可獨立反應的多層薄片的製作方法

2023-07-15 17:32:36

專利名稱：可獨立反應的多層薄片的製作方法
技術領域：
本發明關於可反應的多層薄片，特別是獨立式多層薄片，用於局部熱源。
背景技術：
可反應的多層覆蓋材料廣泛用於多種要求在平面區域發出高的，數量受控的熱量的應用中。該結構常規地包括一系列由基板支撐的覆蓋材料，它們在適當的激發下進行發熱的化學反應，並在由發出精確受控數量的熱量的層覆蓋的區域蔓延。當我們將這些可反應的覆蓋材料基本描述為用於定位焊接，低溫焊接或銅焊時的熱源時，它們也可用於其它要求受控的局部發熱的應用中，如推進和點火。
在許多結合或連接材料的方法中，需要一個熱源。該熱源對於要連接的結構而言可以是外部的，也可以是內部的。當其為外部的時，熱量可由諸如爐子的裝置發出。使用該熱源的方法要求整個系統，包括鬆散的材料和結合材料，一起加熱到足以熔化結合材料的溫度。該方法存在問題，因為要連接的鬆散材料經常易損或對方法所需的高溫很敏感。這些高溫會損壞要連接的材料。
為緩解與外部熱源相關的問題，內部熱源得到使用。這些熱源經常以可反應的粉末或甚至電線的形式出現。當使用可反應的粉末時，使用了將在自擴散反應中發生發熱反應，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年代初研製出自擴散粉末、演生出自散物，高溫合成物(SHS)起就已出現。然而，SHS反應經常需要在自散前進行預熱，而且經常很難控制其能量釋放程度和方法。所以，結合可能是不協調且不充分的。
為解決與可反應的粉末結合相關的問題，研製出了由可以進行類似發熱反應的材料組成的多層結構。該結構可以進行更受控制和協調的發熱反應。該SHS反應背後的基本動力是原子鍵能的減少。當點燃具有一系列可反應的材料層(已知為薄片)的結構時，不同層自動結合就產生了熱量。該熱量點燃薄片的鄰近區域，從而使反應沿結構的整個長度進行，產生熱量，直到所有材料起反應。儘管在結合技術中有了該進步，但仍存在問題。例如，許多材料造成很大困難並在之前不能得以成功結合。此外，將可反應的薄片用作熱源的方法經常導致薄片在反應中脫開基板，因而弱化了結合。因此，需要有改進的可反應的多層薄片。
發明概要提供可反應的薄片及它們的用途，用於例如點火、連接和推進時的局部熱源。一種改進的可反應的薄片最好具有獨立式多層薄片結構，該結構由從能以發熱及自擴散反應方式相互反應的材料中選出的交替的層構成。在反應時，這些薄片提供高的局部熱量，這些熱量可用於例如連接各層，或直接將鬆散材料連在一起。這種薄片熱源可在各種實際環境(例如，空氣，真空，水等)的室溫下產生迅速的連接。如果使用連接材料，該薄片反應將提供足夠的熱量來熔化連接材料。如果不使用連接材料，該薄片反應將熱量直接提供到至少兩種鬆散材料上，熔化每種的一部分，在冷卻時形成牢固的連接。此外，薄片還可設計成具有開口，該開口允許使連接(或鬆散)材料穿出薄片以增加連接牢度。
附圖概述本發明的許多優點、特徵和應用都可在以下參考附圖的本發明的優選實施例的詳細說明中清楚看出。在圖中

圖1描述反應中的一個示範性多層可反應的薄片；圖2展示示範性連接應用的獨立元件；圖3描述連接應用的啟動；圖4展示示範性帶孔的可反應的薄片；圖5描述連接材料流經薄片中的孔；圖6描述通過冷滾壓形成可反應的薄片；圖7是由微層薄片和毫微層薄片組構成的合成可反應的薄片；圖8展示將可反應的薄片用於把半導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的薄片，其中一些區域發生反應，形成導電區，而其它則形成不導電區；應了解這些圖系用於描述本發明的概念，而不是加以限制。
優選實施例的詳細說明現在說明本發明優選實施例與應用。也可出現其它實施例，且出現組成與結構上的變化，這並不與本發明的精神或領域相悖。儘管在此透露的實施例已特別地說明為使用一種獨立的，自擴散的可反應的薄片結構進行連接或粘合鬆散材料，但很明顯本發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。
根據本發明的優選實施例，提供一種多層可反應的薄片結構(在此通常指「薄片」)在多種應用上，諸如用於將兩個或更多(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可以是任何在包括矽化物(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)等激發物的作用下易於混合鄰近原子(或具有化學鍵變化)的材料。
用於製造可反應的薄片的材流料(A/B)最好在化學性質上有所不同。在一個優選實施例中，層16，18在過渡金屬(如鈦，鎳等)和輕元素(如硼，鋁等)之間替換。優選地，以該對元素(A/B)在其發生反應，形成穩定化合物並形成大量負熱和高的絕熱反應溫度為基礎將其選出，如T.P Weihs在1997年薄片加工技術手冊中的「多層材料的自擴散反應」一文中所述，在此就其完整性進行了參考。在一個優選實施例中，可反應的薄片的至少一層為(或含有)鋁。
當多層薄片14暴露在激發物(如電火花、能源脈衝等)中時，例如在一端，材料A和B的鄰近原子相混合，如區域30中所示。該混合產生的化學鍵的變化導致原子鍵能量減少，從而在發熱化學反應中產生熱。化學鍵中的該變化發生在具有A-A結合的層(如層16)和具有B-B結合的層(如層18)交換為A-B結合時，因此減少了儲存在每個層中的化學能量，並發熱。如圖1中進一步描述的那樣，所發出的熱通過薄片14(沿從反應部分30經過反應區32至未反應部分34的方向)擴散，並啟動未反應層的附加混合。其結果是，通過薄片14產生自持/自擴散反應(SHS反應)。隨著足夠大量且迅速地發熱，反應以大於1米/秒的速度擴散到整個薄片14。由於反應不需要來自周圍環境的附加的原子(例如，燃燒時的氧氣)，該反應使薄片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生熱量的應用中(如，連接，點火等)特別有用。
當反應如圖1所示在多層薄片14上擴散開時，反應的最高溫度通常位於反應區32的後邊緣。可以認為這是反應的最終溫度，它可由反應熱量(ΔHrx)，由環境或周圍材料損失的熱量(ΔHenv)，樣品的平均熱容量(Cp)以及樣品質量M來決定。另一個決定最終溫度的因素是反應的溫度是否超過最終產品的熔點。如果超過熔點，一些熱量就會被產品從固態到液態的狀態改變時吸收。反應的最終溫度可以使用以下公式決定(其中To為起始溫度，ΔHm為熔化熱函，Tm為產品的熔化溫度，且沒有與周圍環境或材料發生反應)，並取決於最終產品是否發生熔化Tf＝To-(ΔHrx+ΔHenv)/(CpM)如果最終產品沒有發生熔化；Tf＝Tm如果固態和液態的最終產品有兩相區；以及Tf＝To-(ΔHrx+ΔHenv+ΔHm)/(CpM)如果最終產品完全熔化。
與薄片反應錯綜複雜地相關的是反應沿薄片14長度擴散的速度。反應擴散的速度取決於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。擴散速度是多層薄片的一個層厚度的重要功能。當一個層16，18的厚度減小時，擴散距離變小，原子能更快地混合。因為熱量更快地發散，所以反應在薄片結構中傳遞更快。
依照本發明的一個優選實施例，可反應的多層薄片14可通過物理蒸發沉積方法(PVD)製成。例如，可用一種磁控管濺射技術將材料A/B沉積於作為交替層16，18的基板(圖1中以虛線形式示出的層35)上。基板35可以以該技術中已知的方式在兩個濺射槍上方旋轉以將材料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，它有助於將可反應的薄片14製成獨立式薄片。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徵的基板(如，矽，玻璃或其它墊層)。基板可包括一個用於協調其粘接特徵的可釋放材料或粘接材料的塗層。
最好使用附加的潤溼層(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。當不使用潤溼層時，選擇恰當的用作沉積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。當製作作為材料A/B的使用鋁/蒙乃爾銅-鎳合金的可反應的薄片時，例如，沒有潤溼層的話，示例的可反應的薄片將被沉積在諸如矽的基板上，並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矽充分粘接，但會在薄片形成後允許基板剝離。
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。在一個優選實施例中，薄片14的總厚度範圍可從10μm至1cm。
另一個製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，並將基板在具有不同原子通量的兩種材料來源上方轉動。通過這種方法，每次經過一個來源時都會優選地產生一個單層。
最好使在沉積過程中可能發生的材料A/B的原子混合程度達到最低。特別是當多層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(與交替的未反應層相比)相對較薄的待反應材料20的區域。不過該待反應區域20有助於防止薄片14進一步的和自發的反應。
在另一實施例中，多層可反應的薄片可使用諸如重複滾軋多層複合材料等機械技術製作。
如圖1中所示，優選的薄片14為特別用於發熱源的獨立式多層可反應的薄片。獨立式薄片比薄膜更易於顯示其特徵，因為它們可當成「鬆散的「樣品進行處理。將可反應的薄片14製成獨立式大大延伸了其可能的使用範圍。因為這種可反應的薄片不必作其它特別加工，所以它們可以大量生產，用於要求具有自擴散的局部熱源的各種用途。它們的產品不限於或不受制於將大型或精密元件放入真空腔使其覆蓋上可反應的多層薄片。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。
根據本發明的優選實施例的獨立式薄片可具有多種應用。例如，獨立式薄片可以用於將材料體(在此指「鬆散材料)連接在一起，以形成統一的產品。獨立式薄片可用於任何數量的結合，低溫焊接，銅焊，定位低溫焊接或其它連接鬆散材料的應用中。一種典型的連接應用由圖3示出，其中兩種或多種鬆散材料10將被連接在一起。鬆散材料10可以是陶瓷，含金屬的玻璃，金屬/合金，聚合物，化合物，半導體以及其它形式的材料。
在圖3所示的特殊連接應用中，連接材料12用於將鬆散材料10連接在一起。連接材料12可以是將被熔化以將鬆散材料10連接在一起的材料的任何層(或複合層)。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。
根據本發明的實施例，可反應的薄片14裝在連接材料12之間，形成有點像三明治似的結構。由此形成的可反應的薄片「三明治」優選地位於鬆散材料10之間的位置(如，端點，連接處，截面等)上，鬆散材料10在此被連接到一起。
另一種方法是，可反應的薄片14裝在預先覆蓋有連接材料12的鬆散材料10之間。
另一個方法是，可反應的薄片14裝在連接材料12之間，用於形成有點像三明治似的結構。由此形成的可反應的薄片「三明治」優選地位於鬆散材料10之間的位置(如，端點，連接處，截面等)上，鬆散材料10在此被連接到一起。鬆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象徵性地代表)，用以保持鬆散材料10，連接材料12和可反應的薄片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，就將激發物(示為點燃的火柴15)優選地用到可反應的薄片14的一端，以引發SHS反應。可反應的薄片14內的原子結合產生快速且很高的熱量，足以在可反應的薄片14的整個長度上熔化連接材料。在此狀態下，連接材料12足以將鬆散材料10連接到一起。此後不久，連接材料10回到環境溫度(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和可反應的薄片14組成的組合結構可以通過可反應的薄片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於是通過蒸汽沉積或力的運用(如，冷軋)與薄片14結合。
最好加上潤溼/粘合層，以使可反應的薄片14、鬆散材料10或兩者的表面潤溼。潤溼/粘合層使連接材料均勻鋪開，以保證鬆散材料的連貫連接。潤溼/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。
本發明的優選實施例可採用增加總厚度的獨立式可反應的薄片14。該可反應的薄片的總厚度取決於用以形成薄片的要素層(如，16和18)的厚度與數量。小於10μm的薄片難於處理，因為它們會向自行捲曲。100μm的薄片很硬，從而易於處理。較厚的薄片也減少了在薄片中的自擴散反應驟停的風險。在使用可反應的薄片的連接應用中，有一個薄片發熱率與熱量傳導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。如果熱量傳導比產生的快，反應會驟停，不能形成連接處。較厚的薄片使反應難於驟停，因為在損失熱量的同一表面區域產生的熱量更多。
較厚的薄片可與較低的反應溫度一起應用，一般會產生更穩定的薄片。具有高合成反應溫度的薄片一般不穩定，且很脆，所以使用起來既危險又困難。脆質的薄片，例如，易碎裂，造成局部熱點(通過釋放彈性應變能和摩擦)，點燃薄片。切割這種脆質薄片(如，用於特殊連接尺寸)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衝擊與緻密問題相關的問題的優點。兩種現象均涉及薄片尺寸的快速變化。在反應時，薄片快速變熱並試圖伸展出抑制它們的基板。這導致熱衝擊，且裝在基板上的薄片會脫落，從而造成不協調和效果不佳的結合。在反應進行時，薄片也會因化學鍵變化而發生緻密化。這種緻密作用也能造成從基板脫落與不協調和效果不佳的結合。通過按照本發明的優選實施例將薄片製成獨立式，就不會發生脫落，薄片易於操作和處理，所以可反應的薄片可適用在更多應用中。
根據一個優選實施例，較厚的可反應的薄片厚度為50μm至1cm。儘管製造厚的獨立式可反應的薄片時可使用許多不同系統，但應謹慎選擇在選擇所使用的系統的製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，以使系統中增加的壓力在薄片的薄膜上保持足夠低。由於薄膜中的壓力乘以其厚度形成用於分層的驅動力，所以壓力與厚度的積應保持在1000N/m以下。在製造過程中，薄膜中的壓力經常增加。當薄膜變厚時，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。通過認識薄膜中的壓力並選擇將壓力減至最小的條件，可以完成製造程序而不出現薄片過早脫落或基板碎裂。
在另一個實施例中，特意在薄片結構中設計了可反應的薄片中的開口。這些開口特別適用於協助和增強連接。
薄片最初可製成、例如、具有一個或更多開口或穿過薄片結構的穿孔22，如圖4所示。開口最好形成規則圖案，如穿過薄片區的一個矩形陣列。可以用任何已知的方法來製造開口。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，然後通過成圖形的孔腐蝕底墊薄片。進一步的示範技術包括在薄片14上物理地打孔。開口最好具有在10-10,000微米範圍內的有效直徑。(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或鬆散材料10在一些情況下、當被加熱並被薄片14的發熱反應熔化時從這些穿孔22中擠出(如箭頭26所示)。當擠出時，連接材料12的一個層或鬆散材料10，可以與另一個層12或鬆散材料10，在獨立式薄片14的相對面上接觸或結合。帶圖形的穿孔22能夠加強鬆散材料10與可反應的薄片14的結合且使其相互更加牢固和更緻密地結合在一起。
圖5是展示兩個用銀焊料結合的銅體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明的實施例，許多不同應用現在就得以更有效果、有效率地進行。例如，含金屬的玻璃鬆散材料現在可以連接，其最終產品是包括結合處和可反應的薄片的具有金屬玻璃製成的單一結構。現在也可以連接過去造成結合困難的非常不同的化學成分，熱性質和其它物理性質的鬆散材料。半導體或微電子裝置可以與電路板或其它結構結合，同時，可生產出與這些裝置錯綜相關的多個導線。半導體或微電子裝置也可得到嚴格密封。
本發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，採用本發明的實施例，連接的鬆散材料可以是獨立式的。這意味著在鬆散材料真正連接前，單獨的鬆散基板上不需要直接沉積任何銅焊層。此外，鬆散基板不必要求與任何可反應的薄片的預粘結或其它預處理。相關的鬆散材料可在粘結時簡單地固定在一個獨立式銅焊層或獨立式可反應的薄片上，以產生牢固且持久的連接。
本發明的實施例允許結合至少一種是含金屬的玻璃的鬆散材料。在連接過程中不需要將銅焊料與鬆散材料連接。這是因為可以將可反應的薄片設計為在反應中直接與含金屬的玻璃結合。為完成這種連接過程，可反應的薄片能自己反應以形成含金屬的玻璃。
本發明的實施例在鬆散材料包括微晶片或半導體裝置時進一步能夠進行出色的結合。在將半導體裝置結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的薄片來將該半導體裝置連接到基板上，不會產生能損壞裝置或相鄰元件的熱量。半導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於處理，而且鎳，銅和鋁的結合使獨立式薄片具有很高的導熱與導電性。
當進行諸如半導體裝置的鬆散材料結合時，可反應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電區，從而以單個反應結合多個導線並使其絕緣。
在本發明的一個優選實施例中，使用可反應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，產生出熔點相對較高的最終材料。由於在薄片反應中需要的能量較少，所以減少了加在要連接的總結構上的總熱量，從而減少了薄片反應產生的對要連接的材料的損壞。
在另一個實施例中，可以在可反應的多層薄片中包含反應的多層銅焊料層。例如，在包括鋁反應層和鈦，鋯或鉿合金反應層的薄片中，可以包括一個或更多包含銅或鎳合金的可反應的銅焊料層。可反應的多層銅焊料可在層混合併形成連接材料時，提供除可反應的薄片產生的能源以外的能源。可反應的多層薄片與可反應多層銅焊料的結合可以使用沒有薄片就不會自擴散的反應的銅焊料。
例子通過參照以下特別例子，可以更清楚地了解本發明例1鋁與鎳的可反應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來製造薄片60。薄片可以多次冷軋直至層的厚度減小到希望值。
例2使用一種複合薄片，而不是使用由同一厚度的多個層組成的薄片，其中毫微層的可應多層沉積在可反應的微層薄片上。如圖7所示，可反應的薄片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，毫微層將易於反應且一旦反應開始，將沿薄片長度自擴散，不會因周圍銅焊料層或鬆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，但當被鄰近的毫微層部分70加熱時，它將保持該反應。薄片可由鋁與鎳交替層組成。
例3在製造這些複合薄片中，鋁與鎳的薄片受到壓軋以形成微層部分，然後毫微層薄片蒸汽沉積在微層結構的任何一個表面上。製造也可通過整個複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可反應的多層銅焊料以與上述形成可反應的薄片類似的方法形成，它的反應形成含金屬的玻璃。該多層銅焊料在其交替層反應時散發出熱量。通過精心選擇已知的作為良好的玻璃形成材料的反應劑，銅焊料將在反應中形成玻璃狀的最終產品，它與商用的以及上述薄片類似。可反應的銅焊料層發出的熱量減少了連接需要的可反應的薄片量。
例5薄片14的某些複合物可以反應形成玻璃狀合金(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複合物，它們可以反應形成含金屬的玻璃。在使用這些薄片時，可以獲得特定的性質。含金屬的玻璃具有很好的潤溼能力。當使用這種薄片來連接鬆散的含金屬玻璃時可以不使用銅焊料層，且在這種情況下，一旦薄片發生反應並與含金屬的玻璃連接，就會產生單個的鬆散的含金屬玻璃。
例6半導體或微電子裝置通過使用可反應的多層薄片連接到諸如印刷線路板的基板上。圖8繪出該連接設置，其中可反應的薄片80夾在焊料層81A與81B之間，該夾層結構位於裝置83的接觸導線82與板的接觸表面84之間。
例7帶圖形的可反應的薄片設計成使一些部分反應形成導電區域，其它部分形成非導電區。
圖9A和9B繪出該發明概念。圖9A展示反應前的薄片90。圖9B為反應後的薄片。由鋁鎳交替層組成的區域91反應形成導電區域95。由諸如二氧化矽或氮化矽或交替層的絕緣體組成的區域92反應形成非導電區域。
應看到，在使用中，區域91將與薄片90的上下都有接觸，並在反應之後通過區域95進行電連接。
現在可以看出本發明的一個方面是一種製造包括可以進行發熱反應的多個交替層的可反應的多層薄片的方法。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後將多層薄片取下。作為例子，該層可以由一個或更多沉積在矽基板上的鋁層組成。此外，基板可以包括一個由可釋放材料或粘性材料做成的塗層以達到適當的粘合度。
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(或將整個基板做成防護層)，它可以在沉積後從薄片蝕刻或剝離掉。用於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。基板在蒸汽沉積中最好得到冷卻，以減少交替層的結合，減少能量損失和減少沉積的層上的應力。層最好沉積形成厚度範圍在50μm-1cm間的多層薄片。厚度做成10μm-1cm範圍間的薄片可用作獨立式薄片。
本發明的另一個方面是一種將第一個本體與第二個本體結合的方法，它包括的步驟為提供可獨立反應的多層薄片，將本體一起壓到薄片上以及點燃可反應的薄片。點燃的薄片可以熔化本體的材料或熔化相關可熔(連接材料)層，以將本體連接到一起。此外，層的反應產品自身可以是連接材料。一個或兩個本體都可以是半導體或微電子裝置。該方法對於連接具有1μm/m/℃或更大的不同值的熱膨脹係數的本體特別有效。
在另一個實施例中，可反應的多層薄片包括多個貫穿薄片厚度的開口。開口最好在薄片區規則排列。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的薄片時受熱能改變或反應的材料。
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或比其厚的厚度(或深度)的現成開口，突起或微粒的基板來製造，它沉積可反應的多層薄片，並將產生的帶孔多層薄片從基板分離。
此外，可反應的多層薄片可以沉積在基板上，由可去除的罩層定好圖形，並蝕刻形成多個孔。然後可將帶孔薄片從基板取下。進而言之，可形成連續的薄片，且孔可以通過機械壓制在連續的薄片中形成。
帶孔薄片在結合中具有重要用途。打有多個開口的可反應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塗層放在本體之間。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薄片的開口，以連接本體。該方法可通過開口產生具有增強過渡的延展性特徵連接。當一個或兩個本體都是半導體或微電子裝置，或裝置具有以大於1μm/m/℃區分的電纜終端設備時，它更具優勢。
第三種新穎的可反應的薄片是複合的可反應的多層薄片，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，以達到最佳結果。一個示範性的複合的可反應的多層薄片包括第一個部分，它具有多個相對厚的反應層，如1μm至10μm，併疊放在第二個部分上，第二個部分具有多個較薄的反應層(如1-1000nm)。具有較薄反應層的部分比具有較厚反應層的部分燃燒得更快。但當燃燒在較薄部分伸延時，它點燃較厚部分，以產生更均勻的燃燒以及更高的熱量。可以通過使薄片厚度方向有不同成分來達到類似結果。可以提供成份變化，一組層的反應產品提供連接材料和另一組用於燃燒第一組層的更快的反應層。例如，可以通過根據本技術已知的方法變動蒸汽沉積中的加工參數來獲得不同成分。
第四種新穎的可反應的薄片具有一個主表面區，它由至少兩個不同區域組成一個或多個第一區反應形成導電材料，以及一個或多個第二區形成為非導電材料。該薄片特別適用於將半導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域完全對齊。然後將該裝置與基板壓在薄片上，薄片通過相應導電連接的觸點將該裝置結合到基板上，並將另一區域非導電地結合在一起。
在說明並繪出本發明的優選實施例後，應清楚許多對實施例的修正及本發明的應用可以不與本發明的精神及領域相悖。當所說明的繪出的實施例一般指連接鬆散材料時，也應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連接在一起的材料(永久地或暫時地)均可使用本發明連接在一起。諸如含金屬的玻璃(如玻璃質的玻璃)，金屬(如銅)和合金(如不鏽鋼)，聚合物，陶瓷(如碳化矽)，化合物，半導體和大量其它不同成分的材料均適用。發明領域通過使用本發明從碳化矽裝甲到到鈦-鋁-釩坦克體的大型連接，或將碳化塗層結合到刀刃上，到將微晶片以微尺度結合到毫微米或微米電路板上，而直接產生效果。
用於引發優選實施例中的可反應的薄片的自擴散反應的激發物可以是任何能源形式，如尖觸針的衝擊，電源的電火花，燈絲的熱量，雷射輻射等。儘管所描繪的實施例被說明成用於室溫環境的空氣中，也應清楚本發明可以在包括真空，氬氣中和水中等其它環境下使用。
應看到特殊實施例的各種數據(如反應速度，峰值溫度，加熱率等)可通過改變反應的元素(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)來方便地調整。
儘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的薄片形成三明治結構的薄片形式(例如，如圖2和3中所示，由薄片12和薄片14)，但應清楚連接材料可以使用任何數量的薄片(或其它結構)，包括包在可反應的薄片14周圍的單一層或附在鬆散元件上的連接材料。根據一個優選實施例，根本沒有使用連接材料層。例如，含金屬的玻璃的鬆散材料，含金屬的玻璃的可反應的薄片或兩者一起用於連接應用中，並不使用連接材料(如銅焊料)。
另外，儘管所描繪的實施例只使用兩種不同材料A/B作為可反應的薄片中的交替層，但應當清楚根據本發明可以使用任何數量的材料層來形成可反應的薄片。
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，但應清楚這些實施例和本發明的其它方面可以不使用獨立式薄片而實施。進而言之，也應清楚可反應的薄片表面上特意設計的開口可以貫穿任何數量的薄片中的層，儘管最好貫穿整個薄片結構，例如，如圖5所示。圖4中將開口描述為圓形孔22，它可以是在可反應的薄片上形成一個或更多帶圖形的結構的任何單一(或組合)形狀。開口可以垂直地在與可反應的薄片的層相應的方向上形成，也可以一個或多個角度穿過薄片層形成。
因此本專業技術人員可以做出多種多樣的其它設置，而不超出本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種製造由多個能進行發熱反應的交替層組成的獨立式可反應的多層薄片的方法，包括的步驟為提供一個基板；將交替層蒸汽沉積到基板上，以形成可反應的多層薄片；以及將多層薄片從基板上分離。
2.如權利要求1中的方法，其中基板對沉積的層具有足夠的粘性，以在沉積中將層保持住，但其粘性不足以妨礙在沉積後將多層薄片取下。
3.如權利要求1的方法，其中層包括一個或多個鋁層，至少一個鋁層沉積成與基板接觸。
4.如權利要求3中的方法，其中基板包括矽。
5.如權利要求1中的方法，其中基板包括一種可釋放材料的塗層或一種粘性材料的塗層。
6.如權利要求1中的方法，其中基板包括一個可除去的防護層。
7.如權利要求1中的方法，其中基板包括一個可除去的銅，黃銅或光刻膠的防護層。
8.如權利要求1中的方法，其中蒸汽沉積包括物理蒸汽沉積。
9.如權利要求8中的方法，其中蒸汽沉積包括磁控管濺射或電子束蒸發。
10.如權利要求1中的方法，其中基板在蒸汽沉積過程中得到冷卻。
11.如權利要求1中的方法，其中層沉積形成具有厚度在50μm-1cm範圍內的多層薄片。
12.如權利要求1中的方法，其中蒸汽沉積是在選擇的條件下、減少在沉積層上的應力的情況下進行的。
13.一種將第一個本體與第二個本體結合的方法，它包括的步驟為將獨立式可反應的多層薄片沉積在第一個本體與第二個本體之間；將本體一起壓在薄片上；以及點燃可反應的薄片。
14.如權利要求13中的方法，其中至少一個本體是半導體或微電子裝置。
15.如權利要求13中的方法，其中可反應的多層薄片具有超過10μm的厚度。
16.如權利要求13中的方法，其中本體具有至少以1μm/m/℃區分的熱膨脹係數。
17.如權利要求13中的方法，其中第一個本體由金屬組成，且第二個本體由陶瓷材料組成。
18.權利要求13的方法製造出的產品。
19.一種可反應的多層薄片包括一個由可發熱反應的交替層組成的薄片，其中薄片包括多個貫穿薄片的開口。
20.如權利要求19的可反應的多層薄片，其中開口內填充入可熔材料，推進劑，或受熱發生變化或反應的材料。
21.如權利要求19的可反應的多層薄片，其中開口規則地沿薄片區排列。
22.一種製造可反應的多層薄片的方法，包括的步驟為提供一個具有表面包括多個與要沉積的多層薄片的厚度相當或比其厚的厚度(或深度)的現成開口，突起或微粒的基板；將多個層沉積在該表面上以形成可反應的多層薄片；以及將多層薄片從基板上分離。
23.一種製造可反應的多層薄片的方法，它包括的步驟為提供一個平基板；將多個層沉積在基板上以形成可反應的多層薄片；將遮罩層沉積在可反應的薄片之上；將遮罩層打上多個孔；透過孔蝕刻可反應的薄片；以及將多層薄片從基板上分離。
23.一種製造可反應的多層薄片的方法，它包括的步驟為提供一個平基板；將多個層沉積在基板上以形成可反應的多層薄片；以及在可反應的薄片中機械地衝壓出多個孔。
25.一種製造可反應的多層薄片的方法，它包括的步驟為製造具有多個貫穿薄片的孔的可反應的多層薄片；以及將多層薄片的開口中填充入可熔材料、推進劑、或當可反應的薄片被點燃時受熱發生變化或反應的材料。
26.一種將第一個本體與第二個本體結合的方法，它包括的步驟為將可反應的多層薄片和至少一種可熔連接材料沉積在第一個本體與第二個本體之間，可反應的多層薄片具有多個貫穿薄片厚度的開口；將本體一起壓在薄片和連接材料上；以及點燃可反應的薄片以熔化連接材料，並使熔化的材料流經開口，以連接第一個本體和第二個本體。
27.如權利要求26中的方法，其中至少一個第一個本體或第二個本體包括半導體或微電子裝置。
28.如權利要求26中的方法，其中第一個本體和第二個本體具有以大於1μm/m/℃區分的光纜終端設備(CTF)。
29.如權利要求26中的方法製造出的產品。
30.如權利要求27中的方法製造出的產品。
31.如權利要求28中的方法製造出的產品。
32.一種複合的可反應的多層薄片包括至少一個第一組反應層；以及至少一個第二組反應層，它與第一組層有熱接觸，第一組層的厚度相對大於第二組層厚度，而第二組層在燃燒時點燃較厚的第一組層。
33.一種複合的可反應的多層薄片包括一個第一組反應層，以及一個與第一組有熱接觸的第二組反應層，第一組層的成分比第二組相對更具反應活性，而第一組層在燃燒時點燃反應性較弱的第二組層。
34.一種可反應的多層薄片包括一個具有由至少兩種不同區域組成的區的多層薄片，一個或多個第一區域包可以發熱反應形成導電材料的層，一個或多個第二個區域為非導電的或反應形成非導電的材料。
35.一種連接具有一個或多個與具有一個或多個接收觸點的基板連接的電子觸點的半導體或微電子裝置的方法，包括的步驟為將由一個或多個能夠產生發熱反應形成導電區的第一個區域及一個或多個非導電或反應形成非導電材料的第二個區域組成的可反應的多層薄片沉積在該裝置和基板之間；對齊裝置的觸點，基板的觸點和薄片的第一個區域，將裝置與基板一起壓在薄片上；以及點燃薄片。
36.一種用於將第一個本體與第二個本體連接的方法，其步驟包括將由多個反應形成連接材料的連續發熱反應層組成的可反應的多層薄片沉積到第一個本體與第二個本體之間；將本體一起壓在薄片上；以及點燃薄片。
37.如權利要求36中的方法，其中第一個和第二個本體中的至少一個包括含金屬的玻璃。
38.如權利要求37中的方法，其中可反應的多層薄片包括在反應並冷卻後呈玻璃質的合金的交替層。
39.如權利要求37中的方法，其中可反應的多層薄片包括的交替層由鎳或銅合金，含鈦，鋯或鉿的合金，以及主要含鋁的合金構成。
40.一種將第一個本體與第二個本體連接方法包括的步驟為將獨立式可反應的多層薄片以及至少一種可熔連接材料層沉積到第一個本體與第二個本體之間；將本體一起壓在薄片與連接材料上；以及點燃可反應的薄片，以熔化連接材料。
41.如權利要求40中的方法，其中連接材料覆蓋在薄片上。
42.如權利要求40中的方法，其中連接材料是獨立式的。
43.一種結合結構包括一個第一個本體；一個通過連接區域與第一個本體結合的第二個本體，連接區域包括一個具有開口有規則地排列其上的可反應的多層結構，該結構嵌在從開口伸出以連接第一個本體和第二個本體的可熔性連接材料陣列中。
全文摘要
提供了可反應的薄片及它們的用途，用作點火、連接和推進時的局部熱源。一種改進的可反應的薄片(14)最好具有多層薄片結構，該結構由從能以發熱及自擴散反應方式相互反應的材料中選出的交替的層(16，18)構成。在反應時，這些薄片提供高的局部熱量，這些熱量可用於諸如連接各層，或直接將鬆散材料連在一起。這種薄片熱源可在各種環境(例如，空氣，真空，水等)的室溫下產生迅速的連接。如果使用連接材料，該薄片反應將提供足夠的熱量來熔化連接材料。如果不使用連接材料，該薄片反應將熱量直接提供到至少兩種鬆散材料上，熔化每種的一部分，在冷卻時形成牢固的連接。此外，薄片(14)還可設計成具有開口，該開口允許使連接(或鬆散)材料穿過薄片以增加連接牢度。
文檔編號C23C14/14GK1503769SQ01808928
公開日2004年6月9日 申請日期2001年5月1日 優先權日2000年5月2日
發明者蒂莫西·P·魏斯, 蒂莫西 P 魏斯, 萊斯, 麥可·萊斯, 科尼奧, 奧馬爾·科尼奧, 戴維·范希爾登, 範希爾登, 託德·赫弗納格爾, 赫弗納格爾, 菲爾德邁塞, 霍華德·菲爾德邁塞 申請人:約翰斯霍普金斯大學