CC BY
62УДК 621.791.9
1 2 И.К. Козлов , Д.Г. Сироткин
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ АНОДНОЙ СВАРКИ
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева1,
ОАО «АБАИР», Нижний Новгород
Цель работы: Разработка технологии и оборудования для изготовления компонентов МЭМС, что позволит обеспечить их отечественное производство и увеличить процент выхода годных изделий.
Методология: Достижение поставленной цели предполагает проведение исследований процесса анодной сварки, изучение влияния параметров процесса на качество сварки.
Результат: Представлены результаты оптимизации технологического процесса анодной сварки пластин кремний-стекло, разработана и изготовлена опытно -промышленная установка анодной сварки компонентов МЭМС. Новизна: Разработанная технология и изготовленная установка дают возможность проведения широкого круга исследований по данной тематике.
Ключевые слова: микроэлектроника, МЭМС, анодная сварка, кремний, стекло, пирекс.
За последние годы в области микроэлектромеханических систем (МЭМС) и соответствующих технологий достигнуты значительные успехи. Выпуск компонентов на основе МЭМС достиг уровня порядка $10 млрд в год.
МЭМС находят широкое применение в автомобильной электронике, бытовой технике (смартфоны, ноутбуки и др.), приборах специального назначения: медицинском оборудовании, военной и аэрокосмической технике, системах управления и мониторинга и т.д.
Основу ряда МЭМС составляет двухслойный пакет пластин кремний-стекло, полученный методом анодной сварки (anodic bonding). Наиболее распространен вариант сварки по всей поверхности пластин толщиной 0,3-3,0 мм, диаметром от 30 до 150 мм [1-7].
С промежуточным слоем стекла можно сваривать две и более кремниевые пластины, формируя многослойные пакеты. В объемах приваренных кремниевой и стеклянной пластин в пределах единичных элементов заданной формы и размеров (несколько мм) формируются соответствующие структуры. В дальнейшем производится разделительная резка на отдельные элементы.
Сущность процесса анодной сварки [1-7] заключается в сжатии пластин из кремния и стекла, их нагрев до температуры (200^550) °С и приложения электрического напряжения 2СКН2000 В постоянного тока (так называемое анодное напряжение) (рис. 1).
© Козлов И.К., Сироткин Д.Г., 2014.
Рис. 1. Принципиальная схема процесса анодной сварки
При нагреве происходит расщепление оксидов натрия в стекле, под воздействием электрического поля, положительно заряженные ионы щелочных металлов перемещаются от границы соприкосновения с пластиной кремния, тем самым оставляя на границе слой, обогащенный кислородом, который вступает в реакцию с кремнием, окисляя его. Это процесс необратимый, связь между стеклом и кремнием реализуется без промежуточного слоя, так называемая анодная связь. Критерием оптимальности технологического процесса является качество образующегося окисла кремния и его толщина, определяющие прочность сварного соединения при испытании на сдвиг.
Оборудование для анодной сварки компаний EVG, SUSS и ряда других зарубежных фирм, ориентировано под конкретные изделия, требует высокоспециализированного сервиса со стороны производителя и малодоступны для большинства российских предприятий.
Процесс анодной сварки весьма сложен и имеет множество нюансов, поэтому изучение процесса сварки, разработка и изготовление сварочного оборудования являются крайне актуальными задачами для российской нано- и микроэлектроники, что позволит расширить отечественное производство МЭМС компонентов и увеличить процент выхода годных изделий.
Стекло должно обладать умеренно проводящими свойствами, что обеспечит возникновение области объемного заряда, и иметь коэффициент теплового расширения, близкий к коэффициенту теплового расширения кремния как в рабочем диапазоне температур МЭМС, так и в температурном диапазоне технологической операции анодной сварки.
Данным требованиям соответствует боросиликатное стекло типа «Pyrex», стекла Bor-ofloat, Corning 7740, HOYA SD-2 и ряд других [4].
Несоответствие коэффициентов расширения вызывает растрескивание пластин, преимущественно, как показали проведенные исследования, при охлаждении. Однако высокая температура нагрева более 500 °С и скорость охлаждения более 20 °С/мин даже для стекол типа «Pyrex» способствует растрескиванию. Растрескиванию также способствует неравномерный характер окружающего температурного поля при поднятом верхнем электроде.
Проведенные исследования показали, что охлаждение сваренного пакета пластин необходимо производить в условиях, соответствующих условиям сварки, т.е. не снимая сварочного усилия (сохраняя контакт с верхним электродом) до достижения температуры на нижнем электроде 70-80°С. Целесообразно сохранять неизменным приложенное анодное напряжение в процессе охлаждения изделия до 100 °С.
Для формирования качественного сварного соединения необходим нагрев до температуры, существенно меньшей, чем точка размягчения стекла, но обеспечивающей распад оксида натрия на ионы. По данным литературных источников [2,5,7] и результатам проведенных исследований, оптимальное значение температуры для стекла типа «Pyrex» лежит в пределах 350-450 °С.
Исследования показали, что получение качественной сварки возможно только для очищенных от загрязнений и пыли свариваемых поверхностей, необходима обработка поверхностей в течение 5 мин в водном растворе H2SO4, в соотношении 1:2,5 объемных долей [4].
Необходимо учесть следующие требования:
а) пластины толщиной 0,3-3,0 мм, должны иметь разброс по толщине в пределах ± 20 мкм, неплоскостность поверхностей в пределах +/- 2мкм;
б) шероховатость свариваемых поверхностей не более 0,1-1,0 мкм;
в) изгиб и коробление пластины не должны быть более 30 мкм;
г) наличие технологической зоны по периферии пластин размером не менее 5-10 мм.
Известно, что высокое напряжение (свыше 1500 В) разрушает полупроводниковые
элементы на поверхности кристалла [1, 3], соответственно оно должно иметь минимально возможное значение. Значение анодного напряжения зависит от температуры, температура, в свою очередь, зависит от марки, размеров и толщины стекла: чем толщина и размеры стекла больше, тем выше температура [5]. Исследования показывают, что нижний предел режима сварки пластин толщиной 0,3^1,0 мм составляет 350 °С, 250 В.
Важным фактором является характер приложения анодного напряжения. Результаты проведенных исследований и результаты, приведенные в работе [2], показывают, что приложение высокого значения анодного напряжения приводит пусть и кратковременному, но высокому по значению (до 30 мА и выше) броску тока, пиковый ток приводит к дефектам сварного соединения. Целесообразно ступенчатое повышение напряжения от нуля при достижении температуры 300°С. Количество ступеней повышения напряжения не менее трех (25%, 60%, 100% от номинального значения с интервалом 1-2 мин). Это особенно важно в случае применения анодного напряжения 750. В и выше.
Анодную сварку можно проводить как в условиях атмосферного давления, так и в условиях вакуума, но более качественные соединения получаются при сварке в вакуумной камере [1-7]. Результаты исследований и обзор литературных данных [7] показывают, что вакуум 0,1 мбар (10 Па) является достаточным. Более высокая степень откачки не только усложняет конструкцию вакуумной системы, но и способствует возникновению дугового разряда, что приводит к шунтированию сварочного тока. Качественная изоляция вводов то-коподводящих проводов, отсутствие свободных от контакта с пластинами участков электродов - обязательное требование к конструкции сварочной установки.
Исследования показали, что возрастание тока в цепи высокого напряжения свыше 510 мА с большой вероятностью свидетельствует о возникновении дугового разряда в вакууме в так называемой диффузной форме, характеризуемой довольно размытым столбом по вакуумной камере, по внешнему виду похожим на столб тлеющего разряда. Процесс сварки при этом становиться нестабильным и слабоуправляемым, энергия в большей мере расходуется на поддержание дугового разряда, а не на процесс формирования сварного соединения. Данный процесс требует дополнительного исследования, внимание следует обратить на работу [8]
Исследования производились на экспериментальных образцах: стеклянных пластинах диаметром 76 мм и толщиной 3,0 мм, кремниевых пластинах - диаметром 60 и толщиной 0,3 мм. Проверка качества производилась испытанием на сдвиг кремниевой пластины относительно стеклянной подложки. На начальном этапе сварка производилась вне вакуумной камеры, в атмосферных условиях. После изготовления опытно-промышленной установки исследования производились в вакуумной камере с остаточным давлением 50 Па.
Длительность выдержки при заданной температуре определяется значениями температуры и анодного напряжения. При температуре 450 °С длительность составляет 30-40 мин при анодном напряжении 700 В и 10 мин при 1200 В (давление в камере 30-50 Па, усилие прижима 1500 Н). Существенное влияние на качество сварки оказывает циклограмма приложения анодного напряжения, скорости нагрева и охлаждения зоны сварки. Процесс требует непрерывного контроля, в первую очередь за значением сварочного тока. Превышение значения сварочного тока свыше 5 мА с большой долей вероятности свидетельствует о шунтировании сварочного тока дуговым разрядом, причиной возникновения которого может служить и растрескивание пластин.
При разработке сварочной установки исходили из следующих этапов процесса:
1) установка и фиксация свариваемых пластин в сборочном приспособлении;
2) установка в вакуумной камере на нижнем электроде по упорам и фиксаторам (через дверцу посредством роликового транспортера) приспособления, с установленными на нем соединяемыми пластинами;
3) закрытие дверцы входа в камеру, посредством эксцентрикового прижима;
4) выполнение цикла сварки (откачка; нагрев; приложение сжимающего усилия, подача высокого напряжения, выдержка в течение заданного времени, отключение нагрева, наддув воздуха или азота, отключение высокого напряжения);
5) после окончания цикла сварки, открывается дверца и извлекается приспособление с изделием, производится внешний осмотр и съем изделия с приспособления.
Для реализации процесса была разработана и изготовлена установка анодной сварки (рис. 2), состоящая из следующих узлов.
1
Рис. 2. Принципиальная схема установки анодной сварки:
1, 6, 9 - изолятор; 2 - верхний электрод (минус); 3 - стеклянная пластина; 4 -кремниевая пластина;
5 - нижний электрод (плюс); 7 - поддон; 8 - опора; 10 - ТЭН
1. Система размещения свариваемых деталей и их нагрева, включает в себя поддон, в котором размещен ТЭН-нагреватель и нижний электрод, выполненный из медного сплава, что обеспечивает равномерность нагрева установленном на нем приспособлении с пластинами. Нижний электрод обеспечивает также подвод положительного потенциала высокого напряжения к кремниевой пластине, поэтому он крепится к нагревательному столику через изолятор.
Верхний электрод, также выполненный из медного сплава, обеспечивает подвод отрицательного потенциала к стеклянной пластине (размещаемой на кремниевой). Через изолятор верхний электрод крепится к штоку пневмоцилиндра, обеспечивающего сжатие пластин.
2. Вакуумная камера, в которой осуществляется процесс сварки, и поддерживаются заданные (программируемые) параметры процесса. Камера круглая со съемной верхней крышкой, используемой только при сборке и ремонте, а также дверцей без окна, с вакуум-плотным резиновым уплотнением и эксцентриковым замком.
3. Вакуумная система откачки и наддува размещается в нижней части станины и состоит из вакуумного насоса, вакуумметра, электропневмоклапана с регулируемой подачей на напуск азота, а также штуцера подключения трубопровода системы вакуумирования, напуска и откачки газа. Система предназначена для откачивания камеры до заданного остаточного давления (формирование вакуума в камере) и поддержания его на протяжении всего цикла сварки. Выбор компонентов устройства основывался на возможности откачивания камеры от атмосферного давления до остаточного давления 1 Па.
Исходя из требований обеспечения минимизации газовыделения, а также обеспечения достаточной механической и термической прочности для изготовления составных частей камеры предпочтительным является отожженная при 420 0С в вакууме коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н10Т. К камере через патрубок подсоединен мембранный клапан безопасности срабатывающий при превышении давления в 2 бара в камере. После завершения сварочного процесса камера вентилируется с помощью клапана напуска.
4. Пневматический механизм нагружения, обеспечивающий сжатие соединяемых пластин с заданным усилием.
5. Система подачи и управления высоким напряжением, реализованная на базе блока питания компании ULTRAVOLT.
6. На станине размещен блок управления, на лицевой панели которого в размещены система управления откачкой и наддувом, система управления нагревом, система управления подачей высокого напряжения, таймер. На лицевой панели управления также размещены кнопки включения вышеуказанных устройств, а также амперметр, показывающий значение сварочного тока в цепи нагрева. В нижней части камеры размещаются элементы системы откачки и напуска, штуцер подключения трубопровода вакуумного насоса, трансформатор системы нагрева.
На стадии приемо-сдаточных испытаний для ограничения тока в цепи высокого напряжения значением 26 мА, (при напряжении 1200 В) в цепи высокого напряжения установлено ограничительное сопротивление 46 кОм.
Основой системы управления нагревом является ПИД регулятор МЕТАКОН-315. На поддоне, в котором размещен ТЭН с напряжением питания 42 В устанавливается термопара ТП ХА (К). Так как термопара установлена не на нижнем электроде, а на поддоне, была разработана таблица пересчета температур. Обеспечена изоляция верхнего и нижнего электродов, нагревательного столика от корпуса вакуумной камеры, высокая степень изоляция цепи нагрева столика. Подвод высокого напряжения осуществляется непосредственно к верхнему и нижнему электродам. Обеспечена изоляция рабочей части прижима, (верхнего бронзового электрода) непосредственно контактирующей с поверхностью верхней детали и осуществляющей сжатие деталей и подвод высокого напряжения.
На рис. 3 представлена фотография разработанной и изготовленной опытно-промышленной установки анодной сварки.
Рис. 3. Опытно-промышленная установка анодной сварки
Выводы
1. Проведенные исследования позволили разработать рекомендации по оптимизации технологического процесса анодной сварки, как применительно к значениям основных параметров режима, так и циклограмме процесса. Важным фактором является характер приложения анодного напряжения. Целесообразно ступенчатое повышение напряжения от нуля при достижения температуры 300°С. Количество ступеней повышения напряжения не менее трех (25%, 60%, 100% от номинального значения с интервалом 1-2 мин). Это особенно важно в случае применения анодного напряжения 750 В и выше.
2. Проведенные исследования показали, что охлаждение сваренного пакета пластин
необходимо не снимая сварочного усилия (сохраняя контакт с верхним электродом) до достижения температуры на нижнем электроде 70-80°С. Целесообразно сохранять неизменным приложенное анодное напряжение в процессе охлаждения изделия до 100 °С
3. Проведенные исследования обеспечили разработку технического задания и на его базе изготовление опытно-промышленной установки анодной сварки. Разработанная установка дает возможность проведения широкого круга исследований по данной тематике.
Библиографический список
1. Баринов, И.Н. Конструктивно - технологические решения чувствительных элементов датчиков абсолютного давления / И.Н. Баринов, В.С. Волков, Н.П. Кривулин // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». 2008. Т. 1. С. 95-98.
2. Медведев, Е.И. Анодная сварка пластин для МЭМС применений // Степень интеграции. 2009. №1. С. 18-23.
3. Хохлун, А. Оборудование и технологии для производства МЭМС, микро - и наноструктур // Степень интеграции. 2009. №1. С. 14-16.
4. Тимошенков, С.П. Методы сборки и монтажа макетных образцов микроэлектромеханических систем / С.П. Тимошенков, А.Н. Бойко, Б.М.Симонов // Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА. 2010. № 4(84). С. 58-63.
5. Борзов, А.Б. Термически изолированные ячейки в конструкциях преобразователей физических величин изготовленные электростатической анодной посадкой полупроводниковых и диэлектрических элементов / А. Б. Борзов [и др.] // Наука и образование. Научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. Эл №ФС77-48211. С. 243-258.
6. Телец, В.А. Изготовление трехмерных МЭМС методами термокомпрессионной сварки / В.А. Телец, Ю.С. Негина, А.А. Орлов // Микропроцессорная техника. 2004. №3. С 2-7.
7. C.C.Tripathi, Sharuti Jain, Powan Joshi. Development of low cost set up for anodic bonding and its characterization // Indian Journal of Pure & Applied Physics/. 2008. V. 46. Р. 738-743.
8. Неровный, В.М. Способы стабилизации и управления тепловыми характеристиками дугового разряда при пайке в вакууме // Сварка и диагностика. 2013. №2. С. 34-39.
Дата поступления в редакцию 11.12.2014
I. K. Kozlov1, D. G. Syrotkin2
STUDIES AND DEVELOPMENTS IN THE FIELD OF ANODIC WELDING
Nizhny Novgorod state technical university n. a. R. E. Alexeev1, OAO "ABAIR", Nizhny Novgorod2
Purpose: Development of technology and equipment for MEMS (microelectromechanical systems) components production. This will allow domestic production of the latter and an increase of the product yield ratio. Methodology: Achievement of the set purpose suggests a research on anodic welding process and a study of the influence of the process parameters on the welding quality.
Results: The results of the technological process of silicon-glass plates anodic welding optimization are presented. A pilot unit for anodic welding of MEMS components is developed and produced.
Novelty: The developed technology and the produced unit enable a wide range of research on this matter. Key words: microelectronics, MEMS, anodic welding, silicon, glass, pyrex.
