2.3 Крепления кремниевой пластины к стеклянной подложке ультрозвуковой сваркой

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в производстве устройств отображения визуальной информации индивидуального и коллективного пользования на основе низковольтной катодолюминесценции, в частности для изготовления одноцветных и многоцветных индикаторов, а также в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем для скрепления кремниевого кристалла полупроводниковых приборов с держателем, в частности для производства видеоустройств на основе микроэлектроники.

Известен способ соединения пайкой металлических деталей в стекло включают в себя закрепление заготовок кремниевой пластины и стеклянной подложки. Часто используют одновременно и электролитическое полирование и механическое полирование поверхности деталей. В этом случае механическое полирование поверхности деталей обычно используют для удаления грубых дефектов поверхности, которую затем окончательно полируют электролитически, т.е. осуществляют химическую очистку. Часто бывает необходимым удалить с металлических деталей, впаянных в стекло и окисленных при впаивании, пленки окислов. Удаление окислов с внешних участков деталей сравнительно легко достигается электролитическим травлением.

Недостатком данного способа является то, что припои включают в себя компоненты, имеющие высокое давление насыщенных паров, и вследствие этого имеют ограничение в применении.

Известными и оптимальными решениями в данном случае являются способы крепления кремниевых пластин к стеклянной подложке при помощи пайки. Большинство известных способов пайки кремния: диффузионная пайка золотом, бесфлюсовая композиционная пайка припоем на основе свинца в среде водорода.

Однако они не могут быть применены в производстве вакуумных люминесцентных (ВЛ) экранов с активной управляющей подложкой (АУП) вследствие высокой температуры пайки (свыше 450°С), приводящей к разрушению структур АУП на кремнии.

Наиболее близким аналогом - прототипом по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ пайки полупроводникового кристалла с кристаллодержателем, включающий облуживание паяемой поверхности кристаллодержателя, установку термокомпенсатора, покрытого металлом, смачиваемым жидким припоем, между кристаллом и кристаллодержателем и пайку, в качестве термокомпенсатора берут пористое стекло, поверхность пор которого покрывают металлом, смачивающимся жидким припоем.

Данный способ является довольно сложным и, хотя он способствует хорошему согласованию спая, имеет недостаточную жесткость соединения.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании универсального способа крепления кремниевых пластин на стеклянной подложке, техническим результатом использования которого может быть соединение кремниевой пластины со стеклянной подложкой, обладающее высоким уровнем стойкости к внешним воздействующим факторам, рекомендуемое к применению в массовом производстве электронной промышленности, в том числе и в производстве на основе вакуумных люминесцентных индикаторов с активной кремниевой пластиной.

Рассмотри сущность изобретения на конкретном примере.

Брали две заготовки: одна кремниевая пластина 1, а другая - стеклянная подложка 2. Закрепляли их, затем подвергали поверхности кремниевой пластины 1 и стеклянной подложки 2 последовательно механической обработке и химической очистке. Поверхности кремниевой пластины и стеклянной подложки, предполагаемых к соединению, покрывают (напыляют) слоем алюминия 3, 4 известными в массовом производстве методами. К поверхности кремниевой пластины 1 с нанесенным алюминиевым слоем 3 наваривается алюминиевая фольга 5, согласованная по коэффициенту термического расширения (КТР) с нанесенным слоем алюминия 3 на кремниевой пластине 1 методом ультразвуковой сварки на установках, используемых в производстве. Режим ультразвуковой сварки настраивается и выбирается индивидуально в зависимости от толщины и марки соединяемых материалов (кремний, стекло, алюминиевый слой, алюминиевая фольга, металл) и может быть подобран. Рабочая поверхность столика ультразвуковой сварки, на которой лежит обрабатываемая кремниевая пластина 1, должна быть гладкой, чтобы исключить ее повреждения при механическом контакте (нажиме, сложении). Следующим этапом описываемого способа является установка данной кремниевой пластины 1 с наваренной на ней алюминиевой фольгой 5 на стеклянную подложку 2 с предварительно нанесенным на нее слоем алюминия 4. Выступающие края фольги 5 наваривают на алюминиевый слой 4 стеклянной подложки 2 методом ультразвуковой сварки на известных производственных установках на подобранных режимах. Количество точек сварки на обоих поверхностях как кремниевой пластины 1, так и стеклянной подложки 2 и их частота обеспечивает уровень характеристик механических, электрических, тепловых и других, получившегося соединения и его стойкость к внешним воздействующим факторам.

Улучшение качества соединения кремниевой пластины и стеклянной подложки осуществляется за счет введения дополнительной операции: после нанесения алюминия на поверхности кремниевой пластины и стеклянной подложки между ними введена алюминиевая фольга. Закрепление алюминиевой фольги на соединяемые поверхности (кремний и стекло) осуществляется использованием дополнительных технологических и контрольных операций в типовом маршруте производства на типовом оборудовании.

На рисунке 2.1 схематично показаны скрепленные кремниевая пластина и стеклянная подложка, вид сверху.

Рисунок 2. 1 - кремниевая пластина; 2 - стеклянная подложка; 3 - слой алюминия, нанесенный на кремниевую пластину; 4 - слой алюминия, нанесенный на стеклянную подложку; 5 - алюминиевая фольга; 6 - металлическая пластина, выполненная в виде гребенки с гребенчатыми выступами; 7 - гребенчатые выступы металлической пластины 6.

На рисунке 2.2 изображен поперечный разрез скрепленных кремниевой пластины и стеклянной подложки, вид сбоку.

Рисунок 2.2 - кремниевая пластина; 2 - стеклянная подложка; 3 - слой алюминия, нанесенный на кремниевую пластину; 4 - слой алюминия, нанесенный на стеклянную подложку; 5 - алюминиевая фольга; 6 - металлическая пластина, выполненная в виде гребенки с гребенчатыми выступами; 7 - гребенчатые выступы металлической пластины 6.

На рисунке 2.3 изображена металлическая пластинка в виде гребенки вместе со стеклянной и керамической пластинами, вид на кремниевую пластину (один из вариантов).

Риунок 2.3 - кремниевая пластина; 2 - стеклянная подложка; 3 - слой алюминия, нанесенный на кремниевую пластину; 4 - слой алюминия, нанесенный на стеклянную подложку; 5 - алюминиевая фольга; 6 - металлическая пластина, выполненная в виде гребенки с гребенчатыми выступами; 7 - гребенчатые выступы металлической пластины 6.

На рисунке 2.4 изображен поперечный разрез скрепленных керамической пластины и стеклянной подложки с металлической пластинкой между ними в виде гребенки с гребеночными выступами вне алюминиевой фольги, на которую устанавливают и приваривают данную металлическую пластину.

Рисунок 2.4 - кремниевая пластина; 2 - стеклянная подложка; 3 - слой алюминия, нанесенный на кремниевую пластину; 4 - слой алюминия, нанесенный на стеклянную подложку; 5 - алюминиевая фольга; 6 - металлическая пластина, выполненная в виде гребенки с гребенчатыми выступами; 7 - гребенчатые выступы металлической пластины 6.

Были проведены лабораторные испытания, в которых использовалось несколько слоев алюминиевой фольги, которые наваривали ультразвуковой сваркой как на кремниевую пластину, так и на стеклянную подложку различной толщины и формы. Выполненный таким образом способ крепления кремниевой пластины к стеклянной подложке обладает универсальными свойствами, предполагающими возможность осуществления различного уровня закрепления в зависимости от требуемого уровня внешних воздействующих факторов, высокого в том числе и различного размера и массы соединяемых кремниевой пластины и стеклянной подложки. Данный способ крепления кремниевой пластины и стеклянной подложки обладает высокой технологичностью, так как не требует разработки специального оборудования, режимов, материалов, высокой производительности, низкой трудоемкости, поскольку применяются установки, режимы, материалы, внедренные и широко используемые в электронной промышленности, например, в производстве вакуумных люминесцентных индикаторов (ВЛИ).

Предлагаемый способ крепления кремниевой пластины к стеклянной подложке был реализован при создании вакуумных люминесцентных индикаторов на активной управляющей подложке типа П860, П861, П862, П863, П864. П867; П868; 801-10. Функционирование и результаты проведенных испытаний к внешним воздействующим факторам дали положительные результаты и подтверждают высокую устойчивость созданных видеоустройств.

Предложенный способ дает возможность промышленного крупносерийного освоения нового класса электронных приборов ВЛИ на АУП, снижает трудоемкость и себестоимость в сравнении с экспериментальными образцами таких приборов.