RU2806856C1

RU2806856C1 - Method for forming edge metallization of optically transparent elements for sealing vacuum metal structures by soldering

Info

Publication number: RU2806856C1
Application number: RU2022133838A
Authority: RU
Inventors: Константин Олегович Болтарь; Михаил Васильевич Седнев; Антон Владимирович Трухачев
Original assignee: Акционерное общество "НПО "Орион"
Filing date: 2022-12-21
Publication date: 2023-11-08

Abstract

FIELD: metal processing.

SUBSTANCE: used in the formation of edge metallization of optically transparent elements for their subsequent connection by soldering to metal parts, for example, in the manufacture of sealed photodetector housings. An edge metallization layer is formed on an optically transparent element in the soldering zone by ion cleaning and vacuum magnetron deposition of an adhesive layer and a buffer layer wetted by solder. A passivation layer is applied to the surface of the latter by vacuum deposition of a layer of gold. Ion cleaning and magnetron sputtering of layers are performed in a single vacuum process without depressurization of the vacuum chamber, which makes it possible to remove monolayers of atmospheric gases and water sorbed by the surface, as well as the finest natural oxides and ensures the best adhesion of metal layers to optically transparent elements.

EFFECT: total thickness of the metallization layer exceeds the roughness of the side surface of the optically transparent element, which makes it possible to obtain reproducible soldering results to ensure the weld tightness.

6 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к технологии формирования краевой металлизации оптически-прозрачных элементов, применяемой для соединения пайкой с металлическими деталями, и может использоваться для создания герметичных конструкций различного назначения, например, при изготовлении герметичных корпусов фотоприемников.The invention relates to a technology for forming edge metallization of optically transparent elements, used for soldering connections with metal parts, and can be used to create sealed structures for various purposes, for example, in the manufacture of sealed photodetector housings.

В конструкции корпуса фотоприемника функционально необходимо входное окно, которое изготавливают из оптически-прозрачных материалов: германий, кремний, сапфир и др. Для уменьшения потерь на отражении принимаемого светового потока формируют напылением антиотражающее покрытие (АОП) с двух сторон входного окна в центральной области, размер которой определен оптической схемой использования фотоприемника, фиг. 1.The design of the photodetector housing functionally requires an input window, which is made of optically transparent materials: germanium, silicon, sapphire, etc. To reduce losses due to reflection of the received light flux, an anti-reflection coating (ARC) is sprayed on both sides of the input window in the central area, size which is determined by the optical design of the photodetector, Fig. 1.

Для обеспечения герметичности в вакуумных конструкциях фотоприемников входное окно впаивают в металлический корпус.To ensure tightness in vacuum structures of photodetectors, the input window is soldered into a metal housing.

Герметичное соединение металлического корпуса и входного окна, как правило, смотри таблицу, выполняют пайкой. Для выполнения этой операции необходимо наличие краевой металлизации на поверхности входного окна (оптически-прозрачного элемента), предназначенной для формирования пайкой герметичного шва между металлическим корпусом и краевой металлизацией оптически-прозрачного элемента. Как видно из фиг. 1, краевая металлизация образует связную область по периметру входного окна и формируется на трех поверхностях оптически-прозрачного элемента: нижней, верхней и боковой.The hermetically sealed connection between the metal housing and the entrance window, as a rule, see table, is performed by soldering. To perform this operation, it is necessary to have edge metallization on the surface of the entrance window (optically transparent element), intended for forming a sealed seam by soldering between the metal body and the edge metallization of the optically transparent element. As can be seen from Fig. 1, the edge metallization forms a coherent region around the perimeter of the entrance window and is formed on three surfaces of the optically transparent element: bottom, top and side.

Герметичность соединения краевой металлизации и оптически-прозрачного элемента обеспечивается технологией обработки поверхности последнего и способом формирования металлических слоев на нем. Технология обработки верхней и нижней поверхностей определена требованиям к оптическим элементам конструкции фотоприемника, и поэтому шероховатость этих поверхностей не превышает Rz=0.05 мкм, тогда как шероховатость боковой не влияет на оптические характеристики входного окна и может значительно превышать значения Rz=1.0 мкм, что существенно упрощает технологию обработки боковой поверхности, но накладывает требование на толщину краевой металлизации, которая должна быть не менее величины шероховатости боковой поверхности.The tightness of the connection between the edge metallization and the optically transparent element is ensured by the technology of surface treatment of the latter and the method of forming metal layers on it. The technology for processing the upper and lower surfaces is determined by the requirements for the optical elements of the photodetector design, and therefore the roughness of these surfaces does not exceed Rz=0.05 µm, while the lateral roughness does not affect the optical characteristics of the input window and can significantly exceed the values of Rz=1.0 µm, which significantly simplifies technology for processing the side surface, but imposes a requirement on the thickness of the edge metallization, which must be no less than the value of the roughness of the side surface.

Известны способы формирования финишных покрытий для монтажа пайкой [«Финишные покрытия под поверхностный монтаж современной элементной базы» ВЕКТОР высоких технологий №3 (32) 2017 С. Шкиндина] на металлизированных поверхностях, основанных на жидкостных методах осаждения металлических слоев, включающих катодное осаждение толстых буферных слоев, обеспечивающих заполнение неровностей боковой поверхности оптически-прозрачных элементов. Для пайки могут быть использованы хорошо смачиваемые оловянно-свинцовым припоем поверхности меди или никеля, но за время межоперационного хранения их поверхность окисляется, что не обеспечивает смачивание поверхности припоем. Поэтому поверхность буферного слоя (меди или никеля) закрывают тонким пассивирующим слоем золота. При пайке припой растворяет тонкий слой золота и хорошо смачивает поверхность никеля.There are known methods for forming finishing coatings for installation by soldering ["Finishing coatings for surface mounting of modern element base" VECTOR of high technologies No. 3 (32) 2017 S. Shkindina] on metallized surfaces based on liquid methods of deposition of metal layers, including cathodic deposition of thick buffer layers , providing filling of unevenness of the side surface of optically transparent elements. For soldering, copper or nickel surfaces that are well wetted with tin-lead solder can be used, but during interoperational storage their surfaces oxidize, which does not ensure wetting of the surface with solder. Therefore, the surface of the buffer layer (copper or nickel) is covered with a thin passivating layer of gold. When soldering, solder dissolves a thin layer of gold and wets the nickel surface well.

К недостаткам известного способа следует отнести следующие:The disadvantages of this known method include the following:

1. Используются комплекты оборудования как для гальванического и иммерсионного осаждения, так и вакуумного напыления, что в целом увеличивает количество технологических переходов;1. Equipment sets are used for both galvanic and immersion deposition and vacuum deposition, which generally increases the number of technological transitions;

2. Формирование гальванического и иммерсионного осаждения металлических слоев сопровождается агрессивным воздействием жидких растворов солей на АОП, что ухудшает тактико-технические характеристики изделия.2. The formation of galvanic and immersion deposition of metal layers is accompanied by the aggressive effect of liquid salt solutions on the AOP, which worsens the tactical and technical characteristics of the product.

3. Применение гальванических способов для формирования краевой металлизации оптически-прозрачных элементов с АОП возможно лишь при наличии металлизированной, формируемой вакуумным напылением, поверхности, обеспечивающей герметичный контакт между оптически-прозрачным элементом и металлизацией, а также однородное распределение потенциала при электрохимическом осаждении.3. The use of galvanic methods for the formation of edge metallization of optically transparent elements with AOP is possible only in the presence of a metallized surface formed by vacuum deposition, which ensures hermetic contact between the optically transparent element and the metallization, as well as uniform potential distribution during electrochemical deposition.

4. Необходимость разработки приспособлений, обеспечивающих защиту антиотражающих покрытий от агрессивного воздействия жидких электролитов. Последнее является самостоятельной задачей.4. The need to develop devices that provide protection of anti-reflective coatings from the aggressive effects of liquid electrolytes. The latter is an independent task.

Известен способ [патент RU 2749957, Седнев М.В., Трухачев А.В., Атрашков А.С.], в котором покрытие создают вакуумным напылением через маску, не касающуюся фоточувствительной поверхности. Конструкция маскирующего устройства обеспечивает открытой поверхность пластины для напыления пленочного покрытия. Предлагаемый способ позволяет унифицировать процесс загрузки образцов различных размеров для вакуумного напыления пленочного покрытия на открытую маской поверхность, повысить выход годных и эффективность использования вакуумного напылительного оборудования в серийном производстве за счет применения прецизионного устройства загрузки образцов для напыления покрытия.There is a known method [patent RU 2749957, Sednev M.V., Trukhachev A.V., Atrashkov A.S.], in which the coating is created by vacuum deposition through a mask that does not touch the photosensitive surface. The design of the masking device provides an open surface of the plate for deposition of a film coating. The proposed method makes it possible to unify the process of loading samples of various sizes for vacuum deposition of a film coating onto a surface exposed by a mask, to increase the yield and efficiency of using vacuum deposition equipment in mass production through the use of a precision sample loading device for coating deposition.

Однако известный способ не обеспечивает одновременного напыления на верхнюю, нижнюю и боковую поверхности оптически-прозрачных элементов при закрытой маской области АОП в процессе формирования краевой металлизации вакуумным напылением.However, the known method does not provide simultaneous deposition on the top, bottom and side surfaces of optically transparent elements with the AOP area closed by a mask during the formation of edge metallization by vacuum deposition.

Задачей настоящего изобретения является создание способа формирования краевой металлизации оптически-прозрачных элементов для герметизации пайкой вакуумных металлических конструкций только с использованием вакуумного напыления, без применения гальванических методов осаждения.The objective of the present invention is to create a method for forming edge metallization of optically transparent elements for sealing vacuum metal structures by soldering only using vacuum deposition, without the use of galvanic deposition methods.

Решение задачи обеспечивается тем, что заявляемый способ формирования краевой металлизации оптически-прозрачных элементов для герметизации пайкой вакуумных металлических конструкций включает механическую обработку поверхностей оптических элементов, жидкостную отмывку в органических растворителях, формирование антиотражающего покрытия, ионную очистку, магнетронное напыление тонкого адгезионного слоя к оптическому элементу и толстого смачиваемого припоем слоя. В предполагаемой области герметичного соединения пассивация поверхности толстого смачиваемого припоем слоя осуществляется вакуумным напылением слоя золота, а суммарная толщина металлизации превышает величину шероховатости вертикальной поверхности, и при этом ионная очистка и напыление краевой металлизации оптически-прозрачных элементов для герметизации пайкой вакуумных металлических конструкций выполняются в едином вакуумном процессе без разгерметизации вакуумной камеры.The solution to the problem is ensured by the fact that the inventive method of forming edge metallization of optically transparent elements for sealing vacuum metal structures by soldering includes mechanical processing of the surfaces of optical elements, liquid washing in organic solvents, formation of an anti-reflection coating, ion cleaning, magnetron sputtering of a thin adhesive layer to the optical element and thick solder-wet layer. In the intended area of the hermetic connection, passivation of the surface of a thick layer wetted by solder is carried out by vacuum deposition of a layer of gold, and the total thickness of the metallization exceeds the roughness value of the vertical surface, and at the same time, ion cleaning and deposition of the edge metallization of optically transparent elements for sealing by soldering vacuum metal structures are performed in a single vacuum process without depressurization of the vacuum chamber.

Технический результат достигается тем, что маскирующие элементы, являющиеся частью прецизионной оснастки, касаются поверхности АОП с двух сторон оптически-прозрачных элементов, оставляя открытыми области нижней, верхней и боковой поверхности при формировании краевой металлизации, которую выполняют в вакуумной установке с планетарным вращением загрузочного устройства с оптически-прозрачными элементами магнетронным напылением с предварительной ионной очисткой без разгерметизации вакуумной камеры. Ионная очистка, выполняемая непосредственно перед напылением без разгерметизации вакуумной камеры, позволяет удалить сорбированные поверхностью монослои атмосферных газов и воды, появляющиеся при межоперационном хранении, а также тончайшие естественные окислы, что обеспечивает достижение наилучшей адгезии металлических слоев к оптически-прозрачным элементам. Магнетронное распыление в сочетании с планетарным вращением обеспечивают однородное нанесение металлических слоев на поверхность всех граней выступов и впадин шероховатой, в первую очередь боковой поверхности оптически-прозрачных элементов, а суммарная толщина металлизации, превышающая величину шероховатости вертикальной боковой поверхности оптически-прозрачного элемента, обеспечивает воспроизводимые результаты пайки по обеспечению герметичности шва.The technical result is achieved by the fact that the masking elements, which are part of the precision equipment, touch the surface of the AOP on both sides of the optically transparent elements, leaving open areas of the lower, upper and side surfaces during the formation of edge metallization, which is performed in a vacuum installation with planetary rotation of the loading device with optically transparent elements by magnetron sputtering with preliminary ion cleaning without depressurization of the vacuum chamber. Ionic cleaning, performed immediately before deposition without depressurizing the vacuum chamber, makes it possible to remove monolayers of atmospheric gases and water sorbed by the surface that appear during interoperational storage, as well as the finest natural oxides, which ensures the best adhesion of metal layers to optically transparent elements. Magnetron sputtering in combination with planetary rotation ensures uniform application of metal layers on the surface of all faces of the protrusions and depressions of the rough, primarily lateral surface of optically transparent elements, and the total thickness of metallization, exceeding the roughness value of the vertical lateral surface of an optically transparent element, provides reproducible results soldering to ensure the tightness of the seam.

Пример реализации способаExample of method implementation

1. Четыре германиевых диска диаметром 25.4 мм и толщиной 2.5 мм с напыленными с двух сторон АОП после отмывки в органических растворителях загружают в оснастку, в которой области формирования краевой металлизации открыты, а области АОП защищены маской при вакуумном напылении металлов.1. Four germanium disks with a diameter of 25.4 mm and a thickness of 2.5 mm with AOP deposited on both sides after washing in organic solvents are loaded into equipment in which the areas of formation of edge metallization are open, and the AOP areas are protected by a mask during vacuum deposition of metals.

2. Оснастку с дисками загружают в вакуумную камеру с планетарным механизмом вращения станции загрузки относительно инструментов, обеспечивающих последовательно процессы ионной очистки и напыления трех металлов. Камеру откачивают до остаточного давления не менее 10^-5 Па.2. The equipment with disks is loaded into a vacuum chamber with a planetary mechanism for rotating the loading station relative to the tools, which consistently ensure the processes of ion cleaning and deposition of three metals. The chamber is evacuated to a residual pressure of at least 10 ^-5 Pa.

3. Вращая планетарное устройство, выполняют ионную очистку открытых участков поверхности дисков от сорбированных газов и воды, а также собственного окисла, образующегося при межоперационном хранении.3. By rotating the planetary device, they perform ion cleaning of the open areas of the disk surface from sorbed gases and water, as well as their own oxide formed during interoperational storage.

4. Продолжая планетарное вращение последовательно магнетронным напылением формируют тонкий адгезионный, толстый буферный и пассивирующий слои.4. Continuing the planetary rotation, sequentially magnetron sputtering forms a thin adhesive, thick buffer and passivation layers.

5. Используя дополнительное устройство, поворачивают загрузочную оснастку с дисками на 180° по отношению к оси ионного источника и повторяют действия, описанные в пункте 3 и 4.5. Using an additional device, rotate the loading equipment with disks 180° relative to the axis of the ion source and repeat the steps described in paragraphs 3 and 4.

По уточнению способа применительно к частным случаям реализации, в части подпунктов 1.1=1.5 формулы, отметим:To clarify the method in relation to special cases of implementation, in terms of subparagraphs 1.1=1.5 of the formula, we note:

1. Тонкий адгезионный слой формируют из хрома или молибдена толщиной 30÷50 нм. Выбор этих металлов обусловлен их высокими адгезионными свойствами. В то же время с увеличением толщины слоев этих металлов значительно возрастают напряжения в пленочном покрытии, которые уменьшают силу сцепления с поверхностью.1. A thin adhesion layer is formed from chromium or molybdenum with a thickness of 30÷50 nm. The choice of these metals is due to their high adhesive properties. At the same time, as the thickness of the layers of these metals increases, the stresses in the film coating increase significantly, which reduce the adhesion force to the surface.

2. Толщина буферного слоя находится в прямой зависимости от шероховатости боковой поверхности оптически-прозрачных элементов, может быть обеспечена напылением как меди, так и никеля. Но в пленке никеля толщиной более 1.5 мкм значительно растут напряжения. Уменьшить напряжения можно, формируя двухслойное покрытие из меди и никеля, в котором толщина никеля не превышает 1 мкм, а суммарная толщина перекрывает значение шероховатости. Использование меди позволяет сократить время формирования краевой металлизации, потому что скорость распыления меди значительно превышает скорость распыления никеля, прежде всего из его магнитных свойств. По этой же причине можно уменьшить временные и энергетические затраты при магнетронном распылении нихрома вместо никеля.2. The thickness of the buffer layer is directly dependent on the roughness of the lateral surface of the optically transparent elements; it can be achieved by sputtering both copper and nickel. But in a nickel film with a thickness of more than 1.5 microns, stress increases significantly. Stress can be reduced by forming a two-layer coating of copper and nickel, in which the nickel thickness does not exceed 1 micron, and the total thickness covers the roughness value. The use of copper makes it possible to reduce the time of formation of edge metallization, because the sputtering speed of copper significantly exceeds the sputtering speed of nickel, primarily due to its magnetic properties. For the same reason, it is possible to reduce the time and energy costs of magnetron sputtering of nichrome instead of nickel.

3. Пассивация поверхности толстого буферного слоя из никеля или нихрома, предназначенного для пайки и смачиваемого припоем, осуществляется вакуумным напылением слоя золота толщиной 100÷200 нм, толщина которого обеспечивает надежную защиту никеля или нихрома от окисления при межоперационном хранении оптически-прозрачных элементов с краевой металлизацией.3. Passivation of the surface of a thick buffer layer of nickel or nichrome, intended for soldering and wetted by solder, is carried out by vacuum deposition of a layer of gold 100÷200 nm thick, the thickness of which provides reliable protection of nickel or nichrome from oxidation during interoperational storage of optically transparent elements with edge metallization .

Claims

1. A method for forming edge metallization of optically transparent elements for soldering in the manufacture of vacuum metal structures, including mechanical processing of the surfaces of the optical element, liquid washing in organic solvents and the formation of an anti-reflection coating on both sides of the element, after which an edge layer is formed on the optically transparent element in the soldering zone metallization by ion cleaning and vacuum magnetron sputtering of the adhesive layer and a buffer layer wetted by solder, on the surface of which a passivating layer is applied by vacuum sputtering of a layer of gold, and the total thickness of the metallization layer exceeds the roughness of the lateral surface of the optically transparent element, and ion cleaning and magnetron sputtering of the layers performed in a single vacuum process without depressurization of the vacuum chamber.

2. The method according to claim 1, characterized in that the adhesion layer is formed from chromium or molybdenum with a thickness of 30-50 nm.

3. The method according to claim 1, characterized in that the buffer layer is formed from copper and nickel.

4. The method according to claim 1, characterized in that the buffer layer is formed from nickel.

5. The method according to claim 1, characterized in that the buffer layer is formed from nichrome.

6. The method according to claim 1, characterized in that the thickness of the gold layer is 100-200 nm.