CN101559547B - 适用于超声纳米焊接中焊头与样品的平行度调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米技术领域中的适用于超声纳米焊接中焊头与样品的平行度调节方法。本发明通过在样品下方放置弹性胶垫，利用弹性胶垫的弹性形变特性，实现自动补偿焊头和样品之间的微小倾角，使得焊头与样品完全接触，确保超声能量有效均匀地施加在整个焊接区域，从而提高纳米电子器件的焊接质量。同时，该方法还具有利用弹性胶垫保护样品的作用，使得样品免于因为受力不均而产生变形乃至破损等。本发明在超声纳米焊接领域具有重要应用，特别是可以使得纳米材料在大面积范围内均匀焊接，实现纳米材料超声焊接的规模化。

Description

适用于超声纳米焊接中焊头与样品的平行度调节方法

技术领域

本发明涉及一种纳米技术领域中的工艺方法，具体地说，涉及一种适用于超声纳米焊接中焊头与样品的平行度调节方法。

背景技术

在制备纳电子器件时，一维纳米材料与金属电极之间往往不易形成可靠的电接触，较高的接触势垒和较大的接触功耗使得纳电子器件的突出性能不能很好的体现，并在很大程度上限制了纳电子器件的实际应用。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利“纳米材料键合在金属电极上的方法”(申请号：200510028887.6，公开号CN1738018，授权公告号：CN100336192C)，介绍了一种纳电子器件的键合技术，该专利自述为“使用加有超声的超声键合头挤压准一维纳米材料与金属电极的接触局部，使准一维纳米材料与金属电极焊接在一起。”利用这种超声纳米焊接技术可以实现一维纳米材料与金属电极之间长期稳定的低电阻接触和牢固的机械连接。但其所述的超声焊头为直径为50微米的工作平面，不能适用于大面积焊接的场合；另外，由于焊头尺寸较小，属于局部点焊接情况，不会产生由于焊头和被焊样品间接触面不平整导致的焊接失效问题。为了实现在大面积样品上规模化的纳米焊接，需要将焊头设计为大面积的平面结构。在实际焊接过程中，焊接的主要对象是碳纳米管等一维纳米材料，平面焊头与样品之间的工作间距在纳米量级，这就要求焊头与样品必须完全平行，焊头和样品各处紧密接触，使得所施加的压力均匀分布和声波能量有效传输，以便保证整个焊头覆盖面积内纳米材料焊接的成功。然而，在焊接过程中，由于焊头的特殊连接结构，在安装时往往不易保证完全平行；样品台在焊接压力冲击下也可能会发生一定的倾斜，尽管这往往只是微小的倾角，但仍会导致焊头和样品不能充分接触，使得超声能量不能有效传递到被焊接样品，从而严重影响纳米材料的焊接效果。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供了一种适用于超声纳米焊接中焊头与样品的平行度调节方法。本发明充分利用胶垫的弹性形变补偿两个接触平面的微小倾角，从而实现接触平面的平行和接触压力的均匀分布，有效避免或消除现有技术的缺陷和不足。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过在样品下方放置弹性胶垫，利用弹性胶垫的弹性形变特性，实现自动补偿焊头和样品之间的微小倾角，使得焊头与样品完全接触，确保超声能量有效均匀地施加在整个焊接区域，从而提高纳米电子器件的焊接质量。同时，该方法还具有利用弹性胶垫保护样品的作用，使得样品免于因为受力不均而产生变形乃至破损等。

本发明包括如下步骤：

第一步，将弹性胶垫放在二维俯仰台上，样品放在弹性胶垫上，焊头在样品的上方并与样品接触；

第二步，用二维俯仰台粗调焊头和样品之间的平行度，通过调节二维俯仰台的倾斜程度，补偿样品的与焊头的水平偏差，使样品与焊头保持平行；

第三步，对焊头施加一定的静压力，焊头下压时，样品的局部接触部位首先受到来自焊头所施加的压力，相应部位的弹性胶垫在受到样品所传递的静压力之后产生弹性形变向下位移，而原先未与焊头相接触的样品的接触部位则会顺势地向上位移，从而可以有效地消除焊头和样品之间由于微小倾角所产生的间隙，实现接触平面的平行和接触压力的均匀分布；

第四步，施加超声功率，将样品表面的纳米材料压入金属电极内。

所述焊头是由不锈钢、金刚石或氧化铝等材料所制成的超硬焊头，其可焊接尺寸为厘米量级，平面粗糙度小于0.5纳米，以便于保证焊头和样品的紧密接触。

所述样品为衬底表面预制有微电极和待焊接低维纳米材料的平面基片，微电极可以是金属薄膜或图形化后的金属电极条，低维纳米材料可以是纳米管、纳米线、纳米晶须、纳米颗粒，样品衬底可以由硅片、玻璃、陶瓷、金属材料制成，样品既可以是分割后的小尺寸样品，也可以是整片大尺寸样品；

所述胶垫为一定厚度的弹性薄片，可以由硅橡胶、橡胶或其他高分子弹性材料制成，一般来说，胶垫3可以是采用旋涂方法在具有较高平整度、光洁度的硅片、玻璃、陶瓷、金属等衬底上制备而成且具有一定厚度的薄膜；厚度为50-500微米。

所述二维俯仰台(样品台)，其调节倾角的精度为0.001度。

要想得到理想的焊接效果，理论上应该做到焊头与样品的完全平行接触。但实际情况中，由于俯仰台调节和加工精度的限制，焊头和俯仰台两者的平行度很难做到完全平行，致使焊头和样品之间存在微小的倾角，使得焊头不能与样品表面上的纳米尺度焊接材料完全接触。一般来说，可通过俯仰台(样品台)的机械调整来补偿或消除样品与样品台之间的较大接触倾角。然而，小于俯仰台调节精度的较小倾角就难以直接通过俯仰台的机械调整来补偿或消除。本发明对于小于俯仰台4调节精度的较小接触倾角则采用弹性胶垫来作自动调整，从而不仅减小了对胶垫厚度的要求，而且有效地保证了大面积焊头的接触和焊接质量。

很显然，可补偿或消除微小倾角的大小与弹性胶垫的厚度有关。一般来说，使用的弹性胶垫的厚度越大，则可补偿或消除的接触倾角的角度就越大。但由于声波在弹性体材料中的传输会产生一定的衰减，所以胶垫的厚度须控制在不影响声波传输的范围内。

本发明在纳米焊接过程中，通过加入一定厚度的弹性胶垫，可以有效地自动调节焊头和样品的平行度，且不会对声波的传输能量产生明显的损失。因此，本发明所提供的自动调节焊头和样品之间平行度的方法是一种既简单又高效的微倾角调整方法，可以有效地解决大面积纳电子器件制备中的一维纳米材料与金属的接触问题。

附图说明

图1是用弹性胶垫补偿微小倾角的示意图；

图2是胶垫表面质点在压力作用下的位移示意图；

图3是声波传输过程中样品沿厚度方向的质点位移示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：

焊头为面积为1cm²的氧化铝超硬平面焊头，被焊接材料为单壁碳纳米管。使用介电泳沉积的方法将单壁碳纳米管排布在间距为1.5微米的钛微电极之间；弹性胶垫3采用硅橡胶材料，硅橡胶是将聚二甲基硅氧烷(PDMS)旋涂在3英寸玻璃衬底上，旋涂时转速为1500转/分，旋涂在玻璃上的厚度为50微米。将待焊样品2置于胶垫3上，胶垫3放置在已预先经过初步调平的俯仰台4上。对焊头施加0.4MPa静压力后，采用超声焊接频率为60kHz，超声振幅为20％，焊接时间为0.5秒的焊接参数对样品2进行焊接。对经超声焊接后的样品2，进行了电流-电压曲线测试。

结果表明，使用胶垫3焊接的样品2，压焊区域器件的接触电阻均有所减小，样品的接触电阻平均降低了2-3个量级。

实施例2

本实施例是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：

焊头为面积为1cm²的氧化铝超硬平面焊头，被焊接材料为多壁碳纳米管。使用电泳沉积方法将多壁碳纳米管沉积在钛金属电极表面，弹性胶垫3采用硅橡胶材料，硅橡胶垫的制备是将聚二甲基硅氧烷(PDMS)旋涂在3英寸硅衬底上，旋涂时转速为500转/分，旋涂在玻璃上的厚度为500微米。将待焊样品2置于胶垫3上，胶垫3放置在已预先经过初步调平的俯仰台4上。对焊头施加0.2MPa静压力后，采用超声焊接频率为60kHz，超声振幅为40％，焊接时间为2秒的焊接参数对样品2进行焊接。经超声焊接后的样品2进行场发射性能测试。

结果表明，使用胶垫焊接的样品，其场发射性能明显提高，发射电流密度增大，发射电流稳定性提高。

如图1所示，上述实施例原理图，图中：焊头1、放置在二维俯仰台(样品台)4上的样品2以及填衬两者之间的胶垫3。具体实施时：

第一步，将弹性胶垫3放在二维俯仰台4上，样品2放在弹性胶垫3上，焊头1在样品2的上方并与样品2接触；

第二步，用二维俯仰台4粗略调节焊头1和样品2之间的平行度，使二者尽量平行，通过调节二维俯仰台4倾斜程度弥补焊头1安装时所产生的水平误差；

第三步，对焊头1施加一定的静压力，焊头1下压时，样品2的接触部位受到来自焊头1所施加的静压力，相应部位的弹性胶垫3在受到样品2所传递的静压力之后产生弹性形变向下位移，而原先未与焊头1相接触的样品2的接触部位则会顺势地向上位移，从而可以有效地消除焊头1和样品2之间由于微小倾角所产生的间隙，实现接触平面的平行和接触压力的均匀分布。

第四步，施加超声功率，将样品表面的纳米材料压入金属电极内。

上述实施例中，焊头1是由不锈钢、金刚石或氧化铝等材料所制成的超硬焊头，其可焊接尺寸为厘米量级，平面粗糙度小于0.5纳米，以便于保证焊头和样品的紧密接触。焊头1是一种大面积的平面结构，面积为0.01cm²-9cm²。

上述实施例中，样品2为衬底表面预制有微电极和待焊接低维纳米材料的平面基片，微电极可以是金属薄膜或图形化后的金属电极条，低维纳米材料可以是纳米管、纳米线、纳米晶须、纳米颗粒，样品衬底可以由硅片、玻璃、陶瓷、金属材料制成，样品既可以是分割后的小尺寸样品，也可以是整片大尺寸样品。

上述实施例中，二维俯仰台4(样品台)，其调节倾角的精度为0.001度。

上述实施例中，胶垫3为一定厚度的弹性薄片，可以由硅橡胶、橡胶或其他高分子弹性材料制成，一般来说，胶垫3可以是采用旋涂方法在具有较高平整度、光洁度的硅片、玻璃、陶瓷、金属等衬底上制备而成且具有一定厚度的薄膜。很显然，可补偿或消除微小倾角的大小与弹性胶垫的厚度有关。一般来说，使用的弹性胶垫的厚度越大，则可补偿或消除的接触倾角的角度就越大。但由于声波在弹性体材料中的传输会产生一定的衰减，所以弹性胶垫的厚度须控制在不影响声波传输的范围内。

图2是计算得到的胶垫表面质点在压力作用下的位移示意图，模拟了胶垫表面的形变位移。在模拟计算中，所采用的弹性胶垫的典型厚度分别为0、250微米和500微米，假设样品2为厚度500微米的硅片，弹性胶垫3的成分为硅橡胶(PDMS)，施加的压力为88牛。在胶垫3厚度为0时，胶垫3表面(此时即为样品底部)几乎没有发生形变；而当厚度为250微米时，胶垫沿着受力中心点出现明显形变位移，随胶垫厚度的增加，形变的位移量也有所增加。从受力中心点到中心轴的倾角可以由形变位移求出，在胶垫3厚度分别为250微米和500微米时，胶垫的倾角分别为可达到0.015度和0.02度。理论计算结果表明：在局部受力的压力作用下，样品2和弹性胶垫3都发生了倾斜，且在胶垫厚度为500微米时，弹性胶垫3所产生倾斜的角度足以补偿和消除小于俯仰台调节精度的微小倾角。

在纳米焊接工艺中，还必须要求胶垫3的加入不能影响超声波的传输，否则声波能量不能有效传递到被焊接材料，严重影响焊接效果。图3是通过理论计算得到的声波传输过程中样品沿厚度方向的质点位移示意图。分别表示了在没有弹性胶垫3以及弹性胶垫3的厚度为250微米、500微米三种情况下的样品质点位移沿厚度方向的分布，其纵轴为任意单位的相对值，横轴为硅片沿厚度方向的坐标。在理论计算中，假设声波频率为60kHz，样品2为厚度500微米的硅片，弹性胶垫3成分为硅橡胶(PDMS)。从图3中可以看出，在加入弹性胶垫3后之，声波的质点位移有一定的衰减，但衰减程度仍旧较小。即使加入500微米的弹性胶垫3之后，样品2的硅片表面的质点位移的衰减仅约0.001％，折算成能量衰减大约为0.31％。

Claims (6)

1.一种适用于超声纳米焊接中焊头与样品的平行度调节方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，将弹性胶垫放在二维俯仰台上，样品放在弹性胶垫上，焊头在样品的上方并与样品接触；

第二步，用二维俯仰台粗略调节焊头和样品之间的平行度，使二者尽量平行，通过调节二维俯仰台的倾斜程度弥补焊头安装时所产生的水平误差；

第三步，对焊头施加静压力，焊头下压时，样品的接触部位受到来自焊头所施加的静压力，弹性胶垫在受到样品所传递的静压力之后产生弹性形变向下位移，而原先未与焊头相接触的样品的接触部位则会顺势地向上位移，从而消除焊头和样品之间由于微小倾角所产生的间隙，实现接触平面的平行和接触压力的均匀分布；

第四步，施加超声功率，将样品表面的纳米材料压入金属电极内；

所述的弹性胶垫，是利用匀胶机将液态的弹性材料旋涂在硅片、玻璃、陶瓷或金属平面基片上形成的，其厚度为50-500微米；

所述的样品，其衬底表面预制有微电极和待焊接低维纳米材料，微电极是金属薄膜或图形化后的金属电极条，低维纳米材料是碳纳米管，样品衬底是硅片、玻璃、陶瓷、金属材料制成。

2.如权利要求1所述的适用于超声纳米焊接中焊头与样品的平行度调节方法，其特征是，所述的二维俯仰台，其调节倾角的精度为0.001度。

3.如权利要求1所述的适用于超声纳米焊接中焊头与样品的平行度调节方法，其特征是，所述的焊头的可焊接尺寸为厘米量级，平面粗糙度小于0.5纳米。

4.如权利要求1或3所述的适用于超声纳米焊接中焊头与样品的平行度调节方法，其特征是，所述的焊头是一种平面结构，面积为0.01cm²-9cm²。

5.如权利要求1所述的适用于超声纳米焊接中焊头与样品的平行度调节方法，其特征是，所述的静压力为0.2-0.4MPa。

6.如权利要求1所述的适用于超声纳米焊接中焊头与样品的平行度调节方法，其特征是，所述的超声功率为60kHz，超声振幅为20％-40％，焊接时间为0.5-2秒。

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