CN1326436C - 微型构件接合方法 - Google Patents
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Abstract
一种微型构件接合方法，用以将一具有接合面的微型构件与工件接合，其包括以下步骤：(a)镀设一低熔点金属薄膜于该接合面上；(b)将该工件贴靠于该低熔点金属薄膜上；及(c)加热使该低熔点金属薄膜呈熔融状态，并于该微型构件及该工件上施加一使该接合面与该工件相互靠近的力，使该微型构件与该工件接合在一起。本发明的微型构件接合方法，技术难度较低，制作成本较低，适合大批量生产。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种接合方法，特别是涉及一种微型构件的接合方法。
【背景技术】
微系统技术是指制造体积微小、具有一定功能且自成系统的结构的技术，一般如微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)、微机光系统(Micro-Optic-Mechanical System，MOMS)，以及微光机电系统(Micro-Electro-Mecha-Optical System，MEMOS)等，均属于微系统技术的领域。由于微系统可广泛地应用于资讯电子、光电通讯、精密机械、环保监控、医疗生化等领域，并可大幅提升各个领域的技术水准，因此是现今科技发展的关键技术领域，而其中又以厘米(mm)级至微米(μm)级的微型结构的制造技术扮演极为重要的角色。
然而，如欲运用现有的接合方式，将微型构件接合形成微型结构时，则因技术困难度及制造成本极高，而成为微系统技术的一大障碍。
一般微型结构的微型构件间的接合方法，包含下列几种：
1)高分子粘胶接合：其主要是通过高分子粘着剂的粘着效果达到接合该等微型构件的功效，具有简单、快速等优点，但由于难以控制涂布的均匀度，以及高分子粘着剂的粘性造成涂布后存在一定厚度等问题，且对于应用温度以及化学药剂的反应较为敏感，因此实施于微米级的微型构件接合上具有接合界面长久使用的可靠度问题。
2)扩散接合(diffusion banding)：其接合方法则是利用高压高温加热使待接合的构件于接触部分形成融熔状态，同时施加以压力使该待接合的构件相互紧迫，并持续一段相当长的时间，使该待接合的构件的材料彼此相互扩散而达到接合的效果。其优点在于因接触部分是在融熔状态或接近融熔状态时进行彼此扩散，所以退火后接触部分不会产生明显的接合界面，且接触部分接合缺陷较少，使得接合强度较佳。另一方面，由于接合过程中该等构件的材料是在融熔状态或接近融熔状态进行扩散接合，因此接合后的结构能承受低于该材料熔点的高温环境，有利于所接合形成结构的应用。
然而由于扩散接合的过程中需在融熔状态或接近融熔状态并施以相当大的力量，因此当待接合者系微形构件时，施压容易造成该等待接合的微型构件变形，甚至丧失原先设计的功能，例如微型流道断面的改变，便会使得整体流道系统效率受影响，甚至失效；因此难以适用于微形构件与其他工件间的接合，特别是微型构件与微型构件间的接合，纵算其材料如弹性模数等的材料常数再大，由于该等微型构件的尺寸均相当细小，导致该等微型构件的结构强度仍相当有限，而难以实际应用或者在信赖度上存有高度的疑虑，所以微米级的微型构件无法以此方法有效地达成接合的目的，或者至少其良率甚低。同时，由于微型构件不易施以机械研磨使表面粗糙降低，使得施加予该两微型构件相互紧迫的压力无法降低。因此高融熔温度(以铜为例达900℃以上)、接合时间长、接合压力大、低表面粗糙度等需求，造成此方法在微型构件接合量产不易。
3)扩散软焊：其接合方法是先于待接合构件其中之一的接合面上蒸镀或溅镀一层低熔点金属，而后将另一构件叠合于其上，并以治具固定施压在高真空炉加温进行接合，使该低熔点金属扩散至该等微型构件内与构件表面金属反应形成反应层，因此具有低温接合，且于接合后能应用于高温环境的优点。然而，由于以此方法进行微型构件的接合时，对于微型构件的接合面的平整度，以及蒸镀一层低熔点金属的技术要求相当高，不论是制程的环境控制，或者是该低熔点金属的大面积蒸镀或溅镀厚度均匀度相当难以控制，因此导致以此方法进行该等微型构件接合的效果相当不稳定。再者，与扩散接合法一样，以此方法接合微型构件对表面粗糙度的要求甚高，同时大面积批制问题大，造成本居高不下。
因此现有的方法不是会破坏微型构件的初始结构，便是其接合方法成本与技术难度高，以致于难以广泛地运用于微型构件的接合，达到大量且低成本的制造优势。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种能应用于微型结构制作的微型构件接合方法，技术难度较低，制作成本较低，并且适合大批量生产。
为了达到上述目的，本发明提供一种微型构件接合方法，是将一具有一接合面的微型构件与一工件接合，其特征在于：该微型构件接合方法包含下列步骤：
(a)镀设一低熔点金属薄膜于该接合面上；
(b)将该工件贴靠于该低熔点金属薄膜上；
该步骤(b)可包含下列步骤：
(b-1)将该工件贴靠于该微型构件上；
(b-2)以一磁铁同时贴靠该微型构件与该工件以使它们相互对齐；及
(b-3)移除该磁铁。
(c)加热使该低熔点金属薄膜呈熔融状态，并于该微型构件及该工件上施加一使该接合面与该工件相互靠近的力，使该微型构件与该工件接合在一起。
本发明的微型构件接合方法还可以包括以下附加的技术特征：
该步骤(c)是加热到160℃至280℃。
该步骤(c)是施加5至40kg/cm2的力。
该步骤(c)的状态维持5分钟至60分钟。
该微型构件的材料可为金属或半导体。
该微型构件的材料为铜，而该低熔点金属薄膜的材料可以是锡金属或锡铋合金或锡铟合金或锡铜合金。
该低熔点金属薄膜的厚度为5μm至10μm。
该步骤(a)可以电镀的方式将该低熔点金属薄膜沉积于该接合面上。
该微型构件接合方法更可包含于步骤(a)前的下列步骤：
(d)对该接合面进行表面处理。
本发明还提供一种微型构件接合方法，用以使两个分别具有一接合面的微型构件相接合，其特征在于：该微型构件接合方法包含下列步骤：
(a)镀设一低熔点金属薄膜于其中之一该接合面上；
(b)将另一接合面贴靠于该低熔点金属薄膜上；
该步骤(b)可包含下列步骤：
(b-1)叠合该二微型构件；
(b-2)以一磁铁同时贴靠该二微型构件使它们相互对齐；及
(b-3)移除该磁铁。
(c)加热使该低熔点金属薄膜呈熔融状态，并于该二微型构件上施加一使该二接合面相互靠近的力使该二微型构件相接合。该步骤(c)是加热到160℃至280℃。
该步骤(c)是施加5至40kg/cm2的力。
该步骤(c)的状态维持5分钟至60分钟。
该二微型构件的材料可为金属或半导体。
该二微型构件的材料为铜，而该低熔点金属薄膜的材料可为锡金属或锡铋合金或锡铟合金或锡铜合金。
该低熔点金属薄膜的厚度为5μm至10μm。
该步骤(a)可以电镀的方式将该低熔点金属薄膜沉积于该二接合面其中之一接合面上。
该微型构件接合方法更可包含于步骤(a)前的下列步骤：(d)对该二接合面其中之一进行表面处理。
【附图说明】
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：
图1是本发明微型构件接合方法的第一较佳实施例的一侧面示意图，说明一微型构件及一工件的构造；
图2是该第一较佳实施例的一平面图，说明一铜箔形成有数个微型构件；
图3是该第一较佳实施例的一平面图，说明另一铜箔形成有数个工件；
图4是该第一较佳实施例的一流程图；
图5是该第一较佳实施例的一侧面示意图，说明于该微型构件上镀设一低熔点金属薄膜；
图6是该第一较佳实施例的一侧面示意图，说明将该工件贴合于该低熔点金属薄膜上；
图7是该第一较佳实施例的一侧面示意图，说明该等铜箔于一热压机上对位的方式；
图8是图7中沿线VIII-VIII的剖面示意图，说明该热压机的下热压板的俯视状态；
图9是该第一较佳实施例的一侧面示意图，说明该微型构件及该工件彼此接合并形成介金属区域；
图10是本发明微型构件接合方法的第二较佳实施例的一平面示意图，说明两微型构件的构造；
图11是该第二较佳实施例的一流程图；
图12是该第二较佳实施例的一侧面示意图，说明于该等微型构件其中之一上镀设一低熔点金属薄膜；
图13是该第二较佳实施例的一侧面示意图，说明将该等微型构件其中另一贴合于该低熔点金属薄膜上；及
图14是该第二较佳实施例的一侧面示意图，说明该等微型构件彼此接合并形成介金属区域。
【具体实施方式】
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的二较佳实施例的详细说明中，将可清楚的明白。在提出详细说明前，要注意的是，在以下的叙述中，类似的元件是以相同的编号来表示。
如图1所示，本发明微型构件接合方法的第一较佳实施例是用于将一具有一接合面11的微型构件1与一工件2接合，在本实施例中，该微型构件1是一以铜为材料所制成的槽道结构，具有一厚度为100μm的底板12，以及数个由该底板12呈一角度延伸、且高度为100μm的侧壁13，该接合面11则是形成于该等侧壁13远离该底板12的顶缘，而该等相邻两侧壁13间隔为100μm，通过该底板12与该等侧壁13能界定出数个槽道10。该工件2则为一以铜为材料所制成且厚度为200μm的盖板，并具有一与该微型构件1的接合面11配合的待接合面21。因此当该工件2接合于该微型构件1的侧壁13远离该底板12处的接合面11上时，便能通过该底板12、该等侧壁13，以及该工件2界定出一流道结构。
虽然在本实施例中，该微型构件1与该工件2均是以铜金属为材料制成，但并非以此为限，该微型构件1与该工件2不但能分别以不同材料的金属制成外，更能以包含如硅晶等其他半导体材料制成，关于该微型构件1与该工件2的材料选择容后再述。但须强调的是，如图2及图3所示，在此是以两片尺寸同样为3cm×3cm×0.25cm的铜箔6、6’分别形成多数个上述的微型构件1与工件2，使其得以大量批造，至于上述的微型构件1与工件2的数目，则视各元件尺寸大小，以及如上述铜箔6、6’等所采用进行制作的材料的大小决定，在此虽举面积为3cm×3cm的铜箔6、6’为例，但非以此为限，当知其他如22cm×26cm，甚至以上的尺寸，也都能应用于本发明中。
如图4所示，本发明微型构件接合方法包含下列步骤：
步骤100，如图1至图3所示，对该微型构件1的该接合面11及该工件2的该待接合面21进行表面处理。本步骤是为了清洁该接合面11及该待接合面21，以避免因该接合面11或该待接合面21受污染而影响接合效果；其通常是以蒸馏水，或者利用化学溶剂进行清洗。在本实施例中，由于该微型构件1与该工件2均形成于以铜所制成的该等铜箔6、6’上，所以本步骤是先以浓度在10％到50％范围内的硝酸溶液清洗该接合面11与该待接合面21，再以清水冲洗该接合面11与该待接合面21，最后使该接合面11与该待接合面21干燥，并立即进行下一步骤。
步骤102，如图1及图5所示，镀设一低熔点金属薄膜3于该微型构件1的接合面11上。在本实施例中，该低熔点金属薄膜3的材料为锡金属，并且是采用电镀的方式快速地沉积厚度7μm的该低熔点金属形成薄膜3于该铜箔6(见图2)的各该微型构件1的接合面11上。当然，由于该低熔点金属薄膜3是用于焊接该微型构件1及该工件2，所以该低熔点金属薄膜3的材料并不限定为锡金属，其也可以是锡铟合金、锡铋合金及锡铜合金其中之一，以及其他包含锡金属的焊材，均能适用于本实施例中；同样地，该低熔点金属薄膜3的厚度也非以7μm为限，由于在本实施例中，该等侧壁13高度100μm，因此该低熔点金属薄膜3的厚度小于10μm均具有相当良好的焊接效果，也就是在不破坏微型结构的条件下达成良好的接合界面，其中又以厚度为5μm至8μm为佳。
在本实施例中，虽是以电镀的方式将该低熔点金属薄膜3镀设于该微型构件1的接合面11上，但并非以此方式为限，其他如溅镀及蒸镀等能将该低熔点金属薄膜3沉积于该接合面11上的方法，也都适用于本发明中。因此只就本步骤而言，只要能供该低熔点金属薄膜3以电镀、溅镀，以及蒸镀等镀设方式沉积于其上的材料，均能作为制作该微型构件1及该工件2的材料。
步骤104，如图6所示，将该工件2的待接合面21贴靠于该已镀设于该微型构件1的接合面11表面上的低熔点金属薄膜3远离该微型构件1侧。在本实施例中，以热压机(见图7)将该微型构件1与该工件2加热，同时施加力量使该微型构件1与该工件2相互靠近，其对位方式则如图7及图8所示。由于一般热压机5具有一供承载物品的下热压板51，以及一与该下热压板51相对的上热压板52，因此，配合图2及图3所示，在本发明中，为使该微型构件1及该工件2正确对位，是先在各该下热压板51上标记摆放记号53，例如图中的”L”形记号。随后将形成有该微型构件1及该工件2的铜箔6、6’叠合置放于邻近该等记号53标示处。再取一磁铁54靠近该等形成有该微型构件1及该工件2的铜箔6、6’，使该磁铁54吸引该等铜箔6、6’，并使它们对齐，在本实施例中，该磁铁54与各该记号53同样呈”L”形。最后再移开磁铁54，由于该等形成有该微型构件1及该工件2的铜箔6、6’只是以其较薄的侧边贴靠于磁铁54上，因此能在不移动该等铜箔6、6’的情况下，移除该磁铁54，完成该微型构件1及该工件2的精确对位。
步骤106，如图9所示，加热使该低熔点金属薄膜3呈熔融状态，并施加一力量于该微型构件1及该工件2上，使该微型构件1的接合面11与该工件2的待接合面21相互靠近。在本步骤中是以热压机(见图7)将该微型构件1与该工件2加热到160℃至280℃的温度范围内以进行接合，而以加热到180℃至250℃的温度范围内为较佳；并同时施加5至40kg/cm2的力量使该微型构件1与该工件2相互靠近。当加热的范围与施加力量的大小达到上述状态后，稳定地在5分钟至60分钟的时间内维持此一状态，使该低熔点金属薄膜3的锡金属材料扩散进入该微型构件1及该工件2的铜金属材料内，形成铜锡介金属区域4，完成该微型构件1与该工件2的接合作业。
由于本步骤是同时运用加热与施力的方式使该低熔点金属薄膜3扩散进入该微型构件1与该工件2内，而质变为熔点较高的介金属材料，所以就本步骤而言，只要能与该低熔点金属薄膜3的材料于适当的温度及压力下形成介金属区域4的材料，均能作为制作该微型构件1及该工件2的材料。
依上述步骤完成接合后，该微型构件1的接合面11与该工件2接触部分形成有介金属区域4，因此使得接合后的微型结构能在高于该低熔点金属薄膜3的材料熔点的环境下工作；更由于扩散的效果，使得该微型构件1与该工件2间的接合强度能达到该介金属材料所具有的强度。
以下则说明当该工件2为另一微米级的微型结构时，应用本发明进行接合的方法。如图10所示，本发明微型构件接合方法的第二较佳实施例是用于接合两分别具有一接合面11、11’的微型构件1、1’，在本实施例中，各该微型构件1、1’是一以铜为材料所制成的槽道结构，但并不以此为限。各该微型构件1、1’具有一厚度为100μm底板12、12’，以及数个由各该底板12、12’呈一角度延伸、且高度为100μm的侧壁13、13’，该接合面11、11’同样是形成于该等侧壁13、13’远离各该底板12、12’的顶缘，而各该等相邻两侧壁13、13’间隔均为100μm，且与各该底板12、12’配合能分别界定出数个槽道10、10’。当该等微型构件1的接合面11与另一微型构件1’的接合面11’相接合时，便能定义出一由数个槽道10、10’组成的流道结构。如图11所示，本发明微型构件接合方法包含下列步骤：
步骤200，对该等微型构件1、1’的个别接合面11、11’进行表面处理。首先是以一如硝酸溶液等的化学溶剂清洗该等接合面11、11’，再以清水冲洗，最后使其干燥并立即进行下一步骤。
步骤202，如图12所示，镀设一低熔点金属薄膜3于该等微型构件1的接合面11上。在本实施例中，该低熔点金属薄膜3是以电镀的方式沉积厚度7μm的锡铟合金于该等接合面11上而形成的，但并不是以此材料，也不是以此加工方式为限。
步骤204，如图13所示，将另一微型构件1’的接合面11’贴靠于该低熔点金属薄膜3上；其对位方法与上述步骤104大致相同，但由于另一微型构件1’也形成有结构，因此对位时应注意其方向。
步骤206，如图14所示，加热使该低熔点金属薄膜3呈熔融状态，同时施加一力量于该等微型构件1上，使该等微型构件1、1’个别的接合面11、11’相互靠近。在本实施例中是以热压机5(见图7)将该等微型构件1、1’加热到180℃至250℃的温度范围内，同时施加10kg/cm2的力量使该等微型构件1、1’相互靠近；并在此一状态下维持10分钟，使该低熔点金属薄膜3扩散进入该等微型构件1与1’的侧壁13、13’内，通过温度与压力使不同材料的分子互相结合，形成介金属区域4，完成该等微型构件1、1’的接合作业。
综上所述，本发明微型构件接合方法以电镀的方式将该低熔点金属薄膜3镀设于该微型构件1的接合面11上，因此能以较简单且成本较低的方式在短时间的内将该低熔点金属薄膜3以微米层级的厚度大面积且均匀地分布于该接合面11上，完全克服过往以高分子粘胶接合所面临涂布不均的困境，与扩散软焊因焊材镀设成本与沉积厚度所造成生产成本过高，以及接合面平坦度、焊材、焊材镀设厚度和制程的环境控制等技术困难度较高等的问题。
此外，更由于本发明微型构件接合方法是以热压方式施加5至40kg/cm2的力量使该微型构件1与该工件2或另一微型构件1’紧迫贴合，因此不但能加速缩短该微型构件1与该工件2或另一微型构件1’接合所需时间外，更不会破坏该微型构件1(与另一微型构件1’)的初始结构，且能以较低的技术困难度与制作成本广泛地运用于微型构件的接合，使其达到大量且低成本的制造优势，充分符合本发明的目的。
Claims (18)
1.一种微型构件接合方法，是将一具有一接合面的微型构件与一工件接合，其特征在于：该微型构件接合方法包含下列步骤：
(a)镀设一低熔点金属薄膜于该接合面上；
(b)将该工件贴靠于该低熔点金属薄膜上；
该步骤(b)包含下列步骤：
(b-1)将该工件贴靠于该微型构件上；
(b-2)以一磁铁同时贴靠该微型构件与该工件以使它们相互对齐；及
(b-3)移除该磁铁，
(c)加热使该低熔点金属薄膜呈熔融状态，并于该微型构件及该工件上施加一使该接合面与该工件相互靠近的力，使该微型构件与该工件接合在一起。
2.如权利要求1所述的微型构件接合方法，其特征在于：
该步骤(c)是加热到160℃至280℃。
3.如权利要求2所述的微型构件接合方法，其特征在于：
该步骤(c)是施加5至40kg/cm2的力。
4.如权利要求2所述的微型构件接合方法，其特征在于：
该步骤(c)的状态维持5分钟至60分钟。
5.如权利要求1所述的微型构件接合方法，其特征在于：
该微型构件的材料为金属及半导体其中之一。
6.如权利要求5所述的微型构件接合方法，其特征在于：
该微型构件的材料为铜，而该低熔点金属薄膜的材料为锡金属、锡铋合金、锡铟合金及锡铜合金其中之一。
7.如权利要求1所述的微型构件接合方法，其特征在于：
该低熔点金属薄膜的厚度为5μm至10μm。
8.如权利要求1所述的微型构件接合方法，其特征在于：
该步骤(a)是以电镀的方式将该低熔点金属薄膜沉积于该接合面上。
9.如权利要求1所述的微型构件接合方法，其特征在于：
该微型构件接合方法更包含于步骤(a)前的下列步骤：
(d)对该接合面进行表面处理。
10.一种微型构件接合方法，用以使两个分别具有一接合面的微型构件相接合，其特征在于：该微型构件接合方法包含下列步骤：
(a)镀设一低熔点金属薄膜于其中之一该接合面上；
(b)将另一接合面贴靠于该低熔点金属薄膜上；
该步骤(b)包含下列步骤：
(b-1)叠合该二微型构件；
(b-2)以一磁铁同时贴靠该二微型构件使它们相互对齐；及
(b-3)移除该磁铁，
(c)加热使该低熔点金属薄膜呈熔融状态，并于该二微型构件上施加一使该二接合面相互靠近的力使该二微型构件相接合。
11.如权利要求10所述的微型构件接合方法，其特征在于：
该步骤(c)是加热到160℃至280℃。
12.如权利要求11所述的微型构件接合方法，其特征在于：
该步骤(c)是施加5至40kg/cm2的力。
13.如权利要求11所述的微型构件接合方法，其特征在于：
该步骤(c)的状态维持5分钟至60分钟。
14.如权利要求10所述的微型构件接合方法，其特征在于：
该二微型构件的材料为金属及半导体其中之一。
15.如权利要求14所述的微型构件接合方法，其特征在于：
该二微型构件的材料为铜，而该低熔点金属薄膜的材料为锡金属、锡铋合金、锡铟合金及锡铜合金其中之一。
16.如权利要求10所述的微型构件接合方法，其特征在于：
该低熔点金属薄膜的厚度为5μm至10μm。
17.如权利要求10所述的微型构件接合方法，其特征在于：
该步骤(a)是以电镀的方式将该低熔点金属薄膜沉积于该二接合面其中之一接合面上。
18.如权利要求10所述的微型构件接合方法，其特征在于：
该微型构件接合方法更包含于步骤(a)前的下列步骤：
(d)对该二接合面其中之一进行表面处理。
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