Reaktiv bindning

Reaktiv bindning beskriver en waferbindningsprocedur som använder mycket reaktiva flerskiktssystem i nanoskala som ett mellanskikt mellan bindningssubstraten. Flerskiktssystemet består av två omväxlande olika tunna metallfilmer. Den självförökande exoterma reaktionen i flerskiktssystemet bidrar med den lokala värmen för att binda lödfilmerna . Baserat på den begränsade temperaturen substratmaterialet exponeras kan temperaturkänsliga komponenter och material med olika CTE , dvs metaller , polymerer och keramer , användas utan termiska skador.

Översikt

Bild av flerskiktssystem som reaktivt lager på en kiselwafer av Fraunhofer ENAS

Bindningen är baserad på reaktiva flerskikt i nanoskala som ger en intern värmekälla. Dessa folier kombineras med ytterligare lödlager för att uppnå bindning. Värmen som krävs för bindningen skapas av en självförökande exoterm reaktion av flerskiktssystemet. Denna reaktion antänds av en energipuls, dvs temperatur, mekaniskt tryck, elektrisk gnista eller laserpuls. Den alstrade värmen är lokaliserad till bindningsgränssnittet och begränsad på grund av en kortvarig uppvärmningsfas inom millisekunder.

Denna värme är en fördel med detta tillvägagångssätt, så de använda materialen utsätts inte för höga temperaturer och tillåter snabb kylning. En nackdel är att detta tillvägagångssätt inte är tillämpbart för limningsramdimensioner på några tio mikrometer. Detta är baserat på foliernas begränsade hanterings- och struktureringsförmåga vid dessa små dimensioner.

Materialet som används för flerskiktssystem är ett dubbelskikt av alternerande element, vanligtvis Ni / Al , Al/ Ti eller Ti/ a-Si . Metallskiktet är vanligtvis 1 till 30 nm tjockt och kan arrangeras som horisontella eller vertikala materialfilmer i nanoskala och är en kombination av en reaktiv och en lågsmältande komponent. Med ökad dubbelskiktstjocklek minskar reaktionshastigheten och reaktionsvärmen ökar. Därför är en specifik balans mellan hög reaktionshastighet och hög reaktionsvärme nödvändig.

Ett kommersiellt exempel på sådant material är NanoFoil . Motsvarande bindningsprocess är känd som NanoBond.

Procedursteg

Förbearbetning

Två olika reaktiva strukturer etableras, konventionella laterala lager-för-lager (flerlager) och vertikalt arrangerade strukturer. Baserat på svårigheter, som uppstår under hantering, mönstring och placering av de fristående folierna, avsätts flerskiktsfilmerna direkt på kiselsubstratet . Avsättningen av flerskiktssystemen på kisel uppnås genom magnetronförstoftning , elektroplätering eller etsning . De vertikala nanostrukturerna skapas också direkt på substratytan.

Substratytorna deponeras med ett lödskikt , dvs guld (Au), med hjälp av fysisk ångdeposition (PVD). PVD-processen främjar vätning av lodet. Blandningen av de använda komponenterna under deponering påverkar reaktionsparametrarna och för att förhindra detta kyls substraten.

En vanlig deponeringsmetod för flerskiktsstrukturer är magnetronförstoftning . Ett flerskiktssystem består av tusentals tunna enkelskikt av komponentkombinationen som växelvis sputters på substratytan.

För elektroplätering eller elektrokemisk deposition (ECD) flerskiktsdeponering har två tillvägagångssätt etablerats. Å ena sidan finns en tvåbadsmetod, vilket innebär en alternerande deponering i två olika pläteringsbad. Å andra sidan kan en ettbadsmetod, med en elektrolyt som innehåller båda filmkomponenterna i ett bad, användas. ECD-processen minskar processtiden och komplexiteten. Dessutom möjliggör denna metod mönsterplätering för att förhindra komplex etsningsprocess av strukturer.

Vertikala nanostrukturer skapas i två steg. Till en början skapas nålar i silikonsubstratet genom torretsning . Det andra använda materialet deponeras med hjälp av sputtering för att täcka dessa nålar. Detta tillvägagångssätt minskar processtiden och komplexiteten drastiskt på grund av att de tusentals enstaka skikten utelämnas. Vidare kan reaktiv foliemönstring realiseras genom att tillämpa en elektrokemisk bearbetningsprocess .

Bindning

Schematisk självförökande reaktion i ett flerskiktssystem efter antändning.

Schematisk reaktiv bindningsprocess med ett reaktivt flerskikt som värmekälla

Bindningsprocessen är baserad på reaktionen av flerskiktet i nanoskala för att frigöra energi koncentrerad vid gränsytan. Den självförökande reaktionen orsakas av minskningen av kemisk bindningsenergi i flerskiktssystemet (jämför med figuren "Skematisk självförökande reaktion i ett flerskiktssystem efter antändning").

Systemlegeringen , eller en intermetallisk förening , (AB) bildas av de blandade elementen (A+B) på grund av atomär diffusion .

Den reaktiva folien antänds av en energipuls som resulterar i en omedelbar självutbredningsreaktion (jämför med figuren "Skematisk reaktiv bindningsprocess med ett reaktivt flerskikt som värmekälla").

Denna lokala blandningsprocess producerar värme som överförs till de intilliggande elementskikten. Reaktionen sprider sig genom folien på millisekunder. Denna energifrigöring leder till en hög temperatur i bindningsgränsytan. Samtidigt utsätts komponenterna utanför gränsytan inte för reaktionens höga temperaturer. Förutom den höga gränssnittsenergin främjas denna reaktion också av den låga tjockleken och därför den reducerade diffusionsvägen för de enskilda metallskikten.

Den resulterande inre värmen smälter lödskikten för att bilda en bindning med flerskiktssystemet och substratet baserat på diffusion. Denna exotermiska reaktion kan antändas i reaktiva material som komprimerade pulver, t.ex. Ni/Ti eller Ti/ Co , såväl som i nanostrukturerade flerskiktssystem, t.ex. Ni/Al. Bindningen kan ske i olika miljöer, dvs vakuum , med en kraft som ger ett definierat mekaniskt tryck vid rumstemperatur. Ett högt applicerat mekaniskt tryck ökar lödflödet och kan därför förbättra vätningen av substratet.

Exempel

Reaktiv bindningsmetod används för att montera MEMS- komponenter inklusive formfäste och hermetisk försegling av mikrosystempaket . Processen används för att sammanfoga temperaturkänsliga biologiskt aktiverade substrat för diagnostik eller medicinsk utrustning . Dessutom kan engångsmikrofluidanordningar med avkänningsfunktion och immobiliserade celler tillverkas.

Tekniska specifikationer

Material	Substrat: Si Glas Löda: Au Cu Al Ti Metalliskt glas Reaktiv komponent: Al Ti Ni a-Si Co
Temperatur	Rumstemperatur
Fördelar	lokal uppvärmning snabb kylning bra nivå av hermeticitet
Nackdelar	Ej tillämpligt för bindningsramar på några tio mikrometer

Se även

^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g Böttge, B. och Bräuer, J. och Wiemer, M. och Petzold, M. och Bagdahn, J. och Gessner, T. (2010). "Tillverkning och karakterisering av reaktiva flerskiktssystem i nanoskala för lågtemperaturbindning i mikrosystemteknik" . Journal of Micromechanics and Microengineering . Vol. 20, nej. 6. {{ citera nyheter }} : CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Lin, Y.-C. och Baum, M. och Haubold, M. och Frömel, J. och Wiemer, M. och Gessner, T. och Esashi, M. (2009). "Utveckling och utvärdering av AuSi eutektisk wafer bonding". Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference, 2009. TRANSDUCERS 2009. International . s. 244–247. doi : 10.1109/SENSOR.2009.5285519 . {{ citera konferens }} : CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )
^ Qiu, X. & Wang, J. (2008). "Bindning av kiselwafers med reaktiva flerskiktsfolier". Sensorer och ställdon A: Fysiska . 141 (2): 476–481. doi : 10.1016/j.sna.2007.10.039 .
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Wiemer, M. och Bräuer, J. och Wünsch, D. och Gessner, T. (2010). "Reaktiv bindning och lågtemperaturbindning av heterogena material". ECS-transaktioner . 33 (4): 307–318. doi : 10.1149/1.3483520 . S2CID 96914667 . {{ citera tidskrift }} : CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )
^ ^a ^b Wang, J. och Besnoin, E. och Knio, OM och Weihs, TP (2004). "Undersöka effekten av applicerat tryck på reaktiv flerskiktsfoliefogning". Acta Materialia . 52 (18): 5265–5274. doi : 10.1016/j.actamat.2004.07.012 . {{ citera tidskrift }} : CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )
^ Qiu, X. och Welch, D. och Christen, J. och Zhu, J. och Oiler, J. och Yu, C. och Wang, Z. och Yu, H. (2010). "Reaktiva nanolager för fysiologiskt kompatibla mikrosystemförpackningar". Journal of Materials Science: Materials in Electronics . 21 (6): 562–566. doi : 10.1007/s10854-009-9957-5 . S2CID 137116832 . {{ citera tidskrift }} : CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )

[BBW+2010-1] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g Böttge, B. och Bräuer, J. och Wiemer, M. och Petzold, M. och Bagdahn, J. och Gessner, T. (2010). "Tillverkning och karakterisering av reaktiva flerskiktssystem i nanoskala för lågtemperaturbindning i mikrosystemteknik" . Journal of Micromechanics and Microengineering . Vol. 20, nej. 6. {{ citera nyheter }} : CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )

[LBH+2009a-2] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Lin, Y.-C. och Baum, M. och Haubold, M. och Frömel, J. och Wiemer, M. och Gessner, T. och Esashi, M. (2009). "Utveckling och utvärdering av AuSi eutektisk wafer bonding". Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference, 2009. TRANSDUCERS 2009. International . s. 244–247. doi : 10.1109/SENSOR.2009.5285519 . {{ citera konferens }} : CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )

[QW2008-3] Qiu, X. & Wang, J. (2008). "Bindning av kiselwafers med reaktiva flerskiktsfolier". Sensorer och ställdon A: Fysiska . 141 (2): 476–481. doi : 10.1016/j.sna.2007.10.039 .

[WBWG2010-4] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Wiemer, M. och Bräuer, J. och Wünsch, D. och Gessner, T. (2010). "Reaktiv bindning och lågtemperaturbindning av heterogena material". ECS-transaktioner . 33 (4): 307–318. doi : 10.1149/1.3483520 . S2CID 96914667 . {{ citera tidskrift }} : CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )

[WBKW2004-5] Wang, J. och Besnoin, E. och Knio, OM och Weihs, TP (2004). "Undersöka effekten av applicerat tryck på reaktiv flerskiktsfoliefogning". Acta Materialia . 52 (18): 5265–5274. doi : 10.1016/j.actamat.2004.07.012 . {{ citera tidskrift }} : CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )

[QWC+2010-6] Qiu, X. och Welch, D. och Christen, J. och Zhu, J. och Oiler, J. och Yu, C. och Wang, Z. och Yu, H. (2010). "Reaktiva nanolager för fysiologiskt kompatibla mikrosystemförpackningar". Journal of Materials Science: Materials in Electronics . 21 (6): 562–566. doi : 10.1007/s10854-009-9957-5 . S2CID 137116832 . {{ citera tidskrift }} : CS1 underhåll: flera namn: lista över författare ( länk )