用于脆性材料的接头制造技术

提供一种将脆性材料接合到部件的方法。所述方法包括：在所述脆性材料的表面上沉积金属化层。在所述部件和所述脆性材料之间施加接合材料层，使得所述部件和所述脆性材料限定界面区域。所述金属化层和接合材料层延伸超过所述界面区域。

Joints for brittle materials

A method of bonding brittle materials to components is provided. The method comprises the following steps: depositing a metallized layer on the surface of the brittle material. A bonding material layer is applied between the component and the brittle material so that the component and the brittle material define an interface area. The metallization layer and the bonding material layer extend beyond the interface area.

【技术实现步骤摘要】
用于脆性材料的接头
技术介绍
许多装置和应用需要诸如传感器或其他电子装置的部件被安装或固定到诸如陶瓷，玻璃或结晶材料的脆性材料上。通常，使用合适的方法(例如气相沉积)将金属层沉积在脆性材料上，然后将所述部件锡焊或钎焊到金属化层。热膨胀系数的差异会产生可能损坏接头或以其他方式缩短其使用寿命的应力。提供部件和脆性材料之间改进的接头将为许多行业提供重要的进步。
技术实现思路
提供了将脆性材料接合到部件的方法。该方法包括在脆性材料的表面上沉积金属化层。在脆性材料和部件之间施加一层接合材料，使得该部件和脆性材料限定一个界面区域。金属化层和接合材料层延伸超出所述界面区域。附图说明图1A和1B是示出脆性材料和部件之间的可能产生应力问题的一些示例性联接情况的剖视图。图2是示出根据本专利技术的实施例的与界面区域分离的应力突增处(stressriser)的剖视图。图3是示出根据本专利技术的实施例的具有位于与界面区域分开的面上的应力突增处的联接场景的横截面图。图4是根据本专利技术的实施例的具有压力传感器安装件的压力变送器的局部剖视图。图5是图1的压力变送器的放大剖视图，其示出了根据本专利技术实施例的压力传感器安装件。图6A和6B是根据本专利技术实施例的压力传感器安装件的放大剖视图。图7是根据本专利技术实施例的提供压力传感器安装件的方法的流程图。具体实施方式存在许多许下的应用：在该应用中，使用锡焊料(solder)或钎焊料(braze)以将一种自身可能是可锻的或脆性的部件连接到脆性材料。脆性材料可以是诸如玻璃，陶瓷或结晶材料的电绝缘体。脆性材料需要首先将金属沉积在具体限定的区域上，以便之后能够施加锡焊或钎焊接头。期望锡焊料和钎焊料涂覆整个金属化区域。与诸如陶瓷的脆性材料相比，锡焊料和钎焊料具有非常不同的热膨胀系数。相对于基础脆性材料，锡焊料或钎焊料的热膨胀系数的不同在初始接合后的冷却过程中导致应力。金属化区域的边缘(其中锡焊料或钎焊料流入或润湿沉积金属的最边缘)也可以集中应力，导致应力突增处的发展。虽然将关于使用改进的接头来联接压力变送器内的压力传感器的特定物理实施例来描述本专利技术的实施例，但是本领域技术人员将认识到：任何在将脆性材料连接到部件上的材料之间的不同的热膨胀系数产生挑战的地方，都可以实施本专利技术的实施例。当金属的边缘接近两个连接的部件的边界或在两个连接的部件的边界内时，应力集中问题变得强烈。这对于例如存在于压力传感器中的类似微电子机械系统(MEMS)的小部件应用尤其如此。界面处的金属层和陶瓷层之间的热膨胀差异也可以增加整个界面区域的应力水平。如果应力突增处位置处的应力高于陶瓷层的强度极限，则可能开始形成裂纹。受应力的体积中的裂纹将增长，直到裂纹前端处的应力低于材料的强度。结果可能是陶瓷层和金属层之间的无效接头。图1A和1B示出了在金属和脆性部件之间的可以产生应力突增处的一些示例联接情景。图1A示出了脆性材料层410和金属层440之间的使用金属化层420和锡焊料或钎焊料430的联接不太好的一个示例。脆性材料410例如可以是诸如下文所述的压力传感器基座的陶瓷层。金属层440可以是例如压力传感器或压力传感器的一部分。如图1A所示，在裂纹点402处开始开裂，在该裂纹点402处，应力突增处位置高于脆性材料410的强度极限。在如图1A所示的示例中，脆性材料410的金属化区域420在接头的匹配表面之间终止，该终止位置是裂纹402开始的位置。通常，在MEMS应用中，金属层必须被图案化以进行所需的电隔离。如果涉及的材料具有相似的匹配的热膨胀，则该接头可能性能更好。然而，膨胀系数匹配的情况很少发生。图1B示出了用于避免图1A所示的开裂情况的一个潜在解决方案。图1B示出了金属化部分470稍大于金属部件490。结果是在金属化终结点452处产生应力突增处。然而，添加锡焊料或钎焊料层480可以增加所经历的应力，因为较厚的锡焊层或钎焊层增加在金属化终结点452处的应力。根据本专利技术的实施例，金属化部分的终结点452在脆性材料上被重新定位成远离已经产生应力的位置。因此，如果要避免裂纹，那么终结点452不能位于部件490与脆性材料460之间的界面区域中。部件490与脆性材料460之间的接头的边界附近的区域也是对于终结点452的非优选位置，因为该区域也可能具有高应力。在一个实施例中，终结的锡焊/钎焊润湿材料是实用的，以使脆性材料460和部件490能够自动调整。一个部件通过锡焊料的表面张力位于另一部件上。这从而使得应力突增处金属终结点接近接头并在接头的高应力状态中。图2是根据本专利技术的一个实施例的联接的剖视图。在脆性材料510和金属部件540之间形成接头500。在一个实施例中，脆性材料510经受其中提供金属层520的沉积过程。在一个实施例中，沉积的金属层520能够使锡焊料或钎焊料层530在与金属部件540接合之前润湿到脆性材料510。在一个实施例中，沉积的金属层520和锡焊料或钎焊料层530都延伸越过金属部件540的接合界面区域504。在一个实施例中，终结点502定位成远离接合区域504，使得在金属化部分的终结502处的应力突增处在脆性材料510和部件540之间的高应力区域之外。在一个实施例中，锡焊料或钎焊料层530具有与脆性材料510不同的热膨胀系数。在一个实施例中，定位成远离接头的锡焊料或钎焊料530的厚度与如果定位成临近接头500的锡焊料或钎焊料530的厚度相比更薄，从而由于较薄的锡焊料层530而在金属终结点502处导致较低的应力。由于焊锡料530和脆性材料510通常具有不同的热膨胀系数，所以较薄焊料530更好以减少金属终结点502处的应力，以避免破坏脆性材料510，使得损坏接头500的风险降低。图3示出了根据本专利技术的一个实施例的具有位于与界面区域分开的面上的应力突增处的联接场景。接头600包括在表面608上的终结点602，该表面608是接合表面612的相邻表面并由边缘606分隔开。接头600包括联接到金属部件640的脆性材料610，例如联接到金属层640的陶瓷层610。在一个实施例中，脆性材料610首先被涂覆有沉积的金属层620，如图3所示，该沉积的金属层620沿着脆性层610的表面的长度延伸。如图3所示，沉积的金属层620沿着表面612延伸，经过边缘606，并向上延伸到表面608的一部分。将金属化终结点602定位在除了接合表面612之外的表面上，使得应力突增处与焊接接头显著地分离。与相似量的沉积金属层620刚好放置在接合表面612上的情况相比，在脆性材料610的多个表面上分离焊点可以有效地以更短的距离减少表面应力。接头600中应力突增处的取向位于表面612的平面之外。图3示出了包括在其上形成有金属化层的凸边缘特征部606的一个实施例。如图3所示，凸边缘特征部606为润湿超出终结点602的所施加的焊料630提供阻碍。在金属终结点602处减少沉积的焊料量也降低了应力突增处处的应力水平。如果不存在凹特征部、凸特征部，则可能会增加焊料传输，使接头600处于损坏的危险之中。图4是压力变送器的局部剖视图，该压力变送器包括根据本专利技术的实施例被联接的压力传感器。过程控制或测量系统10包括压力变送器12，压力变送器12联接到承载过程流体16的过程管道14。在一个实施例中，变送器12是系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种将脆性材料接合到部件的方法，所述方法包括：在所述脆性材料的表面上沉积金属化层；在所述部件和所述金属化层之间施加接合材料层，使得所述部件和所述脆性材料限定界面区域；并且其中所述金属化层和接合材料层延伸超过所述界面区域。

【技术特征摘要】
2017.02.28 US 15/445,2791.一种将脆性材料接合到部件的方法，所述方法包括：在所述脆性材料的表面上沉积金属化层；在所述部件和所述金属化层之间施加接合材料层，使得所述部件和所述脆性材料限定界面区域；并且其中所述金属化层和接合材料层延伸超过所述界面区域。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述脆性材料包括延伸穿过所述脆性材料的钻孔，并且其中所述钻孔垂直于所述界面区域。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述接合材料包括锡焊料。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述锡焊料包括含金的锡焊料。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述接合材料包括钎焊料。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述钎焊料包括施加银的钎焊材料。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属化层和所述接合材料层延伸越过所述部件的边缘。8.根据权利要求1所述的方法，还包括：在接合的所述脆性材料和所述部件上进行符合性测试。9.根据权利要求1所述的方法，其中形成在所述接合材料和所述金属化层的边缘处的应力突增处未被定位成平行于所述界面区域。10.一种压力传感器，包括：压力测量电路；压力传感器管芯，该压力传感器管芯被构造为接收过程压力并向压力测量电路提供指示过程压力的输出；压力传感器主体；和压力传感器基座，该压力传感器基座连接到所述压力传感器管芯，所述压力传感器基座被构造成在所述压力传感器管...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·G·罗莫，
申请(专利权)人：罗斯蒙特公司，
类型：发明
国别省市：美国,US