專利名稱：焊接方法、陀螺儀和焊接部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及符合RoHS指令(2002/95/CE)的無(wú)鉛焊接方法以及用該焊接方法制造的陀螺儀和焊接部件。
背景技術(shù)：
文獻(xiàn)EP I 542 271公開了將半導(dǎo)體發(fā)光元件焊接在基座4上的方法，其降低了對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光元件的熱損傷。根據(jù)該方法，熱沉(submount)沉積在基座上。該熱沉包括下列連續(xù)層包含鉬或鈦的粘附層；包含鈀或鉬的阻擋層；電極層；包含鈦和鉬的粘附層；以及最后的焊接層?！そ饘幼鳛檫m用于控制發(fā)光兀件的導(dǎo)電層。該金層在焊接后不與其它層熔合在一起。鉬層沉積在金層的下面和上面以確保該金層不會(huì)與錫-銀合金層和粘附層融合。然而，熱沉包括很多層。因此，以串聯(lián)過(guò)程制造是復(fù)雜且昂貴的。而且，該熱沉的厚度太大，以至于與一些技術(shù)應(yīng)用不相容。特別地，本發(fā)明涉及用錫-銀合金或錫-銀-銅合金將導(dǎo)電體焊接至基座上的方法，以及涉及通過(guò)該焊接方法制造的陀螺儀和焊接部件。目前，還沒(méi)有用于與薄膜的無(wú)鉛錫焊接的方法。這是因?yàn)殄a-銀焊料比錫-鉛焊料更高的回流溫度增加了熔解，并需要增加這些膜的厚度。在易碎的基座上，如陶瓷類型的基座，期望的是降低機(jī)械應(yīng)力，并因此需要限制薄膜的厚度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供薄膜的無(wú)鉛焊接的方法。為此，本發(fā)明的一個(gè)主題在于用選自錫-銀合金或錫-銀-銅合金的合金將至少部分導(dǎo)電的體部(被稱為導(dǎo)電體)焊接于基座上的方法，該方法包括如下步驟；-基座的金屬化，所述金屬化步驟包括將連接層(tielayer)沉積于基座上的步驟以及沉積擴(kuò)散阻擋層的步驟，所述連接層具有選自鉻、鈦和鈦合金的任何一種化學(xué)組分，所述擴(kuò)散阻擋層包含選自鉬和鈀的物質(zhì)；以及-在導(dǎo)電體和金屬化基座之間應(yīng)用焊料，所述焊料包含選自錫-銀合金和錫-銀-銅合金的合金；其特征在于該方法包括沉積含有金的潤(rùn)濕層；所述潤(rùn)濕層在沉積擴(kuò)散阻擋層的步驟和應(yīng)用焊料的步驟之間進(jìn)行沉積。該焊接方法包括沉積包含選自鉬和鈀的物質(zhì)的擴(kuò)散阻擋層和沉積連接層以及任選地沉積潤(rùn)濕層以彌補(bǔ)擴(kuò)散阻擋層的缺陷。根據(jù)具體的實(shí)施方式，該方法包括下列一個(gè)或多個(gè)特征-連接層是厚度為5-50納米的薄膜；-連接層的厚度為約30納米；-擴(kuò)散阻擋層是厚度為約100納米-1500納米的薄膜；
-擴(kuò)散阻擋層的厚度為約200納米；-焊料直接沉積在潤(rùn)濕層上；-潤(rùn)濕層是厚度約等于焊料厚度的O.4%的薄膜；-潤(rùn)濕層是厚度為約5納米I微米的薄膜；
-潤(rùn)濕層的厚度為約50納米；和-連接層包含鉻，擴(kuò)散阻擋層包含鉬。此外，陀螺儀，例如專利申請(qǐng)F(tuán)R 2 805 039中所描述的類型，包括通過(guò)導(dǎo)電支撐桿與基底結(jié)合的娃電極載體。容納諧振器(resonater)、電極載體和支撐桿的封蓋被密封地固定在基底上。然后在封蓋下產(chǎn)生高真空。在電極載體的上表面的一部分上形成電極。它們各自被連接于支撐桿以便接收激發(fā)信號(hào)和發(fā)送檢測(cè)信號(hào)。為此，電極載體包含安裝在通孔中的金屬襯套(metal bushes)。支撐桿被裝配到襯套中并在導(dǎo)電粘合劑(尤其是環(huán)氧粘合劑)的幫助下與之固定。然而，這些粘合劑強(qiáng)烈地脫氣。這種脫氣作用使得難于在封蓋下產(chǎn)生、尤其是維持高真空。期望的是電極載體被牢固地固定至支撐桿上，同時(shí)使這種脫氣作用最小化并確保電極載體和支撐桿之間的電傳導(dǎo)。本發(fā)明的主題也在于陀螺儀，其包括-諧振器；-支撐諧振器的基座；以及-固定至基座上的稱為導(dǎo)電體的至少部分導(dǎo)電的體部，該陀螺儀的特征在于通過(guò)實(shí)施根據(jù)前面提及的實(shí)施方式中的任一種焊接方法將導(dǎo)電體通過(guò)焊料固定至基座上。作為變體，本發(fā)明的陀螺儀中，基座包括至少一個(gè)激發(fā)/檢測(cè)電極，所述電極連接至所述體部。最后，本發(fā)明的另一主題是包含至少基座和固定至基座的被稱為導(dǎo)電體的至少部分導(dǎo)電的體部的焊接部件，該部件的特征在于通過(guò)實(shí)施根據(jù)前面提及的實(shí)施方式中的任一種焊接方法將導(dǎo)電體通過(guò)焊料固定于基座上。


通過(guò)閱讀下列僅僅通過(guò)示例方式給出的說(shuō)明并參考附圖可以更好地理解本發(fā)明，其中-圖I是本發(fā)明的焊接方法的方塊圖；-圖2是焊接部件的橫截面示意圖；以及-圖3是本發(fā)明的陀螺儀的軸向截面示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及將體部2焊接至基座4上的方法。體部2至少部分導(dǎo)電。在下文它被稱為導(dǎo)電體。它特別地具有至少一個(gè)意圖用于焊接至基座4上的導(dǎo)電表面。導(dǎo)電表面由導(dǎo)電材料制成，如金屬材料或含金屬的復(fù)合材料。
基座4由例如二氧化硅、硅、陶瓷、金屬氧化物、晶體材料或玻璃形成。參考圖I和2，焊接方法由將基座金屬化的步驟開始。該金屬化步驟包括將連接層8沉積于基座4之上的步驟6、將擴(kuò)散阻擋層12沉積于連接層8之上的步驟10以及將潤(rùn)濕層16沉積于擴(kuò)散阻擋層12之上的步驟14。連接層8適用于確保導(dǎo)電體2牢固地接合至基座4上。例如，連接層8由鉻制成。其厚度為約5-50納米。優(yōu)選地，該層的厚度為約30納米。作為變體,該連接層8由鈦或其合金之一制成。例如，擴(kuò)散阻擋層12由鉬、鈀或鎳制成。擴(kuò)散阻擋層12產(chǎn)生了適于降低錫從焊接合金進(jìn)入基座4的速度的擴(kuò)散屏障。而且，該擴(kuò)散阻擋層12產(chǎn)生了與錫的非脆性金屬間化合物。擴(kuò)散阻擋層12是厚度為約100納米-1500納米的薄膜。優(yōu)選地，該層12的厚度 為約200納米。潤(rùn)濕層16由金制成。潤(rùn)濕層16促進(jìn)了至擴(kuò)散阻擋層12的焊接合金的直接潤(rùn)濕性。潤(rùn)濕層16是厚度為約5納米-I微米的薄膜。優(yōu)選地，潤(rùn)濕層16的厚度為約50納米。潤(rùn)濕層是將被焊料(即被錫-銀合金或錫-銀-銅合金)吸收的犧牲層。該金層在焊接過(guò)程后消失。添加該金層以增強(qiáng)錫-銀合金或錫-銀-銅合金的粘附。連接層8、擴(kuò)散阻擋層12和潤(rùn)濕層16例如通過(guò)濺射或通過(guò)蒸鍍而產(chǎn)生。步驟18期間，將焊料20施加于金屬化的基座4和導(dǎo)電體的導(dǎo)電表面25之間。焊料20由錫-銀合金或由錫-銀-銅合金制成。根據(jù)本發(fā)明，將焊料20直接或徑直地沉積于潤(rùn)濕層16上，即沒(méi)有任何其它中間層。潤(rùn)濕層16是厚度約等于焊料20厚度的O. 4%的薄膜。由該焊接方法產(chǎn)生的焊點(diǎn)包括施加于基座4上的薄膜三層體。這種三層體包括連接層8、擴(kuò)散阻擋層12和潤(rùn)濕層16。這種三層體的厚度小于3微米，優(yōu)選小于I微米。圖2顯示了根據(jù)上述焊接方法制造的焊接部件21的實(shí)施例。在該實(shí)施例中，焊接部件21是SMC(表面安裝元件)型電路的一部分。該電路包括基座4(尤其為氧化鋁或二氧化硅晶片)和由電子元件23形成的導(dǎo)電體2 (其垂直側(cè)面25被金屬化)。作為變體，焊接部件例如是電子元件、混合電路、傳感器等。參考圖3，通過(guò)實(shí)施本發(fā)明的焊接方法而制造的陀螺儀22包括鐘形或球冠形的諧振器24 (其具有用于將其固定的軸桿26)和下文被稱為電極載體28的攜帶電極30的部件28,其中諧振器24的軸桿26是被錨定的。諧振器24由二氧化娃制成和電極載體28由陶瓷或由二氧化硅制成，以確保氣隙的穩(wěn)定性。電極載體28可以是半球形的，其中電極朝向諧振器24的內(nèi)面設(shè)置。在這種情況下，諧振器24的內(nèi)面圍繞電極載體28的外周(未顯不)延伸。電極載體28也可以是平的，其中電極30朝向諧振器24的端面設(shè)置，如圖3所示。陀螺儀22進(jìn)一步包括基底32、用于支撐電極載體28的桿34 (例如由Kovar 制成)和固定至基底32上的封蓋36。支撐桿34形成了其中電極載體28通過(guò)“樁”安裝在基底32上的排列。這種“樁”安裝的排列使得在熱膨脹的情況下，電極載體28平行于基底22而平移移動(dòng)成為可能。這種平移移動(dòng)通過(guò)支撐桿34的變形而獲得。這種“樁”安裝的排列描述在專利FR 2 805 039中。例如，11根支撐桿34支撐電極載體28。支撐桿34是導(dǎo)電的。它們被固定于電極載體28的下側(cè)，尤其固定于電極30上，從而確保電極30和支撐桿34之間的電連接。一些支撐桿34可以傳導(dǎo)諧振器的激發(fā)信號(hào)或檢測(cè)信號(hào)。其它支撐桿34僅僅為電極載體28提供穩(wěn)定性。根據(jù)本發(fā)明，實(shí)施圖I中所示的焊接方法以便將支撐桿34固定至電極載體的電極30上。特別地，實(shí)施焊接方法以產(chǎn)生焊點(diǎn)38?；?2是圓形部件，在所示的實(shí)施例中，其攜帶11個(gè)絕緣的真空密封襯套42，支 撐桿34通過(guò)該襯套連結(jié)。封蓋36與基底32限定了密封的外殼，其中產(chǎn)生高真空。通常提供吸氣劑材料與所述外殼結(jié)合，以便在脫氣和密封后吸收殘余氣體。作為變體，支撐桿由金屬制成。本專利申請(qǐng)中參考圖3所描述的焊接方法使得可以產(chǎn)生具有鐘形或球冠形諧振器的陀螺儀。然而，其也可以用于產(chǎn)生其它具有通過(guò)導(dǎo)電支撐桿支撐的小室的傳感器。有利地，本發(fā)明的焊接方法也可用于焊接混合電路、傳感器、桿、襯墊、連接器、元件，或用于產(chǎn)生MEMS器件的兩個(gè)基座之間的連接，或用于將真空密封的封蓋密封于基座上。有利地，所述焊接方法使得可以焊接天然不可焊接的材料，如晶體基座、陶瓷、玻璃料和弱彈性材料。有利地，錫-銀合金的硬度大于任何其它類型的焊接或其它類型的裝配(如粘合連接)所提供的硬度。這種硬度使陀螺儀的頻率平面(frequency plane)穩(wěn)定。所述合金提高了陀螺儀的沖擊強(qiáng)度。有利地，通過(guò)在陀螺儀中實(shí)施本發(fā)明的焊接方法，可以彌補(bǔ)Kovar _ 支撐桿和基座之間的差異膨脹。有利地，本發(fā)明方法產(chǎn)生的焊料的脫氣相比于高真空下粘合劑脫氣是可以忽略的。結(jié)果，在封蓋下的所有氣體可以通過(guò)其吸氣劑容易地抽空。有利地，由于錫-銀合金和錫-銀-銅合金的熔點(diǎn)為230°C，可以將脫氣溫度升高至約200°C以確保封蓋下更好的真空。有利地，與導(dǎo)電性粘合劑不同，電極和支撐桿之間的電連接可以隨時(shí)間得到保證。有利地，與粘合連接相反，根據(jù)本發(fā)明方法的基座與導(dǎo)電體的焊接不會(huì)隨時(shí)間的過(guò)去喪失其機(jī)械剛性。
權(quán)利要求
1.用選自錫-銀合金和錫-銀-銅合金的合金將稱為導(dǎo)電體(2，34)的至少部分導(dǎo)電的體部焊接至基座(4，28)上的方法，所述方法包括如下步驟 -基座(4)的金屬化，所述金屬化步驟包括將連接層(8)沉積于基座(4)上的步驟(6)以及沉積擴(kuò)散阻擋層(12)的步驟(10)，所述連接層(8)具有選自鉻、鈦和鈦合金的任何一種化學(xué)組分，所述擴(kuò)散阻擋層(12)包含選自鉬和鈀的物質(zhì)；以及 -將焊料(20)應(yīng)用于導(dǎo)電體(2，34)和金屬化基座⑷之間的步驟(18)，所述焊料(20)包含選自錫-銀合金和錫-銀-銅合金的合金； 其特征在于所述方法包括沉積含金的潤(rùn)濕層(16);所述潤(rùn)濕層在沉積擴(kuò)散阻擋層(12)的步驟(10)和應(yīng)用焊料(20)的步驟(18)之間進(jìn)行沉積。
2.權(quán)利要求I所述的焊接方法，其中所述連接層(8)是厚度為5-50納米的薄膜。
3.權(quán)利要求I所述的焊接方法，其中所述連接層(8)的厚度為約30納米。
4.權(quán)利要求I所述的焊接方法，其中所述擴(kuò)散阻擋層(12)是厚度為約100納米-1500納米的薄膜。
5.權(quán)利要求I所述的焊接方法，其中所述擴(kuò)散阻擋層(12)的厚度為約200納米。
6.權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的焊接方法，其中所述焊料(20)直接沉積在潤(rùn)濕層(16)上。
7.權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的焊接方法，其中所述潤(rùn)濕層(16)是厚度約等于所述焊料(20)厚度的O. 4%的薄膜。
8.權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的焊接方法，其中所述潤(rùn)濕層(16)是厚度為約5納米-I微米的薄膜。
9.權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的焊接方法，其中所述潤(rùn)濕層(16)的厚度為約50納米。
10.權(quán)利要求I所述的焊接方法，其中所述連接層(8)包含鉻，且其中所述擴(kuò)散阻擋層(12)包含鉬。
11.陀螺儀(22)，包括 -諧振器(24)； -支撐諧振器(24)的基座(28);以及 -固定于基座(28)上的被稱為導(dǎo)電體(2，34)的至少部分導(dǎo)電的體部， 其特征在于所述導(dǎo)電體(2，34)通過(guò)實(shí)施權(quán)利要求I所述的焊接方法通過(guò)焊料固定至基座(28)上。
12.權(quán)利要求11所述的陀螺儀(22)，其中所述基座(28)包括至少ー個(gè)激發(fā)/檢測(cè)電極(30)，所述電極(30)連接至所述導(dǎo)電體(2，34)。
13.焊接部件(21)，包括至少ー個(gè)基座(4)和固定至基座(4)上的被稱為導(dǎo)電體(2)的至少部分導(dǎo)電的體部，其特征在于所述導(dǎo)電體(2)通過(guò)實(shí)施權(quán)利要求I的焊接方法通過(guò)焊料而固定至基座(4)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及用選自錫-銀合金和錫-銀-銅合金的合金將導(dǎo)電體焊接至基座上的方法，其特征在于所述方法包括如下步驟-基座的金屬化，所述金屬化步驟包括將連接層沉積于基座上的步驟(6)以及沉積擴(kuò)散阻擋層的步驟(10)，所述連接層具有選自鉻、鈦和鈦合金的任何一種化學(xué)組分，所述擴(kuò)散阻擋層包含選自鉑和鈀的物質(zhì)；以及-沉積包含金的潤(rùn)濕層；-在導(dǎo)電體和金屬化基座之間應(yīng)用焊料(18)，所述焊料包含選自錫-銀合金和錫-銀-銅合金的合金。
文檔編號(hào)B23K35/26GK102695575SQ201080051379
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
發(fā)明者P·范德伯克 申請(qǐng)人:薩基姆防務(wù)安全公司