[1]Изобретение относится к исследованиям механических свойств покрытий, а именно к способам определения прочности сцепления покрытий с подложкой. Оно может быть использовано в области силовой электроники, в частности при изготовлении полупроводниковых приборов с использованием низкотемпературного спекания серебросодержащей пасты в системе «кремний на молибдене», что необходимо для создания контактных соединений в силовых полупроводниковых приборах с более высокими электрическими и термомеханическими свойствами.
[2]Важной особенностью этих разработок является создание технологии нанесения покрытия на кремниевую подложку с высокой прочностью сцепления. Покрытие может представлять собой комбинацию различных металлов, но главным требованием к нему при использовании заявленного способа является наличие внешнего серебряного слоя.
[3]Известен способ определения прочности сцепления покрытия с подложкой, заключающийся в том, что отрывной элемент прикрепляют к подложке фиксаторами до нанесения покрытия, затем наносят покрытие так, чтобы часть покрытия легла на отрывной элемент, а часть - на подложку через калиброванное отверстие в отрывном элементе, удаляют фиксаторы, нагружают отрывной элемент до отрыва (или среза) отрывного элемента и определяют прочность сцепления покрытия с подложкой как отношение максимальной нагрузки, действующей на отрывной элемент, к площади калиброванного отверстия отрывного элемента либо к площади покрытого участка подложки (RU 2419084 C2, 20.05.2011).
[4]Недостатком этого способа является то, что помимо подложки покрытие необходимо нанести и на отрывной элемент (деталь оснастки разрывной машины). Кроме того, вследствие хрупкости кремния практически невозможно изготовить подходящие детали оснастки разрывной машины, чье использование не повлекло бы разрушение кремния.
[5]Известен способ контроля качества гальванических серебряных покрытий, включающий:
[6]- крацевание - обработка вращающимися латунными щетками с диаметром проволоки 0,1-0,3 мм;
[7]- нанесение сетки царапин острием материала не менее трех параллельных царапин с расстоянием 2-3 мм и перпендикулярно им также не менее трех царапин до основного материала;
[8]- нагрев до +200°C на воздухе с выдержкой в течение одного часа;
[9]- изменение температур с нагревом до +200°C на воздухе с выдержкой в течение 15 мин и охлаждение посредством погружения в воду с температурой от +15 до +20°C (ГОСТ 9.302-88).
[10]Недостатками этого способа является то, что численные значения прочности сцепления подложки с покрытием определить невозможно.
[11]Наиболее близким аналогом является способ, в котором применяется приклеивание торцевых частей образцов к деталям оснастки разрывной машины. Предел прочности при отрыве определяется по формуле, в которой нагрузка делится на площадь, если при этом разрушение произошло не по адгезионному слою покрытия с клеем. Внешние серебряные покрытия имеют толщину 0,5-1 мкм. Столь малая толщина слоя серебряного покрытия делает невозможным применение низкотемпературной пайки для соединения образцов с оснасткой при испытаниях. Это обусловлено большой вероятностью растворения слоя серебряного покрытия в припое. Поэтому для соединения образцов с испытательной оснасткой были опробованы технологии склеивания с применением высокопрочных клеев (ОСТ 3-4587-80).
[12]Недостатком способа - наиболее близкого аналога является разрушение адгезионного слоя на границе серебряного покрытия и клея из-за низкой адгезионной способности высокопрочных клеев к серебру.
[13]Задачей изобретения является повышение качества контроля процесса нанесения покрытия на кремниевую подложку.
[14]Техническим результатом заявленного изобретения является снижение вероятности разрушения адгезионного слоя, расположенного между серебряным покрытием и клеем, при определении прочности сцепления покрытия с кремниевой подложкой при испытании на разрывной машине и, соответственно, повышение точности определения прочности сцепления покрытия с кремниевой подложкой.
[15]Для достижения технического результата предложен способ определения прочности сцепления покрытия с кремниевой подложкой, при котором покрытие с внешним серебряным слоем соединяют с деталями оснастки разрывной машины и разрывают покрытие, при этом на покрытие с внешним серебряным слоем дополнительно наносят слой меди с последующей термообработкой в вакууме при температуре +200-+280°C с выдержкой 30-60 минут, а слой меди склеивают с деталями оснастки разрывной машины. Слой меди можно наносить гальваническим методом или методом высокотемпературного испарения в вакууме. Слой меди может быть нанесен толщиной от 1 до 2 мкм. Слой меди может быть склеен с деталями оснастки разрывной машины клеем на основе эпоксидной смолы.
[16]Покрытие на кремниевой подложке может представлять собой комбинацию из нескольких металлов с внешним серебряным слоем.
[17]Медь можно наносить на покрытие с внешним серебряным слоем любым известным способом, но для наилучшего сцепления с серебром можно наносить ее либо гальваническим методом, либо методом высокотемпературного испарения в вакууме.
[18]Поскольку толщина внешнего слоя серебра очень мала и составляет приблизительно 1,5 мкм, во избежание диффузии атомов меди сквозь слой серебра максимально допустимая температура термообработки меди составляет +280°C, а выдержка - 60 минут. Для достаточной прочности дальнейшего клеевого соединения между медным покрытием и деталями оснастки разрывной машины температура термообработки меди не должна быть ниже +200°C при выдержке не менее 30 минут.
[19]Склеивание слоя меди с деталями оснастки допустимо проводить клеями на основе фенолоформальдегидных, эпоксидных, полиэфирных смол, полиамидов и многими другими. Важным параметром при выборе клея является его достаточная прочность после отверждения и параметры склеивания: во избежание диффузии меди в слой серебра температура процесса не должна превышать +130°C, а выдержка - 3 часа.
[20]Слой меди лучше наносить толщиной от 1 до 2 мкм. Малая толщина меди наряду с его термообработкой обеспечивают надежное сцепление между ним и слоем серебра с глубиной диффузионного проникновения меди в серебро не более одной трети толщины последнего. Слои меньше 1 мкм могут не полностью покрывать поверхность серебряного покрытия, а увеличивать толщину более 2 мкм нецелесообразно из-за увеличения продолжительности нанесения покрытия.
[21]Предлагаемый способ определения прочности сцепления покрытия, внешний слой которого является серебряным, с кремниевой подложкой был опробован при нанесении покрытий на кремниевые пластины диаметром 26 мм и толщиной 2 мм методом испарения, составляющих покрытия в вакууме с заключительным внешним слоем из серебра толщиной 0,5-1 мкм. Исследуемые пластины были разделены на четыре части. На одни из них на серебряное покрытие гальваническим методом наносился слой меди толщиной 1-2 мкм из электролита, содержащего 200 г/л CuSO4 и 60 г/л H2SO4, при температуре электролиза 18-25°C, в течение 40 минут, при напряжении 5 В и силе тока 2А/дм2.
[22]После этого производилась термообработка меди в вакууме при температуре +200-+280°C с выдержкой 30-60 минут.
[23]На другие пластины поверх серебряного покрытия методом высокотемпературного испарения в вакууме при температуре расплавленной меди в тигле +1100°C наносился слой меди толщиной 1-2 мкм, после чего производилась термообработка в вакууме при температуре +200°C-+280°C с выдержкой 30-60 минут.
[24]На третью и четвертую части пластин медное покрытие не наносилось. Третью часть подвергали термообработке: температура при этом составляла +280°C, а выдержка - 60 минут.
[25]Четвертая часть пластин никак не обрабатывалась.
[26]После этого все пластины (с термообработкой; без термообработки; с дополнительным слоем меди, нанесенным гальваническим методом; с дополнительным слоем меди, нанесенным методом высокотемпературного испарения в вакууме) приклеивались к деталям оснастки разрывной машины клеем на основе эпоксидной смолы ВК-51 в течение 3-х часов. Детали оснастки представляли собой металлические приспособления с плоской поверхностью, предназначенной для приклеивания к образцу и по площади, примерно равной ему. При склеивании нагрузка составляла 80 КПа, а температура +130°C. Испытания производились на электромеханической разрывной машине УТС 110 м-5. Если разрушение произошло не по адгезионному слою покрытия с клеем, прочность сцепления покрытия при отрыве определяется по формуле:
[28]где p - нагрузка, прикладываемая к разрыву, H;
[29]S - площадь разрыва, м2.
[30]Результаты испытаний приведены в таблице 1.
[31]
[32]Предложенный способ позволяет оценить прочность сцепления покрытия с кремниевой подложкой, в то время как по способу - наиболее близкому аналогу можно только оценить адгезию серебряного покрытия к клею. При этом необходимо отметить, что прочность клеевых соединений, выполненных с использованием клея ВК-51 на основе эпоксидной смолы, может достигать порядка 75 МПа, что является очень высоким значением. При использовании других клеев прочность соединений, как правило, не превышает 45-55 МПа.
[33]По данным таблицы 1 видно, что термообработка слоя серебра несколько улучшает адгезию клея ВК-51 к нему, но не меняет его радикально, что лишний раз подчеркивает необходимость нанесения поверх серебряного покрытия слоя меди.
[34]Предлагаемый способ определения прочности сцепления можно применять для любых кремниевых подложек, однако в силовой электронике в большинстве случаев подложки используются в виде пластин.
[35]Предлагаемый способ может применяться для контроля качества нанесения покрытий на кремниевую подложку при производстве полупроводниковых приборов силовой электроники.
