TW201111524A

TW201111524A - Special alloy complex

Info

Publication number: TW201111524A
Application number: TW098132152A
Authority: TW
Inventors: Lung-Chuan Tsao
Original assignee: Nat Pingtung University Of Science & Technolog Y
Priority date: 2009-09-23
Filing date: 2009-09-23
Publication date: 2011-04-01
Also published as: US20110070122A1; TWI404809B

Description

201111524 六、發明說明：【發明所屬之技術領域】本發明係關於一種特殊複合合金组成物，特別是一種具有低熔點、低硬度及高延性之特殊複合合金組成物。【先前技術】 U 機電系統（Micro Electro-Mechanical system, ME M S )的發展是起源於半_冑_ _ _ & ^ 合，將讓各種產業產品的發展朝向輕、薄、短、小與多功月匕、冬慧化、省能源的微型化產品，諸如微小化的内科手術、生物科技或信息科技。面對這些嚴苛的挑戰，微機電系統製造及研究者長久以來一直期盼著開發新的「精微加 j術」、解決此問題。例如：德國為歐洲發展精微加工技術最具代表性國家，是發展「微影電禱成型（liga)」製程最早的國家之-，並積極投入石夕基微加工及微機械加工相關技術之開發；美國從半導體f程演化出微細加工技術’以石夕為主要應用材料；日本的發展則較為不同，是由傳統之機械加工技術演化而生的精微加工技術，並利用在機電領域的領先優勢，發展出各式微機械產品。其他精微加工技術’例如「微熱壓成型（Hot =〇ssing )」’其係由微機電製程中UGA技術的發展而衍 ^出來的1技術’微熱壓成型技術於高分子薄膜以產生口木之產〇σ疋極具潛力且非常重要之製程技術。因此，目前是產學界極欲開發研究的一項技術，可使用熱塑性南分子或熱固性高分子來進行熱壓成型，而其主 201111524 要的製程是將高分子基材，例如聚碳酸脂（pQ_b_te， c )或聚甲基丙稀酸"旨（〜加吻〗--π- lcr’PMMA)置人成型射，並將該高分子基材加熱 =該高分子基材之玻璃轉移溫度（Tg)以上之溫度（加 ^)。並藉由電腦數值控制微細切削加工機（m謂_CNC)

t影電鑄成型法（LIGA)所製造1有®錢微結構之 t具且並將該模具於真空室内壓蓋於該高分子基材上，使之圖案或微結構能完全轉印至該高分子基材上而 ==ssmg)。最後，模具與㈣分子基材接觸一段時間以後（持溫段），將溫度降至麵著:該高分子基材從該模具中二，便;獲传具有圖案或微結構之產品。上，「微熱壓成型」是極少數具高速量產效益的微機电加工技術，卻僅適用於塑膠微形元件的製作。塑膠微形元件雖有其制市場，但在与上，—㈣定產品基於对 t、尺寸安定性、熱傳導性及導電性等需求必須採用金屬材料。然而’目前-般金屬材料因為無法如同塑膠且有優良熱塑性，—法剌於魏鍾成型_，金屬微形元件的成型主要是利賴影電鱗成型方法。例如，目前習知具有軟質合餘賴’主要銲錫合金，其域分為錫（Sn)，其他成分為錯(Pb)、銀（Ag)、銅（Cu)'錦（Ni)及其他微量金屬元素，所形成共晶合金之鲜錫，例如：Sn37(敗％) Pb 合金、Sn0.9 ( wt%) Cu 合金、Sn3 5 (wt%) Ag 合金及 Sn3.5 (wt%) Ag0.5 (wt%) Cu合金等銲錫合金。然而，【 201111524 元素比例過高’並且這些銲錫合金形成，是並且該己置，.利用高溫雜，所形成之鮮錫合金， f程後\ :金之錫70素比例過高，即使利用微熱壓成型轨後亦用熱反應方式提高機械性f，即使於加之合会Γ1、應形成具有高硬度、高炫點及高強度等特性成型製裎之::殊::组=有必要開發’用於微熱壓【發明内容】以提供一種特殊複合合本發明目的乃改良上述缺點金組成物。树明次-目_提供-低_、低硬度及高延性之，殊複合合金组成物，且該特殊複合合金組成物經熱反應處理（例如微熱壓成型製程或時效處理）後具有高硬度、高熔點、高強度、尺寸穩定及導電特性佳等特性。又本龟明係一種特殊複合合金组成物，係包含以重量百分比計72〜74.5%之銀及24.5〜27%錫，且該銀之粒徑大小係介於1 Onm至200 /i m之間。本發明係一種特殊複合合金組成物，係包含以重量百分比計29〜67.5%之銀及31.5〜70%之銦，且該銀之粒徑大小係介於1 Onm至200 /z m之間。本發明係一種特殊複合合金組成物，係包含以重量百分比計29〜60%之銀' 19〜35%錫及20〜35.2%之銦，且該銀之粒徑大小係介於10nm至200# m之間。藉此，本發明之特殊複合合金組成物在熱反應前具有 201111524 低!^點、低硬声；^古2ΐ ^性之特性’可適用於微熱壓成型製程，且經微熱壓成刑制战土衣％後可形成具有高硬度、高熔點、、尺寸穩定及導電特性佳等特性之金屬微型元件。【實施方式】 “為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易憧’下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

&本發明之特殊複合合金組成物主要係由軟質金屬混 t銀（Ag)金屬粉末所共同組成，其中該軟質金屬係為低熔點、貝4且延展性佳之金屬，可選擇為錫、銅、錫姻合孟錫基5 1、銦基合金或錫銦基合金之至少一種，其中，該錫基合金係可選擇為Sn_Q9(对％ )Cu合金、㈤5(^% ) Ag 合金、Sn-0.7 (wt%) Ni 合金、Sn_3 5 (wt%) Ag_〇 5 (wt%) Cu 合金、Sn-3.〇 (wt〇/0) Ag-0.9 (wt%) Cu 合金、

Sn9(wt%)Zn或Sn-χ (wt%) A1合金，該銦基合金係可選擇為 In-0.9(wt%)Cu 合金、in_i.2(wt%)Ag 合金、in_i.2Ni 合金或Ιη·χ (wt%) Zn合金。使該複合合金組成物在混練過程及使用别保有軟質金屬的特性，包含低炫點、質軟且延展性佳之複合合金組成物。本發明可另包含錫基銲錫合金或銦基銲錫合金，亦可降低複合合金主成分之銀金屬粉末使用用量，增加機械性質。在本發明之複合合金組成物中，該銀金屬粉末係指預先研磨成粒徑大小介於1 〇nm至200 " m之間。該銀金屬幸八末均勻分佈於該複合合金組成物内部組織，並經過熱反 201111524 ==末與該軟質金屬反應形成一新的組 = 此新的複合合金組成物具有高硬度:高炫，、尺寸穩定及導電性佳等特性。該特殊複合合金組成物中射另包含以重量百分比計謹〜2%之銅 (〇〇’以提升該特殊複合合金料物之導熱效果；或者另包含以重量百分比計0.01〜2%U桌（Ni)，啸升整體特殊複合合金組成物之耐腐蝕性及機械性質；或者另包含 0.01〜3%鍺（Ge)，以降低本發明之特殊複合合金組成2 反應前之低溶點及潤濕性。本發明之特殊複合合金組成物中可能因銀金屬或軟質金屬來源純度影響，因此可能包含有上述之銅(Cu)、鎳 (Ni)、金(Au)或鋅(Zn)等微量金屬，當然，該銅金屬粉末或鎳至屬知末亦可依需求加入一疋比例處入該特殊複合合金組成物中。請參照第1圖所示’本發明之特殊複合合金組成物較佳係以下列製程製作完成，當然亦可選擇以其他方式進行混合製作：請參照第1圖所示，以滾軋混練法為例，首先，將該軟質金屬，例如錫、銦或錫銦合金，以—滾壓裝置丨滚單成數層金屬薄片2後，接著將粒徑大小介於1〇_至2〇〇 /zm之間的銀金屬粉末3均勻散佈於該數層金屬薄片2之間’並經過該滾壓裝置1進行滾壓後，便可形成一滚壓薄片2’ ’·再進一步將該滚塵薄片2’進行折疊，再透過^滾壓裝置1進行滾壓，如此，透過重複折疊滾壓動作，便可將該銀金屬粉末3均勻混練入該軟質金屬製成之金屬薄片2 2〇llll524 中，進而獲得如上述之組成比例之特殊複合合金組成物 4。若欲額外加入該銅金屬粉末或鎳金屬粉末之成分，僅需同時將銅或鎳金屬粉末與該銀金屬粉末3混練後，形成銀銅至屬粉末、銀錦金屬粉末或銀銅鎖金屬粉末，將所選擇金屬粉末均勻散佈於該軟質金屬製成之金屬薄片2中即可，依據上述步驟進行該滾壓裝置1進行滾壓，如此，透過重複折疊滾壓動作，便可獲得如上述之組成比例之複合合金組成物4。請參照第2至4圖所示，本發明之特殊複合合金組成物由於在熱反應前具有低熔點、質軟及延展性佳等特性，因此可應用於「微熱壓成型（H〇t Embossing)」製程，以製作金屬微型元件。舉例而言，僅需透過一加熱裝置$對上述本發明之特殊複合合金組成物4進行加熱，且加熱溫度T係較佳係接近該特殊複合合金組成物4之炫點溫度 (Tm).，例如 Tm-100°C<T<Tm+l〇(rC 之溫度區間；接再於-大氣壓或-真空環境下以一模具6壓蓋於該特殊複合合金組成物4上，便可使該模具6上之圖案61轉印製該特殊複合合金組成物4上’以於該特殊複合合金組成物4 之表面形成對應該圖案之微結構;接著，使該特殊複合合金組成物4與該模具6接觸並保持溫度一段時間，以使該特殊複合合金組成物4内之金屬進行「等溫凝固」反應，進而形成具有高熔點及高硬度之介金屬化合物；接著進* 行冷卻，再賴模具移除，便可使該特殊複合合金組成物* 形成金屬微型元件，且該特殊複合合金組成物4之表面係可形成微驗、微流道等微結構4卜例如本實施例之特蛛… V 二· 1 201111524 複合合金組成物4之表面之微結構4H更選擇為微流道之形式，如第5圖所示。該微型金屬元件完成熱反應後之特殊複合合金組成物4具有高硬度、高熔點、高強度、尺寸穩定及導電特性佳等特性，可作為微機電系統（Micr〇

Electro-Mechanical System，MEMS )之應用。如此，本發明具低炫點、質軟及延展性佳之特殊複合合金組成物4可應用於U熱壓成型」製程，可有效克服習知—般金屬因具有炫點過高及塑性不佳等缺點，而無法卿於「微熱壓^ 型」製程之技術問題；財發明之特殊複合合金組成物* 經「微熱壓成型」製程處理後，便可形成具有高硬度、高溶點、高強度、尺寸穩定及導電·佳等特性之金屬微= 凡件，可有效提1¾該金屬微型元狀應用層面。當然& 明複合合金組錢的應職不條於為健成型。舉例二言’本發明之初轉合合金料物祕具有贿點及延展性佳⑽性，因此可_職電子财製程，以二作晶片與“的微㈣路接點接合，或是W與 ^ 接點接合。經過迴銲的熱反錢，將“與晶片軟並隨f電子產品會發熱情形，使用接點過形成具有言辟度m高強度、尺寸穩定及導電性佳等特性。以下揭示本發明第一至第四組成物之比例：實施例之特殊複合合金本發明之較佳第一實施例之特殊複合合金 ’該軟質金屬係縫為錫，該特純合合金組含以重量百分比計72〜74.5%之銀及24 5〜27% = 佳係包含74%之銀及26%之錫，本實施例之特殊複合合= 201111524 組成物係可選擇於230t：至40(TC之間加熱進行該「微熱屙成型」製程，較佳係為260°C，且於加熱反應後，其^ 微型元件内部組織可形成大量Agjn之介金屬組成物一組織結構的A&Sn之介金屬組成物，可大幅提昇炫點= 硬度。 ‘

本發明之較佳第二實施例之特殊複合合金組成物中，該軟質金屬係選擇為銦，該特殊複合合金組成物係包含以重量百分比計為29〜67.5%之銀及315〜7〇%之銦^ 於本第二實施财，触係包含29〜32%之銀及66 5〜川 /ΰ之銦，隶佳係為31.7%之銀及68.1%之銦，另包含〇 2 %之銅’本實施例之特殊複合合金組成物係可選擇於3 ^ C至職之間加熱進行該「微熱壓成型」製程，較佳為.’且於加熱反應後，其金屬微型元件内部組^可乂成大I Agin2之介金屬化合物或單一組織結構的八曰之介金屬纽成物，可大幅提昇炫點及硬度。 112 I月之k佳第二貫施例之特殊複合合金組屬係選擇為銅，該特殊複合合金組‘· 重^刀比計為29〜67.桃之銀及31.5〜7〇%之翻方、本第二“例中’較佳係包含64〜67.5%之银及3/ 35%之銦，最麵、為之銀及篇之銦，另包八' 之鎳本声％例之特殊複合合金組成物係可選擇於^ 為至：之間加熱進行該「微熱壓成型」製程，較佳: ^ 旦且於加熱反應後，其金屬微型元件内部組織. 、里Ag2ln之介金屬化合物或單一組織結構的/ 之介金_ Ag2 201111524 本發明之較佳第四實施例之待殊複合合金組成物中，該軟質金屬係包含為錫銦合金之組成金組成物係包含以重量百分比計為29〜60%^殊:;; %之錫及20〜35.2%之銦，於本第四實施例中，較佳係為 35%之銀、30%之錫及35%之銦，本實施例之特殊複合合金組成物係可選擇於15Qt:至2贼之間加熱進行該「微熱壓成型」製程，較佳係為200t： ’且於加熱反應後，其金屬微型元件内部組織可形成大量（Ag3Sn、Ag2ln、AgIn2 及jglnSn2)之介金屬化合物。如此，便可依照使用之「微熱塵成型」製程溫度，進—步調整該特殊複合合金組成物中銀及軟質金屬之間之配比，以符合使用上之需求。如上所述，本發明透過將銀金屬粉末混練入該軟質金屬中，以喊賴㈣點、錄及延展性佳之特殊複合合孟組成物’使得該特殊複合合金組成物可適用於「微熱壓成型」製^。鱗殊複合合金組成物經熱反應處理（例如微熱壓f型製程）後可形成具有高硬度、高炫點、高強度、尺寸k及導f特錄之介金屬化合物，可有效提升該特殊衩合合金組成物之特性。 -另外’本發明之複合合金組成物亦可應用於做為電子 ^件之表面黏著技術（SUI*faee mGunt teehnGl()gy，SMT )的焊料，以便將電子元件銲接接合於電路板（例如主機板或手機板上’尤其立體式之晶片構裝應用（3D packaging)。本^月複合合金組成物能承受立體式晶片構裝在使用所產问皿問題。惟，上述僅是列舉說明發明之複合合金組成物的可能應用領域，但並非用以限制本發明。 12 — 201111524 本發明之特殊複合合金組成物具有低緣點、高延性，可應用於微熱壓成型製程。且該特殊複八八二广成物經熱反應處理（例如微熱壓成型製程）α孟組高硬度、高熔點、高強度、尺寸穩定及導電特性佳屬化合物’可有效提升該特殊複合合金組成物之特性。雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之内，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本 ♦ 發明所保諼之技術範_，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 13 — 201111524 【圖式簡單說明】第1圖：本發明之特殊複合合金組成物之製作示意圖。第2圖：本發明之特殊複合合金組成物進行微熱壓成型製程之示意圖。 · 第3圖：本發明之特殊複合合金組成物進行微熱壓成型製程之模具壓蓋示意圖。第4圖：經微熱壓成型製程後之金屬微型元件。第5圖：具有微管道之金屬微型元件。【主要元件符號說明】〔本發明〕 1 滾壓裝置 2 金屬薄片 3 銀金屬粉末 2，滚壓薄片 4 金屬組成物 41 微結構 5 加熱裝置 6 模具 61 圖案 14 —

Claims

201111524 七、申請專利範圍： 1、一種特殊複合合金組成物，係包含：以重量百分比計72〜74.5%之銀及24.5〜27%錫，且該銀之粒徑大小係介於1 Onm至200 // m之間。 2、依申請專利範圍第1項所述之特殊複合合金組成物，其中該銀係以滾軋混練法混練入該錫中。 3、依申請專利範圍第1項所述之特殊複合合金組成物，其中該特殊複合合金組成物另包含以重量百分比計0.01 〜2%之銅。 4、依申請專利範圍第1項所述之特殊複合合金組成物，其中該特殊複合合金組成物另包含以重量百分比計0.01 〜2%之錄。 5、依申請專利範圍第1項所述之特殊複合合金組成物，其中該特殊複合合金組成物於230°C至400°C之間加熱形成Ag3Sn之介合金組成物。 6、一種特殊複合合金組成物，係包含：以重量百分比計29〜67.5%之銀及31.5〜70%之銦，且該銀之粒徑大小係介於10nm至200 //m之間。 7、依申請專利範圍第6項所述之特殊複合合金組成物，其中包含29〜32%之銀及66.5〜70%之銦。 8、依申請專利範圍第7項所述之特殊複合合金組成物，其中於]00°C至160°C之間加熱形成Agln2之介金屬化合物。 9、依申請專利範圍第6項所述之特殊複合合金組成物，其 15 — 201111524 中包含64〜67.5%之銀及31.5〜35%之銦。 . 10、依申請專利範圍第9項所述之特殊複合合金組成物，其 -中於〗50°C至250°C之間加熱形成Ag2In之介金屬化合物。 11、依申請專利範圍第6項所述之特殊複合合金組成物，其中該銀係以滾軋混練法混練入該銦中。 12、依申請專利範圍第6項所述之特殊複合合金組成物，其 * 中該特殊複合合金組成物另包含以重量百分比計0.01 ' 〜2%之銅。 g 13、依申請專利範圍第6項所述之特殊複合合金組成物，其中該特殊複合合金組成物另包含以重量百分比計0.01 〜2%之錄。 14、一種特殊複合合金組成物，係包含：以重量百分比計29〜60%之銀、19〜35%錫及20〜 35.2%之銦，且該銀之粒徑大小係介於10nm至200仁 m之間。 15、依申請專利範圍第14項所述之特殊複合合金組成物， · 其中於150°C至250°C之間加熱形成介金屬化合物。 16、依申請專利範圍第14項所述之特殊複合合金組成物，其中該銀係以滾軋混練法混練入該錫及銦中。 17、依申請專利範圍第14項所述之特殊複合合金組成物， ‘ 其中該特殊複合合金組成物另包含以重量百分比計 ’ 0.01〜2%之銅。 18、依申請專利範圍第14項所述之特殊複合合金組成物，其中該特殊複合合金組成物另包含以重量百分比計 —16 — 201111524 0.01〜2%之錄。