Модернизация технологического процесса диффузионной сварки

УДК 629.7.05/06: 531.781.2

А.А. Гаврилов, А.Н. Шипунов

МОДЕРНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ

ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА»

Рассмотрен способ повышения точности первичного преобразователя акселерометра, на базе конструкции чувствительного элемента, состоящей из классического кремниевого маятника расположенного между стеклянными обкладками. Способ заключается в модернизации технологического процесса диффузионной сварки. Рассматриваются конструкции приспособлений, с помощью которых осуществляется диффузионная сварка. Описаны проблемы, возникающие при соединении монокристаллического кремния со стеклом, и способы их решения. Приведен расчет прочности сварного соединения. Проведено теоретическое обоснование уменьшения погрешности первичного преобразователя акселерометра. Описан эксперимент подтверждающий теоретическую гипотезу. В результате применения предложенного способа снизились напряжения, возникающие при соединении пакета стекло - монокристаллический кремний - стекло, что привело к увеличению точности статических характеристик акселерометра.

Ключевые слова: чувствительный элемент, диффузионная сварка, напряжение, термостатическая выдержка, погрешность.

На современном этапе развития интегральных датчиков актуальной является проблема повышения точности первичных преобразователей за счет модернизации технологических процессов их изготовления.

Первичные преобразователи интегральных акселерометров изготовлены из монокристаллического кремния и боросиликатного стекла. Основным способом соединения деталей первичного преобразователя является диффузионная сварка. Принцип диффузионной сварки монокристаллического кремния и боросиликатного стекла был открыт в 70-е годы ХХ в., и на сегодняшний момент актуальным является вопрос получения качественного соединения при наименьшем нагреве элементов конструкции первичного преобразователя.

Рис. 1. Первичный преобразователь:

1 - элемент кристаллический; 2 - площадки под сварку; 3 - контактные площадки; 4 - стеклянная обкладка; 5 - технологические выемки

© Гаврилов А.А., Шипунов А.Н., 2012.

На рис. 1 показан первичный преобразователь акселерометров прямого измерения серии АТ. Первичный преобразователь состоит из двух обкладок, на которых напылены неподвижные электроды датчика перемещения и кремниевого кристаллического элемента. Обкладки выполнены из боросиликатного стекла ЛК 105, элемент кристаллический - из монокристаллического кремния КЭС 0,5. Основные требования, которые предъявляются к свариваемым деталям, это чистота и высокая плоскостность (до ± 5 мкм) поверхностей.

Чистота поверхностей перед технологическим процессом сварки достигается за счет предварительной механической и ультразвуковой очистки обкладок и очистки элементов кристаллических в перекисно-аммиачном растворе.

Высокая плоскостность поверхности свариваемых площадок на кристаллическом элементе достигается за счет полировки поверхностей. На первоначальной стадии заготовки из стекла имеют неплоскостность ± 4 мкм, но после механической обработки, сверления отверстий, проточки пазов, разрезки заготовки, возникают пластические деформации, которые приводят к появлению дополнительной неплоскостности.

Детали соединяются в неразъемный чувствительный элемент электродиффузионной сваркой. Для устранения неплоскостности между свариваемыми поверхностями используются нормированный механический прижим.

Приспособление для сварки чувствительных элементов (рис. 2) состоит из двух частей: верхней и нижней. В свою очередь верхняя часть состоит из двух деталей, не считая установочного груза: это прижим (поз. 1) и специальный винт (поз. 3). Прижим устанавливается по внешнему диаметру верхней втулки (поз. 2) таким образом, чтобы установленные чувствительные элементы в основании (поз. 4) не разъезжались и были плотно прижаты к стенкам металлического основания, за счет которого происходит нагрев их до необходимой температуры. Винты, установленные в прижиме по резьбе М3 позволяют регулировать высоту, плоскостность относительно других чувствительных элементов и силу прижатия отдельных элементов. Установочный груз для прижатия помещается в верхнюю часть прижима.

ЛХ! 11 '-1- .M3Q6W i

k

6

6 t......... ИГ Я JE гг1 ' 8      1

170

В нижней части приспособления устанавливаются два керамических кольца (поз. 5, 7), они выполняют роль изоляторов нагревателя, который находится между ними, (поз. 6), а также теплораспределителей. Сверху устанавливается металлическое основание (поз. 4), с ячейками для сборки чувствительных элементов и верхняя втулка (поз. 2). Нижняя часть

приспособления собирается при помощи винтов (поз. 11) и гаек (поз. 10), которые скрепляют по имеющимся отверстиям керамические кольца, основание, верхнюю и нижнюю втулку (поз. 8). Данное приспособление помещают в электрическую печь и выдерживают при температуре 470 °С несколько часов. При этом упругие деформации, возникшие в стекле при устранении первоначальной неплоскостности механическим прижимом, практически полностью переходят в пластическое. Это происходит за счет резкого падения модуля Юнга первого рода стекла на повышенной температуре. После изотермической выдержки на пакет подается постоянное напряжение 220 В. После окончания технологического процесса сварки пакет остывает до температуры окружающей среды при закрытой печи. При охлаждении пакета с температуры 470 до 25 °С за счет различных коэффициентов линейного расширения стекла и монокремния

Д = /0 [1 + (а1-а2)ДГ ],

где /0 - длина сварной площадки; а1з а2 - коэффициент линейного расширения стекла и монокристаллического кремния; ДГ - разность температур.

Боросиликатное стекло, в отличие от монокристаллического кремния, является аморфным материалом и накапливает усталость. Под воздействием на чувствительный элемент термоциклов деформации в стекле носят «блуждающий» характер, т.е. соотношение пластической и упругой деформации постоянно меняется. Такой характер деформации обусловливает нестабильность и неповторяемость нулевого сигнала датчика. Данная погрешность является случайной и не может быть компенсирована алгоритмическим путем.

Для снижения данной погрешности проведем ряд экспериментов, направленных на исследование технологического процесса сварки. Основная задача эксперимента - определение минимальной температуры, при которой происходит диффузионная сварка кремния со стеклом. Для эксперимента использовалась двухместное приспособление со статическим нормированным прижимом

Рис. 3. Приспособление для сварки

Чувствительные элементы устанавливались в приспособление, помещались в печь, на обкладки подавалось постоянное напряжение. Процесс сварки происходит до прекращения тока через свариваемый пакет.

Экспериментально определено, что минимально необходимый ток для сварки -

20-25 мкА. При температуре 470 °С через свариваемый пакет протекает ток 50 мА. Следовательно, температуру сварки можно понижать.

Экспериментально установлено, что при температуре 380 °С и напряжении 250 В ток через пакет составляет 20-23 мкА. Сваренные при данном режиме чувствительные элементы проверены на механический разрыв при помощи специального приспособления (рис. 4).

Рис. 4. Приспособление для проверки сварки

Расчет прочности сварного соединения определяется по формуле

* АП = р ,

где Р - усилие, фиксируемое по граммометру, г; S - площадь припайки проволоки, мм2.

Контроль качества свариваемых поверхностей производят под микроскопом типа МБС-9 при 16-кратном увеличении, поверхность отрыва на стекле должна по площади совпадать с площадью сварного пятака на кристаллическом элементе. После повтора описанной операции пять раз, производят вычисление по формуле (1). При а ЛП < 490 г/мм следует из партии чувствительных элементов выбрать еще один и повторить эксперимент. Если результат повторно неудовлетворительный, партия чувствительных элементов бракуется.

Рис. 5. Обкладки, сваренные при температуре 380 °С

На рис. 5 представлены обкладки чувствительных элементов. Ряд технологических

площадок полностью не сварен, остальные площадки сварены, причем характер сварного соединения не отличается от сварки при температуре 470 °С. Следовательно, несварка площадок обусловлена отсутствием механического контакта. Отсутствие контакта связано с неплоскостностью площадок.

Неплоскостность можно устранить двумя способами. Первый - это увеличение силы статического прижима. Это приведет к увеличению упругих деформаций в стекле и увеличению «блуждающих» напряжений. Данный способ позволяет избавиться от неплоскостности, но не позволит повысить точность первичных преобразователей акселерометра.

Второй способ заключается в предварительном нагреве свариваемого пакета до температуры, ниже температуры плавления алюминия. Выдержки при этой температуре несколько часов, затем охлаждении до температуры 380 °С и проведении сварки. Результаты сварки представлены на рис. 6.

По результатам эксперимента можно сделать вывод о том, что количество несварен-ных «пятаков» резко уменьшилось. Это означает, что теоретическое предположение верно.

Задача снижения напряжений при соединении пакета стекло - монокристаллический кремний - стекло решается путем нагрева сжатого с определенным усилием пакета до требуемой температуры и подаче постоянного напряжения определенной полярности. Перед подачей напряжения пакет нагревается до температуры на 35-45% выше требуемой, выдерживается 2-3 ч, затем охлаждается до температуры на 5-15% ниже рабочей, выдерживается 1 ч, после чего на него подается напряжение.

Существенным отличием предложенного способа от известного являются нагрев и выдержка при повышенной температуре пакета кремний-стекло-кремний, в результате чего под действием нормированного усилия при соприкосновении свариваемых поверхностей в стекле возникают в основном пластические деформации, так как модуль Юнга стекла уменьшается с повышением температуры, сварка пакета при температуре на 5-15 % ниже требуемой, в результате чего снижается температурный интервал остывания, что приводит к снижению напряжений, связанных с различными коэффициентами линейного расширения материалов пакета.

Примерами реализации описанного способа являются соединение пакета стекло «пи-рекс 7059» - монокристаллический кремний - стекло «пирекс 7059» с требуемой температурой сварки 400 °С путем предварительного нагрева пакета до температуры 490 °С, выдержке три часа и охлаждении до температуры 370 °С, с последующей подачей напряжения на пакет, соединение пакета стекло «С37-2» - монокристаллический кремний - стекло «С37-2» с требуемой температурой сварки 450 °С путем предварительного нагрева пакета до температуры

Рис. 6. Обкладки, сваренные при температуре 380 °С с предварительным нагревом

550 °С, выдержке 3 ч и охлаждении до температуры 400 °С, с последующей подачей напряжения на пакет.

В результате применения предложенного способа снизились напряжения, возникающие при соединении пакета стекло - монокристаллический кремний - стекло.

1. Вавилов, В.Д. Интегральные датчики / В.Д. Вавилов; НГТУ. - Н.Новгород, 2003. - 503 с.

Дата поступления в редакцию 18.04.2012

A.A. Gavrilov, A.N. Shipunov

MODERNIZATION OF DIFFUSION BONDING PROCESS

JSC ARPE «TEMP-AVIA», Arzamas

Today, an improvement of accelerometer accuracy is a challenging problem.

In this paper, method for improvement of accuracy in accelerometer sensor, containing typical silicon pendulum, located between glass substrates, is represented. The method includes modernization of diffusion bonding process. Attachments for diffusion process to be performed are given. The problems, which occur during single-crystalline silicon-to-glass bonding process, and their solutions, are considered. Durability of bonding connection is evaluated. Reduction of accelerometer sensor accuracy is theoretically justified. Theoretical hypothesis is proven by experiment. Finally, application of the proposed method reduced stresses, which occur during bonding process of a glass-single-crystalline silicon-glass stack, and resulted in improvement of accelerometer static performance.

Key words: sensor, diffusion bonding, stress, thermostatic soaking, inaccuracy.