La unión de frita de vidrio , también conocida como soldadura de vidrio o unión de vidrio sellado , describe una técnica de unión de obleas con una capa de vidrio intermedia . Es una tecnología de encapsulación ampliamente utilizada para estructuras micromaquinadas de superficie , por ejemplo, acelerómetros o giroscopios . [1] Esta técnica utiliza vidrio de bajo punto de fusión ("soldadura de vidrio") y, por lo tanto, proporciona varias ventajas, incluida la de que la viscosidad del vidrio disminuye con un aumento de la temperatura. El flujo viscoso del vidrio tiene efectos para compensar y planarizar las irregularidades de la superficie, lo que es conveniente para unir obleas con una alta rugosidad debido al grabado o deposición de plasma . Una baja viscosidad promueve la encapsulación herméticamente sellada de estructuras en función de una mejor adaptación de las formas estructuradas. [2] Además, el coeficiente de expansión térmica (CTE) del material de vidrio se adapta al silicio . Esto da como resultado una baja tensión en el par de obleas unidas . El vidrio debe fluir y humedecer las superficies soldadas a una temperatura muy por debajo de la que se produce la deformación o degradación de cualquiera de los materiales unidos o de las estructuras cercanas (por ejemplo, capas de metalización en chips o sustratos cerámicos). La temperatura habitual para lograr el flujo y la humectación es de entre 450 y 550 °C (840 y 1020 °F).
La unión por frita de vidrio se puede utilizar para muchos materiales de superficie, por ejemplo, silicio con superficie hidrófoba e hidrófila , dióxido de silicio , nitruro de silicio , aluminio , titanio o vidrio , siempre que el CTE se encuentre en el mismo rango. Este procedimiento de unión también permite la realización de pasamuros metálicos para entrar en contacto con estructuras activas en la cavidad sellada herméticamente. La frita de vidrio como material dieléctrico no necesita pasivación adicional para evitar corrientes de fuga a temperaturas de proceso de hasta 125 °C (257 °F). [3]
El proceso comienza con la deposición de pasta de vidrio sobre las superficies a tratar. A continuación, se calienta para quemar los aditivos y se cuece para formar la capa de vidrio. El proceso de unión reconfigura el vidrio sinterizado en el estado deseado. Finalmente, el vidrio reconfigurado se enfría. [4]
La unión por frita de vidrio se utiliza para encapsular sensores micromecanizados de superficie , es decir, giroscopios y acelerómetros . Otras aplicaciones son el sellado de cavidades de sensores de presión absoluta, el montaje de ventanas ópticas y el recubrimiento de dispositivos térmicamente activos. [3]
El procedimiento de unión por frita de vidrio se utiliza para la encapsulación y montaje de componentes. El recubrimiento de las capas de frita de vidrio se aplica mediante recubrimiento por centrifugación para espesores de 5 a 30 μm o, comúnmente, mediante serigrafía para espesores de 10 a 30 μm. [4]
La serigrafía , como método de deposición de uso común, proporciona una técnica de estructuración para el material de frita de vidrio. Este método tiene la ventaja de la deposición del material sobre obleas de tapa estructuradas sin ningún proceso adicional, es decir, fotolitografía . [3]
La serigrafía permite la posibilidad de realizar uniones selectivas, de modo que sólo en las zonas donde se requiere la unión se deposita la frita de vidrio. [3]
El riesgo de que la frita de vidrio fluya hacia las estructuras se puede evitar mediante la optimización del proceso de serigrafía. Con una alta precisión de posicionamiento, se pueden lograr tamaños de las estructuras en el rango de 190 μm con un espaciado mínimo de < 100 μm. El posicionamiento exacto de las estructuras serigrafiadas en la oblea de la tapa es necesario para garantizar una unión precisa. Las estructuras unidas son, dependiendo de la humectabilidad de la superficie impresa, entre un 10 y un 20 % más anchas que la pantalla diseñada. [5]
Para garantizar un espesor de vidrio uniforme, todas las estructuras deben tener el mismo ancho. La frita de vidrio impresa mide aproximadamente 30 μm de alto y deja un espacio de 5 a 10 μm entre las obleas unidas después de la unión (comparado con imágenes SEM de secciones transversales). [3] No es necesaria una activación de la superficie de unión para promover una mayor fuerza de unión. [6]
Las estructuras de frita de vidrio impresas se calientan para formar un vidrio compacto. El proceso de calentamiento es necesario para eliminar los disolventes y el aglutinante. Esto da como resultado una posterior fusión de partículas del polvo de vidrio. Mediante presión mecánica, las obleas se unen a temperaturas elevadas. [2]
El acondicionamiento térmico transforma la pasta de vidrio en una capa de vidrio y es importante para evitar huecos dentro de la capa de frita de vidrio. [3] El proceso de acondicionamiento consiste en:
El paso inicial consiste en secar durante 5 a 7 minutos a una temperatura de 100 a 120 °C para difundir los solventes fuera de la interfaz. Esto inicia la polimerización del aglutinante orgánico. Las moléculas del aglutinante se unen a polímeros de cadena larga que solidifican la pasta. [5]
El aglutinante orgánico de la pasta de vidrio debe quemarse mediante calentamiento hasta una temperatura determinada (325 a 350 °C), durante la cual el vidrio no se funde por completo hasta que transcurren entre 10 y 20 minutos. Este proceso, denominado "glaseado", garantiza la desgasificación de los aditivos orgánicos.
Además, un paso de prefusión o sellado calienta el material a la temperatura de proceso entre 410 y 459 °C durante 5 a 10 minutos. El material se funde completamente y forma un vidrio compacto sin inclusiones. Los rellenos inorgánicos se funden y las propiedades del vidrio aglomerado se fijan. [3] La fusión del vidrio comienza en la interfaz silicio-vidrio dirigida a la superficie del vidrio. Durante el proceso de fusión, la porosidad del vidrio se elimina y, en función de la compresión de la capa intermedia, el espesor del vidrio disminuye significativamente. [5]
La unión de las fritas de vidrio, que comienza con la alineación de las obleas, es un proceso de termocompresión que se lleva a cabo en la cámara de unión a una presión específica. Bajo la presión de unión, las obleas se calientan hasta la temperatura del proceso, de aproximadamente 430 °C, durante unos minutos. [3] Por un lado, un tiempo de unión corto hace que la frita de vidrio no se extienda lo suficiente, por otro lado, un tiempo de unión más largo hace que la frita de vidrio se desborde, dejando posteriormente espacios vacíos. [6]
La alineación debe ser muy precisa y estable para evitar el desplazamiento. Esto se puede lograr utilizando abrazaderas o placas de presión especiales. [3] El desplazamiento puede ocurrir a través de una presión temporalmente escalonada, no una presión vertical precisa basada en la desalineación de las herramientas de unión o la diferencia de expansión térmica entre las herramientas de unión. [5]
Durante la unión, se aplica una herramienta de presión de soporte para mejorar la entrada térmica en el vidrio de unión e igualar la inadmisibilidad de la geometría de la oblea (es decir, curvatura y deformación) para favorecer la humectabilidad. [7] En función de la viscosidad suficientemente alta del vidrio, la unión puede realizarse casi sin presión. [5]
La temperatura de unión debe ser lo suficientemente alta para reducir la viscosidad del material de vidrio y garantizar una buena humectación de la superficie de unión, pero también lo suficientemente baja para evitar la sobreextensión del material de frita de vidrio. El calentamiento por encima de 410 °C permite la humectación de la superficie de unión. Una buena humectación se indica mediante un ángulo de borde bajo. Las capas superficiales atómicas de la oblea se fusionan con el vidrio a nivel atómico. [7] Esto forma una mezcla fina de vidrio en la interfaz que forma el fuerte enlace entre el vidrio y la oblea. [3]
Durante el enfriamiento bajo presión se forma una unión de obleas mecánicamente fuerte y herméticamente sellada. [3] El proceso de enfriamiento conduce, especialmente a temperaturas más altas, a una tensión térmica en la capa de frita de vidrio que debe tenerse en cuenta en el análisis de la vida útil del marco de unión. [8] El par de obleas se retira de la cámara de unión a temperaturas más bajas para evitar el agrietamiento térmico de las obleas o de la interfaz de unión por choques térmicos . [7]
La resistencia de la unión depende principalmente de la densidad, del área de expansión de la capa de frita de vidrio y de la capa superficial de la interfaz de unión. Es lo suficientemente alta, alrededor de 20 MPa, para la mayoría de las aplicaciones y comparable a las logradas con la unión anódica . La hermeticidad asegura el correcto funcionamiento y una fiabilidad suficiente de la unión y, por lo tanto, del producto. Además, el rendimiento de la unión de las obleas unidas con frita de vidrio es muy alto, normalmente > 90 %. [6]
Se utilizan dos tipos de soldaduras de vidrio: vítreas y desvitrificantes . Las soldaduras vítreas conservan su estructura amorfa durante la refundición, se pueden volver a trabajar repetidamente y son relativamente transparentes. Las soldaduras desvitrificantes experimentan una cristalización parcial durante la solidificación, formando una vitrocerámica , un compuesto de fases vítreas y cristalinas. Las soldaduras desvitrificantes suelen crear una unión mecánica más fuerte, pero son más sensibles a la temperatura y es más probable que el sello tenga fugas; debido a su estructura policristalina, tienden a ser translúcidas u opacas. [9] Las soldaduras desvitrificantes son con frecuencia "termoendurecibles", ya que su temperatura de fusión después de la recristalización se vuelve significativamente más alta; esto permite soldar las piezas juntas a una temperatura más baja que el horneado posterior sin volver a fundir la junta después. Las soldaduras desvitrificantes con frecuencia contienen hasta un 25% de óxido de zinc. En la producción de tubos de rayos catódicos , se utilizan soldaduras desvitrificantes basadas en PbO- B2O3 - ZnO .
Los vidrios de fusión a muy baja temperatura, fluidos a 200–400 °C (390–750 °F), fueron desarrollados para aplicaciones de sellado para electrónica. Pueden consistir en mezclas binarias o ternarias de talio , arsénico y azufre . [10] Los vidrios de silicoborato de zinc también pueden usarse para la pasivación de la electrónica; su coeficiente de expansión térmica debe coincidir con el del silicio (o los otros semiconductores utilizados) y no deben contener metales alcalinos, ya que migrarían al semiconductor y causarían fallas. [11]
La unión entre el vidrio o la cerámica y la soldadura de vidrio puede ser covalente o, más a menudo, de van der Waals . [12] El sello puede ser hermético; la soldadura de vidrio se utiliza con frecuencia en la tecnología de vacío . Las soldaduras de vidrio también se pueden utilizar como selladores ; un recubrimiento de esmalte vítreo sobre el hierro redujo su permeabilidad al hidrógeno 10 veces. [13] Las soldaduras de vidrio se utilizan con frecuencia para sellos de vidrio a metal y sellos de vidrio-cerámica a metal .
Las soldaduras de vidrio están disponibles como polvo de frita con un tamaño de grano inferior a 60 micrómetros. Se pueden mezclar con agua o alcohol para formar una pasta para una fácil aplicación, o con nitrocelulosa disuelta u otro aglutinante adecuado para adherirse a las superficies hasta que se fundan. [14] El aglutinante final tiene que quemarse antes de que se proceda a la fusión, lo que requiere un régimen de cocción cuidadoso . El vidrio de soldadura también se puede aplicar desde el estado fundido al área de la futura junta durante la fabricación de la pieza. Debido a su baja viscosidad en estado fundido, se utilizan con frecuencia vidrios de plomo con alto contenido de PbO (a menudo 70-85%). Las composiciones más comunes se basan en boratos de plomo ( vidrio de borato de plomo o vidrio de borosilicato ). Se puede añadir una cantidad menor de óxido de zinc u óxido de aluminio para aumentar la estabilidad química. También se pueden emplear vidrios de fosfato . Se pueden añadir óxido de zinc, trióxido de bismuto y óxido de cobre (II) para influir en la expansión térmica; A diferencia de los óxidos alcalinos, estos reducen el punto de ablandamiento sin aumentar la expansión térmica.
Para alcanzar temperaturas de proceso por debajo de los 450 °C se utiliza vidrio con plomo o vidrio de silicato de plomo. La frita de vidrio es una pasta que consta de polvo de vidrio, aglutinante orgánico , rellenos inorgánicos y disolventes . Esta pasta de vidrio de bajo punto de fusión se muele hasta convertirla en polvo (tamaño de grano < 15 μm) y se mezcla con un aglutinante orgánico formando una pasta viscosa imprimible. [3] Los rellenos inorgánicos, es decir, partículas de cordierita (por ejemplo, Mg2Al3 [ AlSi5O18 ] ) o silicato de bario, se añaden a la pasta de vidrio fundida para influir en las propiedades, es decir, reducir el desajuste de los coeficientes de expansión térmica entre el silicio y la frita de vidrio. [15] Los disolventes se utilizan para ajustar la viscosidad del aglutinante orgánico. Hay varias pastas de frita de vidrio disponibles comercialmente, por ejemplo, FERRO FX-11-0366, y cada una de ellas necesita un manejo individual después de la deposición. [5] La elección de la pasta depende de varios factores, es decir, el método de deposición, el material del sustrato y las temperaturas del proceso. [2]
El vidrio utilizado para aplicaciones MEMS está compuesto de partículas y óxido de plomo. Este último reduce la temperatura de transición vítrea por debajo de los 400 °C. [8] La reducción del óxido de plomo por el silicio conduce a la formación de precipitaciones de plomo en la interfaz silicio-vidrio. Estas precipitaciones reducen la resistencia de la unión y constituyen riesgos de fiabilidad que deben tenerse en cuenta para las predicciones de la vida útil de los dispositivos. [15]
Las soldaduras de vidrio se utilizan con frecuencia en los encapsulados electrónicos . Los encapsulados CERDIP son un ejemplo. La desgasificación de agua de la soldadura de vidrio durante la encapsulación fue una causa de las altas tasas de fallos de los primeros circuitos integrados CERDIP . La eliminación de las cubiertas de cerámica soldadas con vidrio, por ejemplo, para acceder al chip para el análisis de fallos o la ingeniería inversa , se realiza mejor mediante cizallamiento ; si esto es demasiado arriesgado, la cubierta se pule en su lugar. [16]
Como los sellos se pueden realizar a una temperatura mucho más baja que con la unión directa de piezas de vidrio y sin el uso de llama (utilizando un horno o estufa con temperatura controlada), las soldaduras de vidrio son útiles en aplicaciones como tubos de vacío subminiatura o para unir ventanas de mica a tubos de vacío e instrumentos (por ejemplo, tubo Geiger ). El coeficiente de expansión térmica debe coincidir con los materiales que se unen y, a menudo, se elige entre los coeficientes de expansión de los materiales. En caso de tener que comprometerse, es más deseable someter la unión a tensiones de compresión que a tensiones de tracción. La adaptación de la expansión no es crítica en aplicaciones donde se utilizan capas delgadas en áreas pequeñas, por ejemplo, tintas que se pueden quemar , o donde la unión se someterá a una compresión permanente (por ejemplo, por una carcasa de acero externa) que compensa las tensiones de tracción introducidas térmicamente. [10]
La soldadura de vidrio se puede utilizar como capa intermedia al unir materiales (vidrios, cerámicas) con coeficientes de expansión térmica significativamente diferentes ; dichos materiales no se pueden unir directamente mediante soldadura por difusión . [17] Las ventanas con acristalamiento al vacío están hechas de paneles de vidrio soldados entre sí. [18]
Se utiliza una soldadura de vidrio, por ejemplo, para unir partes de tubos de rayos catódicos y paneles de pantallas de plasma . Las composiciones más nuevas redujeron la temperatura de uso de 450 a 390 °C (840 a 730 °F) al reducir el contenido de óxido de plomo (II) del 70%, aumentar el contenido de óxido de zinc, agregar dióxido de titanio y óxido de bismuto (III) y algunos otros componentes. La alta expansión térmica de dicho vidrio se puede reducir con un relleno cerámico adecuado . También se desarrollaron vidrios de soldadura sin plomo con una temperatura de soldadura de 450 °C (842 °F).
Se han desarrollado vidrios fosfatados con baja temperatura de fusión. Una de estas composiciones es el pentóxido de fósforo , el óxido de plomo (II) y el óxido de cinc, con la adición de litio y algunos otros óxidos. [19]
También se pueden preparar soldaduras de vidrio conductoras de electricidad . [ cita requerida ]
El procedimiento de unión por frita de vidrio tiene las siguientes ventajas: [5]
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