專利名稱：用于微/納米尺度焊接的一維納米焊料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊料材料領(lǐng)域，尤其是涉及用于微/納米尺度焊接的一維納米焊料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著目前納米材料研究的深入發(fā)展，人們 已經(jīng)能夠輕易通過各種物理、化學(xué)或生物等辦法制備出千千萬萬種納米材料，然而利用現(xiàn)代焊接技術(shù)卻無法直接在納米尺度上將這些制備的單個(gè)納米材料或納米器件單元焊接到一起，連接成各種具有特種功能及作用的納米電子器件、傳感器、裝置、設(shè)備和工具等。原因是現(xiàn)代焊接技術(shù)中焊接工藝所用焊接工具和焊料遠(yuǎn)大于納米材料尺寸，無法徹底覆蓋納米焊接母體，尺寸上完全也無法匹配。目前，現(xiàn)代焊接技術(shù)，能在納米空間將納米尺度的單體材料或器件單元等焊接到一起的各種納米焊接技術(shù)還嚴(yán)重缺乏。這也是為什么到今天納米科技并沒有如人們?cè)谑昵八A(yù)期的大規(guī)模地投入實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)根本原因?，F(xiàn)階段許多納米科技研究只是簡(jiǎn)單地使用如掃描探針顯微鏡技術(shù)、由底到上的生長(zhǎng)技術(shù)將單個(gè)或陣列納米材料放到一起，這與焊接而成牢靠結(jié)實(shí)能長(zhǎng)期有效的聯(lián)結(jié)點(diǎn)是有本質(zhì)區(qū)別的。簡(jiǎn)單地將納米材料放到一起并不能形成可靠、穩(wěn)定和長(zhǎng)壽命真正有實(shí)際用處的納米器件。因此，最近幾年，納米焊接相關(guān)的研究工作開始受到了研究人員的重視，成為納米研究中一個(gè)新興的研究分支。主要的研究工作包括納米焊料的制備，納米焊接技術(shù)的開發(fā)，納米焊接機(jī)理(如同質(zhì)、異質(zhì)材料間浸潤(rùn)及擴(kuò)散機(jī)制)等。它是人們研發(fā)和制造許多紛繁復(fù)雜的多功能納米電子傳感器和器件的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)保障。從某種意義上說，它的研究和進(jìn)一步發(fā)展，能真正推動(dòng)納米研究全面地從納米材料的研究提升到納米科技的層次。目前，已有幾種納米焊接技術(shù)，如聚焦離子束焊接、高能電子束輻照、超聲波輻射、激光焊接以及納米電學(xué)焊接技術(shù)，被研究出來焊接單個(gè)微/納米單體。其中，前三種焊接技術(shù)由其技術(shù)本身決定了其局限性。聚焦離子束焊接中離子束注入要焊接的納米母體或納米圖案中時(shí)會(huì)引起材料改性，如物相、成分結(jié)構(gòu)等性質(zhì)改變；高能電子束輻照焊接技術(shù)目前只能是在透射電子顯微鏡下進(jìn)行且焊接速度慢、存在大量的無定形碳污染，暫時(shí)只能用于科學(xué)研究；超聲波輻射焊接技術(shù)無法做到微/納區(qū)域定位。因此，在可見的將來，這三種焊接技術(shù)很難能真正用于納米科技工業(yè)生產(chǎn)。激光焊接技術(shù)焊接速度快，很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，生產(chǎn)效率極高。但是，就目前的技術(shù)水平，激光光斑目前通常至少是微米尺度，激光能量會(huì)影響納米焊接點(diǎn)以外的輻照區(qū)域，引起納米器件發(fā)生變形或功能失效，嚴(yán)重影響它的實(shí)用化。納米電學(xué)焊接技術(shù)是將電流引入造成焊接部位納米區(qū)域熔化而將納米母體或納米圖案等焊接到一起。目前主要有兩種工藝。一種是將電流通過納米焊接母體或納米結(jié)構(gòu)等，但這種方法在用于小于100納米的金屬線時(shí)有很大的問題，由于這些小納米尺度材料活性高、表面張力大等原因，在納米焊點(diǎn)熔化的同時(shí)納米結(jié)構(gòu)也被熔斷，無法焊接到一起。同時(shí)只能焊接能導(dǎo)電的納米焊接母體或納米結(jié)構(gòu)。另一種是，將納米焊料輸送至納米焊接部位，然后將電流通過并只熔化納米焊料。由于電流只通過納米焊料，不通過納米焊接母體或納米結(jié)構(gòu)，因此不會(huì)損傷或污染納米焊接母體或納米結(jié)構(gòu)，能即時(shí)進(jìn)行焊接質(zhì)量檢查和焊料殘?jiān)謇?，整個(gè)過程非?？焖佟⒑?jiǎn)單、干凈。同時(shí)，焊點(diǎn)牢靠、結(jié)實(shí)，納米焊料可因納米焊接母體隨意選擇，納米焊接母體或納米結(jié)構(gòu)無需導(dǎo)電，能廣泛應(yīng)用于同質(zhì)、異質(zhì)材料焊接。輸送納米焊料的方法主要是使用電子顯微鏡原位納米機(jī)器人，因此能精確定位。隨著納米機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展，這一焊接技術(shù)非常有可能真正成為能用于實(shí)際納米工業(yè)生產(chǎn)的焊接技術(shù)。納米焊料的制備和焊接技術(shù)是納米研究能提升到納米科技水平，并真正能用于大規(guī)模地投入實(shí)際應(yīng)用的根本和關(guān)鍵所在，是目前納米研究必然要發(fā)展的研究領(lǐng)域。它能將通過不同的物理、化學(xué)或生物等辦法制備出各種各樣的單個(gè)納米材料或納米器件單元就能用納米機(jī)器人組裝成人們所期望的結(jié)構(gòu)或圖案，并進(jìn)一步使用各種納米焊接技術(shù)將它們轉(zhuǎn) 變?yōu)檎嬲饬x上的多功能納米器件、傳感器或裝置，成幾何級(jí)的數(shù)量擴(kuò)展半導(dǎo)體技術(shù)和化學(xué)/生物自組裝技術(shù)制備不了的特種多功能納米器件、傳感器或裝置。隨著這一技術(shù)的發(fā)展和成熟，將能為全世界廣大無法使用或接觸半導(dǎo)體微/納加工實(shí)驗(yàn)室的研究人員提供一條低投入?yún)s能制備更廣泛類型的多功能納米器件、傳感器組裝的途徑。同時(shí)，由于這一技術(shù)使用掃描電鏡或透射電鏡為眼睛，在真空環(huán)境下，能實(shí)時(shí)、原位、動(dòng)態(tài)地將整個(gè)納米焊料熔化、與納米焊接母體潤(rùn)濕、覆蓋、擴(kuò)散和凝固的過程全程一覽無遺地展現(xiàn)在人們的眼前，并能對(duì)各個(gè)過程進(jìn)行即時(shí)的形貌、結(jié)構(gòu)、成分、元素分布性質(zhì)的分析測(cè)試，能夠幫助人們直接、直觀地了解和掌握納米焊接機(jī)理和機(jī)制。這對(duì)于我國(guó)用于外太空空間站建設(shè)和太空飛行工具應(yīng)急修補(bǔ)等的真空焊接技術(shù)有著重要的意義。因此，繼續(xù)研究使用電子顯微鏡原位納米機(jī)器人為工具的納米焊料具有極其重要的意義和緊迫性。一方面，納米焊料要具備傳統(tǒng)焊料的基本要求如低的熔化溫度，優(yōu)良的力學(xué)性能、可焊性、潤(rùn)濕性和穩(wěn)定性。而另一方面，所制備的納米焊料要與被焊納米材料尺寸匹配，即能在納米尺度進(jìn)行焊接且不損毀納米件。但就目前技術(shù)而言，符合上述要求的納米焊料研究很少。目前報(bào)道的文獻(xiàn)來看，最常見的納米焊料由金屬納米粒子組成，包括復(fù)合焊料和純納米焊料復(fù)合焊料是在傳統(tǒng)粒徑為微米級(jí)的焊料中加入一定量的納米粒子，使焊料的力學(xué)及物理性能改善；純納米焊料的粒徑全部是納米級(jí)。這種由金屬納米粒子組成的納米焊料制備方法有兩類一種是自上至下加工方法，包括機(jī)械粉碎、電火花爆炸等方法 ’另一種是自下至上加工方法，包括氣相沉積法、沉淀法、溶膠凝膠法、徽乳液法。最后通過低溫?zé)Y(jié)制得納米焊料。但這種焊料只能用于微米尺度，不能用于納米尺度進(jìn)行焊接。因此，并不是真正的“納米焊料”。例如中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)200680022890. X公開的“電遷移抗性和順應(yīng)導(dǎo)線互連、納米焊料成分、由其制成的系統(tǒng)以及組裝焊接封裝的方法”所公開的納米金屬微粒成分包括具有大約50納米或者更小的微粒大小的第一金屬。導(dǎo)線互連與回流納米焊料接觸，并且具有與回流納米焊料相同的金屬或合金成分。還公開了采用回流納米焊料成分的微電子封裝。一種組裝微電子封裝的方法包括制備導(dǎo)線互連模板。計(jì)算系統(tǒng)包括與導(dǎo)線互連耦合的納米焊料成分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供用于微/納米尺度焊接的一維納米焊料及其制備方法，本發(fā)明還公開一維納米焊料的焊接エ藝。本發(fā)明用于微/納米尺度焊接的一維納米焊料是含Sn的直徑為3納米 400納米的金屬納米線或合金納米線。本發(fā)明用于微/納米尺度焊接的ー維納米焊料，所述的ー維納米焊料成份為SnxAu100_x的合金納米線，其中0>X彡100，其最佳成份為50彡X彡99。或者，本發(fā)明的用于微/納米尺度焊接的ー維納米焊料，所述的ー維納米焊料的成份為SnyAg1(l(l_y的合金納米線，其中0>Y彡100，其最佳成份為50彡Y彡99。 或者，本發(fā)明的用于微/納米尺度焊接的ー維納米焊料，所述的ー維納米焊料的成份為SnmAgnCu1(l(l_m_n的合金納米線，其中0> (m或n)彡100, m>n ;其最佳成份為m=96,n=3. 5 o本發(fā)明所述的用于微/納米尺度焊接的ー維納米焊料的制備方法，首先用孔徑為3^400納米、厚度為20納米 150微米的微孔材料為模板，在與所制備的焊料成份相應(yīng)的金屬離子電解液中通過電化學(xué)方法在模板的納米孔內(nèi)沉積相應(yīng)的金屬線或合金線，然后用可溶解模板材料而不能溶解處于模板材料納米孔內(nèi)的合金的溶液將模板材料溶解，使位于模板納米孔中的金屬納米線或合金納米線釋放出來分散到溶液中，再通過清洗和過濾除掉體系中的各種鹽成分后，將金屬納米線或合金納米線分散到去離子水中備用。所述的模板為陽極氧化鋁，在進(jìn)行電化學(xué)沉積作業(yè)前先用0.ori摩爾每升的磷酸除去陽極氧化鋁模板表面的障壁層，然后在模板表面沉積ー層銅或銀或金或鉬或其它的任意導(dǎo)電金屬作為電極導(dǎo)電層；進(jìn)行電沉積作業(yè)時(shí)，在兩電極體系中以陽極氧化鋁模板為陰極，用石墨電極為陽極，在三電極體系中以陽極氧化鋁模板為工作電極，用鉬或金或石墨電極為對(duì)電極，任何標(biāo)準(zhǔn)電極作為參考電極，溶解模板的溶液為的氫氧化鈉或氯化銅水溶液，例如；溶解模板的溶液可以用I摩爾每升(mol/L)或2mol/L的氫氧化鈉，或者用5 mol/L氯化銅水溶液,當(dāng)然也可以使用其他濃度的氫氧化鈉溶液或其它濃度的氯化銅水溶液。所述的模板為聚碳酸脂，電沉積作業(yè)前應(yīng)先在模板表面沉積ー層銅或銀或金或鉬或其它的任意導(dǎo)電金屬作為電極導(dǎo)電層，進(jìn)行電沉積作業(yè)時(shí)，在兩電極體系中以聚碳酸脂模板為陰極，用石墨電極為陽極，在三電極體系中以聚碳酸脂模板為工作電極，用鉬或金或石墨電極為對(duì)電極，任何標(biāo)準(zhǔn)電極作為參考電極，溶解模板的溶液為氯仿或其他可溶解聚碳酸脂的有機(jī)溶液，例如次甲基氯或甲叉ニ氯或亞甲基氯或四氯化碳或三氯こ烯或四氫呋喃等。所述的用于微/納米尺度焊接的ー維納米焊料的焊接エ藝將ー維納米焊料用納米控制器提取，放置于需要焊接部位；納米控制器緊密連接于ー維納米焊料兩端，接通電源，一維納米焊料電學(xué)熔解；焊接部位冷卻，接成整體。上述的焊料制備方法中在模板上沉積電板導(dǎo)電層的方法可以是電鍍，也可以是蒸鍍，或者真空濺射，或者采用其他已知的辦法。本發(fā)明焊料的合金體系具有熔點(diǎn)低，電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率好，毒性低，使用時(shí)無需惰性氣體保護(hù)，與多數(shù)焊接母體浸潤(rùn)性和擴(kuò)散性好，焊接后焊接部位具有很高的抗氧化性，且導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能優(yōu)良，幾乎可以永久保持的優(yōu)點(diǎn)。而且本發(fā)明的焊料直徑保證了在微米和納米尺度的焊接要求，但在微米尺度或納米尺度的焊接成為現(xiàn)實(shí)。本發(fā)明的制備方法可以制備出直徑為數(shù)納米至數(shù)納米合金焊料，可保證所制備的焊料直徑在微米和納米尺度要求，而這一點(diǎn)是現(xiàn)有技術(shù)所無法實(shí)現(xiàn)的。


附圖I為本發(fā)明的一維Sn78Ag22納米線焊料形貌；
附圖2為本發(fā)明的一維Sn5tlAu5tl納米線焊料形貌；
附圖3為本發(fā)明的一維錫金納米線焊料能量散射譜；
附圖4為本發(fā)明的一維Sn18Ag2 Cu80納米線焊料形貌；
附圖5為本發(fā)明的一維Sn18Ag2 Cu80納米線焊料成份研究能量散射譜；
附圖6為使用本發(fā)明的制備的150納米直徑的Sn99Au1納米線焊料焊接50納米直徑金納米線組成的“人”字形納米圖案過程；
附圖7為使用本發(fā)明的制備的納米焊料焊接同質(zhì)材料后的納米焊接質(zhì)量檢測(cè)；
附圖8為本發(fā)明的一維金屬納米線——純錫納米線焊料形貌；
附圖9為本發(fā)明的一維金屬納米線——純金納米線焊料形貌；
附圖10為本發(fā)明的一維Sn96.5Ag3.5納米線焊料形貌。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步闡述。附圖I (a)為用自制的多孔陽極氧化鋁模板合成的Sn78Ag22納米線焊料掃描電鏡(SEM)形貌圖，納米線直徑為50納米，長(zhǎng)度約為50微米；(b)用商用聚碳酸酯模板合成的Sn78Ag22納米線焊料掃描電鏡(SEM)形貌圖，納米線直徑為80納米，長(zhǎng)度約為10微米；(c)單根Sn78Ag22納米線焊料透射電鏡(TEM)形貌圖；(d)多根Sn78Ag22納米線焊料掃描透射電鏡(STEM)形貌圖。附圖2為本發(fā)明的一維Sn5tlAu5tl納米線焊料形貌(a)用自制的多孔陽極氧化鋁模板合成的Sn5tlAu5tl納米線焊料掃描電鏡(SEM)形貌圖，納米線直徑為45納米，長(zhǎng)度約為 15微米。(b)用商用聚碳酸酯模板合成的Sn3tlAu7tl納米線焊料透射電鏡(TEM)形貌圖，納米線直徑為80納米，長(zhǎng)度約為10微米。附圖3為本發(fā)明的一維錫金納米線焊料能量散射譜(a)定量分析結(jié)果為Sn:Au=50:50焊料譜圖；(b)定量分析結(jié)果為Sn:Au=30:70焊料譜圖；(c)定量分析結(jié)果為Sn:Au=95:5焊料譜圖；(d)定量分析結(jié)果為Sn:Au=90:10焊料譜圖。附圖4為本發(fā)明的一維Sn18Ag2 Cu80納米線焊料形貌(a)用商用聚碳酸酯模板合成的Sn18Ag2 Cu80納米線焊料掃描電鏡(SEM)形貌圖，納米線直徑為80納米，長(zhǎng)度約為10微米。(b)用自制的多孔陽極氧化鋁模板合成的Sn5tlAu5tl納米線焊料透射電鏡(SEM)形貌圖，納米線直徑為70納米，長(zhǎng)度約為7微米。附圖5為本發(fā)明的一維Sn18Ag2 Cu80納米線焊料成份研究能量散射譜，定量分析結(jié)果為 Sn:Ag:Cu=18:2:80。附圖6為使用本發(fā)明的制備的150納米直徑的Sn99Au1納米線焊料焊接50納米直徑金納米線組成的“人”字形納米圖案過程(a)使用納米操控器提取55納米金納米線、組裝未連成一體的“人”字形納米圖案掃描電鏡(SEM)圖；(b)納米控制器提取單根150納米Sn99Aul納米線焊料放置于待焊接部位，并將納米探針緊密擱置于一維納米焊料兩端SEM圖；(c)連通電源，使Sn99Aul納米線焊料通過120%最大承受電流而快速電學(xué)熔解，熔融納米焊料冷卻凝固后將分立的“人”字焊接成高導(dǎo)電性整體SEM圖。附圖7為使用本發(fā)明的制備的納米焊料焊接同質(zhì)材料后的納米焊接質(zhì)量檢測(cè)(a)，(b)同質(zhì)母體金納米線焊接到一起；(c)，(d)，(e)實(shí)時(shí)、原位焊接點(diǎn)焊接質(zhì)量力學(xué)強(qiáng)度檢測(cè)；(f)透射電子顯微鏡納米焊接點(diǎn)微/納結(jié)構(gòu)檢測(cè)。附圖8為純錫納米線焊料形貌，(a):掃描電鏡照片；(b):掃描透射電子顯微鏡照片；(c) :x射線電子能量色散譜測(cè)定結(jié)果，顯示為純錫成份。附圖9為純金納米線焊料形貌，(a):掃描電鏡照片；(b):透射電子顯微鏡照片；(c):x射線電子能量色散譜測(cè)定結(jié)果，顯示為純金成份 ；(d):金納米線作為焊料放置于排布好的納米圖案待焊接部位；(e):通電后待焊接部位被焊接到一起的掃描電鏡照片。附圖10為Sn96. 5Ag3. 5納米線焊料形貌，(a):掃描電鏡照片；(b):透射電子顯微鏡照片；(c) x射線電子能量色散譜測(cè)定結(jié)果，顯示為Sn96. 5Ag3. 5成份。實(shí)施例I一Sn78Ag22納米線焊料的制備
Ia)模板的選用采用孔徑為3 400納米，厚度為10納米 150微米的陽極氧化鋁為模板，這ー氧化鋁可使用商用產(chǎn)品，如果購(gòu)置商用多孔氧化鋁有困難可以自行制備，具體制備方法在現(xiàn)有技術(shù)中有報(bào)道。Ib)電鍍液的配制0. 18 mol/L甲基磺酸亞錫+ 0. 001mol/L碘化銀+ 0. 60mol/L焦磷酸鉀+ 2.0 mol/L碘化鉀+ 0.4 mol/L三こ醇胺+ 5 g/L抗壞血酸+ Ig/L對(duì)苯ニ酚。Ic)電化學(xué)沉積
使用已經(jīng)渡好電極(電極可以是任何如銅、銀、金、鉬等任何導(dǎo)電金屬)的聚碳酸酯模板或多孔陽極氧化鋁模板(已經(jīng)去掉障壁層)為陰極，石墨電極為陽極，在-14V沉積電位下沉積45分鐘，制備錫銀成份配比為78:22的Sn78Ag22合金納米線焊料。最終產(chǎn)物的錫含量可通過改變甲基磺酸亞錫和碘化銀相對(duì)濃度，或改變電化學(xué)沉積電位(或電流密度)來實(shí)現(xiàn)。納米線長(zhǎng)度可通過電化學(xué)沉積時(shí)間改變。Id)制品的收集
將電鍍形成的其孔洞內(nèi)含有錫基納米線的聚碳酸酯模板用氯仿溶解，錫基納米線自動(dòng)分散到氯仿中。進(jìn)ー步使用小于所制納米線直徑的多孔陽極氧化鋁膜過濾裝置過濾、清洗掉溶解掉的聚碳酸酯，清洗好的錫基納米線可離散到硅片等基底上固態(tài)保留存放、或再次分散到純氯仿中保留存放，用于下一歩納米焊接使用。使用陽極氧化鋁模板制備的錫基納米線采用0. lmol/L到5mol/L氯化銅水溶液溶解12小時(shí)，待陽極氧化鋁模板溶解，使用小于所制納米線直徑的多孔聚碳酸酯膜過濾裝置過濾、清洗掉氯化銅和鋁酸鹽，清洗好的錫基納米線可離散到硅片等基底上固態(tài)保留存放、或再次分散到純氯仿中保留存放，用于下一歩納米焊接使用。錫基納米線分散到水溶液后，在具體使用中可視樣品所需量，取30微升左右溶液分散到硅片。在IcmX Icm面積的硅片約有幾十萬到幾百萬根納米線，可由需要而控制納米線分散數(shù)量。Ie)制品的表征
制備的Sn78Ag22納米線焊料的形貌，晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分/組分利用掃描電子顯微鏡(SEM)(日立S - 4800，日本)和高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM) (TecnaiTM G2 F30, FEI,USA)的多種功能進(jìn)行了測(cè)量表征。圖I展示的是有代表性的Sn78Ag22納米線焊料形貌研究結(jié)果。圖I中的納米線使用自制的陽極氧化鋁模板合成，其中陽極氧化鋁模板被徹底清理，Sn78Ag22納米線長(zhǎng)在金電極襯底上，金襯底上每一個(gè)亮點(diǎn)都是一個(gè)納米線生長(zhǎng)點(diǎn)。圖Ia中納米線直徑為50納米，長(zhǎng)度約為50微米。納米線直徑、長(zhǎng)度尺度均勻。圖Ib顯示的是已經(jīng)分散到硅片上的Sn78Ag22納米線，納米線用商用聚碳酸酯模板制備而成，納米線直徑為80納米，長(zhǎng)度約為10微米。圖Ic顯示的是單根Sn78Ag22納米線焊料透射電鏡(TEM)形貌圖。圖Id是多根Sn78Ag22納米線焊料掃描透射電鏡(STEM)形貌圖。從圖中可以看出納米線直徑、長(zhǎng)度尺寸均勻，但納米線呈現(xiàn)圓錐形，頂端處直徑80納米，底端處直徑170納米，體現(xiàn)了聚碳酸酯模板孔洞本身形狀。
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實(shí)施例2—SnxAuy納米線焊料的制備 2a)模板的選用
同上
2b)電鍍液的配制
兩種電鍍液可以使用
電鍍液1: 100 g/L三檸檬酸銨+ 5 g/L氯化金+ 9 g/L氯化錫+ 60 g/L亞硫酸鈉+ 10 g/L明膠+ 5 g/L抗壞血酸
電鍍液2 :0. 5 mol/L氯化錫+ 5 g/L氯化金+ 10 g/L明膠+ 5 g/L抗壞血酸+0. 01 mol/L 鹽酸2c)電化學(xué)沉積
使用商用電化學(xué)工作站，采用三電極體系，使用已經(jīng)渡好電極(電極可以是任何如銅、銀、金、鉬等任何導(dǎo)電金屬)的聚碳酸酯模板或多孔陽極氧化鋁模板(已經(jīng)去掉障壁層)為工作電極，Ag/AgCl或Hg/HgCl2電極為參考電極,鉬電極為對(duì)電極,相比參考電極-1800mV沉積電位，使用上述兩種電鍍液之一，沉積45分鐘或I小時(shí)，制備錫金成份配比為50:50的Sn50Au50合金納米線焊料。終產(chǎn)物的錫含量可通過改變氯化錫和氯化金相對(duì)濃度，或改變電化學(xué)沉積電位(或電流密度)來實(shí)現(xiàn)。納米線長(zhǎng)度可通過電化學(xué)沉積時(shí)間改變。2d)制品的收集
同上述錫銀納米線焊料收集方式一樣。2e)制品的表征
圖2展示通過上述三電極體系制備出的錫金納米線焊料形貌研究結(jié)果。圖2a是自制的多孔陽極氧化鋁模板合成的納米線焊料掃描電鏡(SEM)形貌圖，直徑為45納米，長(zhǎng)度約為15微米。成份研究結(jié)果顯示錫金比例為50:50 (如3a所示)。圖2b是用商用聚碳酸酯模板合成的納米線焊料透射電鏡形貌圖，直接為80納米，長(zhǎng)度約為10微米。成份研究結(jié)果顯示錫金比例為70:30(如圖3b所示)。與此同時(shí)，也制備了其他成份配比的錫金納米線焊料，圖3c所示為錫金比例為95:5納米線焊料能量散射譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖3d所示為錫金比例為90:10納米線焊料能量散射譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果。元素分析結(jié)果進(jìn)一步采用電子能量損失譜研究技術(shù)得到了證實(shí)。實(shí)施例3—Sn18Ag2 Cu8。納米線焊料的制備 3a)模板的選用
同上3b)電鍍液的配制
0. 18 mol/L 甲基磺酸亞錫 + 0. 001 mol/L 碘化銀 + 0.5 mol/L 硝酸銅 + 0. 60 mol/L焦磷酸鉀+ 2. 0 mol/L碘化鉀+ 0. 4 mol/L三こ醇胺+ 5 g/L抗環(huán)血酸+ I g/L
對(duì)苯ニ酚。3c)電化學(xué)沉積
使用商用電化學(xué)工作站，采用三電極體系，使用已經(jīng)渡好電極(電極可以是任何如銅、銀、金、鉬等任何導(dǎo)電金屬)的聚碳酸酯模板或多孔陽極氧化鋁模板(已經(jīng)去掉障壁層)為工作電極，Ag/AgCl或Hg/HgCl2電極為參考電極，鉬電極為對(duì)電極，相比參考電極_1800mV沉積電位，使用上述兩種電鍍液之一，沉積45分鐘或I小時(shí)，制備錫銀銅金成份配比為18:2:80的Sn18Ag2Cu8tl合金納米線焊料。終產(chǎn)物的錫銀銅含量可通過改變甲基磺酸亞錫、碘化銀和硝酸銅之間相對(duì)濃度，或改變電化學(xué)沉積電位(或電流密度)來實(shí)現(xiàn)。納米線長(zhǎng)度可 通過電化學(xué)沉積時(shí)間改變。3d)制品的收集
同上述錫銀銅納米線焊料收集方式一祥。3e)制品的表征
圖4通過上述三電極體系制備出的錫金納米線焊料形貌研究結(jié)果。圖4a是用商用聚碳酸酯模板合成的納米線焊料掃描電鏡(SEM)形貌圖，直徑為80納米，長(zhǎng)度約為10微米。圖4b是用自制的多孔陽極氧化鋁模板合成的納米線焊料透射電鏡(TEM)形貌圖，直徑為70納米，長(zhǎng)度約為7微米。圖5成份研究結(jié)果顯示錫銀銅元素原子數(shù)之比為18:2:80。ー維納米焊料用于實(shí)際納米空間焊接實(shí)例 實(shí)例I :實(shí)際同質(zhì)焊接
本發(fā)明中制備的ー維納米焊料已經(jīng)實(shí)際用于納米空間納米圖案、原型電子器件的焊接。圖6所示使用150納米直徑的Sn99Au1納米線焊料焊接50納米直徑金納米線組成的“人”字形納米圖案過程。分散在硅片上的兩根55納米金納米線被納米操控器夾取，在干凈的硅片上組裝成未連接成整體的“人”字型圖案(如圖6a所示)。本發(fā)明中制備的長(zhǎng)約1.5微米、直徑150納米專用ー維Sn99Au1納米線焊料隨后被納米控制器提取，放置于需要焊接部位。兩個(gè)納米控制器納米探針緊密連接于一維納米焊料兩端(圖6b所示)，接通電源，使Sn99Au1納米線焊料通過120%最大承受電流而快速電學(xué)熔解，熔融納米焊料冷卻凝固后如圖6c所示將分立的“人”字焊接成高導(dǎo)電性整體。本發(fā)明中制備的ー維納米焊料也實(shí)際用于異質(zhì)納米線焊接。焊接質(zhì)量可以立即使用納米控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)、原位、圖像化檢測(cè)。焊接質(zhì)量也可以通過原位力學(xué)測(cè)量進(jìn)行檢測(cè)。圖7展示的是同質(zhì)母體金納米線焊接到一起后，立即使用納米控制器進(jìn)行納米焊點(diǎn)原位力學(xué)性質(zhì)測(cè)量及焊接點(diǎn)轉(zhuǎn)移到透射電子顯微鏡中進(jìn)ー步進(jìn)行細(xì)致為微/納結(jié)構(gòu)檢測(cè)的實(shí)例。測(cè)量結(jié)果顯示圖7中金納米線的焊接點(diǎn)力學(xué)拉伸強(qiáng)度大于llOMPa，楊氏模量大于75GPa，微/納結(jié)構(gòu)研究顯示焊接點(diǎn)已經(jīng)徹底熔為一體，形成孿晶。此種是通過電子顯微鏡原位納米操縱器(或稱，納米機(jī)器人)將ー維納米焊料輸送至微/納米焊接部位，然后將電流通過并只熔化納米焊料將母材焊接到一起，由于電流只通過納米焊料，不通過微/納米焊接母體或微/納米結(jié)構(gòu)，因此不會(huì)損傷或污染微/納米焊接母體或微/納米結(jié)構(gòu)。也能即時(shí)進(jìn)行焊接質(zhì)量檢查和焊料殘?jiān)謇?，整個(gè)過程非?？焖?、簡(jiǎn)單、干凈。同時(shí)，焊點(diǎn)牢靠、結(jié)實(shí)，納米焊料可因微/納米焊接母體隨意選擇，微/納米焊接母體或納米結(jié)構(gòu)無需導(dǎo)電，能廣泛應(yīng)用于同質(zhì)、異質(zhì)材料焊接。除上述展示的兩個(gè)實(shí)際實(shí)施例子，本發(fā)明中制備的不同成份、組份的一維納米焊料錫、錫金、錫銀和錫銀銅已經(jīng)通過這中納米控制器技術(shù)在納米空間上成功地實(shí)現(xiàn)了金、鉬、銅、鎳鎘合金、鈷鉬多層、鎳鐵多層納米線不同種的納米線焊接成特種多功能納米傳感器和電子器件，并將它們焊接到集成電路板電極上。 但是，本發(fā)明的焊料不只限于這三種組份的納米焊料，可以使用任何一維錫基納米焊料。焊接母體不只限于這六種母體，可以是任何微 /納米尺度的單質(zhì)、合金或多層金屬、電路板電極。
權(quán)利要求
1.用于微/納米尺度焊接的一維納米焊料，其特征是一維納米焊料是含Sn的直徑為3納米 400納米的金屬納米線或合金納米線。
2.權(quán)利要求I所述的用于微/納米尺度焊接的一維納米焊料，其特征是所述的一維納米焊料成份為SnxAu1(l(l_x的合金納米線,其中0>X彡100。
3.權(quán)利要求2所述的用于微/納米尺度焊接的一維納米焊料，其特征是03X399。
4.權(quán)利要求I所述的用于微/納米尺度焊接的一維納米焊料，其特征是所述的一維納米焊料的成份為SnyAg1(l(l_y的合金納米線，其中0>Y彡100。
5.權(quán)利要求4所述的用于微/納米尺度焊接的一維納米焊料，其特征是03Υ399。
6.權(quán)利要求I所述的用于微/納米尺度焊接的一維納米焊料，其特征是所述的一維納米焊料的成份為SnmAgnCu1(l(l_m_n的合金納米線,其中0> (m或η)彡100, m>n。
7.權(quán)利要求6所述的用于微/納米尺度焊接的一維納米焊料，其特征是其中m=96，n=3. 5。
8.權(quán)利要求I至7任一權(quán)利要求所述的用于微/納米尺度焊接的一維納米焊料的制備方法，其特征在于首先用孔徑為3 400納米、厚度為10納米 150微米的微孔材料為模板，在與所制備的焊料成份相應(yīng)的金屬離子電解液中通過電化學(xué)方法在模板的納米孔內(nèi)沉積相應(yīng)的金屬線或合金線，然后用可溶解模板材料而不能溶解處于模板材料納米孔內(nèi)的合金的溶液將模板材料溶解，使位于模板納米孔中的金屬納米線或合金納米線釋放出來分散到溶液中，再通過清洗和過濾除掉體系中的各種鹽成分后，將金屬納米線或合金納米線分散到去離子水中。
9.權(quán)利要求8所述的用于微/納米尺度焊接的一維納米焊料的制備方法，其特征在于所述的模板為陽極氧化鋁，進(jìn)行電化學(xué)沉積作業(yè)前先去除陽極氧化鋁模板表面的障壁層，并在模板表面沉積一層銅或銀或金或鉬或其它的任意導(dǎo)電金屬作為電極導(dǎo)電層；在進(jìn)行電沉積作業(yè)時(shí)，在兩電極體系中以陽極氧化鋁模板為陰極，用石墨電極為陽極，在三電極體系中以陽極氧化招模板為工作電極，用鉬或金或石墨電極為對(duì)電極，任何標(biāo)準(zhǔn)電極作為參考電極；溶解模板的溶液為氫氧化鈉或氯化銅水溶液。
10.權(quán)利要求8所述的用于微/納米尺度焊接的一維納米焊料的制備方法，其特征在于所述的模板為聚碳酸脂，進(jìn)行電化學(xué)沉積作業(yè)前先在模板表面沉積一層銅或銀或金或鉬或其它的任意導(dǎo)電金屬作為電極導(dǎo)電層，進(jìn)行電沉積作業(yè)時(shí)，在兩電極體系中以聚碳酸脂模板為陰極，用石墨電極為陽極，在三電極體系中以聚碳酸脂模板為工作電極，用鉬或金或石墨電極為對(duì)電極，任何標(biāo)準(zhǔn)電極作為參考電極；溶解模板的溶液為氯仿或其他可溶解聚碳酸脂的有機(jī)溶液。
11.權(quán)利要求I至7任一權(quán)利要求所述的用于微/納米尺度焊接的一維納米焊料的焊接工藝，其特征在于將一維納米焊料用納米控制器提取，放置于需要焊接部位；納米控制器緊密連接于一維納米焊料兩端，接通電源，一維納米焊料電學(xué)熔解；焊接部位冷卻，接成整體。
全文摘要
本發(fā)明公開用于微/納米尺度焊接的一維納米焊料及其制備方法。本發(fā)明的一維納米焊料是一種其直徑為3納米~400納米的金屬納米線或合金納米線。本發(fā)明的焊料的制備方法是首先用孔徑為3~400納米孔徑、幾十納米~150微米厚的微孔材料為模板，在與所制備的焊料成份相應(yīng)的金屬離子電解液中通過電化學(xué)方法在模板的納米孔內(nèi)沉積相應(yīng)的金屬線或合金線，再用可溶解模板材料而不能溶解處于模板材料納米孔內(nèi)的合金的溶液將模板材料溶解，使位于模板納米孔中的金屬納米線或合金納米線釋放出來分散到溶液中，再通過清洗和過濾除掉體系中的各種鹽成分后，將金屬納米線或合金納米線分散到去離子水中備用。
文檔編號(hào)B23K31/02GK102773624SQ201210150049
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者張宏, 彭勇, 托尼·卡力斯, 貝芙莉·尹格申 申請(qǐng)人:蘭州大學(xué)