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CN1564726A - 接合材料和接合方法 - Google Patents

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CN1564726A
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particle
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小榑直明
广濑政义
近森祐介
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Abstract

本发明提供了一种能够进行无铅接合而代替高温焊接的接合材料和接合方法。本发明的接合材料包含复合金属纳米粒子在有机溶剂中的分散体，该纳米粒子具有不超过100纳米粒径的金属粒子金属核的结构。该接合材料可以有利地用于至少包含两个接合步骤的逐步接合过程。

Description

接合材料和接合方法
技术领域
本发明涉及用于接合许多部件，特别是例如半导体器件的电子部件和机械部件的接合材料和接合方法，并且更具体地涉及使用复合金属纳米粒子来接合部件的接合材料和接合方法。
本发明还涉及电极基底和用来接合电极基底的电极的方法，并且更具体地涉及当安装半导体器件(半导体封装)到插入器、印刷导线基底等上时用作插入器、印刷导线基底等的电极基底以及用来接合电极基底的电极的方法。
本发明还涉及包括两个或多个接合在一起的元件的接合结构，并且更具体地涉及包括构成电子部件或半导体器件的芯片和借助提供在芯片和基底电极(接点)表面上的接触块(接点)而接合在一起的基底的接合结构、包括接合在一起的电学器件或部件及电缆的接合结构、以及包括接合在一起的热交换器、飞行器(aircraft)等元件的接合结构。
另外，本发明涉及一种金属化装置，其例如用在半导体器件安装过程中、用于接合给半导体器件提供动力和电信号输入/输出的引线和插脚、或者用于通过接合材料的金属化将半导体器件上的结构突起(块)接合到导线基底的电极上。
背景技术
使用焊接合金的接合技术，例如俯焊法，已经传统地用于电子器件的电学终端和电路基底上电路图终端间的电学连接。特别地，为了在电路基底上通过将其电学连接于一起而安装半导体器件，例如芯片、片状元件或模具，它们是被称作裸露器件的未覆盖有源或无源器件，正在广泛地使用所谓的俯焊法。该方法包括事先在半导体器件的电极极板上形成焊接块、在电路基底的端电极上设置面向下的焊接块，以及在高温下加热焊接块使半导体器件的电极极板熔合接合到电路基底的端电极上。焊接块通常在例如包括Cr(铬)、Cu(铜)和Au(金)的三层薄金属薄膜(在本体金属下面)上使用抗蚀剂通过电镀或蒸汽沉积来形成。这种安装方法可以提供具有高机械强度的接合结构，而且同时可以在半导体器件的电极和电路基底的端电极间起电学连接作用。因此，俯焊法被认为是有效的半导体器件安装方法。
除了俯焊法之外，使用包含锡-铅合金低共熔混合物焊剂糊的反流接合也广泛地用于金属间的接合，例如用来将电子部件安装到印刷导线基底上。反流接合方法包括使焊剂糊与作为接合对象的金属表面接触，以及加热并熔化焊剂糊。根据该方法，金属在待接合的金属表面和熔化焊剂间发生部分扩散，因此冷却时在界面间形成合金或金属间化合物，从而起到物理和电学连接的作用。已经常用的低共熔锡-铅合金具有低熔点且不会引起待接合金属表面腐蚀的优点。另外，钎焊接合(包括焊接)也常用于将机械部件装配成结构。
最近几中，从全球环境保护的角度来看使用铅已经受到了严格的限制。为了解决在处理所用电学器械时铅流入环境的问题，以及在接合过程中熔化锡-铅焊接材料时不可避免地铅蒸发和铅氧化物扩散所给工作环境带来污染的问题，正在发展一种使用不含铅接合材料的焊接或钎焊方法。结果，作为熔点约180℃的低共熔混合物焊剂的基底，Sn-Ag焊剂(熔点：约250℃)等已经投入实际使用。
在接合例如热交换器或飞行器的部件中通常使用钎焊。钎焊过程涉及将金属材料(钎焊材料)加热至等于或高于其熔点的温度，使得接合时接合部位的温度高达450到1000℃。部件暴露于最大1000℃的温度下一般会引起部件大范围的热变形和大的热应力/扭曲。因此，强烈需要发展一种能够在相对较低的温度下安全接合上述对形状和尺寸要求精确的部件而不会引起例如热变形问题的接合方法。
已经建议了一种使用焊球来代替上述焊接块的接合方法，其中焊球从含有超细金属颗粒的金属糊形成(参见日本专利特许公开9-326416)。该方法中使用的超细金属颗粒被认为是仅由金属组成的超细颗粒，例如它们通过包括在少量气体存在下真空蒸发金属，从而从蒸汽相凝结仅由金属构成的超细颗粒的方法来生产。这种超细金属颗粒在其稳定性、物理性质和成本方面可能是有问题的。
最近，因为电子产品越来越小，所以日益需求高度集成的半导体封装件。另外，在将半导体封装件固定到插槽或用来互相连接各自电流线路的印刷线路基底上的安装技术中，也需要高度集成和高密度的安装方法。
精密焊接是一种大家熟知的通过焊接将线性安置在半导体封装件周围的引线焊接到印刷导线基底上的预定电极上的方法。当引线绕着半导体封装件线性提供时，引线的数量是有限的。例如，在经常用作表面安装型半导体封装件的QFP(方形扁平封装(Quad Flat Package))情况中，最小极限值被认为是0.3毫米(参见Kobayashi等，Suiyo-KaiBulletin，23，Feb.2000，P.123)。因此限制了可提供引线的数量。
另一方面，使用在半导体封装件整个背面以晶格形式安排的焊球作为接触端(电极)的所谓BGA(球栅阵列(Ball Grid Array))方法自从九十年代后期已经引起了人们的关注并且已经逐渐地在实践中使用。假定电极在整个背面，与QFP封装相比，BGA型(BGA封装)的半导体封装件每单位面积具有明显大量的电极，从而可以高密度且小面积安装。
BGA封装焊球的最小间距被认为是0.5毫米(参见Matsuura et al.，Hitachi Densen，No.21，Jan.2002，P.53)。该最小值根据由于熔融焊剂材料的表面张力和重力所引起的焊球变平现象来确定。尽管较小的焊球直径和和焊球间较小的间距有利于高密度的安装，但是焊球间距变窄会由于焊剂材料特性而导致问题。
图19表示在焊球熔融/液化时焊球100变平现象的观察结果(高度降低，垂直于高度方向的直径增加)(参见T.Osawa，“Story ofSoldering”，Japanese Standards Association，2001，P.105)。考虑到焊球的变平现象，BGA封装的焊球间距被确定为最小0.5毫米。
另外，随着BGA封装面通孔直径和焊球直径的变窄，焊球接合的可靠性可能丧失。图20A和20B阐明了焊球接合中由于焊球间距的变窄而引起的典型问题。图20A阐明了焊接扭曲现象：将线路基底210连接到BGA封装212的电极214上的焊球216向线路基底210移动，因而位于BGA封装214通孔212a内的焊球216变细。图20B阐明了焊剂陷落现象：焊球216落向线路基底210，因而焊球216仅与线路基底210连接，即线路基底210和BGA封装间的连接断裂。
图20A和20B中阐明的问题主要是由于焊球间距和直径变窄到小于最小极限值水平。在精密焊接方法中这一现象是不可避免的，它会通过加热时焊剂合金的熔化/液化和随后冷却时焊剂合金的固化而影响接合。
如上所述，关于BGA封装，有必要限制焊球间距和直径的变窄。
如上所述，使用由锡和铅组成的焊剂的精密焊接被广泛地用于电接合，例如在安排在构成电子元件或半导体器件的芯片表面上的电接触块和在基底上相应于接触块位置提供的电极之间的电接合。这是因为这种一般使用焊剂的接合方法能够确保约39.2MPa的接合强度并且能够使接合体具有约17μΩcm的电阻和约180℃的熔点，而且可以容易地获得很均衡的接合性质。
图21A到21E阐明了通过使用这种焊剂的传统反流接合方法而在印刷线路基底两面上进行QFP(方形扁平封装)型安装IC封装件的表面安装过程的实例。首先，如图21A所示，焊剂糊312a被印刷到印刷线路基底310前表面(上表面)上的预定位置。另外，如图21B所示，对焊剂糊312a间的预定位置施用粘合剂314。然后如图21C所示，当每个引线322a与每个焊剂糊312a压接时，IC封装件320a借助粘合剂314粘附到印刷线路基底310的表面上，然后干燥并硬化粘合剂314。
接下来，如图21D所示，在翻转印刷线路基底310后，焊剂糊312b被印刷到印刷线路基底310后表面(上表面)的预定位置上。此后，如图21E所示，通过将每个引线322b与每个焊剂糊312b压接，IC封装件320b粘附到印刷线路基底310的后表面上。然后在例如约300℃的温度下加热焊剂糊312a、312b从而熔化焊剂糊312a，接着冷却固化。
如图22所示，当如此安装了IC封装件320a、320b的印刷线路基底310被固定到外箱330上时，引线336借助焊剂334接合到外箱330上的电极332上。
当将引线336接合到外箱330上的电极332上时，印刷线路基底310和IC封装件320a、320b间的接合部分312a、312b必须在后来的接合中不会被加热和温度上升再熔化，从而不会伤害电常数。因此，对于印刷线路基底310和IC封装件320a、320b间的接合实践中通常使用包含95％重量Pb的高温焊剂(熔点：约300℃)，而对于将引线336接合到外箱330上的电极332上则使用常用的低温焊剂(熔点：约183℃)。因此通过使用两种具有不同熔点的焊剂，外箱330的内部电学接触在引线336被接合到外箱330上时不会受再熔化的伤害。
当通过必要元件的接合来生产产品时，实施所谓的逐步接合。在逐步接合情况中，至少在第一步接合中使用含Pb的高温焊剂。如图23所示，逐步接合过程通常包括借助接合层C1、C2……而逐步层压多个元件P1、P2……，从而提供“n”片元件P1-Pn的集成结构产品。在该过程中，在随后的接合步骤中必须避免接合层的再熔化。因此，对于第一接合层C1的形成，需要使用具有最高熔点的接合材料，并且对于随后的接合使用具有逐渐降低熔点的接合材料。就半导体器件而言，使用高温焊剂对于所谓高电流密度的大功率组件是尤其必要的。
如前所述，从环境保护的角度来说，使用铅(Pb)已经严格地受到法律和规章的限制。另外，就用于接合的接合材料而言，通常包含不低于40％铅，它们被迫用不含铅的接合材料来代替。作为常用Sn(60％)-Pb(40％)焊剂的替代物，已经发展了Sn-Ag焊剂和Sn-Ag-Cu焊剂并且它们正被广泛地在实践中使用。但是至于在逐步接合的较早步骤中使用的高温焊剂，Sn(5％)-Pb(95％)焊剂是唯一的实用材料。能代替这种焊剂的无铅焊剂仍然没有发展。此外，在半导体封装件在高温气氛(例如接近车用发动机)下使用时，也使用传统的高温焊剂。
如上文所述，在传统的半导体器件安装技术中对更高集成度和更高致密化存在一种极限。另外，强烈地需要一种能够使用无铅接合材料的技术，该材料可以代替高温焊剂并且例如可以实施逐步接合过程的第一步接合。
发明内容
本发明已经考虑了背景技术中的上述情况。因此，本发明的第一个目标是提供一种能够用无铅接合代替高温接合的接合材料和接合方法。
本发明的第二个目标是提供一种电极基底和用来接合电极基底上电极的方法，该方法能满足例如半导体器件安装技术中更高集成度和更高致密化的需求，并且通过使用不含铅的接合材料可以实施例如逐步接合过程的第一步接合。
本发明的第三个目标是提供一种已经使用接合材料接合的接合结构，该接合材料能代替传统的焊接材料，并且由于不含铅和锡而可以消除重金属污染的环境负担。
本发明的第四个目标是提供一种金属化装置，用于使接合材料金属化，并由此容易且安全地达成可代替常规焊接(微焊接)、且由于未使用铅或锡而可消除重金属污染的环境负担的接合。
为了实现上述目标，本发明提供了一种在至少包括两个接合步骤的逐步接合过程中使用的接合材料，包括复合金属纳米粒子在有机溶剂中的分散体，每个所述的复合金属纳米粒子都具有使不超过100纳米粒径的金属粒子金属核用有机材料结合并涂覆的结构，并且所述分散体是液体形态。
本发明还提供了另一种在至少包括两个接合步骤的逐步接合过程中使用的接合材料，包括复合金属纳米粒子在有机溶剂中的分散体，每个所述的复合金属纳米粒子都具有使不超过100纳米粒径的金属粒子金属核用有机材料结合并涂覆的结构，并且所述分散体是淤浆、糊或膏形态。
本发明还提供了仍另一种在包括至少两个接合步骤的逐步接合过程中使用的接合材料，包括复合金属纳米粒子在有机溶剂中的分散体，每个所述的复合金属纳米粒子都具有使不超过100纳米粒径的金属粒子金属核用有机材料结合并涂覆的结构，并且所述分散体是固体或冻状形态。
有机化合物优选地衍生于有机酸的盐。
复合金属纳米粒子可以通过在非水溶剂中加热并合成金属盐和有机材料，接着热还原所合成产物来生产。
可选地，复合金属纳米粒子可以通过混合金属盐、金属氧化物、金属氢氧化物和有机材料，并且加热和合成混合物，接着热还原所合成产物来生产。
可选地，复合金属纳米粒子可以通过混合金属盐和有机醇材料，并且加热和合成该混合物来生产；或者通过向合成的产物中添加还原剂并加热且还原所合成的产物来生产。
可选地，复合金属纳米粒子可以通过在非水溶剂中加热并合成金属盐和有机材料，接着添加还原剂并热还原所合成的产物来生产。
公知当颗粒细的时候，金属粒子的初始熔化温度随着粒径(直径)的降低而降低。对小于100纳米的粒径，这种关系维持，而当粒径小于20纳米时温度降低的程度是大的。当粒径小于10纳米时，某些金属颗粒在比本体金属熔点低很多的温度下熔化并粘接于一起。
此外，在熔化前发生金属粒子的烧结现象，并且烧结起始温度远低于本体金属的熔点。金属粒子的粘接在低温烧结时发生。因此，发表的数据表明在平均粒径20纳米的超细Ag粒子的情况下，烧结在60～80℃的低温下开始(参见Sato，“Production and Application ofUltrafine Metal Particle”，Proceedings of the Japan Institute of MetalsSymposium，1975，P.26)。
因为有机材料起着保护金属核的保护层作用，具有金属核表面用有机材料结合并涂覆结构的复合金属纳米粒子可以均匀地分散在有机溶剂中，并且作为分散的粒子而高度稳定。因此，可以提供一种在有机溶剂中均匀分散的包含主体接合材料(复合金属纳米粒子)的液态接合材料，该主体接合材料能够在低温下烧结并熔接。
在具有约5纳米粒径的团聚银纳米粒子的情况下，明显熔化粘接的起始温度约为210℃，并且银纳米粒子可以通过在等于或高于明显熔化粘接的起始温度的温度下加热纳米粒子来熔接或烧结。
另一方面，已经建议了包含粒径不超过20纳米的超细颗粒与其它材料混合物的粘合剂以及使用这种粘合剂的接合方法(参见例如日本专利特许公开5-54942)。在该方法中，超细粒子作为介质中的简单金属存在，即不同于本发明的接合材料，超细粒子没有有机材料涂层。根据本发明的实验，这种裸露的超细金属粒子容易聚结成粗的颗粒，因此分散体状态可能变得不均匀。当超细粒子聚集体和分散相变成主要由大颗粒组成时，因为大颗粒的熔化起始温度和烧结温度高于超细粒子，所以很难或不可能用这种接合材料(粘合剂)实施低温接合。
本发明的接合材料包含上述复合金属纳米粒子作为基本材料，并且任选地包含大于纳米粒子的聚集的金属、有机或无机粒子。在加入聚集体的情况下，大于纳米粒子的颗粒的存在相似于上述存在聚结的粗颗粒情况。但是根据本发明的接合材料，复合金属纳米粒子作为主体接合材料不会聚结，并且仍保持其自身的形态，因此仍然会发生低温烧结。这明显不同于上述超细粒子聚结成大颗粒而几乎没有纳米粒子，因而不会发生低温烧结的情况。
根据本发明，不同于超细金属粒子以简单金属在介质中分散的情况，金属核被有机材料结合并涂覆的复合金属纳米粒子被分散在介质中。因此，纳米粒子不会聚结成粗颗粒并且保持均匀的分散。因此本发明的接合材料可以避免上述的问题。
另一方面，当有机材料包含C、H和O之外的元素，例如氮(N)、硫(S)等时，甚至在接合时通过加热实施分解并蒸发有机材料过程之后，有机材料中的N或S组分仍会残留在烧结金属中。这些元素的存在会不利地影响接合层的电导率。电导率的降低尤其在高操作电流密度的高密度安装部分下将是个严重的问题。
根据本发明，通过使用不含N或S的复合金属纳米粒子，可以在有机材料分解且蒸发后阻止在N或S残留在接合部分，从而在高密度安装部分的接合产品中阻止了电导的降低。
根据本发明的优选实施方案，通过在有机溶剂中分散金属核平均粒径不超过100纳米的复合金属纳米粒子时调节分散条件，接合材料可以以液体、淤浆、糊或膏的形式、以固体形式，或者以半固体或冻状形式来制备。
在液体形式情况下，金属部分与总液体的重量比在1～30％范围内是实践中优选的。有机溶剂的具体实例包括甲苯、二甲苯、己烷、辛烷、癸烷、环己烷、蒎烯、苧烯和乙二醇。在淤浆、糊或膏形式的情况下，金属部分与总流体的重量比在15～90％范围内是实践中优选的。此外，在固体形式或冻状半固体形式下，金属部分与总液体的重量比在20～95％范围内是实践中优选的。
根据本发明的优选实施方案，除了复合金属纳米粒子外，在接合材料中混合平均粒径不超过100微米的聚集体。
添加粒径不超过100微米的聚集体可赋予接合材料以单独使用复合金属纳米粒子时所不具有的各种性能。
聚集体可以是金属材料。塑料材料，或者无机材料，并且可以单独或者组合使用。聚集体的粒径优选地从0.1到1.0微米。
无机材料包括陶瓷、碳、金刚石、玻璃等。
在金属材料的情况下，聚集体可以是例如Al、Cu、Mg、Fe、Ni、Au、Ag、Pd或Pt，或者由多种这些元素组成的材料。使用这种具有不同性质金属材料作为聚集体可以保证接合部分的稳定强度、韧性等，或者改善接合部分的电导。
使用塑料材料作为聚集体能够使接合部分变轻。耐热的塑料材料，例如聚酰亚胺、聚芳酰胺或者聚醚醚酮材料，在接合暴露于加热温度下时不太可能变性或者恶化，因此可以有利地使用。
除了金属和塑料材料外，使用可以是那些上面例释材料任何之一的无机材料作为聚集体可以同时实现接合部分的变轻和增强。
作为聚集体，可以单独只使用上述不同类型材料的一种。可选地，可以选择多种类型的材料并且组合使用这些材料。
下面的表1表示总接合材料中聚集体的含量。在金属聚集体的情况下，含量指总金属含量，即添加剂和复合金属纳米粒子金属核部分的含量。
                      表1
           接合材料中聚集体的含量(体积)
表1具体地表示了不同类型接合材料的不同形式聚集体的上限。
当聚集体的含量超过各自的上限时，加热时接合材料的流动性显著降低。当用这种低流动性的接合材料填充微小空间时，可能发生不完全的填充。通过使总接合材料中聚集体的体积含量落在表1中限定的范围内时，可以提供具有所需流动性的接合材料，其中可以在低温下烧结并熔接的主体接合材料(复合金属纳米粒子)和聚集体可以以适当的比例混合。
复合金属纳米粒子的金属核部分可以由Au、Ag、Pd、Pt、Cu和Ni之一，或者它们两种或多种的组合构成。
本发明还提供了一种至少将两个部件接合于一起的接合方法，该方法包括：使接合材料提供在部件预定部分之间与之接触、每个所述包含复合金属纳米粒子的接合材料具有不超过100纳米平均粒径的金属粒子金属核用有机材料结合并涂覆的结构，以及将能量施用于接合材料上，从而改变接合材料中包含的复合金属纳米粒子的形态，由此从复合金属纳米粒子中释放出有机材料并且将金属核接合于一起，以及接合金属核和部件的表面。
在形态改变后，复合金属纳米粒子的性质变成与金属本体的性质相同。特别地，熔化起始温度增加到金属本体的熔点。例如，在5纳米金属核大小的银纳米粒子的情况中，熔化接合起始温度(熔点)约为210℃。另一方面，本体金属的熔点为961.93℃。一旦金属纳米粒子接合于一起，除非加热到961.93℃或者更高，否则接合体不会再熔化。因此，接合材料为需要高温接合的重复接合供了理想的接合材料。
使用传统焊接方法，对于某些类型的材料接合有时很难或者不可能。另一方面，本发明的接合方法基本上在所有类型的材料，即金属、塑料和陶瓷间起接合作用，包括在相同类型材料间接合和在不同类型材料间接合。
通过使用任何应用方法，例如喷涂、涂覆、浸涂、旋涂、印刷、调剂，或者插入，允许接合材料提供在待接合部件的预定部分间并与之接触。
能量应用优选地通过加热或者加压，或者通过加热并加压来实施。加热可以通过例如燃烧加热、电加热、加热流体、能量束辐射、在部件间通过电流、感应加热、电介质加热，或者等离子体的方式来实施。接合目标被加热到不高于400℃的温度。
现在将给出实践中常用的贵金属纳米粒子粒径与熔化起始温度间关系的解释。图4阐明了Au纳米粒子粒径与熔化起始温度间的关系(参见C.R.M.Wronski，Brit.J.Appl.Phys.，18(1967)，P.1731)。从图4中明显可见，当粒径降低至小于10纳米时，熔化起始温度出现剧烈的降低。例如，当粒径为2纳米时，熔化起始温度低达约120℃。
因为原子扩散/烧结更加剧烈，对于接合加热至更高温度是优选的。为了避免半导体器件在高温下的恶化，加热至超过400℃的温度是不容许的。
因此，根据本发明接合的最高温度被限制到400℃。
接合优选地在空气、干燥空气、氧化性气体气氛、惰性气体气氛、真空，或者降低烟雾的气氛中实施。为了避免接合表面的污染、变性、恶化等可以使用这些气氛，并且用清洁的表面来实施可靠的接合。
为了有利于接合，待接合部件的接合表面可以接受表面处理，以便能适当调节表面的粗糙度、活性、清洁度等，从而改善接合的可靠性。可使用的表面处理包括清洗、纯水清洗、化学蚀刻、电晕放电处理、火焰处理、等离子体处理、紫外线照射、激光照射、离子束蚀刻、溅射蚀刻、阳极氧化、机械研磨、流体研磨和吹洗至少一种。
通过相同的接合材料可以进一步将其它部件接合到所接合的结构上，其中接合材料中包含的复合金属纳米粒子形态已经改变。
在传统焊接或钎焊情况下，接合温度等于焊接或钎焊材料的熔点。因此，当曾接合过的点被再次加热到接合温度或更高温度下时，该点熔化并流体化。与此明显相反，在利用由于金属纳米粒子熔化起始温度和烧结温度降低现象的本发明方法情况下，先前接合的部分不会被后来接合所施加的加热所再熔化。例如，在粒径5纳米的复合银纳米粒子的情况下，一旦纳米粒子在210℃或更高的温度下加热并接合于一起，接合部分的熔点已经增加到块材银金属的熔点，即961.93℃。因此，除非再加热到961.93℃，接合部分不会再熔化。因此本发明方法可以进行单一模式接合。这种方法优于传统的钎焊，其必须使用具有不同熔点的钎焊材料来实施使用加热整个部件的反流方法的逐步钎焊过程。
根据本发明的方法，通过使用相同的接合材料可以实施重复接合。当然可以使用本发明方法来将部件接合到已经由本发明方法接合过的接合部件上。还可以将接合的部分接合于一起。因此，本发明方法可以使用反流方法来实施重复接合来将已经使用反流方法接合过的部件彼此接合。因此，根据本发明的方法能够尤其有利地用于电子部件的安装中。
还可以使包含金属核平均粒径不超过100纳米的复合金属纳米粒子作为主体接合材料的接合材料存在于结构的预定部分之间并与之接触，每种结构由至少两个独立的部件组成，并且可以改变接合材料中包含的复合金属纳米粒子的形式，由此将多个结构接合于一起。
本发明还提供了另一种接合材料，用于通过在接合温度(摄氏温度)或更高温度下加热接合材料和接合材料的固化而将元件接合于一起，该材料包含复合金属纳米粒子，每个粒子包括由金属构成的金属核和与金属核结合并覆盖它的有机材料，其中所述接合材料在固化后再熔化的温度至少高于所述接合温度的两倍。
本发明还提供了另一种接合材料，用于通过在接合温度(摄氏温度)或更高温度下加热接合材料并烧结接合材料而将元件接合于一起，所述接合材料在室温下是固体或原料形式，其中所述接合材料在烧结后再熔化的温度至少高于所述接合温度的两倍。
本发明还提供了另一种接合材料，用于通过在接合温度(摄氏温度)或更高温度下加热接合材料和接合材料的固化而将元件接合于一起，该材料包含复合金属纳米粒子，每个粒子包括由金属构成的金属核和与金属核化学结合并覆盖它的有机材料，所述有机材料不含氮和硫，其中所述接合材料在固化后再熔化的温度至少高于所述接合温度的两倍。
金属核的直径优选地为0.5到100纳米。
本发明还提供了另一种接合材料，用于通过在接合温度或更高温度下加热接合材料和接合材料的固化而将元件接合于一起，该材料包含通过混合金属与无机材料结合的金属盐和有机材料，并且加热混合物从而从金属盐中分离无机材料并用有机材料涂覆粒径0.5～100纳米的所得金属粒子而获得的复合金属纳米粒子。
有机材料优选地是有机醇材料。另外，混合和加热优选地在非水溶剂中实施。
本发明还提供另一种接合方法，该方法包括：使接合材料存在于至少两个待接合的部件间并与之接触，所述接合材料包含复合金属纳米粒子，每个粒子都具有使直径0.5～100纳米的金属粒子的金属核结合并涂覆有机材料的结构；在等于或高于有机材料分解起始温度，但低于金属本体熔点的温度下加热接合材料，从而从部件间接合材料的金属核中释放有机材料并且烧结金属核，因此形成本体金属并且接合部件得到接合的元件；使相同的接合材料存在于该元件与另一个元件之间并与之接触；并且在等于或高于有机材料分解起始温度，但低于金属本体熔点的温度下加热接合材料，从而从部件间接合材料的金属核中释放有机材料并且烧结金属核而不会熔化所述的本体金属，因此将元件接合于一起。
本发明仍还提供了另一种接合方法，该方法包括：使接合材料存在于至少两个待接合的部件间并与之接触，所述接合材料包含复合金属纳米粒子，每个粒子都具有使直径0.5～100纳米的金属粒子的金属核结合并涂覆有机材料的结构，以至于部件间的间距是接合材料中所含的金属核大小的10～10,000倍；以及在等于或高于有机材料分解起始温度，但低于金属本体熔点的温度下加热接合材料，从而从部件间接合材料的金属核中释放有机材料并且烧结金属核，由此形成本体金属并且将部件接合于一起。
本发明还提供了一种多电极基底，用于将基底的电极接合到另一个基底的电极上，该基底包括多个电极和已经施用到电极上的接合材料，所述接合材料包含复合金属纳米粒子作为主体接合材料，每个纳米粒子都具有使直径0.5～100纳米的金属粒子的金属核与不含氮和硫的有机材料结合并涂覆的结构。
众所周知，当小直径的粒子彼此接触并且加热到特定温度或更高温度时，通常发生烧结现象，即粒子彼此粘接得更强并最终成为一个整体结构(参见“Metallurgy for a Million People”，edited by S.Sakui，Agne，Sep.1989，P.272-277)。随着彼此接触的粒子直径降低，系统每单位体积的接触点数量增加并且烧结起始温度降低。因此，粒径越小，越容易发生烧结。
图13A阐明了通过在小粒子80a和80b间烧结而接合的过程，图13B阐明了通过在小粒子80和大物体82间烧结而接合的过程(参见“Metallurgy for a Million People”，edited by S.Sakui，Agne，Sep.1989，P.272-277)。因此，在图13A和13B中，虚线表示烧结前粒子的形式，并且实线表示烧结后粒子的形式。已经证实构成小粒子的原子的扩散/迁移通过原子的热活化而在表面和粒子的内部发生，并且原子逐渐向接触部分迁移，因此接合成功。
引起原子扩散的动力源是粒子的表面张力，其尤其在粒子之间或粒子与目标之间的接触部分周围的凹陷区(depressed area)中强烈作用，迫使粒子向接触部分迁移。表面张力由在粒子表面内储备的表面能产生。系统中的总表面能与粒子各自表面积的总和成正比。因此，粒径越小，总表面能越大，也就是说更容易发生烧结(参见“Metallurgyfor a Million People”，edited by S.Sakui，Agne，Sep.1989，P.272-277)。
根据本发明的复合金属纳米粒子金属核的平均粒径不超过100纳米，优选地不超过20纳米，更优选地不超过5纳米。尽管平均核径的最小值没有具体限制，只要其生产是可能的就行，一般是约0.5纳米，或者约1.0纳米。以下表2表示了50纳米或更小直径的金属纳米粒子(Fe、Ag、Ni、Cu)开始烧结时的温度(参见Ichinose et al.，“Approach to Ultrafine Particles Technology”，Ohmsha，1988，P.26-29)。
                表2
  金属   直径(纳米)   烧结起始温度(℃)
  Fe   50   300～400
  Ag   20   60～80
  Ni   20   ～200
  Cu   200
如表2所示，当使用直径20纳米的银纳米粒子时，烧结在60～80℃，即近室温的温度下发生(低温烧结)。这组成了根据本发明的接合机理的本质。因此，原则上，通过选择粒径可以在比传统焊接低很多的温度下实施接合。此外，通过选择温度和其它条件，根据本发明的接合可以应用于所有类型材料的接合物体，包括金属、塑料、陶瓷等。
用作主体接合材料的本发明复合金属纳米粒子都具有使小金属核结合并涂覆有机材料的结构。这种复合金属纳米粒子很容易低成本地生产，例如通过使金属盐和有机材料接受热还原来生产。与简单金属粒子相比，金属核结合并涂覆有机材料的复合金属纳米粒子具有它们甚至在收集储备时也不会聚结成粗粒子的巨大优点。
如上所述，粒径更小，粒子更容易烧结。因此，对于粒子来说非常重要且必要的是在介质中保持均匀的分散而不聚集。金属核结合并涂覆有机材料的复合金属纳米粒子当分散在适当的溶剂中时不会聚结成粗粒子，因此可以有利地用作主体接合材料。
如上文所述，根据本发明的接合机理是低温烧结。因此，与传统的焊剂接合不同，本发明的接合材料不会经历熔化-液化-固化的过程。
当固体(焊剂)熔化并液化时，由于液体和重力表面张力间的关系，可以发生有问题的现象，例如如图20A和20B中所示的焊剂扭曲和焊剂陷落。此外，这种焊剂接合可能面临由于液态焊球变平现象的电极间距窄化的极限值0.5毫米。另一方面，根据本发明的接合不使用这种熔化/液化现象，但是使用基本上在固相进行的烧结现象，因此避免了图20A和20B中所示的问题，并且避免了由于焊球变平电极间距的窄化极限值。与根据传统焊接的熔化并液化情况相比，这是因为根据本发明金属粒子在烧结时形状和体积的变化规模极小。因此，根据本发明，电极间距可以窄到远小于焊剂接合的可能值。
根据本发明，可以在接近室温的非常低湿度下进行接合。此外，一旦接合完成，接合部分不会再熔化，除非它被加热到本体金属的熔点。例如，当使用银纳米粒子完成接合时，为了熔化接合部分必须将接合部分加热至至少961.93℃。因此，除非它被加热到比接合时加热温度高很多的温度，接合部分保持连接。因此，如图23所示的逐步接合过程可以被实施而不需要顺序使用具有由高到低不同熔点的焊剂材料。因此，甚至在通过逐步接合多个部件而生产产品时，可以通过使用相同的接合材料来实施接合/生产而不用限制部件的数量。
上述的基底优选地被用于半导体器件的安装。基底的实例包括用于半导体封装件表面安装的插槽和印刷线路基底。
本发明还提供了一种电极接合方法，该方法包括使接合材料存在于基底电极和另一个基底电极间并与之接触，所述接合材料包含复合金属纳米粒子作为主体接合材料，每个粒子具有使平均直径不超过100纳米的金属核与不含氮和硫的有机材料结合并涂覆的结构；以及改变接合材料中包含的复合金属纳米粒子的形式，因此将所述电极接合于一起。
本发明还提供了一种接合结构，该结构至少包括两个借助接合部分而接合在一起的元件，所述接合部分包含具有烧结金属结构的烧结金属部分，所述烧结金属部分已经通过使接合材料存在于元件间而获得，所述接合材料包含金属粒子结合并涂覆有机材料的复合金属纳米粒子作为主体接合材料，以及当将其保持在预定部分时加热或烧热接合材料，从而将所述元件接合于一起。
在许多情况下，熔焊或钎焊的接合部分具有通过熔化金属和随后的固化而形成的所谓固化结构。另一方面，根据本发明的接合结构，接合结构的接合部分具有已经形成的烧结金属结构而不经历接合材料的熔化/液化。因此，防止了接合材料由于熔化引起的大的形状和体积变化。如同后面所述，烧结指这样的现象：当环境温度上升到一定温度时，彼此接触的细粒子开始接合于一起，并且接合部分与总质量的比例随时间增加，并且接合的粒子最终成为整个连续的固体。在烧结情况下，整个接合部分不会熔化和液化，因此当接合部分在宏观上保持为固体时，接合成功并且形状和体积没有大的改变。
例如，可以如下获得烧结的金属部分：使接合材料存在于元件间并与之接触，所述接合材料包含复合金属纳米粒子作为主体接合材料，该纳米粒子具有金属粒子的金属核结合并涂覆有机材料的结构，以及当将接合材料保持在预定部分时加热或烧热接合材料，从而将所述元件接合于一起。
优选地，烧结金属部分形成于半导体裸露芯片和基底间的接合部分、或半导体封装件和线路基底的接合部分中。
本发明还提供了一种金属化装置，用于加热或烧热包含复合金属纳米粒子溶剂分散体的接合材料，纳米粒子具有金属粒子的金属核结合并涂覆有机材料的结构，从而分解并蒸发有机材料并且烧结金属粒子，由此金属化接合材料，该金属化装置包括将惯性力能应用于接合材料的惯性力能施用装置。
通过提供惯性力能施用装置来将惯性力能量，例如摇动、振动或冲击能应用于接合材料，可以促进从接合部分释放分解及蒸发的有机材料。超声波可以用于振动能的应用。考虑到结合并覆盖金属核的有机材料在加热和温度上升期间会从固态改变到半固态或液态，然后通常蒸发并热分解，并最终成为水蒸汽和二氧化碳。惯性力能的应用方便了加热时从半固态和液态有机材料蒸发的气体、以及由有机材料分解产生的气体的释放，由此改善了有机材料的去除并且通过随后的烧结而完成金属化。
优选地，惯性力能施用装置至少包括将摇动能应用于接合材料的装置、将振动能应用于接合材料的装置，以及将冲击能应用于接合材料的装置之一。
本发明还提供了另一种用于加热或烧热包含复合金属纳米粒子溶剂分散体的接合材料，纳米粒子具有金属粒子的金属核结合并涂覆有机材料的结构，从而分解并蒸发有机材料并且烧结金属粒子，因此金属化接合材料的金属化装置，包括：用于容纳接合材料的密封室和用于使室内脱气的脱气装置。
在接合材料加热期间，通过将接合材料容纳在室内，以及使室内脱气而将室保持在减压或真空条件下，可以大幅加速气体(有机材料)从接合部分的释放。
附图说明
图1是阐明本发明中使用的具有金属核结合并涂覆有机材料结构的复合金属纳米粒子的示意图。
图2是表示用来生产复合银纳米粒子的公知过程的流程图。
图3A到3D以过程步骤顺序阐明了根据本发明实施方案的接合方法。
图4表示Au纳米粒子粒径与熔化起始温度间的关系。
图5A和5B是以过程步骤顺序阐明根据本发明将半导体封装件接合到线路基底上的过程的截面图。
图6是表示根据本发明将半导体封装件接合到线路基底上的过程的流程图。
图7是阐明在线路基底和半导体封装件块间接合部分实例的放大横断面视图。
图8是阐明通过根据本发明逐步接合过程而安装半导体器件的实例的截面图。
图9是表示根据本发明接合元件过程的流程图。
图10是表示应用于接合物体上的接合材料状态的电子显微照片。
图11是表示使用包含复合银纳米粒子的接合材料作为主体接合材料而在具有细沟槽的线路基底上形成的银层状态的电子显微照片。
图12是阐明根据本发明的接合结构的示意图。
图13A是阐明在小粒子间烧结接合过程的示意图。
图13B是阐明在小粒子和大物体间烧结接合过程的示意图。
图14A是阐明烧结过程中金属结构的示意图。
图14B是阐明完成接合后接合部分的金属结构的示意图。
图15是根据本发明实施方案的金属化装置的示意图。
图16表示了对于使用包含复合银纳米粒子的接合材料作为主体接合材料且以银材料作为聚集体，并且已经通过图15中的金属化装置以层压方式接合的接合铜板而观察到的剪切接合强度和加热时间之间的关系。
图17是阐明在包括金属化装置的连续半导体封装件安装系统中的过程实例的流程图。
图18A是表示通过金属化装置在Si基底上金属化包含复合银纳米粒子的接合材料而形成的包埋在0.4微米宽沟槽内的银层状态电子显微照片。
图18B是表示通过金属化装置在Si基底上金属化包含复合银纳米粒子的接合材料而形成的包埋在0.15微米宽沟槽内的银层状态电子显微照片。
图19是阐明在传统焊接中观察到的在焊球熔化/液化时焊球变平现象的图。
图20A是阐明在传统焊接中观察到的焊球接合扭曲现象的图。
图20B是阐明在传统焊接中观察到的焊球接合陷落现象的图。
图21A到21E是按过程步骤顺序阐明电学接触传统焊接过程的图。
图22是阐明另一个电学接触传统焊接过程的图。
图23是阐明传统逐步接合的图。
具体实施方式
现在参照相关附图来详细地描述本发明的优选实施方案。
根据本发明如图1所示的接合材料，制备复合金属纳米粒子14，每个粒子包括基本上由金属组分构成的金属核10和由包含C、H和/或O作为主要组分的有机材料构成的结合/涂覆层12(有机材料层)。因为金属核10用由有机材料构成的结合/涂覆层12覆盖，所以复合金属纳米粒子14是稳定的，并且在溶剂中具有低的聚结趋势。
每个复合金属纳米粒子14由有机材料和金属组分构成，金属组分源于作为原材料的金属盐，例如碳酸盐、甲酸盐或乙酸盐。复合金属纳米粒子14的中央部分由围绕着结合有机材料的金属组分构成。有机材料和金属组分被整体结合，它们中部分或者所有被接合于一起。不同于传统通过涂覆表面活性剂而稳定的纳米粒子，复合金属纳米粒子14具有高的稳定性，并且甚至在更高的金属浓度下也是稳定的。
复合金属纳米粒子14的金属核10的平均粒径通常不超过100纳米，优选地不超过20纳米，更优选地不超过10纳米，最优选地不超过5纳米。例如，结合/涂覆层12的高度h约为1.5纳米。金属核10的最小平均粒径d可以是任何最小的可能值，并且没有特别地限制，但是最小值通常约为0.5纳米，优选约为1.0纳米。通过使用这种粒子，可能在远低于金属核10金属熔点的温度下熔化金属核10，从而可以进行低温烧结。例如，在具有约5纳米粒径的团聚银纳米粒子的情况中，烧结(熔化接合)起始温度约为210℃，并且银纳米粒子可以通过在等于或高于熔化起始温度的温度下加热来熔化接合。
例如，可以通过在不低于金属盐的分解还原温度，但低于结合有机材料分解温度的温度下在结合有机材料的存在下于非水溶剂中加热金属盐，如碳酸盐、甲酸盐或乙酸盐来生产复合金属纳米粒子14。作为金属组分，例如可以使用Ag、Au或Pd。作为结合有机材料，例如可以使用具有5个或更多个碳原子的脂肪酸，或者具有8个或更多个碳原子的醇。
加热温度不低于金属盐，例如碳酸盐、甲酸盐或乙酸盐的分解还原温度，但低于结合有机材料的分解温度。例如在乙酸银情况下，分解还原温度为200℃。因此，可以在不低于200℃的温度下保持乙酸银，并且在该温度下结合有机材料不会分解。在此情况下，为了使结合有机材料难于分解，加热气氛优选地是惰性气体气氛。但是通过选择非水溶剂甚至可以在空气中进行加热。
加热时可以加入醇，从而促进反应。只要醇能产生促进反应的作用，它没有特别限制。醇的具体实例包括月桂醇、甘油和乙二醇。醇的量可以根据醇的类型等来按需确定。通常，对于100重量份金属盐，可以以约5～20重量份，优选地5～10重量份的量来加入醇。
在完成加热后，通过公知的纯化方法来实施纯化。例如纯化方法可以是离心、膜纯化，或者溶剂萃取。
如图2所示，可以通过例如用氢氧化钠皂化肉豆蔻醚酸、硬脂酸或油酸，接着与硝酸银反应制备直链脂肪酸(烷基链碳的数量为例如14或18)的银盐，并且在氮气气氛中于约250℃加热4小时，接着纯化的方法来低成本地生产复合银纳米粒子(复合金属纳米粒子)14，银纳米粒子14具有粒径例如约5纳米以超细团聚银作为简单物质的金属核10(银粒子)用有机材料结合并涂覆的结构，例如烷基链壳(结合/涂覆层)12。
此外，虽然没有图表显示，但另一种生产方法包括在不低于硝酸银的分解还原温度但低于离子性有机材料分解温度的约240℃的温度下，并在油酸(离子性有机材料)存在下和环酸高沸点溶剂(非水溶剂)中加热硝酸银(金属盐)3小时，从而生产用离子性有机材料结合并涂覆的复合银纳米粒子。
为了制备接合材料，复合金属纳米粒子14被分散在有机溶剂中，例如甲苯、二甲苯、己烷、辛烷、癸烷、环己烷、蒎烯、苧烯或乙二醇。因为有机材料层12起着用于保护金属核10的保护性涂层作用，所以具有金属核10表面用结合/涂覆层(有机层)12涂覆结构的复合金属纳米粒子14可以稳定的分散在溶剂中，并且作为分散微粒是高度稳定的。因此，可以获得液体接合材料，其中可以在低温下烧结并熔接的主体接合材料(复合金属纳米粒子14)被均匀地分散。
通过在有机溶剂中分散复合金属纳米粒子14，使金属部分与总液体的重量比在1～85％的范围内，并且根据需要向分散流体中添加分散剂或凝结剂，可以获得加热时具有所需流动性的液体接合材料，其中可以在低温下烧结并熔接的主体接合材料(复合金属纳米粒子14)被均匀地分散。如果复合金属纳米粒子14的金属部分与总液体的重量比超过85％，则液体接合材料的流动性显著降低。当用这种液体接合材料填充小间距时，可以发生不完全的填充。
如果复合金属纳米粒子14的金属部分与总液体的重量比低于1％，由于接合材料中太多的有机组分含量，烧结时的脱气可能是不足的，从而在接合层中引起缺陷。
通过在有机溶剂中分散复合金属纳米粒子14，使金属部分与总液体的重量比优选在15～90％的范围内，并且根据需要向分散流体中添加分散剂或凝结剂，而且将分散液制成淤浆、糊或膏形式，可以获得加热时具有所需流动性的淤浆、糊或膏形式的接合材料，其中可以在低温下烧结并熔接的主体接合材料(复合金属纳米粒子14)被均匀地分散。
通过在有机溶剂中分散复合金属纳米粒子14，使金属部分与总焊接材料的重量比优选在20～95％的范围内，并且根据需要向分散流体中添加分散剂或凝结剂，而且或者将分散液固化成许多种形状，例如条、线或球，或者将分散液半固化成冻状形式，制成淤浆、糊或膏形式，可以获得加热时具有所需流动性的固体或半固体接合材料，其中可以在低温下烧结并熔接的主体接合材料(复合金属纳米粒子14)被均匀地分散。
根据所需，可以单独或者组合地向接合材料中加入并且均匀分散粒径0.1到10微米，优选地0.1到1.0微米的聚集体，例如金属材料、塑料材料、或者除金属或塑料材料之外的无机材料。这种聚集体的添加可以给接合材料赋予许多单独使用复合金属纳米粒子时所不具有的性质。
金属材料，例如Al、Cu、Mg、Fe、Ni、Au、Ag、Pd或Pt可以用作聚集体。使用这种具有极好导电性的金属材料作为聚集体可以保证接合材料的稳定导电性。
这些接合材料不同形式聚集体的含量上限列于前述的表1中。当聚集体的含量超过各自的上限时，加热时接合材料的流动性显著降低。当用这种液体接合材料填充小空间时，可以发生不完全的填充。通过使总接合材料中聚集体的体积含量落在表1限定的范围内时，可以提供具有所需流动性的接合材料，其中可以在低温下烧结并熔接的主体接合材料(复合金属纳米粒子)和聚集体可以以适当的比例混合。
现在参照图3A到3D来描述使用上述接合材料通过俯焊方法将半导体器件(半导体芯片)接合到陶瓷线路基底上的实例。此处，使用具有5纳米大小团聚银金属核10的复合银纳米粒子作为复合金属纳米粒子14。
首先，如图3A所示，接合材料例如糊形式，被应用到陶瓷线路基底20的端电极22的预定部分上，从而形成高约2微米且主要由复合金属纳米粒子14构成的复合金属本体24。
因为分散的复合金属纳米粒子14的精细度，在复合金属纳米粒子14被分散在溶剂中时这种复合金属本体24几乎是透明的。接合材料的物理性质，例如表面张力和粘度，可以通过选择溶剂的类型、复合金属纳米粒子的浓度、温度等来调节。
接下来，如图3B所示，使用半导体器件30被面向下地保持在前面的俯焊方法，相对复合金属本体24，以所谓倒装芯片的方式实施半导体器件30电极极板部分的定位，从而将半导体器件30的电极极板部分接合到复合金属本体24。此外，根据所需，接合水准(leveling)还受半导体器件30重量的影响。当然，也可以使用面向上的方法。
在复合银纳米粒子的情况下，如图3C所示，在210～250℃下在热风炉中进行低温烧结30分钟，从而借助银接合层32将半导体器件30的电极极板部分接合到线路基底20的端电极22上。具体地说，复合金属本体24中所含的溶剂，例如甲苯，被蒸发，并且在结合/涂覆层(有机材料层)12(见图1)从金属核(银纳米粒子)10中释放的温度下，或者在等于或高于结合/涂覆层12自身分解温度的温度下加热复合金属本体24主体组分的复合金属纳米粒子14，从而从金属核10中释放结合/涂覆层12，或者分解结合/涂覆层12以使之蒸发。因此，金属核(银纳米粒子)10彼此直接接触并且被烧结形成银层，而且半导体器件30的电极极板部分和线路基底20的端电极22与银层，即接合层32直接接触并且接合到接合层32上。结果，借助银接合层32，半导体器件30的电极极板部分和线路基底20的端电极22被接合到一起。
因此，通过例如在210～250℃下的低温烧结而将半导体器件接合到线路基底上，可以施用能够代替传统焊剂接合的无铅接合。
此外，如上所述，接合部分的熔化温度远高于接合温度。这就提供了在接合后不同部件可以在相同温度或者甚至更高的温度下被接合任何数量次的优点。
另外，如上所述，通过使用包含具有高导电性的金属材料作为聚集体的接合材料，可以保证接合材料的高导电性，并因此增强了半导体器件安装的可靠性。当使用包含金属材料的接合材料时，伴随着复合金属纳米粒子形式的上述改变，复合金属纳米粒子与聚集体(金属材料)的表面直接接触并被接合到聚集体上。这还适用于塑料材料或者例如陶瓷材料的无机材料。
当将半导体器件30a也接合到陶瓷线路基底20的背面时，如图3D所示，接合材料，例如糊形式，被应用到陶瓷线路基底20端电极22a的预定部分，从而形成复合金属本体24a。此后，当使用复合银纳米粒子时，例如在200～250℃，特别是210～250℃下在热风炉中进行低温烧结30分钟，从而借助银接合层32a将半导体器件30a的电极极板部分接合到线路基底20的端电极22a上。
在半导体器件30a的后面接合时，前面形成的银接合层32部分的性质已经转化成与本体金属相同的性质，其中复合金属纳米粒子已经在烧结时改变其形态。具体地说，接合层32具有与本体金属相同的熔点，即961.93℃。一旦金属粒子被接合于一起或者烧结时，除非被加热到961.93℃或者更高的温度下接合层32不会熔化。因此，在将半导体器件30a接合到陶瓷线路基底20的背面上时，接合层32在加热时不会熔化。因此，该接合材料提供了一种用于需要高温接合的重复接合的理想接合材料。
糊形式的接合材料不仅可以通过简单涂覆来实施，还可以通过其它的方法来实施，例如喷涂、刷涂、浸涂、旋涂、调剂、丝网印刷、或者转移印刷。
该实施方案的接合方法基本上可以在所有类型材料，即金属、塑料和例如陶瓷的无机材料的部件，包括相同类型材料部件和不同类型材料部件之间起到接合作用。
尽管在该实施方案中，改变接合中所含复合金属纳米粒子形态的能量应用可以通过利用热风炉的加热(低温烧结)来实施，但能量应用可以通过任何其它方法来实施，例如能量束、粒子束照射的局部加热、部件间通电、部件的传导加热或者介质加热等。在通过能量应用而改变形态时，复合金属纳米粒子被彼此接合、接合到金属材料或者其它添加物上，或者通过烧结和/或熔化接合到许多接合的物体上。
根据本发明的接合方法，加热温度被限制到400℃。现在参照图4来描述限制接合时加热温度的原因，图4阐明了实践中常用的贵金属纳米粒子粒径与熔化起始温度间的关系。
如图4所示，当Au纳米粒子粒径降低到小于10纳米时，熔化接合起始温度出现剧烈的降低。例如，当粒径为2纳米时，温度低达约120℃。另一方面，在高于400℃的温度下加热将导致半导体器件或其它电子部件的显著恶化或伤害。从上述的观点来看，加热温度的上限被确定为400℃。
接合在空气、干燥空气、惰性气体气氛、真空、或者降低烟雾的气氛中实施。具体地说，通过在清洁气氛中实施，接合前的接合表面可以阻止被烟雾，例如矿物油、脂肪和油类、溶剂、水等污染、并且阻止在空气中散射和浮动。
在接合前，上述部件的接合表面可以接受表面处理，例如用有机溶剂或纯水清洗/脱脂、超声清洗、化学蚀刻、电晕放电处理、火焰处理、等离子体处理、紫外线照射、激光照射、离子束蚀刻、溅射蚀刻、阳极氧化、机械研磨、流体研磨和吹洗。
如此通过在接合步骤前除去待接合元件表面上的污染物和外来物质或者改变表面的粗糙度，可以产生适于接合的表面形貌。
如上文所述，本发明提供了不使用铅并且能够代替高温接合的接合材料和接合方法。
现在参照图5A、5B和图6来描述使用上述接合将半导体封装件接合到线路基底上的过程。在焊剂接合中，通常实行下面三种类型的接合过程：(1)烙铁接合；(2)流体接合；和(3)反流接合(参见“Storyof Soldering”，Japanese Standards Association，2001，P.65-74)。另一方面，本发明的过程基本上包括使接合材料存在于接合对象的必要部分并与之接触，然后加热并烧结接合从而起到接合作用。
根据该实施方案，如同图1所示的复合金属纳米粒子14，使用具有5纳米平均粒径的团聚银纳米粒子作为金属核10的复合银纳米粒子。首先，复合金属纳米粒子(复合银纳米粒子)14被分散在溶剂中，例如己烷或甲苯中，作为聚集体的30～300纳米的银纳米粒子与分散液混合来制备可以通过印刷而临时固定的粘性膏状接合材料。
此后，如图5A所示，例如通过丝网印刷将接合材料40应用到线路基底42的预定位置(电极)上。接下来，如图5B所示，背面以格构式安置有接触块(电极)44的半导体封装件46被定位并安装到线路基底42上。然后，加热装配体引发低温烧结，由此将半导体封装件46接合并固定到线路基底42上。具体地说，蒸发接合材料40中所含例如甲苯的溶剂，并且在结合/涂覆层(有机层)12从金属核(银纳米粒子)10中释放的温度下，或者在等于或高于结合/涂覆层12自身分解温度的温度下加热接合材料40主体组分的复合金属纳米粒子14，由此从金属核10中释放结合/涂覆层12，或者分解结合/涂覆层12以使之蒸发。因此，金属核(银纳米粒子)10彼此直接接触并且被烧结形成银接合层，而且半导体封装件46的接触块44和线路基底42的电极与银接合层直接接触并且接合到银接合层上。结果，借助银接合层32，半导体封装件46的接触块44和线路基底42的电极被接合到一起。
已经证实当使用包含平均粒径d为5纳米的银纳米粒子金属核的主体接合材料时，可以在300℃和3分钟的加热条件下起到充分的接合作用。因此通过例如在300℃下的低温烧结而将半导体封装件46的接触块44接合到线路基底42的电极上，可以施用能够代替传统焊剂接合的无铅接合。
实验已经证实当使用丝网印刷方法时，接合材料40的焊点尺寸S和焊点间距P都可以窄到约30微米。因此，与传统BGA封装中焊球变窄的极限值0.5毫米相比，可以实现小于十分之一的窄化。因此本发明的接合过程可以实现显著更高密度的线路，对半导体器件的高密度安装贡献很大。
表3表示根据本发明方法和传统精密焊接对于电极实际采取的焊点间距的最小值。
                           表3
    方法   对象     极限焊点间距
精密焊接   QFP     0.3mm
  BGA/CSP/LGA     0.5mm
    本发明方法   同上且大功率组件等     30μm
如上所述，根据传统精密焊接，QFP封装引线间距的最小极限值(极限焊点间距)是0.3毫米，并且BGA封装，包括CSP封装和LGA封装，焊球间距的极限值(极限焊点间距)是0.5毫米。另一方面，根据本发明，接合材料焊点间距的极限值可以窄到30微米。
图7表示半导体封装件46接触块44和线路基底42接合部分的放大示意图。如图7所示，可以以在接合材料40、40间形成脱气沟槽48的状态将接合材料40应用到线路基底42上。这很容易释放从接合材料40中所含的有机溶剂中蒸发的气体和由与金属核结合并覆盖的有机材料分解所产生的气体。因此与不提供脱气沟槽48的情况相比，提供脱气沟槽48可以改善气体的可释放性，并且因此可以获得较低温度和较短时间的烧结，这对于实际操作是非常有利的。
图8阐明了当借助插槽52接合并固定到线路基底42上时大功率组件50、高电流密度半导体器件的状态。因为其间隔的高电流密度，图8所示的大功率组件50可能由于其自身发热和升温而遭受大的热形变。在大功率组件50和线路基底42间插入插槽52降低了由于大功率组件50和线路基底42间热膨胀的差异而引起的热应力，因而避免了热冲击和热疲劳对部件的伤害。
根据该实施方案，与前面的实施方案一样，接合材料首先通过例如丝网印刷被应用到插槽52表面的预定位置(电极)上。背面以格构式安置有接触块(电极)54的大功率组件50被定位并安装插槽52上。此后，例如在300℃下实施3分钟的接合材料低温烧结，从而借助接合层56将插槽52的电极接合到大功率组件50的接触块54上，因此将大功率组件50安装到插槽52的上表面。接下来，例如通过丝网印刷将接合材料被应用到线路基底42的预定部分(电极)上。背面以格构式安置有接触块(电极)58的插槽52被定位并安装到线路基底42上。此后，例如在300℃下实施3分钟的接合材料低温烧结，从而借助接合层60将的线路基底42的电极接合到插槽52的接触块58上，因此将插槽52安装到线路基底42上。
在需要两步焊剂接合的情况中，对于大功率组件50和插槽52间的接合，传统上被迫使用Sn(5％)-Pb(95％)高温焊剂。此外如前所述，发展无铅高温也没有前景。因此试图寻找一种符合环境保护法则和规章的接合方法已经停止不前。
可以任何次数使用相同接合材料的本发明方法能够解决上述问题。因此，在后来的接合步骤时，前面形成的银等焊层56的性质已经转变成与本体金属相同的性质，焊层中复合金属纳米粒子在烧结时其形态已经改变。具体地说，焊层56具有与本体金属相同的熔点，即961.93℃。一旦金属粒子被烧结，除非被加热到961.93℃或者更高的温度下接合层56不会熔化。因此在第二步接合中焊层56在加热时不会熔化。因此接合材料为需要高温接合的重复接合供了理想的接合材料。
如上文所述，本发明方法能响应例如半导体器件安装技术中更高集成度和更高密度的需求。此外，通过使用无铅接合材料可以实施例如逐步接合过程的第一步接合。
现在参照图9来描述接合元件的过程实施例。在该实施例中使用以上述方式制备的复合银纳米粒子(复合金属纳米粒子)14，银纳米粒子具有粒径例如约5纳米以超细团聚银作为简单物质的金属核10(银粒子)用有机材料结合并涂覆的结构，例如烷基链壳(结合/涂覆层)12。
首先，复合银纳米粒子(复合金属纳米粒子)14，每个粒子包含结合并涂覆结合/涂覆层(烷基链壳)12的金属核10，被在包含有机溶剂、液体聚合物材料、水和醇的一种或多种的溶剂中混合并分散，而且如果需要，加入金属、塑料或无机材料并与分散液混合，从而制备液体或糊形态的接合材料。
例如，通过涂覆接合材料与一般待接合的金属元件的接合部分接触，并且使之存在于元件之间。图10表示了应用到元件表面上的接合材料的状态。从图10中可以看出，复合银纳米粒子被均匀地分散在溶剂中，而各个粒子并没有相互接触。
此后，如图12所示，当元件接合部分间的距离被保持在预定值或更低的值时，接合材料被加热到例如200～300℃下，从而烧结接合材料，因而借助由接合结构的银层构成的接合部分(烧结金属部分)70，将元件72接合于一起。具体地说，公知结合/涂覆层(烷基链壳)12通过在约200℃下加热热分解和蒸发而消耗。因此，当在200到300℃下烧结接合材料时，围绕着金属核10的结合/涂覆层(烷基链壳)12消耗了，而金属核10彼此直接接触并且被烧结形成银层。此外，低温烧结通过银层和待接合元件72的各表面间的接触而发生。结果，借助接合部分(烧结金属部分)70，元件72被接合到一起。
我们认为银纳米粒子通过由极细颗粒引起的低温烧结现象而被接合到一起形成整个银的烧结结构。此外，一般而言，低温烧结还通过银纳米粒子与甚至一个不是银的元件间的接触来发生，如同在银纳米粒子间一样，因而实施了银纳米粒子与接合元件间的接合。
因为金属核10用结合/涂覆层(烷基链壳)12涂覆，所以用作主体接合材料的复合银纳米粒子在元件72的接合过程之前不可能聚结成粗粒子。因此，在接合期间银纳米粒子能甚至能进入非常细的间距中起到充分的填充作用，从而能够可靠的接合。
图11表示了在具有宽度和深度均约为1微米的沟槽的基底表面上形成的银层的状态。从图11中明显可见，基底表面上的细沟槽被银层完全填充而没有空隙。另外，因为接合处理温度低达200到300℃，所以不同于熔接和高温钎焊，接合操作不会引起元件72的过度热变形或扭曲。这在精确元件或物件的生产中是尤其有利的。
现在将描述由烧结形成的烧结结构。开始时将解释烧结行为—接合的本质机理。图13A阐明了在小粒子80a和80b间烧结接合的过程，并且图13B阐明了在小粒子80和大物体82间烧结接合的过程(参见“Metallurgy for a Million People”，edited by S.Sakui，Agne，Sep.1989，P.272-277)。因此，在图13A和13B中，虚线表示烧结前粒子的形式，并且实线表示烧结后粒子的形式。
我们认为本发明银纳米粒子间的接合基本上是由构成各个纳米粒子的原子和物质通过表面扩散和体积扩散向彼此接触的银固体接触部分的迁移引起的。如图1所示，作为主体接合材料的复合银纳米粒子的金属核10与有机材料结合/涂覆层(烷基链壳)12结合并涂覆。通过加热和升温，结合/涂覆层(烷基链壳)12被分散并蒸发，因而金属核10在局部彼此直接接触。烧结从接触部分开始，如图13A所示。引起烧结的能源是材料内部固有的表面张力，表面张力降低了粒子间接触部分的凹陷部分的表面积。如图13B所示，对于粒子与接合物体间的接触这也是正确的。
上述的行为被认为是烧结的物理机理。随着粒子变小，该行为趋向于更精确。这是由于作为材料迁移驱动力的表面张力在粒子表面以表面能被存储，并且总能量与粒子各自表面积的总和成正比，而且每个粒子越小，总的表面积越大，也就是说，所有粒子表面内储备的总表面能越大(参见“Metallurgy for a Million People”，edited by S.Sakui，Agne，Sep.1989，P.277)。
因此，对于极细的粒子很容易发生烧结。所以与正常材料相比，烧结在低得多的温度下发生(低温烧结)。
作为上述烧结现象的结果，图12中所示的接合部分70具有烧结的金属结构。这表示明显不同于所谓的熔融接合，例如熔接和钎焊，因为熔融接合中接合部分曾被局部熔融并且通过随后立即冷却固化而完成接合。因此，在已经经历熔接或钎焊的部分中必需存在固化的结构，而这种结构在根据本发明的接合部分是不存在的。在根据本发明的接合部分中，在晶粒间形成了晶格空位结点和空隙，这是烧结结构的特征。另外，与块材相比晶粒大小趋向于更小。
图14A阐明了在晶粒界限92上和晶粒90内存在着烧结过程中的金属结构，其中晶粒90的大小约为50纳米，这是烧结体的特征。作为原子剧烈扩散的结果，晶粒界限92上空隙94随着烧结的进行而减小并且几乎消失。晶粒90内的空隙94在长的时间后也减小(参见“Metallurgy for a Million People”，edited by S.Sakui，Agne，Sep.1989，P.278)。
图14B表示通过使用上述的复合银纳米粒子作为主体接合材料接合0.3毫米厚铜板使接合部分具有约20微米的厚度，从而获得接合部分的金属结构。同图14A一样，从图14B中可以看出在晶粒90内和晶粒界限92上存在着烧结期间不可避免地形成的空隙。
当使用上述的复合银纳米粒子作为主体接合材料时，根据本发明实施接合的最优温度被证明是210到300℃。此外，实验已经证实当在例如300℃下实施3分钟接合时，晶粒生长到5到200纳米的大小，并且具有接合结构的接合部分具有工业上足够的机械和电学性质。
如上文所述，根据本发明，可以通过低温过程获得具有工业上充足性能的接合部分，该部分具有烧结的金属结构并且可以满足不同机械和电学性质需求。因此，不同于具有使用焊剂或钎焊材料通过熔焊而形成的熔融/固化结构的接合部分，本发明的接合部分可以在逐步接合过程中避免诸如再熔化和热变形的问题。
图15表示根据本发明实施方案的金属化装置。金属化装置包括密封室110，入口通道112和出口通道114通过门阀116a、116b被打开/关闭式地与其连接。在室110、入口通道112和出口通道114中线性地安排传送带118a、118b和118c。
在室110中，用于将处理物体P放置并保持在其上面的夹具120被安置在传送带118a的运动路线上。夹具120可以垂直移动，并且作为惯性力能施用装置与垂直可移动的振动装置122的上端偶合。振动装置122用柔性密封材料124密封。在室110的吊顶面上，装备有加热器126和风扇128，彼此紧密安排，从而使热空气可以吹向放置并保持在夹具120上的处理物体P上。此外，延伸到真空泵130上的真空管132与室110连接。真空泵130和真空管132构成了脱气装置134，用来将室110保持在减压或真空条件下。真空管132装备有用来测量室110内压力的压力计136。
金属化装置用于加热并烧热包含复合金属纳米粒子溶剂分散体的接合材料，从而分解并蒸发有机材料而且烧结金属纳米粒子，从而使接合材料金属化，接合材料已经通过结合并涂覆有机材料来生产。
下文描述处理物体P由半导体器件140，例如通常用作半导体封装的QFP(方形扁平封装)，和线路基底142构成，并且使接合材料146存在于半导体器件140的引线144和线路基底142的电极之间，而且接合材料146被金属化从而将半导体器件140安装到线路基底142上的情况。
最初描述使用接合材料将半导体器件140接合(表面安装)到线路基底142上的过程，接合材料包含具有平均粒径为5纳米的团聚银纳米粒子金属核10的复合银纳米粒子作为复合金属纳米粒子14(参见图1)。首先，复合金属纳米粒子(复合银纳米粒子)14被分散在溶剂，例如己烷或甲苯中，并且30～300纳米的银粒子作为聚集体与分散液混合，从而制备具有足以通过印刷而被临时固定的粘度的膏状接合材料146。
此后，接合材料146例如通过丝网印刷而被应用到线路基底142的预定部分(电极)上。带有引线144的半导体器件140被定位并安装到线路基底142上。然后，加热装配体引发低温烧结，从而将半导体器件140接合并固定到线路基底142上。具体地说，蒸发接合材料146中所含例如甲苯的溶剂，并且在结合/涂覆层(有机层)12从金属核(银纳米粒子)10中释放的温度下，或者在等于或高于结合/涂覆层12自身分解温度的温度下加热接合材料146主体组分的复合金属纳米粒子14，因而从金属核10中释放结合/涂覆层12，或者分解结合/涂覆层12以使之蒸发。因此，金属核(银纳米粒子)10彼此直接接触并且烧结形成银层，而且半导体器件140的引线144和线路基底142的电极与作为接合层的银层直接接触，并且被接合到银接合层上。结果，借助银接合层，半导体器件140的引线144和线路基底142的电极被接合到一起。
已经证实当使用包含平均粒径d为5纳米的银纳米粒子金属核的主体接合材料时，可以在300℃和3分钟内的加热条件下起到充分的接合作用。因此通过例如在约300℃的低温烧结而将半导体器件140的引线144接合到线路基底142的电极上，可以施用能够代替传统焊剂接合的无铅接合。
接下来描述通过使用图15中所示的金属化装置而进行的金属化处理。
首先，包含半导体器件140和线路基底142的待处理物体P被装载到入口通道112的传送带118b上，并且使传送带118a、118b运行，同时打开门阀116，从而将加热的物体P传送到夹具120上，然后关闭门阀116a。通过连续操作加热器126和风扇128，热风被吹向夹具120上的待处理物体P上，从而在预定温度下加热整个待处理的物体P，包括接合材料146。加热期间，开动真空泵130使室110保持在减压或真空条件下，同时开动振动装置122，将惯性力能提供给整个待处理的物体P，包括接合材料146。
从已经通过升温而液化的有机材料所产生的蒸汽和有机材料分解产生的气体在真空排空和振动能的帮助下会打破环境束缚并积极离去，而且通过室110内的空间被吸收并排空入真空泵130。结果，有机材料的分解和蒸发变得更活性。通过开动真空泵130，室110内的压力被保持在低于大气压(760托)，但高于1×10-3托的适当值，从而促进气体的释放。
此外，应用适当的振动能(频率和振幅)会加速材料在半熔融或液态有机材料内的迁移，这也促进了有机材料的释放。
在实施金属化处理预定长时间后，停止真空泵130和振动装置122，并且打开门阀116b。此后，使传送带118a、118b运行从而在处理后将处理物体P传送到下一过程步骤。
尽管在该实施方案中提供了作为惯性力能施用装置的振动装置122和脱气装置134，但也可以仅提供他们之一。甚至在这种情况下也可以一定程度获得脱气促进作用。另外，代替振动装置122，可以使用用于将摇动能应用于接合材料的装置或者将冲击能应用于接合材料的装置来作为惯性力能施用装置。这种惯性力能施用装置可以多个组合使用。
通过金属化装置使用复合金属纳米粒子作为主体接合材料的接合操作例如可以实施：(1)将裸露的半导体芯片安装到插槽等上，及(2)将半导体封装件安装到线路基底上。这就打破了被迫使用包含高浓度Pb的焊剂材料的传统限制。
此外，除了半导体产品外，对于通常使用高温钎焊来接合的一般钎焊结构(热交换器、飞行器部件等)，通过使用本实施方案的金属化装置，接合可以在低得多的温度下进行。因此，接合部分或结构没有经常在高温下发生的热变形、热扭曲和热应力的问题。此外，接合部分或结构具有一旦通过低温烧结完成接合，除非被加热到接合材料中所用金属的熔点下接合部分不会熔化的优点。
图16表示了剪切接合强度和加热时间之间的关系，该关系是使用包含复合银纳米粒子的接合材料作为主体接合材料且以银材料作为聚集体，对于已经通过图15中的金属化装置以层压方式接合的接合铜板而实验确定的。
从图16中可见，当在300℃下烧结10分钟时，可以获得71Kgf/cm2的最大接合强度。假定现在必要的剪切接合强度值为150Kgf/cm2的一半(对于焊剂接合到导电极板上的引线来说这是必要的拉伸接合强度)作为接合强度的指标(index)(参见Sugishita，“Methodfor Evaluation of Thick Film Paste”，The Nikkan Kogyo Shimbun，1985，P.54-55；and Fukuoka，“First Elextronics Mounting Technology”，KogyoChosakai Publishing，2000，P.89-91)，则上述通过烧结获得的接合强度几乎能达到71Kgf/cm2的水平，对于半导体器件的拉起(pull-up)型接合这是必要的接合强度。
对于将例如负荷(bear)半导体芯片接合到插槽等上，尤其是对于小尺寸薄的线路基底生产，最近经常使用室温压力接合来代替传统的精密焊接技术。当通过压力接合来生产小且薄的线路基底时，对负荷芯片(bear chip)必须应用特定的接合负载，这可能会引起芯片内绝缘层的损害，例如裂缝或断裂。这个问题对于最近的采用低-k材料为绝缘层的高集成多层芯片是尤其严重的，因为低-k材料的强度和刚度比传统绝缘材料低很多。
在这种应用中，可以使用上述的金属化装置实施金属化处理来代替压力接触，它可以只通过加热就完成接合而不需要应用机械负载。因此，绝缘层，尤其是低-k材料的绝缘层在接合后可以保持完好无损。通过金属化装置实施的金属化处理在安装过程实施时能够满足更小和更薄产品的需求。
图17表示了包括本发明金属化装置的连续半导体封装件安装系统中的过程实例。该过程包括以下的连续步骤：将接合材料印刷到线路基底上；在线路基底上设置部，如半导体器件；将装配体传送到金属化装置160上；实施上述金属化处理，从而将部件(半导体器件)安装到金属化装置160上的线路基底上；以及清洗所得的线路基底。
除了半导体器件安装外，上述使用金属化装置的金属化处理还可以用于半导体器件的相互连接体的形成、使用模具的小部件的生产等。
因此，本发明的金属化装置具有广泛的应用。依据应用，烧结金属本体的必须厚度可以广泛地从约0.1微米到其数万倍，即几毫米间变化。
因此，当然，本发明的过程没有限制于图17所示的过程。它当然可以实施以下的基本过程：(1)接合材料的供应；和(2)接合材料的加热(烧热)，任何需要的次数，并且可以根据应用来改变步骤操作条件。
此外，对于上面的背景并且对于加工速度和体积，金属化装置自身可以采取多种形式。因此，除了图15中所示的流线式金属化装置外，可以使用能够同时金属化大量处理物体的分批式金属化装置、相似处理室径向安排的群集设备型金属化装置、或者其它类型或形式的金属化装置。
图18A和18B表明了包埋在沟槽内的银层状态，银层已经被包埋在0.15微米宽的沟槽内(图18A)和0.4微米宽的沟槽内(图18B)，两者都在硅基底中通过以上述的方式使用金属化装置金属化包含复合银纳米粒子的接合材料(填充材料)而形成的。当通过实施传统电镀法时，金属在0.15微米或者更低宽度的沟槽内包埋时，在包埋金属中经常会形成空隙。相反，图18A和18B表明沟槽的底部被银金属完全填充，这表明了细沟槽的有效填充。
如上文所述，根据本发明的接合材料金属化可以容易且可靠地实现能够代替传统精密焊接的接合，并且由于不使用铅或锡，该接合能够消除重金属污染的环境负担。
工业应用性
本发明涉及接合材料和能通过使用复合金属纳米粒子而在部件间实施接合的接合方法。

Claims (25)

1、一种在包括至少两个接合步骤的逐步接合方法中使用的接合材料，其包括复合金属纳米粒子在有机溶剂中的分散体，每个所述复合金属纳米粒子都具有使不超过100纳米平均粒径的金属粒子金属核结合并涂覆有机材料的结构，并且所述分散体是液体形态。
2、一种在包括至少两个接合步骤的逐步接合过程中使用的接合材料，其包括复合金属纳米粒子在有机溶剂中的分散体，每个所述复合金属纳米粒子都具有使不超过100纳米粒径的金属粒子金属核结合并涂覆有机材料的结构，并且所述分散体是淤浆、糊或膏形态。
3、一种在包括至少两个接合步骤的逐步接合过程中使用的接合材料，其包括复合金属纳米粒子在有机溶剂中的分散体，每个所述的复合金属纳米粒子都具有使不超过100纳米粒径的金属粒子金属核结合并涂覆有机材料的结构，并且所述分散体是固体或冻状形态。
4、如权利要求1-3之一的接合材料，其还包括平均粒径不超过100微米的聚集体。
5、如权利要求4的接合材料，其中所述聚集体是金属材料、塑料材料、或无机材料、或者它们的组合。
6、如权利要求5的接合材料，其中所述无机材料包括陶瓷、碳、金刚石或玻璃材料。
7、如权利要求1-3之一的接合材料，其中所述复合金属纳米粒子的金属核部分由Au、Ag、Pd、Pt或Cu之一或者它们两种或多种的组合构成。
8、用于将至少两个部件接合于一起的接合方法，其包括：
使接合材料提供在部件预定部分之间并与之接触，所述接合材料包含复合金属纳米粒子作为主体接合材料，每个所述复合金属纳米粒子都具有使不超过100纳米粒径的金属粒子金属核结合并涂覆有机材料的结构；以及
将能量施用于该接合材料上，从而改变接合材料中包含的复合金属纳米粒子的形态，由此从复合金属纳米粒子中释放出有机材料并且将金属核接合于一起，并且接合金属核和部件的表面。
9、如权利要求8的接合方法，其中所述接合在空气、干燥空气、氧化性气体气氛、惰性气体气氛、真空、或者降低烟雾的气氛中实施。
10、如权利要求8的接合方法，其中在进行所述接合前使部件的接合表面接受表面处理。
11、如权利要求8的接合方法，其还包括使用相同的接合材料将另一个部件接合到所述部件的接合结构上，其中接合材料中包含的复合金属纳米粒子的形态已经改变。
12、如权利要求11的接合方法，其中所述另一个部件是由至少两个独立部件组成的结构。
13、一种接合材料，用于通过在接合温度(摄氏温度)或更高温度下加热接合材料和固化接合材料的而将元件接合于一起，该材料包含复合金属纳米粒子，每个粒子包括由金属构成的金属核和与金属核结合并覆盖它的有机材料，其中所述接合材料在固化后再熔化的温度至少高于所述接合温度的两倍。
14、一种接合材料，用于通过在接合温度(摄氏温度)或更高温度下加热接合材料并烧结接合材料而将元件接合于一起，所述接合材料在室温下是固体或原料形式，其中所述接合材料在烧结后再熔化的温度至少高于所述接合温度的两倍。
15、一种接合材料，用于通过在接合温度(摄氏温度)或更高温度下加热接合材料并固化接合材料而将元件接合于一起，该材料包含复合金属纳米粒子，每个粒子由金属构成的金属核和与金属核化学结合并覆盖它的有机材料组成，所述有机材料不含氮和硫，其中所述接合材料在固化后再熔化的温度至少高于所述接合温度的两倍。
16、一种接合方法，其包括：
使接合材料存在于至少两个待接合的部件间并与之接触，所述接合材料包含复合金属纳米粒子，每个粒子都具有使直径0.5-100纳米的金属粒子的金属核结合并涂覆有机材料的结构；
在等于或高于有机材料分解起始温度、但低于金属本体熔点的温度下加热接合材料，从而从存在于部件间的接合材料的金属核中释放有机材料并且烧结金属核，由此形成本体金属并且接合部件得到接合的元件；
使相同的接合材料存在于该元件与另一个元件之间并与之接触：
在等于或高于有机材料分解起始温度、但低于金属本体熔点的温度下加热接合材料，从而从部件间接合材料的金属核中释放有机材料并且烧结金属核而不熔化所述的本体金属，由此将待接合的元件与另一个元件接合。
17、一种接合方法，其包括：
使接合材料存在于至少两个待接合的部件间并与之接触，所述接合材料包含复合金属纳米粒子，每个粒子都具有使直径0.5～100纳米的金属粒子的金属核结合并涂覆有机材料的结构，使得部件间的间隙是接合材料中所含的金属核大小的10～10,000倍；以及
在等于或高于有机材料分解起始温度、但低于金属本体熔点的温度下加热接合材料，从而从部件间接合材料的金属核中释放有机材料并且烧结金属核，由此形成本体金属并且将部件接合于一起。
18、一种多电极基底，用于将基底的电极接合到另一个基底的电极上，该基底包括多个电极和已经施用到电极上的接合材料，所述接合材料包含复合金属纳米粒子作为主体接合材料，每个纳米粒子都具有使平均粒径不超过100纳米的金属粒子的金属核结合并涂覆不含氮和硫的有机材料的结构。
19、一种电极接合方法，其包括：
使接合材料存在于基底电极和另一个基底电极间并与之接触，所述接合材料包含复合金属纳米粒子作为主体接合材料，每个粒子具有使平均直径不超过100纳米的金属核结合并涂覆不含氮和硫的有机材料的结构；以及
改变接合材料中包含的复合金属纳米粒子的形式，由此将所述电极接合于一起。
20、一种接合结构，其包括至少两个借助接合部分而接合在一起的元件，所述接合部分包含具有烧结金属结构的烧结金属部分，所述烧结金属部分已经通过使接合材料存在于元件间而获得，所述接合材料包含具有金属粒子结合并涂覆有机材料的金属核的复合金属纳米粒子作为主体接合材料，以及当将其保持在预定位置时加热或烧热接合材料，从而将所述元件接合于一起。
21、一种金属化装置，用于加热或烧热包含复合金属纳米粒子溶剂分散体的接合材料，所述纳米粒子具有使金属粒子的金属核结合并涂覆有机材料的结构，从而分解并蒸发有机材料并且烧结金属粒子，由此使接合材料金属化，该金属化装置包括将惯性力能施用于接合材料的惯性力能施用装置。
22、如权利要求21的金属化装置，其中所述惯性力能施用装置包括将摇动能应用于接合材料的装置、将振动能应用于接合材料的装置、以及将冲击能应用于接合材料的装置至少之一。
23、如权利要求21的金属化装置，其中所述接合材料用于基底的涂覆、金属在基底中形成的细微凹陷处的包埋、元件间的接合，或者小尺寸部件的生产。
24、一种金属化装置，用于加热或烧热包含复合金属纳米粒子溶剂分散体的接合材料，所述纳米粒子具有使金属粒子的金属核结合并涂覆有机材料的结构，从而分解并蒸发有机材料并且烧结金属粒子，由此金属化接合材料，该金属化装置包括：
用于容纳接合材料的密封室；以及
用于使该室内脱气的脱气装置。
25、如权利要求24的金属化装置，其中所述接合材料用于基底的涂覆、金属在基底中形成的细微凹陷处的包埋、元件间的接合，或者小尺寸部件的生产。
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