, и присадка.

Могут использоваться различные вспомогательные материалы, такие, как флюсы, поэтому описать универсальный способ создания шва достаточно сложно. Но, тем не менее, некоторые базовые принципы присутствуют.

Заключение

Современная электроника, МЭМС и микрофлюидика при создании широкой номенклатуры изделий требуют соединения пластин из одинаковых или разнородных материалов. Существует множество методов осуществления данного процесса. Один из самых простых способов – сварка пластин через полимеры.

Метод применим в основном для тех изделий, при эксплуатации которых не требуется вакуум. Примерами таких изделий являются вертикально интегрированные микросхемы по технологии 2,5D и 3D, МЭМС, изделия микрофлюидики. В отличие от подавляющего большинства других методов сварка через полимеры не требует нагрева пластин до высоких температур.

Для приложений, где не требуется создание топологии в соединительном слое полимера, для сварки могут быть использованы полимеры на основе полиимидов и BCB. Там, где необходимо создать топологию в соединительном слое, используются фоточувствительные версии тех же материалов.

ООО «Остек-Интегра» сотрудничает с производителями полимеров для самых передовых технологических процессов. Специалисты компании готовы оказать технологическую поддержку при выборе наилучшего материала для сварки пластин через полимеры и помочь с применением нового материала, сотрудничая с его производителем.