Термокомпрессионное соединение описывает метод соединения пластин и также называется диффузионным соединением , соединением под давлением, термокомпрессионной сваркой или твердотельной сваркой. Два металла, например, золото - золото (Au) , приводятся в атомный контакт путем одновременного приложения силы и тепла. [1] Диффузия требует атомного контакта между поверхностями из-за движения атомов . Атомы мигрируют из одной кристаллической решетки в другую на основе вибрации кристаллической решетки . [2] Это атомное взаимодействие склеивает интерфейс . [1] Процесс диффузии описывается следующими тремя процессами:
Этот метод позволяет защитить внутреннюю структуру корпусов устройств и прямые электрические межсоединения без дополнительных этапов, помимо процесса поверхностного монтажа. [3]
Наиболее распространенными материалами для термокомпрессионной сварки являются медь (Cu) , золото (Au) и алюминий (Al) [1] из-за их высокой скорости диффузии. [4] Кроме того, алюминий и медь являются относительно мягкими металлами с хорошей пластичностью .
Склеивание с Al или Cu требует температур ≥ 400 °C для обеспечения достаточной герметичности . Кроме того, алюминий требует обширного осаждения и требует большой приложенной силы для проникновения через поверхностный оксид , поскольку он не способен проникать через оксид.
При использовании золота для диффузии для достижения успешной связи необходима температура около 300 °C. По сравнению с Al или Cu, он не образует оксида. Это позволяет пропустить процедуру очистки поверхности перед связью. [1]
Недостатком меди является то, что процесс дамаскирования очень обширен. [5] Он также немедленно образует поверхностный оксид, который, однако, может быть удален очисткой парами муравьиной кислоты . Удаление оксида также является пассивацией поверхности.
Диффузия этих металлов требует хорошего знания различий в КТР между двумя пластинами, чтобы предотвратить возникающее напряжение. [1] Поэтому температура обоих нагревателей должна быть согласована и одинакова от центра до края для синхронизированного расширения пластины. [2]
Окисление и примеси в металлических пленках влияют на диффузионные реакции, снижая скорость диффузии. Поэтому применяются методы чистого осаждения и связывания с удалением оксида и этапами предотвращения повторного окисления. [6] Удаление оксидного слоя может быть реализовано различными методами химии травления оксида . Процессы сухого травления , т. е. очистка парами муравьиной кислоты, являются предпочтительными на основе минимизации погружения в жидкости и результирующего травления пассивирующего или адгезионного слоя. [5] Использование процесса CMP , который особенно необходим для Cu и Al, создает ровную 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-озона. [8]
Методы, например, плазменная предварительная обработка поверхности, обеспечивают ускоренную скорость диффузии на основе увеличенного поверхностного контакта. [2] Также считается, что использование этапа ультрапланаризации улучшает связь из-за уменьшения транспортировки материала, необходимого для диффузии. Это улучшение основано на определенной высоте Cu , Au и Sn . [9]
Металлические пленки могут быть нанесены испарением , распылением или гальванопокрытием . Испарение и распыление, производящие высококачественные пленки с ограниченным количеством примесей, являются медленными и поэтому используются для микрометровых и субмикрометровых толщин слоев. Гальванопокрытие 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 диффузионную 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 сниженном приложенном давлении и температуре связи. [4]
Факторы выбранной температуры и приложенного давления зависят от скорости диффузии. Диффузия происходит между кристаллическими решетками посредством вибрации решетки. Атомы не могут перескакивать через свободное пространство, т.е. загрязнения или вакансии. Помимо самого быстрого процесса диффузии (поверхностной диффузии), существуют диффузия по границам зерен и объемная диффузия. [5]
Поверхностная диффузия , также называемая атомной диффузией, описывает процесс вдоль поверхности раздела, когда атомы перемещаются от поверхности к поверхности, освобождая энергию.
Зернограничная диффузия — это свободная миграция атомов в свободных атомных пространствах решетки. Она основана на поликристаллических слоях и их границах неполного соответствия атомной решетки и зерен.
Диффузия через объемный кристалл — это обмен атомами или вакансиями внутри решетки, что обеспечивает смешивание. Объемная диффузия начинается при 30–50% от точки плавления материалов и экспоненциально увеличивается с температурой. [6]
Для обеспечения процесса диффузии применяется высокая сила для пластической деформации поверхностных неровностей в пленке, т.е. уменьшения прогиба и коробления металла. [5] Кроме того, приложенная сила и ее однородность важны и зависят от диаметра пластины и характеристик плотности металла . Высокая степень однородности силы уменьшает общую необходимую силу и смягчает градиенты напряжений и чувствительность к хрупкости . [2] Температуру соединения можно снизить с помощью более высокого приложенного давления и наоборот, учитывая, что высокое давление увеличивает вероятность повреждения структурного материала или пленок. [8]
Сам процесс соединения происходит в вакууме или среде формовочного газа , например N2 . [ 10] Атмосфера давления поддерживает теплопроводность и предотвращает вертикальные температурные градиенты по всей пластине и повторное окисление. [2] Основываясь на сложном контроле разницы теплового расширения между двумя пластинами, используются точное выравнивание и высококачественные приспособления . [10]
Параметры соединения для наиболее известных металлов следующие (для пластин диаметром 200 мм): [1]
1. Термокомпрессионное соединение хорошо зарекомендовало себя в отрасли КМОП и позволяет реализовать вертикально интегрированные устройства и производство корпусов на уровне пластин с меньшими форм-факторами. [10] Эта процедура соединения используется для производства датчиков давления , акселерометров , гироскопов и РЧ МЭМС. [8]
2. Обычно термокомпрессионные соединения производятся с помощью подачи тепла и давления на сопрягаемую поверхность с помощью твердосплавного инструмента для соединения. Податливое соединение [11] является уникальным методом формирования этого типа твердотельной связи между золотым проводом и золотой поверхностью, поскольку тепло и давление передаются через податливую или деформируемую среду. Использование податливой среды обеспечивает физическую целостность провода путем контроля степени деформации провода. Этот процесс также позволяет одновременно соединять несколько золотых проводов различных размеров, поскольку податливая среда обеспечивает контакт и деформацию всех проводов.
{{cite conference}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite conference}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )