一种电镜原位加热装置结合焊料的纳米焊接方法与流程

本发明属于微纳米材料加工领域，是一种利用扫描电镜原位加热装置结合焊料的纳米焊接方法，可广泛用于焊接熔点高于焊料的纳米材料。

背景技术：

随着纳米科技的发展，将制备出的纳米材料组装为功能性纳米器件，依赖于微纳尺度加工技术的发展，而纳米材料的焊接方法是微纳加工中亟待解决的难题。目前，依托于牺牲焊料的纳米焊接技术由于对焊接母体材料损伤小、无污染、高精度、快速简洁得到了广泛的开发与利用。其中一种焊接技术是先将两根纳米探针与焊料两端紧密接触形成导电通路，通过施加一定的电压将焊料融化而达到焊接的目的，该方法可实时、原位地观测整个焊接过程。另外一种则是通过高精度激光束辐照焊接区域，只使焊料融化为球形包裹住待焊接的区域，从而实现焊接任务(CN201610158068.1)。但是通过电压、激光束辐照等使焊料融化的手段缺乏精确性，实验参数过小不能实现焊料的完全融化，过大则有可能损伤焊接区域的纳米单元，焊接过程需要一定的经验性，可控性较差。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术手段的缺点和不足，提出了一种扫描电镜原位加热装置结合焊料的焊接方法，焊接过程均在SEM-FIB中进行，可以实现精确控制加热温度只使低温焊料融化而不损伤焊接母体材料。本发明所采用的技术方案如下：通过精确控制位于扫描电镜内部的原位加热装置，通过设置特定的温度只使位于焊接部位的焊料融化，而对熔点高于焊料的母体材料无影响，保温一段时间，焊料变成熔融状态并与焊接母体材料发生强烈的扩散作用，与母体材料形成牢靠坚固的焊接点，从而将独立的母体材料通过焊料焊接在一起。所述电镜原位加热装置的加热区域面积为30cm²，在高真空的扫描环境中，热量通过两种形式传递给焊料：一是热传导作用，即通过与加热板紧密接触的硅片，将热量传送至焊料；二是热辐射作用，真空中热量通过电磁波的形式传送至焊料。在真空环境中，通过以上热传递作用，热量均匀地传递到焊料使其完全融化。所述焊料的熔点低于被焊接母体材料的熔点，优选的低于母体材料熔点200℃，可以使得在加热过程中只使位于焊接部位的焊料融化，而对熔点高于焊料的母体材料无影响。所述被焊接母体材料可为金属、非金属材料，对其导电性无要求，尤其适合具有高熔点的氧化物半导体材料。所述被焊接的母体纳米材料形貌可以多元化，例如零维颗粒，一维纳米线、纳米棒，二维纳米片、纳米带、薄膜。所述中的焊料为金属焊料，可为单相金属焊料、二相合金焊料、三相合金焊料及其他多相合金焊料。所述焊接过程均在硅片上进行。所述中是利用纳米操纵器的探针将焊料精准地输送至待焊接部位。所述焊接开始前，需要利用SEM-FIB电镜中的离子束清洗待焊接部位，清除焊接区域表面的杂质，包括氧化层、碳类化合物及有机物，保证后续高质量焊接。所述中扫描电镜原位加热装置的温度设置要求稍高于焊料30℃为最佳，待升到设定温度后保温时间1-5min为宜。所述中要求所用焊料与纳米母体材料的润湿性角小于90°。

本发明有以下突出优势：(1)利用扫描电镜原位加热装置可以精确控制使焊料融化的温度，通过设定保温时间，熔融的焊料与待焊接的纳米母体材料发生持续且强烈的扩散作用，形成牢靠坚固的焊接点；(2)所设定的温度只使焊料完全融化，而对被焊接的较高熔点的母体材料无损伤，包括形貌、晶体结构及性能；(3)焊接过程中，母体材料也被加热到使焊料融化的温度，但不至于损伤母体材料，故焊料与母体材料之间的扩散作用相较于其他方法更强烈，另外扩散的时间可以人为精准地控制，导致最终所形成的焊接点也更加牢靠；(4)由于焊料的熔点普遍低于其他类型的纳米材料，故该方法可适用于焊接的纳米材料种类众多；(5)在微纳米尺度下，高熔点的氧化物半导体纳米材料的焊接是非常困难的，通过选择与母体材料润湿角小于90°的焊料，利用这种技术可以实现此类纳米材料高质量焊接，譬如具有光致发光、电致发光及气敏特性的三氧化钨纳米材料。

附图说明

图1为本发明焊接方法的原理示意图，通过位于SEM-FIB电镜中原位加热装置的直接加热作用，使焊接部位的焊料完全融化达到焊接的目的；其中(a)为原理示意图；(b)为局部放大图；

图2为实施例中利用电镜原位加热装置结合离子束清洗使纳米焊料融化成球形的扫描电子显微镜图；

图3为实施例中表达纳米焊料融化之后对被焊接母体材料润湿性的扫描电子显微镜图；

图4为实施例中采用一维锡铜合金纳米焊料将两根独立的三氧化钨纳米线焊接在一起的扫描电子显微镜图。

具体实施方式

本实施方式案例基于扫描电镜原位加热装置结合一维锡铜合金纳米焊料的焊接方法，焊接一种重要的高熔点氧化物半导体纳米材料三氧化钨，但本发明保护的范围不限于下述案例。

如图1所示，利用电镜原位加热装置直接加热硅片，使焊接区域中的纳米焊料完全融化，通过保温一定时间使焊料和母体材料发生持续且强烈的扩散作用，从而通过媒介物-焊料将母体材料焊接在一起。所述焊接过程均在SEM-FIB中进行，焊接区域为硅片中的微纳米尺度空间，硅片与原位加热装置中的加热板紧密接触以便更好地进行热传递。焊接前需用离子束清洗焊接区域，去除位于纳米材料表层的杂质，包括焊料表面的氧化层及母体材料表层的碳类化合物、有机物等，确保扩散的有效进行从而得到高质量的焊点。焊接中所选的焊料必须与母体材料的润湿性良好。通过控制位于扫描电子显微镜腔室外部的温控装置，使加热装置达到所设定的温度，此温度要稍微高于焊接中所用焊料的熔点，一般以30℃为佳，确保焊料的完全融化；低于母体材料熔点200℃，确保对熔点高于焊料的母体材料无影响。在真空腔室中，原位加热装置中加热板的热量通过两种方式传递到焊料，一是通过与之紧密接触的硅片传导热量，二是热量通过热辐射的形式传送至焊料。通过充分的热传导作用，加热装置可以精确控制焊接区域的温度，最终使焊料完全融化成球形。

如图2所示，利用扫描电镜原位加热装置将一维锡铜合金焊料融化成球形的过程。(a)图为加热装置直接加热焊料的扫描电子显微镜图，可以看出纳米线焊料绝大部分保持原来的线型，少数局部区域出现了融化现象。(b)图为在加热装置加热的同时利用离子束轰击纳米焊料表面的扫描电子显微镜图，可以看出纳米线焊料迅速由线型转变为球形，这是由于离子束轰击去除了焊料表层的杂质，包括高熔点氧化层、碳类化合物及有机物等，内部熔融的焊料挣脱了表面氧化层及杂质的壁垒实现了自内向外完全的融化。

如图3所示，为本实施例中所选锡铜焊料与三氧化钨材料的润湿性表征。(a)图为利用加热装置结合离子束轰击将焊料融化为球形的扫描电子显微镜图，通过保温作用焊料与三氧化钨纳米线发生持续且强烈的扩散作用，该过程可以看出所设置的温度使焊料完全融化，但对高熔点的三氧化钨纳米线无损伤。(b)图为(a)图放大的的扫描电子显微镜图，可以看出所选焊料与三氧化钨材料的接触角小于90°，表明润湿性良好。

如图4所示，通过原位加热装置结合离子束清洗，利用一维锡铜合金纳米焊料将“T”型的三氧化钨纳米图形焊接在一起。(a)图为利用纳米操纵器将焊料精准地输送至待焊接部位地扫描电子显微镜图，(b)图为锡铜焊料将“T”型三氧化钨图案焊接在一起的扫描电子显微镜图，该焊接过程在原位加热装置加热硅片的同时，利用离子束清洗焊接区域，经过一段的保温作用，熔融的焊料与三氧化钨材料发生持续且强烈的扩散作用，从而形成了牢靠的焊接点，达到了焊接的目的。