TW201309136A - 通過牽渉電子附著的無助焊劑技術來移除表面氧化物的設備及方法 - Google Patents

通過牽渉電子附著的無助焊劑技術來移除表面氧化物的設備及方法 Download PDF

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Abstract

文中所述的是一種通過電子附著來移除零件表面上的金屬氧化物的方法及設備。有一具體實施例中，提供一場發射設備，其中電子附著於還原性氣體的至少一部分以形成能移除金屬氧化物的帶負電的原子離子，該設備包含：包含導電性材料且包含至少一或更多具有一有角度邊緣或高曲率表面的凸出部之陰極，其中該陰極被介電材料圍繞，該介電材料接著被導電性陽極圍繞，其中該陰極及陽極係各自連至一電壓源，及介於該陰極與陽極之間的介電材料被偏極化，強化該電場強度及在該陰極的頂點累積電子以促進從該陰極發射出電子。

Description

通過牽涉電子附著的無助焊劑技術來移除表面氧化物的設備及方法 相關申請案之參考
本申請案主張於2011年8月3日申請之美國臨時申請案61/514,615及2011年11月23日申請之美國臨時申請案61/563,112的權益。本申請案是2012年2月2日申請之美國申請案13/364,925的部份延續申請案，其主張2011年2月9日申請之美國臨時申請案61/441,053的權益。所有上述申請案的全體藉由參考方式被併入本案。
本發明大致上係相關於用於去除表面氧化物之無助焊劑製程。更明確地說，本發明係相關於一包括相同用於包含在一遠端離子產生器內的無助焊劑重流及焊接之設備及方法。
重流及焊接係在用於製造焊錫接頭之組裝電子零件中的重要製程步驟。在此所使用之名詞”重流”係指當應用比如像熱能之能源時，使在一基材上之先前塗敷之焊錫熔融及流動。在所使用之名詞”焊接”係指一可允許一熔融焊錫可接合至少兩金屬性基材之製程。多種不同的重流及焊接製程可被使用在電子裝置之組件中，其比如，但不受限於，被用在晶圓隆點之焊錫隆點的重流，被用在表面安裝電子零件的組裝中之重流焊接，及被用在插入安裝電子零件的 組裝中之波焊接。
重流焊接係一用於表面安裝零件之外部引線接合之製程，其中一晶片係用引線傳送至下一階表面安裝包裝處。在該重流製程中，零件是用已事先印刷在電路板上之一焊錫膏而被安裝在該電路板之對應痕迹區。如此形成的焊接部件係接著被載入一重流爐管並通過加熱及冷卻區。介於零件引線與在該電路板上之焊錫地間之焊錫接頭係藉由將該焊錫膏熔融，濕化，及固化來形成的。為了確保在該接合表面上之熔融焊錫的良好濕化，有機助焊劑係一般被包含在該焊錫膏內以去除在該焊錫及底金屬兩者表面上之初始表面氧化物及在固化之前保持在一清潔狀態。在焊接期間，該助焊劑係大部份地蒸發成為氣相，然而，該助焊劑的揮發性可能造成問題，其比如形成在該焊錫接頭內之空洞及汚染該重流爐管。在經焊接後，該助焊劑殘留物仍停留在該電路板上而造成該電路板的腐蝕及電性短路。
波焊接亦使用在比如組裝傳統插入安裝零件之外部引線接合中。該波焊接亦可藉由在焊接前使用一黏合劑暫時接合在該電路板上之零件而被使用在表面安裝零件中。對於兩者情況，具有被插入或暫時接合的零件之電路板必需藉由使用一液體助焊劑來去除在該零件引線及焊錫上之氧化物及接著通過一高溫熔融焊錫槽。該熔融焊錫自動地濕化該被焊接之金屬表面並且因而形成焊錫接頭。在該槽內之熔融焊錫具有一高度氧化傾向而形成熔渣。因此，該焊錫槽表面必需經常藉由機械地去除該熔渣來清洗，如此則 增加工作成本及焊錫的消耗。在經焊接後，該助焊劑殘留物仍停留在該電路板上，其則帶來在此所述之用在重流焊接之同樣問題。
晶圓隆點係一製程，其用來製造在用於內部引線接合之晶圓接合墊上的厚金屬隆點。晶圓隆點係一製程，其係被用來在晶片接合墊製作厚金屬隆點以用於內部引線接合。該隆點一般係藉由在該墊上沈積焊接劑且再重流(在此稱為第一重流)來製成以進行合金及將焊接隆點的外形從蕈狀外形改變至一半球形。該具有第一重流隆點被翻倒至對應於在該基材上之網形焊接端的足印且然後進行一第二重流以形成焊接點。這些焊接點在此被稱為內部引線接合。在晶圓隆點應用中正常是使用高融點焊錫(例如，>300℃)，此乃因其可允許後續組裝步驟的進行，比如使用低融點焊錫(例如，<230℃)之外部引線接合而沒有分裂該內部引線接頭。
經過第一重流之焊接隆點的外形是非常重要。例如，一大的隆點高度可得到較佳接合及較高抗疲乏。更進而，所形成隆點應較佳地大致均勻以確保平坦度。具有較大隆點高度的大致均勻之焊接隆點被認為與在第一重流期間之無氧化物隆點表面係有關係。一種用於在該焊接隆點晶圓之第一重流期間之去除焊錫氧化物的方法是在沈積後焊錫隆點上塗敷有機助焊劑，或是在一已被印刷至晶圓上形成隆點之焊錫膏混合物內塗敷有機助焊劑，且在一惰性環境中重流該隆點以使得該助焊劑能有效地去除在該焊接表面 上之初始氧化物。然而，此一方法具有其缺點。由於助焊劑的分解，在該焊接隆點內可能形成小空洞。這些空洞可能不僅惡化所形成焊接隆點之電及機械特性且破壞該焊錫隆點晶圓之共平面度及影響後續的晶圓接合製程。該分解後助焊劑揮發物亦能汚染該重流爐管而增加維護成本。此外，助焊劑殘餘物總是留在晶圓上，其可造成腐蝕並且惡化組件的效能。
為了從上述之重流製程中去除助焊劑殘餘物，可採用一使用氯氟碳(CFCs)作為清洗氣體之後清洗製程。然而，該後清洗則增加一額外步驟並且增加製造處理時間。甚而，使用氯氟碳(CFCs)作為清洗氣體係被禁止，因其對地球保護臭氧層產生潛在危害。雖然藉由使用小量活化物來還原殘餘物已研發出非清洗助焊劑，但在介於助焊劑殘餘物的量和助焊劑的活化度上的獲益與損失間存在一取捨。
一個解決以上所述之包括空洞形成、助焊劑揮發性、助焊劑殘餘物、及熔渣形成等所有問題的良好方法是使用一還原氣體作為一重流及焊接環境以取代用於去除金屬氧化物之有機助焊劑。如此重流及焊接技術係稱為”無助焊劑重流”及無助焊劑焊接”。在這些各種無助焊劑重流及焊接方法中，使用氫作為一反應氣體以還原在底金屬和焊錫上之氧化物係特別吸引人，此乃因其係一清潔製程(唯一副產物是水且水容易地自該爐管排出)，並且其能夠相容於一開放及連續焊接生產線(H2係非毒性且具有4至75%之可燃範圍)。因此，氫無助焊劑焊接已為時一長時間地作為一技 術目標。
一先前所使之用於內部引線接合之氫無助焊劑方法已使用純氫作為溫度範圍從400至450℃之焊接隆點晶圓的重流。然而，該純氫之可燃本性大部份地限制它的應用。對於使用在外部接合引線之焊接製程，其比如重流焊接及波焊接，使用氫以還原表面氧化物之主要限制是在正常處理溫度範圍(<250℃)下金屬氧化物之無效率及慢還原速率，特別是焊錫氧化物，因其具有比起在被焊接的底金屬上的氧化物更高的金屬-氧鍵強度。此一氫的無效率係歸因在低溫下該氫分子反應度之缺乏。在溫度高於該正常重流焊接及波焊接的溫度範圍下可形成比如單原子氫之高反應基。例如，用於純氫來還原一錫基礎焊錫上的錫氧化物之有效溫度範圍係高於350℃。如此高溫可能損害或造成包裝後電子零件可靠度問題。因此，工業界已尋求一種可恊助產生高反應H2基及因而減少氫濃度之有效範圍和還原表面氧化物所需之處理溫度的方法。
無助焊劑(乾)的焊接在習知技術已使用數個技術來完成。一技巧是使用雷射來剝落或加熱金屬氧化物至它們的蒸發溫度。該製程係典型地在惰性或還原環境中實施以防止被釋放出汚染物再氧化。然而，該氧化物及底金屬之融點或沸點可以相似並且融化或蒸發該金屬係需要的。因此，如此雷射製程的使用係困難。基本上，雷射係昂貴及其操作是無效率並且需要一直接視線至該氧化層。這些因子限制了對大部份焊接應用之雷射有用處。
表面氧化物能經由在較高溫度下曝露至反應氣體(例如，H2)而被化學還原(例如，H2O)。典型所使用是一在一惰性載體(例如，N2)中含有5%或更多還原氣體之混合物。該反應產物(例如，H2O)然後藉由高溫下的放出而從表面釋放且在該氣體流場中被帶離開。典型處理溫度超過350℃。然而，就算在較高溫度下此一製程是慢且無效率。
還原製程的速率及有效度能使用更活化之還原種類來增加。如此活化種類能使用電漿技術來產生。
在音頻，無線電，或微波頻率的氣體電漿能被用來產生用於表面去氧化之反應基。在如此製程中，高強度電磁輻射係用來離子化及分解H2,O2,SF6，或其他包含氟化合物的種類成為高反應基。表面處理能在低於300℃下實施。然而為了獲得電漿形成的最佳條件，如此製程係典型在真空條件下實施。真空操作需要昂貴設備且必需以慢，批次製程來實施而不是一快速，連續製程。同時，電漿係典型擴散地分散在處理腔內而且難以在一特定基材區內引導它們。因此，在此製程中該反應種類不能被有效地利用。電漿亦能經由一濺鍍製程而危害到處理腔，且在介電質表面上能產生空間電荷的聚集而導致可能的微電路損害。微波本身亦能造成微電路損害，且基材溫度在處理期間難以控制。電漿亦能釋放出潛在危險紫外光。如此製程亦需要昂貴電氣設備及消耗可觀的電力，因而減少它們整個成本有效度。
美國專利號第5,409,543號揭露一種在一真空條件下 使用一熱燈絲來熱分離分子氫以產生一反應氫種類(即原子氫)之製程。該激能氫化學地還原該基材表面。該熱燈絲的溫度範圍從500℃至2200℃。電性偏壓柵係用來偏折或捕捉從該熱燈絲射出的過多自由電子。該反應種類或原子氫係在一惰性載體氣體中從包含2%至100%氫的混合物中產生。
美國專利號第6,203,637號揭露使用自一熱離子陰極放電之用於將氫活化的製程。自該熱離子陰極射出的電子製造出一可產生活化種類之氣相放電。該射出製程係在一包含一加熱燈絲之分離或遠端腔內實施。離子及活化中性質流入該處理腔以化學地還原被氧化之金屬表面。然而，如此熱陰極需要真空條件以得最佳有效度及燈絲壽命。真空操作需要昂貴設備且該設備必需併入焊接輸送帶系統，因而減少它們的整個成本有效度。
1995年加州聖荷西之表面安裝會議的作者Potier等人發表之”在周圍壓力下之激活大氣環境下的無助焊劑焊接”及美國專利號第6,146,503，6,089,445，6,021,940，6,007,637，5,941,448，5,858,312及5,722,581揭露使用電氣放電來產生活化H2(或其還原氣體比如CH4或NH3)的製程。該還原氣體一般係出現在一惰性載體氣體N2中的”百分比程度”。該放電係使用”數仟伏特”之交流電壓源來產生的。在一遠端腔內自陰極射出之電子可產生實質上不帶電荷種類之離開或不穩定種類，該種類接著流入該基材。最終製程還原在該底金屬上之氧化物以便在接近150℃的溫 度下焊接。然而，如此遠端放電腔要求可觀的設備成本並且不易被翻新以存在於焊接輸送帶系統。此外，這些製程典型被用在焊接前之預處理金屬表面而不是去除焊鍚氧化物。
美國專利號第5,433,820號揭露在大氣壓力使用自一高電壓(1KV至50KV)電極之電氣放電的表面處理製程。該電極係放置在基材鄰近處而不是在一遠端腔內。自該電極射出之自由電子產生反應氫基，即一包含原子氫的電漿，其接著通穿過放在被氧化基材上方之介電護罩的開口。該介電護罩集中該活化氫至那些需要去氧化之特定表面處。然而，如此介電護罩能聚集那可能改變電埸強度並阻礙精確製控制之表面電荷。所描述製程僅用於將流通過底金屬表面。
因此，在業界存在一需要在較低溫以避免損害電子零件下，提供一種自至少一零件以及/或焊錫表面去除金屬氧化物之經濟及有效製程。在業界更存在需要在接近周圍或大氣壓力條件以避免例如於一電漿基礎製程及設備所需購買及維護真空設備之花費下，提供一種用於無助焊劑焊接之製程及設備。亦存在提供一種用於內部或一基材的非曝露表面的無助焊劑焊接之製程及設備的需要。此外，在業界亦存在提供一種不需使用一或多種可燃氣體的一無助焊劑焊接製程的需要。
本發明藉由提供從至少一零件及/或焊料表面移除金屬氧化物而不需要助焊劑、昂貴的真空設備及/或可燃性氣體環境的方法及設備來解決一些，即使不全然，此技藝的問題。有一形態中，提供透過電子附著於周圍或非真空壓力氣氛中的電子發射從包含選自焊料、金屬及其組合的至少一者的零件表面移除金屬氧化物的設備，該設備包含：一場發射設備，其包含：一陰極，其具有一或更多凸出部並且包含導電性材料，其中該材料具有介於2至5 eV的功函數；一介電材料，其圍繞於該陰極的至少一部分；及一陽極，其包含圍繞於該介電材料至少一部分的導電性材料，其中該陰極及陽極係各自連至一電壓源，及其中介於該陰極與陽極之間的介電材料被偏極化，於是使該電場分佈被受限並且增強該陰極的一或更多凸出部附近的電場強度及從而從該陰極發射電子。在各個不同具體實施例中，該等電子有至少一部分係經由場發射、熱場發射、或其組合而產生。
因為被介電材料分離的陰極及陽極亦可被視為一電容器，與該等電極接觸的介電材料的厚度於本發明的一些實施例中可以薄至更多的電子可以累積在陰極上。吾人相信在陰極上累積更多的電子可以增強在一給定電壓供應下的場發射。
在又另一形態中，提供其上包含焊料及金屬氧化物的零件之至少一表面上移除金屬氧化物的設備，該設備包含：一場發射設備，其包含：一陰極，其具有一或更多具 有一有角度邊緣或高曲率表面的凸出部並且包含導電性材料，其中該材料具有介於2至5 eV的功函數；一介電材料，其圍繞於該陰極的至少一部分；及一陽極，其包含圍繞於該介電材料至少一部分的導電性材料，其中該陰極及陽極係各自連至一電壓源，及其中介於該陰極與陽極之間的介電材料被偏極化，從而強化該電場強度及在該陰極的一或更多的凸出部累積電子及因而從該陰極產生更多電子；一還原性氣體，其中該等電子附著於還原性氣體的至少一部分以形成原子性陰離子；一具有比該陽極更正的電位的導電表面，其中該零件被設置於該導電表面，其中原子性陰離子接觸於該零件的至少一表面並移除至少一部份的金屬氧化物。
在進一步的一形態中，此處所描述的場發射設備可以被用於其它應用，其中要求在一大氣或非真空環境形成自由電子，包括但不限於藉由電子附著以移除灰塵或不純物的瘤體純化，靜電繪圖，及塗裝。本發明亦可以用於除了還原氣體之外的活化氣體的其它或除了移除金屬氧化物以外更多用途的應用。例如，本發明的設備可以用於表面清潔，表面氧化，蝕刻，沉積，及其它包括氣體與固體界面反應的應用。
本發明的各個不同形態從以下的詳細說明將變得顯而易見。
文中揭示的是藉由暴露於還原性氣體的帶負電的原子離子，該原子離子係藉由電子附著法形成，從包含選自焊料、金屬及其組合的至少一者的零件之至少一表面移除金屬氧化物的方法及設備。在特定具體實施例中，該暴露過程可迴流及焊接製程之前及/或期間進行。該還原性氣體的帶負電的原子離子與至少一零件表面上的表面金屬氧化物反應並且將其還原。文中所述的方法及設備可藉由修飾傳統迴流及焊接設備來運用例如，舉例來說，用於內引線接合及迴焊的迴焊機或用於外引線接合的波焊機。文中所述的方法及設備也可應用於其他想要移除表面金屬氧化物的方法，例如，但不限於，金屬鍍敷(即，將印刷電路板或金屬表面的一些部分焊料鍍敷使其更易於進行後續焊接)、表面清潔、銅焊、熔焊及移除矽晶圓處理期間形成的金屬表面氧化物，例如氧化銅。利用本發明的方法及設備移除金屬氧化物一樣也適用於前述方法或任何其他想要移除氧化物而不需要有機助焊劑、昂貴的真空設備(例如在電漿為基礎的方法中)及/或可燃性氣體環境的方法。
有一具體實施例中，文中所述的場發射設備包含：一陰極，其係由帶有低功函數且包含一或更多具有一有角度邊緣或具有高曲率表面的凸出部(例如尖端、針頭、指部、刀刃、脊部、鰭部或類似者)之導電性材料製成，其中該陰極被介電材料圍繞；一介電材料，其中該介電材料圍繞於該陰極的至少一部分；及一陽極，其中該陽極圍繞於該介電材料的至少一部分，及其中該陰極及陽極係各自連至一 電壓源及介於該陰極與陽極之間的介電材料被偏極化，其促成電子從該陰極發射。所揭示的場發射設備也可用於其他牽涉到必需依周圍或非真空氣氛條件形成游離電子的用途中，例如，但不限於，藉由電子附著將氣體純化以移除灰塵或雜質粒子、靜電噴塗或塗覆。用於文中時措辭“周圍氣氛條件”意指具有一或更多下列端點的壓力範圍的氣氛：14.0、14.5、14.7、15.0、15.5、16.0、16.5、17.0、17.5、18.0、18.5、19.0、19.5或20.0 psig。有一特定具體實施例中，該周圍氣氛條件介於14 psig至20 psig。有一替代具體實施例中，該爐的氣氛被加壓過。
文中所揭示的場發射設備可能特別適合特定具體實施例，例如舉例來說，包括BGA、覆晶及晶粒附接組合件的表面構裝零件的無助熔劑焊接。在這些具體實施例中，該焊接面並未完全或平坦地暴露於該陰極發射體而且無法扮作陽極。文中所揭示的場發射設備包含能運送電子並且透過電子附著法產生帶負電的原子離子例如氫陰離子的陰極及陽極。
用於文中時該措辭“零件”大體上關於包含一材料例如矽、塗覆二氧化矽的矽、鋁-氧化鋁、砷化鎵、陶瓷、石英、銅、玻璃、環氧樹脂或任何適用於電子裝置內的材料之零件。在特定具體實施例中，該零件有焊料佈置於其至少一表面上。示範性焊料組合物包括，但不限於，無助焊劑錫-銀、無助焊劑錫-銀-銅、無助焊劑錫-鉛或無助焊劑錫-銅。然而，本發明的方法適用於多變的不同零件及/或焊料組合 物。
在特定的較佳具體實施例中，將氧化物能被移除及/或焊接的零件擺在接地或正偏壓基材上並且佈置於非常接近該場發射設備。該零件、該基材及該場發射設備全都在以包含還原性氣體及任意載體氣體的氣體混合物洗淨的相同加熱艙中。儘管不欲受理論束縛，咸相信當能源例如直流電(DC)電壓施於場發射設備內所含的二電極(例如，陰極、陽極或其組合)之至少一者藉以建立一電位時，電子從負偏壓電極產生並且偏向該零件所焊接的接地或正偏壓基材。該等電子主要從該陰極材料的固相產生。然而，在特定具體實施例中，當外加電壓位準較高(例如，高於5 eV)時氣相可能產生另一部分的電子。該場發射設備產生的某些電子可能與還原性氣體分子碰撞，由此使該等氣體分子解離並且藉由電子附著形成該還原性氣體的帶負電的原子離子。該還原性氣體的帶負電的原子離子能沿著該電場移向該零件所焊接的基材，其從而將當下存於該基座金屬及/或焊料上的金屬氧化物還原而不需要傳統助焊劑。
在文中所述的設備之一具體實施例中，該設備包含一今咉一對電極，陰極及陽極，的裝置或結構。此裝置能於周圍壓力下將電子有效發射出該裝置。若該裝置係處於包含H2及N2的還原性氣體環境中，發射的電子會附著於H2氣體分子，藉由電子附著形成帶負電的原子氫離子或氫陰離子(參見方程式1及2)。該等氫陰離子會附著於該焊接面以於較低溫度將表面氧化物還原(參見方程式3)。被射到處 理面上或呈氧化物還原反應的副產物產生的游離電子能依各種不同方式放電。
解離性附著：H2+e- → H2 * → H-+H 方程式1
直接附著：H+e- → H-* → H-+hγ 方程式2
氧化物還原：2H-+MO → M+H2O+2e- 方程式3
能量係應用於該等電極之至少一者，例如，陰極、陽極或其組合，充分造成該陰極產生電子。在特定具體實施例中，該能源可為電能來源，例如直流(DC)電壓源。其他能源，例如，但不限於，熱能、電磁能或光能來源也可單獨或合併應用。該DC電壓源可為恆定式、交錯式或脈波。在本發明的特定具體實施例中，該陰極係連至於第一電壓位準的電壓源而且該陽極係連至於第二位準的電壓源。電壓位準的差異造成電位的偏壓。該第一或第二電壓位準之一可能是0，表示該陰極或該陽極二者當中任一者接地。
不欲受理論束縛，針對電子的場發射所提議的機構可說明如下。當該場發射設備的陰極及陽極係適當連至一或更多電壓源時，圍繞於該陰極至少一部分的介電材料(例如，絕緣材料例如陶瓷管)被偏極化，其將會限制電場分佈及因此強化該至少一凸出部例如尖銳針頭、尖端、指部、脊部、刀刃或類似者的有角度邊緣或高曲率表面頂點附近的電場強度。被介電材料分離的陰極及陽極亦可被視為一電容器。在此方面，與該兩電極接觸的介電材料的厚度在 本發明的一些實施例中較佳的是薄的，於是更多的電子可以累積在陰極上。吾人相信在陰極上累積更多的電子可以增強在一給定電壓供應下的場發射。
因為該偏極化與該介電材料的介電常數成正比，所以特佳為帶有較高介電常數(例如，1000或更高)的介電材料，例如鈦酸鋇及其化壓電性陶瓷物，例如PZT(鋯鈦酸鉛)。施於引發電子發射之二電極上的電壓電位取決於該場發射體結構的幾何形狀、材質及結構設置。文中所述的場發射體可能特別有用於牽涉到活化H2氣體及還原於帶有金屬跡線之未暴露、不平坦或絕緣基材(例如用於覆晶、晶粒附接裝置、3D堆疊晶片、表面構裝零件及貫通孔零件的電子組裝)上的金屬氧化物的具體實施例。在這些具體實施例中，該處理表面不再適合扮作陽極。
當該場發射設備係用於移除電絕緣基材的金屬跡線上的金屬氧化物時，各種不同的放電方法均可應用以移除累積於該基材上的電荷。舉例來說，各種不同的市售可得的電荷中和劑均可聯合文中所述的設備及方法使用。至於至於替代例，藉由高正電壓電位供予電力之含尖端、銳利邊緣、針頭、指部、脊部、鰭部或類似者的電荷接收裝置也可聯合電流設計使用以移除累積的電荷。
在特定具體實施例中，文中所述的設備係用以還原沒暴露於該陰極電子發射體的表面(例如，舉例來說，沒暴露或內部表面，例如用於覆晶、3D堆疊晶片及晶粒附接裝置的迴焊)上的金屬氧化物。在這些具體實施例中，可使用數 種方法將還原性氣體的帶負電的原子離子導引至焊接面。有一具體實施例中，於該場發射設備中的陰極，例如該等尖端、銳利邊緣、針頭、指部、脊部、刀刃、鰭部或類似者，可直接面對介於一零件的二焊接面之間的間隙而且該零件可直接接地或安裝於用於排掉電荷的接地表面。有一替代具體實施例中，電子發射可被應用於待組裝的零件而且該等零件可被安裝於穿孔絕緣板上，該絕緣板接著被置於導電板例如導電金屬板上。該穿孔絕緣板讓該等帶負電的原子離子或陰離子能散佈於該絕緣表面各處，因此讓該等陰離子能達到該等零件的未暴露焊接面以還原該等金屬氧化物。該穿孔絕緣板也讓該等帶負電的原子離子能透過穿過該等開口排放至底下的導電板組。較佳為置於該穿孔絕緣板底下的導電板具有比該場發射設備的陽極稍微更正的電位(例如電壓更高10V至1KV)以助於使該等帶負電的原子離子、陰離子/或電子的至少一部分偏移或吸引至該零件的焊接面。至於在各個不同具體實施例中之一實例中，該穿孔絕緣板可為一厚度0.5至2毫米(mm)之穿孔陶瓷板，其具有多個直徑0.1至0.6 mm及距離1至5 mm(或2至5 mm)的孔。然而，預期其他幾何形狀都可能適合，取決於待焊接的零件的幾何形狀。關於焊接一晶粒附接裝置的替代實施例，其中該晶粒大小顯著小於待焊接的基材，該穿孔絕緣板可為帶有介於10奈米(nm)至100微米(μm)的孔徑之多孔性絕緣板以便在帶負電的還原性氣體散佈於未暴露的焊接面時達成等效的結果。
如上述，較佳為在該穿孔絕緣板底下的導電板具有比該場發射設備的陽極稍微更正的電位。要獲得此的簡單方法是將該導電板電性接地並且使用電阻器或變阻器以連接該接地的板及該場發射設備的陽極。介於該接地的板與該陽極之間的淨電位差能藉由提高施於該二者之間的電阻值來增大。然而，預期除了變阻器以外的其他裝置也可用以使該導電板的電位比該場發射設備的陽極稍微更正以將該還原性氣體內的帶負電的原子離子、陰離子及/或電子流引導至該基材的處理表面。
要藉由電子附著使用場發射設備來製造帶負電的原子離子，必須從該陰極表面產生大量的電子。關此，該等電子可藉由純粹場發射或熱發射來產生。在這些電子產生方法當中，方法的選擇主要取決於產生的電子的效率及能階。關於該還原性氣體包含氫的具體實施例，可能較佳的是具有接近4 eV能階的電子。
在各個不同具體實施例中，該等電子的至少一部分係由以下之一或更多方法產生：場發射、熱場發射或其組合。在各個不同具體實施例中，當介於該陰極與陽極之間的電壓位準較高(例如，歷經兩電極之間的1 cm距離高於5 KV)時一部分的電子可能經由該陰極的至少一凸出部的高曲率表面附近之電暈放電產生。場發射係通過穿隧作用穿過表面電位障壁藉由外加強力電場而從固體擷取電子。典型地，需要高達106至107 V/cm的電場來擷取電子。這樣的高電場正常產生於該陰極尖端的頂點。在特定具體實施例 中，文中所述的場發射體運用該二電極的特有結構設置及使用該介電材料的偏極化性質以增強該陰極凸出部的頂點或邊緣附近的電場(例如，尖端、針頭、指部、刀刃、鰭部、脊部或類者)，在該陰極凸出部累積電子及因而降低電子發射的起始電壓。在文中所述的特定較佳具體實施例中，在帶有高表面曲率的陰極與電壓介於0.5 to 5 KV的陽極之間施加恆定或脈波DC電壓。
就特定具體實施例而言，使用熱能協助場發射，那就是所謂的熱場發射。在熱場發射時，同時施加電場及高溫。因此，熱場發射需要較小電場以供產生與純粹場發射相比的相同量電子。在特定的較佳具體實施例中，該陰極的溫度可介於150℃至1000℃。在這些具體實施例中，該電場可介於0.1至3 KV。該陰極可藉由多變的方法加熱至及/或保持於高溫，例如，但不限於，藉由使能源例如AC或DC電流通過該陰極之直接加熱；間接加熱例如使該陰極與藉由加熱元件加熱的電絕緣熱表面接觸；IR輻射；誘導加熱；熱氣體環境；或其組合。
在特定具體實施例中，文中所述的設備，除了由該場發射體的陰極之場發射所產生的大多數電子以外，通過該陰極的至少一凸出部的高曲率表面附近的電暈放電產生一部分電子。該電暈放電較佳被減至最少以提高藉由電子附著形成帶負電的氫離子的效率及增長該陰極尖端的壽命。更明確地說，當該二電極之間的外加電壓高出形成電暈放電的外加電壓一定位準時，氣體分子會被游離成帶正電的 離子及帶負電的電子，其可相互吸引並且迅速回復成原始原子及分子，尤其是在氣體分子的密度比在真空中高出許多的情況之周圍壓力中。此外，電暈中的帶正電的離子將沿著該電場移至該陰極尖端，其不僅對於該處理表面上的氧化物還原沒有正面衝擊而且還會藉由離子轟擊縮短該陰極尖端的壽命。相反地，在電子附著製程中的氣相單獨帶電而且該等帶負電的離子會相互排斥，因此即使是在周圍壓力中也具有較長的壽命。在電子附著製程中形成的帶負電的離子可被引導離開該陰極並且朝向該處理表面，因此使尖端的損傷最少化並且促進該處理表面處的氧化物還原。在文中所述的陰極發射機構的特定較佳具體實施例中，橫越該二電極施加的電壓可為恆定或脈波。該電壓脈波的頻率介於0至100 kHz而且較佳0至20 KHz。在這些具體實施例中，咸相信脈波電壓可能較佳為恆電壓以降低氣相破壞或發弧的傾向，尤其是在該外加電壓較高時。
於某些實施例中，本發明除了還原氣體亦可以用於活化氣體及其它或除了移除金屬氧化物以外的應用。例如，本發明的設備可以用於表面清潔，表面氧化，蝕刻，沉積，及其它包括氣體與固體界面反應的應用。
圖1中顯示文中所述的場發射設備10的具體實施例。帶有尖端的針頭扮作陰極20，其被插於一電絕緣管30中，例如扮作該介電材料的氧化鋁管。一金屬線40係纏繞於該管周圍，其扮作該陽極。陰極針頭20及陽極線40與電壓源60及接地源50呈電氣通信。當該陰極針頭及陽極金屬 線係適當連至脈波或恆定DC電壓源60及接地源50時，該尖銳針頭端20會發射電子。若經電性接地的金屬件80係設置於該場發射設備10前面並且與串聯的電流計70連接，該電流計將指示該金屬件80接受負電荷。然而，當該陽極線40與相應的電壓源60電性浮動(electrically floated)或斷開時，來自該針頭端20的電子發射將會消失，即使是外加於該陰極的負電壓電位顯著提高亦同。
圖2提供具有陰極針頭陣列120的場發射設備100的另一實例。各陰極針頭120個別被緊緊地插入於氧化鋁管130內圍繞，該等氧化鋁管130再被陽極線140圍繞。陰極針頭120及陽極線140係與電壓源160及接地源150呈電氣通信。圖2中的具體實施例另包含該陰極針頭120、氧化鋁管130及陽極線140組合件被支撐於想要位置的一絕緣板例如陶瓷板170。
圖3提供使用兩個文中所述的場發射設備200之結構設置的實例。各場發射設備200具有一陰極針頭220，有至少一部分針頭220被一介電材料例如氧化鋁管230圍繞。介電材料230再被一陽極例如所述的陽極線240圍繞。陰極針頭220及陽極線240二者均與電壓源260及接地源250呈電氣通信。圖3另包括一晶粒附接試樣280，其含有被塗覆金/鎳的陶瓷281及塗覆金/鎳的銅層282包夾的無助焊劑金/錫焊料預製件(熔點280℃)283。被連接於該晶粒附接試樣280與接地源250之間的電流計270於文中的實施例2及4中被進一步描述。
圖4提供使用兩個文中所述的場發射設備300之結構設置的又另一實例。各場發射設備300具有多數陰極針頭320，該等針頭320的至少一部分被介電材料例如氧化鋁管330圍繞。該等陰極針頭320及氧化鋁管330係裝於陶瓷均熱塊(ceramic block)390中。介電材料330再被所述的陽極例如銀陽極340(其被置於陶瓷均熱塊390上的銀箔表面)圍繞。陰極針頭320及銀陽極340二者係與一電壓源360、變阻器395及接地源350呈電氣通信。圖4另描繪被銅基座383支撐的晶粒附接試樣380，及被連接於該銅基座383與接地源350之間而且用於文中所述的實施例5中的電流計370。
圖5提供使用一文中所述的場發射設備400來處理晶粒附接零件480的未暴露、不平坦或非導電性表面483之結構設置的另一實例。場發射設備400具有多數陰極針頭420，該等針頭420的至少一部分被介電材料例如氧化鋁管430圍繞。該等陰極針頭420及氧化鋁管430係插入穿過圍繞於所述的介電材料430的至少一部分之陽極板例如一不銹鋼板440。陽極440的至少一部分被所示的絕緣屏蔽物例如陶瓷屏蔽物470覆蓋。陰極針頭420及不銹鋼陽極440二者係與一電壓源460、變阻器495及接地源450呈電氣通信。具有內部或未暴露的表面483之晶粒附接試樣被支撐於一具有多數開口的絕緣板例如所示的穿孔陶瓷板490上，該絕緣板再被支撐於一導電性表面例如所示的金屬板485上。
圖6顯示一場發射設備500的一附加的例子。用作為陰極的一銳利邊緣520被夾於兩介電板530之間。兩個陽極表面540被設置成與該介電板530的外表面垂直且鄰近由陶瓷材料製成的絕緣塊570。該銳利邊緣520被連接於一電源560，及該陽極表面540經由與一接地源550連接而被接地。
如上所述，關於陰極發射，該等電子從一電極發射出來，該電極可扮作陰極。該電極可以具有多種幾何形狀且可形成一或更多個凸出部，例如一或更多個尖端、銳利邊緣，鋸齒狀邊緣、銳利脊部、鰭部或類似者。
在特定具體實施例中，扮作陰極的電極材料包含帶有較低電子發射能或功函數的導電性材料。用於文中時該措辭“功函數”係移除從一固體例如該陰極的導電性材料至就在該實心表面外側的點之電子所需的最低能量，其係以電子伏特(eV)為單位測得。在這些具體實施例中，該陰極具有介於2至5 eV的功函數。該材料在處理條件之下較佳也具有高熔點及較高化學安定性。適合材料的實例包括金屬、合金、半導體及塗覆或沉積在導電性基材上的氧化物。其他實例包括，但不限於，鎢、石墨及高溫合金例如鎳鉻合金。於基座金屬上的陰極材料或塗層的其他實例為耐火性陶瓷，例如六硼化鑭(LaB6)及六硼化鈰(CeB6)，及耐火性金屬碳化物及氮化物，例如ZrC、HfC及TaN。
如上所述，該場發射體的陰極的至少一部分被電絕緣材料或介電材料圍繞或直接接觸及其中該絕緣性或介電材 料的至少一部分被導電性陽極圍繞及/或直接接觸。有一具體實施例中，該介電材料包含絕緣性陶瓷材料，其能忍受高溫並且於正常處理條件具有化學安定性。在其他具體實施例中，較佳為該介電材料具有高介電係數(例如1000至10,000)，例如鈦酸鋇。該等高介電材料的其他實例為壓電性陶瓷物，例如多種不同鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷物。於一個或更多個實施例中，該介電材料可以是相對地薄，該材料的撃穿強度應較高以維持該陰極與陽極之間的電壓差。
如前所述，該介電材料的至少一部分被圍繞於及/或直接接觸一導電性陽極。該導電性陽極較佳為金屬或其他任何本質上具有導電性的材料。該陽極可具有取決於用途的多變的不同幾何形狀以增強對於該介電材料的偏極化效應並且將該陰極的高曲率表面附近的電場強度。該陽極可被接地或連至一相對於該陰極帶有正偏壓的電壓位準。有一特定具體實施例，該陽極為一纏繞於包封該陰極的介電材料四周的導電性金屬線。在其他具體實施例中，該陽極為該陰極及介電材料突出穿過的一金屬板。
如前所述，將包含還原性氣體的氣體混合物引進文中所述的場發射設備存在的氣氛中。該氣體混合物內所含的還原性氣體可能落於以下分類中之一或更多者：1)本質上還原劑氣體，2)能在該等活性物種與該金屬氧化物的反應之後產生形成氣態氧化物的活性片斷的氣體，或3)能在該等活性物種與該金屬氧化物的反應之後產生形成液態或含水氧化物的活性片斷的氣體。
第一類氣體，或本質上還原劑氣體，包括任何在熱力學上扮作待移除的氧化物的還原劑。本質上還原劑氣體的實例包括H2、CO、SiH4、Si2H6、甲酸、醇類例如，舉例來說甲醇、乙醇等等及一些具有下式(III)的酸蒸汽：
在式(III)中，取代基R可為烷基、經取代的烷基、芳基或經取代的芳基。用於本文時該措辭“烷基”包括直鏈、支鏈或環狀烷基，其較佳含有1至20個碳原子，或更佳1至10個碳原子。這也適用於其他基團例如鹵烷基、烷芳基或芳烷基所含的烷基部分。該措辭“經取代的烷基”適用於具有取代基的烷基部分，該等取代基包括雜原子例如O、N、S或鹵素原子；OCH3；或(R=烷基C1-10或芳基C6-10)；烷基C1-10或芳基C6-10；NO2；SO3R(R=烷基C1-10或芳基C6-10)；或NR2(R=H、烷基C1-10或芳基C6-10)。用於本文時該措辭“鹵素”包括氟、氯、溴及碘。用於本文時該措辭“芳基”包括6至12個具有芳香族特性的組成碳環。用於本文時該措辭“經取代的芳基”包括具有取代基的芳基環，該等取代基包括雜原子例如O、N、S或鹵素原子；OCH3；或(R=烷基C1-10或芳基C6-10)；或NR2(R=H、烷基C1-10或芳基C6-10)。在特定的較佳具體實施例中，該氣體混合物含有氫。
第二類還原性氣體包括任何非本質上還原性但是能藉由該等氣體分子上的電子的解離性附著產生活性物種，例如，舉例來說，H、C、S、H’、C’及S’，及藉由該等活性物種與該等待移除的金屬氧化物之反應形成氣態氧化物的 氣體。此類型氣體的實例包括：NH3、H2S、C1至C10烴類例如但不限於CH4、C2H4、具有式(III)的酸蒸汽及具有下式(IV)的有機物蒸汽：
在式(III)及(IV)中，取代基R可為烷基、經取代的烷基、芳基或經取代的芳基。
第三類氣體包括任何本質上還原性但是能藉由該等氣體分子上的電子的解離性附著形成活性物種，例如，舉例來說，F、Cl、F’及Cl’，及藉由該等活性物種與該等金屬氧化物之反應形成液態或含水氧化物的氣體。此類型氣體的實例包括含有氟及氯的氣體，例如CF4、SF6、CF2Cl2、HCl、BF3、WF6、UF6、SiF3、NF3、CClF3及HF。
除了包括以上還原性氣體類型中的一或更多者以外，該氣體混合物可另含有一或更多載體氣體。該載體氣體可用以，舉例來說，稀釋該還原性氣體或稀釋該反應性氣體或提供碰撞安定化。該氣體混合物中使用的載體氣體可為任何帶有比該氣體混合物內的還原性氣體小的電子親和力的氣體。在特定的較佳具體實施例中，該載體氣體為一惰性氣體。適合惰性氣體的實例包括、但不限於、N2、Ar、He、Ne、Kr、Xe及Rn。
在特定的較佳具體實施例中，該氣體混合物包含氫作為該還原性氣體及由於相對較低成本和廢氣釋出的環境親和性而以氮作為該載體氣體。在這些具體實施例中，該氣體混合物包含0.1至100體積%，較佳1至50體積%，或 更佳0.1至4體積%的氫。較佳為低於4%的氫量，其使該氣體混合物無可燃性。
如前所述，有氧化物待移除及/或焊接的零件或工件較佳被配置得非常接近該場發射體。介於該陰極發射體尖端與該零件頂表面之間的距離可介於0.1至5 cm或0.5至1 cm。在特定具體實施例中，該場發射體及/或該零件(或靶組合件)可以移動。關此，該場發射體可以在固定位置及該零件可以，該場發射體可以移動及該零件可以在固定位置，或該場發射體及該零件二者均可移動。移動可以是垂直、水平、旋轉或沿著一弧。
文中揭示的方法可用在電子組合件中焊接以外的幾個領域例如，舉例來說，表面清潔、金屬鍍敷、鍍銅、熔接及有焊料凸塊的晶圓。有一特定具體實施例中，該方法可用以還原矽晶圓處理期間形成的金屬表面氧化物，例如氧化銅。這樣的氧化物可能由於用以於晶圓上形成微電子裝置的多個不同濕式處理步驟，例如化學機械平坦化，的結果形成。這些表面氧化物將降低裝置生產量及裝置可靠度。此方法讓表面氧化物能以不需要使用水性還原劑之完全乾燥、對環境友善的方式移除。再者，因為此可方法可於相對低溫下進行，所以不會顯著影響該裝置於處理期間的熱平衡(thermal budget)。相反地，較高溫度傾向於造成摻雜劑及氧化物的擴散而降低裝置生產量及可靠度，從而降低裝置效能。因為此方法也可於晶圓上進行，所以此方法可與其他單晶圓製程整合在一起，從而提供與其他裝配 步驟較好的相容性。
文中揭示的場發射設備也可用於周圍或非真空條件中產生供電子附著用的游離電子以供氣體純化及靜電噴塗。關於氣體純化，由陰極產生的電子會附著於待純化的氣體中的至少一部分粒子，因為大部分粒子具有正電子親和力。由於電子附著而產生的帶負電粒子會沿著電場移至該陽極，藉此使氣相被純化。關於牽涉到靜電噴塗的具體實施例，從陰極發射出來的游離電子會附著於至少一部分噴塗材料而且該帶負電的噴塗材料會被引導致待噴塗的表面，該表面直接接地或接附於接地金屬表面。本發明除了還原氣體外也可以用於活化氣體及其它或除了移除金屬氧化物以外的應用。例如，本發明的設備可以用於表面清潔，表面氧化，蝕刻，沉積，及其它包括氣體與固體界面反應的應用。
本發明將引用以下實施例做更詳細的舉例說明，但是理應明白本發明的確不限於此。
實施例1
本實施例中使用一場發射設備，例如圖2所示者並且含有5個不銹鋼陰極針頭，其各自緊緊插入包含氧化鋁陶瓷管(0.46 mm內徑(I.D.)及1.2 mm外徑(O.D.))的介電材料中，該介電材料接著裝在陶瓷板上。該等陰極針頭之間的距離為5 mm。各陰極針頭尖端突出相應的氧化鋁陶瓷管約1.0 mm。將陽極金屬線纏繞在5個管各者上並且電性接 地。纏好的陽極線離面向該陰極針頭尖端側的管末端10 mm。將依此備妥的結構設置於於室溫以含4體積% H2的N2洗淨的石英管爐中。當施於該5個針頭的脈波(10 KV)負電壓電位被提高至-3.7 KV時，該5個針頭尖端均開發射電子。當針上開始進行電子發射時，相應的針頭端由於電子附著過程中該尖端四周發生氣體激發而在H2及N2氣體混合物中發出藍色亮光。當該陽極線脫離地面時，該等陰極針頭的5個尖端不會點亮，即使該陰極電壓電位被提高至-4.3 KV亦同。該負電壓電位再提高將會造成發弧或氣相放電。當該陰極與該陽極之間的電壓電位交換時，例如使該針頭連至地面及纏繞於各陶瓷管的線連至一負電壓電位，不會有點亮的尖端，即使是該負電壓電位到-4.8 KV那麼高亦同。此結果證明了文中所述的場發射設備的基本構想。更明確地說，電子會從文中所述的場發射設備發射出來。
實施例2
一場發射設備結構被拿來測試，其含有2個不銹鋼陰極針頭，該等陰極針頭各自插入陶瓷(氧化鋁)管或介電材料中並且裝於放在一銅板上的晶粒附接試樣兩側上，例如圖3所示的結構。該晶粒附接試樣具有導電性並且接地。各針頭端與該試樣邊緣之間的距離為5.5 mm。各陰極針頭尖端伸出相應的介電管1.0 mm。將陽極金屬線纏繞在該二介電材料或管各者上並且電性接地。纏好的陽極線離面向 該尖端側的管末端10 mm。將依此備妥的結構設置於於室溫以含4體積% H2的N2洗淨的石英管爐中。當施於該二針頭的脈波(10 KV)負電壓電位被提高至-1.9 KV時，該二針頭尖端均亮起藍色的光，指示有電子發射。當該試樣接受並且連至串聯的電流計時，發現該試樣接收到的電流為-0.24 mA。當該二針頭上的負電壓電位提高至-2.2 KV時，該試樣接收到的電流為0.4 mA。此結果證明了該處理表面會收到該等陰極尖端發射出來的電子。
實施例3
再次以實施例2及圖3所述的相同場發射設備及試樣佈置於以含15體積% H2的N2洗淨的石英管爐進行測試。該晶粒附接試樣含有被塗覆金/鎳的陶瓷及塗覆金/鎳的銅包夾的無助焊劑金/錫焊料預製件(熔點280℃)283，其係用以模擬晶粒附接裝置。這三件晶粒附接試樣各自具有相同尺寸：3 mm X 6 mm。為了證明電子附著(EA)活化含H2的N2以供無助焊劑晶粒附接的可能性，於室溫下將脈波(10 KV)負電壓電位施於該二針頭。當外加電壓被提高至-1.8 KV時，該二針頭尖端均亮起藍色的光，指示有電子發射。該試樣接收到的電流為-0.45 mA。該試樣接著於2分鐘的升溫時間被加熱至290℃及在冷卻下來之前於290℃保溫1分鐘。在溫度上升及保持的期間持續進行電子附著(EA)。據發現當該試樣溫度被提高至290℃時，對於該等陰極針頭的相同外加電壓(-1.8 KV)接收到-1.8 mA電流。經過此加 熱循環之後，將處理過的試樣取出該爐並且在光學顯微鏡及掃描式電子顯微鏡(SEM)之下分析。分析結果的結論是焊料潤濕是好的。此結果證明了提高溫度及氫濃度能同時輔助電子發射，例如其於指定外加電壓或降低用於起動發射的起始電壓下與先前實施例相比具有更高的發射電流。其也證明了無助焊劑焊接能藉由於H2及N2的氣體混合物中於僅稍高於該焊料熔點的溫度下使用文中所述的場發射設備達成。
實施例4：比較例
除了沒有施加EA以外以實施例3所述的相同溫度加熱循環及氣體環境處理另一帶有相同材料輪廓及大小的晶粒附接試樣。據發現經過該加熱循環之後的焊料潤濕性不良。更明確地說，在該晶粒附接試樣邊緣四周有許多焊料潤濕下降的點。此結果顯示沒有應用EA，該氣態H2無法於相同焊料迴流溫度下有效減少焊料氧化物。
實施例5
圖4顯示該場發射設備的另一實施例，其含有兩組裝在一排晶粒附接試樣兩側上的不銹鋼陰極針頭。各組含有5個陰極針頭而且各針頭被插入該介電材料例如該陶瓷(氧化鋁)管。各陰極針頭尖端伸出相應的陶瓷管1.0 mm。二相鄰針頭各自間的距離為1.2 cm。各組中的5個陰極針頭及相應的陶瓷管突出穿過扮作陽極的銀箔表面。換句話說， 該陽極表面被垂直置於該陰極針頭長度方向。各陶瓷管或介電管從該陽極表面突出的長度為2 mm。該銀陽極被連至一變阻器及接著接到地面。變化該變阻器的電阻以調整該銀陽極的電位。當一負DC電壓被施於該二組針頭時，所有針頭在H2及N2的氣體混合物中亮起藍色的光，即使是該等晶粒附接試樣沒有電性接地(電性浮動)亦同。為了吸引更多氫離子至該處理表面，設於該二組針頭中央的5個晶粒附接試樣利用串聯連接的電流計電性接地以監視收到的電流。介於各組針頭尖端與晶粒附接試樣邊緣之間的距離為1.6 cm。從該DC電源監視供應給該二組針頭的總電流量。表1及2提供從此測試佈置獲得的詳細數據。藉由提高該銀陽極下游的電阻，更可將更多電流引導至該等晶粒附接試樣(表1)。再者，提高溫度及氫濃度均能輔助電子發射，例如例如其於指定外加電壓或降低用於起動發射的起始電壓下具有更高的發射電流(表2)。本實施例證明了藉由一改良型場發射設備結構，例如使用一陽極表面代替使用纏繞於該介電管四周的陽極線，能大幅降低場發射所需的電壓而且與先前實施例相比甚至能省去用以將發弧現象減至最低的電壓脈動。
實施例6
圖5提供用於處理晶粒附接零件的未暴露焊接面的場發射設備之一具體實施例。該場發射設備含有一由不銹鋼 製的穿孔陽極板(440)、一在該陽極板下方作為發射電子的屏蔽物之穿孔的1.5 mm厚陶瓷板(470)及由不銹鋼製的陰極針頭陣列(430)，各自陰極針頭緊緊地插在一氧化鋁管430中及各管插在該二層穿孔板(例如，440及470)的孔中。具有一尖銳針頭端之各自氧化鋁管端從該陽極表面突出4 mm及各自針頭端從該氧化鋁管突出1 mm。此外，該穿孔陽極板上的各孔的直徑與各自氧化鋁管的外徑(O.D.)相同，其係1.2 mm；而且在該穿孔陶瓷板上的各孔的直徑為1.6 mm。該陰極陣列的二針頭各自之間的距離為9 mm。於該穿孔陽極與地面之間應用一變阻器。這樣有顯明結構的場發射體設備係設立於待組裝的零件上方1 cm。該等待組裝的零件係安裝在厚度1 mm的穿孔陶瓷板上，該穿孔陶瓷板係安裝在一接地的金屬板上。該穿孔陶瓷板的孔直徑為0.4 mm及該穿孔陶瓷板上之二孔各自之間的距離為2 mm。當含有未暴露的焊接面(483)上有共熔錫-鉛焊料的晶粒附接零件於含有15體積% H2的N2中在電子附著環境之下藉由施加-2.4 KV(從0 KV脈動至-2.4 KV)的10 KHz脈波DC電壓於該等陰極針頭加熱至225℃時，能達成良好的焊料迴流。
實施例7：比較例
除了將該等待組裝的零件直接安裝在一接地板上(例如，移除穿孔陶瓷板490)以外重複進行實施例6。據發現當含有未暴露的焊接面(483)上有共熔錫-鉛焊料的晶粒附 接零件於含有15體積% H2的N2中在電子附著之下藉由施加-2.4 KV的10 KHz脈波DC電壓於該等陰極針頭加熱至225℃時，無法達成良好的焊料迴流。此實施例確認該穿孔陶瓷板必須安裝在該接地板上(例如實施例6所證明的)以供將帶負電的原子性氫離子流引導至該未暴露的焊接面。
實施例8：比較例
除了將該等待組裝的零件安裝在一相同厚度(1mm)的實心(例如，沒穿孔)陶瓷板上，該陶瓷板係安裝在一接地金屬板上，以外重複進行實施例6的結構設置。再者，將含有未暴露的焊接面上有共熔錫-鉛焊料的晶粒附接零件於含有15體積% H2的N2中加熱至225℃。當脈波DC按照實施例6的方式施加於該陰極時，並無法獲得電子發射，預期這是因為沒有排掉電荷的途徑。至於替代方案，施加於該陰極針頭的電壓係於10 KHz的頻率下於-2.5 KV至+2.5 KV之間脈動，並且形成各自針頭端與該實心陶瓷板之間的流注型(streamer-type)電暈放電。然而，在該電暈放電之下卻無法達成良好的焊料迴流。此結果證明了電暈放電並不足以活化用於無助焊劑焊接的氫。
實施例9：
一種具有如圖6所示的架構的場發射設備被測試。一不銹鋼剃刀刃被夾於兩PZT(鋯鈦酸鉛)板之間。該PZT板 作用為介電材料，而該剃刀刃的長度及寬度小於該PZT板。每一個PZT板的厚度為2.5 mm。該PZT材料的介電常數及Curie溫度分別為1700及350℃。該剃刀的銳利邊緣從該兩PZT板的表面伸出1.0 mm，於是形成一銳利邊緣。兩個陶瓷塊各具有5 mm的厚度被包於一銀箔內，且被置放於該兩PZT板的外側。每一個暴露銀表面與相對應PZT板的邊緣(靠近銳利邊緣的那側)的距離為2 mm。包覆於該陶瓷塊上的銀箔被電氣地接地且用作為陽極。該不銹鋼剃刀被接於一固定DC電源並用作為陰極。如以上所描述而形成的場發射器被置放於一石英管爐內，以於N2中4體積% H2沖掃。當施用於該剃刀的電壓於室溫下被增加到-3 KV時，電流由該剃刀邊緣發射出。該電流發射的本質不穩定，且類似於一閃電。
實施例10：比較例(溫度的影響)
與實施例9所描述之相同的場發射器設備及相同的電氣連接方式被置放於一石英管爐中，以於N2中4體積% H2沖掃。該爐被加熱至250℃。當施用於該剃刀的固定DC電壓被增加到-2.45 KV時，有一電流發射由該剃刀邊緣發出。雖然該發射如實施例9一般並不穩定。相較於實施例9，該邊緣發射的閥值電壓的降低是導因於該昇高的溫度。
實施例11：比較例(脈波電壓的影響)
除了該不銹鋼剃刀被接於一脈波而非固定DC電源及 脈波頻率為10KH2外，重覆實施例10的場發射設備及測試條件。當被施用於該剃刀陰極的電壓水平被增加到-1.0 KV時，一穩定的邊緣發射被觀察到。該剃刀邊緣被照亮，為一藍光，且發射的電流到達65 mA，其係因電流供應的限制而被設定於該電源。相較於實施例10，一脈波電壓有助於達成一穩定的邊緣發射。此外，當10 KHz的脈波電流被施用於該剃刀陰極時，該PZT的溫度昇高，於是進一步提昇熱場發射。
實施例12：比較例(介電材料厚度的影響)
除了每一個該PZT板的厚度由2.5 mm改成1.0 mm外，實施例9的場發射器設置及測試條件被重覆。當該剃刀的電壓於室溫下被昇高至-2.3 KV時，在該剃刀邊緣有電流發射，雖然該發射如同實施例9一般並不穩定。相較於實施例9，該介電材料(PZT)的厚度的降低可以降低邊緣發射的閥值電壓。此結果的產生是因為當一介電介材料被置於該陰極及陽極之間時，在該剃刀處有電子累積。此電子累積在陰極場發射上扮演一重要角色，越薄的介電材料可以在陰極上產生更多的電子累積，於是導致邊緣發射具有一降低的閥值。
實施例13：比較例(介電常數的影響)
除了該PZT板以兩氧化鋁板取代作為介電材料外，重覆實施例9的場發射器設置及測試條件。吾人發現當施用 至該剃刀的負電壓持續增加至-3.5 KV時，還是沒有電子發射發生。此結果證實了介於該陰極與陽極之間的PZT的偏極化在強化電場及陰極電子累積上扮演重要角色，因此也對電子的場發射的促進產生影響。
儘管本發明已經詳細並引用其具體實施例描述過，但是熟悉此技藝者將顯而易見其可完成多種不同變更及修飾而不會悖離其精神及範圍。
10‧‧‧場發射設備
20‧‧‧陰極
30‧‧‧電絕緣管
40‧‧‧金屬線
50‧‧‧接地源
60‧‧‧電壓源
70‧‧‧電流計
80‧‧‧經電性接地的金屬件
100‧‧‧場發射設備
120‧‧‧陰極針頭陣列
130‧‧‧氧化鋁管
140‧‧‧陽極線
160‧‧‧電壓源
150‧‧‧接地源
170‧‧‧陶瓷板
200‧‧‧場發射設備
220‧‧‧陰極針頭
230‧‧‧氧化鋁管
240‧‧‧陽極線
250‧‧‧接地源
260‧‧‧電壓源
270‧‧‧電流計
280‧‧‧晶粒附接試樣
281‧‧‧被塗覆金/鎳的陶瓷
282‧‧‧塗覆金/鎳的銅層
283‧‧‧無助焊劑金/錫焊料預製件
300‧‧‧場發射設備
320‧‧‧陰極針頭
330‧‧‧氧化鋁管
340‧‧‧銀陽極
350‧‧‧接地源
360‧‧‧電壓源
370‧‧‧電流計
380‧‧‧晶粒附接試樣
383‧‧‧銅基座
390‧‧‧陶瓷均熱塊
395‧‧‧變阻器
400‧‧‧場發射設備
420‧‧‧陰極針頭
430‧‧‧氧化鋁管
440‧‧‧銀陽極
450,550‧‧‧接地源
460‧‧‧電壓源
470‧‧‧陶瓷屏蔽物
480‧‧‧晶粒附接零件
483‧‧‧非導電性表面
485‧‧‧金屬板
490‧‧‧穿孔陶瓷板
495‧‧‧變阻器
500‧‧‧場發射設備
520‧‧‧銳利邊緣
530‧‧‧介電板
540‧‧‧陽極表面
560‧‧‧電源
570‧‧‧絕緣塊
圖1提供文中所述的場發射設備及試驗裝置的具體實施例之一實例。
圖2提供文中所述的場發射設備的具體實施例之一實例，其中該場發射體包含含多數針頭的陰極。
圖3提供所述的場發射設備及試驗裝置的具體實施例之另一實例以觀察於一試樣上的金屬氧化物的還原。
圖4提供文中所述的場發射設備及試驗裝置的具體實施例之另一實例。
圖5提供文中所述的場發射設備用於處理未暴露且沒接地的焊接面的具體實施例之一實例。
圖6提供文中所述的場發射設備的具體實施例之一實例，其中該場發射設備具有一具有銳利邊緣的陰極。
500‧‧‧場發射設備
520‧‧‧銳利邊緣
530‧‧‧介電板
540‧‧‧陽極表面
550‧‧‧接地源
560‧‧‧電源
570‧‧‧絕緣塊

Claims (25)

  1. 一種於周圍壓力條件發射電子之設備，該設備包含：一陰極，其具有一銳利邊緣並且包含導電性材料，其中該材料具有介於2至5 eV的功函數；一介電材料，其圍繞於該陰極的至少一部分；及一陽極，其包含圍繞於該介電材料至少一部分的導電性材料，其中該陰極及陽極係各自連至一電壓源，及其中介於該陰極與陽極之間的介電材料被偏極化以提供於該陰極的該邊緣的強化電場及電子累積從而從該陰極產生電子。
  2. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該陰極及陽極作用為一電容器，及該介電材料足夠的薄以允許電子在該陰極累積。
  3. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該還原性氣體係選自由下列氣體所組成的群組的氣體：H2、CO、SiH4、Si2H6、CF4、SF6、CF2Cl2、HCl、BF3、WF6、UF6、SiF3、NF3、CClF3、HF、NH3、H2S、直鏈、支鏈或環狀C1至C10烴類、甲酸、醇類、具有下式(III)的酸蒸汽： 具有下式(IV)的有機物蒸汽： 及其混合物，其中式(III)及式(IV)中的取代基R為烷基、經取代的烷基、芳基或經取代的芳基。
  4. 如申請專利範圍第3項之設備，其中該還原性氣體包含H2。
  5. 如申請專利範圍第4項之設備，其中該還原性氣體中的H2濃度為0.1至100體積%。
  6. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該氣體混合物另包含選自由下列氣體所組成的群組的載體氣體：氮、氦、氖、氬、氪、氙、氡及其混合物。
  7. 如申請專利範圍第1項之設備，其中藉由以該介電材料接觸該陽極及陰極使在該陰極的邊緣的電場分佈被限制及該電場強度被強化。
  8. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該邊緣包含一刀刃、脊部或鰭部。
  9. 如申請專利範圍第8項之設備，其中該邊緣包含一導電性材料。
  10. 如申請專利範圍第9項之設備，其中該邊緣包含金屬。
  11. 一種用於移除其上包含焊料及金屬表面的零件之至少一表面上的金屬氧化物之設備，該設備包含：一電子發射設備，其包含：一陰極，其具有一或更多個具有一有角度的邊緣的凸出部並且包含導電性材料，其中該材料具有介於2至5 eV的功函數；一介電材料，其圍繞於該陰極的至少一部分；及一陽極，其包含圍繞於該介電材料至少一部分的導電性材料，其中該陰極及陽極係各自連至一電壓源，及其中介於該陰極與陽極之間的介電材料被偏極化以提供於該陰極的一或更多個凸出部的強化電場及電子累積從而從該陰極產生電子；一還原性氣體，其中該等電子附著於該等還原性氣體分子的至少一部分以形成該還原性氣體的帶負電的原子離子；及一導電性表面，其具有比該陽極更正的電位，其中該絕緣板係被設置於該導電性表面上及其中該原子離子接觸該零件的至少一表面及移除至少一部份的該金屬氧化物。
  12. 如申請專利範圍第11項之設備，其中該陰極及陽極作用為一電容器，及該介電材料足夠的薄以允許電子在該陰極累積。
  13. 如申請專利範圍第11項之設備，其中該還原性氣體係選自由下列氣體所組成的群組的氣體：H2、CO、SiH4、Si2H6、CF4、SF6、CF2Cl2、HCl、BF3、WF6、UF6、SiF3、NF3、CClF3、HF、NH3、H2S、直鏈、支鏈或環狀C1至C10烴類、甲酸、醇類、具有下式(III)的酸蒸汽： 具有下式(IV)的有機物蒸汽： 及其混合物，其中式(III)及式(IV)中的取代基R為烷基、經取代的烷基、芳基或經取代的芳基。
  14. 如申請專利範圍第13項之設備，其中該還原性氣體包含H2。
  15. 如申請專利範圍第14項之設備，其中該還原性氣體中的H2濃度為0.1至100體積%。
  16. 如申請專利範圍第11項之設備，其中藉由以該介電材料接觸該陽極及陰極使圍在該陰極的一或更多個凸出部的電場分佈被限制及該電場強度被強化。
  17. 如申請專利範圍第11項之設備，其中該陰極包含一導電性材料。
  18. 如申請專利範圍第17項之設備，其中該陰極包含金屬、石墨、或一半導體。
  19. 如申請專利範圍第11項之設備，其中該邊緣包含一尖端、針頭、指部、刀刃、脊部或鰭部。
  20. 如申請專利範圍第17項之設備，其中該邊緣包含一金屬刀刃。
  21. 如申請專利範圍第11項之設備，其中該介電材料包含陶瓷材料、聚合物，或其組合。
  22. 如申請專利範圍第11項之設備，其中該陽極包含一導電材料。
  23. 如申請專利範圍第11項之設備，其中該導電板電位的電壓比該陽極的電壓高10V至1KV。
  24. 一種如申請專利範圍第1項之設備的用途，其係用於移除金屬氧化物、靜電繪圖、塗裝、表面清潔、表面氧化、蝕刻、沉積，或它們的組合。
  25. 一種如申請專利範圍第11項之設備的用途，其係用於移除金屬氧化物、靜電繪圖、塗裝、表面清潔、表面氧 化、蝕刻、沉積，或它們的組合。
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