La unión eutéctica , también conocida como soldadura eutéctica, describe una técnica de unión de obleas con una capa metálica intermedia que puede producir un sistema eutéctico . Esos metales eutécticos son aleaciones que se transforman directamente de estado sólido a estado líquido, o viceversa de estado líquido a sólido, a una composición y temperatura específicas sin pasar por un equilibrio de dos fases, es decir, estado líquido y sólido. El hecho de que la temperatura eutéctica pueda ser mucho más baja que la temperatura de fusión de los dos o más elementos puros puede ser importante en la unión eutéctica.
Las aleaciones eutécticas se depositan mediante pulverización catódica, evaporación de doble fuente o galvanoplastia. También pueden formarse mediante reacciones de difusión de materiales puros y posteriormente fusión de la composición eutéctica. [2]
La unión eutéctica puede producir paquetes herméticamente sellados e interconexión eléctrica dentro de un solo proceso (compare imágenes ultrasónicas). Además, este procedimiento se realiza a bajas temperaturas de procesamiento, baja tensión resultante inducida en el ensamblaje final, alta fuerza de unión, gran rendimiento de fabricación y buena confiabilidad. Estos atributos dependen del coeficiente de expansión térmica entre los sustratos. [1]
Los parámetros más importantes para la unión eutéctica son:
- temperatura de unión
- duración de la vinculación
- presión de la herramienta
Resumen
La unión eutéctica se basa en la capacidad del silicio (Si) de alearse con numerosos metales y formar un sistema eutéctico. Las formaciones eutécticas más consolidadas son Si con oro (Au) o con aluminio (Al). [3] Este procedimiento de unión se usa más comúnmente para si o obleas de vidrio que están recubiertas con una película de Au / Al y en parte con una capa adhesiva (comparar con la siguiente imagen).
La pareja Si-Au tiene las ventajas de una temperatura eutéctica excepcionalmente baja, un uso ya generalizado en la unión de matrices y la compatibilidad con interconexiones de Al. [4] Además, en la tabla se muestran las aleaciones eutécticas de uso frecuente para la unión de obleas en la fabricación de semiconductores. La elección de la aleación correcta está determinada por la temperatura de procesamiento y la compatibilidad de los materiales utilizados. [5]
| Aleación eutéctica | Composición eutéctica | Temperatura eutéctica |
|---|---|---|
| Au-In | 0,6 / 99,4% en peso | 156 ° C |
| Cu-Sn | 5/95% en peso | 231 ° C |
| Au-Sn [6] | 80/20% en peso | 280 ° C |
| Au-Ge | 72/28% en peso | 361 ° C |
| Au-Si | 97,15 / 2,85% en peso | 370 ° C |
| Al-Ge [7] | 49/51% en peso | 419 ° C |
| Al-Si | 87,5 / 12,5% en peso | 580 ° C |
Además, la unión tiene menos restricciones con respecto a la rugosidad y planitud del sustrato que la unión directa. En comparación con la unión anódica, no se requieren altos voltajes que puedan ser perjudiciales para los MEMS electrostáticos. Además, el procedimiento de unión eutéctica promueve una mejor liberación de gases y hermeticidad que la unión con capas intermedias orgánicas. [8] En comparación con la unión por frita de vidrio, destaca la ventaja de que es posible la reducción de las geometrías del anillo de sellado, un aumento de los niveles de hermeticidad y una contracción del tamaño del dispositivo. La geometría de los sellos eutécticos se caracteriza por un espesor de 1 a 5 µm y un ancho de> 50 µm. El uso de una aleación eutéctica ofrece la ventaja de proporcionar conducción eléctrica e interconectarse con las capas de redistribución.
La temperatura del procedimiento de unión eutéctica depende del material utilizado. La unión se produce a una temperatura y% en peso específicos, por ejemplo, 370 ° C a 2,85% en peso de Si para la capa intermedia de Au (comparar con el diagrama de fases). [3]
El procedimiento de unión eutéctica se divide en los siguientes pasos: [9]
- Procesamiento de sustrato
- Acondicionamiento antes de la unión (por ejemplo, eliminación de óxido)
- Proceso de unión (temperatura, presión mecánica durante unos minutos)
- Proceso de enfriamiento
Pasos del procedimiento
Pretratamiento
La preparación de la superficie es el paso más importante para lograr una unión eutéctica exitosa. Este procedimiento de unión se debe a la presencia de óxidos sobre los sustratos de silicio muy limitada en base a la escasa humectabilidad del Au sobre la capa de óxido. Esto conduce a una mala adherencia del enlace eutéctico. El óxido de la superficie del silicio actúa como barrera de difusión. [4] La tarea principal de la preparación de la superficie es facilitar la deposición del metal eutéctico mediante la eliminación de óxido o la deposición de la capa de adhesión. [10]
Para eliminar las capas de óxido nativo existentes, se puede utilizar el grabado químico húmedo (HF clean), el grabado químico seco o la deposición química de vapor (CVD) con diferentes tipos de cristales. Además, algunas aplicaciones requieren un pretratamiento de la superficie utilizando procesos de eliminación de óxido seco, por ejemplo, plasma H 2 y plasma CF 4 . [1]
Un método adicional para la eliminación de películas superficiales no deseadas, es decir, óxido, es la aplicación de ultrasonidos durante el proceso de fijación. [11] Tan pronto como se baja la herramienta, se aplica una vibración relativa entre la oblea y el sustrato. Comúnmente, los ligantes industriales utilizan ultrasonidos con frecuencias de vibración de 60 Hz y amplitud de vibración de 100 µm. [12] Una eliminación exitosa de óxido da como resultado una conexión sólida y herméticamente cerrada. [3]
Un segundo método para asegurar que el metal eutéctico se adhiera a la oblea de Si es mediante el uso de una capa de adhesión. Esta fina capa intermedia de metal se adhiere bien al óxido y al metal eutéctico. Los metales más adecuados para un compuesto de Au-Si son el titanio (Ti) y el cromo (Cr) dando como resultado, por ejemplo, Si-SiO 2 -Ti-Au o Si-SiO 2 -Cr-Au. La capa de adhesión se utiliza para romper el óxido mediante la difusión de silicio en el material utilizado. Una oblea típica se compone de una oblea de silicio con óxido, una capa de Ti o Cr de 30-200 nm y una capa de Au de> 500 nm de espesor.
En la fabricación de la oblea, se agrega una capa de níquel (Ni) o platino (Pt) entre el oro y la oblea de sustrato como barrera de difusión. [8] La barrera de difusión evita la interacción entre Au y Ti / Cr y requiere temperaturas más altas para formar una unión confiable y uniforme. Además, la solubilidad muy limitada del silicio en titanio y cromo puede evitar el desarrollo de una composición eutéctica de Au-Si basada en la difusión del silicio a través del titanio en oro. [4]
Los materiales eutécticos y las capas de adhesión opcionales generalmente se abordan mediante deposición como aleación en una capa mediante galvanoplastia de dos componentes, evaporación de fuente dual ( deposición física de vapor ) o pulverización catódica de aleación compuesta. [10]
La eliminación de la contaminación, en la capa de Au más establecida para el silicio, generalmente se realiza con lavado con agua y calentamiento de obleas. [1]
Proceso de vinculación
El contacto de los sustratos se aplica directamente después del pretratamiento de las superficies para evitar la regeneración de óxidos. El procedimiento de unión para oxidar metales (no Au) generalmente tiene lugar en una atmósfera reducida de 4% de hidrógeno y un flujo de gas portador inerte, por ejemplo, nitrógeno. Los requisitos para el equipo de unión radican en la uniformidad térmica y de presión a través de la oblea. Esto permite líneas de sellado comprimidas uniformemente. [2]
El sustrato se alinea y fija en una platina calentada y la oblea de silicio en una herramienta calentada. Los sustratos insertados en la cámara de unión se contactan manteniendo la alineación. Tan pronto como las capas están en contacto atómico, comienza la reacción entre ellas. Para soportar la reacción se aplica presión mecánica y se calienta por encima de la temperatura eutéctica. [1]
La difusividad y solubilidad del oro en el sustrato de silicio aumenta con el aumento de las temperaturas de unión. Normalmente se prefiere una temperatura más alta que la temperatura eutéctica para el procedimiento de unión. Esto puede resultar en la formación de una capa de aleación Au-Si más gruesa y, además, en un enlace eutéctico más fuerte. [13]
La difusión comienza tan pronto como las capas están en contacto atómico a temperaturas elevadas. [1] La capa de la superficie en contacto que contiene los compuestos eutécticos se derrite, formando una aleación en fase líquida, acelerando los procesos de mezcla y difusión adicionales hasta que se alcanza la composición de saturación. [14] [15]
Otras aleaciones de unión eutécticas comunes que se utilizan comúnmente para la unión de obleas incluyen Au-Sn, Al-Ge, Au-Ge, Au-In y Cu-Sn. [7]
La temperatura de unión elegida suele ser algunos grados más alta que la temperatura eutéctica, por lo que la masa fundida se vuelve menos viscosa y fluye fácilmente debido a la mayor rugosidad de las áreas superficiales que no están en contacto atómico. [10] Para evitar que la masa fundida se presione fuera de la interfaz de unión, es necesaria la optimización del control del parámetro de unión, por ejemplo, poca fuerza sobre las obleas. De lo contrario, puede provocar cortocircuitos o mal funcionamiento del dispositivo de los componentes usados (eléctricos y mecánicos). [1] El calentamiento de las obleas conduce a un cambio en la textura de la superficie debido a la formación de microestructuras finas de silicio en la parte superior de la superficie de oro. [15]
Proceso de enfriamiento
La mezcla de materiales se solidifica cuando la temperatura desciende por debajo del punto eutéctico o cambia la relación de concentración (para Si-Au: T <370 ° C ). [1] La solidificación conduce al crecimiento epitaxial de silicio y oro en la parte superior del sustrato de silicio, lo que da como resultado numerosas islas pequeñas de silicio que sobresalen de una aleación de oro policristalino (comparar con la imagen de la sección transversal de la interfaz de unión). [4] Esto puede resultar en resistencias de unión de alrededor de 70 MPa.
La importancia radica en los parámetros de proceso adecuados, es decir, un control suficiente de la temperatura de unión. [15] De lo contrario, la unión se agrieta debido a la tensión causada por un desajuste del coeficiente de expansión térmica. Este estrés puede relajarse con el tiempo. [4]
Ejemplos
Debido a la alta fuerza de unión, este procedimiento es de aplicación especial para sensores de presión o fluídicos. También se pueden fabricar sensores y actuadores micro mecánicos inteligentes con funciones electrónicas y / o micro mecánicas sobre múltiples obleas. [15]
Especificaciones técnicas
| Materiales | Sustrato:
Capa intermedia:
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| La temperatura |
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| Ventajas |
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| Inconvenientes |
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| Investiga |
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Referencias
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