TW200904575A - Process for joining materials using a metallic heat source within a controlled atmosphere - Google Patents

Description

200904575 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種接合材料之方法，且更特定言之，係 關於-種利用-控制之環境中之一奈米級金屬層才:合材料 之方法。 【先前技術】 此項技術已研製詩使用-奈米結構化之箱來將精確量 之熱快速傳遞至待接合之零件之焊接（及硬焊）之方法。太 米羯（賺。㈣由奈米㈣層與Ni層組成，該等奈米級仰 與Ni層在起始高發熱混合反應時會組合以形成合金。藉由 ^擇適當猪厚度，可精確控制傳遞至待接合之零件之熱的 量。此允許釋放充分的熱以使谭料或硬焊材料完全溶融而 不將過量熱傳遞至已接合之零件。由於釋放之熱如此少， 其在，燃之後快速耗散，故離界面僅幾毫米處之溫度也不 會顯著上升至高於周圍環境。參見均頒予Barbee、Jr·等人 之美國專利第5,538’795號及第5,547,715號。 此技術之-目標應用為電子封裝（將RF連㈣ 件焊接至印刷電路板（pcB)及將散熱 片知接至IC封裝），其中以太半％接 ，、甲以-永泊替代用於回焊之爐。焊 7組件永遠不抵達爐溫’因此可預期顯著更少之熱損 在精碎零件接合中，奈求箱取代炫接或硬桿矩作為熱 、預期使用奈米落方法可能發生精確零件之較小變來。 奈米箱方法當前僅可用於清潔且實際上無氧之表面:此 123142.doc 200904575 要求或使用非氧化性金屬（諸如，金）_，抑或 刻之直刖以化學及/或機械方式清潔以暴露金屬表面。液 體及膏狀溶劑顯然對奈米羯方法無效。由於焊料僅能保持 熔融歷極短時間，因此殘餘溶劑及炫劑反應產物並無充分 的時間來自界面流走且因此不能使待接合之各表 接觸。 品要一種當待接合之材料遇到輕質表面氧 化物層時能使用基於奈米箔之黏接的方法。 【發明内容】 本發明係針對-種接合材料之方法，其包含：提供一總 成’該總成包含至少一材料層、至少—金屬熱源，及至； -焊料層，每—焊料層安置於每—金屬熱源與每—材料層 之間；將該總成置放於-控制之環境申；及在該金屬孰源 中起始-化學反應以便使得該燁料能夠接合該材料層。 在另-實施例中，本發明係針對一種接合材料之方法， 該方法包含：提供-總成，該總成包含複數個材料層、至 少一金屬熱源，及複數個焊料層，每—焊料層安置於每一 金屬熱源與每-材料層之間；將該總成置放於—控制之環 境中；及在該至少-金屬熱源_起始—化學反應以便使= 該焊料能夠接合該材料層。 種利用一控制之環境 ’該方法包含：提供 在β玄荨電子設備之 每一焊料層安置於該 在又一實施例中’本發明係針對一 t之一發熱熱源接合金屬設備之方法 一總成，該總成包含複數個電子設備 間的一發熱熱源’及複數個焊料層， 123142.doc 200904575 發熱熱源與該等電子設備中之每一 安罟於如止丨 之間，將該金屬總成 女置於-控制之環境中；及在該至少—金屬執源成 化予反應以便使得該焊料能夠接合該金屬声’:、 。- :料層係選自金屬、半導體’或陶究材料。在另—實 該材料層係選自金屬 '半導體或陶咖之任: 實：ΓΓ之—實施例中，該總成包含兩個材料層。在- “列中’该材料層包含兩個金屬層 # M 4iL a ^ Α 仕貫她例中，該 材料一電子設備及金屬。在另-實施例中，該等 材枓層包含一電子設備及一散熱片。 、在本發明中’焊料層包含錫、錯、銀、銅、錄、鋅、 =、、且°中之任-者。焊料層可為具有-或若干層 之 >自、線圈或膏狀之形式。 包含-提供一發熱反應之多層結構。該多層結構為 、自由以下各物組成之群組的兩原子奈米結構：卿、 VB2、丁IB2、蒙乃爾合金/A1 4〇〇、NiA卜咖、心、

SnV、ZrAlATiA1。在—實施例中，奈米結構為则。 【實施方式】 本發明係關於-種許可材料層（包括但不限於基於夺米 羯）黏接以在待接合之材料具有輕質表面氧化物層時使用 的方=。此藉由使該方法發生於—控制之環境中來完成。 在—實施例中’該控制之環境為還原環境。 入預期以下處理步驟中之至少一者。首先，一組裝步驟包 含待接合之兩材料零件20、40中之一者，第一材料零件通 123142.doc 200904575 常為電子設備。通常，t子設備為生熱性。熟 者已知電子設備之組成及_。在—實施财，兩材= =、4G中之至少—者為金屬。在另-實施例巾，兩材料 零件2〇、40中之至少-者為半導體。在又-實施例中，兩 材料零件20、40中之至少-者為陶兗材料。 “ &後將·"焊接材料層25(或35)相鄰於電子設備置放。該 烊接材料可包含錫、錯、銀、鋼、錄、鋅、秘、銦或其: 何組合。焊接材料可採取落之形式。在其他實施例中:、焊 接材料可為膏狀形式。 繼焊接材料層之後的為—可釋放能量之未反應之多層結 構3〇(亦# ’處於兩個交替分離層咖之形式)。在未反應 Μ及Β中之元素組份之間的化學反應決定可用能量。能 量釋放之速率與此等原子藉由熱活化方法或藉由結構增強 混合起反應之速率直接成比例。由於此等反應為熱活化 的，因此樣本溫度愈高，反應之速率愈高。此外，本發明 =重要參數在於在一界面附近緊密接觸之原子的數目決 定界面原子之速率，數目越高則熱釋放之速率愈高。因 此’反應傳遞之功率係與每單位體積之界面面積成比例。 各種能階之多層結構30係可用的。生成熱為約ι〇〇至2〇〇 千焦耳/莫耳。通常自約7〇至12〇千焦耳/莫耳之較高能量多 層結構包括（但不限於）：歸、VB2，及TiB”通常自約^ 至7〇千焦耳/莫耳之中間範圍多層結構包括（但不限於）：蒙 乃爾合金/AI 4〇〇'州入1、洲八】、丁丨811及81^。通常自約2〇 至45千焦耳/莫耳之較低範圍多層結構包括（但不限於）： 123142.doc 200904575

ZrAl及 TiAl。 本發明之多層結構具有廣泛應用，包括用作點火劑、用 於接合應用中、用於新材料之製造中、用作智能材料及醫 學設備及療法。在點火劑之應用中，多層結構可為反鹿引 發劑、廣域加熱設備或定時爆炸引發劑。接合應用包括在 現場修復中之金屬、半導體（低溫）、陶瓷、蜂窩體之複合 物且作為使用相同材料對點熔接或電弧熔接或接合的低能 量替代。 合適多層點火劑包括蒙乃爾合金/A1 4〇〇、川八卜ΖηΑι、 NiSi MoSi、PdSi、PdAl及RhAl。舉例而言（但並非意欲 限制本發明），可使A1/蒙乃爾合金4〇〇點火劑具有約兄千卡 /莫耳之生成熱。然而，其敏感性可能在小週期時過高。 另種點火劑為ZrAh或ZrAh，每一者具有約45千卡/莫耳 之生成熱。此等材料之一優勢在於：其具有較低生成熱、 對車乂小週期較不敏感及需要較少能量來點燃。點火劑TiAl 具有33千卡/莫耳至35千卡/莫耳之生成熱

其他詳情。 。在美國專利第 可見關於可點燃多層結構之 舉例而δ (且並非意欲為限制

料層。 -思欲為限制性的），金屬層3 〇可為包含 之一實施例中，可將金屬層 ，例中，此層30為一奈米級材

綷接材枓可為箔形式。 123142.doc 的為第二焊接材料層35(或25)。如上文 在其他實施例中，焊接材 •10· 200904575 料可為膏狀形式。繼第二 -仝屬戶，p —卜接材枓層之後的為待接合之第 —屬層“二金屬零件通常為一 散熱片可包含銅n々一 n该電路 *，㈣含:氧:r，或其任何組合。在其他實施例 第二處理步驟包含將總成置放於一位置45上，在該位置 :二的r:r經控制以具有促進將氧化物層還原成其金屬 合物：該位置可為—環境控制之腔室。或者，該 '在％境控制之腔室外部或不在環境控制之腔室 内部的地點’―氣流被引導至該位置以有效地保護該位置 不受周圍環境影響。 大氣條件下達延長的週 而且，在氧氣存在（亦 通常，在金屬20(或30)已儲存在 期的情況下，可存在氧化物層。 即」大氣條件）下於金屬熱源3〇中產生熱的情況下，可存 在氧化物層。咸k，所得氧化物層可導致金屬2 0與3 0之間 諸如抑制黏著之有害效應。然而，藉由在還原環境中操作 此方法，咸信將發生以下化學反應： a· H2+MO+熱—η20 + Μ，其中MO為金屬氧化物且μ為金 屬。以上反應類似地形成於半導體及陶瓷材料中。 還原環境可包含氫氣、氫氣與氮氣之混合物，或氫氣與 諸如氬氣之惰性氣體之混合物。對於此等還原環境中之任 者’存在之氧氣的量應< 1 〇〇 ppm。在其他實施例中，存 在之氧氣的量應<1〇 ppm。在其他實施例中，存在之孰氣 的量應<1 ppm。 環境中之水之濃度較佳應<50 ppm。 123142.doc 200904575 如本文中所使用’將氣體混合物用於還原環境，氫氣濃 度應>3 0%。 如本文中所使用’根據莫耳或體積濃度表達之Η瓜〇比 應1〇在其他實施例中，根據莫耳或體積濃度表達之 Η2/Η20比應;> 1 〇〇。 壓力可為大軋壓。在其他實施例中’壓力可小於大氣 壓，諸如小於約1 ηπ ' 托。在其他實施例中’壓力可為小於 或等於約絕對10托。 文中所，述，本發明係關於接合材料，包括（但不 二:υ兩金屬；2)金屬與半導體；及3)金屬與陶㈣ 料。在待接合$ , 〆 之至 >、一者為陶瓷材料時之狀況 下’應注意，點火劑與陶变材料之間的黏接之性質將不需 要移除形成於點火劑與陶咖之間的金屬氧化物。 第处里γ驟包含使總成經受導致層緊密接觸的力。 最終處理步驟包含在太半吱思hi 泊層内起始混合反應（較佳使 用雷射或电弧作為點燃源 引起混合熱釋放，此導致焊：:：可精由其他方式)以 #致斤料溶融且零件之表面的溫度上 升至發生表面氧化物之還原的溫度。 層=:::法亦可在-合適，料層替代焊料 本U提供允許接合具有輕質表面氧化物層之零件的優 的需要〉。除了對於表面氧化物之預接合移除或表面之鐘金 應理解，本文中划:W ·+. Λ — 熟習 斤描述之貫施例僅為例示性的，且 123I42.doc 200904575 此項技術者可在不脫離本發明《精神及範嘴的冑況下作出 變化及修改。所有此等變化及修改意欲包括在上文所扩述 之本發明之範嘴内。此外’所揭示之所有實施例在替二 中並非為必要的’此係因為可組合本發明之各實施例以提 供所要結果。 【圖式簡單說明】 雖然本說明書以清楚指明申 由&奎…* 月甲D月人5忍作其發明之標的物的 申明專利範圍結束’但咸作各 田、，口 5所附圖式時將争 解本發明，圖式中之圖為““ 于肟更好地理 产" 如在本發明中所體現之-控制之 衣ί兄中之總成的透視圖。 【主要元件符號說明】 20 25 30 35 40 45 50 零件 焊接材料層 多層結構 焊接材料層 零件 位置 環境 123142.doc

Claims (1)

1. 200904575 十、申請專利範圍： 1 · 種接合材料之方法，其包含： 提供一總成，該總成包含： 至少一材料層； 至少一金屬熱源，及 每一焊料層安置 至少一焊料層 每一材料層之間 於每一金屬熱源與

   將該材料總成置放於—控制之環境中；及 在該金屬熱源中起始一化舉巧雍 干反應以便使得該焊料能夠 接合遠材料層。 2 _如請求項1之方法 3 _如請求項2之方法 金屬。 八中°亥材料總成包含兩個金屬層。 其中5亥等材料層包含一電子設備及 4.如請求項2之方法，其中該等材料層包含一電子設備及 一散熱片。 5·如請求们之方法，其中該材料層為選自由金屬、半導 體及陶瓷組成之群組的材料。 6.如》月求項1之方法，其中該焊料層包含錫、錯、銀、 銅銻、鋅、叙、銦或其組合中之任一者。 :求項1之方法’其中該金屬總成包含兩個焊料層。 8·如6月求項1之方法，其中該金屬熱源包含一提供一發熱 反應之多層結構。 9.如π求項8之方法，其中該多層結構為一選自由以下各 物、且成之群組的兩原子奈米結構：Nisi、Vi、m、蒙 123142.doc 200904575 TiSn、SnV、ZrAl 及 乃爾合金 /A1 400、NiAl、pdA1、 TiAl。 10·如請求項9之方法’其中該多層結構為NiAi。 11」：求項1之方法’其中该控制之環境為一還原環境。 12.如：求項"之方法’其中該還原環境包含氫氣、氫氣與 氮氣之混合物，或氫氣與~惰性氣體之混合物。 1 3. —種接合材料之方法，其包含： f L 提供—總成，該總成包含： 複數個材料層； 至少一金屬熱源；及 /复數個焊料層’每―焊料層安置於每-金屬熱源與 母一材料層之間； 將忒材料總成置放於一控制之環境中丨及 "至夕—金屬熱源巾起始—化學反應以便使得該焊 料能夠接合該材料層。 1 4.如請求項 Ί , , ^ , 方法，^中該材料總成包含兩個金屬層。 15.如睛求項14之 豆 金屬。 〃中"亥專材料層包含一電子設備及 1 6 _如請求jg ! 4 + 一散熱片 法，其中該等材料層包含一電子設備及 17_如請求項13之 體方去’其中該材料層為選自由金屬、半導 文、、且成之群組的材料。 1 8 ·如請求項丨3 鋩、费^ 法，其中該等焊料層之每一者包含錫、 。、、鋼或其組合中之任—者。 123I42.doc 200904575 19. 20. 21. 22 23 24. 25. 士明求項1 3之方法’其中該總成包含兩個焊料層。 如喝求項13之方法’其中該金屬熱源包含一提供一發熱 反應之多層結構。 .如°月求項2G之方法，其中該多層結構為選自由以下各 物組成之群組的兩原子奈米結構：職、VI、m、蒙 乃爾合金 /A1 400、NiA1、pdA卜 TiSn、Snv、ZrAi& TiAl。 如請求項21之方法，其中該多層結構為副。 ‘如請求項1 3之方法，复中兮批 八T 4控制之環境為一還原環境。 如請求項1 3之方法，1中缔 遇原每境包含氫氣、氫氣與 氮氣之混合物，或氫氣與—惰性氣體之混合物。 一種利用一控制之環境中 — 兄Τ之發熱熱源接合金屬設備之 方法’該方法包含： 提供一金屬總成，該金屬總成包含： 複數個電子設備； :發熱熱源，其在該等電子設備之間；及 複數個焊料層’每一煙粗应 外唆 層安置於該發熱熱源與 該專電子設備中之每—者之間； 將該金屬總成置放於_控 ...ε &境中；及 在〜至>一金屬熱源中起始〜 料能夠接合該金屬f 、反應讀使得該谭 I23I42.doc