專利名稱：一種嵌縫材料和接合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬氧化物制成的嵌縫材料(jointing material)，具體地說，涉及一種嵌縫材料和將一種金屬氧化物如藍(lán)寶石，和另一元件接合的接合方法。
對于這樣一種壓力傳感器芯片，提出一種用藍(lán)寶石制成的基體和振動膜組成殼體的壓力傳感器芯片。藍(lán)寶石，例如剛玉(氧化鋁，α相)，具有很高的熱穩(wěn)定性，很難溶解在酸或堿中，具有廣泛的應(yīng)用，例如在難熔體、絕緣體和研磨劑中。用具有這種性質(zhì)的藍(lán)寶石構(gòu)成殼體時，甚至受測試體是腐蝕性流體時，該流體的壓力也可以通過振動膜直接接觸流體被測量。
所述的壓力傳感器芯片固定在圖5所示的基體上，被用作壓力傳感器。在圖5中，壓力傳感器中芯片501放置在用如玻璃的物質(zhì)制成的基體502中心的凹陷部分中，這樣圖5中振動膜部分面朝上。穿過基體502底面的電極插腳504的端點(diǎn)505在基體502的凹陷部分503的底面露出，并結(jié)合到各個電極的相互結(jié)合點(diǎn)，所述各個電極被延伸至芯片501的基體的背面。在凹陷部分503的底面中形成一個和基體502底面相通的連通孔道506。
中心開孔的蓋板507壓在芯片501的上表面的周圍部分，固定到凹陷部分503上。蓋板507用熔化的玻璃接合到基體502的上表面，這樣它就被固定在基體502上。蓋板507和芯片501的鄰接部分被密封地接合，于是受測試流體進(jìn)來接觸芯片501的上表面也不能進(jìn)入到芯片501周圍的凹陷部分503中。
為了保證壓力測量的準(zhǔn)確性和溫度引起芯片501的變形一致性，蓋板507用藍(lán)寶石制成，和芯片501的材料相同，這樣在芯片501中不產(chǎn)生應(yīng)力。為了排除異接合(hetero-joining)，采用直接接合法將蓋板507和芯片501的鄰接表面接合起來，可以得到上述的密封狀態(tài)。在這樣的藍(lán)寶石接合中，兩個接合表面都進(jìn)行鏡拋光，并彼此面對面地接合。在要接合的兩個藍(lán)寶石元件上施加壓力并加熱，這樣不用任何嵌縫材料就可以達(dá)到一個牢固的接合狀態(tài)。
在上述的直接接合中，由于兩個藍(lán)寶石元件的鄰接表面必須進(jìn)行鏡拋光直到它們的表面粗糙度為0.3nm或更小，該元件(蓋板)就會很昂貴。假如用通常使用的嵌縫材料，接合表面不必鏡拋光?？墒?，當(dāng)一個不同的材料出現(xiàn)在接合表面間時，就會出現(xiàn)應(yīng)力，或者接合部分不耐腐蝕或沒有藍(lán)寶石相同的熱穩(wěn)定性。這樣應(yīng)用就受到了限制。
如上所述，通常，當(dāng)兩個或更多個的金屬氧化物如藍(lán)寶石制成的元件接合形成一個元件，就表現(xiàn)出元件所用材料的100％的性質(zhì)，這些元件用直接接合法互相接合起來。可是直接接合是比較昂貴的。從這點(diǎn)看，采用通常使用的嵌縫材料將各元件相互接合起來，可以低成本地形成一個元件，但是制成元件的材料的性質(zhì)不能被100％地利用。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，嵌縫材料包含氧化硼和比α相氧化鋁更不穩(wěn)定的易變?yōu)榈湍芰考壍闹虚g相氧化鋁。
根據(jù)本發(fā)明嵌縫材料，當(dāng)它被加熱到氧化硼的熔點(diǎn)或更高時，它形成氧化鋁和Al18B4O33的混合物。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，嵌縫材料包含氧化鋁和Al18B4O33。
根據(jù)本發(fā)明嵌縫材料，它具有1000℃或更高的耐熱性。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，接合方法包含以下步驟步驟(1)，在金屬氧化物基體的接合表面上形成一個由溶液形成的溶液層，該溶液溶解了含鋁和氧的第一化合物以及含硼和氧化物的第二化合物；步驟(2)，加熱步驟(1)中所述的溶液層使得第一化合物形成為比α相氧化鋁更不穩(wěn)定的易變?yōu)榈湍芰考壍闹虚g相氧化鋁，第二化合物形成為氧化硼，在基體的接合表面上形成一個嵌縫材料形成的接合層，該嵌縫材料包含中間相氧化鋁和氧化硼；和步驟(3)，在接合層上放另一個元件，在預(yù)定時間內(nèi)加熱接合層到不低于氧化硼熔點(diǎn)的溫度。
根據(jù)所述的接合方法，接合層的嵌縫材料在步驟(3)中形成氧化鋁和Al18B4O33的混合物，這樣將基體和另一個元件接合起來。
在所述的接合方法中，金屬氧化物是α相氧化鋁。如果第一化合物是鋁的有機(jī)金屬化合物，第二化合物是硼的有機(jī)金屬化合物如醇鹽，這點(diǎn)就能滿足?；蛘撸谝换衔锸菤溲趸X如一水軟鋁石，第二化合物是硼酸，也可。中間相氧化鋁可以是γ相、θ相、ι相、κ相、ε相、χ相、δ相、和σ相或無定形狀態(tài)中的任意一種或混合物。
圖2是說明接合方法中

圖1之后的一個步驟的圖。
圖3是說明接合方法中圖2之后的一個步驟的圖。
圖4是說明接合方法中圖3之后的一個步驟的圖。
圖5表示壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
首先，如圖1所示，用Al(OC2H5)3和B(OCH3)3溶解在二甲苯中制成嵌縫材料，將其涂抹藍(lán)寶石基底101上，形成涂膜102。接著，基底101加熱到約450℃，用如波長為172nm的紫外線照射涂膜102，這樣蒸發(fā)了涂膜102中二甲苯，將Al(OC2H5)3和B(OCH3)3熱分解。
因此由無定形或γ層氧化鋁(Al2O3)和無定形氧化硼(B2O3)組成的嵌縫材料在基底101上形成接合層103(圖2)。加熱溫度低于氧化硼的熔點(diǎn)470℃。
涂抹上述溶液形成的接合層103的表面是平的，因?yàn)樗诨?01表面上吸收的步驟。熱分解形成的接合層103中的部分氧化鋁接合在藍(lán)寶石基底101的表面上。
由于氧化鋁具有剛玉型晶體結(jié)構(gòu)(α相)，它形成和剛玉一樣很穩(wěn)定的藍(lán)寶石。和這對比的是，具有立方體系尖晶石類型晶體結(jié)構(gòu)的γ相氧化鋁可能存在氧原子缺少的晶格缺陷，原因有，如晶體結(jié)構(gòu)是非天然的。在無定形氧化鋁中存在現(xiàn)在許多晶格缺陷。當(dāng)按這種方式在如藍(lán)寶石的金屬氧化物晶體上形成具有氧原子缺少的許多晶格缺陷的層時，表面上的氧進(jìn)入晶格缺陷試圖創(chuàng)造一個穩(wěn)定態(tài)。這樣基底101和在其表面上形成的接合層103發(fā)生化學(xué)鍵合并相互接合。
按圖4制備藍(lán)寶石新基底104?；?04放置在基底101上的接合層103上。得到的結(jié)構(gòu)加熱到470℃，或者更高，如480℃。該加熱溫度應(yīng)該等于或高于氧化硼熔化的溫度。在約480℃，達(dá)到一個平衡狀態(tài)，γ相氧化鋁并不熔化而是部分地溶解在已溶解形成液體的氧化硼中。換句話說，在接合層103中，γ相氧化鋁部分溶解在液化的氧化硼中。
在這種狀態(tài)中，已熔化成液體的氧化硼和溶解在其中的γ氧化鋁相互反應(yīng)形成Al2B2O6。
在480℃的加熱狀態(tài)中，當(dāng)溫度等于或高于Al2B2O6的熔點(diǎn)時，Al2B2O6熔化形成液體。然后余下的γ氧化鋁部分地溶解并和熔化的Al2B2O6反應(yīng)，形成Al4B4O9。當(dāng)Al4B4O9在480℃熔化時，余下的γ氧化鋁繼續(xù)部分地溶解并和熔化的Al4B4O9液體反應(yīng)最終形成Al18B4O33。由于Al18B4O33具有1950℃的熔點(diǎn)，當(dāng)被加熱到480℃時不溶解，而形成固體。
因此，當(dāng)接合層103加熱到480℃時，在初始階段其氧化硼部分被熔化。熔化的氧化硼和氧化鋁相互化學(xué)反應(yīng)形成熔點(diǎn)為1950℃的Al18B4O33。因此，如圖4所示，基底101和基底104通過氧化鋁和Al18B4O33組成的接合層103a緊緊地接合在一起。接合層103a具有很高的熱穩(wěn)定性，很難溶解在酸或堿中，和藍(lán)寶石的特征相似。
在上面的描述中，使用Al(OC2H5)3和B(OCH3)3，但本發(fā)明不局限于它們。例如，使用氫氧化鋁如一水軟鋁石溶膠和硼酸時，如果溶解這些物質(zhì)形成的涂膜被加熱，在基底101上形成嵌縫材料制成的接合層103，該嵌縫材料包含無定形或γ層氧化鋁(Al2O3)和無定形氧化硼(B2O3)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，藍(lán)寶石平板元件以直接接合相同的狀態(tài)和藍(lán)寶石壓力傳感器芯片接合起來。這樣得到一個很好的效果，可在不損壞藍(lán)寶石性質(zhì)的情況下低成本地制成藍(lán)寶石壓力傳感器。
如上所述，本發(fā)明的嵌縫材料和接合方法是合適的，金屬氧化物如藍(lán)寶石制成的元件可在不損壞藍(lán)寶石性質(zhì)的情況下低成本地接合在一起時。
權(quán)利要求
1.一種嵌縫材料，其特征在于包含氧化硼和比α相氧化鋁更不穩(wěn)定的易變?yōu)榈湍芰考壍闹虚g相氧化鋁的混合物。
2.一種嵌縫材料，其特征在于包含氧化鋁和Al18B4O33。
3.一種接合方法，其特征在于包括以下步驟步驟(1)，在金屬氧化物基體的接合表面上形成一個由溶液形成的溶液層，該溶液溶解了含鋁和氧的第一化合物以及含硼和氧化物的第二化合物；步驟(2)，加熱步驟(1)中所述的溶液層使得第一化合物形成為比α相氧化鋁更不穩(wěn)定的易變?yōu)榈湍芰考壍闹虚g相氧化鋁，第二化合物形成為氧化硼，在基體的接合表面上形成一個嵌縫材料形成的接合層，該嵌縫材料包含中間相氧化鋁和氧化硼；和步驟(3)，在接合層上放另一個元件，在預(yù)定時間內(nèi)加熱接合層到不低于氧化硼熔點(diǎn)的溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的接合方法，其特征在于金屬氧化物是α相氧化鋁。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的接合方法，其特征在于第一化合物是鋁的有機(jī)金屬化合物，第二化合物是硼的有機(jī)金屬化合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的接合方法，其特征在于第二化合物是硼的醇鹽。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的接合方法，其特征在于第一化合物是氫氧化鋁，第二化合物是硼酸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的接合方法，其特征在于第一化合物是一水軟鋁石。
9.根據(jù)權(quán)利要求3的接合方法，其特征在于中間相氧化鋁可以是γ相、θ相、ι相、κ相、ε相、χ相、δ相、和σ相或無定形狀態(tài)中的任一種或混合物。
全文摘要
用二甲苯中溶解Al(OC
文檔編號C04B37/00GK1471500SQ01818069
公開日2004年1月28日 申請日期2001年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月27日
發(fā)明者增田譽(yù) 申請人:株式會社山武