2. Физико-химические основы и современные технологии создания электрических соединений и монтажа электронных узлов

2.1. Технологии создания электрических соединений сваркой

2.1.1. Физико-химические основы сварки в микроэлектронике

Процесс образования сварного соединения можно условно разделить на четыре стадии: 1) образование физического контакта между поверхностями материалов; 2) активация контактных поверхностей; 3) объемное развитие взаимодействия; 4) кристаллизация [1, 2].

На первой стадии материалы сближаются на расстояние порядка 10...100 нм, при котором между частицами начинает проявляться физическое взаимодействие, обусловленное силами Ван-дер-Ваальса. Под действием этих сил происходят дальнейшее самопроизвольное уменьшение расстояний между атомами. При некоторой критической величине начинается перекрытие стабильных электронных оболочек и появляются силы отталкивания, что и завершает первую стадию образования соединения.

При твердофазной сварке, вследствие шероховатости реальных поверхностей, физическое взаимодействие протекает не по всей площади, а только в местах контакта микровыступов с наибольшей суммой высот. В процессе последующего пластического деформирования этих выступов в контакт будут вступать новые выступы, обладающие меньшей суммой высот. В начальный момент процесс формирования контакта двух поверхностей сопровождается ростом числа единичных пятен касания и схватывания, площадь каждого при этом увеличивается незначительно.

На второй стадии происходит образование на поверхности более твердого из соединяемых материалов центров, активных в химическом отношении. Для активирования поверхностей вводится дополнительная энергия: тепловая, деформации, ультразвуковая. При сварке плавлением цепная реакция растекания с выделением энергии поверхностного натяжения увеличивает площадь контакта вокруг каждой точки взаимодействия. Отдельные контактные пятна начинают сливаться в более крупные очаги схватывания, происходит коллективизация валентных электронов, которая приводит к образованию металлической связи между контактирующими поверхностями.

Активирование с помощью энергии деформации приводит к тому, что все большая часть сопрягаемых поверхностей в зоне контакта очищается от оксидных и адсорбционных пленок и включается в соприкосновение друг с другом.

При воздействии УЗ-колебаний наблюдается упрочнение поверхностных слов в зоне сварки, что приводит к деформированию более глубоких слоев твердого тела с одновременным интенсивным тепловыделением, вызванным трением сжатых контактирующих поверхностей. В результате осуществляется вовлечение в деформацию все больших объемов металла, разрастание мостиков схватывания.

С момента образования на контактных поверхностях активных центров наступает третья стадия, при которой развивается взаимодействие соединяемых материалов как в плоскости, так и в объеме зоны контакта. В плоскости контакта оно заканчивается слиянием очагов взаимодействия, что является необходимым условием возникновения прочных химических связей между материалами. Но оно может оказаться недостаточным для получения прочного сварного соединения. Увеличение времени сварки приводит к развитию гетеродиффузии, которая может упрочнить соединение при образовании твердых растворов замещения или, в отдельных случаях, разупрочнить при образовании хрупких так называемых интерметаллидных фаз.

Характерной особенностью кристаллизации сварного соединения является образование зональной структуры, состоящей из ядра, переходной зоны и неизменяемой зоны основы. Ядро при сварке плавлением представляет закристаллизовавшуюся жидкую фазу, которая может состоять из гомогенных кристаллов, твердого раствора замещения или внедрения, интерметаллидов, механической смеси кристаллов и примесей. Структура ядра определяет качество и надежность соединения. Поэтому при контактировании необходимо стремиться к идеальному гомогенному кристаллическому переходу путем подбора материалов с одинаковыми физико-механическими свойствами, строением кристаллической решетки и электронной структуры или таких, для которых выполняется условие образования твердых растворов в широком диапазоне концентраций. В переходной зоне, которая в зависимости от метода сварки колеблется в широких пределах, происходит диффузионное легирование основы, ее рекристаллизация.