專利名稱：對用于無壓力低溫?zé)Y(jié)處理的金屬膏體的孔隙的控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種針對壓力-及溫度敏感的元器件(例如LED或非常薄的硅片)的焊接技術(shù)。
背景纟支術(shù)
在粘結(jié)壓力-及溫度敏感的部件時，觸點(diǎn)會不利于導(dǎo)熱性及導(dǎo)電性。
傳統(tǒng)的低溫?zé)Y(jié)由于其中所使用的較高的200Bar以上的壓力而被淘汰。另外，因?yàn)樵诖藭鶕?jù)壓力大小要確定出生產(chǎn)的功率模塊的性能以及在實(shí)際燒結(jié)之前必須進(jìn)行干燥步驟，所以需要很高的運(yùn)作成本。
根據(jù)未公開的文獻(xiàn)DE 10 2007 046 901能夠?qū)崿F(xiàn)用于功率電子領(lǐng)域的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性良好的連接層。其中，在較低的處理壓力中形成多孔的層。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，要在接觸面之間形成多個非常堅(jiān)固的層，這些層要有足夠的彈性，以使得能夠經(jīng)受持續(xù)的機(jī)械載荷及熱應(yīng)變載荷，并且在凝結(jié)的時候可以保持較低的溫度和處理壓力。
這樣因此而實(shí)現(xiàn)，可控制相應(yīng)的觸點(diǎn)的孔隙。利用特別是基于銀或銅構(gòu)成的絮片或粉末可以填充大約83%的體積，也就是說會保留大約17%的孔隙。對于最佳的最高連接穩(wěn)固性的孔隙則關(guān)系到待連接的元器件的材料和應(yīng)用環(huán)境。根據(jù)本發(fā)明，觸點(diǎn)的孔隙可以提高或降低。然而，優(yōu)選的是降低觸點(diǎn)的孔隙。通過根據(jù)本發(fā)明的方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)觸點(diǎn)孔隙的降低，而且還可以確?？紫毒鶆虻乇唤档汀?br>
為了控制觸點(diǎn)的孔隙，接觸面之間的金屬膏體(尤其是銀或銅膏體)放熱地凝結(jié)。這種金屬膏體的凝結(jié)優(yōu)選在低溫?zé)Y(jié)處理的范圍 內(nèi)通過現(xiàn)場形成的金屬實(shí)現(xiàn)，該金屬促成了在所使用的金屬膏體的金 屬顆粒之間空隙的封閉。在此，現(xiàn)場金屬的形成通過包含在金屬膏體 中的金屬化合物的分解來實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)金屬膏體盡可能高效的凝
結(jié)，將延長放熱的凝結(jié)過程。這種延長通過一種沸點(diǎn)22(TC以上的有
機(jī)溶劑來促成。通過這種延長效應(yīng)為現(xiàn)場形成的金屬保留了很多的時 間，以使得金屬顆粒之間的空隙得到填充。通過這種方式能夠在非常 低的處理壓力下制造非常稠密的連接層(觸點(diǎn))，該連接層對于孔隙
來看與由吸熱凝結(jié)系統(tǒng)構(gòu)成的在200Bar下制造的銀層非常相似。 根據(jù)本發(fā)明的目的通過獨(dú)立權(quán)利要求所述的特征部分來實(shí)現(xiàn)。
從屬權(quán)利要求描述了優(yōu)選的實(shí)施方式。
相應(yīng)地，通過本發(fā)明提出了一種金屬膏體，相對于該金屬膏體
的重量其包含重量百分比70-90%的金屬粉末、重量百分比1-20%的可
吸熱分解的金屬化合物以及重量百分比5-20%的沸點(diǎn)22(TC以上的
溶劑，其中，金屬膏體可放熱地凝結(jié)成金屬連接部。
優(yōu)選地，相對于該金屬膏體的重量，在金屬膏體中所包含的金
屬粉末的重量百分比為72-88%，優(yōu)選為75-85%，更為優(yōu)選的為
77-85%。
相對于該金屬膏體的重量，可吸熱分解的金屬化合物的成分， 其重量百分比為3-18%，優(yōu)選為4-15%，更為優(yōu)選的為5-10%。
在根據(jù)本發(fā)明的金屬膏體中，相對于該金屬膏體的重量，沸點(diǎn) 220。C以上的溶劑的重量百分比為9-20%，優(yōu)選為10-20%，更為優(yōu)選 的為11-20%，例如可以是12-20%，或也可以是14-20%。
除了金屬粉末、可吸熱分解的金屬化合物以及沸點(diǎn)22(TC以上的 溶劑，在金屬膏體中也可以存在其他的組分。例如優(yōu)選可以在金屬膏 體中存在其他的溶劑，例如該溶劑的沸點(diǎn)在22(TC以下。在此合適的 溶劑是松油醇、N-甲基-2-吡咯垸酮、乙二醇、二甲乙酰胺或者無支 鏈或有支鏈的C5 - C9乙醇。這些另外的組分在金屬膏體中相對于該 金屬膏體的重量可以例如是0-25%的重量百分比。當(dāng)然也可以不考 慮，即除了金屬粉末、可吸熱分解的金屬化合物以及沸點(diǎn)22(TC以上的溶劑，在金屬膏體中包含其他的組分。尤其可以不考慮，即除了金屬粉末、可吸熱分解的金屬化合物以及沸點(diǎn)220。C以上的溶劑，在金
屬膏體中包含其他的溶劑。
在本發(fā)明的范疇內(nèi)，對于金屬粉末基本上可以使用任何金屬粉末。作為金屬膏體組分進(jìn)行描述的概念"金屬粉末"，根據(jù)本發(fā)明也可以理解為不同金屬粉末的混合物，例如不同組合物金屬粉末的混合物。根據(jù)本發(fā)明所使用的金屬粉末優(yōu)選包含顆粒，該顆粒具有至少一種金屬(例如基礎(chǔ)形態(tài))，禾口/或至少一種合金。在金屬和/或金屬化
合物上可以優(yōu)選的是，金屬粉末的顆粒重量百分比至少為80%，優(yōu)選為90%，更為優(yōu)選的是95%，以至于例如是至少99%或100%。
所使用的金屬粉末的顆?？梢岳缇哂兄辽僖环N金屬，該金屬可以從以下一組金屬中選出，這組金屬分別是銅、銀、金、鎳、鈀、鉑、鋁。
所使用的金屬粉末的顆粒為代替或添加多種金屬可以具有至少一種金屬合金。合金可以例如是一種銅-或貴金屬化合物。合金優(yōu)選可以是一種通常使用在硬釬料中的合金。該合金優(yōu)選包含至少兩種金屬，這些金屬可以從以下一組金屬中選出，這組金屬分別是銅、銀、金、鎳、鈀、鉑、鋁。元素組(銅、銀、金、鎳、鈀、鉑、鋁)中元素成分在合金中的重量百分比為至少90%，優(yōu)選為至少95%，以至于例如為100%。該合金可以例如是一種由Cu/Ag、 Cu/Ag/Au、 Cu/Au、Ag/Au、 Ag/Pd、 Pt/Pd或Ni/Pd構(gòu)成的合金。在本發(fā)明的范疇內(nèi)，大小范圍為0.1-10陶，優(yōu)選為0. 3-3陶的粒子金屬粉末或絮片金屬粉末被證明尤其適用。
基本上每種可吸熱分解的金屬化合物都能夠作為可在本發(fā)明中使用的可吸熱分解的金屬化合物。作為金屬膏體組分進(jìn)行描述的概念"可吸熱分解的金屬化合物"，根據(jù)本發(fā)明也可以理解為不同的可吸熱分解的金屬化合物的混合物，例如不同組合物的可吸熱分解的金屬化合物的混合物。根據(jù)本發(fā)明，可吸熱分解的金屬化合物應(yīng)當(dāng)理解成一種金屬化合物，其熱分解優(yōu)選是在惰性氣體蒸汽下的一種吸熱過程。在這種熱分解中，從金屬化合物中可以釋放出金屬。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例，可吸熱分解的金屬化合物具有一種也包含在金屬粉末中的金 屬。優(yōu)選地，可吸熱分解的金屬化合物具有作為金屬的銅、銀、金、 鎳、鈀或鉑。作為可吸熱分解的金屬化合物優(yōu)選地可以是用于上述金
屬的碳酸、乳酸、甲酸、檸檬酸、氧化物或脂肪酸鹽(C6至C24-脂
肪酸)。根據(jù)本發(fā)明的可吸熱分解的金屬化合物例如是碳酸銀、乳酸
銀、甲酸銀、檸檬酸銀、氧化銀(例如Ag20)、乳酸銅、硬脂酸銅、 氧化銅(例如Cu20或CuO)或氧化金(例如Au20或AuO)。包含在金 屬粉末中的可吸熱分解的金屬化合物具有一個優(yōu)選40(TC以下，更優(yōu) 選35(TC以下并且更為優(yōu)選30(TC以下的分解溫度。大小范圍為 0. l-10Wn，優(yōu)選為0. 3-3陶的粒子構(gòu)成的粉末或絮片被證明尤其適 用。
根據(jù)本發(fā)明，在金屬膏體中包含一種沸點(diǎn)為22(TC以上的溶劑。 優(yōu)選地，該溶劑的沸點(diǎn)為25(TC以上。根據(jù)一個優(yōu)選實(shí)施例，包含在 金屬膏體中的沸點(diǎn)為22(TC以上的溶劑是一種沸點(diǎn)為22(TC以上的可 吸熱分解的溶劑。根據(jù)本發(fā)明，可吸熱分解的溶劑應(yīng)優(yōu)選理解成一種 溶劑，該溶劑從金屬膏體中剔除是一種吸熱的過程。優(yōu)選的一種情況 是，該溶劑可以在通過在此描述的金屬膏體進(jìn)行燒結(jié)處理時而未完全 化解地，也就是未進(jìn)行反應(yīng)地從金屬膏體中排除。在本發(fā)明的范疇內(nèi)， 概念"沸點(diǎn)220。C以上的溶劑"也可以認(rèn)定為沸點(diǎn)22(TC以上的多種 不同溶劑的混合物。沸點(diǎn)22(TC以上的溶劑中可以是1-十三醇、2-十三醇、3-十三醇、4-十三醇、5-十三醇、6-十三醇、異十三烷醇、 二元酯(例如戊二酸、醋酸或琥珀酸的二甲酸或者以上混合物)、甘 油、二甘醇、三甘醇、或者以上混合物。
根據(jù)本發(fā)明，金屬膏體可以放熱地凝結(jié)金屬連接。這將說明， 在金屬膏體為金屬連接進(jìn)行凝結(jié)是一種放熱過程。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的金屬膏體可以無需輸氧地放熱 凝結(jié)成金屬連接部。根據(jù)本發(fā)明無需輸氧意味著，凝結(jié)可以在無氧大 氣環(huán)境下進(jìn)行。根據(jù)本發(fā)明，無氧大氣環(huán)境應(yīng)理解為氧氣含量少于 1%的大氣環(huán)境。
另外優(yōu)選地，金屬膏體具有至少50%體積百分比的固體成分。根據(jù)本發(fā)明，金屬膏體也可以實(shí)施成懸膠(體)的形式。在這種情況下優(yōu)選可以是，除了金屬粉末、可吸熱分解的金屬化合物以及沸點(diǎn)22(TC以上的溶劑之外還包含有另一種溶劑。這另一種溶劑可以
是一種沸點(diǎn)22(TC以下的溶劑。另一種溶劑成分的重量百分比為優(yōu)選10-50%。金屬膏體、可吸熱分解的金屬化合物及沸點(diǎn)22(TC以上的溶劑的重量比例之和在這種情況下優(yōu)選為50-90%。優(yōu)選的可以是，在懸膠中相對于金屬膏體、可吸熱分解的金屬化合物及沸點(diǎn)22(TC以上的溶劑的重量比例之和(例如為50-90%)，懸膠包含重量百分比為70-90%的上述金屬粉末、重量百分比為1-20%的上述可吸熱分解的金屬化合物及重量百分比為5-20%的上述沸點(diǎn)22(TC以上的溶劑。然而也可以優(yōu)選的是，在懸膠中沸點(diǎn)22(TC以上的溶劑的成分更高一些。在這種情況下如有需要可以放棄使用沸點(diǎn)22(TC以下的溶劑。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例，懸膠包含重量百分比為35-81% (優(yōu)選50-70%)的金屬粉末、重量百分比為0. 5-18% (優(yōu)選3-15%)的可吸熱分解的金屬化合物及重量百分比為2.5-47% (優(yōu)選5-10%)的沸點(diǎn)220。C以上的溶劑、以及重量百分比為0-50% (優(yōu)選0-20%)的另一種溶劑。
本發(fā)明還提出一種方法，用于相互焊接相對的，尤其是相疊的接觸面，在該方法中，相疊的接觸面通過根據(jù)本發(fā)明的金屬膏體或根據(jù)本發(fā)明的懸膠彼此連接，并且金屬膏體或懸膠放熱地凝結(jié)。
接觸面通過其間設(shè)置的金屬膏體放熱的凝結(jié)而進(jìn)行焊接，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選通過低溫?zé)Y(jié)處理來實(shí)現(xiàn)。
待相互焊接的接觸面優(yōu)選是至少兩個待焊接的元器件的組成部分。
因此，本發(fā)明還涉及一種方法，用于連接至少兩個元器件，該元器件通過根據(jù)本發(fā)明的金屬膏體或懸膠彼此連接，并且其中金屬膏體或懸膠放熱地凝結(jié)。待連接的元器件在此相疊地設(shè)置。這樣的布局也被稱為三明治布局。特別的是，這些待連接的元器件沒有相鄰地設(shè)置在一種共用載體上。
相應(yīng)地，在本發(fā)明的范疇內(nèi)也提出了上述金屬膏體的應(yīng)用，用于連接相疊設(shè)置的元器件，相對于一個構(gòu)件來看優(yōu)選是三明治布局。在下文中，概念"金屬膏體"處于便于閱讀的考慮而可以包括 有一種懸膠。
待連接的元器件可以例如是模塊和/或基板。
根據(jù)一個優(yōu)選的實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明至少兩個模塊、至少兩個 基板或至少一個模塊和至少一個基板彼此連接。
模塊可以例如是一個LED (發(fā)光二極管)、 一個印模、 一個二極
管、 一個IGBT (絕緣柵雙極晶體管)、 一個IC (集成電路)、 一個
傳感器、 一個散熱體(例如鋁質(zhì)散熱體或銅質(zhì)散熱體)或其他的被動 元器件(例如一個電阻、電容或線圈)。
基板可以例如是引線框、陶瓷基板或DCB (覆銅)基板。
根據(jù)多個優(yōu)選的實(shí)施例，本發(fā)明涉及LED與引線框的連接，LED 與陶瓷基板的連接，印模、二極管、IGBT和IC中一種模塊與引線框、 陶瓷基板或DCB基板中一種基板的連接，傳感器與引線框或陶瓷基板 的連接，DC基板或陶瓷基板與銅質(zhì)-或鋁質(zhì)散熱體的連接，或者引線 框與散熱體的連接。根據(jù)本發(fā)明也可以優(yōu)選三明治結(jié)構(gòu)中的單獨(dú)元件 彼此連接。例如這種三明治結(jié)構(gòu)可以具有一個包括(i) LED或芯片、 (ii)引線框和(iii)散熱體的結(jié)構(gòu)，其中優(yōu)選地是，引線框一方 面與LED或芯片連接，并且另一方面通過金屬膏體與散熱體連接。另 外，三明治結(jié)構(gòu)可以包括一種結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中二極管位于在兩個散 熱體之間，其中優(yōu)選地是，兩個散熱體中的每個通過金屬膏體與二極 管的另一接觸面連接。
根據(jù)本發(fā)明，接觸面理解為元器件的這些通過根據(jù)本發(fā)明的金 屬膏體進(jìn)行接觸的表面。
待焊接的元器件(優(yōu)選也就是模塊和基板)的各個表面可以包 括一種金屬層。該金屬層可以包含一個相應(yīng)的接觸面或者包含在金屬 層表面上的接觸面。
根據(jù)一個優(yōu)選的實(shí)施例，金屬層具有至少一種元素，該元素可 從以下一組元素中選出，其分別是銅、銀、金、鈀、鉑。金屬層也可 以由這些元素構(gòu)成。
再者，金屬層具有合金，其包含至少兩種元素，該元素可從以下一組元素中選出，其分別是銅、銀、金、鈀、鉑。這些元素在合金
中的成分的重量百分比為90%，優(yōu)選為至少95%，更為優(yōu)選的是99%， 甚至例如到100%。優(yōu)選地，這樣的合金包含至少兩種元素，該元素 可從以下一組元素中選出，其分別是銀、鈀、鉑。金屬層具有該合金， 該合金的重量百分比為95%，優(yōu)選為至少99%，更為優(yōu)選的是100%。
金屬層也可以具有一個多層的結(jié)構(gòu)。例如可以優(yōu)選的是，待焊 接的元器件的至少一個表面包括例如多個層，這些層具有上述元素和 /或合金。根據(jù)一個優(yōu)選實(shí)施例，元器件(例如DCB基板)的至少一 個表面具有一個銅層，在該銅層上設(shè)置有一個由鎳制成的層。有可能 在鎳層上還設(shè)置有一個由金制成的層。鎳層的厚度為優(yōu)選1-2to，并 且金涂層的厚度為優(yōu)選0.05-0. 3Wn。另一方面優(yōu)選也可以是，元器 件的一個表面包括一個由銀或金制成的層并且其上還包括一個由鈀 或鉑制成的層。根據(jù)另一優(yōu)選的實(shí)施例，各個層除了所述的元素或合 金之外也包含有一種玻璃。也可以優(yōu)選是，多個層是(i)玻璃和(ii) 元素或合金構(gòu)成的混合物。
聯(lián)系上文例如可以優(yōu)選的是，LED具有由銀制成的金屬層或由鎳 和金構(gòu)成的涂層，芯片具有由銀制成的金屬層或由鎳和金構(gòu)成的涂 層，引線框具有由銅或銀制成的金屬層或由鎳和金構(gòu)成的涂層，DCB 基板具有由銅或銀制成的金屬層或由鎳和金構(gòu)成的涂層，陶瓷基板具 有由銀、金、鈀、鉑、銀-鈀合金或銀-鉑合金制成的金屬層，并且散 熱體具有由銅、銀制成的金屬層或由鎳和金構(gòu)成的涂層。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的范疇內(nèi)，待焊接的元器件通過根據(jù)本發(fā) 明的金屬膏體彼此連接。
為此首先制造出一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括兩個元器件，這兩個元 器件通過根據(jù)本發(fā)明的金屬膏體彼此連接。優(yōu)選這樣來進(jìn)行涂層，即 首先將元器件表面涂敷金屬膏體并且其他元器件以其表面放置在金 屬膏體上。
金屬膏體可以例如通過傳統(tǒng)的方法涂在元器件表面上，例如通
過印刷方法(例如絲網(wǎng)印刷或模板印刷)、配比技術(shù)、噴涂技術(shù)、通 過焊腳傳遞(Pintransfer )或浸泡來實(shí)現(xiàn)。從而，該元器件的涂有金屬膏體的表面與待連接的元器件的表 面通過金屬膏體形成連接。因此，在待焊接的元器件之間具有層狀的 金屬膏體。根據(jù)本發(fā)明，元器件的對立的通過金屬膏體形成接觸的表 面是-兩個元器件的接觸面。
待焊接的元器件的潮濕層厚度，其在燒結(jié)處理之前被測量作為 待連接的元器件的對立接觸面之間的間距，該間距優(yōu)選為在 20-200陶的范圍內(nèi)。優(yōu)選的潮濕層厚度關(guān)系到所選的涂敷方法。如果 金屬膏體借助于絲網(wǎng)印刷方法進(jìn)行涂敷，則潮濕層厚度優(yōu)選為
20-50Wn。如果金屬膏體通過模板印刷進(jìn)行涂敷，則優(yōu)選的潮濕層厚度 在50-200Wn的范圍內(nèi)。
相應(yīng)地在低溫?zé)Y(jié)處理之前要對所獲得的結(jié)構(gòu)進(jìn)行干燥。干燥溫 度優(yōu)選為50-IO(TC。應(yīng)當(dāng)理解的是，干燥時間將關(guān)系到每種組分及構(gòu) 件大小。另一方面，干燥也可以直接在元器件的至少一個表面涂敷有 金屬膏體之后且在待連接的元器件進(jìn)行接觸之前進(jìn)行。
由至少兩個元器件構(gòu)成且通過金屬膏.體彼此連接的結(jié)構(gòu)，隨后進(jìn) 行一種低溫?zé)Y(jié)處理。由此而實(shí)現(xiàn)了所述的金屬膏體的放熱的凝結(jié)。
根據(jù)本發(fā)明，低溫?zé)Y(jié)處理應(yīng)理解成一種燒結(jié)處理，該處理過程 優(yōu)選在230-35(TC的范圍內(nèi)，更為優(yōu)選在250 - 30CTC的范圍內(nèi)進(jìn)行。
在此，處理壓力優(yōu)選在0-200bar的范圍內(nèi)，更為優(yōu)選為1-50bar。
燒結(jié)時間關(guān)系到處理壓力并且優(yōu)選為2-45分鐘。在處理壓力為 0-2bar (例如Obar)時，燒結(jié)時間優(yōu)選為2-45分鐘；在處理壓力為 5-15bar (例如10bar)時，燒結(jié)時間優(yōu)選為15-30分鐘；在處理壓力 為40-60bar (例如50bar)時，燒結(jié)時間優(yōu)選為10-20分鐘；在處理 壓力為180-200bar (例如200bar)時，燒結(jié)時間優(yōu)選為2-5分鐘。
根據(jù)本發(fā)明，在待連接的元器件之間的觸點(diǎn)的孔隙可以有效地控 制。因?yàn)樵骷囟?、壓力和時間具有不同的靈敏度，從而必須通 過金屬膏體來控制孔隙。
這種控制尤其可以通過在所設(shè)金屬膏體中的沸點(diǎn)22(TC以上的溶 劑的成分來實(shí)現(xiàn)。
在金屬膏體中沸點(diǎn)22(TC以上的溶劑的成分越高，在低溫?zé)Y(jié)處理中放熱凝結(jié)過程所需的時間則越長。因此，在金屬膏體中通過低溫 燒結(jié)處理而從可吸熱分解的金屬化合物中現(xiàn)場產(chǎn)生的金屬需要更多的 時間，以便于能夠填充所設(shè)的金屬膏體的金屬顆粒之間的空隙。這樣 就能夠得到降低待連接元器件之間的觸點(diǎn)孔隙的目的。
另一方面，觸點(diǎn)的孔隙通過降低沸點(diǎn)22(TC以上的溶劑在金屬膏
體中的成分也會被提高。
因此，根據(jù)本發(fā)明使用一種金屬膏體來控制在低溫?zé)Y(jié)處理中待 連接的元器件之間觸點(diǎn)的孔隙，該金屬膏體包括金屬粉末、可吸熱分
解的金屬化合物以及沸點(diǎn)22(TC以上的溶劑。
優(yōu)選的，金屬膏體是前述金屬膏體，其包含70-90%重量百分比的 金屬粉末、1-20%重量百分比的可吸熱分解的金屬化合物以及5-20%重 量百分比的沸點(diǎn)22(TC以上的溶劑。
相應(yīng)地也提出一種方法，以控制兩個元器件之間觸點(diǎn)的孔隙，其 中包括兩個通過金屬膏體而彼此連接的元器件的結(jié)構(gòu)要進(jìn)行低溫?zé)Y(jié) 處理，其特征在于，金屬膏體包括金屬粉末、可吸熱分解的金屬化合 物以及沸點(diǎn)22(TC以上的溶劑，并且沸點(diǎn)22(TC以上的溶劑的成分要 這樣設(shè)置，以使得能實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)所期望的孔隙。
通過所述的方法可以制造一種構(gòu)件，其包括至少兩個相疊(尤其 是三明治結(jié)構(gòu)中的)設(shè)置的元器件，這些元器件通過放熱凝結(jié)的金屬 膏體(上述限定的)彼此連接。因此，根據(jù)本發(fā)明，構(gòu)件具有接觸面， 該接觸面通過凝結(jié)的金屬膏體或懸膠(以上所述的)而連接。
根據(jù)本發(fā)明，金屬膏體或懸膠的金屬被凝結(jié)，該金屬膏體除了作 為主要成分的金屬粉末之外還包含可吸熱分解的金屬化合物及可吸熱 剔除的溶劑，其中凝結(jié)最終通過金屬化合物的吸熱分解來控制。
優(yōu)選地，在通過對立的金屬面借助于連接膏體而產(chǎn)生觸點(diǎn)時，膏 體在金屬化合物分解時放熱而轉(zhuǎn)化成一種低孔隙的固體，該連接膏體 具有金屬顆粒以及一種可分解的金屬化合物，該金屬選自銀、銅、鋁、 鎳和鈀。
金屬化合物的放熱反應(yīng)可以通過有機(jī)溶劑的存在而在時間上進(jìn)行 控制，該有機(jī)溶劑的沸點(diǎn)在220。C以上，尤其在250。C以上。在此，放熱反應(yīng)可以維持IO秒到IO分鐘的時間。 根據(jù)本發(fā)明而設(shè)計(jì)，即溶劑在金屬化合物分解時被剔除。另一方
面也可以在溶劑剔除時進(jìn)行金屬化合物的分解。
因此，根據(jù)本發(fā)明由此而降低所產(chǎn)生的焊接層或連接層(尤其是 基于銀或銅的)的孔隙，即在絮片或粉末顆粒之間現(xiàn)場生成的金屬， 尤其是銀或銅來填滿空隙。在根據(jù)本發(fā)明的改進(jìn)方案中，放熱的處理 被延長，從而空隙繼續(xù)被封閉。放熱反應(yīng)在時間上的延遲通過有機(jī)的 溶劑來生效，該溶劑具有較高的沸點(diǎn)。使用這種溶劑能夠控制孔隙。
沸點(diǎn)20(TC以下的溶劑在此不作考慮。這樣的溶劑蒸發(fā)過快，以至于放 熱反應(yīng)將急速地進(jìn)行。沸點(diǎn)在22(TC以上的溶劑可以將放熱反應(yīng)延長到 IO秒以上。沸點(diǎn)在25(TC以上的溶劑可以將放熱反應(yīng)延長至IO分鐘。 在此，銀緩慢的形成與有機(jī)組分緩慢的蒸發(fā)相輔相成地促使氣孔規(guī)則 地減少并且由此而提高凝結(jié)效果。在此根據(jù)本發(fā)明提出一種金屬膏體， 其具有1-20%，尤其是2-10%重量百分比的可吸熱分解的金屬化合物 (尤其是銀化合物，例如Ag2C03) ; 5-20%重量百分比，尤其是9-20% 重量百分比的沸點(diǎn)在220。C以上(尤其在25(TC)的溶劑(例如TDA); 0-10%重量百分比的用于銀膏體的通用輔料，例如松油醇；以及至少60% 銀顆粒。
膏體的主要組分是相應(yīng)的金屬(尤其是銀或銅的)顆粒，該金屬 顆粒在特定的使用膏體時將相互焊接成一種緊密的金屬結(jié)構(gòu)。在過高 的金屬顆粒成分中，例如在重量百分比90%以上的銀顆粒中，膏體屬性 將會喪失。在過低的金屬顆粒成分中，例如在重量百分比60%以下的銀 顆粒中，焊接點(diǎn)的孔隙會過大。為了使得金屬顆粒，尤其是銀顆粒交 織成網(wǎng)，在以差熱分析(DTA)放熱顯現(xiàn)處理中使用到可吸熱分解的金 屬化合物，尤其是銀化合物。從吸熱的金屬(尤其是銀)化合物中產(chǎn) 生的金屬(尤其是銀)將連接金屬(尤其是銀或銅)粒子，并且填充 金屬(尤其是銀或銅)粒子之間的空隙。在膏體中吸熱金屬化合物過 少，例如其成本為重量百分比小于1%的銀化合物時，會不足以減少 焊接層的氣孔并且由此而實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)固度不能達(dá)到根據(jù)本發(fā)明所要求 的質(zhì)量。在吸熱的化合物成分過高時，例如銀化合物的成分在重量百分比20%以上時，放熱反應(yīng)仍將難以控制并且會構(gòu)成危險(xiǎn)，即基于一 種瞬間快速的反應(yīng)而使得氣孔沒能充分填充，或者另一方面反應(yīng)時間 會非正常地持續(xù)過長，以至于對于批量生產(chǎn)的處理是非經(jīng)濟(jì)的。當(dāng)高 溫沸騰的溶劑成分太少時，尤其是少于重量百分比5%時，放熱反應(yīng) 過程將未能充分地延長，以至于不能可控地減少氣孔。如果相對而言 高溫沸騰的溶劑作為主要組分，則在足夠減少孔隙時將難以剔除該溶 劑。
顆粒大小為陶單位的銅、貴金屬、鎳或鋁的絮片及顆粒都適合
于作為金屬顆粒，并且尤其是像Cu/Ag、 Cu/Ag/Au、 Cu/Au、 Ag/Au、 Ag/Pd、 Pt/Pd和Ni/Pd所構(gòu)成的易于相溶的混合物。含銀的混合物 優(yōu)選是無鎳的。當(dāng)從金屬化合物中釋放的金屬有效地與顆粒的金屬進(jìn) 行相溶時，顆粒與金屬化合物所構(gòu)成的系統(tǒng)是完全適用的。優(yōu)選地， 由金屬化合物釋放的金屬在放熱凝結(jié)時相溶金屬顆粒而不會產(chǎn)生新 的相。易于分解的金屬化合物在遠(yuǎn)低于其金屬熔點(diǎn)時則適合于作為吸 .熱分解的金屬化合物。這種情況適合于貴金屬化合物。其中，無論其 是否有毒或者其毒性是否是能接受的，都要留意銅化合物。優(yōu)選地， 可分解的金屬化合物在高溫沸騰的溶劑被剔除時仍在進(jìn)行分解。使用 有機(jī)溶劑可以使得分解溫度在40CTC以下，尤其在35(TC以下。對于 特別敏感的半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用，將使用分解溫度在30(TC以下的金屬化 合物。在分解溫度在30(TC以下時通常替換為軟焊法。
顆粒在存放時不會凝聚。因此，納米顆粒通常并非有利，盡管 優(yōu)選是盡可能小的顆粒。0.2-10to，優(yōu)選O. 3-3Wn大小的顆粒，特別 是具有較大表面粗糙度的圓柱狀顆粒(絮片)被證明是合適的。
根據(jù)本發(fā)明的放熱凝結(jié)，相比許多燒結(jié)方法能夠在保護(hù)氣體下 實(shí)施。在與膏體連接時，待連接部件的金屬表面在保護(hù)氣體下不會被 氧化。因此，通過膏體可實(shí)現(xiàn)有效的焊點(diǎn)。在電子元器件上通過膏體 在保護(hù)氣體下產(chǎn)生的金屬層能夠無需后續(xù)處理地進(jìn)行連接，尤其是可 以粘合。對于根據(jù)本發(fā)明的放熱凝結(jié)不需要氧氣源。
在下文中，本發(fā)明將根據(jù)附圖進(jìn)行描述。
圖1通過一個流程圖詳細(xì)說明了本發(fā)明的原理，本發(fā)明相對于 已知的銀膏體的燒結(jié)處理而無需銀化合物。
圖2a-d示出了高溫沸騰的溶劑在放熱凝結(jié)峰值區(qū)域上的影響。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了凝結(jié)過程，其中銀和碳酸銀被混合并且通過溶劑處
理成膏體。設(shè)置在膏體的銀顆粒之中的碳酸鹽在250'C無壓力的情況 下被分解成銀和C02，其中被反應(yīng)出的銀填充銀顆粒之間的空隙并且 固定銀顆粒。通過這種方式，銀連接產(chǎn)生很少的孔隙。相應(yīng)地，銀被 固定到基板表面上。相對于已知的、在焊接技術(shù)中產(chǎn)生具有大約 17Vol.y。孔隙的銀體來看，根據(jù)本發(fā)明的孔隙被限制在10 Vol.%。
根據(jù)圖2a-d，放熱凝結(jié)的持續(xù)時間將通過膏體中高溫沸騰的溶 劑成分進(jìn)行控制。放熱凝結(jié)的放緩將促使少孔的焊點(diǎn)進(jìn)一步具有良好 的機(jī)械、導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能。
由重量百分比78%的銀、重量百分比5%的碳酸銀及重量百分比 17%的松油醇(沸點(diǎn)為219°C)構(gòu)成的膏體在保護(hù)氣體下進(jìn)行的差熱 分析中(圖2a)顯示出吸熱峰值在20CTC。該膏體對于機(jī)械性能來說 不會凝聚成不可負(fù)重的多孔堆。
由重量百分比83%的銀、重量百分比5%的碳酸銀及重量百分比 12%的松油醇(沸點(diǎn)為219°C)構(gòu)成的膏體在保護(hù)氣體下進(jìn)行的差熱 分析中(圖2b)顯示出在吸熱峰值后在20(TC的放熱峰值。該膏體對 于機(jī)械性能來說也不會凝聚成不可負(fù)重的多孔堆。
由重量百分比83%的銀、重量百分比5%的碳酸銀、重量百分比 10%的松油醇(沸點(diǎn)為219'C)及重量百分比2%的l-十三醇(十三(烷) 醇TDA沸點(diǎn)為274 -280°C)構(gòu)成的膏體在保護(hù)氣體下進(jìn)行的差熱分 析中(圖2c)相對于(圖2b)進(jìn)行置換并且壓縮的峰值在200°C。 該膏體對于機(jī)械性能來說也不會凝聚成不可負(fù)重的多孔堆。
由重量百分比83%的銀、重量百分比5%的碳酸銀、重量百分比 12%的1-十三醇(TDA沸點(diǎn)為274 -280。C)構(gòu)成的膏體在保護(hù)氣體下進(jìn)行的差熱分析中(圖2d)將導(dǎo)致20(TC以下的放熱峰值。膏體在此
會凝聚為機(jī)械性能堅(jiān)固且少孔的堆體。該堆體能夠承受在功率電子領(lǐng)
域中的機(jī)械及熱的應(yīng)變載荷，尤其是LED附上、連接非常小的4x4 mm的芯片時。孔隙可以通過在膏體中高溫沸騰的溶劑量的變化進(jìn)行控 制，并且為此而可以對一些特殊的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)置。 本發(fā)明將通過以下實(shí)施例進(jìn)行詮釋
實(shí)施例1:
包含重量百分比83%的銀、重量百分比5%的碳酸銀、重量百分 比12%的1-十三醇的金屬膏體通過配比技術(shù)印刷在引線框表面。接下 來，面積8咖2的印模安置在金屬膏體上。潮濕層厚度為50Wn。隨后， 所獲得的結(jié)構(gòu)在IO(TC下經(jīng)過20分鐘進(jìn)行干燥。燒結(jié)過程在Obar的處 理壓力下且處理溫度為250。C持續(xù)進(jìn)行45分鐘。
實(shí)施例2
包含重量百分比83%的銀、重量百分比5%的碳酸銀、重量百分 比12%的1-十三醇的金屬膏體通過配比技術(shù)涂敷在引線框表面。接下 來，面積9. 2mW的印模安置在金屬膏體上。潮濕層厚度為50Wn。隨 后，所獲得的結(jié)構(gòu) 10(TC下經(jīng)過20分鐘進(jìn)行干燥。燒結(jié)過程在Obar 的處理壓力下且處理溫度為25(TC持續(xù)進(jìn)行45分鐘。
權(quán)利要求
1.一種金屬膏體，其包含重量百分比70-90％的金屬粉末、重量百分比1-20％的可吸熱分解的金屬化合物以及重量百分比5-20％的沸點(diǎn)220℃以上的溶劑，其中，所述金屬膏體可放熱地凝結(jié)成金屬連接部。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的金屬膏體，其特征在于，所述金屬膏體包含重量百分比為11-20%的沸點(diǎn)22(TC以上的溶劑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬膏體，其特征在于，所述可吸熱分解的金屬化合物是一種銅-或貴金屬化合物。'
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的金屬膏體，其特征在于，所述金屬粉末大多數(shù)具有銀或銅或金或鈀或鉑。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的金屬膏體，其特征在于，所述金屬膏體能夠無需提供氧氣地放熱凝結(jié)成所述金屬連接部。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的金屬膏體，其特征在于，所述金屬膏體為懸膠(體)的形式。
7. —種方法，用于相互焊接相對的接觸面，其特征在于，所述接觸面通過根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的金屬膏體相互連接，并且所述金屬膏體放熱地凝結(jié)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，包含在所述金屬膏體中的溶劑的沸點(diǎn)為25(TC以上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，包含在所述金屬膏體中的所述金屬化合物的分解溫度為40(TC以下，優(yōu)選為35CTC以 下，特別優(yōu)選為30(TC以下。
10. —種構(gòu)件，其具有多個相疊設(shè)置的元器件，所述這些元器 件通過根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的金屬膏體連接。
全文摘要
一種對用于無壓力低溫?zé)Y(jié)處理的金屬膏體的孔隙的控制。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)，在元器件的接觸面之間產(chǎn)生非常緊固的層，該層有足夠的彈性，以至于能夠持續(xù)地經(jīng)受機(jī)械及熱的應(yīng)變載荷。這由此而實(shí)現(xiàn)，即控制相應(yīng)觸點(diǎn)的孔隙。為此而提出一種金屬膏體，其包含重量百分比70-90％的金屬粉末、重量百分比1-20％的可吸熱分解的金屬化合物以及重量百分比5-20％的沸點(diǎn)220℃以上的溶劑，其中，金屬膏體可放熱地凝結(jié)成金屬連接部。
文檔編號H01R4/02GK101662080SQ200910171259
公開日2010年3月3日 申請日期2009年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月27日
發(fā)明者漢斯-維爾納·哈格多恩, 沃爾夫?qū)な┟芴? 米夏埃爾·舍費(fèi)爾 申請人:W.C.賀利氏有限公司