Solid-liquid interdiffusion bonding for MEMS device integration

Mikroelektromekaaniset systeemit (MEMS) ovat vakiintuneet monissa kehittyneissä sovelluksissa sisältäen turvallisuuskriittisiä järjestelmiä ajoneuvoissa sekä lento- ja avaruussovelluksissa. Useat MEMS-kojeet vaativat kontrolloiduin käyttöympäristön ja suojauksen haitallisia yhdisteitä vastaan ts. ilmatiiviin suljennan. Tähän asti tämä on saavutettu käyttämällä anodista tai lasisulateliitosmenetelmää. Metalliliittäminen tarjoaa kuitenkin monia hyötyjä näihin verrattuna, kuten mahdollisuuden yhdistää helposti ilmatiivissuljenta ja sähköisten liitosten muodostaminen, kasvanut suorituskyky sekä pienempi tarvittu pinta-ala. Yksi kehitetty matalan liitoslämpötilan menetelmä on sula-avusteinen diffuusioliittäminen (engl. solid-liquid interdiffusion SLID), jota on tutkittu tässä väitöstyössä käyttäen kupari-tina, kulta-tina ja sinkki-alumiini –pohjaisia metallurgisia järjestelmiä tutkimalla näiden termodynaamis-kineettistä käyttäytymistä ja luotettavuussuorituskykyä. Rajapintareaktiot on selitetty mikrorakenneanalyysiin perustuen ja mekaaninen luotettavuus on arvioitu käyttämällä leikkaus- ja vetotestejä. Lisäksi liitokset on altistettu eri rasituksille käyttämällä hyväksi standardeja ympäristötestejä, kuten paistotestiä, lämpöshokkitestiä ja monikaasutestiä. Tässä työssä esitetään lujia ja kuormitusta kestäviä SLID-liitoksia. Cu3Sn-faasin huokoisuusasteen vaikutus liitoksen säröytymisalttiuteen raportoidaan, ja havaitaan, että huokoisuusaste on yhteydessä kuparin sähkökemiallisessa kasvattamisessa käytetyn kylvyn tilaan. Kustannustehokkaita sinkki-alumiini –pohjaisia lejeerinkejä tutkitaan metalliliittämiseen. Näiden lejeerinkien ja yleisten alusmetallien välisiä rajapintareaktioita tutkitaan ja havaitaan nopea metallien välisten yhdisteiden muodostuminen kiekkoliittämistä simuloivassa juotosprosessissa. Lisäksi väitöstyössä esitetään platinapohjaisia kontaktimetallointeja kupari-tina ja kulta-tina liitosmetalloinneille. Nämä kontaktimetalloinnit ovat yhteensopivia transistorivalmistuslinjan kanssa, joten niitä voidaan käyttää helposti MEMS-kojekiekon tai ns. sovelluskohtaisella mikropiirikiekolla prosessi-integraation yksinkertaistamiseksi ja laitteen suorituskyvyn lisäämiseksi. Kulta-tina-platina SLID-liitoksen uudelleensulamislämpötilan nousu platinan paksuuden funktiona selitetään käyttäen hyväksi termodynaamista tietoa. Lisäksi liitosten luotettavuussuorituskykyerot yhdistetään vaurioanalyysiin. Kupari-tina-platina –liitoksessa platinan havaitaan osallistuvan kupari-tina –rajapinnalla tapahtuvaan metallien välisten yhdisteiden muodostumisreaktioihin juotosprosessissa ja vakauttavan Cu6Sn5-faasin korkean lämpötilan heksagonaalisen kiderakenteen huoneenlämpötilaan. Tässä väitöstyössä tuotettuja termodynaamisia tietoaineistoja ja luotettavuusanalyysejä voidaan käyttää suoraan ektroniikkateollisuudessa 0-tason sekä korkeamman tason liitosten suunnittelussa.