用于块状金属玻璃的接合方法
【专利说明】用于块状金属玻璃的接合方法
[0001]相关申请交叉参考
[0002]本申请根据35U.S.C.§ 119，要求2012年11月29日提交的美国临时申请系列第61/731，146号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术领域
[0003]本发明涉及块状金属玻璃，更具体地，涉及用于例如电子封装的接合块状金属玻璃的方法。
【背景技术】
[0004]金属玻璃是具有非晶体微结构的金属合金。它们通常由熔融状态的快速猝冷获得，这阻碍了结晶。Au-Si合金的金属玻璃箔的制备首次记录于1960年。直径约为1_的贵金属合金金属玻璃棒记录于70年代中期至80年代。在80年代后期和90年代，对于金属玻璃的兴趣快速增长，但是，当对于块状金属玻璃(BMG)，直径大于数mm，成功地由普通金属的合金制备。
[0005]金属玻璃的无序的原子结构、缺乏晶粒边界以及亚稳定状态导致独特的性质。金属玻璃如同常规金属那样导电，但是类似于常规玻璃那样变形和张力失效脆性(failbrittly in tens1n)。不存在塑料流的典型载体和断层，导致高拉伸强度和弹性极性，但是不同于常规金属的失效模式类型。记录了通过在玻璃状基质中混合或沉淀第二相，作为调节这些材料的机械性质、热性质和电性质的方法，以形成金属玻璃复合物。
[0006]如同常规玻璃，金属玻璃展现出玻璃转变温度(Tg)和高于Tg的结晶温度(Tx)。在该超冷却液态区域(SCLR，Tx-Tg)中，采用类似于用于常规玻璃的那些方法(例如，压塑、吹制、压纹)，金属玻璃可以被热塑性成形为精确和复杂的形状。还可以将它们直接浇铸到模具中，以非常低的收缩猝冷成玻璃质状态。
[0007]BMG的这些性质使得它们对于用于航空、海军、运动装备、电子封装、MEMS和生物医疗装置是令人感兴趣的。为了能够用于大多数的这些领域，有利的是具有能够实现两个BMG或者BMG与其他类别的材料的接合的接合技术。
【发明内容】
[0008]—个实施方式涉及一种方法，所述方法包括:
[0009]提供具有至少一个表面的块状金属玻璃；
[0010]向所述块状金属玻璃的至少一个表面的至少一部分施加接触层；
[0011]向接触层施加扩散阻隔层；
[0012]向扩散阻隔层施加包覆层，以形成层状块状金属玻璃；以及
[0013]向层状块状金属玻璃接合材料。
[0014]另一个实施方式是块状金属玻璃子装配件(submount)，其包括:
[0015]具有至少一个表面的块状金属玻璃；
[0016]所述块状金属玻璃的至少一个表面的至少一部分上的接触层；
[0017]接触层上的扩散阻隔层；以及
[0018]扩散阻隔层上的包覆层。
[0019]本文揭示了可用于电子封装的一种此类接合方法。还揭示了将BMG用于微电子封装和光电子封装领域的应用。一些实施方式可以为基材提供与GaN的良好CTE匹配，同时还具有良好的热稳定性、化学耐久性和表面抛光特性。其他优势可以是容易的封装可成形性或者显著的成本节约，由于材料开销的减少和较少的加工步骤。由于在一些产品中，70%-80%的成本是材料开销，所以这是有利的。如果产品的应用成本是一项考量的消费品电子件，BMG封装可提供明显的优势。此外，本文所揭示的BMG接合方法与标准焊接材料和加工设备是相容的。
[0020]揭示了一种新的接合方法和块状金属玻璃(BMG)的应用。还揭示了通过焊接，使得半导体材料或者任意其他类别的材料与块状金属玻璃接合的方法。BMG可涂覆Cr-NI，然后是钝氨基磺酸镍(dull-sulfamate nickel)，然后是Au。推荐其他材料，以使得在待与BMG接合的面上具有金涂层。在一些实施方式中，其他面具有上文所述的三层。在如GaAs的半导体中，金属化是Ti/Pt/Au，在InP中，金属化后通常跟着Ti/W/W等。还有数种其他组合，这些仅是举例。可以在包覆层之后在基材上预沉积焊料，例如，Au或者焊料可以是预形成层的形式。
[0021 ] 可以采用焊接来接合两种材料。可以使用的焊料包括常用于微电子封装和光电子封装中的任意常规焊料，例如共晶Au-Sn、SAC305、SAC405等。所揭示的应用在于，利用BMG的容易的可成形性的优势，可以从BMG形成整个光电子封装。这可以消除对于基材的需求、对于使得基材与子装配件、封装底座附连的工艺的需求等。整个封装会是由BMG构成的仅为一片的单片。
[0022]在以下的详细描述中提出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。
[0023]应理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。所附附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。【附图说明】了本发明的一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各种实施方式的原理和操作。
【附图说明】
[0024]图1是现有技术光电子封装的不意图。
[0025]图2是根据示例性方法，采用BMG制造的光电子封装的示意图。
[0026]图3是示例性接合方法的示意图。
[0027]图4是根据示例性方法制造的BMG的抛光表面的X射线衍射分析图。
[0028]图5是与金属化或涂覆的BMG基材焊接的GaAs芯片的光学照片。
[0029]图6是显示金属化层的粘合并与BMG基材焊接的焊接界面的背散射电子图象。
【具体实施方式】
[0030]下面详细参考玻璃陶瓷及其在LED制品中的使用的各种实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。
[0031]图1显示现有技术的光电子封装100，例如常规合成绿光激光器。在该封装中，首先采用焊料使得激光器与混合电路(hybrid) 10附连。所述混合电路是氮化铝(AlN)，其CTE (约4.4ppm/C)与GaAs芯片(约6.2ppm/C)匹配，并且还具有高的导热性(150W/m_K)以促进良好的热管理。芯片14与AlN混合电路上的金垫进行引线结合(wire-bond)。之后，采用焊接将芯片和混合电路与钼块16附连。然后将整个堆叠与封装底座18附连。
[0032]除了芯片，还有三个额外的组件:混合电路、钼块和封装底座。在典型封装中，主要有4个加工步骤:芯片与混合电路之间的焊接附连，混合电路与钼块之间的焊接附连，钼块与封装底座之间的焊接附连，以及最终的引线结合。需要分别对组件进行涂覆以促进焊接过程。
[0033]本文所揭示的示例性接合方法使用块状金属玻璃来形成整个基底结构200，如图2所示。图2是根据示例性方法，采用BMG制造的光电子封装的示意图。“L、W、t”是具体应用的代表值。但是，这些值取决于应用发生变化。
[0034]出于方便的目的，本文中将该结构称作“BMG封装结构”。块状金属玻璃20的组成可选自展现出良好玻璃可成形性(大的临界厚度)的任意体系。临界厚度(tmax，单位mm)是可以对合金进行浇铸并仍然保持无定形的最大厚度。该厚度与合金的临界冷却速率(Re，单位为度K/s) ( S卩，它猝冷成无定形所必须的速度)相关，关系式是Re约为1000/tmax2。因此，如果要求厚2mm的部件，合金需要具有约为250K/秒的Re，或者对于厚3mm的部件，Re约为 100K/秒，包括例如 Zr 基合金(例如，Zr55A110Ni5Cu30、Zr52.5Cul7.9Ν?14.6Α110Τ?5)、贵金属基合金(例如，Pd40Cu30Nil0P20)、Cu基合金(例如，Cu49Zr45A16)、稀土基合金以及Ti基合金。
[0035]图2还显示了 BMG上的半导体芯片22和Au垫24。有利地，BMG材料的成本