专利名称：控制活性多层结合中的热波的方法及所得产物的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于仿真数据选择用于反应结合工艺(reactive joiningprocess)的元件及它们的相应结构的方法，以制造具有期望性质的连接。本发明还涉及通过实施这种方法所产生的连接(joint)。
背景技术：
活性多层结合是用于锡焊(soldering)、铜焊(brazing)或焊接(welding)材料的特别有利的工艺。典型的活性多层结合工艺在图1中示意性地示出。此室温焊接工艺基于在压力下将活性多层箔(foi1)1000夹在两层易熔材料1001及有待连接的两组件1002之间，然后例如用火花(spark)1003点燃箔1000。因此触发了导致活性箔1000的温度迅速升高的自传播反应(self-propagating reaction)。由该反应释放的热熔化易熔材料层1001，并且当冷却时，结合两组件1002。此锡焊或铜焊的方法远比使用炉或喷灯的常规技术快。这样，可以实现产量的显著增加。此外，具有非常局域的加热，温度敏感部件和不同材料例如金属和陶瓷可以无热破坏地连接。
采用活性箔的锡焊或铜焊是快速的，且由纳米箔(nanofoil)产生的热局限在连接区。活性箔在涉及温度敏感组件或金属/陶瓷焊接的应用中是特别有利的。特别是，当焊接或铜焊时，温度灵敏元件会在工艺中被破坏或损坏，且对材料的热破坏使得昂贵和耗时的操作成为必然，例如随后的退火或热处理。与此相反，当温度敏感组件的连接是通过活性多层实现时，所连接的部件受到很少的热和小的、有限的持续时间，温度增加。仅铜焊层和元件的表面被充分加热，而且热损伤即使有也是很少的。此外，反应结合工艺是快速的，并获得有成本效益的、强的和热导的连接。因此，在例如光纤光学元件的组装、密封性的密封装置和热沉安装中，可以实现可观的商业利益。
对于高端的金属-陶瓷焊接来说，铜焊是优选的，铜焊是通过将铜焊料放置在金属和陶瓷之间并将整个组件插入炉中而实现的。然而，通过冷却，金属与陶瓷的热膨胀系数(CTE)之间的显著差异引起金属与陶瓷之间大的热应力。例如，当把金属-陶瓷焊接从～700℃的铜焊温度冷却时，金属性元件比陶瓷元件收缩得多。这种不同引起金属和陶瓷组件之间的热应力，并因此引起这些元件的脱焊接(de-bonding)或脱叠层(de-lamination)。因此，常规锡焊或铜焊的金属/陶瓷连接局限于小到1.0平方英寸的区域。当采用活性箔焊接金属和陶瓷组件时，金属和陶瓷组件没有充分加热。结果，几乎不发生热收缩失配和脱叠层。这样，反应接合提供了用于获得强的、大面积金属-陶瓷接合的技术。
用在反应接合工艺中的活性多层(reactive multilayer)是纳米结构材料，其一般通过气相淀积几百个纳米尺度的层而制造，所述层在具有大的负混合热的元素，例如Ni和Al之间交替。这些方法的各种实施在下面的出版物中公开，其整个内容引用在此处作为参考授予Makowiecki等人(“Makowiecki”)的美国专利No.5,381,944；美国专利No.5,538,795；美国专利No.5,547,715；Besnoin等人2002年11月1日在Journal of Applied Physic第92(9)卷，5474-5481页发表的题为“Effect of Reactant and Product Melting onSelf-Propagating Reactions in Multilayer Foils”的文章(“Besnoin”)；2003年9月1日在Journal of Applied Physics第94(5)卷，发表的题为“Deposition andCharacterization of a Self-Propagating CuOx/Al Thermite Reaction in aMultilayer Foil Geometry”的文章；美国专利No.5,381,944；2001年5月1日提交且题为“Free Standing Reactive Multilayer Foils”的美国专利申请No.09/846,486；2000年5月2日提交且题为“Free Standing Reactive MultilayerFoils”的美国临时专利申请No.60/201,292；在由D.A.Glocker和S.I.Shah编辑的Handbook of Thin Film Process Technology 1998年版中出版的题为“Self-Propagating Reactions in Multilayer Materials”一章(“Glocker”)；和在1997年2月的Minerals，Metals，and Materials Society(TMS)Proceeding onNanostructures上提出的题为“Self-Propagating Exothermic Reactions inNanoscale Multilayer Materials”的文章。
Makowiecki公开了活性多层直接淀积在组件表面之一上，且交替材料的选择主要基于相应反应的热。Makowiecki提出的此设计方法学是基于这样的假设在点燃之后，活性多层箔和易熔材料迅速达到热平衡。此假设使得能发展出解释箔的反应热、密度和热容量以及易熔材料的密度和热容量的简化的方法。然而，此方法通常不适用于适当地确定反应结合足够的配置，以及控制在反应结合工艺中的热输运。
然而，后来的发展已经显示，可能仔细地控制反应的热和反应速度，而且还提供了用于制造纳米结构多层的可选择的方法。例如，已经证明，反应的速度、热和温度可以通过改变交替层的厚度而控制。这种证明的例子在下面的出版物中公开，其整个内容引用在此处作为参考美国专利No.5,538,795；1994年在Scripta Metallurgica et Materialia第30(10)卷1281-1286页发表的题为“Combustion Synthesis of Multilayer NiAl Systems”的文章；Gavens等人在2000年2月1日的Applied Physics第87(3)卷1255-1263中发表的题为“Effects of Intermixing on Self-Propagating Exothermic ReactionsinAl/Ni Nanolaminate Nanofoils”的文章，(“Gavens”)；2001年5月1日提交的美国专利申请No.09/846,486；和2000年5月2日提交且题为“FreeStanding Reactive Multilayer Foils”的美国临时专利申请No.60/201,292。
也已经显示，反应的热可以通过更改箔的组分或者通过活性多层制造后进行低温退火而控制，这公开在2000年2月1日出版的Journal of AppliedPhysics第87(3)卷1255-1263页题为“Effects of Intermixing onSelf-Propagating Exothermic Reactions in Al/Ni Nanolaminate Foils”的文章中，其整个内容引用在此处作为参考。制造纳米结构活性多层的可选方法包括(i)机械处理，其公开在美国专利No.6,534,194中，和(ii)电化学淀积。
虽然用于控制反应热、速度和温度的技术以及可选的制造方法是公知的，但需要适用于已知的和新的反应接合结构的新的设计方法学。例如，几个可控的变量在Makowiecki中没有考虑(例如反应速度和温度、活性箔、易熔材料和元件的导热性、和/或元件的密度和热容量)。
此外，需要设计方法学从而采用以新的制造方法获得的箔例如独立式(free-standing)活性多层进行连接，并改进箔与易熔材料或元件之间的附着。
因此，如下所述，本发明的主要目的之一是提供用于控制反应结合中的热输运，并确定从实施新的方法学所获得的优选的结构的方法。
发明内容
本发明的实施例包括仿真包括活性多层材料的组件中的能量分布行为的方法。该方法包括如下步骤，提供能量发展方程(energy evolutionequation)，该能量发展方程包括与起始于活性多层材料中的自传播反应相关的能量源项，该自传播反应具有公知的速度和反应热；离散化(discretizing)该能量发展方程，并通过使用与组件相关的参数来积分该离散化的能量发展方程从而确定在该组件中的能量分布行为。
本发明的另一实施例包括机器可读的程序存储器件、有形地(tangibly)实施机器可执行的指令程序，从而执行用于仿真包括活性多层材料的组件内的能量分布的方法步骤。该方法包括如下步骤，提供能量发展方程，该能量发展方程包括与起始于活性多层材料中的自传播反应相关的能量源项，该自传播反应具有公知的速度和反应热；离散化该能量发展方程，并通过使用与组件相关的参数来积分该离散化的能量发展方程从而确定在该组件中的能量分布行为。
本发明的又一实施例包括一种方法，该方法包括选择活性多层材料；选择用于使用该活性多层材料连接的第一元件和第二元件；提供能量发展方程，该能量发展方程包括与起始于活性多层材料中的自传播反应相关的能量源项，该自传播反应具有公知的速度和反应热；离散化该能量发展方程；通过使用至少与第一元件、第二元件和活性多层材料中之一相关的参数来积分该离散化的能量发展方程，从而确定在第一元件、第二元件和活性多层材料中的能量分布行为；提供具有该参数的第一元件、第二元件和活性多层材料；在第一元件和第二元件之间放置活性多层材料；以及化学地转变该活性多层材料，从而将第一元件连接到第二元件。
本发明的另一实施例包括一种方法。该方法包括提供与第一元件、第二元件和活性多层材料相关的参数。这些参数通过包括如下步骤的方法决定，提供能量发展方程，该能量发展方程包括与起始于活性多层材料中的自传播反应相关的能量源项，该自传播反应具有公知的速度和反应热；离散化该能量发展方程；通过使用至少与第一元件、第二元件和活性多层材料中之一相关的参数来积分该离散化的能量发展方程，从而决定在第一元件、第二元件和活性多层材料中的能量分布行为。该方法还包括提供具有该参数的第一元件、第二元件和活性多层材料；在第一元件和第二元件之间放置活性多层材料；以及化学地转变该活性多层材料，从而将第一元件连接到第二元件。
本发明的再一实施例包括一种连接。该连接包括连接到第二元件的第一元件和与第一元件和第二元件相关的活性多层材料的化学变化剩余物。第一元件、第二元件和活性多层材料至少之一的参数基于第一元件、第二元件和活性多层材料中的能量分布的仿真行为而预先确定。该行为是通过使用这些参数积分离散化的能量发展方程而确定的。该能量发展方程包括与起始于活性多层材料中的自传播前沿(front)相关的能量源项。该自传播前沿具有公知的速度和反应热。
本发明的再一实施例包括一种连接。该连接包括连接到第二元件的第一元件和活性多层材料的化学变化的剩余物。该第一元件具有不同于第二元件的化学组分。
本发明的各种实施例(例如上面提出的本发明的任一实施例)可以包括一个或多个以下方面能量发展方程的离散化可以基于有限差分方法、有限元方法、谱元(spectral-element)方法或者配置法(collocation method)；该活性多层材料可以是活性多层箔且至少一些参数可以与活性多层材料相关；该组件可以是包括第一元件和第二元件的反应结合结构，且参数中的至少一些可以与第一元件和第二元件相关；活性多层材料可以设置在第一元件和第二元件之间；反应结合结构还可以包括第一结合层和第二结合层，且参数中的至少一些可以与第一结合层和第二结合层相关；活性多层材料可以设置在第一结合层和第二结合层之间；第一结合层和第二结合层可以设置在第一元件和第二元件之间；第一元件和第二元件可以基本上具有相同的化学组分；第一元件和第二元件可以具有不同的化学组分；第一元件可以包括金属、金属合金、体金属玻璃、陶瓷、合成物或聚合物，且第二元件包括金属、金属合金、体金属玻璃、陶瓷、合成物或聚合物；金属或金属合金可以包括铝、不锈钢、钛、铜、科瓦铁镍钴合金(Kovar)、铜钼、钼、铁和镍的一种或多种；陶瓷可以包括碳化硅、氮化铝、氮化硅、硅、碳、硼、氮化物、碳化物和铝化物的一种或多种；第一结合层和第二结合层可以具有基本上相同的化学组分；第一结合层和第二结合层可以具有不同的化学组分；第一结合层可以是锡焊料和铜焊料中的一种或多种，且第二结合层可以是锡焊料和铜焊料中的一种或多种；锡焊料可以是铅-锡、银-锡、锡-铋、金-锡、铟，铟-银、铟-铅、铅、锡、锌、金、铟、银和锑中的一种或多种；铜焊料可以是Incusil、Gapasil、TiCuNi、银、钛、铜、铟、镍和金中的一种或多种；包括能量源项的能量发展方程可以是ρ∂h∂t=▿·q+Q·,]]>其中h是焓，ρ是密度，t是时间，q是热通量矢量，且 是在活性多层材料中的能量释放率；参数可以包括长度、宽度、厚度、密度、热容量、热导率、熔化热、熔化温度、反应热、传播速度、原子量和点燃位置中至少一个；确定能量分布的行为可以包括确定下面至少一个第一元件和第二元件的至少一个的熔化量；第一元件和第二元件的至少一个的熔化时间；临界界面是否被浸湿；第一元件和第二元件至少之一的热辐照量；以及第一元件、第二元件和活性多层材料的至少之一的温度、峰值温度、温度曲线图或温度分布；确定能量分布的行为可以包括确定至少下列之一第一结合层和第二结合层的至少一个的熔化量；第一结合层和第二结合层的至少一个的熔化时间；临界界面是否被浸湿；第一元件和第二元件至少之一的热辐照量；以及第一元件、第二元件、第一结合层、第二结合层和活性多层材料的至少之一的温度、峰值温度、温度曲线图或温度分布；反应结合结构还可以包括第三结合层和第四结合层；第三结合层和第四结合层的每个可以预淀积在活性多层材料、第一元件和第二元件之一上，且至少一些参数可以与第三结合层和第四结合层相关；第三结合层和第四结合层可以具有基本上相同的化学组分；第三结合层和第四结合层可以具有不同的化学组分；第三结合层可以是Incusil和Gapasil中至少之一，且第四结合层可以是Incusil和Gapasil中至少之一；选择第一结合层和第二结合层以采用活性多层材料将第一元件连接到第二元件；确定可以包括采用与第一结合层和第二结合层至少之一相关的参数积分离散化的能量发展方程而确定在第一元件、第二元件、第一结合层、第二结合层和活性多层材料中的能量分布行为；提供具有该参数的第一结合层和第二结合层；将第一结合层和第二结合层放置在第一元件和第二元件之间；化学变化可能引起第一结合层和第二结合层的转变；放置第一结合层和第二结合层可以包括在第一元件、第二元件和活性多层材料之一上淀积结合层之一；结合层之一可以是独立片(free-standing sheet)；放置可以包括在活性多层材料和第一元件及第二元件之一之间设置独立片；选择用于使用活性多层材料而将第一元件连接到第二元件的第三结合层和第四结合层；确定可以包括通过使用与第三结合层和第四结合层至少之一相关的参数积分离散化的能量发展方程来确定在第一元件、第二元件、第一结合层、第二结合层、第三结合层、第四结合层和活性多层材料中的能量分布行为；提供具有该参数的第三结合层和第四结合层；在第一元件、第二元件和活性多层材料至少之一上预淀积第三结合层和第四结合层的每个；化学变化可能引起第三结合层和第四结合层的转变；提供与第一结合层和第二结合层相关的参数；确定可以包括通过使用与第一结合层和第二结合层至少之一相关的参数积分离散化的能量发展方程来确定在第一元件、第二元件、第一结合层、第二结合层和活性多层材料中的能量分布行为；提供具有该参数的第一结合层和第二结合层；在第一元件和第二元件之间放置第一结合层和第二结合层；化学变化可能引起第一结合层和第二结合层的转变；第一结合层和第二结合层将第一元件连接到第二元件；第一元件、第二元件、第一结合层、第二结合层和活性多层材料至少之一的参数可以基于在第一元件、第二元件、第一结合层、第二结合层和活性多层材料内的能量分布的仿真行为而预先确定；化学变化可以是点燃；第三结合层和第四结合层将第一元件连接到第二元件；第一元件、第二元件、第一结合层、第二结合层、第三结合层、第四结合层和活性多层材料至少之一的参数基于在第一元件、第二元件、第一结合层、第二结合层、第三结合层、第四结合层和活性多层材料内的能量分布的仿真行为而预先确定。
本发明其他的特点和优点一部分将在下面的说明书中给出，且一部分从说明书中变得明显，或者通过实施本发明而获知。本发明的目的和优点将通过在权利要求中特别指出的元件和组合的方式而实现并获得。
应该理解，上述概括描述和下面的详细描述都是本发明的示意性的和说明性的而不是限制性的，如权利要求所述。
包括进来并作为本说明书一部分的附图示出了本发明的几个实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1示出了活性多层结合结构的示意图；图2a示出了根据本发明实施例的活性多层结合结构的示意图；图2b示出了根据本发明另一实施例的活性多层结合结构的示意图；图3a示出了根据本发明又一实施例的活性多层结合结构的示意图；图3b示出了根据本发明再一实施例的活性多层结合结构的示意图；图4a示出了图3a的活性多层结合结构的测量的示范性温度曲线图；图4b示出了图3a的活性多层结合结构的预测的示范性温度曲线图；图5a示出了图3b的活性多层结合结构的测量到的示范性温度曲线图；图5b示出了图3b的活性多层结合结构的预测的示范性温度曲线图；图6示出了根据本发明再一实施例的活性多层结合结构的示意图；图7a示出了根据本发明再一实施例的箔厚度与反应热关系的示范性图解显示；图7b示出了根据本发明再一实施例的箔厚度与前沿速度关系的示范性图解显示；图8示出了图3b和图6的活性多层结合结构的示范性图解结果；图9示出了图3b和图6的活性多层结合结构的示范性图解结果；图10示出了根据本发明另一实施例的活性多层结合结构的示意图；图11a示出了图10的活性多层结合结构的预测的示范性温度曲线图；图11b示出了图10的活性多层结合结构的测量的示范性红外温度分布；图11c示出了图10的活性多层结合结构的测量的示范性红外温度分布；图12示出了图10的活性多层结合结构的示范性图解结果；图13示出了图10的活性多层结合结构的示范性图解结果；图14示出了图10的活性多层结合结构的示范性图解结果；图15示出了根据本发明再一实施例的活性多层结合结构的示意图；图16示出了图15的活性多层结合结构的示意性图解预测；图17示出了根据本发明再一实施例的活性多层结合结构的示意图；图18示出了图15的活性多层结合结构的示范性预测温度曲线图；图19a示出了图15的活性多层结合结构的示范性预测结果；图19b示出了图15的活性多层结合结构的示范性预测结果；且图20示出了根据本发明再一实施例的活性多层结合结构的示意图。
具体实施例方式
现在将详细讨论本发明的示范性实施例，其范例在附图中示出。在任何可能的地方，同样的参考标号在整个附图中指的是相同或相似的部分。
本发明的实施例包括用于仿真包括活性多层材料(例如箔或纳米箔)的组件内能量分布行为的方法，和/或将这种方法应用到反应结合设置中。
在本发明的一个实施例中，通过在包括活性多层箔(例如纳米箔)、围绕的结合层(例如锡焊料和/或铜焊料)和元件的一种或多种性质的计算域(例如包括计算输入和/或边界)中离散化(即进行数学离散化；定义有限个或可数个组的值；不连续)不稳定的能量方程，而应用根据本发明一方面的计算模型公式。在一个实施例中，此离散化是通过使用活性多层箔、围绕的结合层和元件中的一个或多个的多种尺寸和物理性质、以及计算域的边界条件作为输入而积分此处提出的模型方程而实施的。一个范例包括二维离散化，其中表示箔、结合层和元件的域是矩形域(domain)，每个都按其长度和厚度来指定。
下面的实施例给出了这种结构的范例，其中热释放率 对应于沿反应多层箔的长度传播的基本平坦的自传播前沿(例如当活性多层箔被点燃时，跨活性多层箔、围绕的结合层和元件中的一个或多个产生的能量或热波的前沿)。对于这种实施，计算模型的输入包括(a)元件、锡焊层和/或铜焊料层以及活性箔的尺寸(长度和厚度)，(b)元件的密度、热容量、原子量和热导率，(c)锡焊层和/或铜焊层的密度、热容量、热导率、熔化热、原子量和熔化温度，(d)反应热和传播速度，(e)点燃位置，(f)在活性多层中的反应产物的密度、热容量、热导率、熔化热和熔化温度，和(g)在域边界上的热通量和质量通量条件。然后，离散化模型的计算结果提供了箔、结合层和元件内的热波的瞬时发展。公知的离散化方法、数值积分方法以及用于考虑各种二维和三维结构、离散化和积分方法、点火源和多维前沿传播的方法学可以接合本发明而实施。
例如，模型的应用可以包括提供活性多层箔(例如纳米箔)、第一元件、第二元件、第一结合层和第二结合层的每个的长度、宽度和厚度。采用这些各自的长度、宽度和厚度作为输入，以及在域边界上的热通量和质量通量条件，将上面给出的方程对活性多层箔、第一元件、第二元件、第一结合层和第二结合层的每个积分。积分后，输出是当活性多层箔被点燃时(例如化学变化)能量或热波前沿如何在活性多层箔、第一元件、第二元件、第一结合层和第二结合层的每个中传播的预测。当反应完成且第一元件连接到第二元件时，活性多层箔的剩余物(例如残余)可能出现在第一元件、第二元件、第一结合层和第二结合层的一个或多个中。
在本发明的另一方面，上述计算模型公式的任何预测(例如能量或热波前沿在活性多层箔、第一元件、第二元件、第一结合层和第二结合层的每个中如何表现的预测)可以用于估计各种连接参数例如锡焊层和/或铜焊层的熔化、临界界面的浸湿、和元件的热辐照的大小和持续时间。这样，该模型能预测锡焊料和/或铜焊料的不充分熔化(例如转变)、在临界界面缺少浸湿、过短的熔化持续时间、或者元件的过度热辐照，这种情况下反应结合结构的参数可以被系统地改变。该模型可以再次应用到改变的结构以验证参数是否合适。范例包括箔的厚度和锡焊和/或铜焊层的厚度、反应热(例如通过改变组分或微结构)、和/或焊料材料的系统变化。这种参数的系统变化可以重复进行直到确定合适的结构。对本领域的技术人员来说，如何将这种迭代方法推广到包括其他结构参数和迭代方法是显然的。例如，到模型的输入可以是任何一种此处给出的材料的任何物理性质的任何组合。
本发明的实施例包括用于仿真反应结合工艺的多维计算代码。该代码可以是运行和/或存储在计算机上或任何其他合适的计算机可读媒质上。该代码可以是解释自传播反应和活性箔、易熔材料和/或元件的物理性质的能量方程的多维瞬时公式的实施。下面将描述与本发明一致的计算模型公式。
该多维模型可以基于将非稳定能量方程与由 表示的(例如能量源项)自传播反应(例如反应前沿)的简化表述相结合的特殊处理的数学公式ρ∂h∂t=▿·q+Q·,---(1)]]>在方程(1)中，h表示焓，ρ是密度，t是时间，q是热通量矢量，且 是热释放率。焓，h，是通过涉及材料的热容量cp和潜热hf的详细关系而与温度T相关的(例如在Besnoin中公开的)。具体地，项 表示当自传播前沿穿过活性箔时由其释放出的热的速度。该自传播前沿是根据沿垂直于其表面方向传播的薄前沿而描述的。传播速度是使用测量值(例如Gavens中描述的)或者计算值(例如在Besnoin中描述的)指定的。测量的传播速度和计算的传播速度的范例在图7b中示出，在下面更详细讨论。这样， 的强度通过将公知反应速度与用于给定活性箔的反应热组合而获得。注意 局域在(localized within)穿过箔的前沿内，并在一个或多个易熔材料和/或元件内消失。
在结构内的热或能量波的传播(例如温度的演化)以及一个或多个易熔材料的熔化和/或固化的演变可以通过在整个结构中积分方程Eq.(1)而确定。为此目已经开发出了上述公式的瞬时有限差分计算模型。该有限差分离散化基于将域划分为固定网格(grid)大小的计算单元。焓在单元中心定义，而通量在单元边缘处定义。二阶中心差分近似被用于近似空间导数。此空间离散化方案获得一个有限集(a finite set of)的耦合(coupled)常微分方程(ODE)，其决定着在单元中心处的焓的发展。该组ODE是采用公知为显式的、三阶Adams Bashforth方法的算法对时间积分的。基于所得解，能够容易地确定反应结合工艺的各种性质，包括在特定交叉点或空间位置处熔化(例如转变)的锡焊料量，相应的熔化时间以及在箔、锡焊层或铜焊层和元件内的温度演化。可以实现任意阶的各种可选的空间离散化，包括有限元、谱元或配置近似(collocation approximation)，以及各种隐式、显式或半隐式时间积分方法。
在一维(或平坦)反应前沿的情况下，Eq.(1)的等价稳定公式可以通过在以与反应前沿相同的速度移动的运动参考系中改写该运动方程而导出。然而，这种可选的公式可能有几个缺点，包括确定热界面阻抗随温度的变化(例如反应前和/或反应后)、后期处理和数据分析(例如熔化时间)、以及与实验测量结果比较中的困难。同时注意当相邻层之间的界面最初没有结合时，该公式可以考虑(accommodate)热界面阻抗，且当沿这些界面发生熔化时，可以观察到热界面阻抗的变化。
在另一范例中，本发明的实施例可以包括采用仿真结果，以确定在反应结合工艺中发生的易熔材料(例如连接材料)的熔化程度(例如转变)，以及熔化发生在临界界面处的持续时间。如在此申请中采用的，临界界面是需要熔化以在界面处形成适当连接的界面。在大多数情况下，临界界面是起初没有连接的界面。临界界面的排列可能随着在特定排列中的部分(例如活性箔、易熔材料和/或元件)和该部分的结构而变化。
图2a和2b描述了实施上述提出的各种模型和实验的结果。如图2a所示，一个或多个易熔材料20a、20b可以预淀积在一个或多个元件21a、21b上，使得在箔22的化学变化(例如点燃)之前，在一个或多个易熔材料20a、20b与一个或多个元件21a、21b之间可以提供适当的连接。这样，在图2a中的临界界面是箔22与易熔材料20a、20b之间的界面23a、23b，而不是在易熔材料20a、20b与元件21a、21b之间的界面24a、24b。对于这种排列，可以选择(例如考虑尺寸、形状和/或组分)和/或者特别定位合适部分(例如活性箔、易熔材料和/或组分)，使得当活性箔22化学变化(例如点燃)时，来自点燃的活性箔22的热可以仅在易熔材料20a、20b层的一部分导致熔化。换句话说，来自点燃的活性箔22的热可以不导致易熔材料20a、20b的完全熔化，而且/或者可以不导致易熔材料20a、20b连接到其相应元件21a、21b的部分熔化。在这种排列中，可能基于几个原因而不希望所有易熔材料20a、20b的熔化和/或连接到元件21a、21b的易熔材料20a、20b的熔化。首先，为了产生足够的热以完全熔化易熔材料20a、20b，可能需要更厚和/或更高能的箔22(例如具有更强的化学组分)，这会不必要地增加工序的成本。第二，熔化可能连接到元件21a、21b的易熔材料20a、20b可能会弱化在易熔材料20a、20b与元件21a、21b之间界面处预先存在的强连接。
在图2b中，易熔材料25a、25b的独立片设置在元件26a、26b与活性箔27之间。在这种情况下，易熔材料25a、25b的界面均是初始未连接的，且这样，易熔材料25a、25b的界面28a、28b、29a、29b(例如邻近活性箔27的界面28a、28b和邻近元件26a、26b的界面29a、29b)可以认为是临界界面28a、28b、29a、29b。因此，对此排列，可以选择(例如考虑尺寸、形状和/或组分)和/或特别定位合适部分(例如一个或多个活性箔27、易熔材料25a、25b和/或元件26a、26b)，使得当活性箔27被点燃时，来自点燃的活性箔27的热可以引起一个或多个易熔材料25a、25b的基本上完全熔化。
应该理解，上述图2a和2b中的排列不是限制性的，而是此处提出的一些部件可以组合、被除去、改变和/或用于实施任何数目的合适的排列和/或制造任何数目的合适的产品。基于该排列，构成需要被浸湿的临界界面的也可以变化。例如，一个或多个元件表面可以是未处理的，或者它们可以具有处理层(例如，镀Ni和/或Au的粘附衬层(underlayer)、锡焊料或铜焊料层、或两者，使得锡焊料或铜焊料淀积在粘附层上)。在另一范例中，易熔材料的独立片可以设置在箔与每个元件之间，然而，该独立片可以采用也可以不采用。在另一范例中，活性多层箔可以在活性多层箔的一种或多种侧面具有一个或多个易熔层。在再一范例中，一个或多个易熔材料层可以设置在一个或多个活性多层和一个或多个元件之间。在再一范例中，一个或多个活性多层可以设置在一个或多个元件之间。在这种结构中，该一个或多个活性多层可以直接与一个或多个元件接触(例如特定的活性箔可以提供足够的能量以导致一个或多个元件的熔化)。与反应锡焊或铜焊相反，这种工艺可以称为反应焊接(reactive welding)。反应焊接的范例在2001年5月1日提交的题为“Free Standing Reactive Multilayer Foils”的美国专利申请No.09/846,486中公开了，其整个内容引用在此处作为参考。
在再一范例中，本发明的实施例可以包括将仿真结果与实验观测相结合以确定能在反应结合方法中实施以产生具有合适连接性质的反应结合的条件的合适范围。
关于采用适当的反应结合方法实施和/或制造合适的反应结合，本发明的实施例可以包括任何结构和此处提出的任何方面的组合。一组实施例可以包括各部分(例如一个或多个活性箔、易熔材料和/或元件)关于活性箔中心线基本对称地设置的结构。另一组实施例可以包括各部分关于活性箔中心线不对称设置的结构。这些和其他的实施例在下面描述。
对于具有对称结构的实施例，在箔中心线任何一侧相应对称位置的任何部分的热物理性质可以基本上相同。范例可以是由基本相同材料制成和/或采用基本相同易熔材料层的元件的反应结合。对于具有非对称结构的实施例，在箔任何一侧的相应对称位置，材料性质可以不同。范例可以包括由不同材料制成的元件的连接和/或在活性箔的每一侧使用不同的铜焊料或锡焊料层的反应结合结构。如此处公开的模型结果和实验观测中所反映的，两种设置的区别特征之一可能是，对于对称结构，热可以关于箔中心线对称输运；因此对称的温度分布可以占优势。在非对称结构中，反应热可以关于箔中心线不均等输运，且因此可以建立非对称的温度场。如同此处进一步公开的，这些特点可以对反应结合过程中的热输运产生影响，并提出新的结合排列和结构。
此处描述的本发明已经用于分析很多种对称结构，特别是对于Cu元件、镀Au不锈钢(SS)元件、Ti元件和镀金Al的反应结合。对于Cu-Cu连接和对于镀Au不锈钢连接到自身和对于镀Au的Al连接到自身所获得的示范性结果在此处提供。对Cu-Cu连接和SS-SS连接的方法和结果也适用于其他材料(例如，一种或多种金属、金属合金、体金属玻璃、陶瓷、合成物、聚合物、铝、不锈钢、钛、铜、科瓦铁镍钴合金、铜钼、钼、铁、镍、碳化硅、氮化铝、氮化硅、硅、碳、硼、氮化物、碳化物和铝化物)。
在本发明的一个实施例中，通过比较计算预测与使用红外(IR)测温技术在反应过程中进行的温度测量值而证实了该设计模型。对图3a和3b所示的两种结构提供了结果，示出图3a中的两个Cu元件30a、30b和图3b中的两个镀Au不锈钢元件30c、30d的反应结合。如图3a所示，元件30a、30b的表面31a、31b可以是用具有约75μm厚度的Ag-Sn焊料层32a、32b预先浸湿的(pre-wet)。独立的Ni-Al箔33可以具有约55μm的厚度，且箔33的每一侧可以具有淀积在其上的约1μm的Incusil 34a、34b。如图3b所示，Au-Sn焊料32c、32d的独立片可以具有约25μm厚度且可以设置在活性箔33c与相应的镀Au不锈钢元件30c、30d之间。Ni-Al箔33c的独立片可以具有约70μm厚度，且箔33c的每一侧可以具有淀积在其上的约1μm的Incusil 34c、34d。此处公开的材料和/或值仅是示范性的。本发明适用于其他材料和/或尺寸(例如每个结合层和/或独立片可以是铅-锡、银-锡、锡-铋、金-锡、铟，铟-银、铟-铅、铅、锡、锌、金、铟、银、锑、Incusil、Gapasil、TiCuNi、钛、铜和镍中的一种或多种)。
图4a和4b对比了对于图3a所示的Cu-Cu连接结构的测量和预测的温度曲线图。图4a示出了在活性多层箔点燃(例如化学变化)后的多个时间和在铜元件的反应结合过程中在Cu-Cu连接结构上的基本固定位置处测量的瞬时温度曲线图。图4b公开了在Cu元件的反应结合过程中，在活性多层箔点燃后的0秒、200毫秒、400毫秒、630毫秒、830毫秒和1030毫秒所取的、在Cu-Cu连接结构上的基本上同样的固定位置处的预测的温度曲线图(例如能量分布)。注意测量和计算的峰值温度的良好吻合。同时注意反应结合工艺的短的持续时间。如从图4a和4b中所看出的，反应结合工艺在前沿传播(例如，热或能量通常以其峰值大小通过活性多层箔、结合层和元件的一个或多个上的各个位置的传播)的几百毫秒之内基本完成。
图5a示出了跨过图3b所示的不锈钢连接结构的预测的温度曲线图(例如能量分布)。曲线产生在所选的时刻，对应于自传播前沿经过的时刻且在此后的0.1ms、0.5ms、1ms、10ms、50ms和400ms。该结果显示跨过连接的温度在前沿经过后在400ms处很快降低到48℃，这与实验上的温度测量47℃是可比较的。图5b示出了在图3b所示的不锈钢结构中在距锡焊料层与不锈钢之间的界面100微米位置处的温度演化。示出的是从数值模拟(预测)和红外(实际)测量所获得的结果(例如能量分布)。图5a和5b显示出在模型预测和实验测量之间基本吻合，并示出了温度的快速降低和元件有限的热辐照。
该模型可以应用于系统地研究箔厚度对临界界面的浸湿、对易熔材料的熔化和/或对元件的热辐照的影响。例如，图6描述了Al-6061T6元件60a、60b的反应结合的实施例，该元件可以首先涂覆薄的Ni衬层61a、61b然后涂覆Au层62a、62b。如图6所示，Au-Sn锡焊料的独立片可以具有约25μm的厚度并可以用作易熔材料63a、63b。箔64的每一侧可以具有淀积在其上的约1μm的Incusil 65a、65b。箔64的厚度对焊料63a、63b与元件60a、60b(可以包括或不包括层61a、61b、62a、62b中的一个或多个)之间的临界界面66a、66b的浸湿的影响可以通过量化焊料63a、63b局域地处于熔化状态的持续时间而分析。为此，箔64的厚度可以系统地改变，而(例如箔64、层61a、61b、62a、62b、65a、65b和/或易熔材料63a、63b的)其他参数可以固定。
如此处所示，输入到计算模型公式的模型输入可以包括箔和元件的热物理性质。例如，下面的表公开了可能的输入，例如Al-6061-T6、Au-Sn、Incusil-ABA、Al-NiV箔和/或不锈钢的热导率、热容量和/或密度。
其他可能的输入可以包括Incusil的固相线(solidus)温度(Ts＝878K)、Incusil的液相线(liquidus)温度(Tl＝988K)、Incusil的熔化热(Hf＝10792J/mol)、Au-Sn焊料的固相线温度(Ts＝553K)、Au-Sn焊料的液相线温度(Tl＝553K)、和/或Au-Sn焊料的熔化热(Hf＝6188J/mol)。
基于箔双层厚度的预测值和测量值都在图7a和7b中示出了。图7a示出了对于“厚的”箔(例如具有约2000个双层的RF16)和“薄的”箔(例如具有约640个双层的RF18)，反应热如何可以被Al-Ni箔厚度影响。线描述了给定的特定Al-Ni箔双层厚度的预测反应热，而圆圈描述了具有特定厚度的双层的测量反应热。注意预测的反应热基本与测量的反应热吻合。在再一范例中，图7b描述了前沿速度(速率)如何随双层厚度变化。图7b所示的线描述了给定特定Al-Ni箔双层厚度的预测前沿速度，而圆圈描述了具有特定厚度的双层(例如在Gavens和Besnoin中公开的)的测量的前沿速度。注意，预测的前沿速度基本上与测量的前沿速度吻合。
图8描述了对锡焊料层的熔化量和在临界锡焊料-元件界面处的熔化时间作为箔厚度的函数(例如能量分布)的计算预测。虚线810、820代表可以对例如在图3b中描述的结构中的Al-Al元件的反应结合所获得的结果，而实线830、840代表可以对例如在图6中描述的结构中的镀Au不锈钢元件的反应结合所获得的结果。
对于Al-Al连接，图8中的模型预测显示当箔厚度小于约35μm时，仅发生约25μm厚的Au-Sn焊料层的部分熔化。因此，在焊料与元件之间的临界界面处的熔化时间可以为约0ms。另一方面，当采用具有基本上等于或大于约35μm厚度的箔时，整个焊料层可以熔化且临界界面的浸湿时间(例如局域在界面处的Au-Sn焊料层的熔化时间)可以是正的。特别是，熔化时间可以随着箔厚度的增加而增加。模型预测还显示熔化约25μm厚的Au-Sn焊料层所需的最小箔厚度对Al-Al连接可能大于对SS-SS连接的。此外，对于相应的箔厚度(例如大于约20μm)，该模型预测焊料层的熔化时间，SS-SS连接可以大于(并且随着箔厚度的增加，远大于)Al-Al连接。这可能由于如下事实，不锈钢的热导率可能远小于Al-6061-T6的。因此，热可以以比在Al中慢得多的速度传导进SS。这些预测的结果强调了基于活性多层、易熔材料和/或元件的自传播反应性质和热物理性质，仔细优化反应结合结构的设计、结构和/或尺寸(例如箔厚度)的必要。
在本发明的另一实施例中，(例如与易熔材料的熔化和/或临界界面的浸湿相关的)模型的另外的数字预测可以与另外的实验测量(例如反应结合的抗剪强度)相对照。
例如，图9示出了测量的Al-Al连接和/或SS-SS连接的抗剪强度可能与箔厚度相关和/或依赖于箔厚度。特别地，厚于约55μm的箔对应于RF 16系列(例如具有约2000个双层)，而薄于约55μm的箔对应于RF 18系列(例如具有约640个双层)。连接强度采用张剪交叠测试(tensile shear-lap test)而测量。与图8中提出的预测一致，图9的预测显示，当活性箔的厚度对Al-Al连接为约35μm时，且当活性箔的厚度对SS-SS连接为约20μm时，可以获得成功的连接。特别地，图9示出了当活性箔薄于约35μm时Al-Al连接可能失败，和/或当箔厚度小于约20μm时SS-SS连接可能失败。在图9中给出的测量还表明，各个连接强度可以随着相应箔厚度的增加而稳定增加，直到达到平台和/或峰值强度。一旦达到峰值和/或平台，连接强度可以保持常数且/或即使箔厚度持续增加也不会给连接带来进一步的强度。对于SS-SS连接，当箔厚于约42μm时可能达到平台，且对于Al-Al连接，当箔为约80μm厚时可能达到峰值强度。
因此，通过使用图8的模型预测和图9的测量结果，能够将特定连接的优化的和/或最大的强度与焊料在临界界面处保持在熔化状态的时间相联系。例如，对本结构，可以推断，Au-Sn焊料必须浸湿临界界面约0.5ms以实现优化和/或最大强度的焊接。焊接强度也可能受本结构的其他参数的影响，例如在易熔材料与元件之间的界面的峰值温度。此处给出的预测和/或相应的测量适用于Al-Al和SS-SS连接。对本领域的技术人员，如何将本实施例推广到多种其他材料系统是显然的。
在本发明的另一实施例中，此处提出的设计方法可以用于分析非对称结构(即材料性质，例如热性质，在箔的不同侧可能不同的结构)。这种非对称结构的范例在图10中示出，其示出了SiC到Ti-6-4的反应结合，其中预淀积在SiC和Ti上的Incusil层的厚度可以是固定的。
因为SiC可能具有比Ti-6-4大得多的热导率，在反应结合中热分布图可能关于箔中心线非对称。这种跨过SiC和Ti-6-4组件的热分布图的不对称在图11a中示出，其图解地示出了热波在SiC一侧可以比在Ti上扩散得快。此外，峰值温度在Ti侧通常高于在SiC侧。通过分析SiC-Ti组件在反应结合过程中的IR测温图，可以观察到类似的效应(例如在SiC侧比在Ti侧更快的扩散和/或在Ti侧比在SiC侧更高的峰值温度)，示范性的范例在图11b和11c中示出。图11b示出了在活性多层箔点燃时该结构的IR图像，而图11c示出了在点燃后约240ms时该结构的IR图像。如同此处将进一步讨论的，对非对称连接结构的热性质的这种理解可以用于设计新的反应结合结构。
回到图10，可以预淀积在Ti 102上的Incusil层101可以为约62μm厚，而预淀积在SiC 104上的Incusil层103可以为约100μm厚。在这种特定设计分析中，如下面所述的，参量研究可以首先关于预淀积在活性箔107两侧上的铜焊层105、106的厚度的效果而进行。为此，面对SiC的(图10中的t1)和面对Ti的(图10中的t2)铜焊层105、106厚度可以独立变化。同时，箔107的总厚度(180μm)、反应热(1189J/g)和反应速度(2.9m/s)和结合层105、106的厚度可以固定。用于SiC/Ti-6-4连接分析中的箔可以对应于RF 16系列，其性质在图7a和7b中示出。设计模型的其他输入在下面的表中提供。
其他可能的输入可以包括Incusil的固相线温度(Ts＝878K)、Incusil的液相线温度(Tl＝988K)、和Incusil的熔化热(Hf＝10792J/mol)。
图10的模型计算集中在临界界面的浸湿上，该临界界面在本例中对应于预淀积在箔107上的Incusil层105、106与预淀积在相应元件102、104上的Incusil层101、103之间的界面108、109。具体地，对图10中的排列，需要反应产生足够的热以熔化预淀积在箔107上的铜焊层105、106和部分熔化预淀积在Ti 102和SiC 104上的铜焊层101、103。在计算中，我们通过监测在SiC 104和Ti 102上的熔化的铜焊层101、103的峰值厚度而量化此现象(例如一个或多个铜焊层的熔化)，分别是tSiC和tTi。下面的表示出了对预淀积在箔107上的一个或多个铜焊层105、106厚度t1、t2的各种组合，熔化的铜焊层103、101的各种厚度tSiC和tTi。(即铜焊料的熔化量)。
图12图解地示出了对于等厚的铜焊料105、106(即t1＝t2)淀积在活性箔107的任何一侧的组合中，熔化的铜焊层101、103的厚度作为预淀积在活性箔107的任何一侧上的一个或多个铜焊层105、106的函数。虚线示出了在Ti元件上的铜焊料的熔化量，且实线示出了在SiC元件上的铜焊料的熔化量。
对上表中结果的考察显示，在SiC元件104上熔化的铜焊料103的量或厚度tSiC可以取决于在箔107的SiC侧上的铜焊料层105的厚度t1。具体地，tSiC可能随着t1的增加而减小。类似地，在Ti元件102上熔化的铜焊料101的量或厚度tTi取决于在箔107的Ti侧上的铜焊料层106的厚度t2，并随着后者的增加而减小。此效应在图12中图解示出；其中当增加可能预淀积在箔107上的铜焊料层105、106的厚度(例如，具有t1和t2的厚度)时，两条曲线(tSiC和tTi)均降低。此图还表明，在Ti元件上比在SiC元件上可以熔化更多铜焊料(tTi＞tSiC)。此预测可归因于SiC具有比Ti-6-4高得多的热导率。组合起来，此结果显示期望保持预淀积在箔107上的铜焊料105、106的厚度尽量小。此结果还显示，对两侧面预淀积约1μm厚的Incusil层105、106的、具有约180μm总厚度(不包括层105、106)的箔107，可能发生淀积在两元件102、104上的铜焊料层101、103的基本熔化。这样，此结构提供了用于结合工艺的合适的设计。基于这些结果，能够设计预淀积在反应纳米箔上的易熔材料的厚度，不但为了设计结合工艺，也为了实现例如限制元件的热辐照的其他效果。
图10的非对称排列也可以用于检测整个箔厚度tF对tTi(在钛102上的熔化铜焊料层101的厚度)和tSiC(在碳化硅104上的熔化的铜焊料103的厚度)的影响。根据上述结果，厚度t1(在箔107的SiC侧上铜焊料层105的厚度)和t2(在箔107的Ti侧上铜焊料层106的厚度)可以固定，t1＝t2，其中，例如t1和t2均等于约1μm。如图13所示，箔厚度tF在约60μm与约270μm之间变化，且对照tF画出了tTi和tsiC的计算值。对小于约100μm的箔厚度，预淀积在元件102、104上的铜焊料层101、103的熔化量可以很小，因此tTi和tSiC均可以落在约10μm以下。另一方面，对大于约200μm的箔厚度，预淀积在Ti 103上的Incusil 101的整层可以熔化。因此，此结果表明，对图10的结构，实现合适的和/或期望的效果的合适的和/或期望的箔厚度可以在约150μm到约200μm范围内。在约150μm和约200μm之间的箔厚度可以是合适的和/或期望的，因为这种箔厚度可以保证临界界面108、109的充分浸湿和/或避免预淀积在元件102、104上的铜焊料层101、103的完全熔化。采用此方法学，箔厚度可以设计为在临界界面108、109处引起熔化，而在初始焊接界面处避免此效应。
图10的非对称排列还可以用于检验反应热对易熔材料101、103、105、106的熔化和对临界界面108、109的浸湿的影响。如此处提到的，活性多层箔的反应热可以采用各种方法控制，例如，通过改变化学计量、淀积速率(其影响预混合宽度)、和/或双层厚度中的一个或多个，和/或通过在惰性环境下在中等温度退火箔，如在Gavens和Glocker中讨论的。
为了示出改变反应热可能对熔化易熔材料101、103、105、106和/或浸湿临界界面108、109所产生的影响，对具有约180μm的固定厚度tF的箔107和预淀积在箔107上、每个都具有约1μm的固定厚度t1和t2的Incusil层105、106进行计算机仿真。前沿速度固定在约2.9m/s。采用这些固定值，反应热在约800J/g与约1600J/g之间的范围变化。采用这些输入，tTi和tSiC的预测值通过仿真计算出并对照反应热绘制，如图14所示。该结果显示，tTi和/或tSiC可以表现出与反应热的强依赖性和/或关联。例如，如图14所示，当反应热落在约900J/g以下时，该结果预测会发生铜焊料层101、103的不明显的熔化。当反应热增加得超过约900J/g时，该结果预测tTi和/或tSiC的曲线可能迅速升高。具体地，当反应热超过约1300J/g时，该结果预测在反应结合过程中预淀积在Ti 102上的Incusil 101基本上整层都会熔化。这些结果强调了仔细控制或表现反应热特征的必要和/或好处。例如，在图10所示的非对称结构中，采用的反应热可以优选落在约1100J/g到约1300J/g范围内。反应热能以公知的方式控制，以控制铜焊材料的熔化量，从而限制元件的热辐照，和/或用于控制其他相关结果和/或效应。
在本发明另一实施例中，一种或多种易熔或结合材料(例如锡焊料或铜焊料)的一个或多个独立片150、151可以用在此非对称结构中。例如，图15示出了用于SiC 152和Ti 153的可选结构。如图15所示，Au-Sn锡焊料的独立片150、151作为易熔材料。片150、151每个都可以具有约25μm的厚度。SiC 152和Ti 153可以通过与此处提出的任何结构基本相同的方式处理。例如，具有约62μm厚度的Incusil层155可以预淀积在Ti 153上，且/或具有约100μm厚度的Incusil层154可以预淀积在SiC 152上。活性箔160可以具有预淀积在任何一侧的Incusil层156、157。预淀积在活性箔160上的Incusil层156、157可以具有约1μm的厚度。
在图15所示的结构中，箔160可以优选传送足够量的热以完全熔化独立片Au-Sn层150、151。然而，可以不需要Incusil铜焊料层154、155、156、157中的一个或多个的熔化，因为无论铜焊料本身是否熔化，每个Au-Sn锡焊料层150、151都可以充分粘附到其相应Incusil铜焊料层154、155、156、157。如下面讨论的，进行参数研究以确定箔160的厚度对锡焊料层150、151的熔化和/或对预淀积在Ti 153和SiC 152上的一种或多种Incusil铜焊料层154、155的熔化的影响。活性箔层160的厚度在约30μm与约270μm之间变化。
由于本结构可能需要Au-Sn锡焊料150、151的基本完全熔化，通过监测在每个Au-Sn锡焊料层150、151与其相应的、预淀积在元件Ti 153和SiC152上的Incusil铜焊料层154、155之间的界面158、159处的锡焊料温度而进行预测分析。对每种结构(例如，活性箔层160的厚度变化)，记录了局域在每个界面158、159的锡焊料层150、151保持在其熔化温度以上的时间间隔。预测的结果在图16中示出，其中局域在每个界面158、159的锡焊料层150、151保持在其熔化温度以上的时间间隔对照箔厚度画出。该预测的结果示出需要约30μm的最小箔厚度以熔化两个Au-Sn锡焊料层150、151(例如在Ti侧和/或SiC侧的Au-Sn锡焊料层)。对具有小于约30μm厚度的箔160，该模型预测一个或多个Au-Sn锡焊料层150、151可能仅部分熔化，且因此一个或多个Au-Sn锡焊料层150、151与一个或多个Incusil铜焊料层154、155之间的焊接不足。
采用Au-Sn锡焊料反应性地形成的连接的强度用实验方法确定，其范例在此处给出，且抗剪强度(shear strength)测量值与计算预测进行了对比。下面提出的分析显示，连接强度开始可能随着Au-Sn锡焊料熔化时间的增加而增加，且当在临界界面处的Au-Sn锡焊料在超过约0.5ms的时间内处于其熔化温度以上时，则可以获得连接的峰值强度。基于这一工作，可能需要大约70μm的箔厚度以实现足够的连接强度。该计算(其范例在此处提出)还用于检验预淀积在元件上的Incusil的可能熔化。此结果显示当箔厚度小于约200μm时，预淀积在Ti和SiC上的铜焊料层可以保持在Incusil的熔化温度下。对更厚的箔，可能发生这些层154、155的一个或两个中的Incusil的部分熔化。
在本发明的另一实施例中，锡焊料或铜焊料的熔化时间对所得的反应连接的强度的影响采用实验和模型进行了分析。对于箔、锡焊料层和元件中的一个或多个具有不同长度和宽度，但箔、锡焊料层和元件中的一个或多个具有固定厚度的结构进行了实验研究。具体地，通过采用Incusil(铜焊料)作为易熔材料，并采用AgSnSb(锡焊料)作为易熔材料，形成了SiC与Ti-6-4之间的反应连接。小面积(0.5in×0.5in)和大面积(4in×4in)都已经考虑了，且所得连接的强度通过实验确定。在两种情况下，都采用90μm的活性箔。连接的测量强度作为连接面积的函数在下表中示出
在这种情况下，模型预测显示，不论连接面积多大，Incusil铜焊料的熔化时间为约0.28ms，而AgSnSb锡焊料的熔化时间为约5.49ms。实际期望更大的锡焊料熔化时间，因为后者具有低得多的熔化温度。将熔化时间的预测与测量的抗剪强度相对比，显示结构的长度和宽度(即连接面积)越大，则实现反应结合足够的强度所需的熔化时间就约长。这通过如下事实证明，采用Incusil作为易熔材料，熔化时间短，且对小面积连接获得强焊接，但当同样方案应用到大面积连接时，该连接失败。另一方面，采用AgSnSb作为锡焊材料，熔化时间更长且对小面积和大面积连接都获得了类似的强度。对本领域的技术人员，如何将这些发现推广到其他材料系统和连接面积是显然的。
在本发明的可选实施例中，相应于Al-6101-T6到Al2O3的反应结合的非对称结构在图17中示出。具体地，图17中的结构可以用于分析箔180的厚度对箔180与锡焊料181、182之间的临界界面的浸湿的影响，即通过量化锡焊料181、182局域地处于熔化状态的时间。为此，箔180的厚度可以系统地改变，而其他参数可以固定。模型输入包括箔180、结合层181、182、183、184和元件185、186的热物理性质，如在下表和图7中示出的。
其他可能的输入可以包括Incusil的固相线温度(Ts＝878K)、Incusil的液相线温度(Tl＝988K)、Incusil的熔化热(Hf＝10792J/mol)、Au-Sn锡焊料的固相线温度(Ts＝494K)、Au-Sn锡焊料的液相线温度(Tl＝494K)、和/或Au-Sn锡焊料的熔化热(Hf＝14200J/mol)。
在图17所示的结构中，在Al2O3元件185上的锡焊料层181可以具有约100μm的厚度，而在Al-6101-T6元件186上的锡焊料层182可以具有约75μm的厚度。活性多层箔180可以具有预淀积在箔180两侧上的约1μm厚的Incusil层183、184。
在反应结合过程中的温度分布的细节在图18中示出，其描述了由于具有约148μm厚度的箔180的化学变化，在不同时间跨过连接的瞬时轮廓。如在图18中所看到的，在箔180任何一侧，热传递可能以非对称的方式发生，且在锡焊料层181、182中的热梯度在Al2O3元件一侧可能弱于在具有Al-6101-T6元件186的一侧。这些现象可以直接上溯到元件185、186热扩散系数之间的差异，其对Al-6101-T6元件186可能远大于Al2O3元件185。
箔180的厚度的影响在图19a和19b中进行了分析。图19a示出了锡焊料层181、182的熔化量，且图19b示出了在临界箔-锡焊料界面187、188处和在锡焊料-元件界面189、190处的熔化时间。预测显示，对于在约20μm和约148μm之间变化的所有考虑的箔厚度，连接都可以发生。注意，当箔180的厚度小于约60μm时，部分熔化可能发生在锡焊料层181、182中。对于在约60μm和约100μm之间的箔厚度，完全熔化可能发生在位于Al2O3元件185一侧上的锡焊料层181，而位于Al-6101-T6元件186一侧上的锡焊料层182可能部分熔化。对于具有大于约100μm厚度的箔180，锡焊料层181、182均可能完全熔化。在后一种情况中，结果显示，锡焊料层181、182的局域熔化时间可能随着箔180厚度的增加而基本线性增加。与图18中的结果一致，图19a和19b也显示，在Al2O3元件185一侧上可能比在Al-6101-T6元件186一侧上有更完全和均匀的熔化。特别是，在Al2O3一侧锡焊料-箔界面187上的熔化时间可以大致等于在Al2O3一侧锡焊料-元件界面189上的熔化时间，如图19b所示。另一方面，这些熔化时间在Al一侧可以很不相同，如图19a中的界面188、190所示。综合起来，在图18、19a和19b中的结果显示，锡焊料和元件的热扩散系数对熔化的时间和均匀性可能是关键性的，且因此对连接强度也是关键性的。因此，反应结合应用的设计应该仔细考虑这些参数。
在本发明另一实施例中，可以采用涉及化学上存在差异的多层易熔材料层的反应结合结构。一个特别的结构在图20中给出。图20示出了其中采用两个易熔材料172、173的非对称结构，其中具有较高熔化温度T1的易熔材料172可以用在具有较低热导率k1的元件170的一侧，而具有较低熔化温度的易熔材料173可以用在具有较高相对热导率k2更导电的元件171的一侧。这些排列的范例包括SiC和Ti的连接，其中较低熔化温度铜焊料例如Incusil预淀积在更导电的SiC上，而较高熔化温度的铜焊料例如Gapasil或TiCuNi用在较不导电的Ti元件上。这种排列提供了在反应中热输运的设计可能性、用于连接元件的各个铜焊料或锡焊料层之间的化学兼容性、和反应连接的热物理性质。本实施例可以推广到各种其他的结构。
在各种实施例中，在此处提出的本发明的一些方面可以增加、组合以及从此处提出的其他方面除去，而不脱离本发明的真实范围。
在一些实施例中，应该理解，术语铜焊料、锡焊料、Incusil、易熔材料和/或其他术语可以互换使用。
通过考虑说明书和此处公开的本发明的实施，本发明的其他实施例对本领域的技术人员来说是显然的。说明书和范例旨在仅被看作示范性的，本发明的真正范畴由所附权利要求示出。
权利要求
1.一种仿真在包括活性多层材料的组件中的能量分布行为的方法，该方法包括如下步骤提供能量发展方程，该能量发展方程包括与起始于所述活性多层材料中的自传播反应相关的能量源项，该自传播反应具有公知的速度和反应热；离散化所述能量发展方程；和通过使用与所述组件相关的参数来积分该离散化的能量发展方程从而确定在该组件中的能量分布行为。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述能量发展方程的离散化基于有限差分方法、有限元方法、谱元方法或配置法。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述活性多层材料是活性多层箔，且至少一些所述参数是与所述活性多层材料相关的。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述组件是包括第一元件和第二元件的反应结合结构且至少一些所述参数是与所述第一元件和所述第二元件相关的。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述活性多层材料设置在所述第一元件与所述第二元件之间。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述反应结合结构还包括第一结合层和第二结合层，且至少一些所述参数与所述第一结合层和所述第二结合层相关。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述活性多层材料设置在所述第一结合层与所述第二结合层之间。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述第一结合层和所述第二结合层设置在所述第一元件与所述第二元件之间。
9.如权利要求4所述的方法，其中所述第一元件和所述第二元件基本上具有同样的化学组分。
10.如权利要求4所述的方法，其中所述第一元件和所述第二元件具有不同的化学组分。
11.如权利要求4所述的方法，其中所述第一元件包括金属、金属合金、体金属玻璃、陶瓷、合成物或聚合物，且所述第二元件包括金属、金属合金、体金属玻璃、陶瓷、合成物或聚合物。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述金属或金属合金包括铝、钛、铜、铁和镍的一种或多种。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述陶瓷包括硅、碳、硼、氮化物、碳化物和铝化物的一种或多种。
14.如权利要求6所述的方法，其中所述第一结合层和所述第二结合层具有基本上相同的化学组分。
15.如权利要求6所述的方法，其中所述第一结合层和所述第二结合层具有不同的化学组分。
16.如权利要求6所述的方法，其中所述第一结合层是锡焊料和铜焊料中的一种或多种，且所述第二结合层是锡焊料和铜焊料中的一种或多种。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述锡焊料是铅、锡、锌、金、铟、银和锑中的一种或多种。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述铜焊料是银、钛、铜、铟、镍和金中的一种或多种。
19.如权利要求1所述的方法，其中包括所述能量源项的所述能量发展方程是ρ∂h∂t=▿·q+Q.,]]>其中h是焓，ρ是密度，t是时间，q是热通量矢量，且 是在所述活性多层材料中的能量释放率。
20.如权利要求1所述的方法，其中所述参数包括长度、宽度、厚度、密度、热容量、热导率、熔化热、熔化温度、反应热、传播速度、原子量和点燃位置申的至少一个。
21.如权利要求4所述的方法，其中所述确定能量分布的行为包括确定下面的至少一个所述第一元件和所述第二元件的至少一个的熔化量；所述第一元件和所述第二元件的至少一个的熔化时间；临界界面是否被浸湿；所述第一元件和所述第二元件至少之一的热辐照量；以及所述第一元件、所述第二元件和所述活性多层材料的至少之一的温度、峰值温度、温度曲线图或温度分布。
22.如权利要求6所述的方法，其中所述确定能量分布的行为包括确定下面的至少一个所述第一结合层和所述第二结合层的至少一个的熔化量；所述第一结合层和所述第二结合层的至少一个的熔化时间；临界界面是否被浸湿；所述第一元件和所述第二元件至少之一的热辐照量；以及所述第一元件、所述第二元件、所述第一结合层、所述第二结合层和所述活性多层材料的至少之一的温度、峰值温度、温度曲线图或温度分布。
23.如权利要求6所述的方法，其中所述反应结合结构还包括第三结合层和第四结合层，其中所述第三结合层和所述第四结合层的每个预淀积在所述活性多层材料、所述第一元件和所述第二元件之一上，且至少一些所述参数与所述第三结合层和所述第四结合层相关。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述第三结合层和所述第四结合层具有基本上相同的化学组分。
25.如权利要求23所述的方法，其中所述第三结合层和所述第四结合层具有不同的化学组分。
26.如权利要求23所述的方法，其中所述第三结合层是Incusil和Gapasil中至少之一，且所述第四结合层是Incusil和Gapasil中至少之一。
27.一种机器可读的程序存储器件，有形地实施机器可执行的指令程序，从而进行用于仿真包括活性多层材料的组件内的能量分布的方法步骤，该方法包括如下步骤提供能量发展方程，该能量发展方程包括与起始于所述活性多层材料中的自传播反应相关的能量源项，该自传播反应具有公知的速度和反应热；离散化该能量发展方程；和通过使用与所述组件相关的参数来积分该离散化的能量发展方程从而确定在该组件中的能量分布行为。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述能量发展方程的离散化基于有限差分方法、有限元方法、谱元方法或配置法。
29.如权利要求27所述的方法，其中所述活性多层材料是活性多层箔，且至少一些所述参数是与所述活性多层材料相关的。
30.如权利要求27所述的方法，其中所述组件是包括第一元件和第二元件的反应结合结构且至少一些所述参数是与所述第一元件和所述第二元件相关的。
31.如权利要求30所述的方法，其中所述活性多层材料设置在所述第一元件与所述第二元件之间。
32.如权利要求30所述的方法，其中所述反应结合结构还包括第一结合层和第二结合层，且至少一些所述参数与所述第一结合层和所述第二结合层相关。
33.如权利要求32所述的方法，其中所述活性多层材料设置在所述第一结合层与所述第二结合层之间。
34.如权利要求32所述的方法，其中所述第一结合层和所述第二结合层设置在所述第一元件与所述第二元件之间。
35.如权利要求30所述的方法，其中所述第一元件和所述第二元件基本上具有同样的化学组分。
36.如权利要求30所述的方法，其中所述第一元件和所述第二元件具有不同的化学组分。
37.如权利要求30所述的方法，其中所述第一元件包括金属、金属合金、体金属玻璃、陶瓷、合成物或聚合物，且所述第二元件包括金属、金属合金、体金属玻璃、陶瓷、合成物或聚合物。
38.如权利要求37所述的方法，其中所述金属或金属合金包括铝、钛、铜、铁和镍的一种或多种。
39.如权利要求37所述的方法，其中所述陶瓷包括硅、碳、硼、氮化物、碳化物和铝化物的一种或多种。
40.如权利要求32所述的方法，其中所述第一结合层和所述第二结合层具有基本上相同的化学组分。
41.如权利要求32所述的方法，其中所述第一结合层和所述第二结合层具有不同的化学组分。
42.如权利要求32所述的方法，其中所述第一结合层是锡焊料和铜焊料中的一种或多种，且所述第二结合层是锡焊料和铜焊料中的一种或多种。
43.如权利要求42所述的方法，其中所述锡焊料是铅、锡、锌、金、铟、银和锑中的一种或多种。
44.如权利要求42所述的方法，其中所述铜焊料是银、钛、铜、铟、镍和金中的一种或多种。
45.如权利要求27所述的方法，其中包括所述能量源项的所述能量发展方程是ρ∂h∂h=▿·q+Q.,]]>其中h是焓，ρ是密度，t是时间，q是热通量矢量，且 是在所述活性多层材料中的能量释放率。
46.如权利要求27所述的方法，其中所述参数包括长度、宽度、厚度、密度、热容量、热导率、熔化热、熔化温度、反应热、传播速度、原子量和点燃位置中的至少一个。
47.如权利要求30所述的方法，其中所述确定能量分布的行为包括确定下面至少一个所述第一元件和所述第二元件的至少一个的熔化量；所述第一元件和所述第二元件的至少一个的熔化时间；临界界面是否被浸湿；所述第一元件和所述第二元件至少之一的热辐照量；以及所述第一元件、所述第二元件和所述活性多层材料的至少之一的温度、峰值温度、温度曲线图或温度分布。
48.如权利要求32所述的方法，其中所述确定能量分布的行为包括确定至少下列之一所述第一结合层和所述第二结合层的至少一个的熔化量；所述第一结合层和所述第二结合层的至少一个的熔化时间；临界界面是否被浸湿；所述第一元件和所述第二元件至少之一的热辐照量；以及所述第一元件、所述第二元件、所述第一结合层、所述第二结合层和所述活性多层材料的至少之一的温度、峰值温度、温度曲线图或温度分布。
49.如权利要求32所述的方法，其中所述反应结合结构还包括第三结合层和第四结合层，其中所述第三结合层和所述第四结合层的每个预淀积在所述活性多层材料、所述第一元件和所述第二元件之一上，且至少一些所述参数与所述第三结合层和所述第四结合层相关。
50.如权利要求49所述的方法，其中所述第三结合层和所述第四结合层具有基本上相同的化学组分。
51.如权利要求49所述的方法，其中所述第三结合层和所述第四结合层具有不同的化学组分。
52.如权利要求23所述的方法，其中所述第三结合层是Incusil和Gapasil中至少之一，且所述第四结合层是Incusil和Gapasil中至少之一。
53.一种方法，包括选择活性多层材料；选择用于使用所述活性多层材料连接的第一元件和第二元件；提供能量发展方程，该能量发展方程包括与起始于所述活性多层材料中的自传播反应相关的能量源项，该自传播反应具有公知的速度和反应热；离散化该能量发展方程；通过使用与所述第一元件、所述第二元件和所述活性多层材料中至少之一相关的参数来积分该离散化的能量发展方程，从而确定在所述第一元件、所述第二元件和所述活性多层材料中的能量分布行为；提供具有该参数的所述第一元件、所述第二元件和所述活性多层材料；在所述第一元件和所述第二元件之间放置所述活性多层材料；以及化学地转变所述活性多层材料，从而将所述第一元件连接到所述第二元件。
54.如权利要求53所述的方法，还包括选择用于采用所述活性多层材料将所述第一元件连接到所述第二元件的第一结合层和第二结合层，其中确定的步骤包括通过采用与所述第一结合层和所述第二结合层至少之一相关的参数积分离散化的能量发展方程而确定在所述第一结合层和所述第二结合层中的能量分布行为，提供具有该参数的所述第一结合层和所述第二结合层；和在所述第一元件和所述第二元件之间放置所述第一结合层和所述第二结合层，其中所述化学变化的步骤引起所述第一结合层和所述第二结合层的转变。
55.如权利要求54所述的方法，其中设置所述第一结合层和所述第二结合层的步骤包括在所述第一元件、所述第二元件和所述活性多层材料之一上淀积所述结合层之一。
56.如权利要求54所述的方法，其中所述结合层之一是独立片，其中所述设置的步骤包括在所述活性多层材料和所述第一元件及所述第二元件之一之间设置所述独立片。
57.如权利要求53所述的方法，其中所述活性多层材料是活性多层箔。
58.如权利要求53所述的方法，其中所述第一元件和所述第二元件基本上具有相同的化学组分。
59.如权利要求53所述的方法，其中所述第一元件和所述第二元件具有不同的化学组分。
60.如权利要求53所述的方法，其中所述第一元件包括金属、金属合金、体金属玻璃、陶瓷、合成物或聚合物，且所述第二元件包括金属、金属合金、体金属玻璃、陶瓷、合成物或聚合物。
61.如权利要求60所述的方法，其中所述金属或金属合金包括铝、钛、铜、铁和镍的一种或多种。
62.如权利要求60所述的方法，其中所述陶瓷包括硅、碳、硼、氮化物、碳化物和铝化物的一种或多种。
63.如权利要求54所述的方法，其中所述第一结合层和所述第二结合层具有基本上相同的化学组分。
64.如权利要求54所述的方法，其中所述第一结合层和所述第二结合层具有不同的化学组分。
65.如权利要求54所述的方法，其中所述第一结合层是锡焊料和铜焊料中的一种或多种，且所述第二结合层是锡焊料和铜焊料中的一种或多种。
66.如权利要求65所述的方法，其中所述锡焊料是铅、锡、锌、金、铟、银和锑中的一种或多种。
67.如权利要求65所述的方法，其中所述铜焊料是银、钛、铜、铟、镍和金中的一种或多种。
68.如权利要求53所述的方法，其中包括所述能量源项的所述能量发展方程是ρ∂h∂h=▿·q+Q.,]]>其中h是焓，ρ是密度，t是时间，q是热通量矢量，且 是在所述活性多层材料中的能量释放率。
69.如权利要求53所述的方法，其中所述参数包括长度、宽度、厚度、密度、热容量、热导率、熔化热、熔化温度、反应热、传播速度、原子量和点燃位置中的至少一个。
70.如权利要求53所述的方法，其中所述确定能量分布的行为包括确定下面至少一个所述第一元件和所述第二元件的至少一个的熔化量；所述第一元件和所述第二元件的至少一个的熔化时间；临界界面是否被浸湿；所述第一元件和所述第二元件至少之一的热辐照量；以及所述第一元件、所述第二元件和所述活性多层材料的至少之一的温度、峰值温度、温度曲线图或温度分布。
71.如权利要求54所述的方法，其中所述确定能量分布的行为包括确定至少下列之一所述第一结合层和所述第二结合层的至少一个的熔化量；所述第一结合层和所述第二结合层的至少一个的熔化时间；临界界面是否被浸湿；所述第一元件和所述第二元件至少之一的热辐照量；以及所述第一元件、所述第二元件、所述第一结合层、所述第二结合层和所述活性多层材料的至少之一的温度、峰值温度、温度曲线图或温度分布。
72.如权利要求54所述的方法，还包括选择用于采用所述活性多层材料将所述第一元件连接到所述第二元件的第三结合层和第四结合层，其中所述确定的步骤包括通过采用与所述第三结合层和所述第四结合层至少之一相关的参数积分所述离散化的能量发展方程而确定在所述第三结合层和所述第四结合层中的能量分布行为，提供具有该参数的所述第三结合层和所述第四结合层；在所述第一元件、所述第二元件和所述活性多层材料至少之一上预淀积每个所述第三结合层和所述第四结合层，其中所述化学变化的步骤引起所述第三结合层和所述第四结合层的转变。
73.如权利要求72所述的方法，其中所述第三结合层和所述第四结合层具有基本上相同的化学组分。
74.如权利要求72所述的方法，其中所述第三结合层和所述第四结合层具有不同的化学组分。
75.如权利要求72所述的方法，其中所述第三结合层是Incusil和Gapasil中至少之一，且所述第四结合层是Incusil和Gapasil中至少之一。
76.一种连接方法，包括提供与第一元件、第二元件和活性多层材料相关的参数，该参数通过包括下列步骤的确定方法而确定提供能量发展方程，该能量发展方程包括与起始于所述活性多层材料中的自传播反应相关的能量源项，该自传播反应具有公知的速度和反应热；离散化该能量发展方程；以及通过使用与所述第一元件、所述第二元件和所述活性多层材料中至少之一相关的参数来积分该离散化的能量发展方程，从而确定在所述第一元件、所述第二元件和所述活性多层材料中的能量分布行为；提供具有该参数的所述第一元件、所述第二元件和所述活性多层材料；在所述第一元件和所述第二元件之间放置所述活性多层材料；和化学地转变所述活性多层材料，从而将所述第一元件连接到所述第二元件。
77.如权利要求76所述的方法，还包括提供与第一结合层和第二结合层相关的参数，其中所述确定步骤包括通过使用与所述第一结合层和所述第二结合层至少之一相关的参数积分所述离散化的能量发展方程来确定在所述第一结合层和所述第二结合层中的能量分布行为；提供具有该参数的所述第一结合层和所述第二结合层；在所述第一元件和所述第二元件之间设置所述第一结合层和所述第二结合层，其中所述化学变化步骤引起所述第一结合层和所述第二结合层的转变。
78.如权利要求77所述的方法，其中所述放置所述第一结合层和所述第二结合层的步骤包括在所述第一元件、所述第二元件和所述活性多层材料之一上淀积所述结合层之一。
79.如权利要求77所述的方法，其中所述结合层之一是独立片，其中所述放置步骤包括在所述活性多层材料与所述第一元件和所述第二元件之一之间放置所述独立片。
80.如权利要求76所述的方法，其中所述活性多层材料是活性多层箔。
81.如权利要求76所述的方法，其中所述第一元件和所述第二元件具有基本上相同的化学组分。
82.如权利要求76所述的方法，其中所述第一元件和所述第二元件具有不同的化学组分。
83.如权利要求76所述的方法，其中所述第一元件包括金属、金属合金、体金属玻璃、陶瓷、合成物或聚合物，且所述第二元件包括金属、金属合金、体金属玻璃、陶瓷、合成物或聚合物。
84.如权利要求83所述的方法，其中所述金属或金属合金包括铝、钛、铜、铁和镍的一种或多种。
85.如权利要求83所述的方法，其中所述陶瓷包括硅、碳、硼、氮化物、碳化物和铝化物的一种或多种。
86.如权利要求77所述的方法，其中所述第一结合层和所述第二结合层具有基本上相同的化学组分。
87.如权利要求77所述的方法，其中所述第一结合层和所述第二结合层具有不同的化学组分。
88.如权利要求77所述的方法，其中所述第一结合层是锡焊料和铜焊料中的一种或多种，且所述第二结合层是锡焊料和铜焊料中的一种或多种。
89.如权利要求88所述的方法，其中所述锡焊料是铅、锡、锌、金、铟、银和锑中的一种或多种。
90.如权利要求88所述的方法，其中所述铜焊料是银、钛、铜、铟、镍和金中的一种或多种。
91.如权利要求76所述的方法，其中包括所述能量源项的所述能量发展方程是ρ∂h∂h=▿·q+Q.,]]>其中h是焓，ρ是密度，t是时间，q是热通量矢量，且 是在所述活性多层材料中的能量释放率。
92.如权利要求76所述的方法，其中所述参数包括长度、宽度、厚度、密度、热容量、热导率、熔化热、熔化温度、反应热、传播速度、原子量和点燃位置中的至少一个。
93.如权利要求76所述的方法，其中所述确定能量分布的行为包括确定下面至少一个所述第一元件和所述第二元件的至少一个的熔化量；所述第一元件和所述第二元件的至少一个的熔化时间；临界界面是否被浸湿；所述第一元件和所述第二元件至少之一的热辐照量；以及所述第一元件、所述第二元件和所述活性多层材料的至少之一的温度、峰值温度、温度曲线图或温度分布。
94.如权利要求77所述的方法，其中所述确定能量分布的行为包括确定至少下列之一所述第一结合层和所述第二结合层的至少一个的熔化量；所述第一结合层和所述第二结合层的至少一个的熔化时间；临界界面是否被浸湿；所述第一元件和所述第二元件至少之一的热辐照量；以及所述第一元件、所述第二元件、所述第一结合层、所述第二结合层和所述活性多层材料的至少之一的温度、峰值温度、温度曲线图或温度分布。
95.如权利要求77所述的方法，还包括提供与第三结合层和第四结合层相关的参数，其中所述确定的步骤包括通过采用与所述第三结合层和所述第四结合层相关的参数积分所述离散化的能量发展方程而确定在所述第三结合层和所述第四结合层中的能量分布行为，提供具有该参数的所述第三结合层和所述第四结合层；在所述第一元件和所述第二元件之间放置所述第三结合层和所述第四结合层，其中所述化学变化的步骤引起所述第三结合层和所述第四结合层的转变。
96.如权利要求95所述的方法，其中所述第三结合层和所述第四结合层具有基本上相同的化学组分。
97.如权利要求95所述的方法，其中所述第三结合层和所述第四结合层具有不同的化学组分。
98.如权利要求95所述的方法，其中所述第三结合层是Incusil和Gapasil中至少之一，且所述第四结合层是Incusil和Gapasil中至少之一。
99.一种连接，包括连接到第二元件的第一元件；和与所述第一元件和所述第二元件相关的活性多层材料的化学变化剩余物，其中所述第一元件、所述第二元件和所述活性多层材料至少之一的参数基于所述第一元件、所述第二元件和所述活性多层材料中的仿真的能量分布行为而预先确定，其中所述行为是通过使用所述参数积分离散化的能量发展方程而确定的，其中所述能量发展方程包括与起始于所述活性多层材料中的自传播前沿相关的能量源项，其中所述自传播前沿具有公知的速度和反应热。
100.如权利要求99所述的连接，还包括将所述第一元件连接到所述第二元件的第一结合层和第二结合层，其中所述第一元件、所述第二元件、所述第一结合层、所述第二结合层和所述活性多层材料至少之一的参数基于在所述第一元件、所述第二元件、所述第一结合层、所述第二结合层和所述活性多层材料内的仿真的能量分布行为而预先确定。
101.如权利要求99所述的连接，其中所述化学变化是点燃。
102.如权利要求99所述的连接，其中所述活性多层材料是活性多层箔。
103.如权利要求100所述的连接，其中所述第一结合层和所述第二结合层设置在所述第一元件与所述第二元件之间。
104.如权利要求99所述的连接，其中所述第一元件和所述第二元件具有基本上相同的化学组分。
105.如权利要求99所述的连接，其中所述第一元件和所述第二元件具有不同的化学组分。
106.如权利要求99所述的连接，其中所述第一元件包括金属、金属合金、体金属玻璃、陶瓷、合成物或聚合物，且所述第二元件包括金属、金属合金、体金属玻璃、陶瓷、合成物或聚合物。
107.如权利要求106所述的连接，其中所述金属或金属合金包括铝、钛、铜、铁和镍的一种或多种。
108.如权利要求106所述的连接，其中所述陶瓷包括硅、碳、硼、氮化物、碳化物和铝化物的一种或多种。
109.如权利要求100所述的连接，其中所述第一结合层和所述第二结合层具有基本上相同的化学组分。
110.如权利要求100所述的连接，其中所述第一结合层和所述第二结合层具有不同的化学组分。
111.如权利要求100所述的连接，其中所述第一结合层是锡焊料和铜焊料中的一种或多种，且所述第二结合层是锡焊料和铜焊料中的一种或多种。
112.如权利要求111所述的连接，其中所述锡焊料是铅、锡、锌、金、铟、银和锑中的一种或多种。
113.如权利要求111所述的连接，其中所述铜焊料是银、钛、铜、铟、镍和金中的一种或多种。
114.如权利要求99所述的连接，其中包括所述能量源项的所述能量发展方程是ρ∂h∂h=▿·q+Q.,]]>其中h是焓，ρ是密度，t是时间，q是热通量矢量，且 是在所述活性多层材料中的能量释放率。
115.如权利要求99所述的连接，其中所述参数包括长度、宽度、厚度、密度、热容量、热导率、熔化热、熔化温度、反应热、传播速度、原子量和点燃位置中至少一个。
116.如权利要求99所述的连接，其中所述确定能量分布的行为包括确定下面至少一个所述第一元件和所述第二元件的至少一个的熔化量；所述第一元件和所述第二元件的至少一个的熔化时间；临界界面是否被浸湿；所述第一元件和所述第二元件至少之一的热辐照量；以及所述第一元件、所述第二元件和所述活性多层材料的至少之一的温度、峰值温度、温度曲线图或温度分布。
117.如权利要求100所述的连接，其中所述确定能量分布的行为包括确定至少下列之一所述第一结合层和所述第二结合层的至少一个的熔化量；所述第一结合层和所述第二结合层的至少一个的熔化时间；临界界面是否被浸湿；所述第一元件和所述第二元件至少之一的热辐照量；以及所述第一元件、所述第二元件、所述第一结合层、所述第二结合层和所述活性多层材料的至少之一的温度、峰值温度、温度曲线图或温度分布。
118.如权利要求99所述的连接，还包括连接所述第一元件和所述第二元件的第三结合层和第四结合层，其中所述第一元件、所述第二元件、所述第一结合层、所述第二结合层、所述第三结合层、所述第四结合层和所述活性多层材料至少之一的参数基于在所述第一元件、所述第二元件、所述第一结合层、所述第二结合层、所述第三结合层、所述第四结合层和所述活性多层材料内的仿真的能量分布行为而确定。
119.如权利要求118所述的连接，其中所述第三结合层和所述第四结合层具有基本上相同的化学组分。
120.如权利要求118所述的连接，其中所述第三结合层和所述第四结合层具有不同的化学组分。
121.如权利要求118所述的连接，其中所述第三结合层是Incusil和Gapasil中至少之一，且所述第四结合层是Incusil和Gapasil中至少之一。
122.一种连接，包括第一元件，连接到第二元件；和活性多层材料的化学变化剩余物；其中所述第一元件具有不同于所述第二元件的化学组分。
123.如权利要求122所述的连接，还包括将所述第一元件连接到所述第二元件的第一结合层和第二结合层；其中所述第一结合层具有不同于所述第二结合层的化学组分。
124.如权利要求122所述的连接，其中所述活性多层材料是活性多层箔。
125.如权利要求123所述的连接，其中所述第一结合层和所述第二结合层设置在所述第一元件与所述第二元件之间。
126.如权利要求122所述的连接，其中所述第一元件包括金属、金属合金、体金属玻璃、陶瓷、合成物或聚合物，且所述第二元件包括金属、金属合金、体金属玻璃、陶瓷、合成物或聚合物。
127.如权利要求126所述的连接，其中所述金属或金属合金包括铝、钛、铜、铁和镍的一种或多种。
128.如权利要求126所述的连接，其中所述陶瓷包括硅、碳、硼、氮化物、碳化物和铝化物的一种或多种。
129.如权利要求123所述的连接，其中所述第一结合层是锡焊料和铜焊料中的一种或多种，且所述第二结合层是锡焊料和铜焊料中的一种或多种。
130.如权利要求129所述的连接，其中所述锡焊料是铅、锡、锌、金、铟、银和锑中的一种或多种。
131.如权利要求129所述的连接，其中所述铜焊料是银、钛、铜、铟、镍和金中的一种或多种。
132.如权利要求123所述的连接，还包括将所述第一元件连接到所述第二元件的第三结合层和第四结合层。
133.如权利要求132所述的连接，其中所述第三结合层和所述第四结合层具有基本上相同的化学组分。
134.如权利要求132所述的连接，其中所述第三结合层和所述第四结合层具有不同的化学组分。
135.如权利要求132所述的连接，其中所述第三结合层是Incusil和Gapasil中至少之一，且所述第四结合层是Incusil和Gapasil中至少之一。
全文摘要
本发明的实施例包括一种仿真在锡焊或铜焊组件内的能量分布行为以预测该组件的各种物理参数的方法。该组件典型地包括活性多层材料。该方法包括提供具有与起始于活性多层材料中的自传播反应相关的能量源项的能量发展方程的步骤。该方法还包括离散化该能量发展方程、并通过使用与该组件相关的其他参数积分该离散化的能量发展方程而确定在组件中的能量分布的步骤。
文档编号B23K35/02GK1816416SQ200480019310
公开日2006年8月9日 申请日期2004年5月12日 优先权日2003年5月13日
发明者埃廷层·贝斯诺因, 王嘉平, 艾伦·达克哈姆, 小斯蒂芬·J·斯佩, 戴维·P·范希尔登, 蒂莫西·P·韦斯, 奥马尔·M·尼奥 申请人:活性纳米技术股份有限公司, 约翰斯霍普金斯大学