具有保护壳的过冷液体金属液滴制造技术

一种液滴包括芯，该芯包括合金，该合金包含大部分第一金属元素和小部分第二元素，其中该芯在该合金的固相线温度以下处于液态。壳被布置成包封该芯并且包括包含大部分该第二元素和小部分该第一金属元素的外表面，其中该壳在该合金的该固相线温度以下处于固态。该合金可包括可用于在该合金的固相线温度以下形成焊料连接的焊料材料。焊料连接的焊料材料。焊料连接的焊料材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有保护壳的过冷液体金属液滴
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2021年7月22日提交的名称为“UNDERCOOLED LIQUID METALLIC DROPLETS HAVING A PROTECTIVE SHELL”的美国非临时专利申请号17/383,150的优先权，该临时专利申请要求2020年7月24日提交的名称为“UNDERCOOLED LIQUID METALLIC DROPLETS HAVING A PROTECTIVE SHELL”的美国临时专利申请号63/056,448的权益和优先权。每个前述申请的公开内容全文以引用的方式并入本文。

技术介绍

[0003]目前存在多种包括低温材料的电子设备，这些低温材料由于焊接所需的高处理温度而不适于形成焊接连接。对于具有低温材料的电子设备需要新的低温焊接材料和工艺。

技术实现思路

[0004]本公开的一些实施方案涉及由保护壳包围的过冷液体金属液滴，该保护壳在低于芯材料的固相线温度下将芯保持在液态。保护壳可以相对不含成核位点，并且可以施加防止芯在芯的固相线温度以下转变为固体的热力学势垒。壳可包括根据每种元素的还原电位布置的一个或多个层。壳可以在保护壳外部免受氧化和降解的流体中涂覆。在一些实施方案中，液体金属液滴可用于在低于液滴的固相线温度的温度下焊接材料。
[0005]在一些实施方案中，液滴包括芯，该芯包含大部分第一金属元素和小部分第二元素，其中芯在第一金属元素的固相线温度以下处于液态。壳被布置成包封芯并且包括包含大部分第二元素和小部分第一金属元素的外表面，壳在第一金属元素的固相线温度以下处于固态。在各种实施方案中，第二元素是金属。在一些实施方案中，第二元素是准金属。在各种实施方案中，壳包括从壳的内表面处的第二元素的第一浓度转变到外表面处的第二浓度的浓度梯度，其中第一浓度小于第二浓度。
[0006]在一些实施方案中，液滴还包括设置在外表面上的流体。在各种实施方案中，壳的外部包含浓度小于第一金属元素和第二元素的浓度的第三元素。在一些实施方案中，壳包括防止芯转变成固态的至少第一金属元素和第二元素的浓度梯度。在各种实施方案中，在外表面处的第一金属元素和第二元素是第一金属元素的氧化物和第二元素的氧化物。在一些实施方案中，第一金属元素具有比第二元素低的E
o
。在各种实施方案中，第二元素具有比第一金属元素高的E
o
。
[0007]在一些实施方案中，液滴包含芯和壳，该芯包含处于液相的至少一种金属元素，该壳处于固相并且被布置为完全包封芯。壳包括至少一种金属元素的浓度梯度，该浓度梯度在壳的厚度上变化，其中壳防止金属元素在低于至少一种金属元素的固相线温度的温度下转变为固相。在各种实施方案中，壳具有至少两个分层区域，其中至少两个分层区域中的每个分层区域由在每一个分层区域内具有主要浓度的独特元素限定。
[0008]在一些实施方案中，至少一种金属元素是第一金属元素，并且芯包括浓度低于第一金属元素的第二金属元素。在各种实施方案中，第一金属元素形成壳的内部区域的主要
百分比，并且第二金属元素形成壳的外部区域的主要百分比。在一些实施方案中，第一金属元素的浓度从壳的内部区域到壳的外部区域下降，并且第二金属元素的浓度从壳的内部区域到外部区域增加。
[0009]在一些实施方案中，第一金属元素和第二金属元素浓度的变化产生芯从液相转变到固相的活化能的热力学偏移。在各种实施方案中，壳的内部区域包括第一金属元素的氧化物和低氧化物，并且壳的外部区域包括第二金属元素的氧化物和低氧化物。在一些实施方案中，第二金属元素具有比第一金属元素低的E
o
。
[0010]在一些实施方案中，液滴包含过冷液体芯，该过冷液体芯包含第一元素、第二元素和第三元素，其中第一元素的浓度高于第二元素和第三元素。固体壳包围液体芯并且包含第一元素、第二元素和第三元素的浓度梯度。在各种实施方案中，第一元素、第二元素和第三元素按层布置以形成壳。
[0011]在一些实施方案中，形成液滴的方法包括由包含第一元素、第二元素和第三元素的合金形成液滴的液体芯，以及在液体芯周围形成固体壳。固体壳包括最内层和最外层，该最内层具有主要浓度的第一元素、第二元素和第三元素中的一者，该最外层具有主要浓度的第一元素、第二元素和第三元素中的不同一者。该方法还包括将液体芯和固体壳冷却到合金的固相线温度以下，同时保持芯处于液态。
[0012]在一些实施方案中，固体壳包括三层，其中最内层具有主要浓度的第一元素，中间层具有主要浓度的第二元素，并且最外层具有主要浓度的第三元素。在各种实施方案中，壳在氧化环境中形成。在一些实施方案中，通过改变氧化环境中的氧分压来控制氧化环境。在各种实施方案中，最内层具有比中间层大的E
o
，并且其中中间层具有比最外层大的E
o
。在一些实施方案中，通过暴露于氧化环境的时间来确定固体壳的三层中的一个或多个层的厚度
[0013]在一些实施方案中，壳在还原环境中形成。在各种实施方案中，最内层具有比中间层低的E
o
，并且中间层具有比最外层低的E
o
。在一些实施方案中，通过暴露于还原环境的时间来确定固体壳的三层中的一个或多个层的厚度。在各种实施方案中，该方法还包括将固体壳暴露于一种或多种螯合剂以移除最外层的至少一部分。在各种实施方案中，一种或多种螯合剂可用于抛光壳的外表面，这可改善活化、液滴堆积和液滴的流动，这些都是可改善液滴在焊膏材料(例如，液滴和焊剂的组合)中的性能的特性。在一些实施方案中，一种或多种螯合剂包括羧酸盐、酰胺、醇盐、胺、硫醇或磷酸盐中的至少一者。在各种实施方案中，该方法还包括抛光固体壳的内层的蚀刻工艺。
[0014]通过本专利技术实现了优于常规技术的许多益处。例如，本专利技术的实施方案提供了在低于芯元素的固相线温度的温度下焊接材料的能力。
附图说明
[0015]图1描绘了根据本公开的实施方案的具有由固体金属壳包封的过冷液体金属芯的液滴的简化局部剖视图；
[0016]图2A示出了根据本公开的实施方案的具有在氧化环境中形成的两层壳的液滴的一个示例的局部剖视图；
[0017]图2B示出了每种元素及其氧化物(例如，Sn和Bi)相对于图2A所示的液滴的横截面的相对浓度的示例性浓度梯度曲线图；
[0018]图2C示出了根据本公开的实施方案的具有在氧化环境中形成的三层壳的液滴的一个示例的局部剖视图；
[0019]图2D示出了每种元素及其氧化物(例如，Bi、Sn和In)相对于图2C所示的液滴的横截面的相对浓度的示例性浓度梯度曲线图；
[0020]图3示出了根据本公开的实施方案的与形成过冷液滴的方法相关联的步骤，该过冷液滴包含由包括至少两层的固体壳包封的液体金属芯；
[0021]图4示出了根据本公开的实施方案的与形成过冷液滴的方法相关联的步骤，该过冷液滴包含由固体壳包封的液体金属芯，该固体壳包括具有与液体金属本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种液滴，所述液滴包括：包括合金的芯，所述合金包含大部分第一金属元素和小部分第二元素，其中所述芯在所述合金的固相线温度以下处于液态；和壳，所述壳被布置成包封所述芯并且包括包含大部分所述第二元素和小部分所述第一金属元素的外表面，其中所述壳在所述合金的所述固相线温度以下处于固态。2.根据权利要求1所述的液滴，其中所述第二元素是金属。3.根据权利要求1所述的液滴，其中所述第二元素是准金属。4.根据权利要求1所述的液滴，其中所述壳包括具有主要浓度的所述第一金属元素的最内层和具有主要浓度的所述第二元素的最外层。5.根据权利要求4所述的液滴，其中所述最内层具有比所述最外层大的E
o
。6.根据权利要求4所述的液滴，其中所述最内层具有比所述最外层低的E
o
。7.根据权利要求4所述的液滴，其中所述最内层和所述最外层包含所述第一金属元素的氧化物和所述第二元素的氧化物。8.根据权利要求1所述的液滴，还包含在所述外表面上的配体涂层。9.一种形成液滴的方法，所述方法包括：由包含第一元素、第二元素和第三元素的合金形成所述液滴的液体芯；在所述液体芯周围形成固体壳，所述固体壳包括最内层和最外层，所述最内层具有主要浓度的所述第一元素、所述第二元素和所述第三元素中的一者，所述最外层具有主要浓度的所述第一元素、所述第二元素和所述第三元素中的不同一者；以及将所述液体芯和所述固体壳冷却到所述合金的固相线温度以下，同时保持所述芯处于液态。10.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：萨非技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：