專利名稱：可獨立反應(yīng)的多層薄片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于可反應(yīng)的多層薄片，特別是獨立式多層薄片，用于局部熱源。
背景技術(shù)：
可反應(yīng)的多層覆蓋材料廣泛用于多種要求在平面區(qū)域發(fā)出高的，數(shù)量受控的熱量的應(yīng)用中。該結(jié)構(gòu)常規(guī)地包括一系列由基板支撐的覆蓋材料，它們在適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)下進行發(fā)熱的化學(xué)反應(yīng)，并在由發(fā)出精確受控數(shù)量的熱量的層覆蓋的區(qū)域蔓延。當(dāng)我們將這些可反應(yīng)的覆蓋材料基本描述為用于定位焊接，低溫焊接或銅焊時的熱源時，它們也可用于其它要求受控的局部發(fā)熱的應(yīng)用中，如推進和點火。
在許多結(jié)合或連接材料的方法中，需要一個熱源。該熱源對于要連接的結(jié)構(gòu)而言可以是外部的，也可以是內(nèi)部的。當(dāng)其為外部的時，熱量可由諸如爐子的裝置發(fā)出。使用該熱源的方法要求整個系統(tǒng)，包括松散的材料和結(jié)合材料，一起加熱到足以熔化結(jié)合材料的溫度。該方法存在問題，因為要連接的松散材料經(jīng)常易損或?qū)Ψ椒ㄋ璧母邷睾苊舾小＿@些高溫會損壞要連接的材料。
為緩解與外部熱源相關(guān)的問題，內(nèi)部熱源得到使用。這些熱源經(jīng)常以可反應(yīng)的粉末或甚至電線的形式出現(xiàn)。當(dāng)使用可反應(yīng)的粉末時，使用了將在自擴散反應(yīng)中發(fā)生發(fā)熱反應(yīng)，以形成最終化合物或合金的金屬或化合物的混和物。該方法自1960年代初研制出自擴散粉末、演生出自散物，高溫合成物(SHS)起就已出現(xiàn)。然而，SHS反應(yīng)經(jīng)常需要在自散前進行預(yù)熱，而且經(jīng)常很難控制其能量釋放程度和方法。所以，結(jié)合可能是不協(xié)調(diào)且不充分的。
為解決與可反應(yīng)的粉末結(jié)合相關(guān)的問題，研制出了由可以進行類似發(fā)熱反應(yīng)的材料組成的多層結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以進行更受控制和協(xié)調(diào)的發(fā)熱反應(yīng)。該SHS反應(yīng)背后的基本動力是原子鍵能的減少。當(dāng)點燃具有一系列可反應(yīng)的材料層(已知為薄片)的結(jié)構(gòu)時，不同層自動結(jié)合就產(chǎn)生了熱量。該熱量點燃薄片的鄰近區(qū)域，從而使反應(yīng)沿結(jié)構(gòu)的整個長度進行，產(chǎn)生熱量，直到所有材料起反應(yīng)。盡管在結(jié)合技術(shù)中有了該進步，但仍存在問題。例如，許多材料造成很大困難并在之前不能得以成功結(jié)合。此外，將可反應(yīng)的薄片用作熱源的方法經(jīng)常導(dǎo)致薄片在反應(yīng)中脫開基板，因而弱化了結(jié)合。因此，需要有改進的可反應(yīng)的多層薄片。
發(fā)明概要提供可反應(yīng)的薄片及它們的用途，用于例如點火、連接和推進時的局部熱源。一種改進的可反應(yīng)的薄片最好具有獨立式多層薄片結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由從能以發(fā)熱及自擴散反應(yīng)方式相互反應(yīng)的材料中選出的交替的層構(gòu)成。在反應(yīng)時，這些薄片提供高的局部熱量，這些熱量可用于例如連接各層，或直接將松散材料連在一起。這種薄片熱源可在各種實際環(huán)境(例如，空氣，真空，水等)的室溫下產(chǎn)生迅速的連接。如果使用連接材料，該薄片反應(yīng)將提供足夠的熱量來熔化連接材料。如果不使用連接材料，該薄片反應(yīng)將熱量直接提供到至少兩種松散材料上，熔化每種的一部分，在冷卻時形成牢固的連接。此外，薄片還可設(shè)計成具有開口，該開口允許使連接(或松散)材料穿出薄片以增加連接牢度。
附圖概述本發(fā)明的許多優(yōu)點、特征和應(yīng)用都可在以下參考附圖的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細說明中清楚看出。在圖中

圖1描述反應(yīng)中的一個示范性多層可反應(yīng)的薄片；圖2展示示范性連接應(yīng)用的獨立元件；圖3描述連接應(yīng)用的啟動；圖4展示示范性帶孔的可反應(yīng)的薄片；圖5描述連接材料流經(jīng)薄片中的孔；圖6描述通過冷滾壓形成可反應(yīng)的薄片；圖7是由微層薄片和毫微層薄片組構(gòu)成的合成可反應(yīng)的薄片；圖8展示將可反應(yīng)的薄片用于把半導(dǎo)體或微電子裝置連接到基板上；圖9A和9B描述了一種成型的可反應(yīng)的薄片，其中一些區(qū)域發(fā)生反應(yīng)，形成導(dǎo)電區(qū)，而其它則形成不導(dǎo)電區(qū)；應(yīng)了解這些圖系用于描述本發(fā)明的概念，而不是加以限制。
優(yōu)選實施例的詳細說明現(xiàn)在說明本發(fā)明優(yōu)選實施例與應(yīng)用。也可出現(xiàn)其它實施例，且出現(xiàn)組成與結(jié)構(gòu)上的變化，這并不與本發(fā)明的精神或領(lǐng)域相悖。盡管在此透露的實施例已特別地說明為使用一種獨立的，自擴散的可反應(yīng)的薄片結(jié)構(gòu)進行連接或粘合松散材料，但很明顯本發(fā)明也可實施用在其它需要高強度局部加熱源的用途或使用中。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，提供一種多層可反應(yīng)的薄片結(jié)構(gòu)(在此通常指“薄片”)在多種應(yīng)用上，諸如用于將兩個或更多(同一或不同)材料連在一起時，作為局部熱源。如圖1所示，可反應(yīng)的多層薄片14由材料A與B的交替層16與18組成。這些交替層16與18可以是任何在包括硅化物(如Rh/Si，Ni/S和Zr/Si等)、鋁化合物(如Ni/Al，Ti/Al，Monel/Al和Zr/Al等)、硼化物(如Ti/B)、碳化物(如Ti/C)、鋁熱劑反應(yīng)化合物(如Al/Fe2O3或Al/Cu2O)，合金、含金屬的玻璃和合成材料(如金屬陶瓷)等激發(fā)物的作用下易于混合鄰近原子(或具有化學(xué)鍵變化)的材料。
用于制造可反應(yīng)的薄片的材料(A/B)最好在化學(xué)性質(zhì)上有所不同。在一個優(yōu)選實施例中，層16，18在過渡金屬(如鈦，鎳等)和輕元素(如硼，鋁等)之間替換。優(yōu)選地，以該對元素(A/B)在其發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定化合物并形成大量負熱和高的絕熱反應(yīng)溫度為基礎(chǔ)將其選出，如T.P Weihs在1997年薄片加工技術(shù)手冊中的“多層材料的自擴散反應(yīng)”一文中所述，在此就其完整性進行了參考。在一個優(yōu)選實施例中，可反應(yīng)的薄片的至少一層為(或含有)鋁。
當(dāng)多層薄片14暴露在激發(fā)物(如電火花、能源脈沖等)中時，例如在一端，材料A和B的鄰近原子相混合，如區(qū)域30中所示。該混合產(chǎn)生的化學(xué)鍵的變化導(dǎo)致原子鍵能量減少，從而在發(fā)熱化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生熱?；瘜W(xué)鍵中的該變化發(fā)生在具有A-A結(jié)合的層(如層16)和具有B-B結(jié)合的層(如層18)交換為A-B結(jié)合時，因此減少了儲存在每個層中的化學(xué)能量，并發(fā)熱。如圖1中進一步描述的那樣，所發(fā)出的熱通過薄片14(沿從反應(yīng)部分30經(jīng)過反應(yīng)區(qū)32至未反應(yīng)部分34的方向)擴散，并啟動未反應(yīng)層的附加混合。其結(jié)果是，通過薄片14產(chǎn)生自持/自擴散反應(yīng)(SHS反應(yīng))。隨著足夠大量且迅速地發(fā)熱，反應(yīng)以大于1米/秒的速度擴散到整個薄片14。由于反應(yīng)不需要來自周圍環(huán)境的附加的原子(例如，燃燒時的氧氣)，該反應(yīng)使薄片14成為能夠噴出熱量、迅速點燃，達到1400K以上的溫度，局部加熱量達到109K/秒的自持能源。該能源在要求迅速且局部地產(chǎn)生熱量的應(yīng)用中(如，連接，點火等)特別有用。
當(dāng)反應(yīng)如圖1所示在多層薄片14上擴散開時，反應(yīng)的最高溫度通常位于反應(yīng)區(qū)32的后邊緣?？梢哉J為這是反應(yīng)的最終溫度，它可由反應(yīng)熱量(ΔHrx)，由環(huán)境或周圍材料損失的熱量(ΔHenv)，樣品的平均熱容量(Cp)以及樣品質(zhì)量M來決定。另一個決定最終溫度的因素是反應(yīng)的溫度是否超過最終產(chǎn)品的熔點。如果超過熔點，一些熱量就會被產(chǎn)品從固態(tài)到液態(tài)的狀態(tài)改變時吸收。反應(yīng)的最終溫度可以使用以下公式?jīng)Q定(其中To為起始溫度，ΔHm為熔化熱函，Tm為產(chǎn)品的熔化溫度，且沒有與周圍環(huán)境或材料發(fā)生反應(yīng))，并取決于最終產(chǎn)品是否發(fā)生熔化Tf＝To-(ΔHrx+ΔHenv)/(CpM)如果最終產(chǎn)品沒有發(fā)生熔化；Tf＝Tm如果固態(tài)和液態(tài)的最終產(chǎn)品有兩相區(qū)；以及Tf＝To-(ΔHrx+ΔHenv+ΔHm)/(CpM)如果最終產(chǎn)品完全熔化。
與薄片反應(yīng)錯綜復(fù)雜地相關(guān)的是反應(yīng)沿薄片14長度擴散的速度。反應(yīng)擴散的速度取決于原子是否迅速垂直地向其它層擴散(圖1)以及熱量是否迅速沿薄片14的長度傳導(dǎo)。擴散速度是多層薄片的一個層厚度的重要功能。當(dāng)一個層16，18的厚度減小時，擴散距離變小，原子能更快地混合。因為熱量更快地發(fā)散，所以反應(yīng)在薄片結(jié)構(gòu)中傳遞更快。
依照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，可反應(yīng)的多層薄片14可通過物理蒸發(fā)沉積方法(PVD)制成。例如，可用一種磁控管濺射技術(shù)將材料A/B沉積于作為交替層16，18的基板(圖1中以虛線形式示出的層35)上?；?5可以以該技術(shù)中已知的方式在兩個濺射槍上方旋轉(zhuǎn)以將材料A/B層疊成交替層16，18。
基板35以虛線形式示出，用來表示它是一個可除去的層，它有助于將可反應(yīng)的薄片14制成獨立式薄片。基板35可以是任何具有能提供足夠粘接、且不會因過度粘接而妨礙薄片從基板移開特征的基板(如，硅，玻璃或其它墊層)?；蹇砂ㄒ粋€用于協(xié)調(diào)其粘接特征的可釋放材料或粘接材料的涂層。
最好使用附加的潤濕層(如錫)作為第一個薄片層(16或18)與基板35之間的界面層，以提供必要的粘接。當(dāng)不使用潤濕層時，選擇恰當(dāng)?shù)挠米鞒练e在基板上的第一個層的材料A/B將保證滿足必要的粘接要求。當(dāng)制作作為材料A/B的使用鋁/蒙乃爾銅-鎳合金的可反應(yīng)的薄片時，例如，沒有潤濕層的話，示例的可反應(yīng)的薄片將被沉積在諸如硅的基板上，并以鋁作為沉積在基板上的第一層。在該情況下，最好在第一層選用鋁，因為鋁在沉積中會與硅充分粘接，但會在薄片形成后允許基板剝離。
形成的薄片14可以有成百上千個相互堆疊的交替層16和18。單層16和18的厚度最好從1nm-1000nm。在一個優(yōu)選實施例中，薄片14的總厚度范圍可從10μm至1cm。
另一個制作方法是將材料以同時沉積的幾何形狀來沉積。通過使用這種方法，可將兩種材料來源直接放置到一個基板上，且濺射每種材料來源的原子通量，以沉積交替層16和18。另一種方法是全部消除濺射，并將基板在具有不同原子通量的兩種材料來源上方轉(zhuǎn)動。通過這種方法，每次經(jīng)過一個來源時都會優(yōu)選地產(chǎn)生一個單層。
最好使在沉積過程中可能發(fā)生的材料A/B的原子混合程度達到最低。特別是當(dāng)多層16和18為濺射沉積時這可以通過將多層沉積在冷卻的基板上完成。一定程度的混合程度在所難免，這將形成(與交替的未反應(yīng)層相比)相對較薄的待反應(yīng)材料20的區(qū)域。不過該待反應(yīng)區(qū)域20有助于防止薄片14進一步的和自發(fā)的反應(yīng)。
在另一實施例中，多層可反應(yīng)的薄片可使用諸如重復(fù)滾軋多層復(fù)合材料等機械技術(shù)制作。
如圖1中所示，優(yōu)選的薄片14為特別用于發(fā)熱源的獨立式多層可反應(yīng)的薄片。獨立式薄片比薄膜更易于顯示其特征，因為它們可當(dāng)成“松散的“樣品進行處理。將可反應(yīng)的薄片14制成獨立式大大延伸了其可能的使用范圍。因為這種可反應(yīng)的薄片不必作其它特別加工，所以它們可以大量生產(chǎn)，用于要求具有自擴散的局部熱源的各種用途。它們的產(chǎn)品不限于或不受制于將大型或精密元件放入真空腔使其覆蓋上可反應(yīng)的多層薄片。此外，獨立式薄片允許基板上的熱沉積在不需要的地方最小化。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的獨立式薄片可具有多種應(yīng)用。例如，獨立式薄片可以用于將材料體(在此指“松散材料)連接在一起，以形成統(tǒng)一的產(chǎn)品。獨立式薄片可用于任何數(shù)量的結(jié)合，低溫焊接，銅焊，定位低溫焊接或其它連接松散材料的應(yīng)用中。一種典型的連接應(yīng)用由圖3示出，其中兩種或多種松散材料10將被連接在一起。松散材料10可以是陶瓷，含金屬的玻璃，金屬/合金，聚合物，化合物，半導(dǎo)體以及其它形式的材料。
在圖3所示的特殊連接應(yīng)用中，連接材料12用于將松散材料10連接在一起。連接材料12可以是將被熔化以將松散材料10連接在一起的材料的任何層(或復(fù)合層)。連接材料12可以由含金屬的玻璃，金屬/合金，功能上分級的層，鎳-硼薄膜，焊料，銅焊料，自擴散性銅焊料，此類混合物或其它類似的連接材料組成的獨立式薄片形成。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，可反應(yīng)的薄片14裝在連接材料12之間，形成有點像三明治似的結(jié)構(gòu)。由此形成的可反應(yīng)的薄片“三明治”優(yōu)選地位于松散材料10之間的位置(如，端點，連接處，截面等)上，松散材料10在此被連接到一起。
另一種方法是，可反應(yīng)的薄片14裝在預(yù)先覆蓋有連接材料12的松散材料10之間。
另一個方法是，可反應(yīng)的薄片14裝在連接材料12之間，用于形成有點像三明治似的結(jié)構(gòu)。由此形成的可反應(yīng)的薄片“三明治”優(yōu)選地位于松散材料10之間的位置(如，端點，連接處，截面等)上，松散材料10在此被連接到一起。松散材料先覆蓋上連接材料。
該連接方法包括加上一個力(如圖3中由臺鉗11象征性地代表)，用以保持松散材料10，連接材料12和可反應(yīng)的薄片14的相對位置。最好所有組件都是壓在一起的獨立式元件。在另一個實施例中，連接材料12與可反應(yīng)的薄片14被壓成組合物。
一旦連接過程中的組件定位，就將激發(fā)物(示為點燃的火柴15)優(yōu)選地用到可反應(yīng)的薄片14的一端，以引發(fā)SHS反應(yīng)。可反應(yīng)的薄片14內(nèi)的原子結(jié)合產(chǎn)生快速且很高的熱量，足以在可反應(yīng)的薄片14的整個長度上熔化連接材料。在此狀態(tài)下，連接材料12足以將松散材料10連接到一起。此后不久，連接材料10回到環(huán)境溫度(如室溫)，且可被從所施加的力(由臺鉗11的圖代表)下移開。
由連接材料12和可反應(yīng)的薄片14組成的組合結(jié)構(gòu)可以通過可反應(yīng)的薄片14沉積(如，蒸汽沉積)到連接材料12的一個層上來形成。連接材料的另一個層于是通過蒸汽沉積或力的運用(如，冷軋)與薄片14結(jié)合。
最好加上潤濕/粘合層，以使可反應(yīng)的薄片14、松散材料10或兩者的表面潤濕。潤濕/粘合層使連接材料均勻鋪開，以保證松散材料的連貫連接。潤濕/粘合層可以是連接材料(如，銅焊料)，鈦，鋅，含金屬的玻璃等的薄層。也可使用諸如銀-鋅，銀-銅-鈦，銅-鈦，金-鋅和鎳-硼的商用合金。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例可采用增加總厚度的獨立式可反應(yīng)的薄片14。該可反應(yīng)的薄片的總厚度取決于用以形成薄片的要素層(如，16和18)的厚度與數(shù)量。小于10μm的薄片難于處理，因為它們會向自行卷曲。100μm的薄片很硬，從而易于處理。較厚的薄片也減少了在薄片中的自擴散反應(yīng)驟停的風(fēng)險。在使用可反應(yīng)的薄片的連接應(yīng)用中，有一個薄片發(fā)熱率與熱量傳導(dǎo)至周圍銅焊料層和要形成的連接處的比率之間的重要平衡的問題。如果熱量傳導(dǎo)比產(chǎn)生的快，反應(yīng)會驟停，不能形成連接處。較厚的薄片使反應(yīng)難于驟停，因為在損失熱量的同一表面區(qū)域產(chǎn)生的熱量更多。
較厚的薄片可與較低的反應(yīng)溫度一起應(yīng)用，一般會產(chǎn)生更穩(wěn)定的薄片。具有高合成反應(yīng)溫度的薄片一般不穩(wěn)定，且很脆，所以使用起來既危險又困難。脆質(zhì)的薄片，例如，易碎裂，造成局部熱點(通過釋放彈性應(yīng)變能和摩擦)，點燃薄片。切割這種脆質(zhì)薄片(如，用于特殊連接尺寸)很難進行，因為它們很可能在切割過程中碎裂成無用的小片或燃燒。獨立式厚薄片具有克服與在已知方法中造成障礙的熱沖擊與致密問題相關(guān)的問題的優(yōu)點。兩種現(xiàn)象均涉及薄片尺寸的快速變化。在反應(yīng)時，薄片快速變熱并試圖伸展出抑制它們的基板。這導(dǎo)致熱沖擊，且裝在基板上的薄片會脫落，從而造成不協(xié)調(diào)和效果不佳的結(jié)合。在反應(yīng)進行時，薄片也會因化學(xué)鍵變化而發(fā)生致密化。這種致密作用也能造成從基板脫落與不協(xié)調(diào)和效果不佳的結(jié)合。通過按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例將薄片制成獨立式，就不會發(fā)生脫落，薄片易于操作和處理，所以可反應(yīng)的薄片可適用在更多應(yīng)用中。
根據(jù)一個優(yōu)選實施例，較厚的可反應(yīng)的薄片厚度為50μm至1cm。盡管制造厚的獨立式可反應(yīng)的薄片時可使用許多不同系統(tǒng)，但應(yīng)謹慎選擇在選擇所使用的系統(tǒng)的制造條件時的獨特工序。例如，最好選擇諸如濺射氣體和基板溫度等沉積條件，以使系統(tǒng)中增加的應(yīng)力在薄片的薄膜上保持足夠低。由于薄膜中的應(yīng)力乘以其厚度形成用于分層的驅(qū)動力，所以應(yīng)力與厚度的積應(yīng)保持在1000N/m以下。在制造過程中，薄膜中的應(yīng)力經(jīng)常增加。當(dāng)薄膜變厚時，它們比較薄的薄膜更有可能使其從基板剝落或使其基板碎裂，從而破壞最終的薄片生產(chǎn)。通過認識薄膜中的應(yīng)力并選擇將應(yīng)力減至最小的條件，可以完成制造程序而不出現(xiàn)薄片過早脫落或基板碎裂。
在另一個實施例中，特意在薄片結(jié)構(gòu)中設(shè)計了可反應(yīng)的薄片中的開口。這些開口特別適用于協(xié)助和增強連接。
薄片最初可制成、例如、具有一個或更多開口或穿過薄片結(jié)構(gòu)的穿孔22，如圖4所示。開口最好形成規(guī)則圖案，如穿過薄片區(qū)的一個矩形陣列?？梢杂萌魏我阎姆椒▉碇圃扉_口。例如，可以使用在具有形成圖形的孔的可移動基板上濺射沉積薄片14。開口也可通過將薄片14沉積到基板上來形成，將光刻膠沉積到薄片上，光刻法的光刻膠具有圖形，然后通過成圖形的孔腐蝕底墊薄片。進一步的示范技術(shù)包括在薄片14上物理地打孔。開口最好具有在10-10,000微米范圍內(nèi)的有效直徑。(非圓形開口的有效直徑為相等面積的圓形開口的直徑。)如圖4所示，薄片14中的開口允許連接材料12或松散材料10在一些情況下、當(dāng)被加熱并被薄片14的發(fā)熱反應(yīng)熔化時從這些穿孔22中擠出(如箭頭26所示)。當(dāng)擠出時，連接材料12的一個層或松散材料10，可以與另一個層12或松散材料10，在獨立式薄片14的相對面上接觸或結(jié)合。帶圖形的穿孔22能夠加強松散材料10與可反應(yīng)的薄片14的結(jié)合且使其相互更加牢固和更致密地結(jié)合在一起。
圖5是展示兩個用銀焊料結(jié)合的銅體53、54的微觀圖，焊料穿過薄片52的開口，如51。
使用一個或多個本發(fā)明的實施例，許多不同應(yīng)用現(xiàn)在就得以更有效果、有效率地進行。例如，含金屬的玻璃松散材料現(xiàn)在可以連接，其最終產(chǎn)品是包括結(jié)合處和可反應(yīng)的薄片的具有金屬玻璃制成的單一結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在也可以連接過去造成結(jié)合困難的非常不同的化學(xué)成分，熱性質(zhì)和其它物理性質(zhì)的松散材料。半導(dǎo)體或微電子裝置可以與電路板或其它結(jié)構(gòu)結(jié)合，同時，可生產(chǎn)出與這些裝置錯綜相關(guān)的多個導(dǎo)線。半導(dǎo)體或微電子裝置也可得到嚴格密封。
本發(fā)明使這些連接在一般與低溫焊接、銅焊和定位低溫焊接等相關(guān)的潛在的受熱損壞上得到改進，使其得到避免或至少能減少。
此外，采用本發(fā)明的實施例，連接的松散材料可以是獨立式的。這意味著在松散材料真正連接前，單獨的松散基板上不需要直接沉積任何銅焊層。此外，松散基板不必要求與任何可反應(yīng)的薄片的預(yù)粘結(jié)或其它預(yù)處理。相關(guān)的松散材料可在粘結(jié)時簡單地固定在一個獨立式銅焊層或獨立式可反應(yīng)的薄片上，以產(chǎn)生牢固且持久的連接。
本發(fā)明的實施例允許結(jié)合至少一種是含金屬的玻璃的松散材料。在連接過程中不需要將銅焊料與松散材料連接。這是因為可以將可反應(yīng)的薄片設(shè)計為在反應(yīng)中直接與含金屬的玻璃結(jié)合。為完成這種連接過程，可反應(yīng)的薄片能自已反應(yīng)以形成含金屬的玻璃。
本發(fā)明的實施例在松散材料包括微芯片或半導(dǎo)體裝置時進一步能夠進行出色的結(jié)合。在將半導(dǎo)體裝置結(jié)合到諸如電路板的基板上時，對裝置造成潛在的損壞是一個必須考慮到的因素。通過使用獨立式可反應(yīng)的薄片來將該半導(dǎo)體裝置連接到基板上，不會產(chǎn)生能損壞裝置或相鄰元件的熱量。半導(dǎo)體裝置可以更大自由度和容易地裝在基板上。如下所述，可以使用特別的薄片成分，諸如鎳/鋁或蒙乃爾銅-鎳合金/鋁。這種成分的薄片不僅較之前的更易于處理，而且鎳，銅和鋁的結(jié)合使獨立式薄片具有很高的導(dǎo)熱與導(dǎo)電性。
當(dāng)進行諸如半導(dǎo)體裝置的松散材料結(jié)合時，可反應(yīng)的薄片可具有組合圖形特性。該實施例可以在最終薄片中形成交替的相鄰的電子絕緣和導(dǎo)電區(qū)，從而以單個反應(yīng)結(jié)合多個導(dǎo)線并使其絕緣。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，使用可反應(yīng)的薄片來進行連接需要更少的能量。作為連接材料的功能分類層可以通過選擇它們的材料成分來控制熔化溫度。例如，可以使用功能分類層，因為它們的熔化溫度可以控制。用作連接材料的鎳-硼薄膜可以在熔化溫度在開始溫度時相對較低、隨硼從鎳中分解出來而升高時進行低溫熔化，產(chǎn)生出熔點相對較高的最終材料。由于在薄片反應(yīng)中需要的能量較少，所以減少了加在要連接的總結(jié)構(gòu)上的總熱量，從而減少了薄片反應(yīng)產(chǎn)生的對要連接的材料的損壞。
在另一個實施例中，可以在可反應(yīng)的多層薄片中包含反應(yīng)的多層銅焊料層。例如，在包括鋁反應(yīng)層和鈦，鋯或鉿合金反應(yīng)層的薄片中，可以包括一個或更多包含銅或鎳合金的可反應(yīng)的銅焊料層?？煞磻?yīng)的多層銅焊料可在層混合并形成連接材料時，提供除可反應(yīng)的薄片產(chǎn)生的能源以外的能源?？煞磻?yīng)的多層薄片與可反應(yīng)多層銅焊料的結(jié)合可以使用沒有薄片就不會自擴散的反應(yīng)的銅焊料。
例子通過參照以下特別例子，可以更清楚地了解本發(fā)明例1鋁與鎳的可反應(yīng)的薄片通過冷軋許多疊放在一起的5μm的鎳與鋁薄片形成。圖6示出堆61穿過壓輥62A和62B來制造薄片60。薄片可以多次冷軋直至層的厚度減小到希望值。
例2使用一種復(fù)合薄片，而不是使用由同一厚度的多個層組成的薄片，其中毫微層的可應(yīng)多層沉積在可反應(yīng)的微層薄片上。如圖7所示，可反應(yīng)的薄片71中層70的某些部分將為毫微值(毫微層)，其它部分72將為微米厚度的層(微層)。如上所述，毫微層將易于反應(yīng)且一旦反應(yīng)開始，將沿薄片長度自擴散，不會因周圍銅焊料層或松散組件的熔化而驟停。因而，毫微層可被視為微層的點燃物。具有微層的部分72在室溫下不能保持自擴散反應(yīng)，但當(dāng)被鄰近的毫微層部分70加熱時，它將保持該反應(yīng)。薄片可由鋁與鎳交替層組成。
例3在制造這些復(fù)合薄片中，鋁與鎳的薄片受到壓軋以形成微層部分，然后毫微層薄片蒸汽沉積在微層結(jié)構(gòu)的任何一個表面上。制造也可通過整個復(fù)合物的蒸汽沉積進行，其中微層以更高速度沉積且在沉積中不點燃薄片或引起交替層中不可接受的混合。
例4可反應(yīng)的多層銅焊料以與上述形成可反應(yīng)的薄片類似的方法形成，它的反應(yīng)形成含金屬的玻璃。該多層銅焊料在其交替層反應(yīng)時散發(fā)出熱量。通過精心選擇已知的作為良好的玻璃形成材料的反應(yīng)劑，銅焊料將在反應(yīng)中形成玻璃狀的最終產(chǎn)品，它與商用的以及上述薄片類似?？煞磻?yīng)的銅焊料層發(fā)出的熱量減少了連接需要的可反應(yīng)的薄片量。
例5薄片14的某些復(fù)合物可以反應(yīng)形成玻璃狀合金(含金屬的玻璃)。這些薄片可以是含鎳或銅的合金、含鈦，鋯或鉿的合金，以及含鋁合金的層的復(fù)合物，它們可以反應(yīng)形成含金屬的玻璃。在使用這些薄片時，可以獲得特定的性質(zhì)。含金屬的玻璃具有很好的潤濕能力。當(dāng)使用這種薄片來連接松散的含金屬玻璃時可以不使用銅焊料層，且在這種情況下，一旦薄片發(fā)生反應(yīng)并與含金屬的玻璃連接，就會產(chǎn)生單個的松散的含金屬玻璃。
例6半導(dǎo)體或微電子裝置通過使用可反應(yīng)的多層薄片連接到諸如印刷線路板的基板上。圖8繪出該連接設(shè)置，其中可反應(yīng)的薄片80夾在焊料層81A與81B之間，該夾層結(jié)構(gòu)位于裝置83的接觸導(dǎo)線82與板的接觸表面84之間。
例7帶圖形的可反應(yīng)的薄片設(shè)計成使一些部分反應(yīng)形成導(dǎo)電區(qū)域，其它部分形成非導(dǎo)電區(qū)。
圖9A和9B繪出該發(fā)明概念。圖9A展示反應(yīng)前的薄片90。圖9B為反應(yīng)后的薄片。由鋁鎳交替層組成的區(qū)域91反應(yīng)形成導(dǎo)電區(qū)域95。由諸如二氧化硅或氮化硅或交替層的絕緣體組成的區(qū)域92反應(yīng)形成非導(dǎo)電區(qū)域。
應(yīng)看到，在使用中，區(qū)域91將與薄片90的上下都有接觸，并在反應(yīng)之后通過區(qū)域95進行電連接。
現(xiàn)在可以看出本發(fā)明的一個方面是一種制造包括可以進行發(fā)熱反應(yīng)的多個交替層的可反應(yīng)的多層薄片的方法。該方法包括提供基板、將交替層蒸汽沉積在基板上以形成多層薄片，以及將多層薄片從基板上分離的步驟。最好基板對沉積層具有足夠粘性，以在沉積中保持住該層，但其粘度不足以妨礙沉積之后將多層薄片取下。作為例子，該層可以由一個或更多沉積在硅基板上的鋁層組成。此外，基板可以包括一個由可釋放材料或粘性材料做成的涂層以達到適當(dāng)?shù)恼澈隙取?br> 將多層薄片從基板上分離的方法之一是給基板提供一個防護層(或?qū)⒄麄€基板做成防護層)，它可以在沉積后從薄片蝕刻或剝離掉。用于防護層的示例性材料包括銅，黃銅和光刻膠。
層的蒸汽沉積最好是物理蒸汽沉積，如使用磁控管濺射或電子束蒸發(fā)?；逶谡羝练e中最好得到冷卻，以減少交替層的結(jié)合，減少能量損失和減少沉積的層上的應(yīng)力。層最好沉積形成厚度范圍在50μm-1cm間的多層薄片。厚度做成10μm-1cm范圍間的薄片可用作獨立式薄片。
本發(fā)明的另一個方面是一種將第一個本體與第二個本體結(jié)合的方法，它包括的步驟為提供可獨立反應(yīng)的多層薄片，將本體一起壓到薄片上以及點燃可反應(yīng)的薄片。點燃的薄片可以熔化本體的材料或熔化相關(guān)可熔(連接材料)層，以將本體連接到一起。此外，層的反應(yīng)產(chǎn)品自身可以是連接材料。一個或兩個本體都可以是半導(dǎo)體或微電子裝置。該方法對于連接具有1μm/m/℃或更大的不同值的熱膨脹系數(shù)的本體特別有效。
在另一個實施例中，可反應(yīng)的多層薄片包括多個貫穿薄片厚度的開口。開口最好在薄片區(qū)規(guī)則排列。這些開口可以不填充或可以填充入可熔性材料、推進劑或其它在點燃可反應(yīng)的薄片時受熱能改變或反應(yīng)的材料。
該帶孔薄片可通過提供具有表面包括多個有與要沉積的多層薄片的厚度相當(dāng)或比其厚的厚度(或深度)的現(xiàn)成開口，突起或微粒的基板來制造，它沉積可反應(yīng)的多層薄片，并將產(chǎn)生的帶孔多層薄片從基板分離。
此外，可反應(yīng)的多層薄片可以沉積在基板上，由可去除的罩層定好圖形，并蝕刻形成多個孔。然后可將帶孔薄片從基板取下。進而言之，可形成連續(xù)的薄片，且孔可以通過機械壓制在連續(xù)的薄片中形成。
帶孔薄片在結(jié)合中具有重要用途。打有多個開口的可反應(yīng)的薄片裝在第一個和第二個本體之間。如果本體材料不能為薄片所熔，就將單獨的可熔層或可熔連接材料涂層放在本體之間。本體一起被壓在薄片(和連接材料)上，薄片被點燃以熔化連接材料。熔化的材料流在或流經(jīng)薄片的開口，以連接本體。該方法可通過開口產(chǎn)生具有增強過渡的延展性特征連接。當(dāng)一個或兩個本體都是半導(dǎo)體或微電子裝置，或裝置具有以大于1μm/m/℃區(qū)分的電纜終端設(shè)備時，它更具優(yōu)勢。
第三種新穎的可反應(yīng)的薄片是復(fù)合的可反應(yīng)的多層薄片，其薄片中的單獨層的厚度或成分、在移過薄片總厚度時有所不同，以達到最佳結(jié)果。一個示范性的復(fù)合的可反應(yīng)的多層薄片包括第一個部分，它具有多個相對厚的反應(yīng)層，如1μm至10μm，并疊放在第二個部分上，第二個部分具有多個較薄的反應(yīng)層(如1-1000nm)。具有較薄反應(yīng)層的部分比具有較厚反應(yīng)層的部分燃燒得更快。但當(dāng)燃燒在較薄部分伸延時，它點燃較厚部分，以產(chǎn)生更均勻的燃燒以及更高的熱量?？梢酝ㄟ^使薄片厚度方向有不同成分來達到類似結(jié)果。可以提供成份變化，一組層的反應(yīng)產(chǎn)品提供連接材料和另一組用于燃燒第一組層的更快的反應(yīng)層。例如，可以通過根據(jù)本技術(shù)已知的方法變動蒸汽沉積中的加工參數(shù)來獲得不同成分。
第四種新穎的可反應(yīng)的薄片具有一個主表面區(qū)，它由至少兩個不同區(qū)域組成一個或多個第一區(qū)反應(yīng)形成導(dǎo)電材料，以及一個或多個第二區(qū)形成為非導(dǎo)電材料。該薄片特別適用于將半導(dǎo)體裝置電子觸點連接到具有接收觸點的基板上。薄片可裝在該裝置與具有裝置觸點的基板之間，基板的觸點與薄片的第一個區(qū)域完全對齊。然后將該裝置與基板壓在薄片上，薄片通過相應(yīng)導(dǎo)電連接的觸點將該裝置結(jié)合到基板上，并將另一區(qū)域非導(dǎo)電地結(jié)合在一起。
在說明并繪出本發(fā)明的優(yōu)選實施例后，應(yīng)清楚許多對實施例的修正及本發(fā)明的應(yīng)用可以不與本發(fā)明的精神及領(lǐng)域相悖。當(dāng)所說明的繪出的實施例一般指連接松散材料時，也應(yīng)清楚任何要通過低溫焊接，銅焊，定位低溫焊接或其它已知技術(shù)連接在一起的材料(永久地或暫時地)均可使用本發(fā)明連接在一起。諸如含金屬的玻璃(如玻璃質(zhì)的玻璃)，金屬(如銅)和合金(如不銹鋼)，聚合物，陶瓷(如碳化硅)，化合物，半導(dǎo)體和大量其它不同成分的材料均適用。發(fā)明領(lǐng)域通過使用本發(fā)明從碳化硅裝甲到到鈦-鋁-釩坦克體的大型連接，或?qū)⑻蓟繉咏Y(jié)合到刀刃上，到將微芯片以微尺度結(jié)合到毫微米或微米電路板上，而直接產(chǎn)生效果。
用于引發(fā)優(yōu)選實施例中的可反應(yīng)的薄片的自擴散反應(yīng)的激發(fā)物可以是任何能源形式，如尖觸針的沖擊，電源的電火花，燈絲的熱量，激光輻射等。盡管所描繪的實施例被說明成用于室溫環(huán)境的空氣中，也應(yīng)清楚本發(fā)明可以在包括真空，氬氣中和水中等其它環(huán)境下使用。
應(yīng)看到特殊實施例的各種數(shù)據(jù)(如反應(yīng)速度，峰值溫度，加熱率等)可通過改變反應(yīng)的元素(如，改變材料A或B的成分，層的厚度，薄片總厚度，或銅焊料層的成分/厚度)來方便地調(diào)整。
盡管在此特別描繪出的實施例將連接材料描述為兩個圍繞可反應(yīng)的薄片形成三明治結(jié)構(gòu)的薄片形式(例如，如圖2和3中所示，由薄片12和薄片14)，但應(yīng)清楚連接材料可以使用任何數(shù)量的薄片(或其它結(jié)構(gòu))，包括包在可反應(yīng)的薄片14周圍的單一層或附在松散元件上的連接材料。根據(jù)一個優(yōu)選實施例，根本沒有使用連接材料層。例如，含金屬的玻璃的松散材料，含金屬的玻璃的可反應(yīng)的薄片或兩者一起用于連接應(yīng)用中，并不使用連接材料(如銅焊料)。
另外，盡管所描繪的實施例只使用兩種不同材料A/B作為可反應(yīng)的薄片中的交替層，但應(yīng)當(dāng)清楚根據(jù)本發(fā)明可以使用任何數(shù)量的材料層來形成可反應(yīng)的薄片。
此外，在此揭示的許多實施例(如將薄片做成圖形，在薄片上穿孔等)中特別使用了獨立式薄片，但應(yīng)清楚這些實施例和本發(fā)明的其它方面可以不使用獨立式薄片而實施。進而言之，也應(yīng)清楚可反應(yīng)的薄片表面上特意設(shè)計的開口可以貫穿任何數(shù)量的薄片中的層，盡管最好貫穿整個薄片結(jié)構(gòu)，例如，如圖5所示。圖4中將開口描述為圓形孔22，它可以是在可反應(yīng)的薄片上形成一個或更多帶圖形的結(jié)構(gòu)的任何單一(或組合)形狀。開口可以垂直地在與可反應(yīng)的薄片的層相應(yīng)的方向上形成，也可以一個或多個角度穿過薄片層形成。
因此本專業(yè)技術(shù)人員可以做出多種多樣的其它設(shè)置，而不超出本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合的可反應(yīng)多層薄片，包括第一組反應(yīng)層，以及與第一組反應(yīng)層熱接觸的第二組反應(yīng)層，第一組反應(yīng)層的成分比第二組反應(yīng)層的成份相對更具反應(yīng)活性，從而第一組反應(yīng)層在點燃時將反應(yīng)活性較弱的第二組反應(yīng)層點燃。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合的可反應(yīng)多層薄片，其特征在于，所述第一組反應(yīng)層的厚度大于第二組反應(yīng)層的厚度，第二組反應(yīng)層在點燃時將較厚的第一組反應(yīng)層點燃。
全文摘要
提供了可反應(yīng)的薄片及它們的用途，用作點火、連接和推進時的局部熱源。一種改進的可反應(yīng)的薄片(14)最好具有多層薄片結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由從能以發(fā)熱及自擴散反應(yīng)方式相互反應(yīng)的材料中選出的交替的層(16，18)構(gòu)成。在反應(yīng)時，這些薄片提供高的局部熱量，這些熱量可用于諸如連接各層，或直接將松散材料連在一起。這種薄片熱源可在各種環(huán)境(例如，空氣，真空，水等)的室溫下產(chǎn)生迅速的連接。如果使用連接材料，該薄片反應(yīng)將提供足夠的熱量來熔化連接材料。如果不使用連接材料，該薄片反應(yīng)將熱量直接提供到至少兩種松散材料上，熔化每種的一部分，在冷卻時形成牢固的連接。此外，薄片(14)還可設(shè)計成具有開口，該開口允許使連接(或松散)材料穿過薄片以增加連接牢度。
文檔編號B23K35/22GK1817639SQ200510131058
公開日2006年8月16日 申請日期2001年5月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月2日
發(fā)明者蒂莫西·P·魏斯, 邁克爾·萊斯, 奧馬爾·科尼奧, 戴維·范希爾登, 托德·赫弗納格爾, 霍華德·菲爾德邁塞 申請人:約翰斯霍普金斯大學(xué)