JP2006055909A - 反応性多層フォイルを使用した二物体の結合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 反応性多層フォイルを使用して二つの物体を強固に結合する方法の提供。
【解決手段】 二つの物体１２の間に反応性多層フォイル１４を配し、両物体を押圧し、反応フォイルに着火１５する。
【選択図】 図３

Description

〔発明の詳細な説明〕
発明の分野
本願は、局所的な熱源として有用な反応性多層フォイル、特に自立形多層フォイルに関する。

発明の背景
反応性多層被膜は、平らな区域で強力な、制御された量の熱を発生する必要がある広範囲な用途に有用である。かかる構造は、通常、一連の基材に支持された被膜を含んでなり、これらの被膜が、適切な励起により、発熱的化学反応を起こし、この反応がこれらの層により覆われる区域に亘って広がり、正確に制御された量の熱を発生する。以下、これらの反応性被膜を主として溶接、半田付け、またはろう付け用の熱源として説明するが、これらの被膜は、制御された局所的な発熱を必要とする他の用途、例えば推進および着火等にも使用できる。

材料を接続または接合する多くの方法においては熱源が必要になる。この熱源は、接合すべき構造に対し外部にあっても内部にあってもよい。外部にある場合、熱はある装置、例えば炉から発生させることができる。かかる熱源を取り入れる方法では、バルク材料および結合材料を含む結合すべき全部材を、結合材料を融解させるのに十分な高い温度に加熱する必要がある。かかる方法は、接合すべきバルク材料が、その方法に必要とされる高温に対して繊細または敏感であることが多いので、問題を引き起こす。これらの高温は、結合すべき材料を損傷することがある。

外部熱源に関連する問題を緩和するために、内部熱源が使用される。これらの熱源は、反応性粉末、さらには電線の形態をとることが多い。反応性粉末を使用する場合、自己伝播反応で発熱反応し、最終的な化合物または合金を形成する金属または化合物の混合物を利用する。かかる方法は、１９６０年代初期に自己伝播粉末が開発された時から存在し、いわゆる自己伝播高温合成（ＳＨＳ）を生み出した。しかし、ＳＨＳ反応は、自己伝播させるためにかなり予備加熱する必要があり、エネルギーが放出される速度および様式を制御するのが困難であることが多い。その結果、結合状態が一定せず、不十分になることがある。

反応性粉末結合に伴う問題に対処するために、同様の発熱反応が可能な材料を含んでなる多層構造が開発されている。かかる構造により、より制御し易い、一定した発熱反応が可能になる。かかるＳＨＳ反応の背後にある基本的な駆動力は、原子結合エネルギーの減少である。反応性材料の一連の層を有する構造（フォイルと呼ばれる）に着火すると、個別の層が原子的に結合して熱が発生する。この熱がフォイルの隣接する区域に着火し、それによって反応を構造体全長に移動させ、すべての材料が反応するまで熱を発生する。しかし、結合技術におけるかかる進歩にも関わらず、問題は残っている。例えば、多くの材料に大きな難点があり、これまでは効果的に結合できなかった。さらに、熱源として反応性フォイルを使用する方法は、反応によりフォイルが基材から離れ、そのために結合が弱くなることが多かった。そのため、反応性多層フォイルを改良する必要がある。

発明の概要
本発明は、例えば着火、接合および推進に有用な局所的な熱源として反応性フォイルおよびそれらの使用を提供する。改良された反応性フォイルは、好ましくは自立形の多層フォイル構造であり、発熱および自己伝播反応で互いに反応する材料から選択された交互に存在する層から製造される。反応により、このフォイルは、例えば接合層に、または接合すべきバルク材料に直接作用させることができる局所性の高い熱エネルギーを供給する。このフォイル熱源により、事実上すべての環境（例えば空気、真空、水、等）下で室温において迅速に結合させることができる。接合材料を使用する場合は、フォイル反応が十分な熱を供給して接合材料を融解させ、接合材料は冷却により強力な結合を形成し、２以上のバルク材料を接合する。接合材料を使用しない場合は、フォイル反応が少なくとも２つのバルク材料に熱を直接に供給し、各バルクの一部をそれぞれ融解させ、その材料が冷却により強力な結合を形成する。さらに、フォイルを、開口を有する様に設計し、フォイルを貫いて接合（またはバルク）材料が押し出され、結合を強化することができる。

添付の図面を参照しながら以下に記載する本発明の好ましい実施形態の詳細な説明から、本発明の多くの優位性、特徴、および用途は明らかである。
これらの図面は、本発明の概念を例示するためであり、原寸ではない。

詳細な説明
本発明の好ましい実施形態および用途を以下に説明する。本発明の精神または範囲から離れることなく、他の実施形態を実現することができ、組成的または構造的な変更を行うことができる。ここに記載する実施形態は、自立形の自己伝播反応性フォイル構造を使用するバルク材料の接合または結合として特に説明するが、無論、本発明は、強力な局所的熱源を必要とする他の使用または用途にも応用することができる。

本発明の好ましい実施形態により、多層反応性構造（ここでは一般的に「フォイル」と呼ぶ）を様々な用途、例えば２以上の（同一の、または異なった）材料を一つに接合するための方法における局所的な熱源として提供する。図１に示す様に、反応性多層フォイル１４は、それぞれ材料ＡおよびＢの交互に存在する層１６および１８から製造される。これらの交互層１６および１８は、刺激に応答して隣接する原子を混合し（または化学結合を変化させ）易いあらゆる材料であることができ、ケイ化物（例えばＲｈ／Ｓｉ、Ｎｉ／Ｓｉ、およびＺｒ／Ｓｉ等）、アルミニウム化物（例えばＮｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｍｏｎｅｌ／Ａｌ、およびＺｒ／Ａｌ等）、ホウ化物（例えばＴｉ／Ｂ）、炭化物 （例えばＴｉ／Ｃ）、テルミット反応化合物（例えばＡｌ／Ｆｅ₂Ｏ₃またはＡｌ／Ｃｕ₂Ｏ）、合金、金属ガラス、および複合材料（例えば金属セラミック）を包含する。
反応性フォイルの製造に使用する材料（Ａ／Ｂ）は化学的に異なっていることが好ましい。好ましい実施形態では、層１６、１８は、遷移金属（例えばＴｉ、Ｎｉ等）および軽い元素（例えばＢ、Ａｌ等）の間で交互に入れ替わる。好ましくは、元素の対（Ａ／Ｂ）は、ここにその全文を参考として含める、Ｔ．Ｐ．Ｗｅｉｈｓ，“Ｓｅｌｆ−Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”、 Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９７に記載されている様に、大きな負の生成熱および高い断熱反応温度で安定した化合物を形成する様に選択する。好ましい実施形態では、反応性フォイルの少なくとも１層はＡｌである（またはＡｌを含む）。

多層フォイル１４が、例えばその一端で刺激（例えばスパーク、エネルギーパルス等）にさらされると、材料ＡおよびＢに由来する隣接する原子同士が区域３０で示す様に混合する。この混合により引き起こされる化学結合の変化が原子結合エネルギーを下げ、発熱化学反応で熱を発生する。この化学結合の変化は、Ａ−Ａ結合を含む層（すなわち層１６）とＢ−Ｂ結合を含む層（すなわち層１８）がＡ−Ｂ結合に変換されることにより起こり、それによって各層に保存されていた化学エネルギーを下げ、熱を発生させる。図１にさらに示す様に、この発生した熱がフォイル１４を通して（反応した区域３０から反応区域３２を通り、未反応区域３４の方向に）拡散し、未反応層のさらなる混合を開始する。その結果、自己持続性／自己伝播性反応（ＳＨＳ反応）がフォイル１４中を通って次々に起こる。十分に大きく、急速な発熱を伴い、反応はフォイル全体に亘って、典型的には１ｍ／ｓを超える速度で伝播する。この反応は周囲の環境から（例えば、燃焼の場合の酸素の様な）追加の原子を必要としないので、この反応はフォイル１４を、熱と光を爆発的に放出することができる独立したエネルギー源として１４００Ｋを超える温度および１０⁹Ｋ／ｓに達する局所的な加熱速度に達する。このエネルギーは、熱を急速に局所的に発生させる必要がある用途（例えば接合、着火等）に特に有用である。

反応が、図１に示す様に多層フォイル１４内を通って伝播する場合、反応の最高温度は、典型的には反応区域３２の後縁部に存在する。これは、反応熱（ΔＨ_rx）、環境または周囲の材料へ向けて失われた熱（ΔＨ_env）、試料の平均熱容量（Ｃ_p）、および試料の質量Ｍにより決定される反応最終温度と考えられる。最終温度を決定する際のもう一つのファクターは、反応温度が最終生成物の融点を超えるか否かである。反応温度が融点を超える場合、一部の熱は生成物の、固体から液体への状態変化に吸収される。反応の最終温度は、最終生成物の融解が起こるか否かに応じて、下記の式（Ｔ₀は初期温度であり、ΔＨ_mは融解エンタルピーであり、Ｔ_mは生成物の融解温度であり、周囲の環境または材料との反応は無いものとする）、すなわち
最終生成物の融解が起こらない場合には
Ｔ_f＝Ｔ₀−（ΔＨ_rx＋ΔＨ_env）／（Ｃ_pＭ）、
固体および液体最終生成物の２相領域がある場合には
Ｔ_f＝Ｔ_m さらに
最終生成物が完全に融解する場合には
Ｔ_f＝Ｔ₀−（ΔＨ_rx＋ΔＨ_env＋ΔＨ_m）／（Ｃ_pＭ）
を使用して決定することができる。

複雑なことに、フォイル反応の熱には、フォイル１４の長さ方向に沿った反応の伝播速度が関係している。反応が伝播し得る速度は、原子がそれらの層に対して直角方向にどれだけ速く拡散するか（図１）、および熱がフォイル１４の長さ方向に沿ってどれだけ早く伝導されるかによって異なる。伝播速度は多層フォイル中の個々の層の厚さにより大きく影響される。個々の層１６、１８の厚さが減少するにつれて、拡散距離が小さくなり、原子はより迅速に混合し得る。熱がより速く放出されるので、反応はフォイル構造内を通ってより急速に進行する。

本発明の好ましい実施形態では、反応性多層フォイル１４は、物理的蒸着（ＰＶＤ）法により製造することができる。例えば、マグネトロンスパッタリング技術を使用し、材料Ａ／Ｂを基材（図１で層３５として破線の形で示す）上に交互に存在する層１６、１８として付着させることができる。材料Ａ／Ｂを交互の層１６、１８に層形成する技術分野で良く知られている様に基材３５を２個のスパッターガン上で回転させるとよい。

基材３５は、反応性フォイル１４を自立形のフォイルとして製造するための取り外し可能な層であることを示すために、破線で外形を示してある。基材３５は、蒸着の際はフォイル層を基材上に保持するのに十分な密着性を与えるが、蒸着の後にフォイルを基材から取り外せない程強くは密着しない様な特性を有するなら、どの様な基材（例えばＳｉ、ガラス、または他の下地層）でもよい。基材は、その密着性を微調整するために、剥離性材料または接着性材料からなる被膜を含むことができる。

必要な接着性を与えるために、フォイルの第一層（１６または１８）と基材３５の間の界面層として追加の湿潤層（例えばスズ）を使用するのが有利である。湿潤層を使用しない場合、基材上に付着させる第一層として適切な材料Ａ／Ｂを選択することにより、必要な密着性を確保する。例えば、湿潤層を使用せずに、Ａｌ／Monelを材料Ａ／Ｂとして使用する反応性フォイルを製造する場合、代表的な反応性フォイルは基材、例えばＳｉ上に付着させ、その第一層は基材上に付着させたＡｌである。かかる場合、Ａｌは蒸着の際にＳｉに十分に付着するが、フォイル形成の後は基材から剥離できるので、好ましくはＡｌを第一層として選択する。

製造されるフォイル１４は、数百〜数千の交互に積層した層１６および１８を有することができる。個々の層１６および１８は、好ましくは厚さが１〜１０００ｎｍである。好ましい実施形態では、フォイル１４の全厚は１０μｍ〜１ｃｍの範囲であることができる。

別の製造方法としては、材料を共付着結合構造状に付着させる方法である。この方法を使用することにより、両方の材料供給源を１個の基材上に向け、各材料供給源から来る原子フラックスを遮り、交互の層１６および１８を付着させる。別の方法では、全く遮らず、物理的に異なった原子フラックスを有する２個の材料供給源の上で基材を回転させる。この方法では、供給源上を通過する度に個別の層が形成される。

好ましくは、付着の際に起こることがある材料Ａ／Ｂの原子的混合を最少限に抑えるべきである。これは、特に多層１６および１８をスパッタリングにより付着させる場合、多層を冷却された基材上に付着させることにより達成できる。これにより、相互の混合が不可避である程度に比較的薄い（相互の未反応層と比較して）予め反応した材料２０の区域が形成される。かかる予め反応した区域２０はフォイル１４の中でさらに自然に反応するのを阻止するのに役立つので有益である。

別の実施形態では、多層反応性フォイルは、機械的な技術、例えば層状複合材料の反復圧延を使用して製造することができる。

図１に示す様に、好ましい反応性フォイル１４は、特に発熱源として使用される自立形多層反応性フォイルである。自立形フォイルは、「バルク」試料の様に取り扱えるので薄い膜よりも容易に試験することができる。反応性フォイル１４を自立形にすることにより、それらの可能な用途が大きく広がる。かかる反応性フォイルは必ずしも特定の用途に結びつけられるものではないので、自己伝播性の局所的熱源を必要とするあらゆる目的に向けて大量生産することができる。反応性多層フォイルにより被覆すべき大きな物体や繊細な物体を真空室に入れる必要が無いので、これら反応性フォイルの製造が制限を受け、または妨げられることは無い。その上、自立形フォイルは好ましくない基材による熱吸収を最少に抑えることができる。

本発明の好ましい実施形態による自立形フォイルは様々な用途に使用する様に設計することができる。例えば、自立形フォイルは、各材料からなる部材（ここでは「バルク材料」と呼ぶ）を一つに結合して一体化された製品を形成するのに使用できる。自立形フォイルは、あらゆる種類の結合、半田付け、ろう付け、溶接、または他の、バルク材料を接合するための種々の用途に使用できる。２以上のバルク材料１０を一つに接合する典型的な接合用途を図３に示す。バルク材料１０はセラミック、金属ガラス、金属／合金、重合体、複合材料、半導体および他の材料形態であることができる。

図３に示す特定の接合用途では、接合材料１２を使用してバルク材料１０同士を一つに接合する。接合材料１２は、融解してバルク材料１０同士を一つに接合する材料の層（または複合材料層）であることができる。接合材料１２は、金属ガラス、金属／合金、機能的に勾配を設けた層、Ｎｉ−Ｂ膜、半田、ろう材、自己伝播ろう材、それらの組合せ、または他の類似の接合材料から製造された自立形シートの形態であることができる。

本発明の好ましい実施形態では、反応性フォイル１４を接合材料１２同士の間に配置してサンドイッチ状構造を形成する。この様にして形成された反応性フォイルの「サンドイッチ」を好ましくはバルク材料１０同士の間の、バルク材料１０同士を一つに接合しようとする位置（例えば終点、継ぎ目、交差点等）に配置する。

あるいは、反応性フォイル１４を、接合材料１２で予め被覆されたバルク材料１０同士の間に配置する。

あるいは、反応性フォイル１４を接合材料１２同士の間に配置し、サンドイッチ状構造を形成する。この様にして形成された反応性フォイルの「サンドイッチ」を好ましくはバルク材料１０同士の間の、バルク材料１０同士を一つに接合しようとする位置（例えば終点、継ぎ目、交差点等）に配置する。バルク材料は最初に接合材料で被覆する。

接合工程では、力（図３では万力１１により象徴的に示す）を作用させて各バルク材料１０、各接合材料１２、および反応性フォイル１４の相対的な位置関係を維持する。すべての構成要素が共に押圧された自立形部品であることが有利である。別の実施形態では、接合材料１２は反応性フォイル１４との複合材料として押圧される。

接合処理するための各要素を配置した後、刺激（着火したマッチ１５として示す）を、好ましくは反応性フォイル１４の一端に作用させてＳＨＳ反応を開始する。反応性フォイル１４内部で原子が混合されることにより、接合材料１２を反応性フォイル１４の全長に亘って融解させるのに十分な急速で強力な熱が発生する。この状態で接合材料１２はバルク材料１０同士を一つに接合するのに十分である。その直後に、接合した材料１０は周囲の温度（例えば室温）に戻り、加えている力（万力１１により図式的に示す）を解除することができる。

接合材料１２および反応性フォイル１４から構成された複合材料構造は、反応性フォイル１４を接合材料１２の一つの層上に付着（例えば蒸着）させることにより形成することができる。次いで、接合材料のもう一つの層を蒸着または力の付与（例えば冷間圧延）によって反応性フォイル１４と結合させる。

反応性フォイル１４、各バルク材料１０、または双方の表面を濡れ易くするために湿潤／密着層を加えることができる。湿潤／密着層により、接合材料を一様に広げることができ、バルク材料を確実に接合することができる。湿潤／密着層は、接合材料（例えばろう材）、Ｔｉ、Ｓｎ、金属ガラス等の薄い層であることができる。市販の合金、例えばＡｇ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ、Ｃｕ−Ｔｉ、Ａｕ−Ｓｎ、およびＮｉ−Ｂも使用することができる。

本発明の好ましい実施形態は、総厚を増加した自立形反応性フォイル１４として使用することができるものである。かかる反応性フォイルの総厚は、フォイルの形成に利用する素層（例えば１６および１８）の厚さや数により異なる。１０μｍ未満のフォイルは、それ自体カールする傾向があるので取扱が非常に困難である。１００μｍのオーダーのフォイルは堅いので取り扱い易い。フォイルが厚い程、自己伝播反応がフォイル中で急冷される危険性も抑えられる。反応性フォイルを使用する接合用途においては、フォイルが発熱する速度と、熱が周囲のろう材層および形成すべき接合部の中に伝導される速度との間バランスに臨界性がある。熱が発生するより速く遠くに伝導する場合、反応は急冷されて接合部は形成できない。厚いフォイルは、発熱する体積は大きいが熱が通過して失われる表面積は等しいので急冷され難い。

厚いフォイルはより低い反応温度で使用することができ、一般的により安定したフォイルを与える。形成反応温度の高いフォイルは一般的に不安定であり、脆く、従って、危険で使用し難い。脆いフォイルは、例えば容易に亀裂を生じ、（弾性ひずみエネルギーの放出および摩擦により）フォイルを燃焼させる局所的なホットスポットを形成する。かかる脆いフォイルの（例えば特定接合サイズのための）裁断は、使用できない小片に割れたり、裁断工程中に発火する可能性が高いので、非常に困難である。自立形の厚いフォイルには、公知の方法において障害となっている熱衝撃および緻密化に関連する問題を解決し得るという優位性がある。どちらの現象もフォイル寸法の急速な変化に関連している。反応の際、フォイルは急速に加熱し、それを拘束している基材を越えて膨脹しようとする。これが熱衝撃につながり、基材上に付着したフォイルが脱離して、一定しない、効率の悪い結合を引き起こすことがある。反応が進行するにつれて、フォイルは、化学結合の変化により緻密化をも引き起こす。緻密化もまた基材からの脱離を引き起こし、一定しない、効率の悪い結合をもたらすことがある。本発明の好ましい実施形態によりフォイルを自立形にすることにより、脱離は起きず、フォイルの操作および取扱が容易になり、反応性フォイルをより様々な用途に使用することができる。

好ましい実施形態によれば、厚い反応性フォイルは５０μｍ〜１ｃｍのオーダーの厚さを有する。厚い自立形反応性フォイルを製造する多くの異なった方式を採用できるが、採用した方式に適合する製造条件は慎重に選択すべきである。例えば、付着条件、例えばスパッターガスおよび基材温度は、フォイルの膜がその方式で成長する際に応力が膜中で十分に低くあり続ける様に選択するのが有利である。膜中の応力とその厚さとの積が剥離するための駆動力になるので、応力と厚さの積は１０００Ｎ／ｍ未満に維持すべきである。応力は、製造工程中に膜内に生じることが多い。膜が厚くなるにつれて、薄い膜よりも基材から剥離するか、基材を壊し、最終的なフォイル製造を損なう可能性が高くなる。膜中の応力を特定し、応力を最少に抑える条件を選択することにより、フォイルの早過ぎる剥離や基材の損傷を引き起こすことなく、製造工程を完了することができる。

別の実施形態では、反応性フォイル中の開口をフォイル構造内に意図的に設計する。これらの開口は、接合し易くして接合を強化するのに特に使用することができる。

図４に示す様に、フォイルに、フォイル構造を通して、例えば１個以上の開口または穴を最初に加工する。好ましくは、開口はフォイル面に広がる周期的なパターンで、例えば長方形の列として形成する。開口の形成には、公知のどの様な方法も使用することができる。例えば、除去可能な基材上にパターン化された穴を有するフォイル１４をスパッター付着させることができる。フォイル１４を基材上に付着させ、フォイル上にフォトレジストを付着させ、フォトレジストに写真平版印刷法でパターン形成し、次いでパターン化された穴を通して下にあるフォイルをエッチングすることにより、開口を形成することもできる。別の代表的な技術では、フォイル１４に物理的に穴を打ち抜く。好ましくは、開口の有効直径は１０〜１０，０００マイクロメーターである（非円形開口の場合の有効直径は、等面積の円形開口の直径である）。

図４に示す様に、フォイル１４中の開口により、接合材料１２、または状況によってはバルク材料１０が加熱され、フォイル１４の発熱反応により融解した時に、これらの穴２２を通して押し出される。この押出により、接合材料１２またはバルク材料１０の１つの層が、自立形フォイル１４の反対側にある他の層１２またはバルク材料１０と接触および結合することができる。パターン化された穴２２により、バルク材料１０と反応性フォイル１４の相互の結合が強化され、より強力で、より安定した結合が得られる。

図５は、反応したフォイル５２中の開口、例えば５１を通して押し出された銀半田５０により結合した２個の銅製物体５３、５４を示す顕微鏡写真である。

本発明の一つ以上の実施形態を使用することにより、多くの様々な処理目的をより効果的に、効率的に達成することができる。例えば、金属ガラスバルク材料を接合することができ、その場合の最終製品は、結合部および反応したフォイル層を包含する、金属ガラスのみから製造された単一の構造である。これまでは結合させるのに多くの難点があった、化学組成、熱的特性、および他の物理的特性が非常に異なったバルク材料の接合も今や可能である。半導体デバイスまたは超小型電子デバイスを回路基板または他の構造に結合させ、同時に、デバイスに複雑に関連する多くのリード線も形成することができる。半導体デバイスおよび超小型電子デバイスは密封することもできる。

これらの接合作業は、半田付け、ろう付けや溶接の様な用途に通常付随する熱損傷の可能性が回避され、または少なくとも最少に抑えられるという点において本発明により改良される。

その上、本発明の実施形態を利用することにより、接合するバルク材料は自立することができる。つまり、バルク材料を実際に接合する前に、個々のバルク材料の上にろう材層を直接付着させる必要がない。さらに、バルク材料は、反応性フォイルを予め結合すること、または他の前処理を必ずしも必要としない。強力で永久的な接合を行う時点で、関与するバルク材料を自立形のろう材層または自立形の反応性フォイルに単純に堅く保持するだけでよい。

本発明の実施形態により、金属ガラスである少なくとも１個のバルク材料を結合することができる。接合工程で、そのバルク材料にろう材を使用する必要は無い。これは、反応性フォイルを、反応により金属ガラスに直接結合する様に設計できるためである。この接合工程を達成するには、反応性フォイル自体が反応して金属ガラスを形成できればよい。

本発明の実施形態により、バルク材料がマイクロチップまたは半導体デバイスを含む場合に、より優れた結合が可能になる。半導体デバイスを基材、例えば回路基板に接合する場合、考慮しなければならないファクターは、デバイスの損傷の可能性である。かかる半導体デバイスを基材に接合するのに自立形反応性フォイルを使用すれば、デバイスまたは隣接する構成部品に損傷を与えることがある熱はほとんど発生しない。半導体デバイスを基材上に大きな自由度で、容易に配置することができる。以下に説明する様に、特定のフォイル組成物、例えばＮｉ／ＡｌまたはMonel／Ａｌを使用することができる。かかる組成のフォイルは、従来のフォイルよりも取扱が容易であるのみならず、Ｎｉ、ＣｕおよびＡｌの組合せにより、自立形フォイルは高い熱的および電気的伝導性を有する。

接合を半導体デバイスの様なバルク材料に行う場合、反応性フォイルは組成をパターン化する性質を有することができる。最終的な、反応したフォイル中で交互に隣接した電気的に絶縁性および伝導性の区域を製造し、それによって多数のリード線を単一の反応で結合させ、電気的に絶縁することができる。

本発明の好ましい実施形態によれば、反応性フォイルを使用することにより、接合作業を行うのに必要なエネルギーが少なくて済む。接合材料として機能的に勾配を付けた層を使用すると、複合材料を選択することにより、融解温度を制御することができる。機能的に勾配を付けた層は、例えばそれらの融解温度を制御できるので有用である。接合材料としてＮｉ−Ｂ膜を使用することにより、融解温度が比較的低い温度で始まる低温融解を行い、ＢがＮｉから外に拡散するにつれて、融解温度は上昇し、融点が比較的高い最終材料を得ることができる。フォイル反応に必要なエネルギーを少なくすることにより、接合すべき構造全体に加わる総熱量を下げ、それによって、フォイル反応により接合させようとする材料の損傷を最少に抑えることができる。

別の実施形態によれば、反応性多層フォイルの中に反応性多層ろう材の層を含ませることができる。例えば、Ａｌからなる反応性層およびＴｉ、ＺｒまたはＨｆ合金からなる反応性層を含むフォイル中に、ＣｕまたはＮｉ合金からなる１層以上の反応性ろう材層を含ませることができる。反応性多層ろう材は、それら層が混合して接合材料を形成する際に、反応性フォイルにより与えられるエネルギーに加えて、べつのエネルギー供給源を与える。反応性多層フォイルと反応性多層ろう材とを組合せることにより、フォイル無しには自己伝播できない反応性ろう材を使用することが可能になる。

実施例
下記の具体的な実施例により、本発明をより明確に理解することができる。
実施例１
ＮｉとＡｌの各５μｍシートを多数積み重ね、冷間圧延することにより、ＡｌとＮｉとの反応性フォイルを形成する。図６は、ローラー６２Ａおよび６２Ｂの間を積層シート６１を通過させることによるフォイル６０の製造を図式的に示す。これらのシートは、各層が所望の厚さに減少するまで数回冷間圧延することができる。

実施例２
一様な厚さの多数層を含んでなるフォイルを使用する代わりに複合フォイルを使用し、その際、反応性マイクロラミネートフォイルの上にナノラミネート反応性多層を付着させる。図７に示す様に、反応性フォイル７１中の、特定の層７０の部分はナノスケール（ナノラミネート）であるのに対し、他の部分７２はミクロン厚の層（マイクロラミネート）である。ナノラミネートは、上記の様に、容易に反応し、その反応は、一度開始すると、周囲のろう材層またはバルク材料の融解により急冷されることなく、フォイルの長さ方向に沿って自己伝播する。この様に、ナノラミネートは、マイクロラミネート用の着火材と見ることができる。マイクロスケール層を含む部分７２は、室温では自己伝播反応を持続できないが、隣接するナノラミネート部分７０により加熱されると、かかる反応を持続する。フォイルはＡｌとＮｉの交互に存在する層を含んでなる。

実施例３
これらの複合材料フォイルを製造する際に、ＡｌおよびＮｉの各シートを圧延してマイクロラミネート部分を形成し、次いでナノラミネートフォイルをマイクロラミネート構造のどちらか側上に蒸着する。製造は、複合材料すべてを蒸着させることにより、マイクロラミネート層をはるかに高い速度で付着させながら、付着の際のフォイルの着火や付着の際の交互層間の好ましくない混合を引き起こさずに行うこともできる。

実施例４
上記の反応性フォイルと類似の、反応して金属ガラスを形成する反応性多層ろう材を形成する。この多層ろう材は、その交互層の反応の際に発熱する。良好なガラス形成物質であることが知られている反応物質を注意深く選択すれば、ろう材は反応により、商業的に使用される物質や上記のフォイルと類似の無定形の最終生成物を形成する。反応するろう材層から発生する熱により、接合に必要な反応性フォイルの量は少なくて済む。

実施例５
フォイル１４のある種の組成物は、反応して無定形の合金（金属ガラス）を形成することができる。これらのフォイルは、ＮｉまたはＣｕを含む合金からなる層、Ｔｉ、ＺｒまたはＨｆを含む合金からなる層、およびＡｌを含む合金からなる層の組合せであることができ、それ自体反応して金属ガラスを形成する。かかるフォイルを使用する場合、様々な性質が得られる。金属ガラスは非常に良好な湿潤能力を有する。かかるフォイルを使用してバルクな金属ガラスを接合する場合にはろう材層を除外することができ、かかる状況下では一旦フォイルが反応して金属ガラスと接合すると単一のバルク金属ガラス材料を得ることができる。

実施例６
反応性多層フォイルを使用して半導体デバイスまたは超小型電子デバイスを基材、例えばプリント回路基板に接合する。図８は接合配置を図式的に示しており、反応性フォイル８０を半田層８１Ａおよび８１Ｂの間に挟み、このサンドイッチ構造をデバイス８３用の接触リード線８２と基板の接触表面８４との間に配置する。

実施例７
ある部分は反応して導電性区域を形成し、他の部分は反応して非導電性区域を形成する様にパターン化された反応性フォイルを設計する。
図９Ａおよび９Ｂはこの概念を図式的に示す。図９Ａは、反応前のフォイル９０を示す。図９Ｂは反応後である。ＡｌおよびＮｉの交互に存在する層を含んでなる区域９１は反応して導電性区域９５を形成する。区域９２は、絶縁体、例えばＳｉＯ₂または窒化ケイ素、または反応して非導電性区域を形成する交互層からなる。

使用に際して、区域９１はフォイル９０の上方および下方に存在する、反応後に区域９５を介して電気的に接続されるべき接点の間に正確に重ね合わせる。
本発明の一観点は、発熱反応し得る複数の交互層から構成された反応性多層フォイルの製造方法である。この方法は、基材を用意する工程；基材上に交互層を蒸着して多層フォイルを形成する工程；および基材から多層フォイルを分離する工程を含んでなる。基材は、蒸着中は層を保持する様に、蒸着した層に対して十分な密着性を有するが、蒸着後は多層フォイルの除去を阻止するには不十分な密着性を有することが有利である。一例として、層は、ケイ素基材と接触して蒸着する１層以上のアルミニウム層を含むことができる。あるいは、基材は、適切なレベルの密着性を達成するために、剥離性材料または接着性材料からなる被膜を含んでいることができる。

基材から多層フォイルを分離するための一方法は、付着後にエッチング除去または剥離し得る犠牲層を基材に施す（または基材全体を犠牲層にする）ことである。犠牲層に適する代表的な材料としては、銅、黄銅およびフォトレジストが挙げられる。
層の蒸着は、好ましくは物理的蒸着、例えば、マグネトロンスパッタリングまたは電子ビーム蒸着により行う。蒸着の際は、基材を冷却して交互層の混合を少なくし、エネルギー損失を軽減し、さらに付着した層中の応力を軽減するのが有利である。厚さが５０μｍ〜１ｃｍである多層フォイルを形成する様に層を付着させるのが有利である。この様にして製造した厚さ１０μｍ〜１ｃｍのフォイルを自立形フォイルとして使用することができる。

本発明の他の観点は、第一物体を第二物体に結合させる方法であって、自立形反応性多層フォイルを用意する工程；物体同士をフォイルに対して押圧する工程；および反応性フォイルに着火する工程を含んでなる方法である。着火されたフォイルは、物体を構成する材料を融解させるか、あるいは関連して設けられた融解可能な（接合材料）層を融解させることで物体同士を一つに接合することができる。また、各層の反応生成物自体が接合材料であってもよい。物体の一方または双方は半導体デバイスまたは超小型電子デバイスであることができる。この方法は、１μｍ／ｍ／℃以上異なる熱膨脹係数を有する物体同士を接合するのに特に有利である。

別の実施形態では、反応性多層フォイルは、フォイルの厚さ方向に複数の開口を含む。開口は、好ましくはフォイル面全体に周期的に存在する。これらの開口は、充填されないままであっても、融解可能な材料、推進薬、または他の反応性フォイルに着火した時に加熱により変化または反応する材料で充填されていてもよい。

かかる穴の開いたフォイルは、予め形成した、付着させる多層フォイルの厚さ以上の厚さ（または深さ）を有する複数の開口、隆起または粒子を表面に有する基材を用意し、反応性多層フォイルを付着させ、さらに得られた穴の開いた多層フォイルを基材から分離することにより製造することができる。

あるいは、反応性多層フォイルを基材上に付着させ、除去可能なマスキング層によりパターニングし、エッチングして複数の穴を形成することができる。次いで、穴の開いたフォイルを基材から除去する。あるいは、連続フォイルを形成し、機械的なプレス加工により連続フォイルに穴を開けることもできる。

穴の開いたフォイルには、接合において重要な用途がある。複数の開口を有する反応性フォイルを第一および第二物体の間に配置する。それら物体を構成する材料がフォイルにより融解しない場合には、融解可能な別の層または融解可能な接合材料の被膜を物体同士の間に配置する。物体同士をフォイル（および接合材料）に対して共に押圧し、フォイルに着火して接合材料を融解させる。融解した材料はフォイルの開口内へ、そして開口を通しって流れて物体同士を接合する。この方法は、延性のある特徴的な接合部を形成し、開口内を貫くブリッジを強化する。一方または双方の物体が半導体デバイスまたは超小型電子デバイスである場合や、デバイスが１μｍ／ｍ／℃より大きく異なったＣＴＥを有する場合にこの方法は特に有利である。

第三のタイプの新規な反応性フォイルは、フォイルの全厚に亘って観察した場合に、フォイル中の個々の層の厚さや組成が異なることで有利な結果を達成する複合材料反応性多層フォイルである。代表的な複合材料反応性多層フォイルは、複数の薄い反応性層（例えば１〜１０００ｎｍ）を有する第二部分上に積層した複数の比較的厚い、例えば１μｍ〜１０μｍの反応性層を有する第一部分を含んでなる。薄い反応性層を含む部分は、厚い反応性層を含む部分よりも急速に燃焼する。しかし、燃焼が薄い部分を横切って広がるにつれて厚い部分を燃焼させ、より一様な燃焼およびより高い熱を生じる。フォイル組成を厚さ方向で変化させることにより、類似の結果を達成することができる。組成を変化させることにより、反応生成物が接合材料を与える一組の層、および該一組の層を燃焼させるための、より反応性の高い別の一組の層を与えることができる。組成変化は、例えば、この分野で良く知られている技術により、蒸着における処理パラメータを変化させることにより達成できる。

第四のタイプの新規な反応性フォイルは、少なくとも２つの異なった区域、すなわち１つ以上の、反応して導電性材料を形成する第一区域、および１つ以上の非導電性である第二区域から構成されたバルク表面を有する。かかるフォイルは、半導体デバイスの電気接点を受け接点を有する基材に接続するのに特に有用である。フォイルを、デバイスと基材との間に、デバイス接点、基材接点、およびフォイルの第一区域のすべてが正確に重なる様に配置する。次いでデバイスと基材をフォイルに対して押圧し、フォイルに着火してデバイスを基材に接合することにより、それぞれの接点が導電接続され、他の区域が非導電接続される。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の精神または範囲から離れることなく、本発明の実施形態に多くの修正が可能であることは明らかである。例示した実施形態は一般的なバルク材料の接合に関するものであるが、半田付け、ろう付け、溶接または他の公知の技術により一つに結合させる（永久的または一時的に）べき、すべての材料同士を本発明を利用して結合できることは明白である。材料は、例えば金属ガラス（例えば無定形ガラス）、金属（例えばＣｕ）および合金（例えばステンレス鋼）、重合体、セラミック（例えばＳｉＣ）、複合材料、半導体、および他の多くの材料の様々な組合せである。本発明を利用して材料を効果的に接合できる範囲としては、大規模なＴｉ−Ａｌ−Ｖタンク本体に対するＳｉＣ装甲の結合から、ナノまたはマイクロ規模の回路基板に対するマイクロチップの顕微鏡的結合にまで及ぶ。

好ましい実施形態の反応性フォイルにおける自己持続反応を開始するのに使用する刺激は、あらゆる形態のエネルギー、例えば鋭い針から得られる衝撃、電源から得られるスパーク、フィラメントから得られる熱、レーザーからの放射線等、であることができる。例示した実施形態は大気環境中室温で加えられたものとして説明したが、無論、本発明は、真空、アルゴン、水等を包む他の環境中においても実施することができる。

無論、特定実施形態の量的データ（例えば反応速度、ピーク温度、加熱速度等）は、反応の構成要素を変えることにより（例えば材料ＡまたはＢの組成、層の厚さ、フォイルの総厚、またはろう材層の組成／厚さを変えることにより）、容易に修正することができる。

本明細書中に具体的に例示した実施形態は、２枚のシート形態の接合材料が反応性フォイルを挟み込んでいる状態を示している（例えば図２および３におけるシート１２およびフォイル１４により示される様に）が、反応性フォイル１４を包む単一層やバルク材料に取り付けた接合材料を含むあらゆる数の接合材料のシート（あるいは他の構造物）を使用することができる。好ましい実施形態においては接合材料を全く使用しなくてもよい。例えば、金属ガラスバルク材料、金属ガラス反応性フォイル、またはその両方を接合材料（例えばろう材）を使用せずに接合用途に使用することができる。

さらに、先に例示した実施形態は反応性フォイル中の交互層として２種類の異なった材料Ａ／Ｂのみを使用しているが、本発明における反応性フォイルの形成にはあらゆる数の材料層をも使用することができることは勿論である。

さらに、本明細書に開示する好ましい実施形態（例えばパターン形成フォイル、フォイル中の穴等）の多くにおいては自立形フォイルを特に使用しているが、本発明のこれら実施形態および他の態様は自立形フォイルを使用しなくても実施し得ることは勿論である。さらに、反応性フォイル表面に意図的に形成する開口は、例えば図５に示す様にフォイル構造の全体を貫通していることが好ましいが、フォイルのうちのどのような数の層だけを貫通していてもよいことは明らかである。開口は、図４では円形の穴２２として示しているが、反応性フォイル上に１個以上のパターン化された構造を形成する、どの様な単一の形状（またはその組合せ）であってもよい。開口は、反応性フォイルの各層に対して直角方向に垂直に形成してもよく、またフォイルの各層を通って一つ以上の角度をもって形成してもよい。

この様に、当業者であれば本発明の精神および範囲から離れることなく、多くの様々な他の構成を採用することができる。

反応中の代表的な多層反応性フォイルを示す図である。 代表的な接合用途の自立形構成要素を示す図である。 接合作業の開始を示す図である。 代表的な穴の開いた反応性フォイルを示す図である。 フォイルの穴を通る接合材料の流れを示す図である。 冷間圧延による反応性フォイルの形成を示す図である。 マイクロラミネートフォイルおよびナノラミネートフォイルの各組から構成された複合材料反応性フォイルを模式的断面図である。 半導体デバイスまたは超小型電子デバイスを基材に接合するための反応性フォイルの使用を示す図である。 ある区域が反応して導電性区域を形成し、他の区域が非導電性区域を形成する、パターン化された反応性フォイルを示す図である。 ある区域が反応して導電性区域を形成し、他の区域が非導電性区域を形成する、パターン化された反応性フォイルを示す図である。

Claims (21)

1. 第一物体を第二物体に結合させる方法であって、
   該第一物体と該第二物体との間に自立形反応性多層フォイルを配する工程、ここで両物体の少なくとも一方は金属ガラスからなる；
   該フォイルに対して該両物体を押圧する工程；および
   該反応性フォイルに着火する工程
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記両物体の少なくとも一方が、半導体デバイスまたは超小型電子デバイスであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記反応性多層フォイルが１０μｍを超える厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記両物体が、少なくとも１μｍ／ｍ／℃異なる熱膨脹係数をそれぞれ有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記第一物体が金属からなり、第二物体がセラミック材料からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 請求項１に記載の方法により製造された製品。
7. 第一物体を第二物体に結合させる方法であって、
   第一物体と第二物体との間に反応性多層フォイルおよび少なくとも１種の融解可能な接合材料を配する工程、ここで、該反応性多層フォイルがその厚さ方向に複数の開口を有し、そして両物体の少なくとも一方は金属ガラスからなる；
   両物体を共に該フォイルおよび該接合材料に対して押圧する工程、および
   該反応性フォイルに着火して該接合材料を融解させ、融解した材料を該開口を通して流して該第一および第二物体を接合する工程
   を含むことを特徴とする方法。
8. 前記第一物体および第二物体の少なくとも一方が半導体デバイスまたは超小型電子デバイスを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記第一物体および第二物体が、約１μｍ／ｍ／℃より大きく異なる熱膨張係数を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 請求項７に記載の方法により製造された製品。
11. 請求項８に記載の方法により製造された製品。
12. 請求項９に記載の方法により製造された製品。
13. １つ以上の電気接点を有する半導体デバイスまたは超小型電子デバイスを１個以上の受け接点を有する基材に接続する方法であって、
    該デバイスと該基材との間に、発熱的に反応して導電性区域を形成し得る一つ以上の第一区域、および非導電性であるか、反応して非導電性材料を形成する一つ以上の第二区域から構成された反応性多層フォイルを配する工程；
    該デバイスの接点、該基材の接点および該フォイルの該第一区域を位置合わせする工程；
    該デバイスと該基材とを共に該フォイルに対して押圧する工程；および
    フォイルに着火する工程
    を含むことを特徴とする方法。
14. 第一物体を第二物体に結合させる方法であって、
    第一物体と第二物体との間に、反応して接合材料を形成する複数の連続した発熱的反応性層を含む反応性多層フォイルを配する工程；
    両物体を共にフォイルに対して押圧する工程；および
    フォイルに着火する工程
    を含むことを特徴とする方法。
15. 前記第一物体および第二物体の少なくとも一方が金属ガラスからなることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記反応性多層フォイルが、反応および冷却の後に無定形である合金の交互の層を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記反応性多層フォイルが、ＮｉまたはＣｕを含む合金、Ｔｉ、ＺｒまたはＨｆを含む合金、および主としてＡｌを含む合金の交互の層を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. 第一物体を第二物体に結合させる方法であって、
    第一物体と第二物体との間に、自立形反応性多層フォイルおよび少なくとも１層の融解可能な接合材料を配する工程；
    両物体を共に該フォイルおよび該接合材料に対して押圧する工程；および
    該反応性フォイルに着火して該接合材料を融解させる工程
    を含むことを特徴とする方法。
19. 前記接合材料を前記フォイル上に被覆することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記接合材料が自立形であることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
21. 結合構造であって、
    第一物体；および
    該第一物体に接合領域により結合された第二物体を含んでおり、該接合領域が、反応した多層構造体からなり、その中を通る開口の周期的な列を含んでおり、該構造体が、融解可能な接合材料のマトリックス中に埋め込まれ、該接合材料が該開口内を通って延びて該第一物体と該第二物体とを接合していることを特徴とする結合構造。
    

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