具有难焊接表面的制品的软钎焊或硬钎焊方法技术

本申请披露了具有难以接合的无机表面的制品，该制品能够更有效地用含有稀土元素的软焊料或硬焊料进行软钎焊或硬钎焊，其中稀土（ＲＥ）元素在焊接温度下基本上不与空气接触，例如，在焊接温度下将稀土元素暴露于空气的时间不超过几秒钟。这可以由几种方式来有效实现。其结果是将原来认为难以焊接的材料有效牢固地焊接起来。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及软钎焊或硬钎焊的方法，特别涉及难焊接表面如包括无机材料表面的软钎焊或硬钎焊的方法。还包括用该方法制作的新制品。
技术介绍
使用软焊料或硬焊料的焊接(接合)在很多重要的光学、电子和微机电(MEMs)装置(器件)的制造中是非常重要的。软焊料(焊锡)包括由作为元素的金属或金属合金组成的低熔点组分。它们通常在低于大约450℃时就熔融，对于将粘附有焊料的表面焊接(接合)在一起非常有用。硬焊料(铜焊料)是具有较高熔融温度的类似材料，并被用来形成更加耐热的熔合部分(接合物)。软焊料和硬焊料用于(例如)组装激光器、将光纤焊接到集成片上、将电子元件连接到集成板上以及集成MEMs芯片。尽管软焊料和硬焊料一般能非常有效地焊接到很多表面上，但是它们在焊接(接合)稳定的无机表面(如氧化物、氮化物、硒化物、硅、砷化镓、氮化镓、其它半导体、氟化物、金刚石以及稳定金属)时效果相当差。这些日益用于高性能的光学、电子和MEMs装置的材料所形成的比较稳定的表面，几乎没有与熔融的焊接材料发生化学反应的倾向。其结果是低附着性和弱的键合。通过利用多层金属化，例如已知的Ti/Pt/Au溅射沉积金属化作用(sputter-deposited metallization)来对表面进行预处理，以提供更易于焊接的表面，其可以增强这些稳定的无机材料的软钎焊和硬钎焊。但是多涂层使生产复杂化、增加了成本，另外会引起与可靠性相关的问题。另一种方法是通过加入反应性稀土元素(RE元素)，使软焊料或硬焊料更具反应性。由此得到的更具反应性的焊料称为通用焊料。其难点是通用焊料既与稳定的无机材料反应也与不太稳定的周围材料反应，其结果损坏了焊锡、焊铜或熔合部分(接合物，bond)。因此，需要改进具有难焊接表面的制品的软钎焊(锡焊)或硬钎焊(铜焊)的方法。
技术实现思路
申请人已经发现包括难以焊接的无机(物)表面的制品能够用含有稀土元素的软焊料或硬焊料进行更有效地软钎焊或硬钎焊，其中稀土(RE)元素在焊接温度下基本不与空气接触，例如，在焊接温度下稀土元素暴露于空气的时间不超过几秒钟。这可以由几种方式来有效实现。其结果是有效牢固地将原来认为难以焊接的材料焊接起来。附图说明现在结合附图并在考虑示例性具体实施例的详细说明的基础上，本专利技术的实质、优点和各种附加特征将变得非常明了。在附图中图1是根据本专利技术的硬钎焊或软钎焊制品的方法的示意性流程图； 图2A至2D示出了可以在图1所示的工艺方法中使用的通用焊接体的各种结构；图3表示真空焊接；图4A和4B示出了快速涂敷和接合；图5A和5B表示通过预成型体的机械塌陷进行接合；图6A和6B表示通过预成型体的局部加热塌陷进行接合；图7示出了根据本专利技术经焊接的MEMs多层结构；图8表示根据本专利技术的用于经封装的MEMs器件的组件；图9示出了根据本专利技术接合的光纤/激光器组件；以及图10和图11示出了根据本专利技术接合的光纤光栅器件。应该明了，这些附图只用于举例说明本专利技术的目的，而不是用来限制保护范围的。具体实施例方式申请人观察到用在通用焊料中的反应性很高的稀土元素很容易被氧化，而含有这些元素的软焊料(焊锡)或硬焊料(铜焊料)在加热或熔融时形成具有高熔点(如～2300℃)的氧化物层。在熔融的通用焊料表面的稀土元素的快速氧化常常破坏焊料的润湿特性。在含氧气氛(如空气)中进行的通用焊料的焊接过程只提供很短的时间间隔(short window)用于氧化前的润湿和接合。一旦氧化开始，就会在通用焊料表面形成不期望的富稀土元素的灰色氧化物层，它阻止了通用焊料润湿待焊接表面。该氧化物层还妨碍稀土原子从焊料内部扩散到待焊接界面，并且阻止了通用焊料形成牢固的焊接熔合部分(接合物)。为了尽力改善这个问题，申请人此前已提出各种调整通用焊料的组成和/或结构的方法，用以隔离RE成分并有效地将其埋在焊料表面的下面。这些方法包括用常规焊料将通用焊料封住、在通用焊料上涂覆贵金属、或将稀土元素离子注入到常规焊料表面之下。参见由S.Jin等人提交并已公开的美国专利申请第2002/0106528号。虽然将稀土成分埋入的方法改善了通用焊料的接合，但是还希望在用于接合稳定的无机表面方面有进一步的改善。特别是，申请人已经发现在基本无氧的条件下通过用通用焊料润湿和焊接(接合)可以充分改善对这样的表面的软钎焊或硬钎焊。图1是根据本专利技术的硬钎焊或软钎焊两个或更多制品的方法的示意性流程图。框A中示出了第一步，是用于提供两个或更多个分别具有待焊接表面的制品。当一个或多个待焊接表面是稳定的无机表面(如氧化物、氮化物、硒化物、硅、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、或其它半导体、氟化物、金刚石或稳定金属)时，本专利技术是特别有价值的。框B中示出的下一步，是在待焊接表面之间放置通用焊料或硬焊料，有利的是以包括软焊料或硬焊料的本体的形式。术语“通用焊料”是指掺杂至少一种稀土元素的低熔点焊料。有利地，该低熔点焊料含有重量比为0.1至10％的一种或多种稀土元素。适宜用在通用焊料中的低熔点焊料包括但不限于Sn-Sb、Bi-Sn、In-Sn、In-Ag、Pb-Sn、Sn-Ag和低共熔混合物Au-Sn。适宜的稀土掺杂剂包括但不限于Lu、Er、Ce、Y、Sn、Gd、Tb、Dy、Tm和Yb。硬焊料是建议选择用于较高熔融温度的类似组合物。通用焊料可以是以上述成分的简单合金的通用焊料形式，如，Sn-Ag-RE、Au-Ag-RE、Sn-Sb-RE、Bi-Sn-RE、In-Sn-RE、In-Ag-RE、Sn-Ag-RE。然而，优选的形式是如在公开的美国专利第2002/0106528号中所形成的本体的形式，以便将稀土元素埋在焊料体内部。图2A至2D举例示出了可以使用的通用焊料体的各种结构。图2A表示了通用焊料体20。图2B示出了在覆盖通用焊料芯22的贵金属膜21上的保护性涂层。图2C表示带有常规焊料皮23的通用焊料芯22，图2D示出了由在膏26的基质中的焊料颗粒25组成的通用焊膏。颗粒25可以包括涂布有贵金属的通用焊料颗粒。再次参考图1，该过程中的第三步是在基本无氧的条件下润湿和焊接(接合)表面。该步骤可以至少以四种不同方法来有效实现1)真空焊接(接合)；2)将熔融的通用焊料快速涂敷；3)利用通用焊料的受控塌陷接合；以及4)通过设置电阻加热元件来快速局部加热。每一种方法举例如下。实施例1-真空焊接(接合)一种使通用焊料在含氧空气中的暴露最小化的方法是在真空中进行焊接(接合)。在真空中的软焊料接合提供了可行的间歇式封装工艺，尤其适合于密封(气密封接)MEMs器件、光学器件和/或电子器件。图3示意性示出了在基本无氧的环境中润湿和接合两个制品32、33(例如，MEMs的上部件32和下部件33)的组件31的表面30的步骤。这里，制品32、33具有待焊接表面(接触(焊)盘)34，而包括通用焊料的本体35被置于各部件的接触盘之间。组件31依次设置于真空室36之内，该真空室包括加热器(未示出)并与真空泵相连。有利地，将该室抽空到10-6托或更低的压力，优选为10-7托或更低，甚至更优选至5×10-8托或更低。该组件在真空下被加热并按压到一起，以使在没有周围大气氧存在的条件下实现润湿和接合。这里描述的使用通用焊料的真空接合工艺适用于制造M本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用通用焊料的焊接方法，包括：在具有真空压力的真空室内放置包括接触盘的第一器件；将通用焊料预型体放置在所述接触盘上；在所述真空室内排布包括待焊接表面的第二器件，以使所述待焊接表面对准所述通用焊料预型体；以及　 　将所述第二器件按压在所述焊剂预型体上，从而在所述待焊接表面与所述第一器件之间形成焊缝。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：松霍吉恩，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：US[美国]