JP2007501715A

JP2007501715A - 反応性多層接合において熱波を制御する方法およびそれによって得られた製品

Info

Publication number: JP2007501715A
Application number: JP2006532967A
Authority: JP
Inventors: ベスノイン，エティエン; ワン，チアピン; ダックハム，アラン; スペイ，ステファン，ジョン，ジュニア．; ヘールデン，デイビッド，ピーターヴァン; バイス，ティモシー，ピー．; クニーオ，オマール，エム．
Original assignee: Johns Hopkins University
Current assignee: Johns Hopkins University
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2007-02-01
Also published as: CA2525386A1; US20050136270A1; BRPI0410277A; AU2004256020A1; WO2005005092A3; EP1626836A2; KR20060019531A; WO2005005092A2; CN1816416A; TW200523058A

Abstract

本発明の一実施形態は、はんだ付けまたは蝋付けされた組立体内のエネルギー分布の挙動を、その組立体のさまざまな物理パラメータを予測するようにシミュレートする方法を含む。組立体は、通常、反応性多層材料を含む。本方法は、反応性多層材料内で発生する自己伝播反応に関連するエネルギー源項を有するエネルギー発展方程式を提供するステップを含む。本方法はまた、エネルギー発展方程式を離散化するステップと、組立体に関連する他のパラメータを使用して離散化されたエネルギー発展方程式を積分することにより組立体におけるエネルギー分布の挙動を確定するステップと、を含む。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ））に基づき、米国仮特許出願第６０／４６９，８４１号明細書に対する優先権の利益を主張し、引用によりその開示内容は全体を本明細書に援用されたものとする。

連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
本発明は、全米科学財団賞（ＮａｔｉｏｎａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔａｉｏｎＡｗａｒｄ）ＤＭＩ−０１１５２３８、ＤＭＩ−０２１５１０９および米軍契約（Ｕ．Ｓ．ＡｒｍｙＣｏｎｔｒａｃｔ）ＤＡＡＤ１７−０３−Ｃ−００５２に基づき米国政府の援助を受けてなされた。米国政府は、この発明に一定の権利を有する。

発明の分野
本発明は、所望の特性を有する接合体を生成するように、シミュレートされたデータに基づいて、反応性接合プロセスのためのコンポーネントとそれらのそれぞれの構造とを選択する方法に関する。本発明はまた、かかる方法を実施することによってもたらされる接合体に関する。

発明の背景
反応性多層接合は、はんだ付け、蝋付けまたは溶接材料のために特に有利なプロセスである。図１に、典型的な反応性多層接合プロセスを概略的に示す。この常温接合プロセスは、可溶材料１００１の２つの層および接合される２つのコンポーネント１００２の間に反応性多層フォイル１０００を圧力下で差し込み、その後、たとえばスパーク１００３を使用してフォイル１０００を加熱することに基づく。このように、自己伝播反応が開始され、反応性フォイル１０００の温度が急速に上昇することになる。反応によって放出される熱により、可溶材料層１００１が溶融し、冷却時に２つのコンポーネント１００２が接合する。このはんだ付けまたは蝋付けの方法は、炉またはトーチを利用する従来の技術よりはるかに高速である。このため、生産性を大幅に上昇させることができる。さらに、非常に局部的な加熱により、感温コンポーネントを、金属およびセラミック等の異なる材料と同様に、熱損傷なしに接合することができる。

反応性フォイルを使用するはんだ付けまたは蝋付けは高速であり、ナノフォイル（ｎａｎｏｆｏｉｌ）によって生成される熱は、接合部分に対し局部的である。反応性フォイルは、感温コンポーネントを用いる適用、または金属／セラミック接合において特に有利である。特に、溶接または蝋付けする時、プロセス中に感温コンポーネントが破壊または破損する可能性があり、材料に対する熱損傷のために、後の焼きなましまたは熱処理等、費用がかかりかつ時間のかかる作業が必要となる場合がある。対照的に、感温コンポーネントの接合が反応性多層を用いて行われる場合、接合されたコンポーネントはほとんど熱にさらされず、温度の上昇は小さくかつ限られた時間しか持続しない。蝋材層およびコンポーネントの表面のみが実質的に加熱され、あるとしてもほとんど熱損傷は発生しない。さらに、反応性接合プロセスは高速であり、費用効率のよい、強固な熱伝導性接合体をもたらす。このため、たとえば光ファイバ部品の組立て、溶接密閉適用およびヒートシンクの取付けにおいて実質的な商業的利点を達成することができる。

高性能金属・セラミック接合には蝋付けが好ましく、蝋付けは、金属とセラミックとの間に蝋材を配置し、炉に組立体全体を挿入することによって達成される。しかしながら、冷却時、金属およびセラミックの熱膨張係数（ＣＴＥ）の実質的な差により、金属とセラミックとの間に大きい熱応力がもたらされる。たとえば、〜７００℃の蝋付け温度から金属・セラミック接着体を冷却する時、金属コンポーネントはセラミックコンポーネントより収縮する。この不均衡により、金属コンポーネントとセラミックコンポーネントとの間に熱応力がもたらされ、したがってこれらのコンポーネントが接着剥離または層間剥離する。したがって、従来の方法ではんだ付けまたは蝋付けされた金属／セラミック接合体のサイズが、１．０平方インチほどの面積まで制限される。金属およびセラミックコンポーネントを接合するために反応性フォイルを使用する場合、金属およびセラミックコンポーネントは実質的に加熱されない。その結果、熱収縮の不一致および層間剥離はほとんど発生しない。このため、反応性接合は、強固で面積の広い金属・セラミック接合体を取得する有利な技術を提供する。

反応性接合プロセスで使用される反応性多層体は、要素間で互い違いになる何百ものナノスケール層を、ＮｉおよびＡｌ等を混合する大きい負の熱で蒸着することによって通常製作されるナノ構造材料である。これらの方法のさまざまな実施態様は、以下の刊行物において開示されており、それらのすべての開示内容は引用により全体を本明細書に援用されたものとする。すなわち、マコビェツキ（Ｍａｋｏｗｉｅｃｋｉ）らに対する米国特許第５，３８１，９４４号明細書（「マコビェツキ」）、米国特許第５，５３８，７９５号明細書、米国特許第５，５４７，７１５号明細書、Ｂｅｓｎｏｉｎらによる、２００２年１１月１日にＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、第９２（９）巻、第５４７４〜５４８１頁に発表された「多層フォイルにおける自己伝播反応に対する反応物および生成物溶解の影響（ＥｆｆｅｃｔｏｆＲｅａｃｔａｎｔａｎｄＰｒｏｄｕｃｔＭｅｌｔｉｎｇｏｎＳｅｌｆ−ＰｒｏｐａｇａｔｉｎｇＲｅａｃｔｉｏｎｉｓｉｎＭｕｌｔｉｌａｙｅｒＦｏｉｌｓ）」と題する記事（「Ｂｅｓｎｏｉｎ」）、２００３年９月１日にＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、第９４（５）巻に発表された、「多層フォイル構造における自己伝播ＣｕＯｘ／Ａｌテルミット反応の堆積および特徴（ＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆａＳｅｌｆ−ＰｒｏｐａｇａｔｉｎｇＣｕＯｘ／ＡｌＴｈｅｒｍｉｔｅＲｅａｃｔｉｏｎｉｎａＭｕｌｔｉｌａｙｅｒＦｏｉｌＧｅｏｍｅｔｒｙ）」と題する記事、米国特許第５，３８１，９４４号明細書、２００１年５月１日に出願され「自立型反応性多層フォイル（ＦｒｅｅＳｔａｎｄｉｎｇＲｅａｃｔｉｖｅＭｕｌｔｉｌａｙｅｒＦｏｉｌｓ）」と題する米国特許出願第０９／８４６，４８６号明細書、２０００年５月２日に出願され「自立型反応性多層フォイル（ＦｒｅｅＳｔａｎｄｉｎｇＲｅａｃｔｉｖｅＭｕｌｔｉｌａｙｅｒＦｏｉｌｓ）」と題する米国仮特許出願第６０／２０１，２９２号明細書、Ｄ．Ａ．グロッカー（Ｇｌｏｃｋｅｒ）およびＳ．Ｉ．シャー（Ｓｈａｈ）によって編集された薄膜プロセス技術の手引き（ＨａｎｄｂｏｏｋｏｆＴｈｉｎＦｉｌｍＰｒｏｃｅｓｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）の１９９８版に発表された「多層材料における自己伝播反応（Ｓｅｌｆ−ＰｒｏｐａｇａｔｉｎｇＲｅａｃｔｉｏｎｓｉｎＭｕｌｔｉｌａｙｅｒＭａｔｅｒｉａｌｓ）」と題する章、および１９９７年２月にナノ構造に関する鉱物、金属および材料学会会報（ＴｈｅＭｉｎｅｒａｌｓ，Ｍｅｔａｌｓ，ａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＳｏｃｉｅｔｙ（ＴＭＳ）ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｎＮａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）において提示された「ナノスケール多層材料における自己伝播発熱反応（Ｓｅｌｆ−ＰｒｏｐａｇａｔｉｎｇＥｘｏｔｈｅｒｍｉｃＲｅａｃｔｉｏｎｓｉｎＮａｎｏｓｃａｌｅＭｕｌｔｉｌａｙｅｒＭａｔｅｒｉａｌｓ）」と題する記事である。

マコビェツキは、反応性多層体がコンポーネントの表面のうちの１つの上に直接堆積され、交互に配置される材料の選択が、主に対応する反応熱に基づく、ということを開示する。マコビェツキで示される設計方法は、点火に続き、反応性多層フォイルおよび可溶材料が急速に熱平衡状態になるという仮定に基づく。この仮定により、反応熱、フォイルの密度および熱容量とともに可溶材料の密度および熱容量を考慮する簡略化された方法の開発が可能となった。しかしながら、この手法は、概して、反応性接合の適切な構造を適当に確定するため、かつ反応性接合プロセス中の熱輸送を制御するためには不適当である。

しかしながら、その後の開発では、反応熱とともに反応速度を注意深く制御することが可能であることが示され、また、ナノ構造の多層体を製作する代替手段も提供された。たとえば、反応の速度、熱および温度を、交互の層の厚さを変更することによって制御することができる、ということが証明された。かかる証明の例は、以下の刊行物において開示されており、それらのすべての開示内容は引用により全体を本明細書に援用されたものとする。すなわち、米国特許第５，５３８，７９５号明細書、１９９４年にＳｃｒｉｐｔａＭａｔａｌｌｕｒｇｉｃａｅｔＭａｔｅｒｉａｌｉａ、第３０（１０）巻、第１２８１〜１２８６頁に発表された「多層ＮｉＡｌ系の燃焼合成（ＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＳｙｎｔｈｅｓｉｓｏｆＭｕｌｔｉｌａｙｅｒＮｉＡｌＳｙｓｔｅｍｓ）」と題する記事、ゲイヴンズ（Ｇａｖｅｎｓ）らによる、２０００年２月１日にＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、第８７（３）巻、第１２５５〜１２６３頁に発表された「Ａｌ／Ｎｉナノラミネートナノフォイルにおける自己伝播発熱反応に対する混合の影響（ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＩｎｔｅｒｍｉｘｉｎｇｏｎＳｅｌｆ−ＰｒｏｐａｇａｔｉｎｇＥｘｏｔｈｅｒｍｉｃＲｅａｃｔｉｏｎｓｉｎＡｌ／ＮｉＮａｎｏｌａｍｉｎａｔｅＮａｎｏｆｏｉｌｓ）」（「ゲイヴンズ（Ｇａｖｅｎｓ）」）、２００１年５月１日に出願された米国特許出願第０９／８４６，４８６号明細書、および２００２年５月２日に出願され「自立型反応性多層フォイル（ＦｒｅｅＳｔａｎｄｉｎｇＲｅａｃｔｉｖｅＭｕｌｔｉｌａｙｅｒＦｏｉｌｓ）」と題する米国仮特許出願第６０／２０１，２９２号明細書である。

引用により開示内容が全体を本明細書に援用されたものとする、２０００年２月１日にＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、第８７（３）巻、第１２５５〜１２６３頁に発表された「Ａｌ／Ｎｉナノラミネートフォイルにおける自己伝播発熱反応に対する混合の影響（ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＩｎｔｅｒｍｉｘｉｎｇｏｎＳｅｌｆ−ＰｒｏｐａｇａｔｉｎｇＥｘｏｔｈｅｒｍｉｃＲｅａｃｔｉｏｎｓｉｎＡｌ／ＮｉＮａｎｏｌａｍｉｎａｔｅＦｏｉｌｓ）」と題する記事に開示されているように、反応熱を、フォイル組成を変更することによって、またはそれらの製作後に反応性多層体の低温焼きなましによって制御することができる、ということもまた示された。ナノ構造の反応性多層体を製作する代替方法には、（ｉ）米国特許第６，５３４，１９４号明細書に開示されている機械的処理と、（ｉｉ）電気化学堆積と、がある。

反応熱、測度および温度を制御する技術と代替製作方法とが知られているが、既知のおよび新たな反応性接合構造の両方に適した新たな設計方法が必要とされている。たとえば、マコビェツキでは、制御することができるいくつかの変数（たとえば、反応速度および温度、反応性フォイル、可溶材料およびコンポーネントの熱伝導率、および／またはコンポーネントの密度および熱容量）について考慮していない。

さらに、自立型の反応性多層体等、新たな製作方法で得られるフォイルを使用する接合を扱い、フォイルと可溶材料の層またはコンポーネントとの間の付着を改善する設計方法が必要とされている。

したがって、後述するように、本発明の主な目的の１つは、反応性接合中に熱輸送を制御する手段を提供することと、新たな方法を適用することからもたらされる好ましい構造を特定することと、である。

発明の概要
本発明の一の実施形態は、反応性多層材料を含む組立体内のエネルギー分布の挙動をシミュレートする方法を含む。本方法は、エネルギー発展方程式を提供するステップであって、エネルギー発展方程式が、反応性多層材料内で発生する自己伝播反応に関連するエネルギー源項を含み、自己伝播反応が既知の速度および反応熱を有する、提供するステップと、エネルギー発展方程式を離散化するステップと、組立体に関連するパラメータを使用して離散化されたエネルギー発展方程式を積分することにより組立体におけるエネルギー分布の挙動を確定するステップと、を含む。

本発明の別の実施形態は、機械によって読取可能なプログラム記憶デバイスであって、機械により反応性多層材料を含む組立体内のエネルギー分布の挙動をシミュレートする方法ステップを実行するために実行可能な命令のプログラムを有形的に具現化するプログラム記憶デバイスを含む。本方法は、エネルギー発展方程式を提供するステップであって、エネルギー発展方程式が、反応性多層材料内で発生する自己伝播反応に関連するエネルギー源項を含み、自己伝播反応が既知の速度および反応熱を有する、提供するステップと、エネルギー発展方程式を離散化するステップと、組立体に関連するパラメータを使用して離散化されたエネルギー発展方程式を積分することにより組立体におけるエネルギー分布の挙動を確定するステップと、を含む。

本発明のさらなる実施形態は、反応性多層材料を選択するステップと、反応性多層材料を使用して接合する第１コンポーネントおよび第２コンポーネントを選択するステップと、エネルギー発展方程式を提供するステップであって、エネルギー発展方程式が、反応性多層材料内で発生する自己伝播反応に関連するエネルギー源項を含み、自己伝播反応が既知の速度および反応熱を有する、提供するステップと、エネルギー発展方程式を離散化するステップと、第１コンポーネント、第２コンポーネントおよび反応性多層材料のうちの少なくとも１つに関連するパラメータを使用して離散化されたエネルギー発展方程式を積分することにより第１コンポーネント、第２コンポーネントおよび反応性多層材料におけるエネルギー分布の挙動を確定するステップと、パラメータを有する第１コンポーネント、第２コンポーネントおよび反応性多層材料を提供するステップと、第１コンポーネントと第２コンポーネントとの間に反応性多層材料を配置するステップと、第１コンポーネントを第２コンポーネントに接合するように反応性多層材料を化学的に変換するステップと、を含む方法を含む。

本発明のさらに別の実施形態は、第１コンポーネント、第２コンポーネントおよび反応性多層材料に関連するパラメータを提供するステップを含む。それらパラメータは、エネルギー発展方程式を提供するステップであって、エネルギー発展方程式が、反応性多層材料内で発生する自己伝播反応に関連するエネルギー源項を含み、自己伝播反応が既知の速度および反応熱を有する、提供するステップと、エネルギー発展方程式を離散化するステップと、第１コンポーネント、第２コンポーネントおよび反応性多層材料のうちの少なくとも１つに関連するパラメータを使用して離散化されたエネルギー発展方程式を積分することにより第１コンポーネント、第２コンポーネントおよび反応性多層材料におけるエネルギー分布の挙動を確定するステップと、を含む方法によって確定された。本方法はさらに、パラメータを有する第１コンポーネント、第２コンポーネントおよび反応性多層材料を提供するステップと、第１コンポーネントと第２コンポーネントとの間に反応性多層材料を配置するステップと、第１コンポーネントを第２コンポーネントに接合するように反応性多層材料を化学的に変換するステップと、を含む。

本発明のさらに別の実施形態は、接合体を含む。本接合体は、第２コンポーネントに接合される第１コンポーネントと、第１コンポーネントおよび第２コンポーネントに関連する反応性多層材料の化学的変換の残存物と、を備える。第１コンポーネント、第２コンポーネントおよび反応性多層材料のうちの少なくとも１つのパラメータは、第１コンポーネント、第２コンポーネントおよび反応性多層材料内のエネルギー分布のシミュレートされた挙動に基づいて事前に確定される。挙動は、パラメータを使用してエネルギー発展方程式の離散化を積分することによって確定される。エネルギー発展方程式は、反応性多層材料内で発生する自己伝播波面に関連するエネルギー源項を含む。自己伝播波面は、既知の速度および反応熱を有する。

本発明のさらに別の実施形態は、接合体を含む。本接合体は、第２コンポーネントに接合される第１コンポーネントと、反応性多層材料の化学的変換の残存物と、を備える。第１コンポーネントは、第２コンポーネントとは異なる化学組成を有する。

本発明のさまざまな実施形態（たとえば、上述した本発明の実施形態のうちの任意のもの）は、以下の態様のうちの１つまたは複数を含んでもよい。すなわち、エネルギー発展方程式の離散化は、有限差分法、有限要素法、スペクトル要素法またはコロケーション法に基づいてもよい。反応性多層材料は反応性多層フォイルであってもよく、パラメータのうちの少なくともいくつかは反応性多層材料に関連してもよい。組立体は、第１コンポーネントおよび第２コンポーネントを含む反応性接合構造であってもよく、パラメータのうちの少なくともいくつかは、第１コンポーネントおよび第２コンポーネントに関連してもよい。反応性多層材料は、第１コンポーネントと第２コンポーネントとの間に配置されてもよい。反応性接合構造は、第１接合層および第２接合層をさらに含んでもよく、パラメータのうちの少なくともいくつかは、第１接合層および第２接合層に関連してもよい。反応性多層材料は、第１接合層と第２接合層との間に配置されてもよい。第１接合層および第２接合層は、第１コンポーネントと第２コンポーネントとの間に配置されてもよい。第１コンポーネントおよび第２コンポーネントは、実質的に同じ化学組成を有してもよい。第１コンポーネントおよび第２コンポーネントは、異なる化学組成を有してもよい。第１コンポーネントは、金属、合金、バルク金属ガラス、セラミック、合成物またはポリマーを含んでもよく、第２コンポーネントは、金属、合金、バルク金属ガラス、セラミック、合成物またはポリマーを含んでもよい。金属または合金には、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、銅、コバール（Ｋｏｖａｒ）、銅−モリブデン、モリブデン、鉄およびニッケルのうちの１つまたは複数が含まれてもよい。セラミックには、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、ケイ素、炭素、ホウ素、窒化物、炭化物およびアルミニウム化物のうちの１つまたは複数が含まれてもよい。第１接合層および第２接合層は、実質的に同じ化学組成を有してもよい。第１接合層および第２接合層は、異なる化学組成を有してもよい。第１接合層は、はんだ材および蝋材のうちの１つまたは複数であってもよく、第２接合層は、はんだ材および蝋材のうちの１つまたは複数であってもよい。はんだ材は、鉛−錫、銀−錫、鈴−ビスマス、金−錫、インジウム、インジウム−銀、インジウム−鉛、鉛、錫、亜鉛、金、インジウム、銀およびアンチモンのうちの１つまたは複数であってもよい。蝋材は、Ｉｎｃｕｓｉｌ、Ｇａｐａｓｉｌ、ＴｉＣｕＮｉ、銀、チタン、銅、インジウム、ニッケルおよび金のうちの１つまたは複数であってもよい。エネルギー源項を含むエネルギー発展方程式は、

であってもよく、ｈはエンタルピーであり、ρは密度であり、ｔは時間であり、ｑは熱流束ベクトルであり、

が反応性多層材料におけるエネルギー放出速度である。パラメータは、長さ、幅、厚さ、密度、熱容量、熱伝導率、融解熱、溶融温度、反応熱、伝播速度、原子量および点火位置のうちの少なくとも１つを含んでもよい。エネルギー分布の挙動を確定することは、第１コンポーネントおよび第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの溶融の量と、第１コンポーネントおよび第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの溶融の持続時間と、臨界界面が湿潤されたか否かと、第１コンポーネントおよび第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの熱曝露の量と、第１コンポーネント、第２コンポーネントおよび反応性多層材料のうちの少なくとも１つの温度、ピーク温度、温度プロファイルまたは温度分布と、のうちの少なくとも１つを確定することを含んでもよい。エネルギー分布の挙動を確定することは、第１接合層および第２接合層のうちの少なくとも１つの溶融の量と、第１接合層および第２接合層のうちの少なくとも１つの溶融の持続時間と、臨界界面が湿潤されたか否かと、第１コンポーネントおよび第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの熱曝露の量と、第１コンポーネント、第２コンポーネント、第１接合層、第２接合層および反応性多層材料のうちの少なくとも１つの温度、ピーク温度、温度プロファイルまたは温度分布と、のうちの少なくとも１つを確定することを含んでもよい。反応性接合構造は、第３接合層および第４接合層をさらに含んでもよく、第３接合層および第４接合層の各々は、反応性多層材料、第１コンポーネントおよび第２コンポーネントのうちの１つの上に事前に堆積され、パラメータのうちの少なくともいくつかは、第３接合層および第４接合層に関連してもよい。第３接合層および第４接合層は、実質的に同じ化学組成を有してもよい。第３接合層および第４接合層は、異なる化学組成を有してもよい。第３接合層は、ＩｎｃｕｓｉｌおよびＧａｐａｓｉｌのうちの少なくとも１つであってもよく、第４接合層は、ＩｎｃｕｓｉｌおよびＧａｐａｓｉｌのうちの少なくとも１つであってもよい。反応性多層材料を使用して第１コンポーネントを第２コンポーネントに接合するための第１接合層および第２接合層を選択する。確定することは、第１接合層、第２接合層のうちの少なくとも１つに関連するパラメータを使用して離散化されたエネルギー発展方程式を積分することにより、第１コンポーネント、第２コンポーネント、第１接合層、第２接合層および反応性多層材料におけるエネルギー分布の挙動を確定することを含んでもよい。パラメータを有する第１接合層および第２接合層を提供する。第１コンポーネントと第２コンポーネントとの間に第１接合層および第２接合層を配置する。化学的に変換するステップは、第１接合層および第２接合層の変換をもたらしてもよい。第１接合層および第２接合層を配置するステップは、第１コンポーネント、第２コンポーネントおよび反応性多層材料のうちの１つの上に接合層のうちの１つを堆積させることを含んでもよい。接合層のうちの１つは、自立型シートであってもよく、配置するステップは、反応性多層材料と第１コンポーネントおよび第２コンポーネントのうちの一方との間に自立型シートを配置することを含んでもよい。反応性多層材料を使用して第１コンポーネントを第２コンポーネントに接合するための第３接合層および第４接合層を選択すること。確定することは、第３接合層および第４接合層のうちの少なくとも１つに関連するパラメータを使用して離散化されたエネルギー発展方程式を積分することにより第１コンポーネント、第２コンポーネント、第１接合層、第２接合層、第３接合層、第４接合層および反応性多層材料におけるエネルギー分布の挙動を確定することを含んでもよい。パラメータを有する第３接合層および第４接合層を提供する。第１コンポーネント、第２コンポーネントおよび反応性多層材料のうちの少なくとも１つの上に第３接合層および第４接合層の各々を事前に堆積させる。化学的に変換するステップは、第３接合層および第４接合層の変換をもたらしてもよい。第１接合層および第２接合層に関連するパラメータを提供する。確定することは、第１接合層および第２接合層のうちの少なくとも１つに関連するパラメータを使用して離散化されたエネルギー発展方程式を積分することにより第１コンポーネント、第２コンポーネント、第１接合層、第２接合層および反応性多層材料におけるエネルギー分布の挙動を確定することを含んでもよい。前記パラメータを有する第１接合層および第２接合層を提供する。第１コンポーネントと第２コンポーネントとの間に第１接合層および第２接合層を配置する。化学的に変換することは、第１接合層および第２接合層の変換をもたらしてもよい。第１コンポーネントを第２コンポーネントに接合する第１接合層および第２接合層。第１コンポーネント、第２コンポーネント、第１接合層、第２接合層および反応性多層材料のうちの少なくとも１つのパラメータは、第１コンポーネント、第２コンポーネント、第１接合層、第２接合層および反応性多層材料内のエネルギー分布のシミュレートされた挙動に基づいて事前に確定されてもよい。化学的変換は点火であってもよい。第１コンポーネントを第２コンポーネントに接合する第３接合層および第４接合層。第１コンポーネント、第２コンポーネント、第１接合層、第２接合層、第３接合層、第４接合層および反応性多層材料のうちの少なくとも１つのパラメータは、第１コンポーネント、第２コンポーネント、第１接合層、第２接合層、第３接合層、第４接合層および反応性多層材料内のエネルギー分布のシミュレートされた挙動に基づいて事前に確定されてもよい。

本発明のさらなる目的および利点は、一部は以下の説明に示されており、一部は説明から明らかとなるかまたは本発明を実施することによって分かるであろう。本発明の目的および利点は、添付の特許請求の範囲において特に示される要素および組合せにより理解されかつ達成されるであろう。

上述した概略的な説明と以下の詳細の説明とはともに単に例示的かつ説明的なものであり、請求する発明を限定するものではない、ということが理解されなければならない。

本明細書に組み込まれかつその一部を構成する添付図面は、本発明のいくつかの実施形態を例示し、記述とともに本発明の原理を説明する役割を果たす。

実施形態の説明
ここで、本発明の例示的な実施形態を詳細に参照する。それらの例は、添付図面に示されている。可能な場合は、図面を通して同じかまたは同様の部分を参照するために同じ参照番号を使用する。

本発明の実施形態は、反応性多層材料（たとえばフォイルまたはナノフォイル）を含む組立体内でエネルギー分布の挙動をシミュレートする方法および／または反応性接合配置に対しこの方法を適用することを含む。

本発明の一実施形態では、本発明の一態様による計算モデル公式化を、反応性多層フォイル（たとえばナノフォイル）、周囲の接合層（たとえばはんだ材および／または蝋材）およびコンポーネントの１つまたは複数の特性を含む不規則なエネルギー方程式を計算領域（たとえば、計算入力および／または境界を含む）において離散化する（すなわち、数学的に離散的にする、有限または可算の値のセットに対して定義する、連続的でない）ことにより、適用する。一例では、この離散化を、入力として反応性多層フォイル、周囲の接合層およびコンポーネントのうちの１つまたは複数のさまざまな寸法および特性と、計算領域の境界状態と、を使用して本明細書で示すモデル式を積分することにより実施する。一例には、フォイル、接合層およびコンポーネントを表す領域が矩形領域であり、各々がその長さおよび厚さに関して指定される、２次元離散化がある。

以下の実施形態は、かかる構成の例を提供し、発熱速度

は、反応性多層フォイルの長さに沿って移動する本質的に平坦な自己伝播波面（たとえば、反応性多層フォイルが点火された時に反応性多層フォイル、周囲の接合層およびコンポーネントのうちの１つまたは複数に亙って生成されるエネルギーまたは熱の波面）に対応する。かかる実施態様では、計算モデルへの入力には、（ａ）コンポーネント、はんだ材および／または蝋材の層ならびに反応性フォイルの寸法（長さおよび厚さ）と、（ｂ）コンポーネントの密度、熱容量、原子量および熱伝導率と、（ｃ）はんだ材および／または蝋材の層の密度、熱容量、熱伝導率、融解熱、原子量および溶融温度と、（ｄ）反応熱および伝播速度と、（ｅ）点火位置と、（ｆ）反応性多層体における反応生成物の密度、熱容量、熱伝導率、融解熱および溶融温度と、（ｇ）領域境界における熱および質量流束状態と、がある。そして、離散化モデル式の計算解は、フォイル、接合層およびコンポーネント内の熱波の瞬間的な発展（ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）を提供する。本発明に関連して、既知の離散化方法、数値積分方式、ならびにさまざまな２次元および３次元構造、離散化および積分方法、点火源とともに多次元波面伝播を考慮する方法を実施することができる。

たとえば、モデルの適用には、反応性多層フォイル（たとえばナノフォイル）、第１コンポーネント、第２コンポーネント、第１接合層および第２接合層の各々の長さ、幅および厚さを提供することが含まれてもよい。これら夫々の長さ、幅および厚さを入力として使用するとともに、領域境界における熱および質量流束状態を使用することにより、反応性多層フォイル、第１コンポーネント、第２コンポーネント、第１接合層および第２接合層の各々に対して下に示す式を積分する。積分すると、出力は、反応性多層フォイルが点火された（たとえば化学的に変換された）時に、反応性多層フォイル、第１コンポーネント、第２コンポーネント、第１接合層および第２接合層の各々においてエネルギーまたは熱の波面がいかに伝播するかの予測である。反応が完了し、第１コンポーネントが第２コンポーネントに接合された時、第１コンポーネント、第２コンポーネント、第１接合層および第２接合層のうちの１つまたは複数に、反応性多層フォイルの残存物（たとえば残留物）が存在する場合がある。

本発明の別の態様では、はんだ材および／または蝋材の層の溶融、臨界界面の湿潤およびコンポーネントの熱暴露等のさまざまな接合パラメータの大きさよび持続時間を評価するために、計算モデル公式化の上述した予測のうちの任意のもの（たとえば、反応性多層フォイル、第１コンポーネント、第２コンポーネント、第１接合層および第２接合層の各々においてエネルギーまたは熱の波面がいかに挙動するかの予測）を使用してもよい。このため、モデルは、はんだ材および／または蝋材の不十分な溶融（たとえば変換）、臨界界面における湿潤の不足、過度に短い溶融時間、またはコンポーネントの過度な熱暴露を予測することができ、その場合、反応性接合構造のパラメータを系統的に変更することができる。モデルを変更された構造に再度適用することにより、パラメータが適当であるか否かを確認することができる。例には、フォイルの厚さおよびはんだ材および／または蝋材の層の厚さ、反応熱（たとえば組成または微細構造を変更することによる）および／またははんだ材料の系統的変更がある。かかるパラメータの系統的変更を、適当な構造が確定されるまで反復的に適用することができる。当業者には、他の構造パラメータおよび反復方法を含むようにかかる反復手法を一般化する方法が明らかなはずである。たとえば、モデルへの入力は、本明細書で示す材料のうちの任意のものの物理特性のうちの任意のものの任意の組合せであってもよい。

本発明の実施形態は、反応性接合プロセスをシミュレートする多次元計算コードを含む。コードを、コンピュータおよび／または他の任意の適当なコンピュータ読取可能媒体で実行しかつ／またはそこに格納してもよい。コードは、自己伝播反応の特性とともに反応性フォイル、可溶材料および／またはコンポーネントの物理特性を考慮するエネルギー方程式の多次元の過渡的な公式化の実施態様であってもよい。次に、本発明に一貫する計算モデル公式化について説明する。

多次元モデルは、不規則なエネルギー方程式を、

によって表される自己伝播反応（たとえば反応波面）の簡略化した記述（たとえばエネルギー源項）と結合する特別に調整された公式化

に基づいてもよい。式（１）において、ｈはエンタルピーを示し、ρは密度であり、ｔは時間であり、ｑは熱流束ベクトルであり、

は発熱速度である。エンタルピーｈは、材料の熱容量ｃ_ｐおよび潜熱ｈ_ｆを含む詳細な関係を通して、温度（たとえばＢｅｓｎｏｉｎにおいて開示されているように）Ｔに関連する。特に、項

は、反応性フォイルを横切る際に自己伝播波面によって放出される熱の速度を表す。後者を、その表面に対して垂直な方向に伝播する薄い波面に関して説明する。伝播速度を、測定値（たとえばゲイヴンズにおいて開示されているような）または計算値（たとえばＢｅｓｎｏｉｎにおいて開示されているような）のいずれかを使用して指示する。測定された伝播速度および計算された伝播速度の例を図７（ｂ）に示し、後により詳細に論考する。このように、所与の反応性フォイルに対する既知の反応速度および反応熱を結合することにより、

の強度が得られる。なお、

は、フォイルを横切り、１つまたは複数の可溶材料および／またはコンポーネント内で消滅する波面内で局部化される。

構造内の熱またはエネルギー波の伝播（たとえば温度の発展）と、１つまたは複数の可溶材料の溶融および／または凝固の発展と、を、構造全体に亙り式（１）を積分することによって確定してもよい。この目的で、上記公式の過渡的な有限差分計算モデルが開発された。有限差分離散化は、領域を固定格子サイズの計算セルに分割することに基づく。エンタルピーをセルの中心に定義し、流束をセルのエッジに定義する。二次中央差分近似を用いて、空間微分を近似する。この空間離散化方式により、セルの中心のエンタルピーの発展を支配する結合された常微分方程式（ＯＤＥ）の有限セットがもたらされる。ＯＤＥのセットを、陽的な三次アダムス・バッシュフォース（ＡｄａｍｓＢａｓｈｆｏｒｔｈ）方式として知られるアルゴリズムを使用して時間で積分する。結果としての解に基づき、特定の断面または空間位置において溶融する（たとえば変形する）はんだ材の量および対応する溶融時間と、フォイル、はんだ材または蝋材の層およびコンポーネント内の温度発展と、を含む反応性接合プロセスのさまざまな特性を容易に確定することができる。有限要素、スペクトル要素またはコロケーション（ｃｏｌｌｏｃａｔｉｏｎ）近似とともに、さまざまな陰的、陽的または半陰的時間積分方式を含む任意の次数のさまざまな代替空間離散化を実施することができる。

一次元（または平面）反応波面の場合、式（１）の等価な不変の公式化を、反応波面と同じ速度で移動する移動基準系において運動方程式を計算しなおすことによって導出してもよい。しかしながらこの代替公式化には、温度による熱界面抵抗の変動（たとえば反応前および／または反応後）の指定、後処理およびデータ分析（たとえば溶融の持続時間）ならびに実験測定値との比較が困難であることを含むいくつかの欠点がある可能性がある。また、隣接する層の間の界面が最初に接合されていない場合、公式化は、熱界面抵抗に対応してもよく、熱界面抵抗の変動を、これらの界面に沿って溶融が発生する際に観測してもよい、ということにも留意する。

別の例では、本発明の実施形態は、反応性接合プロセス内で発生する可溶材料（たとえば接合材料）の溶融（たとえば変形）の程度とともに、臨界界面において湿潤が発生する持続時間を確定するために、シミュレーション結果を含んでもよい。この適用で使用する臨界界面は、界面において適当な接合体を形成するために湿潤を必要とする界面である。大部分の場合、臨界界面は、最初に接着されていない界面である。配置における臨界界面は、特定の配置における要素（たとえば、反応性フォイル、可溶材料および／またはコンポーネント）とそれら要素の構造とによって異なる可能性がある。

図２（ａ）および図２（ｂ）は、上に示したモデルおよび実験の変形を実施した結果を示す。図２（ａ）に示すように、１つまたは複数の可溶材料２０ａ、２０ｂおよび１つまたは複数のコンポーネント２１ａ、２１ｂの間で、フォイル２２の化学的変換（たとえば点火）の前に、適当な接合体が提供され得るように１つまたは複数のコンポーネント２１ａ、２１ｂ上に１つまたは複数の可溶材料２０ａ、２０ｂを事前に堆積してもよい。このため、図２（ａ）における臨界界面は、フォイル２２と可溶材料２０ａ、２０ｂとの間の界面２３ａ、２３ｂにはあるが、可溶材料２０ａ、２０ｂとコンポーネント２１ａ、２１ｂとの間の界面２４ａ、２４ｂにはない。この配置の場合、反応性フォイル２２が化学的に変換（たとえば点火）された時、点火された反応性フォイル２２からの熱により、可溶材料２０ａ、２０ｂの層の一部のみが溶融し得るように、適当な要素（たとえば反応性フォイル、可溶材料および／またはコンポーネント）を選択し（たとえばサイズ、形状および／または組成を考慮して）かつ／または特に配置してもよい。言い換えれば、点火された反応性フォイル２２からの熱は、可溶材料２０ａ、２０ｂを完全に溶融しない可能性があり、かつ／またはその反応性コンポーネント２１ａ、２１ｂに接合される可溶材料２０ａ、２０ｂの部分を溶融しない可能性がある。この配置では、いくつかの理由で、可溶材料２０ａ、２０ｂのすべての溶融および／またはコンポーネント２１ａ、２１ｂに接合される可溶材料２０ａ、２０ｂの溶融が望ましくない場合がある。第１に、可溶材料２０ａ、２０ｂを完全に溶融するために十分な熱を生成するために、より厚くかつ／またはより強力なフォイル２２（たとえばより強力な化学組成を有する）が必要な場合があり、それにより手続きの費用が不必要に増大する可能性がある。第２に、コンポーネント２１ａ、２１ｂに接合される可能性のある可溶材料２０ａ、２０ｂを溶融することにより、可溶材料２０ａ、２０ｂとコンポーネント２１ａ、２１ｂとの間の界面２４ａ、２４ｂにおける先在する強固な接合が弱まる可能性がある。

図２（ｂ）では、コンポーネント２６ａ、２６ｂと反応性フォイル２７との間に、可溶材料２５ａ、２５ｂの自立型シートが配置される。この場合、可溶材料２５ａ、２５ｂの両界面は最初に接合されておらず、このため、可溶材料２５ａ、２５ｂの界面２８ａ、２８ｂ、２９ａ、２９ｂ（たとえば、反応性フォイル２７に隣接する界面２８ａ、２８ｂおよび／またはコンポーネント２６ａ、２６ｂに隣接する界面２９ａ、２９ｂ）を、臨界界面２８ａ、２８ｂ、２９ａ、２９ｂとみなしてもよい。したがって、この配置の場合、反応性フォイル２７が点火された時、点火された反応性フォイル２７からの熱により１つまたは複数の可溶材料２５ａ、２５ｂが実質的に完全に溶融し得るように、適当な要素（たとえば、１つまたは複数の反応性フォイル２７、可溶材料２５ａ、２５ｂおよび／またはコンポーネント２６ａ、２６ｂ）を選択し（たとえばサイズ、形状および／または組成を考慮して）かつ／または特に配置してもよい。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示す配置は限定するものではなく、かつ本明細書に示す態様のうちのいくつかを、結合し、除去し、変更しかつ／または使用して、任意の数の適当な配置を実施しかつ／または任意の数の適当な製品を製造してもよい、ということが理解される。これらの配置に基づき、湿潤させる必要のある臨界界面を構成するものを変更してもよい。たとえば、１つまたは複数のコンポーネント表面は未処理であってもよく、またはそれらは処理層（たとえば、Ｎｉおよび／またはＡｕめっきの付着の基層、たとえばはんだ材または蝋材の層が付着層上に配置されるように、はんだ材または蝋材もしくは両方の層）を有してもよい。別の例では、フォイルとコンポーネントの各々との間に可溶材料の自立型シートを配置してもよいが、自立型シートを使用してもしなくてもよい。さらなる例では、反応性多層フォイルは、反応性多層フォイルの１つまたは複数の側面に１つまたは複数の可溶性の層を有してもよい。さらに別の例では、１つまたは複数の反応性多層体と１つまたは複数のコンポーネントのとの間に可溶材料の１つまたは複数の層を設けてもよい。さらに別の例では、１つまたは複数のコンポーネントの間に１つまたは複数の反応性多層体を配置してもよい。かかる構造では、１つまたは複数の反応性多層体は、１つまたは複数のコンポーネントと直接接触してもよい（たとえば、特定の反応性フォイルは、１つまたは複数のコンポーネントの溶融をもたらすために十分なエネルギーを提供してもよい）。かかるプロセスを、反応性はんだ付けまたは蝋付けとは対照的に反応性溶接と呼んでもよい。反応性溶接の一例は、２００１年５月１日に出願され「自立型反応性多層フォイル（ＦｒｅｅＳｔａｎｄｉｎｇＲｅａｃｔｉｖｅＭｕｌｔｉｌａｙｅｒＦｏｉｌｓ）」と題する米国特許出願第０９／８４６，４８６号明細書に開示されており、引用によりその開示内容は全体を本明細書に援用されたものとする。

さらなる例では、本発明の実施形態は、適当な接合特性を有する反応性接合をもたらすように、反応性接合方法で実施することができる適当な範囲の条件を確定するために、シミュレーション結果を実験的観察と結合することを含んでもよい。

本発明の実施形態は、適当な反応性接合方法を使用して適当な反応性接合体を実施しかつ／または製造することに関して本明細書に示す態様のうちの任意のものの任意の構造および組合せを含んでもよい。実施形態の１つのセットは、要素（たとえば、１つまたは複数の反応性フォイル、可溶材料および／またはコンポーネント）が反応性フォイル中心線に関して実質的に対称的に配置される構造を含んでもよい。実施形態の別のセットは、要素が反応性フォイル中心線に関して非対称に配置される構造を含んでもよい。これらおよび他の実施形態について以下に説明する。

対称構造を有する実施形態では、フォイル中心線の両側における対応する対称位置にある任意の要素の熱物理特性は、実質的に同一であってもよい。一例は、実質的に同じ材料からなるコンポーネントのかつ／または可溶材料の実質的に同一の層を使用する反応性接合であってもよい。非対称構造を有する実施形態では、材料特性は、フォイルの両側の対応する対称位置において異なってもよい。一例は、異なる材料から作製されたコンポーネントの接合および／または反応性フォイルの各側において異なる蝋材またははんだ材層を使用する反応性接合構造を含んでもよい。本明細書で開示するモデル結果および実験的観察に反映されるように、２つの構成の特有の特徴のうちの１つは、対称構造の場合、フォイル中心線に対して熱が対称的に輸送される可能性があり、それに従って対称的な温度分布となる可能性がある、ということであり得る。非対称構造では、反応熱はフォイル中心線に対して不均等に輸送される可能性があり、したがって非対称な温度フィールドが確立される可能性がある。本明細書でさらに開示するように、これらの特徴は、反応性接合中の熱輸送に影響を与える可能性があり、かつ新たな接合配置および構造を示唆する可能性がある。

本明細書で説明する発明を、特にＣｕコンポーネント、Ａｕめっきステンレス鋼（ＳＳ）コンポーネント、Ｔｉコンポーネントおよび金めっきＡｌの反応性接合のための多種多様の対称構造を分析するために適用した。本明細書では、Ｃｕ−Ｃｕ接合のためかつＡｕめっきステンレス鋼のそれ自体への接合のためかつＡｕめっきＡｌのそれ自体への接合のために得られる例示的な結果を提供する。Ｃｕ−Ｃｕ接合およびＳＳ−ＳＳ接合の場合の方法および結果を、他の材料（たとえば、金属、合金、バルク金属ガラス、セラミック、合成物、ポリマー、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、銅、コバール（Ｋｏｖａｒ）、銅−モリブデン、モリブデン、鉄、ニッケル、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、ケイ素、炭素、ホウ素、窒化物、炭化物およびアルミニウム化物のうちの１つまたは複数）にも適用可能である。

本発明の一実施形態では、計算された予測を、反応中に赤外線（ＩＲ）温度測定を使用して実行される温度測定値と比較することにより、設計モデルを検査する。図３（ａ）および図３（ｂ）に示す２つの構造に対して結果を提供し、図３（ａ）では２つのＣｕコンポーネント３０ａ、３０ｂの反応性接合を示し、図３（ｂ）では２つのＡｕめっきステンレス鋼コンポーネント３０ｃ、３０ｄの反応性接合を示す。図３（ａ）に示すように、コンポーネント３０ａ、３０ｂの表面３１ａ、３１ｂを、厚さがおよそ７５μｍであるＡｇ−Ｓｎはんだ材層３２ａ、３２ｂで事前湿潤させてもよい。自立型のＮｉ−Ａｌフォイル３３は、厚さが約５５μｍであってもよく、フォイル３３の両面には約１μｍのＩｎｃｕｓｉｌ３４ａ、３４ｂが堆積されていてもよい。図３（ｂ）に示すように、Ａｕ−Ｓｎはんだ材３２ｃ、３２ｄの自立型シートは、厚さが約２５μｍであってもよく、反応性フォイル３３ｃと反応性Ａｕめっきステンレス鋼コンポーネント３０ｃ、３０ｄとの間に堆積されてもよい。自立型のＮｉ−Ａｕフォイル３３ｃは、厚さが約７０μｍであってもよく、フォイル３３ｃの両面には約１μｍのＩｎｃｕｓｉｌ３４ｃ、３４ｄが堆積されていてもよい。本明細書で開示する材料および／または値は単に例示的なものである。本発明は、他の材料および／または寸法に適用可能である（たとえば、各接合層および／または自立型シートは、鉛−錫、銀−錫、錫−ビスマス、金−錫、インジウム、インジウム−銀、インジウム−鉛、鉛、錫、亜鉛、金、インジウム、銀、アンチモン、Ｉｎｃｕｓｉｌ、Ｇａｐａｓｉｌ、ＴｉＣｕＮｉ、チタン、銅およびニッケルのうちの１つまたは複数であってもよい）。

図４（ａ）および図４（ｂ）は、図３（ａ）に示すＣｕ−Ｃｕ接合構造の測定温度プロファイルおよび予測温度プロファイルを対照させる。図４（ａ）は、反応性多層フォイルの点火（たとえば化学的変換）の後のさまざまな時刻における、かつＣｕコンポーネントの反応性接合中のＣｕ−Ｃｕ接合構造上の実質的に一定の位置における測定された瞬時の温度プロファイルを示す。図４（ｂ）は、ここでは反応性多層フォイルの点火の０秒後、２００ミリ秒後、４００ミリ秒後、６３０ミリ秒後、８３０ミリ秒語および１０３０ミリ秒後で取得された、Ｃｕコンポーネントの反応性接合中のＣｕ−Ｃｕ接合構造上の実質的に同じ一定位置における予測温度プロファイル（たとえばエネルギー分布）を開示する。なお、測定されたピーク温度と計算されたピーク温度とは略一致する。また、反応性接合プロセスの持続時間が短いことにも留意する。図４（ａ）および図４（ｂ）で分かるように、反応性接合プロセスは、波面の通過（たとえば、反応性多層フォイル、接合層およびコンポーネントのうちの１つまたは複数の上のさまざまな位置を通過する、熱またはエネルギーの通常はそのピークの大きさにおける通過）の数百ミリ秒内で本質的に完了する。

図５（ａ）は、図３（ｂ）に示すステンレス鋼接合構造に亙る予測温度プロファイル（たとえばエネルギー分布）を示す。曲線は、自己伝播波面の通過の瞬間に対応する選択された時刻に、かつその０．１ミリ秒、０．５ミリ秒、１ミリ秒、１０ミリ秒、５０ミリ秒および４００ミリ秒後に生成される。結果により、接合体に亙る温度が、波面の通過の４００ミリ秒後で４８℃まで非常に急速に低下することが分かり、これは、４７℃という実験による温度測定値と同等である。図５（ｂ）は、はんだ材層とステンレス鋼との間の界面から１００ミクロンにおいて図３（ｂ）に示すステンレス鋼構造の温度の発展を示す。数値シミュレーション（予測）と赤外線（実際の）測定値との両方から得られる結果（たとえばエネルギー分布）を示す。図５（ａ）および図５（ｂ）は、モデル予測と実験による測定値との間の実質的な一致を証明し、温度の急速な降下とコンポーネントの熱曝露が限られていることとを示す。

臨界界面の湿潤に対する、可溶材料の溶融に対するかつ／またはコンポーネントの熱曝露に対するフォイル厚さの影響を系統的に調査するようにモデルを適用してもよい。たとえば、図６は、最初に薄いＮｉ基層６１ａ、６１ｂでコーティングされ後にＡｕ層６２ａ、６２ｂでコーティングされてもよいＡｌ−６０６１Ｔ６コンポーネント６０ａ、６０ｂの反応性接合に対する実施形態を示す。図６に示すように、Ａｕ−Ｓｎはんだ材の自立型シートは、厚さが約２５μｍであってもよく、可溶材料６３ａ、６３ｂとして使用されてもよい。フォイル６４の両面には、約１μｍのＩｎｃｕｓｉｌ６５ａ、６５ｂが堆積されていてもよい。はんだ材６３ａ、６３ｂとコンポーネント６０ａ、６０ｂ（層６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂのうちの１つまたは複数の含んでも含まなくてもよい）との間の臨界界面６６ａ、６６ｂの湿潤に対するフォイル６４の厚さの影響を、はんだ材６３ａ、６３ｂが局部的に溶融状態である時間を定量化することによって分析してもよい。このために、フォイル６４の厚さを系統的に変更してもよく、（たとえばフォイル６４、層６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６５ａ、６５ｂおよび／または可溶材料６３ａ、６３ｂの）他のパラメータを固定してもよい。

本明細書で説明するように、計算モデル公式化に対するモデル入力には、フォイルのかつコンポーネントの熱物理特性が含まれてもよい。たとえば、下の表は、Ａｌ−６０６１−Ｔ６、Ａｕ−Ｓｎ、Ｉｎｃｕｓｉｌ−ＡＢＡ、Ａｌ−ＮｉＶフォイルおよび／またはステンレス鋼の熱伝導率、熱容量および／または密度等のあり得る入力を開示する。

他のあり得る入力には、Ｉｎｃｕｓｉｌの固相線温度（Ｔ_ｓ＝８７８Ｋ）、Ｉｎｃｕｓｉｌの液相線温度（Ｔ_ｌ＝９８８Ｋ）、Ｉｎｃｕｓｉｌの融解熱（Ｈ_ｆ＝１０７９２Ｊ／ｍｏｌ）、Ａｕ−Ｓｎはんだ材の固相線温度（Ｔ_ｓ＝５５３Ｋ）、Ａｕ−Ｓｎはんだ材の液相線温度（Ｔ_ｌ＝５５３Ｋ）および／またはＡｕ−Ｓｎはんだ材の融解熱（Ｈ_ｆ＝６１８８Ｊ／ｍｏｌ）があってもよい。

フォイル二重層厚さに基づく予測値と測定値との両方を図７（ａ）および図７（ｂ）に示す。図７（ａ）は、「厚い」フォイル（たとえば、約２０００二重層を有するＲＦ１６）および「薄い」フォイル（たとえば約６４０二重層を有するＲＦ１８）に対しＡｌ−Ｎｉフォイル厚さによって反応熱にいかに影響が与えられる可能性があるかを示す。線は、Ａｌ−Ｎｉフォイルの特定の二重層厚さが与えられた場合の予測された反応熱を示し、円は、特定の厚さの二重層の測定された反応熱を示す。予測された反応熱は、測定された反応熱と実質的に相関することに留意する。さらなる例では、図７（ｂ）は、波面速度（スピード）がいかに二重層の厚さに依存するかを示す。図７（ｂ）に示す線は、Ａｌ−Ｎｉフォイルの特定の二重層厚さが与えられた場合の予測された波面速度を示し、円は、特定の厚さの二重層の測定された波面速度（たとえば、ゲイヴンズおよびＢｅｓｎｏｉｎに開示されているように）を示す。予測された波面速度は、測定された面速度と実質的に相関することに留意する。

図８は、フォイル厚さの関数としての、はんだ材層の溶融の量と臨界はんだ材−コンポーネント界面における溶融の持続時間とに対する計算された予測（たとえばエネルギー分布）を示す。破線８１０、８２０は、たとえば図３（ｂ）に示す構造に示すように、Ａｌ−Ａｌコンポーネントの反応性接合に対して取得され得る結果を表し、実線８３０、８４０は、たとえば図６に示す構造に示すように、Ａｕめっきステンレス鋼コンポーネントの反応性接合に対して取得され得る結果を表す。

Ａｌ−Ａｌ接合の場合、図８のモデル予測は、フォイル厚さが約３５μｍ未満である場合に、Ａｕ−Ｓｎはんだ材の約２５μｍ厚さ層の部分的な溶融のみが発生し得ることを示す。したがって、はんだ材とコンポーネントとの間の臨界界面における溶融の持続時間は、約０ミリ秒であり得る。一方、約３５μｍに実質的に等しいかまたはそれより大きい厚さのフォイルが使用される場合、はんだ材層全体が溶融する可能性があり、臨界界面の湿潤の持続時間（たとえば、界面において局部的にＡｕ−Ｓｎはんだ材層が溶融する持続時間）は正である可能性がある。特に、フォイル厚さが増大するに従い溶融の持続時間が増大する可能性がある。モデル予測はまた、Ａｕ−Ｓｎはんだ材の約２５μｍ厚さの層を溶融するために必要な最小フォイル厚さが、ＳＳ−ＳＳ接合の場合よりＡｌ−Ａｌ接合の場合の方が大きい可能性があることも示す。さらに、対応するフォイル厚さ（たとえば、約２０μｍより大きい）の場合、モデルは、はんだ材層の溶融の持続時間が、Ａｌ−Ａｌ接合の場合よりＳＳ−ＳＳ接合の場合の方が大きい（かつフォイル厚さが増大するに従い実質的に大きくなる）可能性があることを予測する。これは、ステンレス鋼の熱伝導率がＡｌ−６０６１−Ｔ６の熱伝導率よりはるかに小さい可能性があるという事実による可能性がある。したがって、熱は、ＡｌよりＳＳに対する方がはるかに低速で伝導する可能性がある。これらの予測された結果により、反応性多層体、可溶材料および／またはコンポーネントの自己伝播反応の特性および熱物理特性に基づき、反応性接合構造の設計、構造および／または寸法（たとえばフォイル厚さ）の注意深い最適化が必要であることが強調される。

本発明の別の実施形態では、モデルの追加の数値予測（たとえば、可溶材料の溶融および／または臨界界面の湿潤に関連する）を、追加の実験的測定値、たとえば反応性接合のせん断強度と対照させてもよい。

たとえば、図９は、Ａｌ−Ａｌ接合体および／またはＳＳ−ＳＳ接合体の測定されたせん断強度がフォイル厚さに関連しかつ／またはフォイル厚さに依存する可能性があることを示す。特に、約５５μｍより厚いフォイルは、ＲＦ１６ファミリ（たとえば約２０００二重層を有する）に対応し、約５５μｍより薄いフォイルは、ＲＦ１８ファミリ（たとえば約６４０二重層を有する）に対応する。接合強度を、引張りせん断ラップ試験を使用して測定した。図８に示す予測に一貫して、図９の測定値は、Ａｌ−Ａｌ接合体の反応性フォイルの厚さが約３５μｍである場合、かつＳＳ−ＳＳ接合体の反応性フォイルの厚さが約２０μｍである場合に適切な接合体が得られる可能性のあることを示す。特に、図９は、反応性フォイルが約３５μｍ未満である場合にＡｌ−Ａｌ接合が失敗する可能性があること、かつ／またはフォイル厚さが約２０μｍ未満である場合にＳＳ−ＳＳ接合が失敗する可能性があることを示す。図９に示す測定値はまた、反応性接合強度が、安定期および／またはピーク強度に達するまで夫々のフォイルの厚さが増大するに伴い徐々に増大する可能性のあることも示す。そのピークおよび／または安定期に達すると、接合強度は一定のまま維持する可能性があり、かつまたはフォイル厚さが連続して増大する場合であっても接合に対しそれ以上力が加えられない可能性がある。ＳＳ−ＳＳ接合の場合、フォイルが約４２μｍより厚い場合に安定期に達する可能性があり、Ａｌ−Ａｌ接合の場合、フォイルが約８０μｍ厚さである場合に、ピーク強度に達する可能性がある。

したがって、図８のモデル予測と図９の測定結果とを使用することにより、特定の接合体の最適なかつ／または最大強度を、臨界界面においてはんだ材が溶融状態であり続ける持続時間と相関させることができ得る。たとえば、本構造の場合、最適なかつ／または最大強度の接合を達成するために、Ａｕ−Ｓｎはんだ材は、約０．５ミリ秒、臨界界面を湿潤させなければならないと推断することができ得る。接合強度はまた、本構造の他のパラメータ、たとえば可溶材料とコンポーネントとの間の界面におけるピーク温度によって影響を受ける可能性もある。本明細書で示す予測および／または対応する測定値は、Ａｌ−Ａｌ接合体とＳＳ−ＳＳ接合体との両方に対して適用可能である。当業者には、本発明を種々の他の材料形に対して一般化する方法が明らかなはずである。

本発明の別の実施形態では、本明細書に示す設計手法を、非対称構造（すなわち、熱特性等の材料の特性がフォイルの異なる側において異なる可能性がある構造）を分析するために適用してもよい。かかる非対称構造の例を図１０に示し、これは、ＳｉＣのＴｉ−６−４への反応性接合を示し、ここでは、ＳｉＣおよびＴｉ上に事前に堆積されるＩｎｃｕｓｉｌ層の厚さは固定されたままであってもよい。

ＳｉＣが、Ｔｉ−６−４よりはるかに大きい熱伝導率を有する可能性があるため、反応性接合中の熱プロファイルは、フォイル中心線に対して非対称である可能性がある。ＳｉＣおよびＴｉ−６−４組立体を横切る熱プロファイルにおけるかかる非対称を、図１１（ａ）に示し、これは、熱波がＴｉ側よりＳｉＣ側において高速に拡散する可能性があることをグラフによって示す。さらに、ピーク温度は、ＳｉＣ側よりＴｉ側の方が概して高い可能性がある。反応性接合中にＳｉＣ−Ｔｉ組立体のＩＲ温度測定画像を分析することにより、同様の効果（たとえば、Ｔｉ側よりＳｉＣ側の方が拡散が高速であること、および／またはＳｉＣ側よりＴｉ側の方がピーク温度が高いこと）を観察することができ、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）に例示的なサンプルを示す。図１１（ｂ）は、反応性多層フォイルの点火時の構造のＩＲ画像を示し、図１１（ｃ）は、点火の約２４０ミリ秒後の構造のＩＲ画像を示す。本明細書においてさらに論考するように、非対称接合構造の熱特性の理解を使用して、新たな反応性接合構造を設計してもよい。

図１０に戻ると、Ｔｉ１０２上に事前に堆積されてもよいＩｎｃｕｓｉｌ層１０１の厚さは、約６２μｍ厚さであってもよく、ＳｉＣ１０４上に事前に堆積されるＩｎｃｕｓｉｌ層１０３は、約１００μｍ厚さであってもよい。この特定の設計分析では、後述するように、まず、反応性フォイル１０７の両面に事前に堆積された蝋材層１０５、１０６の厚さの影響をパラメトリックに調査してもよい。このために、ＳｉＣに面する蝋材層１０５の厚さ（図１０のｔ_１）およびＴｉに面する蝋材層１０６の厚さ（図１０のｔ_２）を、独立して変更してもよい。その間、フォイル１０７の全体の厚さ（１８０μｍ）、反応熱（１１８９Ｊ／ｇ）および反応速度（２．９ｍ／ｓ）と、隣接する層１０５、１０６の厚さと、は固定したままであってもよい。ＳｉＣ／Ｔｉ−６−４接合体において使用されるフォイルは、ＲＦ１６ファミリに対応してもよく、その特性は図７（ａ）および図７（ｂ）に示す。設計モデルに対する他の入力を、下の表に示す。

他のあり得る入力には、Ｉｎｃｕｓｉｌにおける固相線温度（Ｔ_ｓ＝８７８Ｋ）、Ｉｎｃｕｓｉｌの液相線温度（Ｔ_ｌ＝９８８Ｋ）およびＩｎｃｕｓｉｌの融解熱（Ｈ_ｆ＝１０，７９２Ｊ／ｍｏｌ）が含まれてもよい。

図１０のモデル計算は、臨界界面、この場合は、フォイル１０７上に事前に堆積されるＩｎｃｕｓｉｌ層１０５、１０６と、それら夫々のコンポーネント１０２、１０４上に事前に堆積されるＩｎｃｕｓｉｌ層１０１、１０３と、の間の界面１０８、１０９に対応する臨界界面の湿潤に焦点が合わせられている。特に、図１０に示す配置では、フォイル１０７上に事前に堆積される蝋材層１０５、１０６を溶融するとともに、Ｔｉ１０２およびＳｉＣ１０４の上に事前に堆積される蝋材層１０１、１０３を部分的に溶融するために十分な熱をもたらす反応が必要な場合がある。計算において、ＳｉＣ１０４およびＴｉ１０２上の溶融した蝋材層１０１、１０３のピーク厚さ、夫々ｔ_ＳｉＣおよびｔ_Ｔｉをモニタリングすることにより、この現象（たとえば１つまたは複数の蝋材層の溶融）を定量化する。以下の表は、フォイル１０７上に事前に堆積された１つまたは複数の蝋材層１０５、１０６の厚さｔ_１、ｔ_２のさまざまな組合せに対する溶融した蝋材層１０３、１０１のさまざまな厚さｔ_ＳｉＣ、ｔ_Ｔｉ（すなわち蝋材の溶融の量）を示す。

図１２は、反応性フォイル１０７の両面に厚さの等しい蝋材１０５、１０６が堆積されている（すなわちｔ_１＝ｔ_２）場合の組合せに対する反応性フォイル１０７の両面に堆積された１つまたは複数の蝋材層１０５、１０６の関数として、溶融した蝋材層１０１、１０３の厚さをグラフによって示す。破線曲線は、Ｔｉコンポーネント上の蝋材の溶融の量を示し、実線曲線は、ＳｉＣコンポーネント上の蝋材の溶融の量を示す。

上の表における結果を調べることにより、ＳｉＣコンポーネント１０４上で溶融する蝋材１０３の量すなわち厚さｔ_ＳｉＣが、フォイル１０７のＳｉＣ側の蝋材層１０５の厚さｔ_１によって決まる可能性があることが分かる。特に、ｔ_ＳｉＣは、ｔ_１が増大するに従って低減する可能性がある。同様に、Ｔｉコンポーネント１０２上で溶融する蝋材１０１の量すなわち厚さｔ_Ｔｉは、フォイル１０７のＴｉ側上の蝋材層１０６の厚さｔ_２によって決まる可能性があり、後者が増大するに従って低減する可能性がある。この効果を図１２においてグラフで示す。ここでは、フォイル１０７上に事前に堆積され得る蝋材層１０５、１０６（たとえば厚さがｔ_１およびｔ_２である）の厚さが増大するに従い、両曲線（ｔ_ＳｉＣおよびｔ_Ｔｉ）が低減する。この図はまた、ＳｉＣコンポーネント上よりＴｉコンポーネント上の方が多くの蝋材が溶融する可能性がある（ｔ_Ｔｉ＞ｔ_ＳｉＣ）ことも示す。この予測は、ＳｉＣがＴｉ−６−４よりはるかに高い熱伝導率を有するという事実に起因する可能性がある。結合すると、本結果は、フォイル１０７上に事前に堆積される蝋材１０５、１０６の厚さを可能な限り小さく維持することが望ましい可能性があることを示す。結果はまた、約１μｍの厚さのＩｎｃｕｓｉｌ層１０５、１０６がフォイル１０７の両面に事前に堆積される、総厚さ（層１０５、１０６は含まない）が約１８０μｍであるフォイル１０７の場合、両コンポーネント１０２、１０４上に堆積される蝋材層１０１、１０３の実質的な溶融が発生する可能性がある、ということも示す。このように、この構造は、接合プロセスに対する適当な設計を提供する。これらの結果に基づき、接合プロセスを設計するため、かつコンポーネントの熱曝露を制限する等の他の効果を達成するために、反応性ナノフォイル上に事前に堆積される可溶材料の厚さを設計することができる可能性がある。

また、図１０の非対称配置を使用して、ｔ_Ｔｉ（チタン１０２上の溶融した蝋材層１０１の厚さ）およびｔ_ＳｉＣ（炭化ケイ素１０４上の溶融した蝋材層１０３の厚さ）に対する全体的なフォイル厚さｔ_Ｆの影響を調べてもよい。上記結果に鑑みて、厚さｔ_１（フォイル１０７のＳｉＣ側の蝋材層１０５の厚さ）およびｔ_２（フォイル１０７のＴｉ側の蝋材層１０６の厚さ）を固定したまま、すなわちｔ_１＝ｔ_２で保持してもよく、たとえば、両ｔ_１およびｔ_２は、約１μｍに等しくてもよい。図１３に示すように、フォイル厚さｔ_Ｆは、約６０μｍと約２７０μｍとの間で変化しており、ｔ_Ｆに対してｔ_Ｔｉおよびｔ_ＳｉＣの計算された値がプロットされている。結果は、フォイル厚さｔ_Ｆが増大するに従いｔ_Ｔｉおよびｔ_ＳｉＣの各々が増大する可能性があることを示す。フォイル厚さｔ_Ｆが約１００μｍより小さい場合、ｔ_Ｔｉおよびｔ_ＳｉＣはともに約１０μｍを下回る可能性があるため、コンポーネント１０２、１０４上に事前に堆積される蝋材層１０１、１０３の溶融の量は極めて少ない可能性がある。一方、フォイル厚さｔ_Ｆが約２００μｍより大きい場合、Ｔｉ１０３上に事前に堆積されるＩｎｃｕｓｉｌ１０１の層全体が溶融する可能性がある。このため、本結果は、図１０の構造の場合、適当なかつ／または所望の効果を達成するために適当なかつ／または望ましいフォイル厚さが約１５０μｍから約２００μｍの範囲であり得ることを示す。約１５０μｍと約２００μｍとの間のフォイル厚さは、かかるフォイル厚さが臨界界面１０８、１０９の十分な湿潤を保証しかつ／またはコンポーネント１０２、１０４上に事前に堆積される蝋材層１０１、１０３の完全な溶融を回避するため、適当でありかつ／または望ましい可能性がある。この方法を使用して、臨界界面１０８、１０９において溶融を誘発する一方で、最初に接合されている界面においてこの影響を回避するようにフォイル厚さを設計することができる。

また、図１０の非対称配置を使用して、可溶材料１０１、１０３、１０５、１０６の溶融に対する、かつ臨界界面１０８、１０９における湿潤に対する反応熱の影響を調べてもよい。本明細書で述べるように、種々の手段を用いて、たとえば化学量論、堆積速度（予混合幅に影響する）および／または二重層厚さのうちの１つまたは複数を変化させることにより、かつ／または、ゲイヴンズおよびグロッカーにおいて論考されるように、不活性環境において適度な温度でフォイルを焼きなましすることにより、反応性多層フォイルの反応熱を制御してもよい。

反応熱を変化させることによる、可溶材料１０１、１０３、１０５、１０６の溶融および／または臨界界面１０８、１０９の湿潤に対する影響を例示するために、固定厚さｔ_Ｆが約１８０μｍであるフォイル１０７と、各々の固定厚さｔ_１およびｔ_２が約１μｍである、フォイル１０７上に事前に堆積されたＩｎｃｕｓｉｌ層１０５、１０６と、を用いてコンピュータシミュレーションを行った。波面速度を、約２．９ｍ／ｓに固定した。これらの固定値を用いて、反応熱を約８００Ｊ／ｇと約１６００Ｊ／ｇとの間の範囲で変化させた。これらの入力を用いて、図１４に示すように、シミュレーションからｔ_Ｔｉおよびｔ_ＳｉＣの予測値を計算し、それらを反応熱に対してプロットした。結果は、ｔ_Ｔｉおよび／またはｔ_ＳｉＣが、反応熱に対する強い依存性および／または相関を示す可能性があることを示す。たとえば、図１４に示すように、反応熱が約９００Ｊ／ｇより下に降下する場合、結果は、蝋材層１０１、１０３の不十分な溶融が発生した可能性があることを予測する。反応熱が約９００Ｊ／ｇを超えて増大すると、結果は、ｔ_Ｔｉおよび／またはｔ_ＳｉＣの曲線が急速に上昇する可能性があることを予測する。特に、反応熱が約１３００Ｊ／ｇを超過する場合、結果は、反応性接合プロセス中に、Ｔｉ１０２上に事前に堆積されたＩｎｃｕｓｉｌ１０１の実質的に層全体が溶融する可能性があることを予測する。これらの結果により、反応熱を注意深く制御しまたは特徴付ける必要および／または利益が強調される。たとえば、図１０に示す本非対称構造では、使用する反応熱は、好ましくは約１１００Ｊ／ｇから約１３００Ｊ／ｇの範囲で低下してもよい。蝋材料の溶融の量を制御し、それによりコンポーネントの熱曝露を制限し、かつ／または他の関連する結果および／または影響を制御するように、反応熱を既知の方法で制御することができる。

本発明の別の実施形態では、１つまたは複数の可溶性または接合材料（たとえばはんだ材または蝋材）の１つまたは複数の自立型シート１５０、１５１を、非対称構造で使用してもよい。たとえば、図１５は、ＳｉＣ１５２およびＴｉ１５３を接合するための代替構造を示す。図１５に示すように、可溶材料としてのＡｕ−Ｓｎはんだ材の自立型ート１５０、１５１である。シート１５０、１５１の各々の厚さは約２５μｍであってもよい。ＳｉＣ１５２およびＴｉ１５３を、本明細書で示す構造の任意ものと実質的に同じ方法で処理してもよい。たとえば、厚さが約６２μｍであるＩｎｃｕｓｉｌ層１５５をＴｉ１５３上に事前に堆積してもよく、かつ／または厚さが約１００μｍであるＩｎｃｕｓｉｌ層１５４を、ＳｉＣ１５２上に事前に堆積してもよい。反応性フォイル１６０は、両面にＩｎｃｕｓｉｌ層１５６、１５７が事前に堆積されていてもよい。反応性フォイル１６０上に事前に堆積されたＩｎｃｕｓｉｌ層１５６、１５７の厚さは約１μｍであってもよい。

図１５に示す構造では、フォイル１６０は、好ましくは、自立型のＡｕ−Ｓｎ層１５０、１５１を完全に溶融するために十分な量の熱を伝達することができる。しかしながら、各Ａｕ−Ｓｎはんだ材層１５０、１５１は、蝋材自体が溶融するか否かに関わらず、その夫々のＩｎｃｕｓｉｌ蝋材層１５４、１５５、１５６、１５７に十分に付着し得るため、Ｉｎｃｕｓｉｌ蝋材層１５４、１５５、１５６、１５７のうちの１つまたは複数を溶融する必要はなくてもよい。後述するように、はんだ材層１５０、１５１の溶融および／またはＴｉ１５３およびＳｉＣ１５４上に事前に堆積される１つまたは複数のＩｎｃｕｓｉｌ蝋材層１５４、１５５の溶融に対しフォイル１６０の厚さが与える影響を確定するために、パラメトリックな研究を行った。反応性フォイル層１６０の厚さを、約３０μｍと約２７０μｍとの間で変化させた。

本構造は、Ａｕ−Ｓｎはんだ材１５０、１５１の実質的に完全な溶融を必要とする可能性があるため、各Ａｕ−Ｓｎはんだ材層１５０、１５１と、コンポーネントＴｉ１５３およびＳｉＣ１５２上に事前に堆積されるその夫々のＩｎｃｕｓｉｌ蝋材層１５４、１５５と、の界面１５８、１５９におけるはんだ材温度をモニタリングすることにより、予測分析を行った。構造の各々に対し（たとえば、反応性フォイル層１６０の厚さを変化させた）、はんだ材層１５０、１５１が界面１５８、１５９の各々において局部的にそれらの溶融温度を超えたままである時間間隔を記録した。予測結果を図１６に示す。ここでは、はんだ材層１５０、１５１が、フォイル厚さに対し、界面１５８、１５９の各々において局部的にそれらの溶融温度を超えたままである時間間隔がプロットされている。予測結果は、Ａｕ−Ｓｎはんだ材層１５０、１５１（たとえば、Ｔｉ側および／またはＳｉＣ側におけるＡｕ−Ｓｎはんだ材層）をともに溶融するために、約３０μｍの最小フォイル厚さが必要である可能性があることを論証する。フォイル１６０の厚さが約３０μｍ未満である場合、モデルは、１つまたは複数のＡｕ−Ｓｎはんだ材層１５０、１５１が部分的にのみ溶融する可能性があり、したがって、Ａｕ−Ｓｎはんだ材層１５０、１５１のうちの１つまたは複数と１つまたは複数のＩｎｃｕｓｉｌ蝋材層１５４、１５５との間が接合しない可能性があることを予測する。

Ａｕ−Ｓｎはんだ材を使用して反応的に形成された接合体の強度を、実験的に確定し、本明細書ではその例を示し、せん断強度測定値を計算予測と比較した。下に示す分析により、接合強度は、最初はＡｕ−Ｓｎはんだ材の溶融の持続時間が増大するに従い増大する可能性があり、約０．５ミリ秒を超過する持続時間で臨界界面におけるＡｕ−Ｓｎはんだ材がその溶融温度を超える時、接合体のピーク強度が得られる可能性があることが分かる。この仕事に基づき、適当な接合強度を達成するために、約７０μｍのフォイル厚さが必要であり得る。コンポーネント上に事前に堆積されるＩｎｃｕｓｉｌのあり得る溶融を調べるための計算もまた使用し、本明細書ではその例を示す。結果は、フォイル厚さが約２００μｍより小さい場合、ＴｉおよびＳｉＣ上に事前に堆積された蝋材層が、Ｉｎｃｕｓｉｌの溶融温度を下回ったままである可能性があることを示す。フォイルがより厚い場合、これらの層１５４、１５５の一方または両方におけるＩｎｃｕｓｉｌの部分的な溶融が発生する可能性がある。

本発明の別の実施形態では、結果としての反応性接合体の強度に対するはんだ材または蝋材の溶融持続時間の影響を、実験的に分析しモデル化した。実験的調査を、フォイル、はんだ材層およびコンポーネントのうちの１つまたは複数に対する長さおよび厚さが異なるが、フォイル、はんだ材層およびコンポーネントのうちの１つまたは複数の厚さは固定である構造に適用した。特に、可溶材料としてＩｎｃｕｓｉｌ（蝋材）を使用し、可溶材料としてＡｇＳｎＳｂ（はんだ材）を使用して、ＳｉＣとＴｉ−６−４との間の反応性接合体を形成した。狭い面積（０．５インチ×０．５インチ）と広い面積（４インチ×４インチ）との両方を考慮し、結果としての接合体の強度を実験的に確定した。両方の場合において、９０μｍの反応性フォイルを使用した。下の表に、接合面積の関数としての接合体の測定強度を示す。

この例では、モデル予測は、接合面積に係りなく、Ｉｎｃｕｓｉｌ蝋材の溶融時間が約０．２８ミリ秒であり、ＡｇＳｎＳｂはんだ材溶融時間が約５．４９ミリ秒であることを示す。はんだ材の方がはるかに低い溶融温度を有するため、実際には、はんだ材の方がより長い溶融時間が予測される。溶融時間の予測を測定されたせん断強度と比較することにより、構造の長さおよび幅（すなわち接合面積）が大きいほど、反応性接合体の適当な強度を得るために必要な溶融時間が長くなることが分かる。これは、溶融材料としてＩｎｃｕｓｉｌを用いる場合、溶融時間が短く、面積の小さい接合には強力な接合が得られたが、面積の大きい接合体に対し同じプロトコルを適用した場合、接合は失敗したことという事実によって証明される。一方、はんだ材料としてＡｇＳｎＳｂを用いる場合、溶融時間はより長くなり、面積の小さい接合体と大きい接合体との両方に対し同様の強度が得られた。当業者には、これらの発見を他の材料系および接合面積に対して一般化する方法が明らかなはずである。

本発明の代替実施形態では、図１７において、Ａｌ−６１０１−Ｔ６のＡｌ_２Ｏ_３に対する反応性接合に対応する別の非対称構造を考慮する。特に、図１７の構造を使用して、すなわちはんだ材１８１、１８２が局部的に溶融状態である時間を定量化することにより、フォイル１８０とはんだ材１８１、１８２との間の臨界界面の湿潤に対するフォイル１８０の厚さの影響を分析してもよい。このために、フォイル１８０の厚さを系統的に変更してもよく、残りのパラメータを固定のままにしてもよい。モデル入力には、以下の表および図７に示すフォイル１８０、接合層１８１、１８２、１８３、１８４およびコンポーネント１８５、１８６の熱物理特性がある。

他のあり得る入力には、Ｉｎｃｕｓｉｌの固相線温度（Ｔ_ｓ＝８７８Ｋ）、Ｉｎｃｕｓｉｌの液相線温度（Ｔ_ｌ＝９８８Ｋ）、Ｉｎｃｕｓｉｌの融解熱（Ｈ_ｆ＝１０，７９２Ｊ／ｍｏｌ）、Ａｇ−Ｓｎはんだ材の固相線温度（Ｔ_ｓ＝４９４Ｋ）、Ａｇ−Ｓｎはんだ材の液相線温度（Ｔ_ｌ＝４９４Ｋ）および／またはＡｇ−Ｓｎはんだ材の融解熱（Ｈ_ｆ＝１４２００Ｊ／ｍｏｌ）があってもよい。

図１７に示す構造では、Ａｌ_２Ｏ_３コンポーネント１８５上のはんだ材層１８１の厚さは約１００μｍであってもよく、Ａｌ−６１０１−Ｔ６コンポーネント１８６上のはんだ材層１８２の厚さは約７５μｍであってもよい。反応性多層フォイル１８０の両面には、厚さが約１μｍのＩｎｃｕｓｉｌの層１８３、１８４が堆積されていてもよい。

図１８に、反応性接合プロセス中の温度分布の詳細を示し、それは、種々の時刻における厚さ約１４８μｍのフォイル１８０の化学的変換による接合に亙る瞬間的なプロファイルを示す。図１８において分かるように、熱輸送が、フォイル１８０の両面に非対称に発生する可能性があり、はんだ材層１８１、１８２の温度勾配は、Ａｌ−６１０１−Ｔ６コンポーネント１８６のある側よりＡｌ_２Ｏ_３コンポーネント１８５のある側の方が弱い可能性がある。これらの現象を、コンポーネント１８５、１８６の熱拡散率の間の不均衡まで直接突き止めることができ、それは、Ａｌ_２Ｏ_３コンポーネント１８５に対するよりＡｌ−６１０１−Ｔ６コンポーネント１８６に対する方がはるかに高い可能性がある。

図１９（ａ）および図１９（ｂ）において、フォイル１８０の厚さの影響を分析する。図１９（ａ）は、はんだ材層１８１、１８２の溶融の量を示し、図１９（ｂ）は、臨界フォイル−はんだ材界面１８７、１８８における溶融の持続時間とはんだ材−コンポーネント界面１８９、１９０における溶融の持続時間とを示す。予測は、接合が、約２０μｍと約１４８μｍとの間に亙る考慮されるフォイル厚さのすべてに対して発生する可能性があることを示す。フォイル１８０の厚さが約６０μｍ未満である場合、はんだ材層１８１、１８２の両方において部分的溶融が発生する可能性があることに留意する。フォイル厚さが約６０μｍと約１００μｍとの間である場合、Ａｌ_２Ｏ_３コンポーネント１８５の側にあるはんだ材層１８１の完全な溶融が発生する可能性があり、Ａｌ−６１０１−Ｔ６コンポーネント１８６の側のはんだ材層１８２は部分的に溶融する可能性がある。フォイル１８０の厚さが約１００μｍより大きい場合、両はんだ材層１８１、１８２が完全に溶融する可能性がある。後者の状況の場合、結果は、フォイル１８０の厚さが増大するに従い、はんだ材層１８１、１８２の局部溶融時間が実質的に線形に延長する可能性があることを示す。図１８の結果に一貫して、図１９ａおよび図１９ｂはまた、Ａｌ−６１０１−Ｔ６コンポーネント１８６の側よりＡｌ_２Ｏ_３コンポーネント１８５の側の方により完全かつ一様な溶融があり得ることも示す。特に、図１９ｂに示すように、Ａｌ_２Ｏ_３側のはんだ材−フォイル界面１８７における溶融の持続時間は、同じくＡｌ_２Ｏ_３側のはんだ材−コンポーネント界面１８９における溶融の持続時間とおよそ等しい可能性がある。一方、これらの溶融時間は、図１９ａの界面１８８、１９０に示すように、Ａｌ側では実質的に異なる可能性がある。結合すると、図１８、図１９ａおよび図１９ｂの結果は、はんだ材およびコンポーネントの熱拡散率が、溶融の持続時間および一様性に対して重要であり、そのため接合強度に重要である可能性があることを論証する。したがって、反応性接合適用の設計では、これらのパラメータを注意深く考慮するべきである。

本発明の別の実施形態では、化学的に性質が異なる複数の可溶材料層を含む反応性接合構造を使用してもよい。図２０に、１つの特定の構造を示す。図２０は、２つの可溶材料１７２、１７３が採用される非対称構造を示し、熱伝導率ｋ１が低いコンポーネント１７０がある側に溶融温度Ｔ１が高い可溶材料１７２を使用してもよく、相対的な熱伝導率ｋ２が高いより伝導率の高いコンポーネント１７１がある側に、溶融温度のより低い可溶材料１７３を使用してもよい。かかる配置の例には、ＳｉＣおよびＴｉの接合が含まれ、より伝導率の高いＳｉＣ上にはＩｎｃｕｓｉｌ等の溶融温度の低い蝋材が事前に堆積され、より伝導率の低いＴｉコンポーネント上には、ＧａｐａｓｉｌまたはＴｉＣｕＮｉ等のより溶融温度の高い蝋材が使用される。かかる配置は、反応中の熱輸送、隣接するコンポーネントのための個々の蝋材またははんだ材の層の間の化学的親和性、ならびに反応性接合の熱物理特性に対して設計する可能性を提供する。本実施形態を、種々の他の構造に対して一般化することができる。

さまざまな実施形態において、本発明の真の範囲から逸脱することなく、本明細書に示す本発明のいくつかの態様を、増やし、結合し、本明細書に示す他の態様から除去してもよい。

実施形態によっては、蝋材、はんだ材、Ｉｎｃｕｓｉｌ、可溶材料および／または他の同様の用語を同義的に使用してもよい、ということが理解されるべきである。

本発明の他の実施形態は、本明細書に開示する本発明の詳述および実施を考慮することにより当業者には明らかとなろう。詳述および例は単に例示的なものとしてみなされるべきであることが意図されており、本発明の真の範囲は特許請求の範囲によって示されている。

反応性多層接合構造の概略図を示す。本発明の一実施形態による反応性多層接合構造の概略図を示す。本発明の別の実施形態による反応性多層接合構造の概略図を示す。本発明のさらなる実施形態による反応性多層接合構造の概略図を示す。本発明のさらに別の実施形態による反応性多層接合構造の概略図を示す。図３ａの反応性多層接合構造の例示的な測定温度プロファイルを示す。図３ａの反応性多層接合構造の例示的な予測温度プロファイルを示す。図３ｂの反応性多層接合構造の一例に対する予測温度プロファイルを示す。図３ｂの反応性多層接合構造の一例に対する測定および予測温度プロファイルを示す。本発明のさらなる実施形態による反応性多層接合構造の概略図を示す。本発明のさらに別の実施形態によるフォイル厚さと反応熱との関係の例示的なグラフ表示を示す。本発明のさらなる実施形態によるフォイル厚さと波面速度との関係の例示的なグラフ表示を示す。図３（ｂ）および図６の反応性多層接合構造に対する例示的なグラフによる結果を示す。図３（ｂ）および図６の反応性多層接合構造に対する例示的なグラフによる結果を示す。本発明の別の実施形態による反応性多層接合構造の概略図を示す。図１０の反応性多層接合構造の例示的な予測温度プロファイルを示す。図１０の反応性多層接合構造の例示的な測定赤外線温度分布を示す。図１０の反応性多層接合構造の例示的な測定赤外線温度分布を示す。図１０の反応性多層接合構造に対する例示的なグラフによる結果を示す。図１０の反応性多層接合構造に対する例示的なグラフによる結果を示す。図１０の反応性多層接合構造に対する例示的なグラフによる結果を示す。本発明のさらなる実施形態による反応性多層接合構造の概略図を示す。図１５の反応性多層接合構造に対する例示的なグラフによる予測を示す。本発明のさらに別の実施形態による反応性多層接合構造の概略図を示す。図１５の反応性多層接合構造の例示的な予測温度プロファイルを示す。図１５の反応性多層接合構造の例示的な予測結果を示す。図１５の反応性多層接合構造の例示的な予測結果を示す。本発明のさらに別の実施形態による反応性多層接合構造の概略図を示す。

Claims

反応性多層材料を含む組立体内のエネルギー分布の挙動をシミュレートする方法であって、
エネルギー発展方程式を提供するステップであって、該エネルギー発展方程式が、該反応性多層材料内で発生する自己伝播反応に関連するエネルギー源項を含み、該自己伝播反応が既知の速度および反応熱を有する、エネルギー発展方程式を提供するステップと、
該エネルギー発展方程式を離散化するステップと、
該組立体に関連するパラメータを使用して該離散化されたエネルギー発展方程式を積分することにより該組立体における該エネルギー分布の該挙動を確定するステップと、
を含む方法。
前記エネルギー発展方程式の前記離散化が、有限差分法、有限要素法、スペクトル要素法またはコロケーション法に基づく、請求項１に記載の方法。
前記反応性多層材料が反応性多層フォイルであり、前記パラメータのうちの少なくともいくつかが該反応性多層材料に関連する、請求項１に記載の方法。
前記組立体が、第１コンポーネントおよび第２コンポーネントを含む反応性接合構造であり、前記パラメータのうちの少なくともいくつかが、該第１コンポーネントおよび該第２コンポーネントに関連する、請求項１に記載の方法。
前記反応性多層材料が、前記第１コンポーネントと前記第２コンポーネントとの間に配置される、請求項４に記載の方法。
前記反応性接合構造が、第１接合層および第２接合層をさらに含み、前記パラメータのうちの少なくともいくつかが、該第１接合層および該第２接合層に関連する、請求項４に記載の方法。
前記反応性多層材料が、前記第１接合層と前記第２接合層との間に配置される、請求項６に記載の方法。
前記第１接合層および前記第２接合層が、前記第１コンポーネントと前記第２コンポーネントとの間に配置される、請求項６に記載の方法。
前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントが実質的に同じ化学組成を有する、請求項４に記載の方法。
前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントが異なる化学組成を有する、請求項４に記載の方法。
前記第１コンポーネントが、金属、合金、バルク金属ガラス、セラミック、合成物またはポリマーを含み、前記第２コンポーネントが、金属、合金、バルク金属ガラス、セラミック、合成物またはポリマーを含む、請求項４に記載の方法。
前記金属または合金には、アルミニウム、チタン、銅、鉄およびニッケルのうちの１つまたは複数が含まれる、請求項１１に記載の方法。
前記セラミックには、ケイ素、炭素、ホウ素、窒化物、炭化物およびアルミニウム化物のうちの１つまたは複数が含まれる、請求項１１に記載の方法。
前記第１接合層および前記第２接合層が実質的に同じ化学組成を有する、請求項６に記載の方法。
前記第１接合層および前記第２接合層が異なる化学組成を有する、請求項６に記載の方法。
前記第１接合層がはんだ材および蝋材のうちの１つまたは複数であり、前記第２接合層がはんだ材および蝋材のうちの１つまたは複数である、請求項６に記載の方法。
前記はんだ材が、鉛、錫、亜鉛、金、インジウム、銀およびアンチモンのうちの１つまたは複数である、請求項１６に記載の方法。
前記蝋材が、銀、チタン、銅、インジウム、ニッケルおよび金のうちの１つまたは複数である、請求項１６に記載の方法。
前記エネルギー源項を含む前記エネルギー発展方程式が、

であり、
ここで、ｈがエンタルピーであり、ρが密度であり、ｔが時間であり、ｑが熱流束ベクトルであり、

が前記反応性多層材料におけるエネルギー放出速度である、請求項１に記載の方法。
前記パラメータが、長さ、幅、厚さ、密度、熱容量、熱伝導率、融解熱、溶融温度、反応熱、伝播速度、原子量および点火位置のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
前記エネルギー分布の前記挙動を確定することが、前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの溶融の量と、該第１コンポーネントおよび該第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの溶融の持続時間と、臨界界面が湿潤されたか否かと、該第１コンポーネントおよび該第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの熱曝露の量と、該第１コンポーネント、該第２コンポーネントおよび前記反応性多層材料のうちの少なくとも１つの温度、ピーク温度、温度プロファイルまたは温度分布と、のうちの少なくとも１つを確定することを含む、請求項４に記載の方法。
前記エネルギー分布の前記挙動を確定することが、前記第１接合層および前記第２接合層のうちの少なくとも１つの溶融の量と、該第１接合層および該第２接合層のうちの少なくとも１つの溶融の持続時間と、臨界界面が湿潤されたか否かと、前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの熱曝露の量と、該第１コンポーネント、該第２コンポーネント、該第１接合層、該第２接合層および前記反応性多層材料のうちの少なくとも１つの温度、ピーク温度、温度プロファイルまたは温度分布と、のうちの少なくとも１つを確定することを含む、請求項６に記載の方法。
前記反応性接合構造が、第３接合層および第４接合層をさらに含み、
該第３接合層および該第４接合層の各々が、前記反応性多層材料、前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントのうちの１つの上に事前に堆積され、前記パラメータのうちの少なくともいくつかが、該第３接合層および該第４接合層に関連する、請求項６に記載の方法。
前記第３接合層および前記第４接合層が実質的に同じ化学組成を有する、請求項２３に記載の方法。
前記第３接合層および前記第４接合層が異なる化学組成を有する、請求項２３に記載の方法。
前記第３接合層が、ＩｎｃｕｓｉｌおよびＧａｐａｓｉｌのうちの少なくとも１つであり、前記第４接合層が、ＩｎｃｕｓｉｌおよびＧａｐａｓｉｌのうちの少なくとも１つである、請求項２３に記載の方法。
機械によって読取可能なプログラム記憶デバイスであって、該機械により反応性多層材料を含む組立体内のエネルギー分布の挙動をシミュレートする方法ステップを実行するために実行可能な命令のプログラムを有形的に具現化するプログラム記憶デバイスであり、該方法が、
エネルギー発展方程式を提供するステップであって、該エネルギー発展方程式が、該反応性多層材料内で発生する自己伝播反応に関連するエネルギー源項を含み、該自己伝播反応が既知の速度および反応熱を有する、エネルギー発展方程式を提供するステップと、
該エネルギー発展方程式を離散化するステップと、
該組立体に関連するパラメータを使用して該離散化されたエネルギー発展方程式を積分することにより該組立体における該エネルギー分布の該挙動を確定するステップと、
を含む、プログラム記憶デバイス。
前記エネルギー発展方程式の前記離散化が、有限差分法、有限要素法、スペクトル要素法またはコロケーション法に基づく、請求項２７に記載の方法。
前記反応性多層材料が反応性多層フォイルであり、前記パラメータのうちの少なくともいくつかが該反応性多層材料に関連する、請求項２７に記載の方法。
前記組立体が、第１コンポーネントおよび第２コンポーネントを含む反応性接合構造であり、前記パラメータのうちの少なくともいくつかが、該第１コンポーネントおよび該第２コンポーネントに関連する、請求項２７に記載の方法。
前記反応性多層材料が、前記第１コンポーネントと前記第２コンポーネントとの間に配置される、請求項２７に記載の方法。
前記反応性接合構造が、第１接合層および第２接合層をさらに含み、前記パラメータのうちの少なくともいくつかが、該第１接合層および該第２接合層に関連する、請求項３０に記載の方法。
前記反応性多層材料が、前記第１接合層と前記第２接合層との間に配置される、請求項３２に記載の方法。
前記第１接合層および前記第２接合層が、前記第１コンポーネントと前記第２コンポーネントとの間に配置される、請求項３２に記載の方法。
前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントが実質的に同じ化学組成を有する、請求項３０に記載の方法。
前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントが異なる化学組成を有する、請求項３０に記載の方法。
前記第１コンポーネントが、金属、合金、バルク金属ガラス、セラミック、合成物またはポリマーを含み、前記第２コンポーネントが、金属、合金、バルク金属ガラス、セラミック、合成物またはポリマーを含む、請求項３０に記載の方法。
前記金属または合金には、アルミニウム、チタン、銅、鉄およびニッケルのうちの１つまたは複数が含まれる、請求項３７に記載の方法。
前記セラミックには、ケイ素、炭素、ホウ素、窒化物、炭化物およびアルミニウム化物のうちの１つまたは複数が含まれる、請求項３７に記載の方法。
前記第１接合層および前記第２接合層が実質的に同じ化学組成を有する、請求項３２に記載の方法。
前記第１接合層および前記第２接合層が異なる化学組成を有する、請求項３２に記載の方法。
前記第１接合層がはんだ材および蝋材のうちの１つまたは複数であり、前記第２接合層がはんだ材および蝋材のうちの１つまたは複数である、請求項３２に記載の方法。
前記はんだ材が、鉛、錫、亜鉛、金、インジウム、銀およびアンチモンのうちの１つまたは複数である、請求項４２に記載の方法。
前記蝋材が、銀、チタン、銅、インジウム、ニッケルおよび金のうちの１つまたは複数である、請求項４２に記載の方法。
前記エネルギー源項を含む前記エネルギー発展方程式が、

であり、
ここで、ｈがエンタルピーであり、ρが密度であり、ｔが時間であり、ｑが熱流束ベクトルであり、

が前記反応性多層材料におけるエネルギー放出速度である、請求項２７に記載の方法。
前記パラメータが、長さ、幅、厚さ、密度、熱容量、熱伝導率、融解熱、溶融温度、反応熱、伝播速度、原子量および点火位置のうちの少なくとも１つを含む、請求項２７に記載の方法。
前記エネルギー分布の前記挙動を確定することが、前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの溶融の量と、該第１コンポーネントおよび該第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの溶融の持続時間と、臨界界面が湿潤されたか否かと、該第１コンポーネントおよび該第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの熱曝露の量と、該第１コンポーネント、該第２コンポーネントおよび前記反応性多層材料のうちの少なくとも１つの温度、ピーク温度、温度プロファイルまたは温度分布と、のうちの少なくとも１つを確定することを含む、請求項３０に記載の方法。
前記エネルギー分布の前記挙動を確定することが、前記第１接合層および前記第２接合層のうちの少なくとも１つの溶融の量と、該第１接合層および該第２接合層のうちの少なくとも１つの溶融の持続時間と、臨界界面が湿潤されたか否かと、前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの熱曝露の量と、該第１コンポーネント、該第２コンポーネント、該第１接合層、該第２接合層および前記反応性多層材料のうちの少なくとも１つの温度、ピーク温度、温度プロファイルまたは温度分布と、のうちの少なくとも１つを確定することを含む、請求項３２に記載の方法。
前記反応性接合構造は、第３接合層および第４接合層をさらに含み、
該第３接合層および該第４接合層の各々が、前記反応性多層材料、前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントのうちの１つの上に事前に堆積され、前記パラメータのうちの少なくともいくつかが、該第３接合層および該第４接合層に関連する、請求項３２に記載の方法。
前記第３接合層および前記第４接合層が実質的に同じ化学組成を有する、請求項４９に記載の方法。
前記第３接合層および前記第４接合層が異なる化学組成を有する、請求項４９に記載の方法。
前記第３接合層が、ＩｎｃｕｓｉｌおよびＧａｐａｓｉｌのうちの少なくとも１つであり、前記第４接合層が、ＩｎｃｕｓｉｌおよびＧａｐａｓｉｌのうちの少なくとも１つである、請求項２３に記載の方法。
反応性多層材料を選択するステップと、
該反応性多層材料を使用して接合する第１コンポーネントおよび第２コンポーネントを選択するステップと、
エネルギー発展方程式を提供するステップであって、該エネルギー発展方程式が、該反応性多層材料内で発生する自己伝播反応に関連するエネルギー源項を含み、該自己伝播反応が既知の速度および反応熱を有する、エネルギー発展方程式を提供するステップと、
該エネルギー発展方程式を離散化するステップと、
該第１コンポーネント、該第２コンポーネントおよび該反応性多層材料のうちの少なくとも１つに関連するパラメータを使用して該離散化されたエネルギー発展方程式を積分することにより該第１コンポーネント、該第２コンポーネントおよび該反応性多層材料におけるエネルギー分布の挙動を確定するステップと、
前記パラメータを有する該第１コンポーネント、該第２コンポーネントおよび該反応性多層材料を提供するステップと、
該第１コンポーネントと該第２コンポーネントとの間に該反応性多層材料を配置するステップと、
該第１コンポーネントを該第２コンポーネントに接合するように該反応性多層材料を化学的に変換するステップと、
を含む方法。
前記反応性多層材料を使用して前記第１コンポーネントを前記第２コンポーネントに接合するための第１接合層および第２接合層を選択することをさらに含み、
前記確定するステップが、該第１接合層および該第２接合層のうちの少なくとも１つに関連するパラメータを使用して前記離散化されたエネルギー発展方程式を積分することにより該第１接合層および該第２接合層における前記エネルギー分布の前記挙動を確定することを含み、
前記パラメータを有する該第１接合層および該第２接合層を提供するステップと、
該第１コンポーネントと該第２コンポーネントとの間に該第１接合層および該第２接合層を配置するステップと、
を含み、
前記化学的に変換するステップが、該第１接合層および該第２接合層の変換をもたらす、請求項５３に記載の方法。
前記第１接合層および前記第２接合層を配置する前記ステップが、前記第１コンポーネント、前記第２コンポーネントおよび前記反応性多層材料のうちの１つの上に該接合層のうちの１つを堆積させることを含む、請求項５４に記載の方法。
前記接合層のうちの１つが自立型シートであり、
前記配置するステップが、前記反応性多層材料と前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントのうちの一方との間に該自立型シートを配置することを含む、請求項５４に記載の方法。
前記反応性多層材料が反応性多層フォイルである、請求項５３に記載の方法。
前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントが実質的に同じ化学組成を有する、請求項５３に記載の方法。
前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントが異なる化学組成を有する、請求項５３に記載の方法。
前記第１コンポーネントが、金属、合金、バルク金属ガラス、セラミック、合成物またはポリマーを含み、前記第２コンポーネントが、金属、合金、バルク金属ガラス、セラミック、合成物またはポリマーを含む、請求項５３に記載の方法。
前記金属または合金には、アルミニウム、チタン、銅、鉄およびニッケルのうちの１つまたは複数が含まれる、請求項６０に記載の方法。
前記セラミックには、ケイ素、炭素、ホウ素、窒化物、炭化物およびアルミニウム化物のうちの１つまたは複数が含まれる、請求項６０に記載の方法。
前記第１接合層および前記第２接合層が実質的に同じ化学組成を有する、請求項５４に記載の方法。
前記第１接合層および前記第２接合層が異なる化学組成を有する、請求項５４に記載の方法。
前記第１接合層がはんだ材および蝋材のうちの１つまたは複数であり、前記第２接合層がはんだ材および蝋材のうちの１つまたは複数である、請求項５４に記載の方法。
前記はんだ材が、鉛、錫、亜鉛、金、インジウム、銀およびアンチモンのうちの１つまたは複数である、請求項６５に記載の方法。
前記蝋材が、銀、チタン、銅、インジウム、ニッケルおよび金のうちの１つまたは複数である、請求項６５に記載の方法。
前記エネルギー発展方程式が、

であり、
ここで、ｈがエンタルピーであり、ρが密度であり、ｔが時間であり、ｑが熱流束ベクトルであり、

が前記反応性多層材料におけるエネルギー放出速度である、請求項５３に記載の方法。
前記パラメータが、長さ、幅、厚さ、密度、熱容量、熱伝導率、融解熱、溶融温度、反応熱、伝播速度、原子量および点火位置のうちの少なくとも１つを含む、請求項５３に記載の方法。
前記エネルギー分布の前記挙動を確定することが、前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの溶融の量と、該第１コンポーネントおよび該第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの溶融の持続時間と、臨界界面が湿潤されたか否かと、該第１コンポーネントおよび該第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの熱曝露の量と、該第１コンポーネント、該第２コンポーネントおよび前記反応性多層材料のうちの少なくとも１つの温度、ピーク温度、温度プロファイルまたは温度分布と、のうちの少なくとも１つを確定することを含む、請求項５３に記載の方法。
前記エネルギー分布の前記挙動を確定することが、前記第１接合層および前記第２接合層のうちの少なくとも１つの溶融の量と、該第１接合層および該第２接合層のうちの少なくとも１つの溶融の持続時間と、臨界界面が湿潤されたか否かと、前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの熱曝露の量と、該第１コンポーネント、該第２コンポーネント、該第１接合層、該第２接合層および前記反応性多層材料のうちの少なくとも１つの温度、ピーク温度、温度プロファイルまたは温度分布と、のうちの少なくとも１つを確定することを含む、請求項５４に記載の方法。
前記反応性多層材料を使用して前記第１コンポーネントを前記第２コンポーネントに接合するための第３接合層および第４接合層を選択することをさらに含み、
前記確定するステップが、該第３接合層および該第４接合層のうちの少なくとも１つに関連するパラメータを使用して前記離散化されたエネルギー発展方程式を積分することにより該第３接合層および該第４接合層における前記エネルギー分布の前記挙動を確定することを含み、
該パラメータを有する該第３接合層および該第４接合層を提供するステップと、
該第１コンポーネント、該第２コンポーネントおよび該反応性多層材料のうちの少なくとも１つの上に該第３接合層および該第４接合層の各々を事前に堆積させるステップと、
を含み、
前記化学的に変換するステップが、該第３接合層および該第４接合層の変換をもたらす、請求項５４に記載の方法。
前記第３接合層および前記第４接合層が実質的に同じ化学組成を有する、請求項７２に記載の方法。
前記第３接合層および前記第４接合層が異なる化学組成を有する、請求項７２に記載の方法。
前記第３接合層が、ＩｎｃｕｓｉｌおよびＧａｐａｓｉｌのうちの少なくとも１つであり、前記第４接合層が、ＩｎｃｕｓｉｌおよびＧａｐａｓｉｌのうちの少なくとも１つである、請求項７２に記載の方法。
第１コンポーネント、第２コンポーネントおよび反応性多層材料に関連するパラメータを提供するステップであって、該パラメータが、
エネルギー発展方程式を提供するステップであって、該エネルギー発展方程式が、該反応性多層材料内で発生する自己伝播反応に関連するエネルギー源項を含み、該自己伝播反応が既知の速度および反応熱を有する、エネルギー発展方程式を提供するステップと、
該エネルギー発展方程式を離散化するステップと、
該第１コンポーネント、該第２コンポーネントおよび該反応性多層材料のうちの少なくとも１つに関連する該パラメータを使用して該離散化されたエネルギー発展方程式を積分することにより該第１コンポーネント、該第２コンポーネントおよび該反応性多層材料におけるエネルギー分布の挙動を確定するステップと、
を含む確定する方法によって確定される、パラメータを提供するステップと、
該パラメータを有する該第１コンポーネント、該第２コンポーネントおよび該反応性多層材料を提供するステップと、
該第１コンポーネントと該第２コンポーネントとの間に該反応性多層材料を配置するステップと、
該第１コンポーネントを該第２コンポーネントに接合するように該反応性多層材料を化学的に変換するステップと、
を含む接合方法。
第１接合層および第２接合層に関連するパラメータを提供することをさらに含み、
前記確定するステップが、該第１接合層および該第２接合層のうちの少なくとも１つに関連するパラメータを使用して前記離散化されたエネルギー発展方程式を積分することにより該第１接合層および該第２接合層における前記エネルギー分布の前記挙動を確定することを含み、
前記パラメータを有する該第１接合層および該第２接合層を提供するステップと、
該第１コンポーネントと該第２コンポーネントとの間に該第１接合層および該第２接合層を配置するステップと、
を含み、
前記化学的に変換するステップが、該第１接合層および該第２接合層の変換をもたらす、請求項７６に記載の方法。
前記第１接合層および前記第２接合層を配置する前記ステップが、前記第１コンポーネント、前記第２コンポーネントおよび前記反応性多層材料のうちの１つの上に該接合層のうちの１つを堆積させることを含む、請求項７７に記載の方法。
前記接合層のうちの１つが自立型シートであり、
前記配置するステップが、前記反応性多層材料と前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントのうちの一方との間に該自立型シートを配置することを含む、請求項７７に記載の方法。
前記反応性多層材料が反応性多層フォイルである、請求項７６に記載の方法。
前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントが実質的に同じ化学組成を有する、請求項７６に記載の方法。
前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントが異なる化学組成を有する、請求項７６に記載の方法。
前記第１コンポーネントが、金属、合金、バルク金属ガラス、セラミック、合成物またはポリマーを含み、前記第２コンポーネントが、金属、合金、バルク金属ガラス、セラミック、合成物またはポリマーを含む、請求項７６に記載の方法。
前記金属または合金には、アルミニウム、チタン、銅、鉄およびニッケルのうちの１つまたは複数が含まれる、請求項８３に記載の方法。
前記セラミックには、ケイ素、炭素、ホウ素、窒化物、炭化物およびアルミニウム化物のうちの１つまたは複数が含まれる、請求項８３に記載の方法。
前記第１接合層および前記第２接合層が実質的に同じ化学組成を有する、請求項７７に記載の方法。
前記第１接合層および前記第２接合層が異なる化学組成を有する、請求項７７に記載の方法。
前記第１接合層がはんだ材および蝋材のうちの１つまたは複数であり、前記第２接合層がはんだ材および蝋材のうちの１つまたは複数である、請求項７７に記載の方法。
前記はんだ材が、鉛、錫、亜鉛、金、インジウム、銀およびアンチモンのうちの１つまたは複数である、請求項８８に記載の方法。
前記蝋材が、銀、チタン、銅、インジウム、ニッケルおよび金のうちの１つまたは複数である、請求項８８に記載の方法。
前記エネルギー源項を含む前記エネルギー発展方程式が、

であり、
ここで、ｈがエンタルピーであり、ρが密度であり、ｔが時間であり、ｑが熱流束ベクトルであり、

が前記反応性多層材料におけるエネルギー放出速度である、請求項７６に記載の方法。
前記パラメータが、長さ、幅、厚さ、密度、熱容量、熱伝導率、融解熱、溶融温度、反応熱、伝播速度、原子量および点火位置のうちの少なくとも１つを含む、請求項７６に記載の方法。
前記エネルギー分布の前記挙動を確定することが、前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの溶融の量と、該第１コンポーネントおよび該第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの溶融の持続時間と、臨界界面が湿潤されたか否かと、該第１コンポーネントおよび該第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの熱曝露の量と、該第１コンポーネント、該第２コンポーネントおよび前記反応性多層材料のうちの少なくとも１つの温度、ピーク温度、温度プロファイルまたは温度分布と、のうちの少なくとも１つを確定することを含む、請求項７６に記載の方法。
前記エネルギー分布の前記挙動を確定することが、前記第１接合層および前記第２接合層のうちの少なくとも１つの溶融の量と、該第１接合層および該第２接合層のうちの少なくとも１つの溶融の持続時間と、臨界界面が湿潤されたか否かと、前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの熱曝露の量と、該第１コンポーネント、該第２コンポーネント、該第１接合層、該第２接合層および前記反応性多層材料のうちの少なくとも１つの温度、ピーク温度、温度プロファイルまたは温度分布と、のうちの少なくとも１つを確定することを含む、請求項７７に記載の方法。
第３接合層および第４接合層に関連するパラメータを提供することをさらに含み、
前記確定するステップが、該第３接合層および該第４接合層に関連するパラメータを使用して前記離散化されたエネルギー発展方程式を積分することにより該第３接合層および該第４接合層における前記エネルギー分布の前記挙動を確定することを含み、
前記パラメータを有する該第３接合層および該第４接合層を提供するステップと、
該第１コンポーネントと該第２コンポーネントとの間に該第３接合層および該第４接合層を配置するステップと、
を含み、
前記化学的に変換するステップが、該第３接合層および該第４接合層の変換をもたらす、請求項７７に記載の方法。
前記第３接合層および前記第４接合層が実質的に同じ化学組成を有する、請求項９５に記載の方法。
前記第３接合層および前記第４接合層が異なる化学組成を有する、請求項９５に記載の方法。
前記第３接合層が、ＩｎｃｕｓｉｌおよびＧａｐａｓｉｌのうちの少なくとも１つであり、前記第４接合層が、ＩｎｃｕｓｉｌおよびＧａｐａｓｉｌのうちの少なくとも１つである、請求項９５に記載の方法。
第２コンポーネントに接合される第１コンポーネントと、
該第１コンポーネントおよび該第２コンポーネントに関連する反応性多層材料の化学的変換の残存物と、
を備え、
該第１コンポーネント、該第２コンポーネントおよび該反応性多層材料のうちの少なくとも１つのパラメータが、該第１コンポーネント、該第２コンポーネントおよび該反応性多層材料内のエネルギー分布のシミュレートされた挙動に基づいて事前に確定され、
該挙動が、該パラメータを使用してエネルギー発展方程式の離散化を積分することによって確定され、
該エネルギー発展方程式が、該反応性多層材料内で発生する自己伝播波面に関連するエネルギー源項を含み、
該自己伝播波面が既知の速度および反応熱を有する、接合体。
前記第１コンポーネントを前記第２コンポーネントに接合する第１接合層および第２接合層をさらに備え、
該第１コンポーネント、該第２コンポーネント、該第１接合層、該第２接合層および前記反応性多層材料のうちの少なくとも１つの前記パラメータが、該第１コンポーネント、該第２コンポーネント、該第１接合層、該第２接合層および該反応性多層材料内の前記エネルギー分布の前記シミュレートされた挙動に基づいて事前に確定される、請求項９９に記載の接合体。
前記化学的変換が点火である、請求項９９に記載の接合体。
前記反応性多層材料が反応性多層フォイルである、請求項９９に記載の接合体。
前記第１接合層および前記第２接合層が、前記第１コンポーネントと前記第２コンポーネントとの間に配置される、請求項１００に記載の接合体。
前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントが実質的に同じ化学組成を有する、請求項９９に記載の接合体。
前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントが異なる化学組成を有する、請求項９９に記載の接合体。
前記第１コンポーネントが、金属、合金、バルク金属ガラス、セラミック、合成物またはポリマーを含み、前記第２コンポーネントが、金属、合金、バルク金属ガラス、セラミック、合成物またはポリマーを含む、請求項９９に記載の接合体。
前記金属または合金には、アルミニウム、チタン、銅、鉄およびニッケルのうちの１つまたは複数が含まれる、請求項１０６に記載の接合体。
前記セラミックには、ケイ素、炭素、ホウ素、窒化物、炭化物およびアルミニウム化物のうちの１つまたは複数が含まれる、請求項１０６に記載の接合体。
前記第１接合層および前記第２接合層が実質的に同じ化学組成を有する、請求項１００に記載の接合体。
前記第１接合層および前記第２接合層が異なる化学組成を有する、請求項１００に記載の接合体。
前記第１接合層がはんだ材および蝋材のうちの１つまたは複数であり、前記第２接合層がはんだ材および蝋材のうちの１つまたは複数である、請求項１００に記載の接合体。
前記はんだ材が、鉛、錫、亜鉛、金、インジウム、銀およびアンチモンのうちの１つまたは複数である、請求項１１１に記載の接合体。
前記蝋材が、銀、チタン、銅、インジウム、ニッケルおよび金のうちの１つまたは複数である、請求項１１１に記載の接合体。
前記エネルギー源項を含む前記エネルギー発展方程式が、

であり、
ここで、ｈがエンタルピーであり、ρが密度であり、ｔが時間であり、ｑが熱流束ベクトルであり、

が前記反応性多層材料におけるエネルギー放出速度である、請求項９９に記載の接合体。
前記パラメータが、長さ、幅、厚さ、密度、熱容量、熱伝導率、融解熱、溶融温度、反応熱、伝播速度、原子量および点火位置のうちの少なくとも１つを含む、請求項９９に記載の接合体。
前記エネルギー分布の前記挙動を確定することが、前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの溶融の量と、該第１コンポーネントおよび該第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの溶融の持続時間と、臨界界面が湿潤されたか否かと、該第１コンポーネントおよび該第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの熱曝露の量と、該第１コンポーネント、該第２コンポーネントおよび前記反応性多層材料のうちの少なくとも１つの温度、ピーク温度、温度プロファイルまたは温度分布と、のうちの少なくとも１つを確定することを含む、請求項９９に記載の接合体。
前記エネルギー分布の前記挙動を確定することが、前記第１接合層および前記第２接合層のうちの少なくとも１つの溶融の量と、該第１接合層および該第２接合層のうちの少なくとも１つの溶融の持続時間と、臨界界面が湿潤されたか否かと、前記第１コンポーネントおよび前記第２コンポーネントのうちの少なくとも１つの熱曝露の量と、該第１コンポーネント、該第２コンポーネント、該第１接合層、該第２接合層および前記反応性多層材料のうちの少なくとも１つの温度、ピーク温度、温度プロファイルまたは温度分布と、のうちの少なくとも１つを確定することを含む、請求項１００に記載の接合体。
前記第１コンポーネントを前記第２コンポーネントに接合する第３接合層および第４接合層をさらに備え、
該第１コンポーネント、該第２コンポーネント、該第１接合層、該第２接合層、該第３接合層、該第４接合層および前記反応性多層材料のうちの少なくとも１つの前記パラメータが、該第１コンポーネント、該第２コンポーネント、該第１接合層、該第２接合層、該３接合層、該第４接合層および該反応性多層材料内の前記エネルギー分布の前記シミュレートされた挙動に基づいて事前に確定される、請求項９９に記載の接合体。
前記第３接合層および前記第４接合層が実質的に同じ化学組成を有する、請求項１１８に記載の接合体。
前記第３接合層および前記第４接合層が異なる化学組成を有する、請求項１１８に記載の接合体。
前記第３接合層が、ＩｎｃｕｓｉｌおよびＧａｐａｓｉｌのうちの少なくとも１つであり、前記第４接合層が、ＩｎｃｕｓｉｌおよびＧａｐａｓｉｌのうちの少なくとも１つである、請求項１１８に記載の接合体。
第２コンポーネントに接合される第１コンポーネントと、
反応性多層材料の化学的変換の残存物と、
を備え、
該第１コンポーネントが該第２コンポーネントとは異なる化学組成を有する、接合体。
前記第１コンポーネントを前記第２コンポーネントに接合する第１接合層および第２接合層をさらに備え、
該第１接合層が該第２接合層とは異なる化学組成を有する、請求項１２２に記載の接合体。
前記反応性多層材料が反応性多層フォイルである、請求項１２２に記載の接合体。
前記第１接合層および前記第２接合層が、前記第１コンポーネントと前記第２コンポーネントとの間に配置される、請求項１２３に記載の接合体。
前記第１コンポーネントが、金属、合金、バルク金属ガラス、セラミック、合成物またはポリマーを含み、前記第２コンポーネントが、金属、合金、バルク金属ガラス、セラミック、合成物またはポリマーを含む、請求項１２２に記載の接合体。
前記金属または合金には、アルミニウム、チタン、銅、鉄およびニッケルのうちの１つまたは複数が含まれる、請求項１２６に記載の接合体。
前記セラミックには、ケイ素、炭素、ホウ素、窒化物、炭化物およびアルミニウム化物のうちの１つまたは複数が含まれる、請求項１２６に記載の接合体。
前記第１接合層がはんだ材および蝋材のうちの１つまたは複数であり、前記第２接合層がはんだ材および蝋材のうちの１つまたは複数である、請求項１２３に記載の接合体。
前記はんだ材が、鉛、錫、亜鉛、金、インジウム、銀およびアンチモンのうちの１つまたは複数である、請求項１２９に記載の接合体。
前記蝋材が、銀、チタン、銅、インジウム、ニッケルおよび金のうちの１つまたは複数である、請求項１２９に記載の接合体。
前記第１コンポーネントを前記第２コンポーネントに接合する第３接合層および第４接合層をさらに備える、請求項１２３に記載の接合体。
前記第３接合層および前記第４接合層が実質的に同じ化学組成を有する、請求項１３２に記載の接合体。
前記第３接合層および前記第４接合層が異なる化学組成を有する、請求項１３２に記載の接合体。
前記第３接合層が、ＩｎｃｕｓｉｌおよびＧａｐａｓｉｌのうちの少なくとも１つであり、前記第４接合層が、ＩｎｃｕｓｉｌおよびＧａｐａｓｉｌのうちの少なくとも１つである、請求項１３２に記載の接合体。