Reaktivní vazba - Reactive bonding

Reaktivní vazba popisuje a lepení oplatky postup používající vysoce reaktivní nanoměřítku vícevrstvé systémy jako mezivrstva mezi spojovacími substráty. Vícevrstvý systém se skládá ze dvou střídajících se různých tenkých kovových filmů. Se množí exotermická reakce ve vícevrstvém systému přispívá místní teplo k vazbě pájka filmy. Na základě omezené teploty je vystaven podkladový materiál, teplotně citlivé součásti a materiály s různými CTE, tj. kovy, polymery a keramika, lze použít bez tepelného poškození.

Přehled

Obrázek vícevrstvého systému jako reaktivní vrstvy na křemíkové desce Fraunhofer ENAS

Spojení je založeno na reaktivních vícevrstvých vrstvách poskytujících vnitřní zdroj tepla. Tyto fólie jsou kombinovány s dalšími pájecími vrstvami, aby se dosáhlo lepení. Teplo, které je potřebné pro lepení, se vytváří samorozšiřující se exotermickou reakcí vícevrstvého systému. Tato reakce je zapálena energetickým pulzem, tj. Teplotou, mechanickým tlakem, elektrickou jiskrou nebo laserovým pulzem. Vyrobené teplo je lokalizováno do vazebného rozhraní a je omezeno krátkodobou zahřívací fází během milisekund.

Toto teplo je výhodou tohoto přístupu, takže použité materiály nejsou vystaveny vysokým teplotám a umožňují rychlé chlazení.^[1] Nevýhodou je, že tento přístup není použitelný pro rozměry pojivového rámu několika desítek mikrometrů. To je založeno na omezených manipulačních a strukturních schopnostech fólií v těchto malých rozměrech.^[2]

Materiál používaný pro vícevrstvé systémy je obvykle dvojvrstva střídavých prvků Ni /Al, Al /Ti nebo Ti /a-Si.^[1] Kovová vrstva má obvykle tloušťku 1 až 30 nm a může být uspořádána jako horizontální nebo vertikální filmové materiály v nano měřítku a jsou kombinací reaktivní a nízkotající složky.^[2] Se zvýšenou tloušťkou dvouvrstvy klesá reakční rychlost a zvyšuje se reakční teplo. Proto je nutná specifická rovnováha mezi vysokou reakční rychlostí a vysokým reakčním teplem.^[3]

Komerčním příkladem takového materiálu je NanoFoil. Odpovídající proces lepení je známý jako NanoBond.

Procedurální kroky

Předběžné zpracování

Jsou vytvořeny dvě různé reaktivní struktury, konvenční laterální vrstva po vrstvě (vícevrstvé) a vertikální uspořádané struktury.^[2] Na základě obtíží, ke kterým dochází při manipulaci, vzorování a umístění volně stojících fólií, jsou vícevrstvé fólie přímo ukládány na křemík Podklad.^[4] Depozice vícevrstvých systémů na křemíku je dosaženo pomocí magnetronové rozprašování, galvanické pokovování nebo leptání. Svislé nano struktury jsou také vytvářeny přímo na povrchu substrátu.^[2]

Povrchy substrátu jsou uloženy pomocí a pájka vrstva, tj. zlato (Au), pomocí fyzikální depozice par (PVD). Proces PVD podporuje smáčení pájky.^[1] Míchání použitých složek během nanášení ovlivňuje reakční parametry a aby se tomu zabránilo, jsou substráty ochlazovány.^[4]

Běžně používanou metodou depozice pro vícevrstvé struktury je magnetronové rozprašování. Vícevrstvý systém se skládá z tisíců tenkých jednotlivých vrstev kombinace komponent, které jsou střídavě rozprašovány na povrch substrátu.

Pro galvanické pokovování nebo elektrochemické depozice (ECD) vícevrstvá depozice jsou zavedeny dva přístupy. Na jedné straně existuje metoda se dvěma lázněmi, což znamená střídavé nanášení ve dvou různých pokovovacích lázních. Na druhou stranu lze použít metodu jedné lázně s elektrolytem obsahujícím obě filmové složky v jedné lázni. Proces ECD snižuje čas a složitost procesu. Tato metoda navíc umožňuje pokovování vzorů, aby se zabránilo složitému procesu leptání struktur.

Vertikální nanostruktury jsou vytvořeny ve dvou krocích. Nejprve jehly v křemíkovém substrátu vytvářejí suché leptání. Druhý použitý materiál se nanáší rozprašováním k pokrytí těchto jehel. Tento přístup drasticky snižuje čas a složitost procesu kvůli vynechání depozice tisíců jednotlivých vrstev.^[2] Reaktivní vzorování fólie lze dále realizovat aplikací elektrochemické obrábění proces.

Lepení

Schematická samovolně se šířící reakce ve vícevrstvém systému po zapálení.^[4]

Schematické reaktivní vazebný proces s reaktivní vícevrstvou jako zdrojem tepla ^[2]

Proces vazby je založen na reakci vícevrstvé nanoměřítky na uvolnění energie koncentrované na rozhraní.^[1] Samo se množící reakce je způsobena redukcí chemická vazba energie ve vícevrstvém systému (srovnej s obrázkem „Schematická samovolně se šířící reakce ve vícevrstvém systému po zapálení“).

Systém slitina, nebo intermetalická sloučenina, (AB) je tvořen ze směšovacích prvků (A + B) díky atomu difúze.^[2]

Reaktivní fólie je zapálena energetickým pulzem, což má za následek okamžitou samovolně se šířící reakci (srovnej s obrázkem „Schématický proces reaktivního spojení s reaktivní vícevrstvou jako zdrojem tepla“).

Tento proces místního míchání produkuje teplo, které se přenáší do sousedních vrstev prvků. Reakce se šíří fólií během milisekund.^[4] Toto uvolňování energie vede k vysoké teplotě ve vazebném rozhraní. Mezitím nejsou komponenty mimo rozhraní vystaveny vysokým teplotám reakce.^[1] Kromě vysoké energie rozhraní je tato reakce podporována také nízkou tloušťkou, a tedy sníženou difúzní cestou jednotlivých kovových vrstev.^[2]

Výsledné vnitřní teplo roztaví pájka vrstvy k vytvoření vazby s vícevrstvým systémem a substrátem na základě difúze.^[5] Tuto exotermickou reakci lze zapálit reaktivní materiály jako zhutněné prášky, např. Ni / Ti nebo Ti /Spol, stejně jako v nanostrukturovaných vícevrstvých systémech, např. Ni / Al.^[4] Spojení může probíhat v různých prostředích, tj. vakuum,^[6] silou poskytující definovaný mechanický tlak^[1] pokojová teplota.^[4] Vysoký aplikovaný mechanický tlak zvyšuje tok pájky, a proto může zlepšit smáčení substrátu.^[5]

Technické specifikace

Materiály	Podklad: Si Sklenka Pájka: Au Cu Al Ti Kovové sklo Reaktivní složka: Al Ti Ni a-Si Spol
Teplota	Pokojová teplota
Výhody	lokalizované vytápění rychlé chlazení dobrá úroveň hermetičnosti
Nevýhody	neplatí pro vazebné rámy několika desítek mikrometrů

Viz také

57-5|

 vydání = 6

}}|

 stránky = 476–481 | číslo = 2 | doi = 10.1016 / j.sna.2007.10.039

}}

^ ^A ^b ^C ^d ^E ^F Böttge, B. a Bräuer, J. a Wiemer, M. a Petzold, M. a Bagdahn, J. a Gessner, T. (2010). „Výroba a charakterizace vícevrstvých reaktivních nanorozměrových systémů pro nízkoteplotní vazby v mikrosystémové technologii“. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20 (6).CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
^ ^A ^b ^C ^d ^E ^F ^G ^h Lin, Y.-C. a Baum, M. a Haubold, M. a Frömel, J. a Wiemer, M. a Gessner, T. a Esashi, M. (2009). "Vývoj a vyhodnocení eutektického lepení destiček AuSi". Konference o polovodičových senzorech, akčních členech a mikrosystémech, 2009. PŘEVODNÍKY 2009. Mezinárodní. 244–247. doi:10.1109 / SENSOR.2009.5285519.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
^ Qiu, X. & Wang, J. (2008). "Lepení křemíkových destiček reaktivními vícevrstvými fóliemi". Senzory a akční členy A: Fyzikální. 141 (2). 476–481. doi:10.1016 / j.sna.2007.10.039.
^ ^A ^b ^C ^d ^E ^F Wiemer, M. a Bräuer, J. a Wünsch, D. a Gessner, T. (2010). "Reaktivní lepení a nízkoteplotní lepení heterogenních materiálů". Transakce ECS. 33 (4). 307–318. doi:10.1149/1.3483520.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
^ ^A ^b Wang, J. a Besnoin, E. a Knio, O. M. a Weihs, T. P. (2004). "Zkoumání vlivu aplikovaného tlaku na spojování reaktivní vícevrstvé fólie". Acta Materialia. 52 (18). str. 5265–5274. doi:10.1016 / j.actamat.2004.07.012.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
^ Qiu, X. a Welch, D. a Christen, J. a Zhu, J. a Oiler, J. a Yu, C. a Wang, Z. a Yu, H. (2010). "Reaktivní nanovrstvy pro fyziologicky kompatibilní balení mikrosystémů". Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 21 (6). 562–566. doi:10.1007 / s10854-009-9957-5.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)

[BBW+2010-1] A ^b ^C ^d ^E ^F Böttge, B. a Bräuer, J. a Wiemer, M. a Petzold, M. a Bagdahn, J. a Gessner, T. (2010). „Výroba a charakterizace vícevrstvých reaktivních nanorozměrových systémů pro nízkoteplotní vazby v mikrosystémové technologii“. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20 (6).CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)

[LBH+2009a-2] A ^b ^C ^d ^E ^F ^G ^h Lin, Y.-C. a Baum, M. a Haubold, M. a Frömel, J. a Wiemer, M. a Gessner, T. a Esashi, M. (2009). "Vývoj a vyhodnocení eutektického lepení destiček AuSi". Konference o polovodičových senzorech, akčních členech a mikrosystémech, 2009. PŘEVODNÍKY 2009. Mezinárodní. 244–247. doi:10.1109 / SENSOR.2009.5285519.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)

[QW2008-3] Qiu, X. & Wang, J. (2008). "Lepení křemíkových destiček reaktivními vícevrstvými fóliemi". Senzory a akční členy A: Fyzikální. 141 (2). 476–481. doi:10.1016 / j.sna.2007.10.039.

[WBWG2010-4] A ^b ^C ^d ^E ^F Wiemer, M. a Bräuer, J. a Wünsch, D. a Gessner, T. (2010). "Reaktivní lepení a nízkoteplotní lepení heterogenních materiálů". Transakce ECS. 33 (4). 307–318. doi:10.1149/1.3483520.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)

[WBKW2004-5] A ^b Wang, J. a Besnoin, E. a Knio, O. M. a Weihs, T. P. (2004). "Zkoumání vlivu aplikovaného tlaku na spojování reaktivní vícevrstvé fólie". Acta Materialia. 52 (18). str. 5265–5274. doi:10.1016 / j.actamat.2004.07.012.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)

[QWC+2010-6] Qiu, X. a Welch, D. a Christen, J. a Zhu, J. a Oiler, J. a Yu, C. a Wang, Z. a Yu, H. (2010). "Reaktivní nanovrstvy pro fyziologicky kompatibilní balení mikrosystémů". Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 21 (6). 562–566. doi:10.1007 / s10854-009-9957-5.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]