聚合物厚膜導體組合物的光子燒結的制作方法
【專利摘要】本發明提供了使用聚合物厚膜導體組合物在電路中形成電導體的方法，所述方法包括使所述沉積的厚膜導體組合物經受光子燒結。本發明還提供了用于降低由聚合物厚膜導體組合物形成的電導體的阻抗的方法，所述方法包括使所述電導體經受光子燒結的步驟。本發明還提供了包含通過這些方法制成的電導體的裝置。
【專利說明】聚合物厚膜導體組合物的光子燒結
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于許多不同應用中的聚合物厚膜(PTF)導體組合物的光子固化。在一個實施例中，PTF導體組合物被用作薄膜基底例如ITO濺鍍玻璃上的絲網印刷導體。PTF導體用作柵電極。該組合物還可用于任何其它需要導電性(低電阻率)的應用。
【背景技術】
[0002]本發明涉及用于電子裝置中的聚合物厚膜導體組合物。由于銀的低電阻率(〈50毫歐/平方)和可靠性，PTF銀導體在電子電路中作為選擇的導體是十分普遍的。然而，近年來，銀的價格已升至原來的三倍，至超過$30/金衡制盎司，并且因此變得太昂貴而不適合在電路中使用。一直在尋找幾乎不減弱電特性但降低成本的銀的供選擇的替代方案。本發明的目的是提供此類供選擇的替代方案。
【發明內容】
[0003]本發明提供用于在電路中形成電導體的方法，包括:
[0004]a)提供基底；
[0005]b)提供聚合物厚膜導體組合物，所述聚合物厚膜導體組合物選自聚合物厚膜焊料合金導體組合物、聚合物厚膜焊料合金/金屬導體組合物、以及它們的混合物；
[0006]c)將厚膜導體組合物施用到基底上；以及
[0007]d)使厚膜導體組合物經受光子燒結以形成電導體。
[0008]在一個實施例中，所述方法還包括干燥厚膜導體組合物的步驟，其中所述步驟在步驟(C)之后但在步驟(d)之前進行。可在除去所有溶劑所必需的時間和溫度下加工組合物。另外，干燥之后的光子燒結將電阻率降低70-80%。
[0009]在一個實施例中，所述聚合物厚膜導體組合物為聚合物厚膜焊料合金導體組合物，所述聚合物厚膜焊料合金導體組合物包含:
[0010](a)分散于有機介質中的65重量％至95重量％的焊料合金粉末，所述焊料合金粉末由錫、銀和銅組成并具有2至18 μ m的平均粒度和在0.2至1.3m2/g范圍內的表面積/質量比；
[0011](b) 5重量％至35重量％的有機介質,所述有機介質包含
[0012](i)溶解于有機溶劑中的偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚物樹脂，
[0013](2)包含二元酯的有機溶劑；
[0014]其中所述重量％是以聚合物厚膜焊料合金導體組合物的總重量計的。
[0015]在另一個實施例中，所述聚合物厚膜導體組合物為聚合物厚膜焊料合金/金屬導體組合物，所述聚合物厚膜焊料合金/金屬導體組合物包含:
[0016](a) 35重量％至94重量％的焊料合金粉末，所述焊料合金粉末選自(i)錫、銀和銅合金粉末，(ii)錫和鉍合金粉末，和(iii)它們的混合物，所述合金粉末由具有2至18μπι的平均粒度和在0.2至1.3m2/g范圍內的表面積/質量比的顆粒組成；[0017](b) I重量％至30重量％的金屬，所述金屬選自銀、銅、金、鋁、以及它們的混合物，所述金屬由具有2至18 μ m的平均粒度和在0.1至2.3m2/g范圍內的表面積/質量比的顆粒組成；和
[0018](C) 5重量％至35重量％的有機介質，所述有機介質包含:
[0019](I)溶解于有機溶劑中的樹脂，所述樹脂為偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚物樹脂或苯氧基樹脂；
[0020](2)包含二元酯或乙二醇醚的有機溶劑；
[0021]條件是如果所述樹脂為苯氧基樹脂，則所述金屬為銀；其中所述焊料合金粉末和所述金屬分散于所述有機介質中，并且其中所述重量％是以所述聚合物厚膜導體組合物的總重量計的。
[0022]本發明還提供電氣裝置，所述電氣裝置包含通過上述方法的任何實施例形成的電導體。
[0023]本發明還提供用于降低由聚合物厚膜導體組合物形成的電導體的阻抗的方法，所述方法包括使電導體經受光子燒結的步驟。本發明還提供包含此類電導體的電氣裝置。
【具體實施方式】
[0024]一般來講，厚膜組合物包含賦予組合物適當電功能性質的功能相。功能相包含分散在有機介質中的電功能粉末，所述有機介質充當功能相的載體。一般來講，在厚膜技術中，焙燒組合物以燒盡有機物并賦予電功能性質。然而，在使用聚合物厚膜的情況下，有機物在干燥后仍作為組合物的整體部分。如本文所用，“有機物”包括厚膜組合物的聚合物、樹脂或粘合劑組分。這些術語可互換使用，并且它們均表示相同事物。
[0025]在一個實施例中，聚合物厚膜導體組合物為聚合物厚膜焊料合金導體組合物，所述聚合物厚膜焊料合金導體組合物包含分散于有機介質中的SAC (錫、銀、銅)合金粉末，所述有機介質包含聚合物樹脂和溶劑。
[0026]在另一個實施例中，所述聚合物厚膜導體組合物為聚合物厚膜焊料合金/金屬導體組合物，所述聚合物厚膜焊料合金/金屬導體組合物包含SAC合金粉末、Sn/Bi合金粉末或兩者的混合物以及選自銀、銅、金、鋁、以及它們的混合物的金屬，其中所述焊料合金粉末和金屬分散于包含聚合物樹脂和溶劑的有機介質中。
[0027]概括地說，聚合物厚膜導體組合物的主要組分是分散于有機介質中的導體粉末，所述有機介質由聚合物樹脂和溶劑組成。以下討論了用于兩種實施例中的聚合物厚膜導體組合物。
[0028]厚膜焊料合金導體組合物實施例
[0029]A.導體粉末
[0030]厚膜焊料合金導體組合物中的電功能性粉末為包含錫、銀和銅的焊料合金導體粉末，稱為SAC合金，其中錫為最大組分，即大于90重量％。
[0031]用于焊料合金粉末中的粒徑和形狀特別重要并且必須適用于施用方法。在一個實施例中，顆粒為球形的。在另一個實施例中，顆粒為薄片形式。焊料合金顆粒的粒度分布對于本發明的效果而言也是關鍵的。從實際角度看，粒度在I至100 μ m的范圍內。在一個實施例中，平均粒度為2至18 μ m。此外，焊料合金顆粒的表面積/重量比在0.2-1.3m2/g的范圍內。
[0032]此外，已知可將少量的一種或多種其它金屬加入焊料合金導體組合物中以改善導體的特性。此類金屬的一些例子包括:金、銀、銅、鎳、鋁、鉬、鈀、鑰、鎢、鉭、錫、銦、鑭、釓、硼、釕、鈷、鈦、乾、銪、鎵、硫、鋅、娃、鎂、鋇、鋪、銀、鉛、鋪、導電性碳、以及它們的組合，以及厚膜組合物領域中的其它常見金屬。附加的一種或多種金屬可構成總組合物的至多約1.0重量％。
[0033]有機酸可被用作焊料合金的還原劑，以還原焊料合金表面的任何氧化。
[0034]B.有機介質
[0035]通常通過機械混合使焊料合金粉末與有機介質(載體)混合，以形成具有適于印刷的稠度和流變特性的糊狀組合物(稱為“漿料”)。有機介質必須使固體能夠以適當的穩定性程度在其中分散。有機介質的流變性必須能賦予組合物良好的應用性質。此類性質包括:具有適當的穩定性程度的固體分散、良好的組合物施用、適當的粘度、觸變性、基底與固體適當的可潤濕性、良好的干燥速率、以及足以經受粗魯處理的干燥膜強度。
[0036]有機介質包括一種或多種有機溶劑中的聚合物溶液。有機介質并非本領域中常規的并且賦予組合物獨特的性質。
[0037]本發明實施例中所用的樹脂為偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚物，其允許加載高重量的焊料合金粉末，從而有助于實現對基底的良好粘附性和低電阻率(高導電性)，這是電子電路中導體的兩個關鍵性質。另外，該聚合物似乎在漿料中充當自-助熔組分，因而不需要外部還原劑。
[0038]多種惰性液體可用作有機介質中的溶劑。存在于厚膜組合物中的最廣泛使用的溶劑為乙酸乙酯和萜烯，例如α -萜品醇或β -萜品醇或它們與其它溶劑的混合物，例如煤油、鄰苯二甲酸二丁酯、丁基卡必醇、丁基卡必醇乙酸酯、己二醇和高沸點醇以及醇酯。此夕卜，在載體中可包含揮發性液體，以促進載體在施用到基底上之后快速硬化。在本發明的多個實施例中，溶劑可以使用例如乙二醇醚、酮、酯和相似沸點(在180°C至250°C的范圍內)的其它溶劑、以及它們的混合物。在一個實施例中，有機介質是基于二元酯和C-1l酮溶劑的。對這些溶劑和其它溶劑的各種組合進行配制，以獲得所需的粘度和揮發性要求。
[0039]厚膜焊料合金/金屬導體組合物實施例
[0040]A.導體粉末
[0041]厚膜焊料合金/金屬導體組合物中的電功能性粉末為(I)焊料合金導體粉末，所述焊料合金導體粉末選自錫、銀和銅合金粉末(稱為SAC合金，其中錫占最大百分比，即大于90重量％)、具有至少40重量％的錫的Sn/Bi合金粉末以及它們的混合物，和(2)選自銀、銅、金、鋁或它們的混合物的金屬粉末/薄片。
[0042]用于焊料合金粉末和純金屬兩者的粒徑和形狀特別重要并且必須適用于施用方法。焊料合金顆粒和純金屬兩者的粒度分布對于本發明的效果而言也是關鍵的。從實際角度看，粒度在I至100 μ m的范圍內。在一個實施例中，焊料合金和金屬兩者的平均粒度為2至18 μ m。此外，焊料合金顆粒的表面積/重量比在0.2-1.3m2/g的范圍內，而金屬的表面積/重量比為0.1-2.3m2/g。雖然銀和銅是兩種優選的金屬顆粒，但該實施例并不限于那兩種金屬，并且可以使用諸如金和鋁的其它金屬。
[0043]有機酸可被用作焊料合金的還原劑，以還原焊料合金表面的任何氧化，但其在此處并不是必需的。
[0044]B.有機介質
[0045]通常通過機械混合使粉末與有機介質(載體)混合，以形成具有適于印刷的稠度和流變特性的糊狀組合物(稱為“漿料”)。有機介質必須使固體能夠以適當的穩定性程度在其中分散。有機介質的流變性必須能賦予組合物良好的應用性質。此類性質包括:具有適當的穩定性程度的固體分散、良好的組合物施用、適當的粘度、觸變性、基底與固體適當的可潤濕性、良好的干燥速率、以及足以經受粗魯處理的干燥膜強度。
[0046]有機介質包括一種或多種有機溶劑中的聚合物溶液。有機介質并非本領域中常規的并且賦予組合物獨特的性質。
[0047]本發明實施例的聚合物樹脂特別重要。本發明選擇使用的樹脂為偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚物，其允許加載高重量的焊料合金粉末，從而有助于實現對基底的良好粘附性和低電阻率(高導電性)，這是電子電路中導體的兩個關鍵性質。另外，該聚合物似乎在漿料中充當自-助熔組分，因而不需要外部還原劑。作為另外一種選擇，苯氧基樹脂也可用于一些配方中，但僅在加入的金屬為銀時。
[0048]多種惰性液體可用作有機介質中的溶劑。存在于厚膜組合物中的最廣泛使用的溶劑為乙酸乙酯和萜烯，例如α -萜品醇或β -萜品醇或它們與其它溶劑的混合物，例如煤油、鄰苯二甲酸二丁酯、丁基卡必醇、丁基卡必醇乙酸酯、己二醇和高沸點醇以及醇酯。此夕卜，在載體中可包含揮發性液體，以促進載體在施用到基底上之后快速硬化。在本發明的多個實施例中，溶劑可以使用例如乙二醇醚、酮、酯和相似沸點(在180°C至250°C范圍內)的其它溶劑、以及它們的混合物。在一個實施例中，有機介質是基于二元酯和C-1l酮的。對這些溶劑和其它溶劑的各種組合進行配制，以獲得所需的粘度和揮發性要求。
[0049]厚膜的施用
[0050]通常將也稱為“漿料”的聚合物厚膜導體組合物沉積在基本上對氣體和水分不可滲透的基底上，例如ITO濺鍍玻璃。基底也可為柔性材料片材。例子是不可滲透性塑料，例如由塑性片材與沉積在其上的任選的金屬或電介質層的組合組成的復合材料。基底必須能夠經受140°C的加工溫度。在一個實施例中，基底可為帶有金屬化焊料合金漿料的疊加層。
[0051]優選地通過絲網印刷進行聚合物厚膜焊料合金/金屬組合物的沉積，但也可使用其它沉積技術，如孔版印刷、注射式滴涂或涂覆技術。在使用絲網印刷的情況下，篩網的目尺寸控制沉積的厚膜的厚度。
[0052]光子燒結
[0053]光子燒結使用光照來提供高溫燒結。閃光燈通常用于提供光源并以短時間的高功率和范圍為幾赫茲至幾十赫茲的工作周期進行操作。光子燒結步驟是短暫的，通常小于I分鐘。光子燒結也可稱為光子固化。
[0054]沉積的厚膜導體組合物的光子燒結提供具有低電阻率(即低至小于10毫歐/平方)的導體。
[0055]在一個實施例中，在光子燒結之前，通過將沉積的厚膜導體組合物暴露于低溫下的熱(通常在140°C下10-15分鐘)來使其干燥。這使用比焊料合金之一(SAC305)的液相線溫度217°C低大約80°C的初始干燥溫度來實現。
[0056]將通過給出實際實例對本發明進行更為詳細的討論。然而，本發明的范圍并不以任何方式受到這些實際實例的限制。
[0057]實例和比較實齡
[0058]比較實駘A
[0059]通過如下方式制備PTF焊料合金/金屬導體組合物:將具有ΙΟμπι (范圍為5-15 μ m)平均球形粒度的焊料合金粉末 SAC305 (AMTECH, SMTInternational LLC(DeepRiver, CN))和具有5微米平均粒度的銀薄片與由偏二氯乙烯和丙烯腈的共聚樹脂(Saran?F_310樹脂，Dow Chemical C0.(Midland, Ml))組成的有機介質混合。樹脂的分子量為大約25，000。在添加焊料合金粉末之前使用溶劑使樹脂完全溶解。所述溶劑為二元酯(DuPont (Wilmington, DE))與 Eastman?C-ll 酮溶劑(Eastman Chemical (Kingsport, TN))的50/50共混物。
[0060]PTF焊料合金/金屬導體組合物的組成給出如下:
[0061]
【權利要求】
1.用于在電路中形成電導體的方法，包括: a)提供基底； b)提供聚合物厚膜導體組合物，所述聚合物厚膜導體組合物選自聚合物厚膜焊料合金導體組合物、聚合物厚膜焊料合金/金屬導體組合物、以及它們的混合物； c)將所述厚膜導體組合物施用到所述基底上； d)任選地干燥所述厚膜導體組合物；以及 d)使所述厚膜導體組合物經受光子燒結以形成所述電導體。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述聚合物厚膜導體組合物為聚合物厚膜焊料合金導體組合物，所述聚合物厚膜焊料合金導體組合物包含: (a)分散于有機介質中的65重量％至95重量％的焊料合金粉末，所述焊料合金粉末由錫、銀和銅組成并具有2至18 μ m的平均粒度和在0.2至1.3m2/g范圍內的表面積/質量比； (b)5重量％至35重量％的有機介質，所述有機介質包含 (1)溶解于有機溶劑中的偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚物樹脂， (2)包含二元酯的有機溶劑； 其中所述重量％是以所述聚合物厚膜焊料合金導體組合物的總重量計的。
3.根據權利要求1所述的方法，其中`所述聚合物厚膜導體組合物為聚合物厚膜焊料合金/金屬導體組合物，所述聚合物厚膜焊料合金/金屬導體組合物包含: (a)35重量％至94重量％的焊料合金粉末，所述焊料合金粉末選自(i)錫、銀和銅合金粉末，(?)錫和鉍合金粉末，和(iii)它們的混合物，所述合金粉末由具有2至18μπι的平均粒度和在0.2至1.3m2/g范圍內的表面積/質量比的顆粒組成； (b)I重量％至30重量％的金屬，所述金屬選自銀、銅、金、鋁、以及它們的混合物，所述金屬由具有2至18 μ m的平均粒度和在0.1至2.3m2/g范圍內的表面積/質量比的顆粒組成；和 (c)5重量％至35重量％的有機介質，所述有機介質包含: (1)溶解于有機溶劑中的樹脂，所述樹脂為偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚物樹脂或苯氧基樹脂； (2)包含二元酯或乙二醇醚的有機溶劑； 條件是如果所述樹脂為苯氧基樹脂，則所述金屬為銀:其中所述焊料合金粉末和所述金屬分散于所述有機介質中，并且其中所述重量％是以所述聚合物厚膜導體組合物的總重量計的。
4.用于降低由聚合物厚膜導體組合物形成的電導體的阻抗的方法，所述方法包括使所述電導體經受光子燒結的步驟。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述聚合物厚膜導體組合物為聚合物厚膜焊料合金導體組合物，所述聚合物厚膜焊料合金導體組合物包含: (a)分散于有機介質中的65重量％至95重量％的焊料合金粉末，所述焊料合金粉末由錫、銀和銅組成并具有2至18 μ m的平均粒度和在0.2至1.3m2/g范圍內的表面積/質量比； (b)5重量％至35重量％的有機介質，所述有機介質包含(1)溶解于有機溶劑中的偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚物樹脂， (2)包含二元酯的有機溶劑； 其中所述重量％是以所述聚合物厚膜焊料合金導體組合物的總重量計的。
6.根據權利要求4所述的方法，其中所述聚合物厚膜導體組合物為聚合物厚膜焊料合金/金屬導體組合物，所述聚合物厚膜焊料合金/金屬導體組合物包含: (a)35重量％至94重量％的焊料合金粉末，所述焊料合金粉末選自(i)錫、銀和銅合金粉末，(?)錫和鉍合金粉末，和(iii)它們的混合物，所述合金粉末由具有2至18μπι的平均粒度和在0.2至1.3m2/g范圍內的表面積/質量比的顆粒組成； (b)I重量％至30重量％的金屬，所述金屬選自銀、銅、金、鋁、以及它們的混合物，所述金屬由具有2至18 μ m的平均粒度和在0.1至2.3m2/g范圍內的表面積/質量比的顆粒組成；和 (c)5重量％至35重量％的有機介質，所述有機介質包含: (1)溶解于有機溶劑中的樹脂，所述樹脂為偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚物樹脂或苯氧基樹脂； (2)包含二元酯或乙 二醇醚的有機溶劑； 條件是如果所述樹脂為苯氧基樹脂，則所述金屬為銀:其中所述焊料合金粉末和所述金屬分散于所述有機介質中，并且其中所述重量％是以所述聚合物厚膜導體組合物的總重量計的。
7.電氣裝置，包含由聚合物厚膜導體組合物形成的電導體，其中所述電導體已經受光子燒結。
8.根據權利要求7所述的裝置，其中所述聚合物厚膜導體組合物為聚合物厚膜焊料合金導體組合物，所述聚合物厚膜焊料合金導體組合物包含: (a)分散于有機介質中的65重量％至95重量％的焊料合金粉末，所述焊料合金粉末由錫、銀和銅組成并具有2至18 μ m的平均粒度和在0.2至1.3m2/g范圍內的表面積/質量比； (b)5重量％至35重量％的有機介質，所述有機介質包含 (1)溶解于有機溶劑中的偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚物樹脂， (2)包含二元酯的有機溶劑； 其中所述重量％是以所述聚合物厚膜焊料合金導體組合物的總重量計的。
9.根據權利要求7所述的裝置，其中所述聚合物厚膜導體組合物為聚合物厚膜焊料合金/金屬導體組合物，所述聚合物厚膜焊料合金/金屬導體組合物包含: (a)35重量％至94重量％的焊料合金粉末，所述焊料合金粉末選自(i)錫、銀和銅合金粉末，(?)錫和鉍合金粉末，和(iii)它們的混合物，所述合金粉末由具有2至18μπι的平均粒度和在0.2至1.3m2/g范圍內的表面積/質量比的顆粒組成； (b)I重量％至30重量％的金屬，所述金屬選自銀、銅、金、鋁、以及它們的混合物，所述金屬由具有2至18 μ m的平均粒度和在0.1至2.3m2/g范圍內的表面積/質量比的顆粒組成；和 (c)5重量％至35重量％的有機介質，所述有機介質包含: (I)溶解于有機溶劑中的樹脂，所述樹脂為偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚物樹脂或苯氧基樹脂； (2)包含二元酯或乙二醇醚的有機溶劑； 條件是如果所述樹脂為苯氧基樹脂，則所述金屬為銀:其中所述焊料合金粉末和所述金屬分散于所述有機介質中，并且其中所述重量％是以所述聚合物厚膜導體組合物的總重量計的。`
【文檔編號】B22F7/02GK103624987SQ201310190573
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年5月21日 優先權日:2012年8月20日
【發明者】V·阿蘭西奧, J·R·多爾夫曼 申請人:E.I.內穆爾杜邦公司