Как сделать отверстие в в кремниевой пластине
Перейти к содержимому

Как сделать отверстие в в кремниевой пластине

  • автор:

RU2525668C1 — Способ изготовления сквозных отверстий в кремниевой подложке — Google Patents

Publication number RU2525668C1 RU2525668C1 RU2013104905/28A RU2013104905A RU2525668C1 RU 2525668 C1 RU2525668 C1 RU 2525668C1 RU 2013104905/28 A RU2013104905/28 A RU 2013104905/28A RU 2013104905 A RU2013104905 A RU 2013104905A RU 2525668 C1 RU2525668 C1 RU 2525668C1 Authority RU Russia Prior art keywords substrate sample holes silicon substrate aluminum Prior art date 2013-02-05 Application number RU2013104905/28A Other languages English ( en ) Other versions RU2013104905A ( ru Inventor Дмитрий Алексеевич Пузанков Руслан Ильфатович Давутов Фаат Хасанович Вахитов Original Assignee Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (КНИТУ-КАИ) Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.) 2013-02-05 Filing date 2013-02-05 Publication date 2014-08-20 2013-02-05 Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (КНИТУ-КАИ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (КНИТУ-КАИ) 2013-02-05 Priority to RU2013104905/28A priority Critical patent/RU2525668C1/ru 2014-08-10 Publication of RU2013104905A publication Critical patent/RU2013104905A/ru 2014-08-20 Application granted granted Critical 2014-08-20 Publication of RU2525668C1 publication Critical patent/RU2525668C1/ru

Links

Images

Abstract

Использование: для формирования сквозных отверстий или углублений в кремниевой подложке. Сущность изобретения заключается в том, что формирование сквозных отверстий в кремниевой подложке осуществляют путем размещения на кремниевой подложке алюминиевого образца с заданной формой поперечного сечения рабочей части образца, соответствующей форме формируемого в подложке отверстия, и высотой рабочей части образца, не меньшей толщины подложки, далее осуществляют нагрев подложки с размещенным на ней алюминиевым образцом до температуры эвтектики, равной 570±10°С, обеспечивая высокоскоростную диффузию атомов кремния в алюминиевый образец, выдерживают подложку с алюминиевым образцом при температуре эвтектики не менее 10 минут, после чего охлаждают подложку с алюминиевым образцом до комнатной температуры. Технический результат: обеспечение возможности снижения рабочей температуры процесса, осуществление технологического процесса при атмосферной среде, исключение необходимости создания температурного градиента, а также увеличение диапазона размеров поперечного сечения отверстий. 2 ил.

Description

Изобретение относится к технологии изменения форм поверхности полупроводниковых приборов и может быть использовано для формирования сквозных отверстий или углублений в кремниевой подложке.

Известен способ формирования отверстий преимущественно в печатных платах с помощью воздействия на поверхность печатной платы мощным импульсным лазерным излучением [Авторское свидетельство СССР №1591338, 30.05.1994]. Способ заключается в том, что импульс контроля посылается в формируемое отверстие непосредственно после каждого импульса обработки и по возрастанию уровня отраженного излучения от медной подложки под печатной платой определяют момент получения отверстия в плате. К недостаткам данного способа можно отнести высокую стоимость оборудования, зависимость времени технологического процесса от количества отверстий.

Ближайшим из известных способов к данному изобретению относится способ формирования сквозных отверстий в кремниевой подложке [Э.Ю. Бучин, Ю.И. Денисенко, В.И. Рудаков, «Формирование сквозных отверстий в кремниевой подложке» « Письма в ЖТФ», Ярославль 2002, с.75-79], основанный на избирательном электрохимическом травлении p + -областей, сформированных в кремнии n-типа способом термомиграции алюминия, р-области образуются в подложке за счет сквозного локального легирования алюминием. Кремниевая подложка n-типа с нанесенной на нее электронно-лучевым способом алюминиевыми площадками, нагревалась с обратной стороны до температуры t=1100°C. В процессе нагрева образца алюминий переходит в жидкую фазу и продвигается в глубь подложки в направлении температурного градиента с выходом на противоположную поверхность. Данный способ характеризуется сложностью процесса, применением высоких температур (1100-1200°С), определенными ограничениями: во-первых, форма поперечного сечения сквозных отверстий получается более округлой по сравнению с исходным рисунком; во-вторых, для характерных размеров поперечного сечения отверстий существует ограниченный диапазон от 20 до 200 мкм.

Решаемая техническая задача изобретения — повышение технологичности (снижение рабочей температуры процесса, отсутствие необходимости создания температурного градиента, технологический процесс происходит при атмосферной среде) формирования отверстий в кремниевой подложке, увеличение диапазона размеров поперечного сечения отверстий.

Решаемая техническая задача в способе изготовления сквозных отверстий в кремниевой подложке, включающем формирование сквозных отверстий в кремниевой подложке при термическом воздействии на нее, достигается тем, что формирование сквозных отверстий в кремниевой подложке осуществляют путем размещения на кремниевой подложке алюминиевого образца с заданной формой поперечного сечения рабочей части образца, соответствующей форме формируемого в подложке отверстия, и высотой рабочей части образца, не меньшей толщины подложки, далее осуществляют нагрев подложки с размещенным на ней алюминиевым образцом до температуры эвтектики, равной 570±10°С, обеспечивая высокоскоростную диффузию атомов кремния в алюминиевый образец, выдерживают подложку с алюминиевым образцом при температуре эвтектики не менее 10 минут, после чего охлаждают подложку с алюминиевым образцом до комнатной температуры.

На фиг.1 схематично изображена кремниевая подложка с расположенным на ней алюминиевым образцом, где 1 — кремниевая подложка, 2 — алюминиевый образец. На фиг.2 схематично изображен алюминиевый образец, состоящий из 3 — нерабочей части и 4 — рабочей части.

Рассмотрим осуществление способа изготовления сквозных отверстий в кремниевой подложке. Первоначально алюминиевый образец 2, например, цилиндрической формой рабочей части образца 4 диаметром 5 мм и высотой 2 мм, располагают на кремниевой подложке 2, например, марки 1А2КДБ10 размерами 30х10х0,38 мм. Нерабочая часть 3 алюминиевого образца 2 необходима для удобства отделения алюминиевого образца 2 от кремниевой подложки 1. Форма и высота нерабочей части 3 выбирается произвольно. Рабочая часть 4 алюминиевого образца 2 является частью, формирующей отверстие в кремниевой подложке 1, непосредственно в которую диффундируют атомы кремния. Рабочая часть образца 4 и нерабочая часть образца 3 могут иметь как различную, так и одинаковую форму поперечного сечения, и могут быть изготовлены различными способами, например литьем, фрезерованием, точением, нарезкой и т.д. Например, цилиндрическую форму рабочей части 4 алюминиевого образца 2 применяют для получения отверстий круглой формы. Далее кремниевую подложку 1 с алюминиевым образцом 2 помещают в печь — электропечь сопротивления камерная лабораторная СНОЛ 6/11,000 «Технотерм». Далее осуществляют нагрев подложки 1 и образца 2 до температуры 570±10°С. ±10°С — это допустимая норма отклонения, при которой достигается высокоскоростная диффузия атомов кремния в алюминиевый образец 2. При данной температуре подложку 1 и алюминиевый образец 2 выдерживают 15 минут. Время выдержки не менее 10 минут необходимо для реализации технической задачи. После чего подложку 1 с алюминиевым образцом 2 медленно охлаждают, например, в течение 20 минут, до комнатной температуры 23±2°С и аккуратно отделяют алюминиевый образец 2 от кремниевой подложки 1.

Решаемая техническая задача — повышение технологичности по сравнению с прототипом — будет достигнута за счет:

упрощения процесса нагрева подложки 1 с алюминиевым образцом 2. В предлагаемом изобретении применяется стандартная лабораторная печь, вместо печи, создающей температурный градиент путем охлаждения лицевой стороны подложки за счет кондукции в среде аргона;

снижения рабочей температуры до температуры эвтектики, при которой алюминиевый образец 2 не переходит в жидкую фазу. Это обеспечивает форму поперечного сечения отверстия, соответствующую исходной форме рабочей части 4 алюминиевого образца 2, и значительное расширение диапазона размеров поперечного сечения отверстий;

отсутствия жидкостного химического, либо электрохимического травления, снижающего точность отверстий.

Claims ( 1 )

Способ изготовления сквозных отверстий в кремниевой подложке, включающий формирование сквозных отверстий в кремниевой подложке при термическом воздействии на нее, отличающийся тем, что формирование сквозных отверстий в кремниевой подложке осуществляют путем размещения на кремниевой подложке алюминиевого образца с заданной формой поперечного сечения рабочей части образца, соответствующей форме формируемого в подложке отверстия, и высотой рабочей части образца, не меньшей толщины подложки, далее осуществляют нагрев подложки с размещенным на ней алюминиевым образцом до температуры эвтектики, равной 570±10°С, обеспечивая высокоскоростную диффузию атомов кремния в алюминиевый образец, выдерживают подложку с алюминиевым образцом при температуре эвтектики не менее 10 минут, после чего охлаждают подложку с алюминиевым образцом до комнатной температуры.

RU2013104905/28A 2013-02-05 2013-02-05 Способ изготовления сквозных отверстий в кремниевой подложке RU2525668C1 ( ru )

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013104905/28A RU2525668C1 ( ru ) 2013-02-05 2013-02-05 Способ изготовления сквозных отверстий в кремниевой подложке

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013104905/28A RU2525668C1 ( ru ) 2013-02-05 2013-02-05 Способ изготовления сквозных отверстий в кремниевой подложке

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013104905A RU2013104905A ( ru ) 2014-08-10
RU2525668C1 true RU2525668C1 ( ru ) 2014-08-20

МЕТОД РАЗМЕРНОГО СТОП-ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ИЗДЕЛИЙ МИКРОМЕХАНИКИ

Исследован процесс анизотропного травления кремния ориентации (100) с электрохимической остановкой процесса в целях изготовления изделий микромеханики. Экспериментально подтверждена возможность самоостановки травления на эпитаксиальном слое при подаче на него потенциала пассивации. Разработана система защиты топологии пластины от воздействия /правителя. Установлен характер зависимости скорости травления от температуры раствора. Определены оптимальные режимы обработки кремния.

Введение

Устойчивая тенденция к миниатюризации в современной технике выразилась в появлении и бурном развитии ряда новых областей, объединенных концептуальным понятием – микромеханика, в основе которой лежит тот факт, что кремний, помимо общеизвестных полупроводниковых свойств, обладает великолепными прочностными и упругими свойствами, а также относится к числу пьезоэлектрических материалов [1]. Это позволяет в сочетании с современными электронными технологиями использовать его для изготовления чувствительных элементов микромеханических устройств и преобразовывать деформации встроенных в них тензорезисторов в электрические сигналы. Примеры таких устройств показаны на рис. 1.

Рис. 1. Примеры микромеханических устройств

В кремниевых соплах для струйных принтеров (рис. 1,а) размер отверстия составляет 20 мкм, причем на одной кремниевой пластине получают одновременно до 300. 500 таких сопел, что способствует снижению разброса размеров отверстий.

Пьезорезистивный датчик давления (рис. 1,б) размером 3 ´ 3 мм и толщиной 0,4 мм имеет упругую диафрагму с размерами 1 ´ 1 мм и толщиной в пределах 10. 20 мкм. Размещенные по краям мембраны диффузионные пьезорезисторы соединены в мостовую схему. При приложении давления мембрана изгибается, на ее внешней поверхности возникают напряжения, вследствие чего меняются сопротивление тензорезисторов и выходное напряжение мостовой схемы. Чувствительность и точность такого датчика соответствуют лучшим образцам подобных приборов при гораздо меньших (примерно на порядок) размерах. Это позволяет использовать их в аэрокосмической промышленности, автомобилях, медицине.

Кремниевый акселерометр (рис. 1,в ) по размерам сопоставим с датчиком давления, однако у него вместо мембраны используется упругая кремниевая балка толщиной 10. 20 мкм. На свободном конце балки размещена инерционная масса, а в месте соединения балки с основанием выполнены тензорезисторы. По своему классу и областям применения акселерометр аналогичен кремниевому датчику давления.

В емкостном датчике давления (рис. 1,г ) упругая диафрагма используется как подвижная обкладка плоского конденсатора, перемещающаяся при приложении давления. Неподвижная обкладка конденсатора обычно формируется в виде тонкой металлической пленки, напыленной на изолирующую стеклянную пластину. Под действием давления изменяется емкость датчика. Толщина упругой мембраны лежит в диапазоне от одного до нескольких микрометров. Площадь составляет несколько квадратных миллиметров.

Приведенные примеры не исчерпывают номенклатуру изделий микромеханики, подробно рассмотренных в [2]. Кремниевые детали используются в качестве чувствительных элементов прецизионных роботов, термопечатающих головок, микромеханических модуляторов света, двигателей, гироскопов и целого ряда других устройств.

Общие требования для деталей изделий микромеханики:

· допуск на габаритный размер чувствительного элемента должен составлять 2. 5 мкм; толщина – 5. 20 мкм с допуском, не превышающим 10 » данного размера;

· толщина основания, исходя из соображений жесткости устройства, должна составлять не менее 0,4. 0,5 мм, т.е. для получения упругого чувствительного элемента необходимо удалять до 95. 99 % толщины заготовки.

Столь жесткие требования к точности обработки деталей и их рельефу ограничивают применение в этой области таких известных методов локальной прецизионной обработки, как ультразвуковая, электроэрозионная, лазерная.

Наиболее удобным и универсальным методом микрообработки кремния является локальное травление с использованием в качестве защитной маски слоев оксида или нитрида кремния [1]. Локальные отверстия в маске формируют с помощью фотолитографии. Существуют многочисленные травители, изотропные и анизотропные, по-разному воздействующие на кремний. Их использование позволяет получать различные по форме и размеру элементы микромеханического прибора.

Микрообработка кремния

Применение анизотропных травителей позволяет обеспечить точные габариты микроструктур, имеющих прямоугольную форму [3,4,5]. Это объясняется тем, что в отличие от изотропных травителей (рис. 2) данные травители (рис. 3) неодинаково воздействуют на различные кристаллографические плоскости кремния. Скорость химической реакции минимальна в направлении (111), а максимальна – в направлении (100). Соотношение скоростей травления в указанных направлениях может составлять 10. 400 раз. После травления пластины ориентации (100) получается канавка, боковые стенки которой ориентированы в плоскости (111), т.е. перпендикулярны направлению, соответствующему наименьшей скорости травления. При малом времени травления канавка имеет плоское дно (рис. 3,а), с ростом времени она углубляется и становится V-образной (рис. 3,б). После этого травление резко замедляется (практически останавливается), так как дальше оно возможно лишь в направлении (111). Глубина канавки определяется размерами отверстия в маске и составляет приблизительно 0,7 . Угол между стенками = 70,52°.

Рис. 2. Изотропное травление кремния:
а – без перемешивания раствора; б – с перемешиванием раствора

Рис. 3. Анизотропное травление кремниевой пластины ориентации (100)

Если же на пути распространения фронта травления сформировать ограничивающую область (рис. 3,в ), то при ее достижении процесс обработки останавливается, и получается глубокая канавка с плоским дном. Таким образом, возможно изготовление, например, тонких мембран в кремнии, толщина которых будет определяться толщиной ограничивающей области или ее положением относительно поверхности пластины.

Ширина получаемой мембраны зависит от размера окна в маскирующем покрытии , величины подтрава под оксид и глубины травления :

где ; – время травления.

Подтрав образуется из-за того, что, несмотря на то, что скорость мала, но при большой длительности процесса воздействие травителя все же сказывается.

Разнотолщинность пластин, как и при изотропном травлении, также будет влиять на размеры получаемого элемента. Однако при анизотропном травлении смещение фронта травления происходит с вполне определенной скоростью, равной . Это позволяет устранить неопределенность границ формируемого углубления при касании фронта травления и ограничивающей области.

Таким образом, анизотропное травление позволяет с достаточной точностью формировать прямоугольные углубления и выступы в кремниевых пластинах, и поэтому оно широко используется в технологии микромеханики. Необходимо, однако, отметить некоторые особенности и ограничения анизотропных травителей. Они значительно медленнее изотропных, даже скорость травления плоскости (100) обычно не превышает 1. 2 мкм/мин. Для достижения такой скорости необходимо разогреть травитель до температуры 85. 115 ° С, что затрудняет использование при защите топологии пластин таких традиционных для технологии травления материалов, как воск. Как и у изотропных травителей, скорость травления в данном случае существенно зависит от температуры. Но анизотропные травители мало чувствительны к перемешиванию – это является их достоинством.

Методы контроля процесса травления

Толщина упругого элемента механоэлектрического преобразователя является одной из важнейших геометрических характеристик прибора, влияющих на его физико-механические параметры. Она определяет чувствительность, диапазон линейного преобразования и геометрические размеры преобразователя. Поэтому при изготовлении чувствительного элемента методами травления очень важно остановить процесс обработки при достижении необходимой толщины.

К настоящему моменту известно несколько методов контроля и обеспечения воспроизводимости толщины упругих элементов [5]. Наиболее важными из них являются:

· контроль по времени травления;

· использование самотормозящих видов травления (стоп-травление).

При большом числе положительных характеристик данные методы обладают существенными недостатками: большая погрешность толщины упругого элемента (контроль по времени травления), ограниченность диапазона толщин кремниевых упругих элементов (оптический способ контроля), усложнение технологии и необходимость в специальном оборудовании, привносимые механические напряжения (контрольное подтравливание и легирование).

Электрохимический контроль травления

Наиболее перспективным методом изготовления чувствительных элементов заданной толщины является анизотропное травление с электрохимической автоматической остановкой процесса [6-10]. Метод предполагает использование эпитаксиального слоя п-типа, который традиционно используется в технологии микроэлектроники. Толщина слоя может составлять от единиц до десятков микрометров с погрешностью порядка 10 %.

Из работ [6,7] известно, что вольт-амперная характеристика образцов кремния различного типа проводимости (п, р) при электрохимическом травлении в растворе едкого калия КОН (рис. 4) имеет характерные точки, в которых процесс обработки меняется коренным образом. Так, при потенциалах, больших потенциала пассивации п- или р-кремния (ПП n , ППр), происходят окисление поверхности и остановка травления, а при меньших потенциалах кремний травится обычным образом. Другая характерная точка на вольт-амперной характеристике – «потенциал открытой цепи» (ПОЦ). Здесь наблюдается максимальная скорость электрохимического травления: для п-кремния – примерно 1,4 мкм/мин, а для р-кремния – 1,6 мкм/мин при СКОН = 40% и Т =60°С [6].

Рис. 4. Электрохимическая вольт-амперная характеристика кремния ориентации (100)
при травлении в 40 %-м растворе КОН
и при температуре 60 ° С

Технология электрохимического стоп-травления основана на процессах анодной пассивации при травлении кремния с обратно смещенным p -п-nepexoдом. Остановка травления достигается при подаче положительного потенциала на тонкий эпитаксиальный слой кремния п-типа посредством омического электрического контакта, в то время как электрический контакт к травящейся подложке кремния р-типа осуществляется через травильный раствор с инертным электродом (рис. 5).

Рис. 5. Схема проведения процесса обработки с электрохимической остановкой’

При этом на месте p -п-перехода образуется область обедненного заряда. При достаточном потенциале на p -кремнии (потенциал пассивации п-кремния ПП n , рис. 4) зона пространственного заряда п-слоя перестает генерировать нужное для травления п-кремния число носителей заряда, как дырок, так и электронов, при этом на поверхности p -кремния их оказывается достаточно для обычного химического саморастворения. В процессе травления через систему течет ток, представляющий собой обратный ток p -п -перехода. В момент протрава p -подложки и контактирования травителя с п-слоем он резко возрастает.

Такой рост обратного тока может быть объяснен инъекцией дырок при разряде ионов водорода на тех участках травления, где обедненный слой выходит на поверхность электролита. Часть дырок, генерируемых сильным электрическим полем на границе раздела кремний – электролит, не расходуется на реакцию, а втягивается обратно смещенным переходом, вследствие чего увеличивается его обратный ток. При этом происходит быстрое окисление поверхности полупроводника, препятствующее дальнейшей реакции растворения. Так как оксид является диэлектриком, то сила тока уменьшается и далее стабилизируется.

Экспериментальные исследования

Для изучения метода анизотропного электрохимического травления использовались кремниевые пластины p -типа ( Ом см) ориентации (100) толщиной 400 мкм и диаметром 76 мм с эпитаксиальным слоем кремния n -типа ( Ом см) толщиной 20 мкм. Травление проводилось в 30 %-м растворе КОН при температурах 70. 90°С. В качестве защитной маски для травящейся подложки использовался слой нитрида кремния толщиной 0,3 мкм, в котором были вскрыты прямоугольные окна размером 1,56 ´ 1,56 мм. Схема проведения эксперимента показана на рис. 5. Пластина размещалась в защитной кассете базовым срезом вверх. На n -слой подается положительное относительно травящего раствора напряжение 1,0 В. Контакт с травителем осуществляется через нейтральный платиновый (или никелевый) электрод (Pt-электрод), при этом p -подложка остается под потенциалом раствора. Во время травления контролируется сила тока между n -кремнием и нейтральным электродом. Характер изменения силы тока во времени представлен на рис. 6.

Рис. 6. Характер изменения силы тока In Pt во времени при электрохимическом травлении кремния

Скачок силы тока сигнализирует о протраве p -подложки и контакте травителя с эпитаксиальным слоем. Увеличение силы тока не является резким, так как ячейки протравливаются не одновременно, и суммарный ток через них нарастает постепенно. После протрава подложки n -слой под воздействием положительного потенциала покрывается пленкой оксида кремния SiO 2, который препятствует прохождению тока, при этом сила тока снижается и стабилизируется, а ее конечное значение обусловлено утечками через боковые стенки протравленных ячеек.

Начало стабилизации силы тока принималось за критерий окончания процесса, по которому рассчитывается скорость процесса.

При проведении экспериментов обработано 12 пластин при различных температурах. Характер зависимости скорости травления кремния ориентации (100) от температуры раствора в диапазоне 70. 90°С представлен на рис. 7.

Для контроля разброса толщины полученных мембран пластина разрезалась по центрам ячеек на четыре части по вертикальной и горизонтальной осям относительно расположения в кассете во время травления. Результаты измерений толщины (рис. 8) показали, что разброс толщины большинства мембран в рабочей зоне пластины (показана штриховой окружностью) попадает в поле допуска 20±2 мкм (на рисунке выделен жирными линиями). Точность получения мембраны данным методом в основном определяется точностью изготовления эпитаксиального слоя (которая обычно составляет ± 10 %), поэтому колебания толщины мембраны можно объяснить неравномерностью выращивания эпитаксиального слоя.

Рис. 7. Экспериментальная зависимость скорости травления кремния ориентации (100) от температуры раствора КОН

Рис. 8. Разброс толщины мембраны по пластине после экспериментального травления

Одной из основных задач при реализации процесса анизотропного травления является создание системы защиты необрабатываемой стороны пластины и подводимых к ней электрических контактов от воздействия агрессивной щелочной среды при условии длительной обработки (4. 6 ч) и повышенной температуры (70. 90°С). Для решения данной задачи были испытаны кассеты из различных материалов (фторопласт, коррозионно-стойкая сталь), различной конструкции (с винтовой и фланцевой крышкой) и различными герметизирующими материалами (воск, оплавленный полиэтилен, тонкослойный фторопласт, химически стойкая резина). В результате опытов установлено, что оптимальным является использование кассеты из коррозионно-стойкой стали с винтовой крышкой и двусторонней герметизацией пластины химически стойкой резиной.

Для проведения экспериментов разработана и изготовлена герметичная кассета из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т, которая не поддается воздействию горячей щелочи. Электрические провода для подачи к пластине потенциалов проведены внутри трубчатого держателя кассеты и также защищены от воздействия травителя.

По результатам экспериментального травления можно сделать вывод, что оптимальными условиями проведения процесса с точки зрения производительности и надежности являются:

· концентрация травителя КОН 30 %;

· рабочий диапазон температур 80. 90°С, при этом скорость травления составляет 1,2. 1,6 мкм/мин;

· максимальная температура раствора определяется стойкостью маскирующего покрытия;

· подаваемый на пластину потенциал 1,0 В.

Для повышения производительности процесса обработку следует вести при максимальной температуре, определяемой стойкостью маскирующего покрытия. В качестве критерия завершения процесса следует выбирать начало стабилизации силы тока In Pt . Для защиты топологии пластины необходимо использовать герметичные кассеты из коррозионно-стойкой стали.

1. Pctersen K.E. Silicon as a mechanical material // Proc. IEEE , 70, 1982. P .420-457.

2. Корляков А.В., Лучинип В.В. Перспективная элементная база микросистемной техники // Микросистемная техника. 1999. № 1. С .12-15.

3. BassousE. Fabrication of novel three-dimensional microstructures by the anisotropic etching of (100) and (110) silicon // IEEE Trans. Electron Devices, ED-25, 1978. P. 1178.

4. Jolly R.D., Muller R.S. Miniature cantilever beams fabricated by anisotropic etching of silicon // J. Electrochem. Soc ., 127, 1980. P .2750-2754.

5. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат,1983. 136 с.

6. Smith R.L., Kloeck В ., De Rooij N., Collins S.D. The potential dependence of silicon anisotropic etching in KOH at 60 «C//J. Electroanal. Chem.,238. 1987. P. 103-113.

7. Linden Y., Tenerz L., Tiren J., Hok B. Fabrication of three-dimensional structures by means doping-selective etching // Sensors and Actuators 16, 1989. P . 67-82.

8. Иващенко Е.И., Цветков Ю.Б. Экспериментальное исследование электрохимической остановки анизотропного травления кремния // Высокие технологии в промышленности России (Материалы V междун. научно-технологической конф.). М., 1999. С. 72-76.

9. Иващенко Е.И., Цветков Ю.Б. Формирование чувствительного элемента полупроводникового датчика методом анизотропного травления с электрохимической самоостановкой процесса // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления. Гурзуф,1998. С. 21.

10. Цветков Ю.Б., Иващенко Е.И. Микрообработка монокристаллического кремния при изготовлении изделий микромеханики // Машиностроительные технологии (Тез. докл. Всероссийской научно-технической конф.), 1998. С. 232-234

ФОРМИРОВАНИЕ ОТВЕРСТИЙ В КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ 3D-ЭЛЕКТРОННОГО МОДУЛЯ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ Текст научной статьи по специальности «Физика»

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Ланин Владимир Леонидович, Фам В.Т., Лаппо А.И.

Лазерный нагрев является перспективным методом формирования отверстий в кремниевых подложках при сборке 3D-электронных модулей с высокой плотностью выводов из-за его высокой удельной энергии и способности локального нагрева. Применение лазерного излучения для формирования отверстий в кремнии дает возможность уменьшения их диаметра, косвенно повышает плотность элементов в 3D-электронных модулях. Выбор лазерной системы зависит от физико-механических свойств обрабатываемых материалов и от технических требований, предъявляемых к лазерной обработке. Отражательная способность большинства материалов возрастает с увеличением длины волны лазерного излучения . Установлено, что с повышением начальной температуры кремниевой подложки конусообразность отверстий в ней становится больше. Выполнено моделирование в COMSOL Multiphysics 5.6 для проведения теплового распределения при лазерной прошивке отверстий в кремниевой подложке. Моделированием тепловых полей в программном пакете COMSOL Multiphysics 5.6 при лазерной обработке кремниевых подложек и экспериментальнымиисследованиями оптимизированы параметры лазерного излучения для получения минимальной конусообразности отверстий в подложках 3D-электронных модулей. Оптимальная длительность воздействия лазерного излучения с длиной волны 10,64 мкм составляет не более 2 с при конусообразности отверстий 0,1-0,2.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Ланин Владимир Леонидович, Фам В.Т., Лаппо А.И.

Численное моделирование лазерного отжига тонкой пленки аморфного кремния для солнечных элементов

Управление поперечно-модовым составом терагерцового лазерного излучения с помощью элементов бинарной кремниевой оптики

Компьютерное моделирование изменения температуры керамики Al2O3-TiC под воздействием лазерного излучения

Исследование морфологии поверхности и электропроводности пленок кремния после лазерного отжига

Кремниевая оптика для фокусировки лазерного излучения терагерцового диапазона в заданные двумерные области

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THROUGH-SILICON-VIA FORMATION OF 3D ELECTRONIC MODULES BY LASER RADIATION

Laser heating is a promising method for through-silicon-via (TSV) formation in assembling highdensity 3D electronic modules due to its high specific energy and local heating ability. Using laser radiation for the formation of TSV makes it possible to reduce its diameter, indirectly increases the density of elements in 3D electrical modules. Laser system selection depends on the physical and mechanical properties of the processed materials and on the technical requirements for laserprocessing. The reflectivity of most materials increases with the laser wavelength. It was found that with an increase in the initial temperature of the substrate, the TSV taper becomes larger. Simulation was performed in COMSOL Multiphysics 5.6 to conduct thermal distribution during TSV laser formation. By modeling thermal fields in the COMSOL Multiphysics 5.6 software for laser processing of silicon substrates and experimental studies, the parameters of laser radiation have been optimized to obtain a minimum hole taper coefficient in the substrates of 3D electronic modules. The optimal duration of exposure to laser radiation with a wavelength of 10.64 microns is less than 2 s with holes taper 0.1-0.2.

Текст научной работы на тему «ФОРМИРОВАНИЕ ОТВЕРСТИЙ В КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ 3D-ЭЛЕКТРОННОГО МОДУЛЯ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ»

Оригинальная статья Original paper

УДК 621.365 (075.6)

ФОРМИРОВАНИЕ ОТВЕРСТИИ В КРЕМНИЕВОИ ПОДЛОЖКЕ 3D-ЭЛЕКТРОННОГО МОДУЛЯ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

В.Л. ЛАНИН, ВТ. ФАМ, А.И. ЛАППО

Белорусский государственный университет информатики и электроники (г. Минск, Республика Беларусь)

Поступила в редакцию 1 февраля 2021

© Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 2021

Аннотация. Лазерный нагрев является перспективным методом формирования отверстий в кремниевых подложках при сборке 3D-электронных модулей с высокой плотностью выводов из-за его высокой удельной энергии и способности локального нагрева. Применение лазерного излучения для формирования отверстий в кремнии дает возможность уменьшения их диаметра, косвенно повышает плотность элементов в 3D-электронных модулях. Выбор лазерной системы зависит от физико-механических свойств обрабатываемых материалов и от технических требований, предъявляемых к лазерной обработке. Отражательная способность большинства материалов возрастает с увеличением длины волны лазерного излучения. Установлено, что с повышением начальной температуры кремниевой подложки конусообразность отверстий в ней становится больше. Выполнено моделирование в COMSOL Multiphysics 5.6 для проведения теплового распределения при лазерной прошивке отверстий в кремниевой подложке. Моделированием тепловых полей в программном пакете COMSOL Multiphysics 5.6 при лазерной обработке кремниевых подложек и экспериментальными исследованиями оптимизированы параметры лазерного излучения для получения минимальной конусообразности отверстий в подложках 3D-электронных модулей. Оптимальная длительность воздействия лазерного излучения с длиной волны 10,64 мкм составляет не более 2 с при конусообразности отверстий 0,1-0,2.

Ключевые слова: лазерное излучение, кремниевая подложка, конусообразность отверстий, моделирование тепловых полей, начальная температура.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Для цитирования. Ланин В.Л., Фам В.Т., Лаппо А.И. Формирование отверстий в кремниевой подложке 3D-электронного модуля лазерным излучением. Доклады БГУИР. 2021; 19(3): 58-65.

THROUGH-SILICON-VIA FORMATION OF 3D ELECTRONIC MODULES

BY LASER RADIATION

VLADIMIR L. LANIN, VAN T. PHAM, ALEXANDR I. LAPPO

Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics (Minsk, Republic of Belarus)

Submitted 1 February 2021

© Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics, 2021

Abstract. Laser heating is a promising method for through-silicon-via (TSV) formation in assembling high-density 3D electronic modules due to its high specific energy and local heating ability. Using laser radiation for the formation of TSV makes it possible to reduce its diameter, indirectly increases the density of elements in 3D electrical modules. Laser system selection depends on the physical and mechanical properties of the processed materials and on the technical requirements for laser processing. The reflectivity of most materials increases with the laser wavelength. It was found that with an increase in the initial temperature of the substrate, the TSV taper becomes larger. Simulation was performed in COMSOL Multiphysics 5.6 to conduct thermal distribution during TSV laser formation. By modeling thermal fields in the COMSOL Multiphysics 5.6 software for laser processing of silicon substrates and experimental studies, the parameters of laser radiation have been optimized to obtain a minimum hole taper coefficient in the substrates of 3D electronic modules. The optimal duration of exposure to laser radiation with a wavelength of 10.64 microns is less than 2 s with holes taper 0.1-0.2.

Keywords: laser radiation, silicon substrate, hole taper coefficient, thermal field simulation, initial temperature. Conflict of interests. The authors declare no conflict of interests.

For citation. Lanin V.L., Pham V.T, Lappo A.I. Through-silicon-via formation of 3D electronic modules by laser radiation. Doklady BGUIR. 2021; 19(3): 58-65.

Движущей тенденцией в микроэлектронике является стремление создавать все более сложные и функциональные изделия в меньшем пространстве подложки, платы или корпуса. Достигается это за счет максимальной миниатюризации компонентов и укорачивания межсоединений, повышения предельных рабочих частот и распараллеливания систем обработки информации в одном приборе, переходе от плоских к «трехмерным» структурам и т. д. Интеграция происходит в виде многокристальных модулей, систем 3D-интеграции или вертикальной системной интеграции (VSI), которая характеризуется высокой плотностью выводов, которые проходят через отверстия в кремниевых кристаллах [1].

Технология формирования отверстий в кремниевой подложке является сравнительно новой, но быстроразвивающейся и эффективной. Применение лазерного излучения для формирования таких отверстий дает возможность уменьшения диаметра до десятков микрометров, что повышает плотность элементов в 3D-электронных модулях. Выбор лазерной системы зависит от физико-механических свойств обрабатываемых материалов, таких как шероховатость и покрытие, а также от технических требований, предъявляемых к лазерной обработке. Результат взаимодействия лазерного излучения с материалами сильно зависит от поглощения материала на длине волны лазерного излучения, пиковой мощности лазера и длительности воздействия излучения [2]. С другой стороны, рост температуры в зоне воздействия приводит к разрушению материала, поэтому эффективность обработки зависит от плотности мощности лазера и длительности воздействия излучения. Кроме этого, увеличение длительности излучения приводит к значительному тепловому и деформационному влиянию на материал вне зоны облучения. Таким образом, выбор источника лазерного излучения для микрообработки является сложной задачей, для решения которой зачастую приходится принимать комплексное решение. Процесс лазерной прошивки требует не только достаточно

большой мощности излучения, но также обеспечение реза с ровными гладкими кромками. Для этого необходимо сфокусировать лазерный луч в малоразмерное пятно.

Важным параметром лазера при рассмотрении импульсного режима воздействия является длина волны излучения X, которая определяет степень поглощения лазерной энергии обрабатываемой поверхностью. С увеличением длины волны отражательная способность большинства материалов возрастает. Это означает, что лазеры с большой длиной волны по сравнению с лазерами с малой длиной волны отличаются повышенным расходом энергии, т. е. должны быть более мощными. Данная статья посвящена моделированию тепловых полей при лазерной обработке кремниевых подложек и оптимизации параметров лазерного излучения для получения минимальной конусообразности отверстий в подложках.

Моделирование параметров лазерного излучения

телом происходит на глубине его

Поглощение лазерного излучения твердым проникновения 5 = 1/а по закону Бугера — Ламберта [2]:

Q( x, y, z) = Q0(1 — Rc) e

(x — x0) (у — Уо) 2r 2

где Qo — входная энергия лазера, Яс — коэффициент отражения, Ас = 1 — Яс — коэффициент поглощения, г — радиус пятна лазера на поверхности подложки, Х0, уо — центр падающего луча лазера.

Для упрощения моделирования Яс и Ас для кремния считаются постоянными (Ас = 0,15 при длине волны лазерного излучения X = 10,64 мкм [3]), температура плавления Тдл-81 = 1415 °С. Для моделирования импульсного лазера использованы следующие параметры: мощность лазера Р = 40 Вт, длительность обработки тг- = 1-5 с, диаметр луча — 200 мкм, длина волны — 10,64 мкм. Параметры кремниевой пластины и источника лазерного излучения приведены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры кремниевой подложки и источника лазерного излучения

Параметр Parameter Значение Value

Радиус пластины Wafer radius 50 мм

Толщина пластины Wafer thickness 250 мкм

Удельная теплота испарения Specific heat of vaporization 13,68 кДж/г

Коэффициент отражения Reflection coefficient 0,3

Температура плавления Melting temperature 1415 °C

Плотность Density 2,33 г/см3

Длина волны излучения Laser wavelength 10,64 мкм

Диаметр луча Beam diameter 0,2 мм

Длительность обработки Pulse duration 1-5 с

Мощность лазерного излучения Laser power 40 Вт

Моделированием температуры на поверхности кремния при лазерной обработке с помощью программного пакета COMSOL Multiphysics получены зависимости температуры в зоне нагрева от времени воздействия излучения при различных начальных температурах подложки и мощности лазерного излучения (рис. 1) и ее распределение на поверхности

подложки и внутри отверстий. C повышением температуры подложки, средняя температура в зоне воздействия излучения достигала температуры плавления кремния быстрее на 10 %, чем при нормальном состоянии.

1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200

Рис. 1. Средняя температура в зоне воздействия излучения при комнатной температуре

и повышенной температуре Fig. 1. Average temperature in the area of exposure to radiation at room temperature and increased

Для заключения об эффективности обработки необходимо учитывать, как влияет начальная температура на конусообразность отверстий. Конусообразность С — это отношение разности диаметров отверстий к толщине подложки, вычисляется по следующей формуле [4]:

где DBX — входный диаметр отверстия, DBUX — выходный диаметр отверстия, h — толщина подложки.

Конусообразность является универсальным параметром для оценки качества полученного отверстия в кремнии. Для качественного отверстия конусообразность С не должна превышать 0,1. Создание отверстия с таким значением С является серьезной технической задачей. Кроме того, снижение конусообразности отверстий увеличивает сложность процесса и время изготовления [5].

Выбор и применение процесса изготовления, а также определение достаточных по качеству отверстий TSV достигается моделированием. Компьютерное моделирование позволяет сократить время и ресурсы для получения оптимального режима обработки отверстий. Диаметр отверстия можно определить по тепловому контуру Т = 1415 °C с помощью SD-модели в COMSOL Multiphysics (рис. 2) и вычислить конусообразность отверстий, полученную при различных температурах подложки (табл. 2).

Рис. 2. Тепловое распределение внутри подложки Fig. 2. Thermal distribution inside the substrate

ДокладыБГУИР Doklady BGUIR Т. 19, № 3 (2021)_V. 19, No 3 (2021)

Таблица 2. Параметры формирования отверстий в подложке Table 2. Parameters of through-silicon-via formation

Время воздействия Начальная Входной в Выходной Конусо-

лазера, с температура, °С диаметр, мкм диаметр, мкм образность

Laser exposure time, s Initial temperature, °С Inlet diameter, дт Outlet diameter, дт Hole taper

1 25 225 140 0,34

2 25 230 275 0,18

225 190 250 0,24

В обоих случаях температура в области воздействия лазерного излучения достигала температуры плавления кремния в течение длительности излучения 1-2 с. В результате моделирования получены графики распределения температуры по расстоянию от центра излучения при воздействии излучения за 1 с (рис. 3) с различными начальными температурами То.

Расстояние от центра луча (мкм)

Расстояние от центра луча, мкм Расстояние от центра луча, мкм

Distance from the center of the beam, ^m Distance from the center of the beam, ^m

Рис. 3. Распределение температуры по расстоянию от центра излучения при воздействии излучения за 1 с: а — Т0 = 25 °С; b — Т0 = 225 °С Fig. 3. Temperature distribution over distance from the center of radiation when radiating for 1 s:

a — T0 = 25 °С; b — T0 = 225 °С

Поскольку при моделировании не учитывается удаление расплавленных материалов из отверстия в подложке, то процесс теплопередачи сильно зависит от тепла, переданного излучением в объект, не принимая во внимание прямое воздействие излучения на внутреннюю часть подложки. Если время воздействия достаточно мало (менее 2 с), то это не слишком влияет на результаты моделирования. При большем времени воздействия излучения (от 2,5 с и более) диаметры входного отверстия примерно на 35 % больше диаметра луча. В результате моделирования установлено, что если время воздействия излучения достаточно мало, то температура вне зоны нагрева практически не увеличивается, следовательно, тепло не передается по поверхности подложки.

Устройство лазерной обработки состоит из лазерного источника с коллиматором выходного пучка, блока управления лазерным источником, оптической системы фокусировки и отклонения лазерного луча и координатной системы по осям X, У, Z с установленным на ней образцом для обработки [5]. В качестве лазерного оборудования использован станок Yueming СМА0604-В-А (Китай), который оснащен поворотным устройством, механизмом автоматического подъема рабочего стола, газовым лазером (СО2). Диаметр луча составлял 0,1 мм, мощность излучения — 40 Вт. Внешний вид лазерной головки и схема лазерной прошивки отверстий приведены на рис. 4.

Рис. 4. Внешний вид (а) и схема (b) лазерной прошивки отверстий: 1 — лазер; 2 — кремниевая подложка;

3 — плексиглас; 4 — фотодиод; 5 — модуль усилителя; 6 — светодиод Fig. 4. Appearance (a) and diagram (b) of laser hole piercing: 1 — laser; 2 — silicon substrate; 3 — plexiglass;

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

4 — photodiode; 5 — amplifier module; 6 — LED

Для контроля момента прохода излучения через подложку применен фотодиод, который через модуль усилителя подает сигнал на светодиод. Для определения размеров отверстий на кремневых пластинах использован USB-цифровой микроскоп Supereyes B008, который подключается к компьютеру. Для снижения разности температур между двумя сторонами подложки и исключения ее растрескивания в процессе прошивки, подложка в ряде опытов подогревалась до 200 °С.

Результаты исследований и их обсуждение

Получены экспериментальные данные диаметров отверстий в кремниевой подложке в зависимости от энергии лазерного излучения и начальной температуры подложки (табл. 3). На рис. 5 показаны зависимости конусообразности отверстий от времени воздействия излучения. В первом случае кремниевая подложка помещалась на резистивный нагреватель с подогревом до 200 °С, а во втором случае прошивка отверстий происходила при нормальных условиях.

Таблица 3. Результаты измерения диаметра отверстия Table 3. Results of measuring the hole diameter

Время обработки, с Processing time, s 1 2

Температура, °С Temperature, °С 25 200 25 200

Входный диаметр, мкм Inlet diameter, ^m 218 297 207 340

Выходный диаметр, мкм Outlet diameter, ^m 156 110 179 225

Конусообразность (экспериментальный результат) Hole taper (experimental result) 0,25 0,75 0,11 0,46

Конусообразность (моделирование) Hole taper (simulation) 0,34 0,5 0,18 0,24

— * — Без воды —•— С водой

Without water With water

Время воздействия излучения, с Time of radiation exposure, s Рис. 5. Зависимости конусообразности отверстий от времени воздействия излучения Fig. 5. Dependences of the taper of the holes on the time of exposure to radiation

Из экспериментальных результатов и моделирования можно сделать вывод, что с увеличением времени воздействия лазерного излучения коэффициент C уменьшается. Также можно сделать вывод, что при обработке кремниевой подложки с подогревом до 200 °С конусообразность отверстий в ней становится больше: при времени 1 с коэффициент C увеличивается в 3 раза и в 4,2 раза при обработке за 2 с. Однако при этом исключается растрескивание подложки из-за высокого градиента температур на ее лицевой и обратной сторонах.

При моделировании не учитываются все факторы, которые могут влиять на результат теплопередачи, например, удаление оплавленной части кремния, изменение коэффициента поглощения излучения материалом и динамический эффект лазерного излучения. Поэтому в данном случае появилось отклонение от экспериментального результата до 20 %. Однако компьютерное моделирование является достаточно эффективным средством для анализа и оптимизации параметров лазерного излучения для экспериментального применения.

С другой стороны, увеличение времени взаимодействия излучения приводит к увеличению диаметра входного отверстия за счет большей энергии излучения, что ухудшает соотношение размеров сквозных отверстий. Таким образом, оптимальным режимом формирования отверстий в кремнии является воздействие лазерного излучения длительностью 2 с при нормальной температуре.

Лазерный нагрев является перспективным методом формирования отверстий в кремнии при сборке 3Б-электронных модулей с высокой плотностью соединений из-за его высокой удельной энергии и способности локального нагрева. Моделированием тепловых полей в программном пакете COMSOL Multiphysics 5.6 при лазерной обработке кремниевых подложек определены параметры лазерного излучения для получения минимальной конусообразности отверстий в подложках 3Б-электронных модулей. Оптимальная длительность воздействия лазерного излучения с длиной волны 10,64 мкм составляет не более 2 с при конусообразности отверстий 0,1-0,2. Результаты исследований показывают, что с увеличением длительности воздействия лазерного излучения соотношение диаметров входного к выходному отверстию растет. Для повышения качества отверстий необходимо учитывать такие параметры лазерного излучения, как его мощность, длину волны и режим работы.

1. Мухина Е., Башта П. 3D-сборка: технология сквозных отверстий в кремнии. Электроника, Наука, Технология, Бизнес. 2009;2:92-93.

2. Вакс Е.Д., Миленький М.Н., Сапрыкин Л.Г. Практика прецизионной лазерной обработки. Москва: Техносфера; 2013.

3. Вейко В.П., Либензон М.Н, Червяков Г.Г. Взаимодействие лазерного излучения с веществом Москва: Физматлит; 2008.

4. Ланин В.Л., Фам В.Т., Чан Н.Д. Лазерное формирование отверстий в неметаллических подложках.

Электронная обработка материалов. 2020;56(1);76-83.

5. Григорьянц А.Г., Жиганов И.И., Мискоров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. Москва: Изд-во МГТУ им. И. Э. Баумана; 2006.

1. Mukhina E., Bashta P. [3D assembly: through-hole technology in silicon]. Electronics, Science, Technology, Business. 2009;2:92-93. (In Russ.)

2. Vaks E.D., Milenky M.N., Saprykin L.G. [Practice ofprecision laser processing]. Moscow: Technosphera; 2013. (In Russ.)

3. Veiko V.P., Libenzon M.N., Chervyakov G.G. [Interaction of laser radiation with matter]. Moscow: Fizmatlit; 2008. (In Russ.)

4. Lanin V.L., Pham V.T., Tran N.D. [Laser formation of holes in non-metallic substrates]. Electronic material processing. 2020;56(1);76-83. (In Russ.)

5. Grigoryants A.G., Zhiganov I.I., Miskorov A.I. [Technological processes of laser processing]. Moscow: Publishing house of MSTU im. I. E. Bauman; 2006. (In Russ.)

Все авторы в равной степени внесли вклад в написание статьи.

All authors equally contributed to the writing of the article.

Сведения об авторах

Ланин В.Л., д.т.н., профессор, профессор кафедры электронной техники и технологии Белорусского государственного университета информатикии радиоэлектроники.

Фам В.Т., магистрант кафедры электронной техники и технологии Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники.

Лаппо А.И., аспирант кафедры электронной техники и технологии Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники.

Адрес для корреспонденции

220013, Республика Беларусь,

г. Минск, ул. П. Бровки, 6,

Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники

Ланин Владимир Леонидович

Information about the authors

Lanin V.L. D.Sc., Professor, Professor at the Electronic Engineering and Technology Department of the Belarus State University of Informatics and Radioelectronics.

Fam V.T., Undergraduate student at the Electronic Engineering and Technology Department of the Belarusian State University of of Informatics and Radioelectronics.

Lappo A.I., Postgraduate student at the Electronic Engineering and Technology Department of the Belarusian State University of of Informatics and Radioelectronics.

Address for correspondence

220013, Republic of Belarus, Minsk, P. Brovka str., 6, Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics; tel. +375-29-757-28-23; e-mail: vlanin@bsuir.by Lanin Vladimir Leonidovich

Сверление микроотверстий

Современная промышленность предъявляет высокие требования к прецизионной и производительной обработке деталей с микроотверстиями: фильер, форсунок, элементов конструкций с охладительными, смазочными и вентиляционными отверстиями. Повышенный интерес связан с изготовлением отверстий изменяемой формы и малого размера (менее 100 микрон) с регулируемой или нулевой конусностью в материалах различной толщины.

  • Микрорезка
  • Скрайбирование
  • Микрофрезеровка
  • Сверление микроотверстий
  • Обработка глухих отверстий
  • Избирательное удаление материала
  • Лазерное отделение тонкопленочных элементов
  • Отжиг
  • Сверхмелкая маркировка

Микросверление используют для получения сквозных и глухих отверстий микронных размеров в самых разнообразных отраслях промышленности. Неоспоримое преимущество лазерного микросверления перед механическим, электроэрозионным и химическим способами обработки заключается в отсутствии расходных материалов. Лазерное сверление позволяет изготавливать не только округлые отверстия, но и отверстия сложной формы, направленные под углом к поверхности, а также отверстия с прямыми или коническими боковыми стенками. Благодаря малому термическому воздействию лазерного луча на края отверстия, становится возможна прецизионная обработка как прозрачных, так и непрозрачных материалов, в том числе хрупких и труднообрабатываемых традиционным способом.

Компания IPG предлагает широкий диапазон лазеров и систем доставки луча для оптимизации процессов изготовления микроотверстий. Данные устройства могут использоваться в качестве высокоскоростных, полностью автоматизированных, производственных решений для обработки материалов толщиной от сотен микрон до нескольких миллиметров.

Сверление керамики

Высокоскоростные системы, изготавливаемые компанией IPG, оптимизированы для прошивки микроотверстий в различной керамике (на основе Al2O3, AlN и др.), используемой для размещения электронных устройств и контактных разъемов.

Такие системы оснащаются квазинепрерывными одномодовыми и многомодовыми лазерами, либо 10-пикосекундными импульсными лазерами. Поддерживая минимальный размер отверстий в пределах 10 микрон и максимальную скорость обработки свыше 1000 отверстий в секунду, установка для сверления волоконными лазерами значительно превосходит возможности традиционных СО2-лазеров.

На картинке показано 20000 отверстий, просверленных в керамике на основе AL2O3 толщиной 380 мкм

Сверление металлов

Использование лазеров IPG позволяют получать как глухие, так и сквозные отверстия круглой и произвольной формы.

Разработаны технологии, позволяющие получать размер выходного отверстия диаметром до 5 мкм. На рисунке показаны отверстия диаметром 100 мкм, пробитые в молибдене толщиной 100 мкм.

Сверление термореактивных полимеров (смол)

Минимальный размер элемента до 2 микрон.

Справа: сопло для струйной печати с квадратной зенковкой.

Сверление полимерных термопластов

Сквозные и глухие отверстия в термопластах. Диаметр отверстий до 2 мкм.

В данной технологии обычно используется УФ-обработка при помощи масок и оптических элементов с большим полем обзора для высокой производительности.

На рисунке показан массив сквозных отверстий в пластике ABS толщиной 1 мм.

Сверление зондовой платы из нитрида кремния

Лазерные системы микрообработки компании IPG используют запатентованную технологию подачи луча для высокоскоростного сверления, благодаря чему в пластине из нитрида кремния толщиной около 250 мкм можно изготовить микроотверстие менее чем за секунду, а при толщине в 380 мкм – за 2 секунды.

На рисунке показаны квадратные отверстия размером 65 x 65 мкм в нитриде кремния толщиной 200 мкм. Толщина стенок составляет 10 мкм

Сверление стекла

Для микросверления стекла оптимально использование высокочастотных лазеров с короткой длиной волны. В сочетании с прецизионным микрообрабатывающим комплексом такие источники обеспечивают ровную округлую форму отверстий, минимальную конусность, отсутствие трещин и минимум сколов.

При помощи зелёного лазера наносекундной длительности возможна прошивка стекла с нулевой конусностью.

Обратитесь за поддержкой в наш отдел продаж. Запросите подробную информацию о продукции или задайте нам вопрос.

Linkedin Youtube Facebook Twitter Subscribe —>

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *