红外探测器制备中不同镀金层的对比分析

刘 森,张 磊,杨 斌,李忠贺

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 概 述

制冷型红外探测器(以下简称探测器)是各类整机系统寻找目标的核心部件,相当于整机系统的“眼睛”,是目前红外技术发展的一个重要方向,被广泛地应用于航空、航天、安防等领域[1-3]。

探测器组件由探测器芯片、微杜瓦、制冷机(器)三个部件组成,其中探测器芯片用于完成光电转换,需要工作在低温环境下;微杜瓦为探测器芯片提供光学、电学、机械接口、真空环境及温度保持功能;制冷机(器)为探测器芯片提供低温冷源。

在红外探测器制备工艺中,使用高纯铟作为钎料,对镀金焊盘进行焊接是非常常见的工艺,其中主要包含倒装互联工艺、引线连接工艺等。使用高纯铟焊料焊接镀金的焊盘时,金元素与铟元素会形成多种金属间化合物,且金属间化合物且在完成焊接后在常温环境下金属间化合物会随着贮存时间而不断的生长。这对探测器的工作会产生一定的影响。我们在工艺过程中发现,当使用不同的镀金工艺时,金属间化合物的生长速度存在较大的差异。

本文选取了三种镀金工艺,分别为电镀、真空蒸发、离子束溅射三种工艺,使用扫描电镜对三种镀金层的表面形态进行了观察,并分析了其差异产生的原因。对三种工艺下焊接的样品进行了温度加速试验,分析了不同工艺下Au-In金属间化合物的生长速度差异。

2 扫描电镜观察

2.1 样品制备

样品1:陶瓷表面电镀金;

样品2:陶瓷表面真空蒸发镀金;

样品3:陶瓷表面离子束溅射镀金。

2.2 样品微观形貌

使用扫描电镜对三个样品的表面状态进行观察,发现三种样品的晶粒度存在非常大的差异,其中样品1的晶粒直径在2～3 μm范围内(如图1所示),样品2的晶粒直径在100～600 nm之间(如图2所示),样品3的晶粒直径在30～70 nm之间(如图3所示)。三种镀金层的外观并无明显差异,但是其经历直径却存在较大的差异。

图1 电镀金层的扫描电镜照片

图2 真空蒸发镀金的扫描电镜照片

图3 离子束溅射镀金的扫描电镜照片

2.3 差异分析

镀金层的晶粒直径是与其制备过程直接相关的,镀金层的制备过程也是要经历一个结晶过程的,在结晶过程中材料的形核率是一个关键因素。材料的形核率主要有两个因素决定,即为:

N=N1N2

N1为形核功影响因子,N2为原子扩散能力影响因子。N2主要决定于原子的扩散能力,温度越高,原子扩散能力越大[4]。

N1主要由以下公式决定:

(1)

其中,δ为晶核表面能;Tm为材料熔点;ΔT为过冷度(温度下降速率);ΔG为形核功。

真空蒸发和离子束溅射均属于气相到固相沉积的超极冷过程[5](ΔT很大),从而导致两种工艺制备的镀金层的晶粒直径较小。而电镀工艺属于金属离子在电压驱动下的沉积过程,不存在超极冷过程,因此电镀工艺制备的镀金层与常规金属的晶粒直径相接近。

真空蒸发镀金是采用加热蒸发使得材料的原子从表面逸出,形成蒸汽流,入射到固体表面,从而凝结成固体薄膜。而离子束溅射镀膜是采用等离子体轰击的方法将金靶上的金元素轰击到真空腔室中,然后沉积到固体表面。

通过两种镀金方法的介绍可知:离子束溅射的原子能量是真空蒸发原子能量的很多倍[6]。而温度的本质是原子的能量,原子的能量越高,其温度也就越高,因此离子束溅射的蒸汽温度比真空蒸发蒸汽温度要高很多,因此可以得到明显结论,离子束溅射镀金的晶粒直径要明显低于真空蒸发镀金的晶粒直径(注:该结论适用于本文所述的三种镀金工艺及本单位所使用的工艺参数,当降温速度达到1×107s-1量级时,金属将不会凝固,而是形成金属玻璃)。

当焊盘上镀金层晶粒直径发生变化时,镀金层与铟焊料之间的反应速度也会发生变化。本文针对此观点进行了试验验证及分析。

3 铟焊料扩散试验

3.1 试验样品制备及试验过程

样品1:陶瓷表面镀金的焊盘上用电烙铁镀涂一层高纯铟;

样品2:陶瓷表面热蒸发镀金的焊盘上用电烙铁镀涂一层高纯铟

然后将两个样品均放置与130 ℃的烘箱中进行贮存120 h,然后在显微镜下观察铟元素在金层表面的扩散情况。

3.2 试验结果

样品1在烘烤前后铟元素的扩散情况见图4,在烘烤前后铟元素扩散并不明显,扩散长度在30～50 μm。样品2在烘烤前后铟元素的扩散情况见图5,在烘烤前后铟元素扩散非常明显,扩散长度在300～500 μm。样品2的铟扩散速率是样品1的10倍左右。

图4 样品1烘烤前后对比

图5 样品2烘烤前后对比

不同加工工艺制备的镀层与铟之间的扩散速度是存在较大差异的。一般情况下,元素之间的扩散速度和溶解速度都是按照Nernst一次速度式进行计算[7],在该式中,溶解速度常数K的计算公式如下:

(2)

式中K为溶解速度常数;E为溶解活化能;A为指前因子。其中A和E只与材料的物性相关,而与温度无关。Ks为界面反应常数;D为扩散系数;δ为扩散层厚度(注:式(2)的前一个等式为阿伦尼斯模型的表达形式,后一个等式为Nernst一次速度式的表达形式)。而界面反应速度常数Ks与接触面积成正比,与元素浓度呈反比。由此可以预见当接触面积增大时,扩散速度必然增大。

通过以上分析,可以知道当镀金层晶粒直径较小时,与铟的接触面积会增大,最终导致铟与金的扩散速度增大。除此之外,由于由于晶粒直径过于细小,导致晶粒之间的晶界面积(比表面积)会呈指数增加,而晶界是由大量的位错缺陷构成的,此类缺陷将更容易被其它金属所侵蚀,从而导致反应速度更快。

4 结 论

在红外探测器中经常使用的三种镀金工艺中,离子束溅射镀金层的晶格最为细小,已经到达了纳米量级;电镀镀金层的晶格较为粗大,属于微米量级;真空蒸发镀金层的晶格介于以上两者之间。经过试验验证,真空蒸发镀金层上铟焊料的扩散速度是电镀金层的10倍左右,根据该规律预测,离子束溅射镀金层上铟焊料的扩散速度将会更快。

在选择镀金工艺的类型时需要根据各自工艺的特性进行分析并选型,否则将会严重影响探测器的长期可靠性。在某些位置,需要金铟扩散的速度很慢,那就需要采用电镀工艺加工。而在另外一些位置,需要金铟扩散的速度很快,就需要采用离子束溅射的工艺加工。但是在何种边界条件下应选取哪种镀金工艺需要设计师对材料的基本属性和作用规律具有一定的认识。