Применение сплавов на основе драгметаллов в микроэлектронике

Такой выбор обеспечивает прохождение тока без заметного падения напряжения. Это связано с тем, что изменение температуры в диапазоне 213−1073 К при изготовлении и эксплуатации изделий вызывает изменение термического коэффициента линейного расширения в широких пределах.

Для пассивных контактов, образующихся между нижними слоями пленочной токопроводящей системы и слоем диэлектрика, толщина которого достаточна велика, которые должны обеспечивать исчезающе малое действие электрического поля на полупроводник, необходимо, чтобы электрический ток через контакты не проходил. В процессе эксплуатации пассивные контакты должны обеспечивать стабильное электрическое сопротивление, приближающееся по величине к сопротивлению диэлектрика и иметь высокие характеристики надежности.

Для тонкопленочных элементов подходят кроме легкоплавких алюминиевых, алюминий-магниевых сплавов также сплавы благородных металлов, их твердые растворы и химические соединения с полупроводниками.

Для межсоединений применяют высокопроводящие металлы — золото, серебро, реже палладий.

Для резисторов применяют сплавы системы палладий-вольфрам и сплавы с химически активными и способными к окислению при высоких температурах добавками.

Для конденсаторов и затворов структур металл-диэлектрик-полупроводник используют высокопроводящие и не взаимодействующие с диэлектриками материалы на основе золота, серебра, падлладия.

Сплавы на основе благородных металлов применяют при создании активных высокочастотных элементов интегральных схем, таких как диоды Шоттки и транзисторы.

Сплавы золота с серебром и медью используют не только в ювелирной, но и в электронной промышленности. Для изготовления прецизионных проволочных сопротивлений (резисторов, реохордов, потенциометров) используют специальные золотые сплавы, обеспечивающие надежную передачу сигналов, обладающие низким контактным сопротивлением.

Сплавы серебра с медью применяют для применения для изготовления слаботочных контактов. Сплавы серебра с металлами платиновой группы, отличаются значительной коррозионной стойкостью.

Со своим ближайшим аналогом — золотом серебро образует непрерывные твердые растворы; аналогичный тип взаимодействия наблюдается в системе серебро — палладий. При понижении температуры из непрерывных твердых растворов выделяются Pd3Ag2 и PdAg. В системе серебро — медь при 779 °C и 40% (ат.) Сu образуется эвтектика; перитектический характер взаимодействия компонентов в системе серебро — платина. С рядом элементов V, VI, VII и VIII, А подгрупп периодической системы — ванадием, танталом, вольфрамом, железом и иридием серебро не взаимодействует. Особенности взаимодействия серебра с такими тугоплавкими металлами, как гафний, ниобий, молибден, рений, не установлены. Большое число металлических соединений серебро образует с элементами IIА подгруппы — бериллием, магнием, кальцием, стронцием и барием, а также с металлами III и IVA подгрупп—скандием, иттрием, лантаном, титаном и цирконием.

Особое место занимают малолегированные (до 1%) внутриокисленные сплавы серебра с химически активными металлами — магнием, алюминием, кадмием, литием, бериллием и др. Эти сплавы отличаются близкой к серебру электропроводностью, повышенной эрозионной стойкостью и большей (в 1,5−2 раза) механической прочностью по сравнению с серебром. Наиболее широко распространены сплавы с окисью кадмия.

Изготавливают эти сплавы серебра литыми с последующим окислением на воздухе (или в кислороде) и спеканим серебрянного порошка с окисью легирующего металла. Применяют их в качестве разрывных и скользящих электрических контактов в слаботочных и средненагруженных электрических цепях (коммутирующих устройствах, радиоаппаратуре, телефонных аппаратах и т. д.).

Некоторые сплавы серебра (марок ПСр) хорошо смачивают металлические поверхности, образуя легкоплавкие эвтектики и плотные паяные швы после затвердения. Их используют в качестве высокопрочных и вакуум-плотных припоев. Содержание серебра в этих сплавах 15−72%, их температура плавления 235 — 780 °C.

Свойства сплавов, влияющие на повышенный износ.

Существенным недостатком серебра и сплавов на его основе является образование оксидных и сернистых пленок, которые сказываются на слаботочных контактах в отсутствии дуги. Серебро в присутсвии кислорода и влаги взаимодействует с сероводородом, поэтому контакты на основе серебра разрушаются и их нельзя применять рядом с эбонитом и резиной.

Сплавы серебра с золотом имеют низкую прочность, что ограничивает их применение. В качестве упрочнителя в сплавы на основе золота и серебра добавляют медь. Сплавы серебра с содержанием золота менее 50% также склонны к образованию сернистых соединий.

Сплавы серебро-палладий аналогичны по свойствам сплавам серебро-золото, т. е. только при содержании палладия более 50% сплавы не образуют разрушительные сернистые пленки.

В системе серебро-платина в связи с ограниченной областью твердых растворов для контактов применяют только сплавы, лежащие в области богатой серебром (α-твердые растворы). Сплавы с содержанием платины 10 — 45% подвержены быстрому старению.

Недостатком серебряно-кадмиевых сплавов с позиции изготовления контактов является значительная их способность к свариванию и сплавлению при больших токах из-за низкой температуры плавления сплавов.

Сплавы серебро-медь при содержании меди более 50% склонны к коррозии из-за окисления. Хотя в этих сплавах повышается твердость и электрическое сопротивление, их не рекомендуют применять для изготовления контактов, работающих с образованием дуги и при малом контактном давлении.

Недостатком сплавов на основе золота является только его высокая стоимость как валютного материала.

Палладий также подвержен эрозии при дуге размыкания, хотя коэффициент эрозии палладия ниже, чем у платины и серебра. Некоторые недостатки палладия по сравнению с платиной (растворяет водород, науглероживается) снижают ценность палладия как контактного материала.

Из приведенных выше сведений о физико-химических свойствах сплавов на основе драгоценных металлов, очевидно следующее. Несмотря на высокую, по сравнению с металлами других групп, коррозионную устойчивость эти сплавы также подвержены коррозии, что может приводить к нарушению работы структур изделий микроэлектроники. В настоящее время разработан перечень веществ, вызывающих коррозию, нейтральных и не вызывающих коррозию благородных металлов.

Механизм возникновения коррозии в благородных металлах и их сплавах, предназначенных для микроэлектроники следующий. Сплавы, содержащие серебро склонны к эрозии и коррозии. При возникновении дуги между серебряными контактами происходит окисление, вследстве чего наблюдается эроззия, т. е. уменьшается объём металла. Коррозии серебра и его сплавов способствует наличие в атмосфере сернистых соединений.

Сплавы золота обладают высокими антикоррозионными свойствами. Но золото подвержено эрозии при эксплуатации его или сплавов на его основе в дуговом режиме.

Коррозии при низких температурах за счет окисления подвержены осмий и рутений. Ирридий не окисляется на воздухе, но коррозия его происходит при нагревании. Механизм коррозии благородных металлов из-за размеров объектов для микроэлектроники рассматривают не так как коррозию крупногабаритных металлических изделий.

Защита от коррозии металлов и сплавов состоит в уменьшении агрессивности сред и в повышении коррозионной стойкости путем регулирования составов сплавов.

Как проявляется коррозия благородных металлах. Серебро быстро тускнеет в атмосфере, загрязненной сероводородом, а платина полимеризует органические соединения. Золото свободно от этих недостатков, и контакты из его сплавов обеспечивают высокую надежность и длительный срок службы. Золото обладает уникальным комплексом свойств, которого не имеет ни один другой металл. Оно обладает самой высокой стойкостью к воздействию агрессивных сред. Широкое использование золота и его сплавов для контактов слаботочной аппаратуры обусловлено его высокими электрическими и коррозионными свойствами. Серебро, платина и их сплавы при использовании в качестве контактов, коммутирующих микротоки при микронапряжениях, дают гораздо худшие результаты. Серебро быстро тускнеет в атмосфере, загрязненной сероводородом, а платина полимеризует органические соединения. Золото свободно от этих недостатков, и контакты из его сплавов обеспечивают высокую надежность и длительный срок службы.

Чтобы избежать коррозии и экономить золото помимо технологических усовершенствований в электронике, для ряда деталей и узлов вместо золота стали использовать палладий, покрытия оловом, сплавами олова со свинцом и сплавом 65% Sn + 35% Ni с золотым подслоем. Сплав олова с никелем обладает высокой износостойкостью, коррозионной стойкостью, приемлемой величиной контактного сопротивления и электропроводностью.

Типовая маркировка сплавов драгоценных металлов для микроэлектроники.

Для сплавов благородных металлов, применяемых в микроэлектронике, разработана система маркировки, раскрывающая состав сплава и позволяющая оценить свойства. Эти данные описаны в соответствующих стандартах. Так сплав с маркировкой СрЗл-10 означает, что сплав относится к системе серебро-золото, содержит 10% золота и 90% серебра. В соответствии с ГОСТ 6835 сплав имеет температуру кипения 971 °C, температура кипения его 2200 °C, плотность 10,9 г/см3, удельное сопротивление 29,4 Ом*м. Сплав СрЗл-30 содержит 70% серебра, 30% золота, его плотность равна 12,1 г/см3, температура плавления 985, температура кипения 2200 °C. Сплавы золотоплатиновой группы маркируют ЗлПл, далее указывается содержание второго компонента.

Сплавы тройных систем маркируют по трем основным составляющим. Так сплав с маркировкой ЗлСрМ 500−100 содержит 50% золота, 10% серебра, остальное — медь. Кроме основных составляющих в сплаве содержатся примеси. К примесям относят свинец, железо, сурьму, висмут, их содержание нормируют, в сплавах для микроэлектроники содержание примесей не должно превышать 0,015%.

Заключение

В процессе создания и эксплуатации микроэлектронных приборов было установлено, что использование благородных (драгоценных) металлов в качестве контактов в микросхемах позволяет значительно увеличить срок службы этих приборов. Это объясняется высокой коррозионной стойкостью благородных металлов и их сплавов. Анализ свойств чистых металлоы и сплавов на их основе показал, что для каждого типа контактов, используемых в микроэлектронных схемах, можно и следует подбирать соответствующие металлы. Поскольку развитие материаловедения, в частности, микрометаллургии для микроэлектроники показало, что на основе благородных металлов можно получить сплавы с весьма широким диапазоном электрофизических, механических, термических, электрохимических и структурных свойств.

Пасынков В.В., Сорокин В. С. Материалы для электронной техники. М.: Высшая школа. 1986.; Лань 2001 г.

Материалы в приборостроении и автоматике. Справочник. М.: Машиностроение. 1982 г.

Краткая химическая энциклопедия. М. 1963 г.

Некрасов Б. В. Основы общей химии. М.: Химия. 1969

Малышев В. М. Серебро. М.: Металлургия. 1976 г Нестеров В. А. Серебро, сплавы, биметаллы на его основе. М.: Металлургия. 1979 г.

Малышев В. И. Золото. М.: Металлургия. 1979 г.

Васильев Е. В. Платина, ее сплавы и композиционные материалы. М. Металлургия. 1980 г.

Андрюшенко И. А. Благородные металлы. М.: Металлургия. 1984

Металловедение платиновых металлов. М.: Металлургия. 1975

Пасынков В.В., Сорокин В. С. Материалы для электронной техники. М.: Высшая школа. 1986.; Лань 2001 г.

Материалы в приборостроении и автоматике. Справочник. М.: Машиностроение. 1982 г., с.

280.

Краткая химическая энциклопедия. М. 1963 г., с. 79

Краткая химическая энциклопедия. М. 1963 г., с. 208.

Некрасов Б. В. Основы общей химии. М.: Химия. 1969

Нестеров В. А. Серебро, сплавы, биметаллы на его основе.

М.: Металлургия. 1979 г.

Васильев Е. В. Платина, ее сплавы и композиционные материалы. М. Металлургия. 1980 г.

Андрюшенко И. А. Благородные металлы. М.: Металлургия. 1984

Малышев В. И. Золото. М.: Металлургия. 1979 г.

Металловедение платиновых металлов. М.: Металлургия. 1975