mikromechanikai technológiák
6. Mikrotechnikai kötések
A mikrotechnikai kötések feladata a mikrotechnikai alkatrészek összekapcsolásának biztosítása. A kötés lehet pusztán mechanikus, szilárdságtani jellegű, és lehet csupán villamos jellegű. A mechanikus kötéseknek azonban van egy speciális területe, amikor nemcsak az alkatrész helyzetének rögzítése a cél, hanem elsőrendű szemponttá válik a jó hővezetés megvalósítása. Különösen fontos ez a szempont a teljesítmény elektronikai eszközök esetében. A mechanikus kötések egyúttal a villamos kötések funkcióját is el szokták látni. A mikrotechnikai kötések egy része nagyon hasonló a finommechanikában alkalmazott kötésekhez, másik része csak a mikrotechnikai alkalmazásokra kifejlesztett kötésmód.
6.1. Forrasztott kötések
A forrasztások olyan közvetett, anyaggal záró, esetlegesen oldható szilárd kötések, amelyeket fémes vagy nemfémes, de felületükön fémmel bevont alkatrészekhez alkalmazunk. A kötés fémes adalékanyag (forraszanyag) segítségével jön létre, felületi ötvöző, adhéziós és diffúziós folyamat következtében. A forrasztott kötéseket elsősorban az elektronikai szereléstechnológia alkalmazza, áramköri lapok szerelésénél. A mikrotechnikában inkább a mikroelektronika az a terület, ahol a forrasztott kötéseket alkalmazzák, a mikromechanikában ez a kötésmód ritkán használatos. A forrasztott kötésre a kemény vagy lágy segédanyag, a forraszanyag jelenléte a jellemző, ez biztosítja a két összekötendő anyag között a kötést.
A forrasztáshoz általában szükséges folyasztószer (flux) alkalmazása is, annak érdekében, hogy a felületi feszültség és ezzel a nedvesítési szög csökkenjen. A folyasztószer alkalmazása azonban a mikromechanikában
nehézkes, és nem kívánatos szennyeződéseket okozhat, ez az egyik magyarázata, hogy ezt a technológiát a mikromechanika viszonylag ritkán használja.
6.2. Ultrahangos kötések
Az ultrahangos hegesztést elsősorban a mikroelektronika és az elektronikai technológia alkalmazza, de a mikromechanikában is előfordul. A kötés előnyös tulajdonságaihoz tartozik, hogy nem kell külső hőforrást alkalmazni, és folyasztószert sem igényel, ezért a kötés környezete tiszta marad. A technológia lényege, hogy az ultrahang frekvenciás (40…80 kHz) váltakozó áram segítségével legtöbbször magnetostrikciós átalakítóval ugyanilyen frekvenciájú rezgéseket hoznak létre. A hegesztendő felületeket összenyomják, miközben rezgetik, így a felületi érdességi kiemelkedések és az esetleges oxidrétegek roncsolódnak, az anyagok megfolynak, és a nyomás a fémes felületeket egymásba dörzsöli. Ezzel a technológiával a legtöbb fém, sőt félvezető is hegeszthető. Az ultrahangos hegesztés tipikus alkalmazási területe, amikor a szilícium hordozót vagy chip-et a tokozás kivezetéseivel alumínium huzal segítségével kötik össze. Mind a szilícium, mind az alumínium felülete természetes módon oxidálódhat. Ez azonban ennél a technológiánál nem okoz különösebb nehézséget, mert az ultrahangos kötés során ezek az oxidrétegek összetöredeznek, és ennek során létre tud jönni a jó minőségű fém-félvezető kapcsolat.
4.78. ábra - Az ultrahangos mikrohuzal kötés fázisai
forrás: BME ETT
4.79. ábra - Ékes ultrahangos mikrohuzal kötés képe
forrás: BME ETT
Az ultrahangos kötések nagy előnye, hogy a technológia szobahőmérsékleten végezhető. Az ultrahang frekvenciája tipikusan a 60…100 kHz tartományban van, az energia 0,5…1 W, az összenyomó erő 30…40 cN, a kötéshez szükséges idő 5…100 ms.
6.3. Termokompressziós kötések
A termokompressziós kötés a mikroelektronika a félvezető technológia egyik jellemző kötésmódja. Jellemzője, hogy idegen (adalék) anyagot nem használ, Ilyen értelemben tehát a hegesztésekhez sorolható. Jellemzően két meghatározott anyag között hozzuk létre: az egyik a szilícium, amelyből a félvezető aktív áramkörök (Si chipek) készülnek, a másik anyag az arany, amelyből a kivezető huzalok készülnek. Az eljárás lényege, hogy a kötés létrehozásához nemcsak külső hőhatást használunk, hanem nagymértékű mechanikai alakváltozást is. Köztudott, hogy az anyagok deformációja a belső súrlódás következtében hő keletkezésével jár. A kötés létrehozása mintegy 180-220 °C-os semleges gáz, vagy nitrogén környezetben történik. A leggyakoribb ú.n. golyós kötés fázisait a 4.80. ábra - A termokompressziós kötés lépései mutatja.
4.80. ábra - A termokompressziós kötés lépései
forrás: BME ETT
Az aranyhuzal átmérője tipikusan 25 μm (0,001 coll), amelynek végén először hidrogén szúrólánggal vagy elektromos ívvel egy gömböt hoznak létre. Az arany olvadáspontja 1063 °C, ha a huzal vége megolvad, a felületi feszültség létrehozza a gömböt. Ezután a gömböt a kapillárist tartalmazó szerszámmal, manipulátor segítségével a kontaktálandó felület fölé viszik. A kapillárist leengedve a kis méretek miatt az aranygömb anyagában igen nagymértékű maradó alakváltozás jön létre. A nagy alakváltozás hőfejlődéssel jár, ami az összekötendő felületek hőmérsékletét annyira megnöveli, hogy az érintkezésnél a hőmérséklet a két anyag eutektikumjánál magasabb hőmérsékletre kerül, és így az arany és a szilícium között diffúziós kötés jön létre.
4.81. ábra - Az Au-Si állapotábra
forrás: Wikipédia
Érdemes megnézni a két anyag fázis diagramját (4.81. ábra - Az Au-Si állapotábra), amelyből kitűnik, hogy a szilícium 1412 °C-os és az arany 1063 °C-os olvadási hőmérsékletének ellenére az eutektikum 363 °C-on olvad meg. Ezt használja ki a termokompressziós technológia, amelynek lényege, hogy a környezet hőmérsékletét (ami itt 180-220 °C-os hőmérsékletet jelent) a gyors és nagymértékű alakváltozás lokálisan (csak ott, ahol kell) az összekötendő anyagok közvetlen környezetét az eutektikus hőmérséklet fölé emeli, és ezzel megteremti a lehetőségét az eutektikum kis helyen történő létrejöttének. Mivel a nagyobb hőmérséklet csak lokálisan, a nagymértékű deformáció helyén jön létre, nem károsodik a félvezetőben már kialakított, pn átmeneteket tartalmazó struktúra. Golyós kötés mikroszkópikus képét mutatja a 4.82. ábra - Termokompressziós kötés a mikroelektronikában.
4.82. ábra - Termokompressziós kötés a mikroelektronikában
forrás: BME ETT
A golyós kötés mellett elterjedten használják még az ékes kötést, és az eljárást gyakran kombinálják ultrahangos rezgetéssel is.
6.4. Termoszonikus kötések
A termoszonikus kötéseknél a termokompressziós és az ultrahangos technológiát kombinálják. Az így kialakított kötés kiváló mechanikai és elektromos tulajdonságokkal rendelkezik. Az ultrahangos energiát hőhatással először 1970-ben Alexander Coucoulas kombinálta, ezzel ötvözve a termokompressziós és ultrahangos kötési módok előnyeit. A hőmérséklet ennél a kötésmódnál alacsonyabb, mint a termokompressziós kötéseknél (125–175 °C), így a hőre érzékenyebb chipek is beköthetők, illetve kevésbé kell tartani a már kialakított struktúra és az egyéb alkatrészek sérülésétől. A kötés időtartama is rövidebb, 10 ms-os nagyságrendű. Az ultrahangos energia segít a felületi szennyeződések, oxid rétegek eltávolításában, a huzal és a kötési felület egymáshoz kötésében. A kötés lépései a következők:
• A huzal végét elektromos ív segítségével megolvasztják, és a felületi feszültség a huzal végén gömböt képez.
• A huzalt visszahúzzák.
• A kapillárist a kontaktálandó felület fölé pozícionálják, majd egy bizonyos erővel összenyomják, mialatt a felület irányában ultrahangfrekvenciával rezgetik. Ezzel létrejön a golyós kötés (ball bond).
• A kapilláris a másik kontaktálandó felület fölé mozdul el.
• A kapilláris ismét leereszkedik, erő és az ultrahangos rezgetés hatására létrejön a második kötés.
• A huzalt megfogóval rögzítik, majd a kapilláris felemelkedik, és elszakítja a huzalt, ezzel létrejön az ékes kötés (tail bond).
4.83. ábra - A termoszonikus mikrohuzal kötés lépései
forrás: BME ETT
6.5. Anódos kötések
Az anódos kötésekkel (anodic bonding) gyakran találkozunk a mikromechanikában. Ezt a kötésmódot kifejezetten a sík szilíciumfelületek és sík bórszilikát üvegfelületek összekötésére fejlesztették ki.
4.84. ábra - Az anódos kötés vázlata
forrás: World of Microsystems
A technológia lényege, hogy 200…1000 V-os egyenfeszültség, 200…500 °C hőmérséklet, és a felületek egyidejű, és bizonyos ideig tartó összenyomásával a szilícium és az üveg között hermetikusan záró kötés jön létre, köszönhetően az anyagok kémiai rokonságának. A jó minőségű kötés feltétele a felületek tisztasága és síkbelisége. Az anódos kötés vázlatát a 4.84. ábra - Az anódos kötés vázlata mutatja.