[發明專利]適用于超聲納米焊接中焊頭與樣品的平行度調節方法

無效

• 申請號: 200910049002.9
• 申請日: 2009-04-09
• 公開（公告）號: CN101559547A
• 公開（公告）日: 2009-10-21
• 發明（設計）人: 徐東;張亞非;趙波;毛啟明;陳翔;何丹農
• 申請（專利權）人: 上海交通大學;上海納米技術及應用國家工程研究中心有限公司
• 主分類號: B23K37/00
• 分類號: B23K37/00;B23K20/10
• 代理公司: 上海交達專利事務所
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及一種納米技術領域中的工藝方法，具體地說，涉及一種適用于超聲納米焊接中焊頭與樣品的平行度調節方法。

背景技術

在制備納電子器件時，一維納米材料與金屬電極之間往往不易形成可靠的電接觸，較高的接觸勢壘和較大的接觸功耗使得納電子器件的突出性能不能很好的體現，并在很大程度上限制了納電子器件的實際應用。

經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利“納米材料鍵合在金屬電極上的方法”(申請號：200510028887.6，公開號CN1738018，授權公告號：CN100336192C)，介紹了一種納電子器件的鍵合技術，該專利自述為“使用加有超聲的超聲鍵合頭擠壓準一維納米材料與金屬電極的接觸局部，使準一維納米材料與金屬電極焊接在一起。”利用這種超聲納米焊接技術可以實現一維納米材料與金屬電極之間長期穩定的低電阻接觸和牢固的機械連接。但其所述的超聲焊頭為直徑為50微米的工作平面，不能適用于大面積焊接的場合；另外，由于焊頭尺寸較小，屬于局部點焊接情況，不會產生由于焊頭和被焊樣品間接觸面不平整導致的焊接失效問題。為了實現在大面積樣品上規模化的納米焊接，需要將焊頭設計為大面積的平面結構。在實際焊接過程中，焊接的主要對象是碳納米管等一維納米材料，平面焊頭與樣品之間的工作間距在納米量級，這就要求焊頭與樣品必須完全平行，焊頭和樣品各處緊密接觸，使得所施加的壓力均勻分布和聲波能量有效傳輸，以便保證整個焊頭覆蓋面積內納米材料焊接的成功。然而，在焊接過程中，由于焊頭的特殊連接結構，在安裝時往往不易保證完全平行；樣品臺在焊接壓力沖擊下也可能會發生一定的傾斜，盡管這往往只是微小的傾角，但仍會導致焊頭和樣品不能充分接觸，使得超聲能量不能有效傳遞到被焊接樣品，從而嚴重影響納米材料的焊接效果。

發明內容

本發明針對現有技術的不足和缺陷，提供了一種適用于超聲納米焊接中焊頭與樣品的平行度調節方法。本發明充分利用膠墊的彈性形變補償兩個接觸平面的微小傾角，從而實現接觸平面的平行和接觸壓力的均勻分布，有效避免或消除現有技術的缺陷和不足。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明通過在樣品下方放置彈性膠墊，利用彈性膠墊的彈性形變特性，實現自動補償焊頭和樣品之間的微小傾角，使得焊頭與樣品完全接觸，確保超聲能量有效均勻地施加在整個焊接區域，從而提高納米電子器件的焊接質量。同時，該方法還具有利用彈性膠墊保護樣品的作用，使得樣品免于因為受力不均而產生變形乃至破損等。

本發明包括如下步驟：

第一步，將彈性膠墊放在二維俯仰臺上，樣品放在彈性膠墊上，焊頭在樣品的上方并與樣品接觸；

第二步，用二維俯仰臺粗調焊頭和樣品之間的平行度，通過調節二維俯仰臺的傾斜程度，補償樣品的與焊頭的水平偏差，使樣品與焊頭保持平行；

第三步，對焊頭施加一定的靜壓力，焊頭下壓時，樣品的局部接觸部位首先受到來自焊頭所施加的壓力，相應部位的彈性膠墊在受到樣品所傳遞的靜壓力之后產生彈性形變向下位移，而原先未與焊頭相接觸的樣品的接觸部位則會順勢地向上位移，從而可以有效地消除焊頭和樣品之間由于微小傾角所產生的間隙，實現接觸平面的平行和接觸壓力的均勻分布；

第四步，施加超聲功率，將樣品表面的納米材料壓入金屬電極內。

所述焊頭是由不銹鋼、金剛石或氧化鋁等材料所制成的超硬焊頭，其可焊接尺寸為厘米量級，平面粗糙度小于0.5納米，以便于保證焊頭和樣品的緊密接觸。

所述樣品為襯底表面預制有微電極和待焊接低維納米材料的平面基片，微電極可以是金屬薄膜或圖形化后的金屬電極條，低維納米材料可以是納米管、納米線、納米晶須、納米顆粒，樣品襯底可以由硅片、玻璃、陶瓷、金屬材料制成，樣品既可以是分割后的小尺寸樣品，也可以是整片大尺寸樣品；

所述膠墊為一定厚度的彈性薄片，可以由硅橡膠、橡膠或其他高分子彈性材料制成，一般來說，膠墊3可以是采用旋涂方法在具有較高平整度、光潔度的硅片、玻璃、陶瓷、金屬等襯底上制備而成且具有一定厚度的薄膜；厚度為50-500微米。

所述二維俯仰臺(樣品臺)，其調節傾角的精度為0.001度。