А.А. Бабырин - Электроника и микроэлектроника, страница 77

Электронно-лучевая сварка и лазерная сварка используют ускоренные электроны и высокоэнергетические фотоны, энергия которых при торможении в поверхностных слоях металла передается свободным электронам, а от них — кристаллической решетке, вызывая нагрев глубинных слоев, в том числе, под слоем тугоплавких окислов. Соединение в твердой фазе включает разные виды сварки давлением, в том числе, электроконтактную, термокомпрессионную, термодиффузионную, ультразвуковую и холодную сварку. Электроконтактная и термокомпрессионная виды сварки занимают промежуточное положение между сваркой плавлением 888 Гл.

б. Управление поверхностными явлениями и сваркой давлением, так как сдавливание деталей сопровождается нагревом места соединения. Электроконтактная сварка (точечная или роликовая) осуществляется сдавливанием металлических деталей двумя холодными медными электродами или вращающимися роликами с пропусканием импульса тока через область контакта материалов. На переходном сопротивлении контакта выделяется джоулево тепло, разогревающее эту область вплоть до ее расплавления, что приближает такой метод к сварке плавлением.

Термокомпрессионная сварка применяется для присоединения к металлизированной поверхности полупроводника алюминиевых или золотых проволок толщиной в десятки микронов. При этом надежный механический и электрический контакт между проволочным выводом и полупроводником формируется без расплавления соединяемых материалов.

Разогрев места сварки до температур 350'С производится нагретой тонкой иглой, часто в форме расщепленного электрода. Она прижимает вывод к контактной площадке полупроводника под давлением около 1О кг/мм~. Этого достаточно для пластической деформации проволоки и соединения материалов по механизму схватывания с образованием активных центров. Термодиффузионная сварка проводится в вакууме для соединения металлических деталей (в том числе с керамикой) при температуре около Тпи/2, сжатых под давлением 1 кг/мм2.

Более высокие температуры и низкие давления по сравнению с термокомпрессией обеспечивают соединение материалов не по механизму схватывания через активные центры, а в результате взаимного диффузионного проникновения атомов контактирующих материалов.

Относительно невысокое давление необходимо только для создания физического контакта на начальном этапе, когда принципиальную роль играет ползучесть материалов на микровыступах. Высокая температура активизирует взаимную диффузию материалов, приводящую к их монолитному и герметичному соединению. Холодная сварка и ультразвуковая сварка выполняются под давлением без внешнего нагрева, хотя место соединения разогревается в процессе сварки до 300 †5'С. Высокие давления при холодной сварке (до 100 кг/мм ) разрушают окисные пленки, препятствующие пластическому течению материалов, и обеспечивают образование активных центров схватывания, Применение ультразвука также способствует разрушению окисных пленок, что позволяет снизить сжимающие усилия.

6.10. Механизмы формироеанин еакуумно-плотных соединений 389 Спаи металлов со стеклом и керамикой имеют специфическую природу своего формирования. Как отмечалось в п. 5.7, основу строения стекол и керамик составляют окислы типа 510о и А!оОз, образующие силикатную, алюмосиликатную или алюмооксидную структуру — аморфную для стеклофазы и кристаллическую для кристаллофазы.

Эти окислы взаимодействуют с окислами металлов по донорно-акцепторному механизму, когда один окисел (донор) отдает пару электронов, а другой (акцептор) ее принимает. Это приводит к образованию прочной координационно-ковалентной связи. Спаи металлов со стеклом требуют предварительного окисления поверхности металла в окислительном пламени газовой горелки. В результате этого обеспечивается не только стадия физического контакта из-за смачивания окисленной поверхности металла расплавленным стеклом, по н конечная стадия химического контакта.

Взаимное растворение окислов сопровождается их донорно-акцепторным взаимодействием, при этом 510о выполняет роль акцептора, а окислы металлов — роль донора. Спаи металлов с керамикой осуществляют либо при помощи пайки по металлизации, либо с применением активной пайки. В обоих случаях соединение происходит по донорноакцепторному механизму с образованием координационноковалентной связи. Пайка по металлизаиии требует предварительного нанесения на поверхность керамики молибдено-марганцевой пасты с последующим ее вжиганием во влажном азоте.

Эта операция создает окисел Мп02, играющий роль донора электронной пары, который взаимодействует с акцепторным окислом А!оОз керамики, давая марганцевую шпинель МпОо А!оОз. При температуре вжигания -1400'С частицы порошка молибдена спекаются друг с другом и с керамикой при помощи размягченной шпинели.

В результате этого после охлаждения образуется прочный слой металлизации на поверхности керамики. Соединение металлов с металлизированной керамикой выполняют обычной пайкой твердым или мягким припоем, при этом для лучшей растекаемости припоя часто молибденовую металлизацию покрывают слоем гальванического никеля. Активная пайка использует металлы переходной группы типа Т1, Хг, 1Х)6 и др, с незастроенной внутренней электронной оболочкой, которые могут выполнять роль акцептора по отношению к окислу А!90з керамики как донору электронной пары. Эти металлы либо применяют в виде конструкционного материала деталей, либо вводят в состав активных припоев.

В первом 390 Гл. б. Управление поверхноегпными явлениями Контрольные вопросы 1. Какие новые физические понятия принято вводить с целью термодинамического описания поверхностных и межфазных явлений? 2. Раскройте физическое содержание адсорбционной формулы Гиббса, Дайте определение поверхностно-активных и поверхностно- инактивных веществ, приведите примеры.

Объясните физический смысл формулы Гиббса-Томсона. Каким образом размер макрочастицы влияет на температу- ру ее плавления? Опишите природу физической и химической адсорбции на поверхности твердых тел; какой вид адсорбции является термоактивационным процессом и почему? От чего зависит среднее время пребывания частицы в ад- сорбированном состоянии? Чем определяется кинетика физической адсорбции и что характеризует уравнение изотермы Ленгмюра? Какова роль процессов адсорбции, растворения и диффузии в газопоглощении материалов? Что является движущей силой процесса кристаллизации при физических и химических методах осаждения? 10, случае соединение осуществляется с помощью обычных припоев, в расплаве которых растворяется активный материал детали, обеспечивая донорно-акцепторное взаимодействие с окислом керамики.

Во втором случае металл и керамика спаиваются при помощи активного припоя на основе титана, вводимого в место соединения. В обоих случаях отпадает необходимость в предварительной металлизация поверхности керамики. В заключение подчеркнем, что любое вакуумно-плотное монолитное соединение разнородных материалов можно осуществить лишь в том случае, если между компонентами этих материалов существует химическое или диффузионное взаимодействие, в результате которого возникает переходной слой, содержащий, наряду с исходными компонентами, также продукты их взаимодействия. Контрольные вопросы 391 12.

15. !б. 17. 18. 19. 20. Какова физическая причина появления критического пересыщения и критических зародышей в первичной (жидкой или парогазовой) фазе? Каковы термодинамические особенности гетерогенного зародышеобразования в рамках модели трехмерного (куполообразного) зародыша? Каковы термодинамические особенности гетерогенного зародышеобразования в рамках модели двухмерного (диско- образного) зародыша? Чем определяется скорость гетерогенного зародышеобразования? Опишите зародышевый механизм роста пленок на реальных подложках. Всегда ли рост пленки на подложке происходит через стадию образования зародышей? Опишите послойный и спиральный механизмы роста пленок на реальных подложках. В чем состоит специфика эпитаксиального роста пленок на монокристаллических подложках? Опишите процесс удаления поверхностных загрязнений нейтральными моющими жидкостями, а также роль поверхностно-активных веществ и ультразвука в очистке поверхности.

Какова физическая сущность методов соединения материалов в жидкой и твердой фазах при формировании герметичных и вакуумно-плотных спаев и швов? Приложение А ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ В ЗАДАЧАХ ТЕХНОЛОГИИ Цель данного приложения — дать читателю возможность закрепить полученные теоретические сведения из химической термодинамики и приобрести практические навыки термодинамического расчета на примере решения двух задач, имеющих непосредственное отношение к технологической проблемам вакуумной электроники (приложение А.1) и полупроводниковой электроники (приложение А.2).

А.1. Состав газовой фазы и окисляемость металлов при термообработке оксидиого катода Общие сведения. Как уже отмечалось в п.4.1, оксидные катоды, являющиеся одним из наиболее распространенных типов термокатода, представляют собой смесь оксидов бария, стронция и кальция, среди которых основным является ВаО. Будучи диэлектриком с шириной запрещенной зоны ЬЕк = 3,8 эВ, оксид бария в чистом виде имеет работу выхода около 2,8 эВ. Согласно формуле Ричардсона — Дэшмана (4.5), такая большая работа выхода не позволяет обеспечить нужную для работы вакуумного прибора плотность тока термоэмиссии.