موضوع مقاله: پیوند یوتکتیکی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # پیوند یوتکتیکی | مقدمه: این فلزات یوتکتیکی آلیاژ‌هایی هستند که در یک ترکیب و دمای مخصوص، بدون برهم زدنِ تعادل دو فازی ــ یعنی حالت توأمانِ مایع و جامد ــ مستقیماً از حالت جامد به مایع یا بالعکس از حالت مایع به جامد تبدیل می‌شوند. | ## بخش 1: پیوند یوتکتیکی | این واقعیت که درجه حرارت یوتکتیکی می‌تواند بسیار پایین‌تر از دمای ذوب دو یا چند عنصر خالص باشد، در پیوند یوتکتیکی حائز اهمیت است. آلیاژهای یوتکتیک ازطریق روش‌های کندوپاش، تبخیر منبع دوجانبه یا آبکاری الکتریکی به‌صورت رسوب، ته‌نشین شده و ایجاد می‌گردند. همچنین، این آلیاژها می‌توانند به‌کمک واکنش‌های انتشاری موادِ خالص و سپس ذوب شدن ترکیب یوتکتیک (یوتکتیکی) تشکیل شوند.Farrens, S. پیوند یوتکتیک می‌تواند بسته‌ها و اتصال داخلی الکتریکی مهر و موم شده را، طی یک پروسهٔ واحد تولید کند (مقایسهٔ تصاویر اولتراسونیک). به‌علاوه، این روش از ویژگی‌های: دمای پردازش پایین، برآیند تنش پایین القاشده در مونتاژ نهایی، استحکام بالای پیوند، بازده فراوان تولیدی و ایمنی بالا برخوردار است. بیشترین ساختارهای یوتکتیکی موجود، مربوط به سیلیسیم (Si) با طلا (Au) یا آلومینیوم (Al) است.G. علاوه بر این، اغلب آلیاژهای یوتکتیک مورد استفاده برای پیوند ویفری در نیمه‌رسانا در جدول زیر نشان داده شده‌اند. انتخاب آلیاژ صحیح، به‌کمکِ دمای فرایند و سازگاری مواد مورد استفاده، تعیین می‌گردد. در مقایسه با پیوند آندی، ولتاژهای بالایی که ممکن است به سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) الکترواستاتیک آسیب برساند، مورد نیاز نیست. افزون بر این، پروسهٔ پیوند یوتکتیک، گاززدایی و درزبندی بهتری را نسبت به پیوند با لایه‌های میانی آلی ایجاد می‌کند. در قیاس با پیوند فریت شیشه‌ای، این مزیت که کاهش اندازه حلقهٔ مهر و موم، افزایش سطوح درزگیری و کوچک شدن سایز دستگاه امکانپذیر است. اندازه مهر و موم‌های یوتکتیک توسط ضخامتی بین ۵–۱میکرومتر و بزرگی بیشتر از ۵۰ میکرومتر مشخّص می‌شود. مزیّت استفاده از آلیاژ یوتکتیک، فراهم آوردن انتقال الکتریکی و ارتباط با لایه‌های توزیع مجدّد است. پیوند در درصد وزنی و دمای خاصی رخ می‌دهد؛ برای مثال، دمای ۳۷۰ سانتیگراد در درصد وزنی ۸۵/۲٪ سیلیسیوم برای لایهٔ میانی آلومینیومی. | ## بخش 2: پیوند یوتکتیکی | این روش پیوند به‌علت حضور اکسید روی بسترهای سیلیسیمی و بر پایهٔ ترشوندگی ضعیف طلا روی لایهٔ اکسیدی بسیار محدود است. هدف اصلی آماده‌سازی سطح، تسهیل کردن نفوذ فلز یوتکتیکی به‌کمکِ حذف اکسید یا رسوب لایهٔ چسبنده است. می‌توان برای حذف لایه‌های اکسید محلی موجود، از اچینگ شیمیایی تر (اسیدشویی HF)، اچینگ شیمیایی خشک یا انباشت به روش تبخیر شیمیایی (CVD) با انواع مختلفی از بلورها استفاده کرد. همچنین برخی از کاربردها نیازمند یک پیش‌پردازش سطحی با استفاده از فرایندهای حذف اکسید خشک مانند پلاسما هیدروژن (H2) و پلاسما (CF4) هستند. یک روش اضافی برای حذف فیلم‌های سطحی ناخواسته (اکسید) به‌کارگیری اولتراسوند در طول پروسه اتصال است. معمولاً اتّصال‌دهنده‌های صنعتی از اولتراسونیک با فرکانس ارتعاش ۶۰ هرتز و دامنهٔ ارتعاش ۱۰۰ میکرومتر استفاده می‌کنند. لایهٔ چسب برای تخریب اکسید به‌کمک انتشار سیلیسیم درون مواد مورد استفاده به کار برده می‌شود. یک ویفر معمولی از یک ویفر سیلیسیمی همراه با اکسید، لایهٔ Ti یا Cr با ضخامت ۲۰۰–۳۰ نانومتر و لایه Au با ضخامت بیش از ۵۰۰ نانومتر تشکیل شده‌است. در تولید ویفر نیکل (Ni) یا پلاتین (Pt)، لایه‌ای بین طلا و بستر ویفری، به‌عنوان مانع انتشار، اضافه می‌شود. مانع انتشار از تعامل بین Au و Ti / Cr جلوگیری می‌کند و به دماهای بالاتری برای ایجاد یک پیوند قابل‌اعتماد و یکنواخت نیاز دارد. علاوه بر این، حلالیت بسیار کمی از سیلیسیم در تیتانیوم و کروم می‌تواند از ایجاد ترکیب یوتکتیک Au-Si، بر پایهٔ انتشار سیلیسیم از طریق تیتانیوم درون طلا، جلوگیری کند. مواد یوتکتیک و لایه‌های چسبندهٔ اختیاری، معمولاً ازطریق رسوب‌کردن به‌عنوان آلیاژی در یک لایه به کمک آبکاری الکتریکی دو جزئی، تبخیر منبع دوجانبه (رسوب دهی فیزیکی بخار) یا کندوپاش آلیاژ کامپوزیتی به‌دست می‌آیند. حذف آلودگی، در بیشترین لایهٔ طلای ایجادشده برای سیلیسیم، معمولاً با استفاده از فشار آب و گرم کردن ویفر انجام می‌شود. فرایند پیوند بسترها مستقیماً پس از پیش‌فرایند سطوح، جهت جلوگیری از بازسازی اکسید، مماس می‌گردند. | ## بخش 3: پیوند یوتکتیکی | عموماً، فرایند پیوند برای فلزات اکسیدشونده (نه طلا) در یک اتمسفر کاهش‌یافته از ۴٪ هیدروژن و یک جریان گازی خنثی، برای مثال نیتروژن، صورت می‌پذیرد. بستر، هم‌تراز شده و در یک فاز حرارتی و روی ویفر سیلیسیمی در یک ابزار حرارتی تنظیم می‌شود. به منظور حفاظت از واکنش، فشار مکانیکی اعمال می‌شود و حرارت دادن در بالاتر از دمای یوتکتیکی انجام می‌شود. با افزایش دمای پیوند، میزان انتشار و حلالیت طلا در بستر سیلیسیمی افزایش می‌یابد. این امر ممکن است منجر به تشکیل لایهٔ آلیاژی Au-Si ضخیم‌تر و همچنین پیوند یوتکتیک قوی‌تر شود. لایهٔ سطحی تماسی حاوی گداز کامپوزیت‌های یوتکتیکی، متشکّل از آلیاژ فاز مایع، سرعت‌بخشی به فرایندهای آمیختگی بعدی و انتشار است، تا زمانی که ترکیب به اشباع برسد. دمای پیوند انتخاب‌شده معمولاً در مقیاس‌های بالاتر از دمای یوتکتیک است؛ به‌طوری‌که گداز کمتر چسبناک می‌شود و به‌علّت زبری بیشتر، به قسمت‌های سطوحی که در تماس اتمی نیستند، به‌راحتی جریان می‌یابد. جهت جلوگیری از فشرده شدن مذاب خارج از خط اتصال پیوند، بهینه‌سازی کنترل پارامتر پیوند (به عنوان مثال، نیروی کم بر روی ویفرها) ضروری است. در غیر این صورت، ممکن است منجر به اتصال کوتاه یا ناکارایی دستگاه قطعات مورد استفاده (الکتریکی و مکانیکی) شود. گرمایش ویفرها باعث تغییر در بافت سطحی، به‌سبب تشکیل میکروساختارهای ریز سیلیسیمی در بالای سطح طلا، می‌گردد. (برای سیلیسیم-طلا: T<370 سانتیگراد) انجماد منجر به رشد اپیتاکسیالی سیلیسیم و طلا در بالای بستر سیلیسیمی می‌شود که در نتیجه، جزیرهٔ سیلیکونی کوچک بسیاری از آلیاژ طلای پلی‌کریستالی ظاهر می‌شود (در مقایسه با تصویر مقطعی از خط اتصال پیوند). در غیر این صورت، ترک‌های پیوند به‌علّت تنش ناشی از عدم سازگاری ضریب انبساط حرارتی ایجاد می‌شوند. مثال‌ها با توجه به استحکام بالای پیوند، این روش به‌ویژه برای سنسورهای فشاری یا مایعات کاربرد دارد. | ## جمع‌بندی | همچنین سنسورها و فعّال‌کننده‌های میکرومکانیکی هوشمند با عملکرد الکترونیکی و/ یا میکرومکانیکی، با چندین ویفر مختلف، می‌توانند ساخته شوند.