低溫傳感器中將電極連接到陶瓷基板上的超薄金屬化層

微連接技術(shù)對(duì)于在現(xiàn)代微電子和光電設(shè)備中產(chǎn)生可靠的電氣連接以及電子電路、傳感器和電池的組裝至關(guān)重要。然而，由于微型傳感器的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、獨(dú)特的功能和在各種環(huán)境中的應(yīng)用，微型傳感器的生產(chǎn)存在特別困難。主要挑戰(zhàn)之一是回流焊或波峰焊等常用方法不能用于與傳感層的材料(氧化物、聚合物、石墨烯、金屬層)或薄金屬層連接充當(dāng)接觸墊，而這些問題尤其適用于設(shè)計(jì)為在低溫下工作的傳感器。

以下本文主要描述一種以金屬條形式動(dòng)態(tài)焊接外部引線的新方法，該金屬條由陶瓷基板上的薄金屬層制成，這些引線可用作在寬溫度范圍內(nèi)工作的傳感器中的接觸墊，使用我們的方法生產(chǎn)的接頭在15-300k的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的電氣、熱和機(jī)械性能。

一、材料和方法

1、焊接薄金屬層的新方法

在提出的連接方法適用于實(shí)現(xiàn)在低溫下工作的各種類型的傳感器，它在傳感器端子和電極結(jié)構(gòu)中最常用的兩種金屬上進(jìn)行了測(cè)試金和銀。金是傳感器中電極的合適材料，外部引線使用銀有助于與測(cè)量系統(tǒng)集成并降低引線的電阻。同時(shí)我們對(duì)各種樣品配置進(jìn)行了微觀研究，以分析接頭中所形成的金屬間化合物。然而，我們的主要關(guān)注點(diǎn)是銀和陶瓷基板上的薄金金屬化層之間的接頭電氣和機(jī)械性能。

厚度為200nm的超薄金屬層沉積在800μm厚的氧化鋁(AI2O3)陶瓷基板上，金屬層使用PVD(物理氣相沉積)方法和Classic250真空系統(tǒng)制成，使用2mm寬的金屬條作為外部柔性引線，銦被用作焊料，示例配置顯示在表格1.

簡(jiǎn)而言之，我們的方法包括間接加熱和熔化涂有金屬層的陶瓷基板上的焊料，然后引入帶有凝膠助焊劑的金屬條以促進(jìn)每個(gè)表面的焊接。在引入帶助焊劑的帶材后，立即開始聯(lián)合冷卻過程。整個(gè)過程只需要很短時(shí)間，三個(gè)步驟的過程如圖1所示。

(圖1將金屬條焊接到濺射在陶瓷基板上的薄金屬層的新三階段工藝：(a)-焊料熔化;(b)——將帶有助焊劑的金屬條放在熔化的焊料上;(c)——冷卻接頭。)

在焊接過程的第一步中，將焊料放置在覆蓋有金屬層的陶瓷基板上，然后將其加熱(圖1一個(gè))。焊料以固體形式使用最好是小球。焊球由放置在拋光陶瓷基板上并在真空中熔化的細(xì)In線制成，這是一個(gè)單獨(dú)的過程，在與圖中所示的焊接無關(guān)圖1。球形減少了焊料與基板的接觸面積，并消除了焊料對(duì)金屬化表面的不受控制的潤(rùn)濕的可能性。由于液態(tài)焊料中的表面張力，不受控制的潤(rùn)濕可能導(dǎo)致金屬層損壞。焊料通過指向陶瓷基板下側(cè)的熱空氣流(~200℃)間接加熱和熔化，用熱空氣流直接加熱會(huì)使熔化的焊料在陶瓷基板表面上移動(dòng)并損壞該層。

從底部用熱空氣加熱也消除了用熱尖端損壞金屬層的可能性，在工藝的這個(gè)階段沒有助劑是至關(guān)重要的，因?yàn)樗梢苑乐购噶蠑U(kuò)散到保持連續(xù)和未損壞的金屬層上。重要的圖2a和b顯示了同時(shí)引入焊料和助焊劑時(shí)的結(jié)果。該層被永久損壞，并且在加熱時(shí)損壞會(huì)擴(kuò)散，圖2c顯示了在沒有助焊劑的情況下加熱焊料(銦)的結(jié)果。應(yīng)該注意的是焊料不會(huì)潤(rùn)濕表面并保持幾乎球形，所介紹的情況下，從焊料熔化的那一刻起，陶瓷基板就被加熱了10秒。

(圖2焊料熔化過程的結(jié)果：(a，b)In焊料和助焊劑同時(shí)使用;(c) 使用無助焊劑的In焊料。)

第二步(圖1b)將金屬條的接合區(qū)域上涂有助焊劑的金屬條放置在熔化的焊料上，這是我們方法中的關(guān)鍵步驟。助焊劑確保精確的劑量和可控的擴(kuò)散，助焊劑改變了焊料的表面張力并啟動(dòng)了兩個(gè)連接表面的即時(shí)潤(rùn)濕。由于附著力強(qiáng)，焊料被困在接合表面之間。焊料以連接元件之間的薄層形式快速均勻地?cái)U(kuò)散，陶瓷上的金屬薄層既沒有被破壞也沒有分層，在接頭體積中形成了金屬間化合物。

焊接過程的第三步也是最后一步(圖1c)正在冷卻，應(yīng)該注意的是從帶助焊劑引入帶鋼到冷卻階段開始之間的延遲非常短，大約為1-2秒。這很重要因?yàn)闀r(shí)間和熱參數(shù)是最終接頭結(jié)構(gòu)的主要決定因素。

2、儀器儀表和測(cè)量程序

使用金相切片，通過光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡研究接頭的結(jié)構(gòu)。使用微量分析系統(tǒng)研究接頭層的相組成。

在室溫和低溫下測(cè)量接頭的電參數(shù)，使用帶有Lake Shore331溫度控制器的氮閉環(huán)DE-210低溫恒溫器，在低溫下進(jìn)行了研究，將樣品置于真空室中，并在300-15k的溫度范圍內(nèi)以約4K/min的速率循環(huán)冷卻和加熱。陶瓷基板的下表面與銅熱交換器相連，以消除基板中的溫度梯度。參考溫度傳感器直接安裝在測(cè)試樣品旁邊的熱交換器上，一個(gè)巨大的銅熱交換器直接安裝在低溫冷卻器的“冷指”上。根據(jù)四探針法使用Keysight 34420A微歐表測(cè)量被測(cè)樣品的電阻。同時(shí)測(cè)量接頭的電阻和金屬層的電阻，圖 3顯示了電極的排列和使用的測(cè)量方法。

測(cè)量金屬層長(zhǎng)度D的電阻R L。同時(shí)測(cè)量由層(D /2)和接頭(D /2)組成的截面的電阻(圖 3)。這使我們能夠確定接頭電阻R J (T)和層電阻R L (T)的溫度依賴性。我們假設(shè)金層在測(cè)量截面上是連續(xù)的。

在室溫下測(cè)量樣品的電參數(shù)時(shí)，我們關(guān)注的是電流在相同幾何形狀的樣品中產(chǎn)生的焦耳熱通量密度。目的是確定主要的熱源。如果接頭具有低電阻，則接頭區(qū)域不是主要的熱源。小型熱電偶(T型，線徑140 μm)連接到樣品表面的中心(T c)和接頭(T j)。在自然空氣對(duì)流條件下，不同電流下測(cè)得溫度(圖4)。

從0-0.5A范圍內(nèi)的受控電源向樣品施加電流，每5秒電流階躍變化為0.01A。這使我們能夠觀察準(zhǔn)靜態(tài)加熱的過程，具有兩個(gè)接頭的樣品上的電流和電壓降(圖4)使用HP34401A數(shù)字萬用表進(jìn)行測(cè)量。

對(duì)層-箔接頭進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，出于研究的目的我們制作了一系列12個(gè)相同的樣品，接頭面積為2x2mm。為了便于在CERT系統(tǒng)的副夾具中組裝樣品，使用了尺寸為12x10mm的較大陶瓷基板和尺寸為2x25mm的Ag條。將樣品拉至其斷裂點(diǎn)以確定接頭的極限抗拉強(qiáng)度，在整個(gè)測(cè)試過程中測(cè)量施加到樣品的力F和樣品的伸長(zhǎng)率ΔL 。對(duì)施加到樣品的切向FT(6個(gè)樣本)和法向FN(6個(gè)樣本)力分量進(jìn)行了測(cè)試(圖5)，結(jié)果確定了決定其強(qiáng)度的層-接頭-箔結(jié)構(gòu)的元素。

測(cè)試使用CETR的UMT-2通用研究系統(tǒng)進(jìn)行，該系統(tǒng)具有運(yùn)動(dòng)范圍為150 mm、分辨率為0.5μm、速度為0.002-10 mm/s的定位系統(tǒng)。測(cè)試臺(tái)配備了一個(gè)范圍為0.2-25 N和分辨率為1.0 mN的雙軸傳感器，以及Mecmesin的輕型雙動(dòng)副夾具。

3、接頭熱電模型

開發(fā)了一個(gè)數(shù)值模型來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究確定的主要焦耳熱源。該模型還使我們能夠分析樣品中的熱量分布。該模型在Comsol Multiphysics軟件(COMSOL Inc., Burlington, MA, USA)中實(shí)施。幾何和模型假設(shè)是根據(jù)在室溫下測(cè)試的樣品的尺寸和參數(shù)進(jìn)行的(圖6)。這使得可以比較結(jié)果并驗(yàn)證模型中使用的假設(shè)。根據(jù)觀察和顯微測(cè)量，假設(shè)以下尺寸：接頭厚度，20 μm;Au層的厚度，200 nm;銀條的厚度，35 μm。

耦合熱電模型使我們能夠分析熱現(xiàn)象對(duì)樣品中所用材料電性能的影響，包括傳導(dǎo)、自然對(duì)流和溫度。通常，仿真模擬了用兩個(gè)接頭加熱樣品的過程，電流由受控電源提供。電流階躍變化與實(shí)驗(yàn)研究中的相同(電流每5秒增加0.01 A)。

二、結(jié)果與討論

使用我們的方法焊接在Al2O基板上的各種接頭(樣品A、樣品B和樣品C)在5-10倍的低放大倍率下進(jìn)行顯微鏡觀察。圖像顯示在圖7一個(gè)，圖8一個(gè)和圖9一個(gè)。接合區(qū)域僅限于銀(或金)條的尺寸(寬度)。在附著的金屬條的邊緣上幾乎沒有觀察到焊料和助焊劑的流動(dòng)。該有利特征源于根據(jù)所提出的方法產(chǎn)生焊接接頭的機(jī)制。

(圖7樣品A的顯微照片)

(圖8樣品B的顯微照片)

(圖9樣品C的顯微照片)

接頭的金相橫截面如圖所示圖7、圖8、圖9。焊接過程中產(chǎn)生的雙金屬合金的成分取決于合金的成分、溫度和凝固過程的動(dòng)力學(xué)。眾所周知，焊點(diǎn)中的金屬間相會(huì)影響其電氣和機(jī)械性能。

在使用我們的方法制作的接頭變體中，應(yīng)特別注意Ag-In和Au-In合金。在建議的焊接過程中，接頭區(qū)域的溫度不超過200 °C。然而，應(yīng)該注意的是，焊接接頭是在大約10分鐘內(nèi)動(dòng)態(tài)形成的。10 s，在此期間焊球最初處于液態(tài)3 s (圖1a)然后在插入帶有助焊劑的Ag(或Au)條帶后，再保持液態(tài)2秒(圖1)。使用相同Ag-In和Au-In系統(tǒng)的TLS過程的持續(xù)時(shí)間 持續(xù)時(shí)間明顯更長(zhǎng)。對(duì)于Ag-In，在210 °C下為10分鐘，對(duì)于Au-In，在160–240 °C下該過程持續(xù)1–10分鐘。

冶金過程同時(shí)發(fā)生在兩個(gè)界面上，Ag/In和Au/In。在理論上和實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)確定，這些過程中形成金屬間化合物的動(dòng)力學(xué)取決于Au/In和Ag/In界面處的擴(kuò)散。還有兩個(gè)額外的因素有助于關(guān)節(jié)的形成。第一個(gè)是直徑約為1的熔化焊球的表面張力。0.5 mm，遠(yuǎn)小于關(guān)節(jié)面積(2 × 2 mm)。表面張力是合金形成中最重要的因素之一，對(duì)于 In，在200 °C左右達(dá)到最高值，約為550 mN/m。第二個(gè)因素是熔化的焊料對(duì)Ag和Au表面的潤(rùn)濕，這取決于每層的表面能。結(jié)果，熔化的焊料立即在銀條和金金屬之間流動(dòng)。

圖7b顯示樣品A接頭的橫截面?？梢郧宄乜吹?，整個(gè)金金屬化轉(zhuǎn)化為金屬間化合物。Au金屬化層和Ag帶之間的合金含有高達(dá)31.7 at.%的Au和高達(dá)68.3 at.%的In，這證實(shí)了AuIn 2單一金屬間相的形成。當(dāng)In厚度大于Au時(shí)，在180-300 °C的溫度范圍內(nèi)報(bào)告了相同的金屬間相。在Ag和液體In之間鑒定出金屬間化合物Ag2In(圖7)。反應(yīng)Ag-In已被證明是由銀在熔融銦中的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)的，在473K時(shí)拋物線生長(zhǎng)常數(shù)僅為6.07 × 10 -5cm2/s。這表明在我們的焊接過程中產(chǎn)生的Ag2In層只有幾微米厚。

樣品B接頭的橫截面顯微照片顯示在圖8。由于與Au條和Au薄層反應(yīng)的In焊料量較大(焊接過程中陶瓷基板上放置了較大的In球)，焊點(diǎn)的相組成更復(fù)雜。與AuIn 2成分相似的層，厚度約為。在與金條的界面處形成5 μm(圖8)。在In焊料和Au薄膜之間的邊界處發(fā)現(xiàn)了相同的金屬間化合物。這些金屬間相之間的焊料的主要體積是In，帶有AuIn 2和氧化物的球形沉淀物(圖8)。

樣品C接頭的橫截面如圖所示圖9。雖然不推薦使用Ag/In/Ag薄層的組合(由于銀傾向于電遷移)，但我們的連接方法也很有效。Ag剝離和Ag金屬化之間的主相由45.4at.%In組成(圖9b)和66.2at.%In(圖8b)，其余為銀。Ag-In二元體系的相圖顯示了兩個(gè)金屬間相——γ(Ag2In) 和φ(AgIn2)——在這兩個(gè)邊界In含量之間的合金中沒有其他相。在樣品C接頭的情況下，焊料合金是這些金屬間化合物的共晶混合物。

在很寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了溫度對(duì)Au層和Au/In/Ag接頭(樣品A)電阻影響的研究，主要是在15-300 K的低溫下。發(fā)現(xiàn)接頭的特性是可重復(fù)且未觀察到不連續(xù)性或突然的、不可預(yù)測(cè)的電阻變化(圖10)。這證明了接頭的電氣和機(jī)械性能在很寬的溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，Au層和接頭在35-300 K范圍內(nèi)電阻對(duì)溫度的線性相關(guān)性，這是金屬和金屬合金的典型關(guān)系，證明了接頭的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是關(guān)節(jié)的一個(gè)非常重要的特性，特別是對(duì)于在寬溫度范圍內(nèi)工作的低溫傳感器。

接頭的電氣特性由主要材料(銀，導(dǎo)致接頭電阻率低)決定。Ag/In/Au接頭的電阻溫度系數(shù) (αJ=3.3×10-31/K) 類似于塊狀A(yù)g樣品的系數(shù)(αAgBulk=3.8×10-31/K) (圖9)。這種相似性是受試接頭的幾何形狀(接頭的大面積相對(duì)于小厚度)、金屬間過渡區(qū)的小尺寸以及接頭中不存在金屬氧化物的影響。濺射在陶瓷基板上的金層的電阻溫度系數(shù)(αAu=2.3×10-31/K)低于塊狀金樣品的電阻溫度系數(shù)(αAu_Bulk=3.7×10-31/K)。薄(200 nm)真空沉積金層的層電阻和α系數(shù)的差異(圖10) 與塊狀金屬相比，是層的細(xì)粒度、更多缺陷和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響。

由于所提出的接頭具有良好的電氣和機(jī)械性能，我們能夠成功地使用所提出的方法在低溫傳感器中產(chǎn)生連接 。

圖11顯示接頭強(qiáng)度測(cè)試的結(jié)果。關(guān)節(jié)對(duì)切向分力FT作用的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其對(duì)法向分力FN的強(qiáng)度。在這種情況下，還觀察到更大的伸長(zhǎng)率ΔL 。樣品伸長(zhǎng)率的變化主要與銀箔的拉伸和接頭本身金屬層的位移有關(guān)。FN的低值由于層與陶瓷基板的分層，會(huì)導(dǎo)致接頭破壞。在每個(gè)測(cè)試樣品中，接頭都因從基材上去除金屬層而被破壞。機(jī)械強(qiáng)度主要由金屬層對(duì)陶瓷基材表面的附著力決定。應(yīng)該注意的是，可以通過用樹脂保護(hù)接頭來提高機(jī)械強(qiáng)度。此外，樹脂減少了循環(huán)加熱和冷卻到低溫時(shí)可能發(fā)生的接頭的氧化和腐蝕過程。

在電學(xué)測(cè)試的第二部分中，基于對(duì)樣品中產(chǎn)生的焦耳熱通量密度的分析，在室溫下測(cè)量了樣品的電學(xué)參數(shù)。Au層和Au/In/Ag(樣品A)接頭集成在具有高導(dǎo)熱性的均質(zhì)陶瓷基板上。這種基板通常用于構(gòu)建低溫傳感器，以消除傳感器中的溫度梯度，同時(shí)確保良好的熱錨定和電絕緣。

結(jié)果表明，接頭不是測(cè)試樣品中的主要熱源。在準(zhǔn)靜態(tài)加熱期間，最高溫度在樣品的中心部分(圖12)。這是層不均衡和接頭阻力的影響。此外，金屬引線還具有作為散熱器的附加功能，可散發(fā)樣品中產(chǎn)生的熱量。應(yīng)該注意的是，盡管層是樣品的主要部分，但接頭溫度和層溫度之間的差異很小(~5-8K)。陶瓷基板決定了樣品中的熱量分布。

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模型的結(jié)果進(jìn)行了比較。模擬結(jié)果證實(shí)，Au層是測(cè)試樣品中的主要熱源(圖13)。接頭和金層之間的溫差不超過8K。加熱過程是體積的，這是焦耳加熱的準(zhǔn)靜態(tài)過程和基板的熱性能的結(jié)果。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模型，熱量從樣品中心(傳導(dǎo))到周圍(對(duì)流)分布在基板中。銀引線以細(xì)條的形式充當(dāng)散熱器，并通過自然對(duì)流將熱量散發(fā)到環(huán)境中。所有電流值的溫度分布曲線都相似。接頭不是重要的熱源。

以上就是本文中，提出了一種將耐用接頭焊接到陶瓷基板上的薄金屬層上的有效方法。連接的主要配置使用In焊料連接到薄金層的銀箔接頭，這種配置成功地應(yīng)用于所研究的低溫結(jié)構(gòu)。我們方法的關(guān)鍵思想是在沒有助焊劑的情況下熔化焊料，并在下一步中將帶有助焊劑涂層的金屬條放在熔化的焊料上。該過程是動(dòng)態(tài)的，只需幾秒鐘，并且可以與類似配置的關(guān)節(jié)一起使用。在我們未來的研究中，我們還將在使用對(duì)低溫很重要的導(dǎo)電材料時(shí)關(guān)注這個(gè)問題，例如表現(xiàn)出低導(dǎo)熱性和低耐溫系數(shù)的合金。

所提出的方法還用于使用In焊料制造具有薄Au層的Au箔接頭，以及使用In焊料制造具有薄Ag層的Ag接頭。我們的動(dòng)態(tài)焊接方法(大約2秒)可在不干擾層連續(xù)性的情況下產(chǎn)生接頭。

結(jié)果表明，在焊接接頭中形成了必要的金屬間化合物層。這些連接的特點(diǎn)是在很寬的溫度范圍(15-300 K)內(nèi)具有低電阻和良好的機(jī)械強(qiáng)度。電氣研究和數(shù)值模擬證明了接頭的優(yōu)異性能。所提出的方法可用于生產(chǎn)低溫傳感器中的接頭。

審核編輯：湯梓紅