KR20180136461A - 조인트를 2성분계로 형성하는 방법 및 그 조인트 - Google Patents

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KR20180136461A
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liq
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KR1020187031532A
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안드레아스 라르슨
토를레이프 에이. 톨레프센
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테크니 홀딩 에이에스
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Abstract

본 발명은 2개의 고체 물체들을 함께 접합하는 조인트의 형성 방법 및 이 방법에 의해 제조된 조인트들에 관한 것으로, 여기서 상기 조인트는 열처리시 상기 조인트의 접합층에 걸쳐 연장되는 다공성, 응집성 및 연속성 단일 고용체 상을 형성하는 2성분계의 층에 의해 형성된다.

Description

조인트를 2성분계로 형성하는 방법 및 그 조인트
본 발명은 2개의 고체 성분들을 함께 접합시키는 조인트(joint)를 형성하는 방법 및 이 방법에 의해 제조된 조인트들에 관한 것이다. 본 발명은 특히 금속 컴포넌트들을 접합하기 위한 접합 기술로서 및 전자적 패키징 목적들에서 구조적 및/또는 전자 부품들(electronic components)을 결합하는 데 적합하다.
재료들 또는 컴포넌트들을 결합하는 것은 수 천년 전에 나타난 고대 기술이다. 보다 최근에는 금속들을 결합하는 것이 매우 중요한 기술이 되었다.
오늘날 사용되는 금속 컴포넌트들을 결합하기 위한 가장 진보된 기술들 중 일부는 (종종 접합(bonding)이라고 하는) 복합 전자 시스템들의 어셈블리 내에 있다. 전형적인 적용례들의 예는 예를 들어, 와이드-밴드갭 반도체 장치들(wide-bandgap semi-conductive devices)(예컨대, SiC, GaN, GaAs, AlN으로 제조된 트랜지스터들 또는 다이오드들), 마이크로기계 시스템들(MEMS), 마이크로-장치들, 마이크로구조체들, 커패시터들, 저항기들, (전형적으로 세라믹 또는 유리로 제조된) 웨이퍼들 또는 다른 기판들 상의 인덕터들, 및 IC(예컨대, Si 또는 SiC 기반)와 같은 전자 부품들(electronic components)의 접합을 포함한다. 다른 적용례들은 열전기 발전기(TEG)들을 결합하거나, 캡슐화된것들(encapsulations)에 기밀 밀봉들을 형성하거나, 또는 구조 컴포넌트들을 결합하는 것을 포함한다. 접합은 전자 패키징 분야에서 상호연결부들, 다이 부착물들 등을 형성하는 것을 포함한다. 이러한 기술들에는 솔더링(soldering), 브레이징(brazing), 용접, 접촉 용융, 열-압축, 초음파, 고액 상호확산(solid liquid inter-diffusion)(SLID)/전이 액상(transient liquid phase)(TLP) 및 소결이 포함된다.
컴포넌트들의 결합은 (1) 이종(dissimilar) 재료들을 활용하는 기술들, 및 (2) 하나의 단일 재료를 사용하는 기술들과 같은 두 가지 범주들로 나눌 수 있다.
결합을 위해 이종 재료들을 활용하는 기술들은, 전형적으로 재료 컴포넌트들 간에 상호확산(interdiffusion)이 필요하다. 상호확산은 솔더링, 브레이징, 용접 및 고액 상호확산(SLID) 접합 및 전이 액상(TLP) 접합을 포함하는 많은 결합 기술들에 사용된다.
결합을 위해 하나의 단일 재료를 사용하는 기술들은, 전형적으로 고온, 고압, 고진공 및 고품질 접합 표면들과 같은 까다로운 프로세스 파라미터들을 필요로 한다. 따라서, 하나의 단일 재료를 사용하는 접합 기술들은 MEMS가 고압과 쉽게 양립할 수 없고 반도체 재료들이 고온 또는 대형 컴포넌트들과 맞지 않아 표면 마무리 요건을 충족시키지 못하기 때문에 종종 전자 장치들에 적합하지 않다. 또한, 고진공 수준들과 샘플 표면 제조는 패키징 프로세스들에 상당한 비용을 추가한다.
종래 기술
솔더링은 전자기기들에 대해 가장 일반적인 결합 기술이다. 주요 컴포넌트은 충전제 물질이다. 이는 솔더(solder)라고 불리며, 이는 전형적으로 3개의 상들을 갖는 바이메탈(bi-metal) 시스템이다[1]. 솔더 조성물(composition)은 프로세스 온도를 낮추기 위해 일반적으로 공정점(eutectic point) 근처에 있다. 솔더는 결합할 두 표면들 사이에 배치된다. 솔더는 용융되어 두 결합 표면들을 습윤시킬 때까지 가열된다. 순차적인 냉각에 의해 솔더는 고형화되고 솔리드(solid) 조인트를 생성한다. 비-공정(off-eutectic) 솔더링은 때때로 공정 조성물(eutectic composition)로부터의 작은 오프셋(offset)을 갖는 합금 조성물들에 대해 사용된다. 솔더 프로세스는 리플로우(reflow) 프로세스에 노출되는 경우에 동일한 기본 온도(전형적으로, 공정 온도(eutectic temperature))에서 용융되는 것을 특징으로 한다. 일부 솔더링 재료 시스템들은 금속간 화합물들(IMC)을 생성한다.
브레이징은 그의 특징이 솔더링과 유사하지만, 전형적으로 400 내지 450℃ 높은 상승된 프로세스 온도에서 실행된다.
용접은 또 다른 매우 일반적인 결합 기술이다. 저항 용접, 아크 용접, 가스 용접 및 레이저 용접과 같은 많은 다른 형태들의 용접이 있다. 이들 모두는 접합 계면이 컴포넌트들 중 적어도 하나의 융점보다 높게 가열되는 공통점이 있다. 그런 다음, 표면들이 함께 압축되고 냉각시 용융물이 응고되어 솔리드 조인트를 생성한다[1]. 용접은 전형적으로 높은 프로세스 온도 및 거의 단일 금속 조인트들을 특징으로 한다.
접촉 용융 또는 확산 접합은 열-압착 접합 및 용접과 유사한 또 다른 기술이다. 이는 함께 가압되는 서로 다른 재료 조성물들의 두 가지 컴포넌트들을 포함한다. 하나의 컴포넌트은 전형적으로 고용체(solid solution) 형태의 바이메탈이다[1]. 이 때, 고체 상호확산은 고용체를 포함하는 2개의 인접한 표면들 사이의 접합을 생성한다. 이러한 프로세스는 일반적으로 장시간이 소요되며 고온에서 수행된다.
열-압착(thermo-compression)과 초음파 접합은 유사한 조성물의 두 컴포넌트들을 함께 가압하는 동시에 열 또는 열 및 초음파 에너지가 접합 표면들로 전달된다. 이는 사용된 재료들의 융점들보다 상당히 낮은 온도에서 솔리드 조인트를 생성하는 접합 표면들 사이의 상호확산 프로세스를 가속화시킨다. 원칙적으로, 접합을 개시하는 데 필요한 에너지는 단지 열에 의해서가 아니라 열, 압력 및 진동들의 조합에 의해 공급되었다는 점에서 일반 용접과 유사하다.
소결은 동일하거나 유사한 재료의 접합 표면들에 작은 금속 입자들이 놓였다는 점에서 또 다른 접근법이다. 적용된 압력과 열은 솔리드 조인트를 형성하는 고체 상태 확산 프로세스를 구동한다. 이 기술은, 예를 들어, 용접에 비해, 고압 및 비교적 저온에서 균일하지만 다공성인 기하구조의 단일금속 조인트들을 형성하는 것으로 분류된다.
고액 상호확산(SLID) 및 전이 액상(TLP)은 금속 조인트들을 생성하는 보다 세련된 기술이다[2]. 제1 및 제2 금속이 상이한 융점들을 갖는다는 점에서, 제1 및 제2 금속의 바이메탈 시스템이 사용된다. 접합은 제2 금속의 적어도 하나의 층과 접촉하도록 만들어진 제1 금속의 적어도 하나의 층의 샌드위치식 구조를 형성하고 저 융점 금속이 액체 상태로 용융될 때까지 샌드위치식 구조를 가열함으로써 수득된다. 그런 다음, 다른 금속이 고상으로 유지되도록 온도가 안정화된다. 액체 금속은 샌드위치식 구조의 접합 표면들을 습윤시키고 2개의 금속 상들 사이의 비교적 신속한 상호확산을 가능하게 한다. 상호확산은 재료 시스템에서 용질과 용매의 상대적 농도를 이동시킨다. 결국, 이는 새로운 균질한 재료 조성물을 갖는 액상을 고상, 즉 고형화 프로세스 또는 상 전이로 변태시킨다. 그런 다음, 조인트가 냉각된다. 전형적으로, 새로운 상은 이제 접합 재료들의 원래 융점을 넘어(beyond) 가열될 수 있고, 증가된 고온 상용성이 있었던 적용례들에 사용된다는 점에서 바람직하다. 안정한 상들을 형성하기 위해, SLID-접합들은 고상선(solidus)이 (일정한 압력에서) 온도에 따라 일정하지 않은 복합 바이메탈 시스템들에서 특정 상들, 예컨대, 화학양론적 상들, 또는 금속간 화합물들(intermetallic compounds)(IMC)에 도달하는 것을 목적으로 한다. IMC는 종종 취성이 있고 비-신뢰성이기 때문에 전통적인 결합 적용례들에서 종종 회피된다. 그러나, 일부 재료 시스템들은 원래의 저 융점 재료보다 훨씬 더 높은 융점을 갖는 안정한 재료 상들을 갖는다. 따라서, 최종 재료 조성물은 고 신뢰성 또는 고온 적용례들에 사용될 수 있다. Au-In, Au-Sn, Ag-In, Ag-Sn, Cu-Sn 및 Ni-Sn을 포함하는 몇 가지 SLID 시스템들이 평가되었다.
문헌 US 2013/0152990은 전극들을 열전 변환 재료들(thermoelectric conversion materials)에 접합시키기 위한 SLID-기술의 사용을 개시한다. 이 문헌에는 열전 변환 재료들의 예들로서 Bi2Te3, GeTe, PbTe, CoSb3, 및 Zn4Sb3이 언급되어 있으며, 열전 변환 재료는 먼저 Ni 또는 다른 적합한 재료의 1 내지 5 ㎛ 두께의 장벽 층으로 코팅된 다음, 2 내지 10 ㎛ 두께의 Ag, Ni 또는 Cu 층으로 코팅되고, 마지막으로 1 내지 10 ㎛ 두께의 Sn 층으로 코팅된다. 전극은 한쪽면에 먼저 2 내지 10 ㎛ 두께의 Ag, Ni 또는 Cu 층으로 코팅된 다음, 1 내지 10 ㎛ 두께의 Sn 층으로 코팅된다. 코팅된 열전 변환 재료와 전극을, 그 후 Sn 층들과 나란히 적층하고 Sn 층들이 용융되어 Ag, Ni 또는 Cu와 반응하여 전극을 열전 변환 재료에 접합시키는 고체 금속간 화합물들을 형성할 때까지 완만하게 가열하면서 함께 가압시킨다.
문헌 US 3 025 439는 규소 반도체 장치를 헤더 상에 장착하는 방법을 개시하고 있으며, 이 방법은 규소 반도체 장치 및 헤더의 일부분을 금으로 코팅하는 단계, 및 금 코팅물들을 12% 게르마늄 및 88% 금으로 이루어진 프리폼(preform) 중간체를 통해 적층하는 단계, 및 그 후, 생성된 적층체의 온도를 상승시켜 금의 합금화를 수행하는 단계를 포함한다. 생성된 제품은 US 3 025 439의 도 2에 예시되어 있으며, 금 코팅물들과 프리폼의 완전한 합체 및 정체성의 손실에 대해 상기 문헌에서 기재하고 있다. 이들은 헤더와 규소 반도체 간에 형성된 하나의 실질적으로 연속적인 금 연결부 또는 접촉부로 변형되었다.
US 3 200 490으로부터는, 규소 본체에 대한 연결부 제조 방법이 공지되어 있으며, 이 방법은 게르마늄으로 본체의 표면을 코팅하는 단계, 규소가 용해되는 게르마늄과 공정 용액(eutectic solution)을 형성할 수 있는 금속으로 연결부의 표면을 코팅하는 단계, 코팅된 표면들을 접촉시키는 단계, 및 공정 온도 초과로 가열하는 단계를 포함한다.
문헌 US 5 038 996은 각각의 금속 표면들을 제1 재료의 층 및 제1 재료의 층과 접촉하는 제2 및 상이한 재료의 층으로 코팅하는 것을 포함하는 2개의 금속 표면들을 결합시키는 방법을 개시한다. 제1 재료 및 제2 재료는 공정 액체 층이 이들 사이의 계면에서 형성되도록 선택된다. 각각의 금속 표면들 상의 제2 재료의 층들을 함께 맞대고 그런 다음, 층들을 공정 온도들을 초과하여 가열하여 국부적인 액체를 형성하고, 이를 고형화시켜 표면들 간의 상호연결을 유발한다.
문헌 US 7 628 309는 제1 컴포넌트을 제공하는 단계, 제2 컴포넌트을 제공하는 단계, 및 제1 및 제2 컴포넌트 사이에 제1 공정 접합 물질을 배치하는 단계를 포함하는 두 컴포넌트들을 함께 접합시키는 방법을 개시한다. 제1 공정 접합 재료는 게르마늄, 주석 또는 규소 중 적어도 하나를 포함한다. 이 방법은 제1 및 제2 컴포넌트 사이에 그리고 제1 공정 접합 재료에 인접하여 제2 공정 접합 재료를 위치시키는 단계를 추가로 포함한다. 제2 공정 접합 재료는 금을 포함한다. 이 방법은 제1 및 제2 공정 접합 재료들을 제1 및 제2 공정 접합 재료들의 합금의 공정 온도 초과의 온도로 가열하여, 제1 및 제2 공정 접합 재료들로부터 아공정(hypoeutectic) 합금을 형성시키는 것을 허용하는 단계를 추가로 포함한다. 이 방법은 아공정 합금을 냉각시켜 제1 및 제2 컴포넌트들을 함께 접합시키는 고용체 합금을 형성하는 추가적인 단계를 포함한다.
문헌 US 5 623 127은 솔더링가능한 부분들인 구리 회로 트레이스들(105)을 갖는 전기 절연 기판으로 이루어진 솔더 클래드 인쇄 회로 보드(100)를 개시한다. 솔더링 조성물의 실질적으로 평탄한 층(120)은 솔더링가능한 트레이스들에 융합되어, 돔형이 아닌 솔더 패드를 형성한다. 이 층은, 함께 융합되어 다공성 구조를 갖는 응집체(120)를 형성하는 비-공정 솔더 입자들(115)의 질량체(mass)로 구성된다. 솔더 입자들은 비-공정 솔더를 솔더의 고상선 온도와 액상선 온도 사이의 온도로 가열함으로써 함께 융합된다. 그런 다음, 솔더는 고상선 온도 미만으로 냉각되어 고형화된다.
문헌 US 6 854 636은 후속적인 제2 수준 결합/어셈블리 및 재작업 작동들 동안 C4 솔더 상호연결부의 용융 정도를 제한하기 위해 솔더 상호연결부의 액상 온도 계층을 갖는 전자 패키지를 개시한다. 솔더 계층은 C4 제1 수준 솔더 상호연결부들에는 높은 액상선 온도를 갖고 제2 수준 상호연결부들에는 낮은 액상선 온도 합금을 갖는 Sn/Ag 및 Sn/Cu의 비-공정 솔더 합금들의 사용을 채택한다. 제2 수준의 칩 캐리어 대 PCB 결합/어셈블리 작동들이 발생하는 경우, 칩-대-칩 캐리어 C4 상호연결부들은 완전히 용융되지 않는다. 이들은 특정 분율의 고체들 및 완전히 용융된 합금보다 낮은 분율의 액체들을 계속 갖는다. 이는 솔더 결합의 감소된 팽창을 제공하고 결과적으로 C4 상호연결부의 응력들을 감소시킨다.
본 발명의 주 목적은, 이 방법에 의해 제조된 고체 성분들 및 조인트들을 함께 접합하기 위한 단일-상 고용체 구조를 포함하는, 기계적 탄성 및 가요성 2-상 혼합물 조인트를 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
이 목적은 첨부된 특허청구범위에 제공된 특징들에 의해 얻어질 수 있다.
본 발명은, 시스템의 고상선과 액상선 온도들 사이의 온도들에서 컴포넌트 A 및 컴포넌트 B의 소정의 혼화성 또는 부분 혼화성 (공정) 2성분계로 형성될 수 있는 "고액공존 존(mushy zone)"을 활용하여 접합층에 걸쳐 연장되는 응집성 단일 고용체 상을 형성한다는 실현의 실시에 대한 감소로서 간주될 수 있다. 단일 고용체 상을 활용하여 2성분계의 고상선 온도 사이 그러나 액상선 온도 미만의 특정 범위의 온도들에서 2개의 고체 성분들 사이의 기계적 탄성 및 가요성 접합을 형성할 수 있다.
따라서, 제1 양태에서, 본 발명은 제1 고체 물체의 접합 표면과 제2 고체 물체의 접합 표면 사이에 조인트를 형성하는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 하기 단계들을 포함한다:
A) 컴포넌트들 A 및 B의 2성분계를 제공하는 단계로서, 이때 2성분계가 다음 중 하나인, 단계:
i) 하기 범위 내의 전체 조성물 C0를 갖는 혼화성 2성분계:
Figure pct00001
상기 식에서, Cliq는 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,A + Tliq, B)/2에 있는 경우, 단일-상 고용체와 공존하는 액상의 조성물이고, Cα는 2성분계가 온도 T1에 있는 경우, 액상과 공존하는 단일-상 고용체의 조성물이고, Tliq,A는 100% 순수 컴포넌트 A의 용융 온도이고, Tliq,B는 100% 순수 컴포넌트 B의 용융 온도이고, f α 는 온도 T1에서 혼화성 2성분계에 존재하는 단일-상 고용체의 분율이고, 여기서 f α 는 [0.26, 1)의 범위이거나, 또는
ii) 그 고체 상태 구역에 단지 3개의 상 영역들(phase fields)을 갖는, 아공정 또는 과공정 조성물 중 어느 하나의 부분 혼화성 2성분계:
- 부분 혼화성 2성분계의 조성물이 아공정인 경우, 이는 하기 범위의 전체 조물 C0를 갖고:
Figure pct00002
상기 식에서, Cliq는 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,A + Teut)/2에서 존재하는 경우, α-상과 공존하는 액상의 조성물이고, Cα는 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,A + Teut)/2에서 존재하는 경우, 액상과 공존하는 α-상의 조성물이고, Tliq,A는 100% 순수 컴포넌트 A의 용융 온도이고, T eut는 공정 2성분계의 공정 온도이고, f α 는 [0.26, 1)의 범위이거나, 또는
- 부분 혼화성 2성분계의 조성물이 과공정 조성물인 경우, 이는 하기 범위의 전체 조성물 C0를 갖고:
Figure pct00003
상기 식에서, Cliq는 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,B + Teut)/2에 있는 경우, β-상과 공존하는 액상의 조성물이고, Cβ는 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,B + Teut)/2에 있는 경우, 액상과 공존하는 β-상의 조성물이고, Tliq,B는 100% 순수 컴포넌트 B의 용융 온도이고, T eut는 공정 2성분계의 공정 온도이고, f β 는 [0.26, 1)의 범위이고,
B) 제2 고체 물체의 접합 표면을 제1 고체 물체의 접합 표면을 향하게 대향시킴으로써 제1 고체 물체, 2성분계 및 제2 고체 물체를 포함하는 샌드위치식 구조를 형성하는 단계 ― 여기서, 2성분계는 제1 및 제2 물체들 양자 모두의 접합 표면들 사이에 개재되어 이들과 접촉함 ―, 및
C) 온도 T1에 대한 상한 온도에서 샌드위치식 구조를 열 처리함으로써 제1 및 제2 물체들을 접합하는 조인트를 형성하는 단계 ― 상기 온도는 A 및 B 컴포넌트들의 혼화성 또는 부분 혼화성 2성분계가 제1 및 제2 물체들의 접합 표면들 사이에 개재된 A 및 B 컴포넌트들의 단일-상 고용체의 다공성, 응집성 및 연속성 구조를 형성하게 하고 A 및 B 컴포넌트들의 단일-상 고용체의 다공성, 응집성 및 연속성 구조에 분산된 A 및 B 컴포넌트들의 제2 상을 형성하도록 함 ―.
제2 양태에서, 본 발명은 제1 고체 물체의 접합 표면과 제2 고체 물체의 접합 표면 간의 조인트에 관한 것으로,
- 조인트가 컴포넌트들 A와 B의 2성분계로 구성된 접합층을 포함하고, 여기서 2성분계가 다음 중 어느 하나이고:
i) 하기 범위 내에서 전체 조성물 C0를 갖는 완전 혼화성 2성분계:
Figure pct00004
상기 식에서, Cliq는 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,A + Tliq, B)/2에 있는 경우, 단일-상 고용체와 공존하는 액상의 조성물이고, Cα는 2성분계가 온도 T1에 있는 경우, 액상과 공존하는 단일-상 고용체의 조성물이고, Tliq,A는 100% 순수 컴포넌트 A의 액상선 온도이고, Tliq,B는 100% 순수 컴포넌트 B의 액상선 온도이고, fα는 [0.26, 1)의 범위이거나, 또는
ii) 그 고체 상태 구역에 단지 3개의 상 영역들을 갖는, 아공정 또는 과공정 조성물 중 어느 하나의 부분 혼화성 2성분계,
- 부분 혼화성 2성분계의 조성물이 아공정인 경우, 이는 하기 범위의 전체 조성물 C0를 갖고:
Figure pct00005
상기 식에서, Cliq는 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,A + Teut)/2에 있는 경우, α-상과 공존하는 액상의 조성물이고, Cα는 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,A + Teut)/2에 있는 경우, 액상과 공존하는 α-상의 조성물이고, Tliq,A는 100% 순수 컴포넌트 A의 용융 온도이고, T eut는 공정 2성분계의 공정 온도이고, f α 는 [0.26, 1)의 범위이거나, 또는
- 부분 혼화성 2성분계의 조성물이 과공정 조성물인 경우, 이는 하기 범위의 전체 조성물 C0를 갖고:
Figure pct00006
상기 식에서, Cliq는 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,B + Teut)/2에 있는 경우, β-상과 공존하는 액상의 조성물이고, Cβ는 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,B + Teut)/2에 있는 경우, 액상과 공존하는 β-상의 조성물이고, Tliq,B는 100% 순수 컴포넌트 B의 용융 온도이고, T eut는 공정 2성분계의 공정 온도이고, f β 는 [0.26, 1)의 범위이고,
- 혼화성 또는 부분 혼화성 컴포넌트들 A와 B의 2성분계는 제1 및 제2 물체들 양자 모두의 접합 표면들 사이에 개재된 A 및 B 컴포넌트들의 단일-상 고용체의 다공성, 응집성 및 연속성 구조, 및 A 및 B 컴포넌트들의 단일-상 고용체의 다공성, 응집성 및 연속성 구조에 분산된 A 및 B 컴포넌트들의 제2 상을 포함한다.
본원에 사용된 간격들에 대한 표기는 국제 표준 ISO 80000-2를 따르며, 대괄호 "[" 및 "]"는 폐쇄형 간격 경계를 나타내고 괄호 "(" 및 ")"는 개방형 간격 경계를 나타낸다. 예를 들어, [a, b]는 a(a 포함)에서 b(b 포함)까지의 모든 실수를 함유하는 폐쇄형 간격이다:
Figure pct00007
, 반면 (a, b]는 a(a 제외)에서 b(b 포함)까지의 왼쪽 반-개방형 간격이다:
Figure pct00008
.
본원에서 사용된 "서로를 향한 제1 및 제2 접합 표면의 압착(squeezing)"이라는 용어는 제1 고체 성분의 접합 표면과 제2 컴포넌트의 접합 표면을 함께 접합하는 접합층을 형성하는 것과 관련하여 해석되어야 한다. 따라서, "압착"이라는 용어는, 2성분계를 접합층에 걸쳐 연장되는 응집성 연속 단일-상 고용체를 포함하는 2-상 혼합물로 변태시키기 위한 열처리 동안, 샌드위치식 구조를 함께 고정시키기 위해 적절한 가압력(pressing force)을 사용하는 것을 의미한다.
본원에서 사용된 "전체 조성물"이라는 용어는 2성분계에 존재하는 상들의 조성물을 구별하기 위해 이와 같은 2성분계의 조성물, 즉 혼화성 또는 부분 혼화성 (공정) 2성분계에 존재하는 컴포넌트 A 및/또는 컴포넌트 B의 총량을 의미한다. 전체 조성물은 달리 특정되지 않는 한 컴포넌트 A(또는 B)의 중량%로 본원에서 제공된다. 일례로서, 전체 조성물이 20 중량% A인 경우, 2성분계에서 A 및 B의 총 중량%는 합계 100%가 되어야 하므로, 2성분계 내의 컴포넌트 B의 양은 80 중량%가 된다. 그러나, 이는 실제적으로 용어의 절대적인 수학적 의미로 해석되어서는 안 되며, 소량의 불순물들이 불가피하게 존재하게 되므로 2성분계에서는 중량% A와 중량% B의 합이 100에서 약간 벗어날 수 있다.
조성 및 온도의 함수로서 컴포넌트 A와 컴포넌트 B의 혼화성 2성분계의 열역학적으로 안정한 상 영역들을 나타내는 전형적인 상태도(phase diagram)가 도 1에 도시되어 있다. 상태도의 가로축 또는 횡축은 상태도의 가장 왼쪽의 100% 순수 A로부터 상태도의 가장 오른쪽의 100% 순수 B까지의 2성분 혼화성 계의 (전체) 조성물을 나타낸다. 세로축 또는 종축은 온도를 나타내며, 온도는 상태도의 위쪽 부분을 향해 상승한다.
본원에서 사용된 용어 "성분 A와 컴포넌트 B의 혼화성 2성분계"는 서로 완전히 혼화성인 두 컴포넌트 A 및 B의 임의의 조성물을 의미하며; 즉, 여기서 100% 순수 A 내지 100% 순수 B 범위의 임의의 조성물에서 격자간(interstitial) 또는 치환성 용해에 의해 동일한 결정 격자 내에서 컴포넌트들이 완전히 용해될 수 있다. 컴포넌트 A 및 컴포넌트 B는 전체 조성물 C0를 갖는 임의의 화학적 또는 물리적 혼합물일 수 있고, A 컴포넌트 및 B 컴포넌트은 상호확산에 의해 반응하여 A 컴포넌트과 B 컴포넌트의 단일-상 고용체의 다공성, 응집성 및 연속성 구조를 형성할 수 있다. 이러한 2성분계는 접합될 물체들의 접합 표면들 간에 개재되고 이들과 접촉되는 단일-상 고용체의 다공성, 응집성 및 연속성 구조를 포함하는 접합층을 상호확산에 의해 형성하기에 적합한 임의의 형태로 제공될 수 있다. 이는 미립자 컴포넌트 A와 컴포넌트 B의 혼합물, 컴포넌트 B의 하나 또는 그 초과의 시트들이 개재된 컴포넌트 A의 하나 또는 그 초과의 시트들의 샌드위치식 구조, 컴포넌트 A 또는 컴포넌트 B의 두 개 이상의 시트들 간에 개재된 컴포넌트 A와 컴포넌트 B의 화학적 혼합물(예컨대, 합금)의 하나 또는 그 초과의 시트들을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
본원에서 사용된 용어 "혼화성" 및 "부분 혼화성"은 적용되는 2성분계의 고체 상들과 관련된다. 완전 혼화성 2성분계에서, 컴포넌트 A 및 컴포넌트 B는 100% 순수 A 내지 100% 순수 B 범위의 임의의 조성물에서 격자간 또는 치환성 용해에 의해 동일한 결정 격자들 내에서 완전히 용해될 수 있다. 고체 상태 구역에 3개의 상 영역들을 갖는 부분 혼화성 2성분계에서, A와 B의 개별 조성물 범위들을 갖는 3개의 상이한 결정 격자들을 규정하는 3개의 상이한 용해도 구역들이 존재할 것이다. 하나의 상 영역은 주로 A 컴포넌트으로만 구성되고 비교적 B 컴포넌트이 적고, 하나의 β-상은 주로 B 컴포넌트으로 이루어지고 비교적 A 컴포넌트이 적으며, 하나의 상 영역은 α-상과 β-상의 혼합물이다.
예를 들어, 도 1의 상태도에 도시된 바와 같이, A 및 B 컴포넌트들의 단일-상 고용체는 2성분계에 단지 하나의 이러한 고용체 상이 존재하는 경우에 종종 α-상으로 표시된다. 2성분계에 존재하는 2개의 뚜렷한 고용체 상들이 존재하는 경우, 이들은 보통 α-상 및 β-상으로 표시함으로써 구별된다. 따라서, 본원에서 사용되는 용어 "성분 A" 또는 "성분 B"는 전체 조성물 C0 를 갖는 경우, A 및 B 컴포넌트들의 단일-상 고용체 및 고상선 온도 초과의 온도에서 액체가 되는 A 및 B 컴포넌트들의 또 다른 상을 함유하는 2-상 영역을 갖는 혼화성 또는 부분 혼화성 2성분계를 형성할 수 있는 임의의 화학적 화합물 또는 화학적 원소를 포함한다.
본원에서 사용된 용어 "응집성(coherent)"은 용어 "응집(cohering)"의 형용사 형태이며, 본 발명에 따른 혼화성 또는 부분 혼화성 2성분계의 열처리에 의해 형성된 α-상 또는 β-상의 컴포넌트들 A와 B의 다공성 고용체가 접합될 기재들과 접촉하고 이들과 함께 접합되는 α-상 또는 β-상의 고체 본체인 것으로 해석되어야 한다. α-상 또는 β-상 중 하나의 단일-상 본체는 고체 상태로 유지되고, 고상선 온도와 T1 사이의 온도로 가열되는 경우, 본 발명에 따른 접합의 하중 전달 구조(load carrying structure)로서 작용할 것이다.
본 발명에 따른 접합층에 걸쳐 연장되는 응집성 단일 고용체 상은 상호확산에 의해 야기된 전체 조성물 C0의 혼합물 중의 A 및 B 컴포넌트들의 재분배에 의해 수득된다. 상호확산 프로세스는 열처리에 의해 강화될 수 있다. 열처리는 실온에서부터 2성분계의 고상선 온도 초과에 이르는 온도들을 포함할 수 있다. 즉, 활용되는 컴포넌트 A 및 컴포넌트 B의 실제2성분계 시스템에 따라, A 컴포넌트과 B 컴포넌트의 혼합물로부터 (α-상 또는 β-상 중 어느 하나의) 단일-상 고용체의 응집성 및 연속성 하중 전달 구조를 형성하는 상호확산 프로세스는 전체적으로 고체 상태에서 또는 부분 액체와 부분 고체 상태의 혼합된 존에서 발생할 수 있다. 많은 2성분계에 있어서, 액체-고체 상호확산 프로세스는 순수 고체 상호확산 프로세스보다 몇 배 더 빠르므로 열처리는 A 컴포넌트과 B 컴포넌트의 혼합물 내의 컴포넌트들 중 적어도 하나의 고상선 온도 초과의 온도에서 유리하게 수행될 수 있다. 그러나, 열처리 중의 온도는 액상선에 너무 가깝게 상승되어서는 안 되며 너무 많은 2성분계를 액체 상태로 갖지 않아야 한다. 따라서, 열처리, 즉 2성분계의 가열은 액상선 온도에 너무 가깝지 않도록 온도 T1로 상향 제한되어야 한다. 일부 2성분계 시스템들은 실온까지의 온도에서 응집성 및 연속성 하중 전달 구조를 형성할 수 있는 허용가능한 신속한 상호확산을 갖지만, 대부분의 시스템들은 허용가능한 열처리 시간들을 얻기 위해 상당히 높은 열처리 온도들을 필요로 한다. 따라서, 실제로, 다음 간격들 중 하나: [0.5·TS, T1], [0.7·TS, T1], [0.75·TS, T1], [0.8·TS, T1], [0.85·TS, T1], [0.9·TS, T1] 또는 [0.95·TS, T1](여기서, TS는 조성물 C0에서의 2성분계에 대한 고상선 온도임)는 본 발명에 따른 열처리를 형성하는 응집성 및 연속성 하중 전달 구조를 형성하는 상호확산 프로세스를 활성화시키는 데 적합한 범위이다. 대안적으로, 열처리는, 즉, Tsol 내지 T1의 범위의 온도(여기서 Tsol은 전체 조성물 C0에서 2성분계의 고상선 온도임)에서 수분 동안 예컨대, 4 내지 5분 동안 고액공존 구역(mushy region) 내에서 초기 가열 이후, 0.8·Tsol 내지 Tsol 범위의 온도로 2성분계를 냉각하고, 이 온도를 수시간 동안 예컨대, 2 내지 10시간, 바람직하게는 3 내지 6시간, 보다 바람직하게는 3 내지 4시간 동안 유지하는 것이 유리할 수 있다.
본 발명에 따른 A 및 B 컴포넌트들의 단일-상 고용체의 다공성, 응집성 및 연속성 구조를 형성하는 상호확산 프로세스는, 완료되기까지 어느 정도의 시간이 소요되며 개시되기 위해서는 적어도 그의 활성화 온도까지 가열되어야 하는 반응 속도 조절 반응(kinetic controlled reaction)이다. 따라서, 본 발명의 제1 양태에 따른 방법에서의 열처리는 2성분계를 임의의 온도로 가열하여 이러한 상호확산 프로세스를 활성화시키고, 반응이 수행되는 한 이러한 온도를 유지하는 것을 포함한다. 이러한 시간 기간은 적용되는 2성분계 및 열처리 온도에 따라 수 초 내지 수 시간 또는 그 이상까지 다양할 수 있다. 특정 2성분계에서 접합 구조를 형성하기 위한 열처리 기간의 길이 및 적용 온도의 결정은 간단한 시행착오 실험들에 의해 얻어질 수 있다.
완전 혼화성 2성분계들의 특징은, 계가 순수 A(비포함) 내지 순수 B(비포함) 범위의 전체 조성물들에서 계 고상선 아래의 온도에서 컴포넌트들 A와 B의 단일-상 고용체인 단지 하나의 고상을 형성한다는 것이다. 완전 혼화성 2성분계들로 형성된 컴포넌트들 A와 B의 단일-상 고용체가 종종 나타나고, α-상으로서 도 1에 도시되어 있다. 부분 혼화성 2성분계들에서는, 단일-상 고용체의 결정 격자 내로 B 컴포넌트들이 얼마나 많이 용해될 수 있는지에 대한 한계가 있다. 따라서, 부분 혼화성 2성분계들은 일반적으로 2개의 단일-상 고용체들을 형성하는데, 하나는 일반적으로 α-상으로 표시되는 A 컴포넌트들의 결정 격자 내에 용해된 B 컴포넌트들의 단일-상 고용체이고, 다른 하나는 일반적으로 β-상으로 표시되는 B 컴포넌트들의 결정 격자 내에 용해된 A 컴포넌트들의 단일-상 고용체이다. 따라서, 본원에서 사용된 "컴포넌트들 A 및 B의 단일 고용체"라는 용어는 컴포넌트들 A 및 B가 공통 결정 격자를 공유하고 고체 상태의 단일의 균일한 결정 상으로서 존재하는 컴포넌트들 A와 B의 임의의 혼합물을 의미한다.
온도가 증가하는 경우, 고용체(α-상 또는 β-상)가 특정 온도에서 용융되기 시작한다. 이러한 온도는 고상선 온도로 알려져 있으며, 종종 전체 조성물 범위에 대한 고상선 온도가 고상선으로 표시된 선(이는 도 1에서 참조 번호 1로 표시된 선임)을 형성하도록 고용체의 (전체) 조성물의 함수이다.
고상선 위의 상 영역에서, 혼화성 2성분계는 고체 α-상과 액상의 2-상 혼합물로 존재할 것이며, α-상이 전부 용융될 때까지, 온도가 높을수록 액체 분획물의 분율(fraction of the liquid fraction)은 더 커진다. 고체 α-상을 전부 용융시키는 온도는 액상선 온도로서 공지된다. 전체 조성물 범위에 대한 액상선 온도를 나타내는 선은 액상선으로서 공지되며, 이는 도 1에서 참조 번호 2로 표시된다. 도 1에서 "L"로 표시된 액상선 위의 상 영역에서, 컴포넌트 A와 컴포넌트 B의 혼화성 2성분계는 완전히 액체이다.
단일 컴포넌트에 의해 형성된 상들은 모두 액상선 및 고상선 온도인 단일의 잘 정의된 온도를 갖는다. 이러한 온도는 종종 용융 온도 또는 융점으로 표시된다. 본원에서 사용된 용어 "용융 온도"는 A 또는 B 중 어느 하나의 순수한 컴포넌트의 액상선 온도를 의미한다. 따라서, 100% 순수 A의 전체 조성물에서, 2성분계는 액상선 온도 및 고상선 온도 둘 다인 단일 온도(본원에서는 Tliq, A로 표시됨)를 갖는다. 마찬가지로, 또한, 100% 순수 B에서, 액상선과 고상선 온도 둘 다인 잘 정의된 온도 Tliq, B가 있다.
100% 순수 A와 100% 순수 B 사이의 전체 조성물에서, 혼화성 2성분계의 액상선과 고상선 온도는 일반적으로 서로 분리되어 이들 전체 조성물에서 2성분계가 소정의 온도 범위에서 용해되도록 한다. 이러한 "용융 간극"의 예는 도 1에서 "C1"이라고 표시된 지점에서 가로축을 교차하는 스테이플 처리된 수직선으로 표시된다. 이 수직 스테이플 선과 고상선(1) 사이의 (도 1에서 참조 번호 3으로 표시된) 교점에 상응하는 온도에서, 2성분계는 단 하나의 α-상에만 존재하는 것으로부터 α-상과 액상 둘 다의 "고액공존 상태"로 변형될 것이다. 온도가 고상선 온도 초과로 상승하는 경우, α-상이 용융되어 모든 α-상이 용융될 때까지 액상의 분율이 증가하고 2성분계는 완전히 액체 상태가 된다. 이 온도는 수직 스테이플 처리된 선과 액상선(2) 사이의 교점(도 1에서 참조 번호 4로 표시됨)에 상응한다. 도 1에서 "L + α"로 표시된 전체 조성물 범위에 걸쳐 고상선과 액상선 사이에 놓여있는 상 영역은 고체 α-상과 액상의 혼합으로 인해 때때로 "고액공존 존"으로 나타난다.
본 발명은 혼화성 및 부분 혼화성 (공정) 2성분계가 다공성, 즉 고상선 온도보다 약간 높은 온도에서 구조적 재료로서 나타나는 응집성 연속성 구조를 갖는 접합층 또는 조인트를 형성할 수 있다는 사실에 기초한다. 이들 상승된 온도에서, 공극들은 A 컴포넌트 및 B 컴포넌트 모두의 용융물로 충전되지만, 과량의 용매는 여전히 기계적 강성을 제공하는 연속적이고 응집성인 구조를 형성하며, 따라서 구조적 조인트로 사용될 수 있다.
본 발명자가 수행한 실험들 및 이론적인 고찰들에 따르면, 이러한 α-상의 다공성 또는 응집성의 연속성 구조가 2성분계를 구조적 조인트로 활용할 수 있게 하고, 2성분계가 α + L 상 영역에 존재하는 온도 범위의 중간 정도의 온도에서 2성분계의 전체 조성물이 고상선의 교점에서 액상선의 교점까지 이어지는 등온선(또한 문헌에서는 연결선(tie line)으로도 표시됨)의 특정 분율에 해당하는 범위에 있는 경우에 얻어진다. 이러한 "접합 유효" 범위에서 전체 조성물을 갖는 혼화성 2성분계는 적어도 고상선과 액상선 온도 사이의 평균 온도까지의 온도에서 필요한 기계적 일체성을 유지하는 접합층을 형성하는 데 사용될 수 있다.
혼화성 2성분계의 "접합 유효" 조성물 범위는 많은 방식으로 결정될 수 있다. 본 발명에서는, 본 발명의 제1 및 제2 양태에 따른 혼화성 2성분계의 명료하고 모호하지 않은 조성물 범위를 규정하기 위해 실제의 혼화성 2성분계 및 지렛대 규칙(lever rule)의 2성분 상태도가 적용된다. 결정 방법은 100% 순수 A와 100% 순수 B, Tliq,A 및 Tliq,B 각각에 대한 융점인 두 가지 재료 특이적 상수들에 고정된다. 그런 다음, 순수한 선택에 의해, Tliq,A 및 Tliq,B의 중간 값과 동일한 온도 T1에서 등온선(연결선)을 적용하여 온도 T1에서의 α-상 조성물인 Cα 및 온도 T1에서의 액상 조성물인 Cliq를 결정한다. 온도 T1에 대한 고상선과 연결선 간의 교점은 α-상(온도 T1에서)의 조성물 Cα를 나타내고, 연결선과 액상선 간의 교점은 액상(온도 T1에서)의 조성물 Cliq를 나타낸다. 연결선은 도 1에 도시되어 있고 참조 번호 6으로 표시되어 있다. 조성물 Cα는 스테이플 처리된 선(7)으로 표시되고, 조성물 Cliq는 스테이플 처리된 선(8)으로 표시된다. 지렛대 규칙은, 조성물 C0를 갖는 온도 T1에서의 열역학적 평형의 2성분계에 대해 고액공존 존에 존재하는 α-상 분율 fα가 Cα로부터 Cliq까지의 연결선의 길이에 걸친 액체 조성물 Cliq에 대한 전체 조성물 C0로부터의 연결선 부분의 비로 주어지고, 액상의 분율 fliq가 Cα로부터 Cliq까지의 연결선 길이에 걸친 조성물 Cα 에 대한 조성물 C0 로부터의 연결선 부분의 비로 주어진다는 것을 제공한다.
Figure pct00009
경계층을 가로질러 연장되는 응집성이고 연속성인 단일 고용체 상은 고액공존 존에서 α-상 함량의 범위에 걸쳐 형성될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 양태에 따른 본 발명은 명확한 재료 특이적 상수를 정의하기 위해 식 (1)(즉, 지렛대 규칙) 및 혼화성 2성분계에 대한 상태도를 이용하며, 이는 α-상 분율에 대한 특정 범위와 함께 본 발명에 따른 혼화성 2성분계의 전체 조성물 범위에 대한 명확하고 간결한 결정을 제공한다. 즉, 컴포넌트 A와 B의 혼화성 2성분계의 전체 조성물 C0는 fα와 식 (1)의 주어진 범위에 의해 정의된 바와 같은 범위 내에 있어야 한다:
Figure pct00010
여기서, α-상 조성물 Cα, 및 액상 조성물 Cliq는 온도 T 1 = (T liq,A + T liq.B )/2에서의 연결선과 고상선 및 액상선 간의 교점들에 의해 결정되고, 분율 f α 는 [0.26, 1)의 범위이다. C0에 대한 이러한 범위는 도 1에서 "C0"으로 나타낸 중괄호로 표시된다.
분율 fα의 상한 및 하한은 다음과 같이 결정된다: 접합층의 기계적 강성(고상선 온도보다 높은 온도에서)은 α-상의 분율이 증가함에 따라 증가하는 것이 명백하다. 따라서, α-상의 범위에 대한 상한은 T1에서의 연결선과 고형선 간의 교점에 가능한 한 가깝게, 즉 1까지이지만 이는 포함되지 않는 분율 fα이다. 분획의 하한의 결정은 본 발명에 따른 접합층의 액상들이 종종 α-상의 다공성 또는 응집성의 연속성 구조의 매트릭스에서 구형, 타원형 또는 유사한 형상을 갖는 상들로서 분산되는 경향이 있는 실험적 관찰에 기초한다. 능면체 패턴으로 팩킹된 (그레인 크기와 무관한) 동일한 크기의 구형 입자들로 구성된 재료 내의 자유 공간 또는 다공성 분율은 0.26이다[3]. 이러한 분율들은 액상의 분율이 α-상에 분산된 별도의 구체들로 존재하도록 보장하기 위해 α-상에 의해 점유될 필요가 있는 최소 공간을 나타내며, 즉 이는 α-상을 다공성이고 응집성인 연속성 구조로 존재하게 한다. 따라서, 본 발명의 제1 및 제2 양태에 따른 분율 fα에 대한 최대 범위는 [0.26, 1)의 범위이다. 대안적으로, 분율 fα는 다음과 같은 범위들 중 하나이다: [0.30, 1); [0.36, 1); [0.42, 1); [0.48, 1); [0.54, 1); [0.60, 1); [0.66, 1); [0.72, 1); [0.78, 1); [0.84, 1); [0.90, 1); [0.95, 1); [0.26, 0.99]; [0.30, 0.98]; [0.36, 0.97]; [0.42, 0.96]; [0.48, 0.95]; [0.52, 0.94]; [0.58, 0.93]; [0.64, 0.92]; [0.72, 0.91]; [0.95, 0.99]; 또는 [0.80, 0.90].
또한, 다공성 및 응집성 연속성 단일 고용체 구조는 고상 및 액상을 갖는 혼합된 상 영역, 즉 "고액공존 존"을 갖는 임의의 계에서 형성될 수 있다. 본 발명에 적합한 또 다른 2성분계는 부분 혼화성 2성분계들이며, 여기서 컴포넌트들 A 및 B는 100% 순수 A 내지 100% 순수 B의 전체 범위에 걸쳐 완전히 혼화성이 아니지만, 전체 조성물 중의 A 및 B의 양이 각각 A의 결정 격자에서의 B의 용해도 및 B의 결정 격자에서의 A의 용해도보다 높은 경우, 2개의 상이한 고용체 상들(α 및 β)로 구성된 고체 구역에서 2-상 영역으로 분리될 것이다. 2-상 영역 구역이 고상선에 닿기에 충분히 커지는 경우에 그러한 계를 공정 2성분계라고 한다. 본원에서 사용된 용어 "성분 A와 컴포넌트 B의 공정 2성분계"는 조성물의 전체 조성 및 이의 온도에 따라 하나 또는 두개의 고상들 α 및/또는 β를 형성할 수 있는 두 컴포넌트들 A 및 B의 임의의 조성물을 의미한다. α-상은 (A-원자들의) 모 격자 내에 용해된 B 원자들의 양을 갖는 컴포넌트 A의 고용체이고, 반대로 β-상은 (B-원자들의) 모 격자 내에 용해된 A 원자들의 양을 갖는 컴포넌트 B의 고용체이다.
성분 A와 컴포넌트 B의 공정 2성분계의 전형적인 상태도의 예가 도 2에 도시되어 있다. 공정 2성분계들의 고체 구역은 전형적으로 세 개의 상 영역들을 함유한다. 왼쪽에는 A의 고 함량들에서 A의 결정 격자에 용해된 B 원자들의 고용체로 구성된 상 영역이 있으며 도 2에서 α-상으로 표시된다. 맨 오른쪽에는 B의 고 함량들에서 상 영역은 B의 결정 격자에 용해된 A 원자들의 고용체이며 도 2에서 β-상으로 표시된다. 이들 둘 사이의 상 영역은 고체 혼합물, 더 정확하게는 α-상과 β-상 모두의 2-상 영역이다. 도 2에서 참조 번호 11로 표시된 선은 종종 솔버스(solvus) 선이라고 불리우며 A 중의 B의 용해도 한계를 나타내고, 이에 대응하여 도 2에서 참조 번호 12로 표시된 선은 B 중의 A의 용해도 한계를 나타내는 솔버스 선이다. 고상선은 참조 번호 13으로 표시되어 있다. B 중의 A의 용해도 또는 반대로 A 중의 B의 용해도는 일부 공정 2성분 합금들에 대해 모든 실제 수단에서 제로 용해도로 간주될 수 있을 정도로 낮을 수 있다. 이 경우, 솔버스 선(11 및/또는 12)은 상태도에서 100% A 및/또는 100% B에서 세로 좌표 축과 맞물려 구별이 불가능할 수 있다.
액상선은 도 2에서 참조 번호 14로 표시되어 있다. 도면에서 알 수 있듯이, 액상선에는 고상선과 교차하는 국부적인 최소값이 있다. 이는 공정점이며 도 2에서 참조 번호 15로 표시되어 있다. 공정 2성분계들의 특징은, 이들이 적어도 2개의 "고액공존 존들"을 형성할 수 있다는 점, 즉, 하나는 공정점의 왼쪽에 있는 "A-풍부" 조성물이고, 하나는 공정점의 오른쪽에 있는 "B-풍부" 조성물이다. 공정점의 왼쪽에 있는 상태도의 구역에 속하는 전체 조성들을 종종 아공정 조성물이라고 한다. 그에 대응되게, 공정점의 오른쪽에 있는 상태도의 구역에 속하는 전체 조성물들을 종종 과공정 조성물들이라고 한다.
공정점에서, 공정 2성분계의 전체 조성물은 액상선 온도에 도달하는 경우, α-상과 β-상 모두가 동시에 응고되도록 된다. 따라서, 이러한 특정 조성물에서, 공정 조성물로 통상 나타낼 때, 공정 2성분계는 액상선 온도가 고상선 온도와 동일하도록 단일의 잘 정의된 용융(및 응고) 점을 가지며, 즉, 온도가 공정 온도보다 높은 (중간) 온도에서는 완전히 액체 상태이고 공정 온도보다 낮은 온도에서는 완전히 고체 상태이다. 이는 세 가지 공액(conjugate) 상들이 공존하는 불변 점이다. 이는, 솔더링에 의한 통상의 접합에서, 종종 비-공정 솔더링으로 지칭되는 공정 조성물을 갖는 또는 이에 가까운 솔더 페이스트들을 적용하는 것이 바람직한 이유이다.
가장 단순한 공정 2성분계는 α-상과 액상(아공정 조성물들의 경우) 또는 β-상과 액상(과공정 조성물들의 경우)의 두 가지 "고액공존 구역들"을 갖는다. 공정 2성분계의 이들 "고액공존 구역들" 둘 다가 본 발명에 따른 단일 고용체 상의 다공성 응집성 및 연속성 접합 구조를 형성하도록 적용될 수 있다. 그러나, 공정 2성분계의 경우, 공정 2성분계의 전체 조성물 C0 를 결정하기 위해 상태도에 다른 "고정점(anchoring point)"을 적용하는 것이 유리하다. 본 발명에 따른 접합을 형성하기 위한 공정 2성분계를 이용하는 경우, 전체 조성 범위를 결정하기 위한 "고정점"은 유리하게는 아공정 조성물들의 경우, 100% 순수 A에 대한 융점, Tliq,A 및 공정 온도 Teut이고 과공정 조성물들의 경우, 100% 순수 B에 대한 융점, Tliq,B 및 공정 온도 Teut일 수 있다. 다르게는, 동일한 결정 절차가 적용된다.
따라서, 아공정 전체 조성물을 갖는 공정 2성분계를 적용하는 경우, 소정의 온도 T1에서 존재하는 α-상 분율은 공정 2성분계의 상태도의 아공정 범위에서 고상선(13)의 교점으로부터 액상선(14)의 교점까지의 온도 T1에서 연결선을 유도함으로써 결정될 수 있다. 고상선과 연결선 간의 교점은 α-상(온도 T1에서)의 조성물 Cα를 나타내고, 연결선과 액상선 간의 교점은 액상(온도 T1에서)의 조성물 Cliq를 나타낸다. 아공정 범위에서의 연결선의 예는 도 2에 도시되어 있고 참조 번호 16으로 표시되어 있다. 조성물 Cα는 스테이플 처리된 선(17)으로 표시되고, 조성물 Cliq는 스테이플 처리된 선(18)으로 표시된다. 아공정 범위에서 컴포넌트 A와 B의 공정 2성분계에 대해 생성되는 전체 조성물은 다음과 같은 범위 내에 존재해야 한다:
Figure pct00011
여기서, α-상 조성물 Cα, 및 액상 조성물 Cliq는 온도 T 1 = (T liq,A + T liq.B )/2에서의 연결선과 고상선 및 액상선 간의 교점들에 의해 결정되고, 분율 f α 는 [0.26, 1)의 범위이다. 이러한 C0에 대한 범위는 도 2에서 "C0"으로 나타낸 (좌측) 중괄호로 표시된다. 대안적으로, 분율 fα는 다음과 같은 범위들 중 하나이다: [0.30, 1); [0.36, 1); [0.42, 1); [0.48, 1); [0.54, 1); [0.60, 1); [0.66, 1); [0.72, 1); [0.78, 1); [0.84, 1); [0.90, 1); [0.95, 1); [0.26, 0.99]; [0.30, 0.98]; [0.36, 0.97]; [0.42, 0.96]; [0.48, 0.95]; [0.52, 0.94]; [0.58, 0.93]; [0.64, 0.92]; [0.72, 0.91]; [0.95, 0.99]; 또는 [0.80, 0.90].
유사하게, 과공정 전체 조성물을 갖는 공정 2성분계를 적용하는 경우, 전체 조성물 C0는 온도 T1 = (Tliq,B + Teut)/2에서 공정 2성분계의 상태도의 과공정 구역에서 연결선(19)을 유도하여 β-상의 조성물 Cβ을 결정하고, 액상의 조성물 Cliq는 상태도의 과공정 구역에서 연결선과 고상선 및 액상선의 교점들에 의해 결정함으로써 결정될 수 있다. 이 경우, 지렛대 규칙은, 조성물 C0를 갖는 온도 T1에서의 열역학적 평형의 2성분계에 대해 고액공존 존에 존재하는 β-상 분율 Cβ가 Cβ로부터 Cliq까지 연결선의 길이에 걸친 액체 조성물 Cliq에 대한 전체 조성물 C0로부터의 연결선 부분의 비로 주어지고, 액상의 분율 fliq가 Cβ로부터 Cliq까지의 연결선 길이에 걸친 조성물 Cβ 에 대한 조성물 C0로부터의 연결선 부분의 비로 주어짐을 제공한다:
Figure pct00012
과공정 조성물 범위를 갖는 컴포넌트 A와 B의 공정 2성분계의 경우, 식 (3) 및 지렛대 규칙은 전체 조성물 C0가 소정 범위의 fβ 및 식 (3)으로 정의된 범위 내에 있어야 함을 규정한다:
Figure pct00013
여기서, β-상 조성물 Cβ, 및 액상 조성물 Cliq는 온도 T 1 = (T liq,B + T leut )/2에서의 연결선과 고상선 및 액상선 간의 교점들에 의해 결정되고, 분율 f β 는 [0.26, 1)의 범위이다. 이러한 C0에 대한 범위는 도 2에서 "C0"으로 나타낸 (우측) 중괄호로 표시된다. 대안적으로, 분율 fα는 다음과 같은 범위들 중 하나이다: [0.30, 1); [0.36, 1); [0.42, 1); [0.48, 1); [0.54, 1); [0.60, 1); [0.66, 1); [0.72, 1); [0.78, 1); [0.84, 1); [0.90, 1); [0.95, 1); [0.26, 0.99]; [0.30, 0.98]; [0.36, 0.97]; [0.42, 0.96]; [0.48, 0.95]; [0.52, 0.94]; [0.58, 0.93]; [0.64, 0.92]; [0.72, 0.91]; [0.95, 0.99]; 또는 [0.80, 0.90].
종래 기술의 접합 기술들에 비해 본 발명의 명확한 특징은 접합이 2성분계의 전체 조성물의 선택이라는 점이다. 보다 정확하게는, 접합을 형성하기 위해 적용되는 혼화성 또는 부분 혼화성 2성분계의 전체 조성물은 고상선 온도보다 높은 (및 액상선 온도보다 낮은) 온도에서 열역학적 평형 상태에서 완전하게 고체 상태는 아니지만, 부분적으로 고체 상태이고 부분적으로 액체 상태이도록 조정된다. 본 발명자가 알고 있는 한, 종래 기술의 접합 기술들은 고상선 온도 초과에서 완전히 액체 상태(공정 조성물들 또는 거의 공정 조성물들 및 순수 기본 조성물들)이거나 또는 완전히 고체 상태(단일-상 고용체 또는 금속간 화합물)이도록 접합 재료들의 조성물을 조정한다.
본 발명은 예를 들어, SLID-접합 또는 TLP-접합과 유사하게 접합의 의도된 작동 온도보다 낮을 수 있는 비교적 낮은 프로세스 온도에서 접합을 형성할 수 있는 이점을 갖는다. 그러나, 본 발명은 접합을 형성하는 온도보다 훨씬 더 높은 온도들에서 완전히 고체 상태로 남아있는 SLID-접합들 또는 TLID-접합들과는 달리 작동 온도가 고상선 온도보다 높게 되는 경우에 접합층을 부분적으로 재용융시키는 부가적인 이점을 갖는다. 본 발명에 따른 접합층의 부분적 재용융은 접합에서의 열 응력을 해제하고, 그레인 경계들에서의 상당한 결함 농도들을 갖는 존들의 회복을 가능하게 하고, 또한 가능하게는 접합 컴포넌트들 간의 유해한 키르켄달(Kirkendall) 공극화 효과의 발생을 감소시키는 이점을 제공하는 것으로 여겨진다. 따라서, 본 발명에 따른 조인트들은 사이클링 및 고온 작동과 같은 열적 부하들에 노출되는 경우, 특히 열 사이클링이 고상선 온도보다 높은 온도를 포함하는 경우에 더욱 복원력이 있는 것으로 여겨진다. 본 발명에 따른 조인트의 또 다른 이점은 때때로 SLID-접합에 존재하는 취성의 금속간 화합물들을 방지하고, 접합이 TLP-접합에서 종종 겪게 되는 것보다 상당히 적은 처리 시간으로 형성될 수 있다는 점이다. 본 발명은 또한 In-Si 계와 같이 매우 제한적인 상호 용해도를 갖는 재료계들로부터 접합을 형성할 수 있게 한다. 이러한 계들의 경우, TLP는 접합층 두께, 표면 거칠기 및 평면성과 같은 극단적인 기하학적 요건들로 인해 실용적이지 않다.
본 발명은 기계적 부하들을 전달하는 능력을 갖는 접합층을 가로질러 연장되는 응집성 단일 고용체 상을 형성할 수 있는 본 발명의 제1 및 제2 양태에 대해 상기 주어진 전체 조성물의 컴포넌트 A 및 B의 임의의 2성분계를 적용할 수 있다. 컴포넌트 A와 컴포넌트 B의 적합한 혼화성 2성분계의 예들은 다음을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다: Ge-Si, Mo-W, Nb-W 및 V-W. 컴포넌트 A와 컴포넌트 B의 적합한 부분 혼화성 2성분계의 예들은 다음을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다: Ag-Bi, Ag-Cu, Ag-Ge, Ag-Mo, Ag-Pb, Ag-Si, Ag-Ti, Al-Be, Al-Bi, Al-Ga, Al-Ge, Al-N, Al-Sn, Au-Bi, Au-Ge, Au-Mo, Au-Sb, Au-Si, Au-W, Bi-Cu, Bi-Ge, Bi-Ni, Bi-Sn, Cr-Sn, Cu-Si, Fe-In, Ga-Ge, Ga-Si, Ga-Zn, Ge-In, Ge-Pb, Ge-Sb, Ge-Sn, Ge-Zn, In-Si, In-Zn, Pb-W, Pd-W, Sb-Si, Si-Sn, Si-Zn, Sn-Zn, 또는 SiO2-Al2O3. 이러한 2성분계들 중, 다음 계들이 본 발명의 조인트를 형성하기에 특히 바람직한 계들인 것으로 나타났다: Al-Ge, Al-Sn, Au-Ge, Au-Si, Bi-Cu, Bi-Ge, Bi-Sn, Ga-Ge, Ge-In, In-Si, 및 Si-Sn.
본 발명에 따른 2성분계의 혼합물로 구성된 경계층은 당업자에게 공지된 또는 인식가능한 임의의 방법으로 형성될 수 있다. 본 발명의 제1 및 제2 양태에 따른 조인트를 형성하기 위한 방법의 가능한 하나의 예가 도 3a 및 3b에 개략적으로 도시되어 있다. 도 3a에서, 제1 컴포넌트은 참조 번호 20으로 표시된 직사각형으로서 개략적으로 도시된다. 제1 컴포넌트(20)은 이의 접합 표면(21) 사이에서 접합층의 프리폼(이는 이 경우에는 컴포넌트 A의 상부층, 컴포넌트 B의 중간층 및 컴포넌트 A의 하부층의 샌드위치식 구조로 이루어짐)과 접촉하게 된다. 참조 번호 24로 표시된 샌드위치식 구조 내의 A 및 B의 총량은 전체 조성물 C0가 본 발명의 제1 및 제2 양태에 대해 상기 주어진 간격들 중 하나 내에 있도록 조정된다. 참조 번호 22로 표시된 직사각형으로 도시된 제1 컴포넌트에 접합되는 제2 컴포넌트은 이의 접합 표면(23) 사이에서 접합층의 동일한 프리폼(24)과 접촉하게 된다. 대안적으로, 샌드위치식 구조는 컴포넌트 A를 컴포넌트 B의 2개의 층들 사이에 개재시킴으로써 형성될 수 있다. 이는 컴포넌트 B가 컴포넌트 A보다 낮은 융점을 갖는 경우에 유리하다. 제1 및 제2 물체(20, 22)의 접합 표면들(21, 23)이 프리폼(24)과 맞닿아 있을 때, 샌드위치식 구조는 컴포넌트들 A 및 B가 상호확산에 의해 본 발명에 따른 조인트의 α-상 또는 β-상 중 어느 하나의 응집성 및 연속성 단일-상 고용체를 갖는 하중을 형성하는 온도에서 가열된다. 생성된 구조는 도 3b에 개략적으로 도시되어 있으며, 여기서 단일-상 고용체 α-상과 A 및 B 컴포넌트들의 액상의 2-상 혼합물, 또는 대안적으로 단일-상 고용체 β-상과 A 및 B 컴포넌트들의 액상의 2-상 혼합물은 참조 번호 25로 표시되어 있다.
언급된 바와 같이, 접합층의 2-상 혼합물에서 액상은 (α-상 또는 β-상 중 어느 하나의) 단일-상 고용체의 매트릭스에서 다소 동일한 크기의 구형 상들로 분산될 수 있다. 도 4a는, 단일-상 고용체의 매트릭스에서 다소 동일한 크기의 구형 상들(도면에서 빈 구멍들로 표시됨)이 입방체로 팩킹된 경우(이 경우, fα 또는 fβ는 0.48임), 본 발명에 따른 조인트의 α-상 또는 β-상 중 어느 하나의 결과적인 하중 전달형 응집성 및 연속성 단일-상 고용체를 도시하는 도면이다. 도 4b는 단일-상 고용체의 매트릭스에서 다소 동일한 크기의 구형 상들의 능면체 팩킹으로부터 기인한 본 발명에 따른 조인트의 α-상 또는 β-상 중 어느 하나의 하중 전달형 응집성 및 연속성 단일-상 고용체의 또 다른 가능한 구성을 도시한다. 후자의 경우, fα 또는 fβ는 0.26이다.
제1 및 제2 양태에 따른 본 발명은 본 발명에 따른 조인트의 접합층의 임의의 고려가능한 실제 두께를 적용할 수 있다. 실제 두께는 어느 2성분계가 적용되고 어느 적용례에 조인트가 적용되는지에 따라 여러 차수의 크기로 변할 수 있다. 실제로, 접합층의 두께는 유리하게는 1 내지 1000 ㎛, 2 내지 800 ㎛, 3 내지 600 ㎛, 5 내지 400 ㎛, 6 내지 200 ㎛, 7 내지 100 ㎛, 8 내지 50 ㎛, 9 내지 30 ㎛, 또는 10 내지 20 ㎛의 범위들 중 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 조인트의 접합층으로 성형되는 2성분계는 열처리시 상호확산에 의해 2-상 영역 혼합물(여기서, 상들 중 하나는 α-상 또는 β-상의 응집성 및 연속성 하중 전달 구조임)로 변형되는 2개 컴포넌트들의 물리적 혼합물이거나 화학적 혼합물인 임의의 혼합물일 수 있다. 그 사이에 2성분계의 개재된 층을 갖는 제1 및 제2 고체 물체들을 포함하는 본 발명에 따른 조인트를 형성하기 위해 열처리되는 샌드위치식 구조는 임의의 공지된 또는 고려가능한 방식으로 수득될 수 있다. 예를 들어, 도 3a에 개략적으로 도시된 바와 같이 개재된 고체 시트 재료들의 스택의 형태로, A 컴포넌트과 B 컴포넌트의 입자들의 분말 혼합물의 층의 형태로, 또는 분말과 시트 재료들의 조합으로 컴포넌트들 A 및 B를 가짐으로써, 바람직하게는, 샌드위치식 구조의 접합층은 A 컴포넌트의 두 장의 시트들과 B 컴포넌트의 하나의 시트의 경우에 도 3a에 개략적으로 도시된 바와 같이 B 컴포넌트의 다수의 얇은 시트들과 교호적인 패턴으로 개재된 A 컴포넌트의 다수의 얇은 시트들을 포함한다. 도 3a에 도시된 것보다 상당히 많은 수의 A 및 B 컴포넌트의 시트들을 적용하여 컴포넌트들 간의 접촉 면적(contact area)을 향상시키고 따라서 응집성 및 연속성 하중 전달 구조를 형성하기 위해 필요한 상호확산 시간을 감소시킬 수 있다. 대안적으로, A 컴포넌트 및 B 컴포넌트 중 하나의 시트들 사이에 개재된 A과 B의 공정 조성물의 시트들을 포함하는 다수의 시트들을 사용하는 것이 또한 고려된다.
또한, 본 발명에 따른 제1 및 제2 물체의 접합 표면(21, 23)과 본 발명의 조인트(25) 사이에 개재된 하나 이상의 접착층(들)을 포함하는 것이 유리할 수 있다. 마찬가지로, 조인트와 물체 사이의 상호확산이 제한될 필요가 있는 경우, 적어도 하나의 확산-장벽 층을 포함하는 것이 유리할 수 있다. 인접한 공핍층(depletion layer)이 또한 최종 조인트 조성물의 추가적인 농도 제어를 위해 포함될 수도 있다. 공핍층은 또한 프로세스 제어에 사용되어 확산 속도들 및 처리 시간들을 개선할 수 있다. 본 발명은 접착, 확산-장벽 또는 공핍층에 대한 임의의 공지된 또는 고려가능한 재료를 포함할 수 있다.
본원에서 사용된 "제1 또는 제2 물체"라는 용어는, 예를 들어, Si, SiC, GaAs, GaN, (SOI), 알루미나, AlN, Si3N4, 유리, 코바(Kovar), Cu, Al 등과 같은 재료들 및/또는 예를 들어, MEMS, 트랜지스터들, 기판들, 저항 콘덴서, IC, 다이오드들 등과 같은 컴포넌트들과 함께 접합되는 임의의 물리적인 물체를 의미한다.
도 1은 완전 혼화성 2성분계의 전형적인 상태도이다.
도 2는 공정 2성분계의 전형적인 상태도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 샌드위치식 구조를 형성하는 예시적인 실시예를 개략적으로 도시하는 측면에서 본 도면이다.
도 3b는 본 발명에 따른 조인트를 열처리한 후에 수득된 도 3a에 도시된 예시적인 실시예의 도면이다.
도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 조인트의 응집성 및 연속성 하중 전달 구조의 가능한 구성들의 예시적인 실시예들을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예를 개략적으로 나타낸 측면에서 본 도면이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예의 조인트의 단면의 광학 현미경 사진이다.
도 7a는 공정 온도보다 높은 온도에서 수분의 짧은 열처리에 노출된 샘플에서의 생성 조인트의 SEM-사진이다.
도 7b는 도 7a의 샘플과 동일한 방식으로 처리되고 300℃에서 4시간 동안 추가로 어닐링된 샘플에서의 유사한 조인트의 SEM-사진이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 적용된 2성분 Au-Ge 시스템의 측면에서 본 개략도이다.
도 9는 Au-Ge 시스템에서 제조된 본 발명에 따른 접합의 광학 사진이다.
도 10은 도 9에 도시된 동일한 접합의 단면의 SEM-사진이다.
본 발명은 본 발명에 따른 조인트의 예시적인 실시예들로서 보다 상세히 기술될 것이다.
제1 실시예
본 발명의 제1 실시예에 따른 조인트는 SiC의 제1 물체와 Si3N4의 제2 물체를 함께 접합시키는 Au 풍부 Au-Ge 2성분계이다.
재료들
공정 Au-Ge 프리폼을 SiC(Bi-극성 접합 트랜지스터 또는 BJT)의 더미(dummy) 칩과 Si3N4 기판 사이에 샌드위치시켰다. 이 칩은 Ni2Si(140nm)/Ni(300nm)/Au(100nm) 금속화를 스퍼터링했다. 기판들에는 활성 금속-접합된(AMB) Cu(150㎛) 도체들이 Ni-P(7 중량% P)로 도금되어 있었다. 뒤틀림(warpage)을 최소화하기 위해 기판의 앞면과 뒷면에 대칭 금속화(Cu/Ni-P)가 존재했다. 333 K 내지 338 K(60℃ 내지 65℃)의 온도 범위와 2.7 mA/cm의 전류 밀도에서 시안화 금 용액을 사용하여 균일한 5 ㎛ Au 층으로 칩들과 기판들을 전기도금했다. 도금 후 기판들을 6 × 6 mm2 샘플들로 다이싱(dicing)하는 한편, 칩들을 3.4 × 1.86 mm2 샘플들로 다이싱했다. 공정 Au-Ge 전체 조성물을 갖는 굿펠로우(Goodfellow)로부터 두께 25 ㎛, 폭 1.86 mm 및 깊이 3.4 mm의 상업용 프리폼(Au 72 원자% 및 Ge 28 원자%)이 사용되었다. 재료 스택을 도 5에 예시하였다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이러한 2성분계, 즉, 더미 칩상의 5 ㎛ 두께의 금층, Si3N4 기판상의 5 ㎛ 두께의 금층 및 25 ㎛ 두께의 공정 Au-Ge 프리폼 층에서의 Au와 Ge의 총량은 3.08 mg Au 및 0.13 mg Ge이었고, 11.5 원자% Ge 및 88.5 원자% Au의 전체 조성물에 해당하였다.
제작
칩 및 프리폼을 기판 상부에 수동으로 정렬시켰다. 그런 다음, 스택을 열판 위에 놓았다. 접합 프로세스를 맞춤형 접합기에서 무수 질소 환경에서 수행하였다. PR5-3T 프로그래머가 장착된 해리 그레스티히카이트 게엠베하(Harry Gestigkeit GmbH) PZ 28-3TD의 열판을 사용하여 프로세스 온도를 제어했다. 이를 공정 용융 온도, 약360℃ 초과로 상승시켰다. 공정 온도를 초과하는 총 시간은 액체 및 고체 확산 프로세스들이 적절하게 일어나기에 충분한 시간을 제공하기 위해 약 6분이었다. 약 1000 kPa의 접합 압력을 생성하기 위해 납을 사용하였다. 적용된 압력은 접합 계면으로부터 과잉의 재료를 압착하여 조인트를 형성하는 상호확산 프로세스를 위한 공정 재료의 활성 부피를 최소화하였다. 압력은 또한 칩과 기판 사이의 열기계적 접촉을 확보했다. 이어서, 온도를 후속 4시간 동안 실온으로 서서히 감소시켰다. 온도는 칩 상단의 납에 통합된 J-자형 열전쌍으로 측정되었다. 프리폼의 완전 용융(리플로우)은 ㎛ 변위 프로브(TESA)로 접합하는 동안 납의 변위를 측정함으로써 측정되었다.
13개의 샘플들을 약간 다양한 프로세스 파라미터들로 제조하였다. 또한, 도 5에 도시된 것과 동일한 기판으로 칩을 교체한 하나의 샘플, 즉, 매우 감소된 CTE 부정합(mismatch)을 갖는 완전히 대칭인 시스템을 형성한 하나의 샘플을 제조하였다.
접합 구성
조인트를 특정 목적들을 충족시키는 다양한 재료 층들의 스택을 사용하여 구축하였다. Ni 층은 조합된 기능을 갖는다. 이는 인접한 금속층들 사이의 기본적인 확산 장벽을 제공하고 최종 접합에서 용질 농도를 감소시키는 공핍층으로서 제공한다. 최종 접합 재료 조성물을 위한 시드(seed) 재료를 제공하기 위해, 접합층들을 위해 Au를 마련하였다. 공정 Au-Ge 프리폼은 액상 중에 양호한 습윤 특성들을 제공한다.
특징분석
초기 프리폼의 공정 온도 초과로 제작된 샘플들을 재가열하면서 작은 전단력을 가하여 가능한 조인트 리플로우를 나타냄으로써 프로세스 완성 검증을 평가했다. 최대 시험 온도는 약 600℃까지 도달했다.
접합 품질은 파괴적인 전단 시험(200 kgf 하중 카트리지를 가진 노드슨 다게(Nordson Dage) 4000 플러스 전단 시험기)에 의해 시험되었다.
그런 다음, 광학 현미경(올림푸스(Olympus))에서 파단면들을 육안으로 검사하여 프랙토그래피(fractography)를 수행했다. 보고된 강도는 실제 접합된 면적(actual bonded area)으로 정규화된다. 실패 모드는 접착성 파단, 응집성 파단 또는 이들 둘의 혼합으로 분류된다. 접착성이란 파단면이 인접한 금속층들 사이 예를 들어, Ni와 Au-Ge 사이에 있음을 의미한다. 응집성이란 단일 층에서 파단이 벌크에 대해 위치해 있음을 의미한다.
광학 현미경(네오팟(Neophot) 32) 및 주사 전자 현미경(SEM)(에프이아이 노바 나노에스이엠(FEI Nova NanoSEM) 650)을 사용하여 '접합된' 샘플들의 단면을 평가하였다. 연삭 및 연마에 의한 단면을 위해 샘플들을 제조하였다. 연삭을 2000 등급에서 중단한 후, 직물과 5 ㎛ 다이아몬드 페이스트를 사용하여 연마를 계속해 제조하였다. SEM을 수행하기 전에, 샘플들을 얇은 탄소 층으로 코팅하였다.
에너지-분산 X-선 분광법(EDS 또는 EDX)(옥스포드(Oxford) X-MAX 50)에 의해 조인트 조성물을 평가하였다.
수분 동안 고상선 온도(즉, 약 360℃의 공정 온도) 초과로 초기 가열한 후 실온으로 냉각시킨 조인트의 하나의 샘플 및 수분 동안 고상선 온도 초과로 초기 가열한 후 300℃로 냉각하고 이 온도에서 4시간 동안 유지한 조인트의 하나의 샘플에 대한 SEM-사진들을 각각 도 7a 및 도 7b에 도시하였다. 가열로 인한 2성분계의 형태학적 변화는 초기 가열 후 어닐링되지 않은 샘플과 비교하여 300℃에서 4시간 동안 어닐링된 샘플의 사진에서 보다 명확하게 나타난다. 이러한 형태학적 변화는 본 발명에 따른 A 및 B 컴포넌트들의 단일-상 고용체의 다공성, 응집성 및 연속성 구조로 여겨진다. 이러한 가정은 위에서 언급한 응력 시험들과 하기에 제시되는 분리 결과들에 의해 강화된다.
신뢰도
극한 열 충격 처리 후의 잔류 강도를 하나의 샘플에 대해 평가하였다. 샘플을 약 10분 이내에 약 600℃까지 가열하였다. 그런 다음, 0℃의 빙수의 유리에 적하했다. 그런 다음, 이러한 사이클을 다시 한 번 더 반복했다. 그런 다음, 샘플을 전단 시험하고 프랙토그래피를 수행했다.
공정 완료
온도가 360℃를 초과하는 경우, 재가열 조인트들 중 어느 것도 어떠한 리플로우 흔적도 나타내지 않았다.
접합 강도
제작된 샘플들의 강도는 수 MPa에서 약 50 MPa 사이에서 다양했다. 2개의 기판들이 함께 결합된 대칭 샘플은 전단 시험기를 적용할 수 있는 최대 하중(200 kgf)인 56 MPa보다 큰 강도를 측정하였다; 즉, 샘플은 결코 파단되지 않았다.
프랙토그래피
프랙토그래피는 대부분의 샘플들이 접합 중에 적절하게 리플로우된 것으로 나타났다. 샘플들 주위에 과잉의 프리폼 재료가 존재했다. 이 샘플들은 조인트 자체의 응집성 파단 표면을 보여주었다. 샘플들 주변에 존재하는 이러한 과잉의 프리폼 재료가 없는 샘플들은 프리폼과 하나의 인접한 Au 층 사이의 접착성 파단으로 해석되는 파단 표면들을 보여주었다. 몇 개의 샘플들은 또한 접합 계면에서의 부분 습윤이 발생하여 효과적인 접합된 면적(effective bonded area)을 감소시키는 것으로 나타났다.
단면 화
접합된 샘플들의 단면들은 전형적으로 가시적인 접합 선이 없는 균일한 접합들을 보여주었다(도 6 참조). 최종 접합 두께는 9 내지 10 ㎛인 것으로 확인되었다. 현미경 사진들은 또한 조인트에 2가지 이상의 명확한 재료 조성물들이 존재함을 보여주었다. 추가적인 검사 결과, 접합 재료들, 즉 Au 또는 Ge와 인접한 Ni-P 층 사이의 확산 과정이 발생함이 밝혀졌다. 몇 군데에서 측면 균열들로 보이는 구조들이 발견되었다.
조인트 조성물
횡단면 샘플들의 SEM 및 EDX에 의한 분석에 따르면, 조인트는 주로 4 원자% 내지 5 원자% 사이의 Ge 농도를 갖는 전체 Au 풍부 Au-Ge 조성물로 구성되었음을 보여주었다. Ge가 다른 α-상(Ge가 용해된 Au) 내부의 작은 '구역들'에서 단리됨이 추가로 관찰되었다. 원소 분석은 또한 Ge가 인접한 Ni와 함께 금속간 화합물(IMC)을 형성하는 Au-Ge 접합을 통해 확산되었음을 나타냈다. SEM 및 EDS는 그것이 접합된 샘플들 주위에 존재하는 과잉의 프리폼임을 확인했다.
신뢰도
열충격 처리에 노출된 샘플의 잔류 강도는 12.3 MPa로 측정되었다. 후속적인 프랙토그래피는 칩 측면 상의 접착층에서 파단 모드가 접착성 파단으로 변했음을 보여주었다.
결론
이것은 현저한 열 사이클링 잠재력을 가진 고상선 위의 상당한 강도의 조인트를 예시한다.
제2 실시예
본 발명의 제2 실시예에 따른 조인트는 Si의 제1 물체와 Si의 제2 물체를 함께 접합시키는 Au 풍부 Au-Ge 2성분계이다.
재료들
규소의 더미 칩과 그 접합면에서 150 nm 두께의 TiW-층을 갖는 규소의 더미 기판을 규소 기판들 사이에서 2성분 Au-Ge 시스템으로 함께 접합시켰다. Au-Ge 시스템은 열처리 및 접합 형성 전에 5.4 원자% Ge의 전체 조성물을 가졌다. 2개의 규소 기판들의 스택은 도 8의 측면으로부터 개략적으로 도시되어 있다.
치수 1.9 × 1.9 mm2 및 두께 525 ㎛의 더미 칩은 도면 상에 박스(100)로 도시되어 있고, 2.8 ㎛ 두께의 금 층은 층(101)으로 도시되어 있고, 두께 25 ㎛, 폭 1 mm 및 깊이 0.7 mm의 공정 Au-Ge의 프리폼은 박스(105)로 도시되어 있고, 치수 3.9 × 3.9 mm2 및 두께 525 ㎛의 더미 기판은 박스(103)로 도시되어 있고, 두께 2.8 ㎛의 금 층은 층(104)으로 도시되어 있다.
공정 Au-Ge 프리폼을 Si의 더미 칩과 Si의 기판 사이에 샌드위치시켰다. Au 72 원자% 및 Ge 28 원자%의 공정 Au-Ge 조성물을 갖는 두께 25 ㎛, 폭 1 mm 및 깊이 0.7 mm의 상업용 프리폼을 굿펠로우로부터 공급받았다.
제작
칩 및 프리폼을 대칭형 Si/Au/Au-Ge/Au/Si 구조를 형성하는 기판 상부에 수동으로 정렬하고, 구조를 함께 압착시키기 위한 스프링을 갖는 맞춤형 샘플 홀더가 장착된 부다텍(Budatec) 접합기 VS160S의 열판 상에 배치하였다. 접합 프로세스는 진공 상태에서 수행되었다. 온도는 공정 용융 온도 이상으로 약 380℃로 상승시킨 다음, 약 330℃로 낮추고 이 온도에서 최대 10시간 동안 유지했다. 적용된 압력 약 2 MPa는 접합 계면으로부터 과잉의 재료를 압착하여 조인트를 형성하는 상호확산 프로세스를 위한 공정 재료의 활성 부피를 최소화하였다. 압력은 또한 칩과 기판 사이의 열기계적 접촉을 확보했다. 후속 어닐링 단계는 330℃에서 10시간 동안 수행하여 원하는 모폴로지인 고상선 위의 단단하고 응집성인 다공성 구조를 형성하였다.
특징분석
제작된 접합의 일체성 시험은 표면의 온도가 제어될 수 있는 진공 상태에서 제작된 샘플을 수직 표면(와트로우(Watlow)의 열판; 울트라믹(Ultramic) 600)에 부착하여 수행하였다. 중량을 구조물에 가해 접합에 20 내지 50 kPa의 범위의 전단력을 발생시켰다. 온도는 30℃/분의 속도로 최대 600℃까지 또는 칩이 기판에서 분리될 때까지 상승시켰다. 이러한 예시적인 실시예의 제작된 접합은 600℃로 가열될 때 접합에서의 온도들에서 분리되지 않는 것으로 관찰되었으며, 본 발명에 따른 접합이 "고액공존 구역", 즉, 약 360℃의 고상선 (공정) 온도보다 충분히 높은 "고액공존 구역" 내에서 그 일체성을 유지하는 것을 제공하였다.
광학 현미경(II 네오팟 32) 및 주사 전자 현미경(SEM)(히타치(Hitachi) SU8320)을 사용하여 '접합된' 샘플들의 단면을 평가하였다. 다이싱 및 Ar 이온-밀링(히타치 IM4000)에 의한 단면화를 위해 샘플들을 제조하였다. 에너지-분산 X-선 분광법(EDX)(옥스포드 실리콘 드리프트 검출기-XmaxN)에 의해 접합 조성물을 평가하였다.
조인트 조성물
샘플의 접합층의 SEM 및 EDX에 의한 분석에 따르면, 접합은 주로 약 11 원자%의 Ge 농도를 갖는 전체 Au 풍부 Au-Ge 조성물로 구성되었음을 보여주었다. 공정 형태를 나타내는 임의의 상당한 구역들 없이 α-상(Ge가 용해된 Au) 내부의 작은 '구역'에서 Ge-상이 단리됨으로써 원하는 형태가 달성되었음이 추가로 관찰되었다. 이러한 형태학적 변화는 도 9에서 명확하게 볼 수 있으며, 이는 단지 더미 규소 기판의 일부분과 접합층의 잔류물만을 보여주도록 하기 위해 접합을 파열시키는 (저온) 응력 시험들 이후에 취해진 접합층의 광학 사진이다. 사진에서는, 게르마늄의 분획이 Ge가 풍부한 상의 회색 구역들로 분리됨으로써 접합층이 공정 Au-Ge로부터 형태학적으로 변했다는 것을 분명히 알 수 있다. 황색 상은 본 발명에 따른 접합 구조로 여겨지는 금이 풍부한 α-상이다. 회색 구역들은 게르마늄이 풍부하고 황색 구역은 금이 풍부한 α-상임을 SEM 및 EDX 분석으로 확인하였다. 도 10은 도 9에 도시된 구역의 단면의 SEM-사진이다(거울-반전(mirror inverted)되어 나타나 있음). 분석 결과, 접합층의 전체 조성물은 11 원자% Ge이었음이 밝혀졌다.
결론
이는 고상선 위에 액상(Au-Ge)을 갖는 공존하는 구조적 α-상(Au)을 나타낸다. 또한, 고상선 위에서 상당한 강도를 갖는 최종 조인트를 보여준다.
제3 실시예
본 발명의 제3 실시예에 따른 조인트는 Si의 제1 물체와 Si의 제2 물체를 함께 접합시키는 In-Si 2성분계이다.
재료들
두께 1 ㎛의 순수한 In 층을 더미 칩과 Si의 더미 기판의 접합 표면들 상에 열적으로 증발시켰다. 침착 후 기판을 3.9 × 3.9 mm2 샘플들로 다이싱하는 한편, 칩을 1.9 × 1.9 mm2 샘플들로 다이싱했다. 더미 칩 및 더미 기판은 모두 525 ㎛ 두께였다. In-Si 시스템은 열처리 및 접합 형성 전에 99.86 원자% Si의 전체 조성물을 가졌다.
제작
칩은 대칭형 Si/In/In/Si 구조를 형성하는 기판들 상부에 수동으로 정렬되었다. 그런 다음, 스택을 열판(부다텍 접합기 VS160S) 위에 놓았다. 접합 프로세스는 진공 상태에서 수행되었다. 프로세스 온도 및 체류 시간은 제작된 샘플들에 따라 다양했다. 온도를 약 170℃로 상승시켰다. 공정 온도보다 높은 총 시간(체류 시간)은 5분이었고, 이어서 135℃에서 10시간의 어닐링을 수행했다. 맞춤형 샘플 홀더(제2 실시예 참조)는 약 2 MPa의 압력을 가했다. 압력은 칩과 기판 사이의 열기계적 접촉을 확보했다.
분리 온도
샘플을 실험 2에 대해 상기 주어진 것과 같은 일체성 시험에 노출시켰다. 접합은 In-Si 시스템의 고상선(공정) 온도인 157℃보다 훨씬 높은 400℃에서 상당한 구조적 일체성을 입증했다.
제4 실시예
본 발명의 제4 실시예에 따른 조인트는 Si의 제1 물체와 Si의 제2 물체를 함께 접합시키는 Si-Sn 2성분계이다.
재료들
두께 200 nm의 순수한 Sn 층을 더미 칩과 Si의 더미 기판의 접합 표면들 상에 열적으로 증발시켰다. Sn 침착 후 기판을 3.9 × 3.9 mm2 샘플들로 다이싱하는 한편, 칩을 1.9 × 1.9 mm2 샘플들로 다이싱했다. 더미 칩 및 더미 기판은 모두 525 ㎛ 두께였다. Si-Sn 시스템은 열처리 및 접합 형성 전에 99.97 원자% Si의 전체 조성물을 가졌다.
제작
칩은 대칭형 Si/Sn/Sn/Si 구조를 형성하는 기판들 상부에 수동으로 정렬되었다. 이어서, 스택을 전술한 열판(실시예 2 및 3 참조) 및 샘플 홀더 상에 위치시켰다. 접합 프로세스는 진공 상태에서 수행되었다. 프로세스 온도 및 체류 시간은 제작된 샘플들에 따라 다양했다. 온도를 약 250℃로 상승시켰다. 공정 온도보다 높은 총 시간(체류 시간)은 1분이었으며, 이어서 약 200℃에서 4 내지 5시간 동안 어닐링을 수행했다.
샘플 홀더 내의 스프링은 약 2 MPa의 접촉 압력을 생성하여 칩과 기판 사이에 열기계적 접촉을 보장했다.
분리 온도
샘플을 실험 2에 대해 상기 주어진 것과 같은 일체성 시험에 노출시켰다. 접합은 Si-Sn 시스템의 고상선(공정) 온도인 232℃보다 훨씬 높은 400℃에서 상당한 구조적 일체성을 입증했다.
참고문헌들
[1] A. A. Ahkubekov, S. N. Ahkubekova, O. L. Enaldieva,T. A. Orkvasov and V. A. Sozaev, "The influence of small impurity additions and direct electric current on the kinetics of contact melting in metals," Journal of Physics: Conference Series, vol. 98, no. 062031, 2008.
[2] T. A. Tollefsen, A. Larsson, O. M. Løand K.Aasmundtveit, "Au-Sn SLID Bonding―Properties and Possibilities," Metallurgical and Materials Transactions B, vol. 43, no. 2, pp. 397-405, April 2012.
[3] AAPG Wiki, an open access resource maintained by the American Association of Petroleum Geologists, an international association of technical professionals, available on the internet: http://wiki.aapg.org/Porosity

Claims (14)

  1. 제1 고체 물체(solid object)의 접합 표면과 제2 고체 물체의 접합 표면(bonding surface) 사이에 조인트(joint)를 형성하는 방법으로서,
    A) 컴포넌트들 A 및 B의 2성분계(binary system)를 제공하는 단계로서, 여기서 상기 2성분계는 하기 i) 및 ii) 중 하나인, 단계:
    i) 하기 범위 내의 전체 조성물 C0를 갖는 혼화성 2성분계:
    Figure pct00014

    [상기 식에서, Cliq는 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,A + Tliq, B)/2에 있는 경우, 단일-상 고용체와 공존하는 액상의 조성물이고, Cα는 2성분계가 온도 T1에 있는 경우, 액상과 공존하는 단일-상 고용체의 조성물이고, Tliq,A는 100% 순수 컴포넌트 A의 용융 온도이고, Tliq,B는 100% 순수 컴포넌트 B의 용융 온도이고,f α 는 온도 T1에서 혼화성 2성분계에 존재하는 단일-상 고용체의 분율이고, f α 는 [0.26, 1)의 범위임], 또는
    ii) 고체 상태 구역에 단지 3개의 상 영역들을 갖는, 아공정(hypoeutectic) 또는 과공정(hypereutectic) 조성물 중 어느 하나의 부분 혼화성 2성분계로서,
    - 상기 부분 혼화성 2성분계의 조성물이 아공정인 경우, 이는 하기 범위의 전체 조성물 C0를 갖거나:
    Figure pct00015

    [상기 식에서, Cliq는 상기 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,A + Teut)/2에서 존재하는 경우, α-상과 공존하는 액상의 조성물이고, Cα는 상기 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,A + Teut)/2에서 존재하는 경우, 액상과 공존하는 α-상의 조성물이고, Tliq,A는 100% 순수 컴포넌트 A의 용융 온도이고, T eut는 공정 2성분계의 공정 온도이고, f α 는 [0.26, 1)의 범위임], 또는
    - 상기 부분 혼화성 2성분계의 조성물이 과공정 조성물인 경우, 이는 하기 범위의 전체 조성물 C0를 갖는, 부분 혼화성 2성분계:
    Figure pct00016

    [상기 식에서, Cliq는 상기 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,B + Teut)/2에 있는 경우, β-상과 공존하는 액상의 조성물이고, Cβ는 상기 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,B + Teut)/2에 있는 경우, 액상과 공존하는 β-상의 조성물이고, Tliq,B는 100% 순수 컴포넌트 B의 용융 온도이고, T eut는 공정 2성분계의 공정 온도이고, f β 는 [0.26, 1)의 범위임],
    B) 상기 제2 고체 물체의 접합 표면을 상기 제1 고체 물체의 접합 표면을 향하게 대향시킴으로써 상기 제1 고체 물체, 상기 2성분계 및 상기 제2 고체 물체를 포함하는 샌드위치식 구조를 형성하는 단계 ― 상기 2성분계는 제1 및 제2 물체들의 접합 표면들 사이에 개재되어 이들과 접촉함―, 및
    C) 상한 온도 T1의 온도에서 상기 샌드위치식 구조를 열 처리함으로써 제1 및 제2 물체들을 접합하는 조인트를 형성하는 단계 ― 상기 온도는 A 및 B 컴포넌트들의 혼화성 또는 부분 혼화성 2성분계가 제1 및 제2 물체들의 접합 표면들 사이에 개재된 A 및 B 컴포넌트들의 단일-상 고용체의 다공성, 응집성 및 연속성 구조를 형성하도록 하고 상기 A 및 B 컴포넌트들의 단일-상 고용체의 다공성, 응집성 및 연속성 구조에 분산된 A 및 B 컴포넌트들의 제2 상을 형성함 ―를 포함하는,
    제1 고체 물체의 접합 표면과 제2 고체 물체의 접합 표면 사이에 조인트를 형성하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    fα는 하기 범위들: [0.30, 1); [0.36, 1); [0.42, 1); [0.48, 1); [0.54, 1); [0.60, 1); [0.66, 1); [0.72, 1); [0.78, 1); [0.84, 1); [0.90, 1); [0.95, 1); [0.26, 0.99]; [0.30, 0.98]; [0.36, 0.97]; [0.42, 0.96]; [0.48, 0.95]; [0.52, 0.94]; [0.58, 0.93]; [0.64, 0.92]; [0.72, 0.91]; [0.95, 0.99]; 또는 [0.80, 0.90] 중 하나인,
    제1 고체 물체의 접합 표면과 제2 고체 물체의 접합 표면 사이에 조인트를 형성하는 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    f β 는 하기 범위들: [0.30, 1); [0.36, 1); [0.42, 1); [0.48, 1); [0.54, 1); [0.60, 1); [0.66, 1); [0.72, 1); [0.78, 1); [0.84, 1); [0.90, 1); [0.95, 1); [0.26, 0.99]; [0.30, 0.98];[0.36, 0.97]; [0.42, 0.96]; [0.48, 0.95]; [0.52, 0.94]; [0.58, 0.93]; [0.64, 0.92]; [0.72, 0.91]; [0.95, 0.99]; 또는 [0.80, 0.90] 중 하나인,
    제1 고체 물체의 접합 표면과 제2 고체 물체의 접합 표면 사이에 조인트(joint)를 형성하는 방법.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2성분계는 Ge-Si, Mo-W, Nb-W, V-W, Ag-Bi, Ag-Cu, Ag-Ge, Ag-Mo, Ag-Pb, Ag-Si, Ag-Ti, Al-Be, Al-Bi, Al-Ga, Al-Ge, Al-N, Al-Sn, Au-Bi, Au-Ge, Au-Mo, Au-Sb, Au-Si, Au-W, Bi-Cu, Bi-Ge, Bi-Ni, Bi-Sn, Cr-Sn, Cu-Si, Fe-In, Ga-Ge, Ga-Si, Ga-Zn, Ge-In, Ge-Pb, Ge-Sb, Ge-Sn, Ge-Zn, In-Si, In-Zn, Pb-W, Pd-W, Sb-Si, Si-Sn, Si-Zn, Sn-Zn, 또는 SiO2-Al2O3 중 하나로부터 선택된 컴포넌트 A와 컴포넌트 B의 화학적 또는 물리적 혼합물인,
    제1 고체 물체의 접합 표면과 제2 고체 물체의 접합 표면 사이에 조인트(joint)를 형성하는 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 2성분계는, Al-Ge, Al-Sn, Au-Ge, Au-Si, Bi-Cu, Bi-Ge, Bi-Sn, Ga-Ge, Ge-In, In-Si, 또는 Si-Sn 중 하나로부터 선택된 컴포넌트 A와 컴포넌트 B의 화학적 또는 물리적 혼합물인,
    제1 고체 물체의 접합 표면과 제2 고체 물체의 접합 표면 사이에 조인트를 형성하는 방법.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샌드위치식 구조의 가열 처리는, [0.5·TS, T1], [0.7·TS, T1], [0.75·TS, T1], [0.8·TS, T1], [0.85·TS, T1], [0.9·TS, T1] 또는 [0.95·TS, T1]의 간격들 ― 상기 TS는 조성물 C0 에서의 2성분계에 대한 고상선 온도임 ― 중 하나의 온도에서 수행되는,
    제1 고체 물체의 접합 표면과 제2 고체 물체의 접합 표면 사이에 조인트를 형성하는 방법.
  7. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열처리는, 상기 2성분계를 Tsol 내지 T1의 범위의 온도 ― 상기 Tsol은 전체 조성물 C0에서의 2성분계의 고상선 온도임 ― 에서 초기 가열하여 상기 온도를 수분 동안 유지한 다음, 상기 2성분계를 0.8·Tsol 내지 Tsol의 범위의 온도로 냉각하여 상기 온도를 수시간 동안 유지하는 것을 포함하는,
    제1 고체 물체의 접합 표면과 제2 고체 물체의 접합 표면 사이에 조인트를 형성하는 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    0.8·Tsol 내지 Tsol의 범위의 온도가 2 내지 10 시간, 바람직하게는 3 내지 6 시간, 보다 바람직하게는 3 내지 4 시간 동안 유지되는,
    제1 고체 물체의 접합 표면과 제2 고체 물체의 접합 표면 사이에 조인트를 형성하는 방법.
  9. 제1 고체 물체의 접합 표면과 제2 고체 물체의 접합 표면 사이의 조인트로서,
    - 상기 조인트가 컴포넌트들 A와 B의 2성분계로 제조된 접합층을 포함하고, 여기서 상기 2성분계는 하기 i) 및 ii) 중 어느 하나이고:
    i) 하기 범위 내의 전체 조성물 C0를 갖는 완전 혼화성 2성분계:
    Figure pct00017
    :
    [상기 식에서, Cliq는 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,A + Tliq, B)/2에 있는 경우, 단일-상 고용체와 공존하는 액상의 조성물이고, Cα는 2성분계가 온도 T1에 있는 경우, 액상과 공존하는 단일-상 고용체의 조성물이고, Tliq,A는 100% 순수 컴포넌트 A의 액상선 온도이고, Tliq,B는 100% 순수 컴포넌트 B의 액상선 온도이고, fα는 [0.26, 1)의 범위임], 또는
    ii) 고체 상태 구역에 단지 3개의 상 영역들을 갖는, 아공정 또는 과공정 조성물 중 어느 하나의 부분 혼화성 2성분계로서,
    - 상기 부분 혼화성 2성분계의 조성물이 아공정인 경우, 이는 하기 범위의 전체 조성물 C0를 갖거나:
    Figure pct00018

    [상기 식에서, Cliq는 상기 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,A + Teut)/2에 있는 경우, α-상과 공존하는 액상의 조성물이고, Cα는 상기 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,A + Teut)/2에 있는 경우, 액상과 공존하는 α-상의 조성물이고, Tliq,A는 100% 순수 컴포넌트 A의 용융 온도이고, T eut는 공정 2성분계의 공정 온도이고, f α 는 [0.26, 1)의 범위임], 또는
    - 상기 부분 혼화성 2성분계의 조성물이 과공정 조성물인 경우, 이는 하기 범위의 전체 조성물 C0를 갖고:
    Figure pct00019

    [상기 식에서, Cliq는 상기 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,B + Teut)/2에 있는 경우, β-상과 공존하는 액상의 조성물이고, Cβ는 상기 2성분계가 온도 T1 = (Tliq,B + Teut)/2에 있는 경우, 액상과 공존하는 β-상의 조성물이고, Tliq,B는 100% 순수 컴포넌트 B의 용융 온도이고, T eut는 공정 2성분계의 공정 온도이고, f β 는 [0.26, 1)의 범위임],
    - 상기 혼화성 또는 부분 혼화성 컴포넌트들 A와 B의 2성분계는 제1 및 제2 물체들 모두의 접합 표면들 사이에 개재된 A 및 B 컴포넌트들의 단일-상 고용체의 다공성, 응집성 및 연속성 구조, 및 상기 A 및 B 컴포넌트들의 단일-상 고용체의 다공성, 응집성 및 연속성 구조에 분산된 A 및 B 컴포넌트들의 제2 상을 포함하는,
    제1 고체 물체의 접합 표면과 제2 고체 물체의 접합 표면 사이의 조인트.
  10. 제9 항에 있어서,
    fα는 하기 범위들: [0.30, 1); [0.36, 1); [0.42, 1); [0.48, 1); [0.54, 1); [0.60, 1); [0.66, 1); [0.72, 1); [0.78, 1); [0.84, 1); [0.90, 1); [0.95, 1); [0.26, 0.99]; [0.30, 0.98];[0.36, 0.97]; [0.42, 0.96]; [0.48, 0.95]; [0.52, 0.94]; [0.58, 0.93]; [0.64, 0.92]; [0.72, 0.91]; [0.95, 0.99]; 또는 [0.80, 0.90] 중 하나인,
    제1 고체 물체의 접합 표면과 제2 고체 물체의 접합 표면 사이의 조인트.
  11. 제9 항에 있어서,
    f β 는 하기 범위들: [0.30, 1); [0.36, 1); [0.42, 1); [0.48, 1); [0.54, 1); [0.60, 1); [0.66, 1); [0.72, 1); [0.78, 1); [0.84, 1); [0.90, 1); [0.95, 1); [0.26, 0.99]; [0.30, 0.98];[0.36, 0.97]; [0.42, 0.96]; [0.48, 0.95]; [0.52, 0.94]; [0.58, 0.93]; [0.64, 0.92]; [0.72, 0.91]; [0.95, 0.99]; 또는 [0.80, 0.90] 중 하나인,
    제1 고체 물체의 접합 표면과 제2 고체 물체의 접합 표면 사이의 조인트.
  12. 제9 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2성분계는 Ge-Si, Mo-W, Nb-W, V-W, Ag-Bi, Ag-Cu, Ag-Ge, Ag-Mo, Ag-Pb, Ag-Si, Ag-Ti, Al-Be, Al-Bi, Al-Ga, Al-Ge, Al-N, Al-Sn, Au-Bi, Au-Ge, Au-Mo, Au-Sb, Au-Si, Au-W, Bi-Cu, Bi-Ge, Bi-Ni, Bi-Sn, Cr-Sn, Cu-Si, Fe-In, Ga-Ge, Ga-Si, Ga-Zn, Ge-In, Ge-Pb, Ge-Sb, Ge-Sn, Ge-Zn, In-Si, In-Zn, Pb-W, Pd-W, Sb-Si, Si-Sn, Si-Zn, Sn-Zn, 또는 SiO2-Al2O3 중 하나로부터 선택된 컴포넌트 A와 컴포넌트 B의 화학적 또는 물리적 혼합물인,
    제1 고체 물체의 접합 표면과 제2 고체 물체의 접합 표면 사이의 조인트.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 2성분계는 Al-Ge, Al-Sn, Au-Ge, Au-Si, Bi-Cu, Bi-Ge, Bi-Sn, Ga-Ge, Ge-In, In-Si, 또는 Si-Sn 중 하나로부터 선택된 컴포넌트 A와 컴포넌트 B의 화학적 또는 물리적 혼합물인,
    제1 고체 물체의 접합 표면과 제2 고체 물체의 접합 표면 사이의 조인트.
  14. 제9 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접합층에 걸쳐 연장되는 단일-상 고용체의 다공성, 응집성 및 연속성 구조를 형성하는 열처리 전에 접합층의 두께가 적용되며, 이 두께는 1 내지 1000 ㎛, 2 내지 800 ㎛, 3 내지 600 ㎛, 5 내지 400 ㎛, 6 내지 200 ㎛, 7 내지 100 ㎛, 8 내지 50 ㎛, 9 내지 30 ㎛, 또는 10 내지 20 ㎛의 범위들 중 하나인,
    제1 고체 물체의 접합 표면과 제2 고체 물체의 접합 표면 사이의 조인트.
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10376997B2 (en) * 2016-06-23 2019-08-13 Purdue Research Foundation Transient liquid phase bonding process and assemblies formed thereby
CN110683855A (zh) * 2018-07-05 2020-01-14 哈尔滨工业大学 一种具有生物相容性的Al2O3/Ti扩散连接方法
US10388627B1 (en) * 2018-07-23 2019-08-20 Mikro Mesa Technology Co., Ltd. Micro-bonding structure and method of forming the same
JP7126229B2 (ja) * 2019-04-26 2022-08-26 Ｔｐｒ株式会社 多孔体
US11605608B2 (en) * 2019-11-11 2023-03-14 Infineon Technologies Austria Ag Preform diffusion soldering
EP3852140A1 (en) * 2020-01-20 2021-07-21 Infineon Technologies Austria AG Silicon carbide power semiconductor device with a diffusion soldered joint comprising ni3sn4 and a corresponding fabrication method
CN113020736B (zh) * 2021-03-25 2022-08-30 哈尔滨工业大学 一种方钴矿热电材料与铜电极的钎焊连接方法
CN113319418A (zh) * 2021-06-29 2021-08-31 哈尔滨工业大学 一种钼铼合金无中间层扩散连接方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3025439A (en) 1960-09-22 1962-03-13 Texas Instruments Inc Mounting for silicon semiconductor device
US3200490A (en) 1962-12-07 1965-08-17 Philco Corp Method of forming ohmic bonds to a germanium-coated silicon body with eutectic alloyforming materials
DE68911649T2 (de) 1988-10-12 1994-06-23 Ibm Verbinden von metallischen Oberflächen.
US5038996A (en) 1988-10-12 1991-08-13 International Business Machines Corporation Bonding of metallic surfaces
US4988036A (en) * 1990-04-09 1991-01-29 General Motors Corporation Vacuum braze cycle for clad aluminum sheet
US5623127A (en) 1994-12-02 1997-04-22 Motorola, Inc. Single alloy solder clad substrate
ATE306354T1 (de) * 2000-09-07 2005-10-15 Infineon Technologies Ag Lotmittel zur verwendung bei diffusionslotprozessen
US6854636B2 (en) * 2002-12-06 2005-02-15 International Business Machines Corporation Structure and method for lead free solder electronic package interconnections
DE10314876B4 (de) * 2003-04-01 2008-02-14 Infineon Technologies Ag Verfahren zum mehrstufigen Herstellen von Diffusionslötverbindungen und seine Verwendung für Leistungsbauteile mit Halbleiterchips
US7538401B2 (en) * 2005-05-03 2009-05-26 Rosemount Aerospace Inc. Transducer for use in harsh environments
US7400042B2 (en) * 2005-05-03 2008-07-15 Rosemount Aerospace Inc. Substrate with adhesive bonding metallization with diffusion barrier
US7628309B1 (en) 2005-05-03 2009-12-08 Rosemount Aerospace Inc. Transient liquid phase eutectic bonding
CN102345078B (zh) * 2011-09-13 2014-11-05 昆明理工大学 一种多孔NiAl金属间化合物的制备方法
TWI446982B (zh) 2011-12-20 2014-08-01 Ind Tech Res Inst 熱電模組之固液擴散接合結構及其製造方法
DE102013103081A1 (de) * 2013-03-26 2014-10-02 Osram Opto Semiconductors Gmbh Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern und Anordnung von Fügepartnern

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