專利名稱：脂肪族碳?xì)浠衔锖褪炞鳛殂y燒結(jié)膏中的溶劑的用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將電子元件固定在基底上的方法以及一種在該方法中所使用的膏體。
背景技術(shù)：
在電力電子學(xué)領(lǐng)域，將基底與元件(諸如對壓力和溫度敏感度極高的LED或非常薄的硅芯片)固定，是具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。由于這個原因，經(jīng)常通過粘接的手段將基底與這樣的對壓力和溫度敏感的元件相連。適宜的導(dǎo)體粘合劑通常包括銀顆粒、熱固性聚合物和活性稀釋劑。然而，粘接技術(shù)的缺點(diǎn)在于，由此在基底和元件之間形成的接觸位置的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率不足。為解決該問題，提出了這樣的方法，即通過燒結(jié)將基底與電子元件彼此相連。然而，傳統(tǒng)的燒結(jié)方法需要較高的過程壓力或者較高的過程溫度。這樣的條件經(jīng)常會導(dǎo)致待連接元件的損傷，以至于傳統(tǒng)燒結(jié)方法對許多應(yīng)用不適用。文獻(xiàn)DE 10 2007 046 901A1提出了這樣一種燒結(jié)技術(shù)，通過其實現(xiàn)了，為電力電子學(xué)構(gòu)建出導(dǎo)電和導(dǎo)熱優(yōu)良的連接層。在該燒結(jié)方法中使用了這樣的金屬膏，該金屬膏除了含酒精溶劑之外還包括銀化合物，該化合物在低于300°C的條件下分解出元素銀。金屬膏實現(xiàn)了將過程壓力降低至低于:3bar，并將過程溫度降低至低于250°C。在將基底與對壓力和溫度敏感的元件連接方面，該燒結(jié)技術(shù)是一個巨大的質(zhì)量飛躍。如果還能將過程溫度進(jìn)一步降低，而不必?fù)?dān)心會對產(chǎn)生的接觸位置的抗剪強(qiáng)度造成損害，則對許多應(yīng)用是值得期待的。這一點(diǎn)會導(dǎo)致待連接元件的更小的負(fù)載以及在電力電子學(xué)領(lǐng)域元件的進(jìn)一步的質(zhì)量提升。另外，可以在進(jìn)一步降低過程溫度的條件下大幅度地節(jié)省能源成本。由現(xiàn)有技術(shù)已知的將電子元件固定在基底上的方法在另一方面還可以改進(jìn)。盡管在個別情況下有可能，在電子元件和基底之間形成具有高抗剪強(qiáng)度的接觸層；但是在系列生產(chǎn)中卻經(jīng)常出現(xiàn)這樣的問題，即，抗剪強(qiáng)度在各個接觸層之間差別很大。迄今為止還沒有可能，鑒于接觸位置的抗剪強(qiáng)度以同樣的質(zhì)量在電子元件和基底之間生成接觸層。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種燒結(jié)方法，該方法允許了，以穩(wěn)定的方式將電子元件與基底相連，其中，過程溫度低于250°C。在此，優(yōu)選應(yīng)當(dāng)以同樣的質(zhì)量制成基底和待連接元件之間的接觸位置，該接觸位置具有高抗剪強(qiáng)度、低孔隙率和高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。本發(fā)明的另一目的在于，提供一種可以在本發(fā)明的燒結(jié)方法中使用的膏體。通過獨(dú)立權(quán)利要求實現(xiàn)了本發(fā)明的目的。因此，本發(fā)明提供了一種將電子元件與基底相固定的方法，在該方法中(i)提供電子元件和基底；(ii)形成三明治結(jié)構(gòu)，該三明治結(jié)構(gòu)具有電子元件、基底和置于其間的層，該層包括膏體，該膏體含有(a)具有涂層的金屬顆粒，該涂層具有至少一種這樣的化合物，該化合物選自組脂肪酸、脂肪酸鹽和脂肪酸酯；膏體還包括(b)至少一種脂肪族碳?xì)浠衔?；而?iii)燒結(jié)該三明治結(jié)構(gòu)。本發(fā)明該提供了一種膏體，其包括(a)具有涂層的金屬顆粒，該涂層具有至少一種這樣的化合物，該化合物選自組脂肪酸、脂肪酸鹽和脂肪酸酯；和(b)至少一種脂肪族碳?xì)浠衔?。由現(xiàn)有技術(shù)已知的膏體通常包括經(jīng)涂層的金屬顆粒，以避免金屬顆粒在膏體中聚集。采用例如氧化硅、氧化金屬、金屬合金、聚合物或脂肪酸作為涂層化合物。用該涂層化合物可以有效避免聚集。然而在燒結(jié)過程中這是個缺點(diǎn)，即，涂層化合物顯著減慢了擴(kuò)散速度，這就需要高的過程溫度。因此，在燃盡涂層化合物、并暴露金屬顆粒表面之后，再進(jìn)行燒結(jié)過程。令人驚訝地發(fā)現(xiàn)了，當(dāng)膏體中含有的金屬顆粒具有由脂肪酸(或脂肪酸衍生物) 構(gòu)成的涂層時，而且膏體額外還包括脂肪族碳?xì)浠衔飼r，能夠顯著降低了燒結(jié)溫度。不必聯(lián)系理論，脂肪族碳?xì)浠衔锟雌饋砭哂羞@種能力，在溫度低于250°C的條件下就有助于將金屬顆粒的脂肪酸燃盡。估計在溫度低于250°C的條件下，脂肪族碳?xì)浠衔锉灰两饘兕w粒表面和位于其上的脂肪酸層之間，以至于脂肪酸被脂肪族碳?xì)浠衔锇鼑⒈黄淙芙?。鑒于防止金屬顆粒聚集，該過程中未顯示出任何負(fù)面效應(yīng)，這明顯會導(dǎo)致在溫度低于250°C的條件下就將脂肪酸燃盡，從而在該溫度條件下金屬顆粒的表面就可以用于燒結(jié)過程。進(jìn)一步，在該燒結(jié)過程中、在電子元件和基底之間形成接觸層，該接觸層具有高抗剪強(qiáng)度和鑒于抗剪強(qiáng)度均勻的、可重現(xiàn)的質(zhì)量。此外，通過使用脂肪族碳?xì)浠衔铮c使用含有傳統(tǒng)溶劑的膏體相比，實現(xiàn)了膏體組分的更為均質(zhì)的分布。此外，這導(dǎo)致了本發(fā)明的膏體相對于現(xiàn)有技術(shù)已知的膏體具有更好的可加工性。本發(fā)明所使用的膏體含有金屬顆粒。就本發(fā)明而言，金屬的概念涉及這樣的元素，其在元素周期系統(tǒng)中與硼同一周期， 但是在硼左側(cè)，與硅同一周期，但是在硅左側(cè)，與鍺同一周期，但是在鍺左側(cè)，與銻同一周期，但是在銻左側(cè)，以及所有元素序號高于55的元素。根據(jù)本發(fā)明，“金屬”的概念涉及合金和金屬間相。 該金屬具有至少95重量％，優(yōu)選至少98重量％，更優(yōu)選至少99重量％，還更優(yōu)選至少99. 9重量％的純度。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，該金屬選自銅、銀、鎳和鋁。根據(jù)更優(yōu)選的實施方式，該金屬是銀。膏體中含有的金屬顆粒鑒于其組分可以是同質(zhì)的或者異質(zhì)的。膏體中特別可以含有由不同的金屬構(gòu)成的顆粒。金屬顆粒可以具有不同的形態(tài)。例如，金屬顆?？梢砸孕计?Flakes)或者球形的形式存在。根據(jù)特別優(yōu)選的實施方式，金屬顆粒具有屑片的形式。然而，這并不排除，所使用的金屬顆粒還能夠以其次的份額具有其它形式。然而優(yōu)選，至少70重量％的，更優(yōu)選至少80重量％的，更優(yōu)選至少90重量％的或100重量％的顆粒以屑片形式存在。根據(jù)本發(fā)明，金屬顆粒經(jīng)過涂層處理。
顆粒的涂層，可以理解為顆粒表面的一個粘附層。根據(jù)本發(fā)明，表示這樣的粘附層，該粘附層不會由于重力而從金屬顆粒上脫落。根據(jù)本發(fā)明，金屬顆粒的涂層含有至少一種涂層化合物。至少一種涂層化合物涉及這樣的化合物，該化合物選自組脂肪酸、脂肪酸鹽和脂肪酸酯。涂層化合物應(yīng)當(dāng)避免膏體中含有的金屬顆粒聚集，并對膏體的穩(wěn)定性有所貢獻(xiàn)。涂層化合物優(yōu)選選自組飽和化合物、單不飽和化合物，多不飽和化合物及其混合物。涂層化合物進(jìn)一步優(yōu)選選自組支鏈化合物、直鏈化合物及其混合物。涂層化合物優(yōu)選具有8- 個，更優(yōu)選12- 個，特別優(yōu)選12-18個碳原子。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，涂層化合物涉及單脂肪酸、單脂肪酸的鹽或單脂肪酸酯。脂肪酸鹽優(yōu)選考慮這樣的鹽，它的陰離子組分為去質(zhì)子化脂肪酸，而它的陽離子組分選自組銨離子、單烷基銨離子、二烷基銨離子、三烷基銨離子、鋰離子、鈉離子、鉀離子、銅離子和鋁離子。優(yōu)選的脂肪酸酯由相應(yīng)的脂肪酸衍生出來，其中，酸單元的羥基基團(tuán)通過烷基，特別是甲基、乙基、丙基或丁基取代。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，至少一種涂層化合物選自組羊脂酸(辛酸)、羊蠟酸(癸酸)、月桂酸(十二酸)、肉豆蔻酸(十四酸)、棕櫚酸(十六酸)、硬脂酸(十八酸)及其混合物，以及相應(yīng)的酯和鹽及其混合物。根據(jù)特別優(yōu)選的實施方式，至少一種涂層化合物選自組月桂酸(十二酸)、硬脂酸(十八酸)、硬脂酸鈉、硬脂酸鉀、硬脂酸鋁、硬脂酸銅、棕櫚酸鈉和棕櫚酸鉀。本發(fā)明所使用的金屬顆?？梢杂缮虡I(yè)渠道獲取。相應(yīng)的涂層化合物可以憑借傳統(tǒng)的以及由現(xiàn)有技術(shù)已知的方法涂覆在金屬顆粒表面上。例如有可能，使涂層化合物，特別是前面提及的硬脂酸鹽或棕櫚酸鹽懸浮在溶液中，并將懸浮的涂層化合物在球磨中用金屬顆粒研磨。研磨之后，將用涂層化合物涂層的金屬顆粒干燥并接著進(jìn)行除塵。至少一種涂層化合物選自脂肪酸、脂肪酸鹽和脂肪酸酯，該涂層化合物占涂層總重的份額優(yōu)選為至少80重量％，更優(yōu)選至少90重量％，特別優(yōu)選至少95重量％，還優(yōu)選至少99重量％，特別是100重量％。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，涂層化合物占經(jīng)涂層的金屬顆?？傊氐姆蓊~為0. 05-3重量％，更優(yōu)選0. 07-2. 5重量％，還優(yōu)選0. 1-2. 2重量％。涂層度(定義為涂層化合物的質(zhì)量與金屬顆粒表面積的比值)優(yōu)選為每平方米 (m2)金屬顆粒表面的涂層化合物的質(zhì)量是0. 00005-0. 03g,更優(yōu)選0. 0001-0. 02g,還優(yōu)選 0.0005-0. 02g。根據(jù)本發(fā)明，膏體含有至少一種脂肪族碳?xì)浠衔铩８鶕?jù)本發(fā)明，脂肪族碳?xì)浠衔锟梢岳斫鉃檫@樣的化合物，該化合物由碳原子和氫原子構(gòu)成并且不是芳香性的。本發(fā)明的脂肪族碳?xì)浠衔镆蚨缓s原子。至少一種脂肪族碳?xì)浠衔锟雌饋砭哂羞@種能力，在溫度低于250°C的條件下有助于將脂肪酸或脂肪酸衍生物燃盡，該脂肪酸或脂肪酸衍生物作為在金屬顆粒上的涂層化合物，由此，在更低的溫度條件使金屬顆粒的活性表面已經(jīng)可以提供給燒結(jié)過程使用。由此，可以實現(xiàn)燒結(jié)溫度的顯著降低。進(jìn)一步，至少一種脂肪族碳?xì)浠衔锟梢杂米魅軇┨娲?，并且由于它的非極性性質(zhì)而有效防止水貯存。至少一種脂肪族碳?xì)浠衔飪?yōu)選選自組飽和化合物、單不飽和化合物、多不飽和化合物及其混合物。根據(jù)特別優(yōu)選的實施方式，脂肪族碳?xì)浠衔镞x自飽和脂肪族碳?xì)浠衔?。至少一種脂肪族碳?xì)浠衔锷婕碍h(huán)狀或非環(huán)狀化合物。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，至少一種脂肪族碳?xì)浠衔镞x自組正烷、異烷、環(huán)烷及其混合物。本發(fā)明所采用的、至少一種脂肪族碳?xì)浠衔飪?yōu)選具有5-32個碳原子，還優(yōu)選 10-25個碳原子，更優(yōu)選16-20個碳原子。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，脂肪族碳?xì)浠衔镞x自由飽和碳?xì)浠衔飿?gòu)成的化合物， 該飽和碳?xì)浠衔锿ㄟ^分子式CnH2_、CnHai和CnH2n_2表示，其中，η為5至32之間的整數(shù)， 優(yōu)選在10至25之間，更優(yōu)選在16至20之間。根據(jù)特別優(yōu)選的實施方式，至少一種脂肪族碳?xì)浠衔镞x自組十六烷、十八烷、 異十六烷、異十八烷、環(huán)十六烷和環(huán)十八烷。例如，至少一種脂肪族碳?xì)浠衔镏傅氖怯芍咀逄細(xì)浠衔飿?gòu)成的混合物，如例如由Exxon Mobil公司以商標(biāo)Exxsol D140或Isopar M 所銷售的混合物。本發(fā)明的膏體所包括的金屬顆粒優(yōu)選占膏體總重的75-90重量％，還優(yōu)選77-89 重量％，更優(yōu)選80-88重量％。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，膏體中含有的至少一種涂層化合物(選自脂肪酸、脂肪酸鹽和脂肪酸酯)優(yōu)選占膏體總重的0.05-2. 5重量％，還優(yōu)選0.07-2. 2重量％，更優(yōu)選 0. 1-2 重量 ％。至少一種脂肪族碳?xì)浠衔镎几囿w的份額不受特別限制。為實現(xiàn)膏體的良好可加工性能，可以優(yōu)選，至少一種脂肪族碳?xì)浠衔镎几囿w的總重優(yōu)選為3-25重量％，還優(yōu)選 4-20重量％，更優(yōu)選5-18重量％。特別有利地提出了，至少一種脂肪族碳?xì)浠衔镌诟囿w中的量如此設(shè)置，該量足夠大，以實現(xiàn)在溫度低于250°C的條件下便于將涂層化合物燃盡。相應(yīng)地，涂層化合物的重量份額相對于至少一種脂肪族碳?xì)浠衔锏闹亓糠蓊~的比值最高為0. 1%。另一方面，相對于涂層化合物的量，脂肪族碳?xì)浠衔锏牧坎⒉惶貏e高，由此實現(xiàn)本方面的效果。根據(jù)特別優(yōu)選的實施方式，涂層化合物的重量份額相對于至少一種脂肪族碳?xì)浠衔锏闹亓糠蓊~的比值位于0. 001-1. 0的范圍內(nèi)，優(yōu)選位于0. 005-0. 85的范圍內(nèi)， 還優(yōu)選0.01-0. 7的范圍內(nèi)。根據(jù)另一優(yōu)選的實施方式，涂層(選自脂肪酸、脂肪酸鹽和脂肪酸酯)的主要成分相對于至少一種脂肪族碳?xì)浠衔锏闹饕煞值哪柋任挥?. 001-1. 0的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0. 005-0. 85的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在0. 01-0. 7的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的范圍，摩爾比可以理解為膏體中含有的各個成分的物質(zhì)的量的比值。根據(jù)本發(fā)明，涂層的主要成分由涂層化合物 (選自脂肪酸、脂肪酸鹽和脂肪酸酯)構(gòu)成，該涂層化合物的含量比可能含有的其它涂層化合物的含量更大，該其它涂層化合物選自脂肪酸、脂肪酸鹽和脂肪酸酯。根據(jù)本發(fā)明，至少一種脂肪族碳?xì)浠衔锏闹饕煞钟蛇@樣的脂肪族碳?xì)浠衔飿?gòu)成，其含量大于可能含有的其它脂肪族碳?xì)浠衔锏牧俊Ａ钊梭@訝地確定了，本發(fā)明所追求的燒結(jié)溫度降低一方面與脂肪酸或脂肪酸衍生物(主要包含在金屬顆粒的涂層中)的主鏈的長度相關(guān)，而另一方面與脂肪族碳?xì)浠衔?(代表至少一種脂肪族碳?xì)浠衔锘蛴芍咀逄細(xì)浠衔飿?gòu)成的混合物的主要成分)的主鏈的長度相關(guān)。因而發(fā)現(xiàn)了，當(dāng)脂肪酸或脂肪酸衍生物的主鏈與脂肪族碳?xì)浠衔锞哂邢嗤幕蛳嗨茢?shù)量的碳原子時，能夠?qū)崿F(xiàn)燒結(jié)溫度的顯著下降。因此，根據(jù)特別優(yōu)選的實施方式，涂層的主要成分的主鏈所包括的碳原子數(shù)相對于至少一種脂肪族碳?xì)浠衔锏闹饕煞值闹麈溗ǖ奶荚訑?shù)的比例位于0. 5-2. 0 的范圍內(nèi)，優(yōu)選位于0. 6-1.4的范圍內(nèi)，還優(yōu)選位于0. 8-1.2的范圍內(nèi)，特別優(yōu)選位于 0. 85-1. 15的范圍內(nèi)。例如，如果金屬顆粒具有這樣的涂層，該涂層包括由20重量％的月桂酸(主鏈具有12個碳原子的脂肪酸)、35重量％的肉豆蔻酸(主鏈具有14個碳原子的脂肪酸)和45 重量％的硬脂酸鉀(主鏈具有18個碳原子的脂肪酸鹽)構(gòu)成的混合物，則硬脂酸鉀是涂層的主要成分。在這種情況下，當(dāng)單個脂肪族碳?xì)浠衔锘蛘哂芍咀逄細(xì)浠衔飿?gòu)成的混合物的主要成分的主鏈具有相似或相同數(shù)量的碳原子時，可以實現(xiàn)燒結(jié)溫度的顯著下降。 因此優(yōu)選，單個脂肪族碳?xì)浠衔锘蛘哂芍咀逄細(xì)浠衔飿?gòu)成的混合物的主要成分的主鏈具有16-20個碳原子，特別是18個碳原子。本發(fā)明的膏體除了前述成分還可以包括其它物質(zhì)。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，膏體包括至少一種金屬前體。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，金屬前體可以理解為這樣的化合物，該化合物在溫度低于 250°C、存在有含在膏體中的金屬顆粒的條件下分解成金屬前體的金屬。相應(yīng)地，優(yōu)選在使用金屬前體時在燒結(jié)過程中原位(in situ)生成金屬?？梢砸院唵蔚姆绞降贸觯摶衔锸欠裆婕案鶕?jù)這個優(yōu)選實施方式的金屬前體。因此可以使含有待測定化合物的膏體在具有銀表面的基底上析出，使其加熱至250°C并保持在該溫度20分鐘。然后檢測了，在這個條件下，待測化合物是否分解出金屬。為此，例如可以在測試前，首先稱量出含金屬的膏體組分的重量并由此計算出金屬的理論值。測試之后可以用重量分析確定在基底析出的材料的量。如果在基底析出的材料的量對應(yīng)于金屬的理論值，其中應(yīng)當(dāng)考慮通常的測量誤差，所測試的化合物則是根據(jù)該優(yōu)選實施方式的金屬前體。根據(jù)另一優(yōu)選的實施方式，該金屬前體具有金屬，該金屬同樣包含在金屬顆粒中。 因此，根據(jù)特別優(yōu)選的實施方式，該金屬前體在此具有銀或銅作為金屬?？梢詢?yōu)選，作為金屬前體使用金屬碳酸鹽、金屬醋酸鹽、金屬甲酸鹽、金屬檸檬酸鹽、金屬氧化物或金屬脂肪酸鹽，優(yōu)選具有6-24個碳原子的脂肪酸鹽。在特別的實施方式中，作為金屬前體采用碳酸銀、乳酸銀、甲酸銀、檸檬酸銀、氧化銀(例如AgO或Ag2O)、乳酸銅、硬脂酸銅、氧化銅(例如Cu2O或CuO)、氧化金(例如Au2O或 AuO)或者其混合物。根據(jù)特別優(yōu)選的實施方式，金屬前體選自組碳酸銀和氧化銀。如果存在的話，膏體中的金屬前體優(yōu)選以顆粒形式，特別優(yōu)選以屑片形式存在。使用金屬前體(它在燒結(jié)過程期間原位釋放出金屬)的結(jié)果是，在燒結(jié)過程期間
7原位生成的金屬填充了包含在膏體中的金屬顆粒之間的空隙。以這種方式，可以將兩個待連接元件之間的接觸位置的孔隙率降低。膏體可以含有至少一種燒結(jié)助劑。該燒結(jié)助劑優(yōu)選能夠，在燒結(jié)過程中、在溫度低于250°C的條件下確保涂層化合物的燃盡，以便實現(xiàn)在溫度低于250°C的條件下溫度實現(xiàn)燒結(jié)。特別適宜的燒結(jié)助劑直接或者間接通過中間形成的化合物確保了在溫度低于250°C 的條件下將涂層化合物燃盡。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，燒結(jié)助劑可以為氧化劑。氧化劑是指這樣的物質(zhì)，它可以將其它物質(zhì)氧化并且自身還原。氧化劑可以接納電子因而是一個電子受體。優(yōu)選燒結(jié)助劑也是氧載體。由此是指這樣的物質(zhì)，該物質(zhì)可以釋放出氧。根據(jù)該實施方式，作為燒結(jié)助劑例如使用(i)有機(jī)過氧化物(例如枯基過氧化物)、( )無機(jī)過氧化物和(iii)無機(jī)酸。這些化合物可以用作燒結(jié)助劑，這是因為它們至少含一個氧原子并實現(xiàn)了在溫度低于250°C 的條件下涂層化合物的燃燒，該涂層化合物存在于膏體的金屬顆粒上。根據(jù)另一優(yōu)選的實施方式，燒結(jié)助劑還可以確保，使干擾燒結(jié)過程的金屬氧化物還原，該金屬氧化物存在于膏體中所包含的金屬顆粒的表面上。由于這個原因，可以使用這樣的化合物作為燒結(jié)助劑，該化合物在燒結(jié)過程中釋放還原劑。還原劑優(yōu)選采用一氧化碳。 根據(jù)該實施方式，該燒結(jié)助劑例如可以選自組(iv)有機(jī)酸鹽，其中，有機(jī)酸具有1-4個碳原子(例如甲酸鋁)；(ν)有機(jī)酸酯，其中，有機(jī)酸具有1-4個碳原子；和(vi)羰基絡(luò)合物。 由于，這些化合物在燒結(jié)過程期間釋放一氧化碳或者參與一氧化碳的釋放，并在溫度低于 250°C的條件下將金屬氧化物(這種金屬氧化物存在于包含在金屬膏中的金屬顆粒的表面上)還原為相應(yīng)的金屬，因此，這些化合物可以用作燒結(jié)助劑。除了脂肪族碳?xì)浠衔?，膏體還可以含有其它作為溶劑起作用的化合物。在此， 考慮通常用于金屬膏的溶劑。例如，作為溶劑可以使用α-松油醇((R)-⑴-α-松油醇、 ⑶-(-)-α -松油醇或外消旋體)、β -松油醇、Y -松油醇、δ -松油醇、前述松油醇的混合物、正甲基-2-吡咯烷酮、乙二醇、二甲基乙酰胺、1-十三醇、2-十三醇、3-十三醇、4-十三醇、5-十三醇、6-十三醇、異十三醇、二元酸酯(優(yōu)選二甲基戊二酯、二甲基己二酸酯或二甲基琥珀酸酯及其混合物)、甘油、二乙二醇、三乙二醇或者其混合物。然而還優(yōu)選，在金屬膏中除了脂肪族碳?xì)浠衔镏鉀]有溶劑或者溶劑僅以極少量存在。例如，這可以是有優(yōu)勢的，即在金屬膏中其它溶劑的份額最高為10重量％，優(yōu)選最高為5重量％，更優(yōu)選最高為 3重量％，特別優(yōu)選最高1重量％。根據(jù)另一優(yōu)選的實施方式，脂肪族碳?xì)浠衔镎贾咀逄細(xì)浠衔锖推渌軇┛傊氐姆蓊~位于30-100重量％的范圍內(nèi)，優(yōu)選位于50-100重量％ 的范圍內(nèi)，更優(yōu)選位于70-100重量％的范圍內(nèi)，特別優(yōu)選位于80-100重量％的范圍內(nèi)。膏體還可以含有至少一種聚合物，以賦予膏體期待的特性。另一方面，這可以是有利的，即膏體不含聚合物或者聚合物含量極少，這是因為聚合物、特別是熱固性塑料，通常在高于250°C的條件下才能燃盡，并因此對膏體的燒結(jié)能力有負(fù)面作用。這一點(diǎn)特別對于熱固性塑料或預(yù)制品有效。熱固性塑料的預(yù)制品可以理解為這樣的化合物，該化合物在存在有其它膏體組分的條件下可以硬化成熱固性塑料。由此，該熱固性塑料或預(yù)制品通常具有小于700的重均分子量。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，聚合物(具有小于700的重均分子量)占膏體總重的份額不高于6重量％。另外，在金屬膏中可以含有另外的內(nèi)含物，例如常用的分散劑、表面活性劑、消泡劑、粘合劑或控制粘度的助劑。根據(jù)本發(fā)明，可以采用前述膏體，以將電子元件固定在基底上。這樣的固定優(yōu)選通過燒結(jié)進(jìn)行。根據(jù)本發(fā)明，燒結(jié)可以理解為使兩個或多個元件通過加熱且繞過液相膏體而實現(xiàn)連接。電子元件一般可以理解為這樣的物體，該物體可以是電子組裝結(jié)構(gòu)的一部分。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，電子元件可以理解為不可繼續(xù)拆分、可以用作電路組件的零件。電子元件作為單元件必要時可以由數(shù)個組件構(gòu)成。電子元件例如可以是主動元件或被動元件。根據(jù)特別的實施方式，電子元件用于高功率工業(yè)電子學(xué)。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，電子元件選自二極管(例如LEDs，發(fā)光二極管)、晶體管(例如IGBTs，絕緣柵雙極型功率管)、集成電路、 半導(dǎo)體芯片、裸芯片(Die)、電阻器、傳感器、電容器、線圈和冷卻體?；滓话憧梢岳斫鉃檫@樣的物體，該物體可以與電子元件相連。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，基底選自引線框架、DCB基底(直接銅鍵合基底)和陶瓷基底。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，將下列物體成對相互固定LED/引線框架、LED/陶瓷基底、 Die/引線框架、Die/陶瓷基底、Die/DCB基底、二極管/引線框架、二極管/陶瓷基底、二極管/DCB基底、IGBT/引線框架、IGBT/陶瓷基底、IGBT/DCB基底、集成電路/引線框架、集成電路/陶瓷基底、集成電路/DCB基底、傳感器/引線框架、傳感器/陶瓷基底、冷卻體(優(yōu)選銅-或鋁冷卻體)/DCB、冷卻體(優(yōu)選銅-或鋁冷卻體)/陶瓷基底、冷卻體/引線框架、 電容器(優(yōu)選鉭電容，更優(yōu)選以無包裝狀態(tài))/引線框架。根據(jù)另一優(yōu)選的實施方式，可將數(shù)個電子元件與基底相連。進(jìn)一步優(yōu)選，電子元件位于基底的相對一側(cè)。電子元件、基底或電子元件和基底可以進(jìn)一步包括金屬化層。該金屬化層可以例如具有純金屬或者金屬合金。如果金屬化層具有金屬，則該金屬優(yōu)選選自銅、銀、金、鈀和鉬。如果金屬化層具有金屬合金，則該金屬合金優(yōu)選包括一種金屬，其選自銀、金、鎳、鈀和鉬。金屬化層也可以具有多層結(jié)構(gòu)。根據(jù)另一優(yōu)選的實施方式，金屬化層還含有玻璃。根據(jù)本發(fā)明，通過燒結(jié)將電子元件固定在基底上。在上文中“在……上(auf)，，的意思是，將電子元件的表面與基底的表面相連，其中，并不取決于電子元件、基底或者組裝結(jié)構(gòu)的相對位置。根據(jù)本發(fā)明，為了進(jìn)行燒結(jié)，使電子元件和基底相互接觸。在此，該接觸通過根據(jù)本發(fā)明的膏體進(jìn)行。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，電子元件或基底具有金屬化層，其中，電子元件的金屬化層和基底的金屬化層通過膏彼此相接觸。根據(jù)本發(fā)明，首先形成一個三明治結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)具有電子元件、基底和設(shè)置于其間的、含有本發(fā)明膏體的層。三明治結(jié)構(gòu)優(yōu)選可以理解為這樣的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中電子元件位于基底之上或者基底位于電子元件之上，而且電子元件和基底大體上彼此平行地設(shè)置。由電子元件、基底和位于其間的膏體構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)可以由根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知的方法制造。優(yōu)選首先將基底的至少一個表面，優(yōu)選將設(shè)置有金屬化層的基底表面涂覆上本發(fā)明的膏體。膏體在基底表面上的涂覆可以以傳統(tǒng)方法進(jìn)行。優(yōu)選以印刷法 (Druckverfahren)進(jìn)行膏體的涂覆，例如絲網(wǎng)印刷或打字蠟紙印刷。另一方面，膏體的涂覆可以通過分散技術(shù)，通過噴霧技術(shù)，通過立柱傳遞(Pintransfer)或通過浸洗來進(jìn)行。接著，將電子元件以它的表面之一、優(yōu)選以其具有金屬化層的表面設(shè)置在已經(jīng)涂覆于基底表
9面上的膏體上。由此，膏體層位于基底和電子元件之間，優(yōu)選位于基底的金屬化層與電子元件的金屬化層之間。在基底與電子元件之間的濕層厚度位于20-200 μ m的范圍內(nèi)。濕層厚度優(yōu)選可以理解為基底和電子元件相對的表面之間的距離。優(yōu)選的濕層厚度取決于所選取的涂覆金屬膏的方法。如果例如通過絲網(wǎng)印刷方法涂覆金屬膏，那么濕層厚度優(yōu)選可以位于20-50 μ m。 如果例如通過打字蠟紙印刷方法涂覆金屬膏，那么濕層厚度優(yōu)選可以位于50-200 μ m的范圍內(nèi)。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，在燒結(jié)過程前進(jìn)行干燥步驟。干燥優(yōu)選理解為降低金屬膏中的溶劑份額。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，在干燥后，金屬膏中的溶劑占干燥金屬膏總重的份額在1-5重量％的范圍內(nèi)。一方面，干燥可以在制成三明治結(jié)構(gòu)之后進(jìn)行。另一方面，干燥可以在將膏體涂覆在基底或電子元件的至少一個表面上之后、而在與待連接的電子元件或基底相接觸之前進(jìn)行。干燥溫度優(yōu)選位于50-100°C的范圍內(nèi)。容易理解，干燥時間取決于膏體的各個組分以及待燒結(jié)三明治結(jié)構(gòu)的尺寸。然而，常用的干燥時間位于5-45分鐘的范圍內(nèi)。然后對三明治結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒結(jié)處理，該三明治結(jié)構(gòu)由電子元件、基底和設(shè)置于其間的層構(gòu)成，該層包括本發(fā)明的膏體。該燒結(jié)處理指的是低溫?zé)Y(jié)處理。低溫?zé)Y(jié)處理可以理解為這樣的燒結(jié)處理，該燒結(jié)處理優(yōu)選在低于250°C的溫度，還優(yōu)選在低于220°C的溫度， 更優(yōu)選在低于200°C的溫度，特別優(yōu)選在低于180°C的溫度條件下進(jìn)行。燒結(jié)時的過程壓力優(yōu)選低于30MPa，還優(yōu)選低于5MPa，更優(yōu)選低于IMPa。由于使用根據(jù)本發(fā)明的膏體，燒結(jié)甚至可以不需要使用過程壓力就能進(jìn)行，也就是可以在OMPa的過程壓力下進(jìn)行。燒結(jié)時間取決于過程壓力，并且優(yōu)選位于2-45分鐘的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明，燒結(jié)過程可以在一定氣氛中進(jìn)行，該氣氛不受其它限定。然而，優(yōu)選燒結(jié)在含有氧氣的氣氛中進(jìn)行。燒結(jié)在傳統(tǒng)的、適用于燒結(jié)的裝置中進(jìn)行，在該裝置中優(yōu)選前面所述的過程參數(shù)可以得到調(diào)整。下面，憑借下述的實施例進(jìn)一步闡明了本發(fā)明，但是本發(fā)明應(yīng)理解為并不限于這些實施例。
具體實施例方式實施例1制備了根據(jù)本發(fā)明的金屬膏，膏體1，其中，將83重量％的銀顆粒，以屑片的形式存放，并且用硬脂酸涂層，和17重量％的Isopar M ，一種石油餾出物，主要由12-15個碳原子的異構(gòu)烷烴構(gòu)成，攪拌成均質(zhì)的膏體。在DCB (直接銅鍵合)基底上將由膏體1構(gòu)成的貯存藥劑以50 μ m的厚度進(jìn)行印刷，然后用面積為IOOmm2的IGBT(絕緣柵雙極型功率管)芯片安裝，以便用基底、膏體1和芯片制成三明治結(jié)構(gòu)。該三明治結(jié)構(gòu)以100°C的溫度在環(huán)流干燥柜中干燥5分鐘。
經(jīng)干燥的三明治結(jié)構(gòu)最后在200°C的溫度條件下、以IOMPa的壓力燒結(jié)2分鐘。以同樣的條件重復(fù)該試驗多次。對比實施例1制備了對比膏體，對比膏體1，其中，將83重量％的銀顆粒，以屑片的形式存放，并且用硬脂酸涂層，和9重量％的松油醇，和8重量％的十三醇攪拌成均質(zhì)的膏體。在DCB (直接銅鍵合)基底上將由對比膏體1構(gòu)成的貯存藥劑以50 μ m的厚度進(jìn)行印刷，然后用面積為IOOmm2的IGBT(絕緣柵雙極型功率管)芯片安裝，以便用基底、對比膏體1和芯片制成三明治結(jié)構(gòu)。該三明治結(jié)構(gòu)以100°C的溫度在環(huán)流干燥柜中干燥5分鐘。經(jīng)干燥的三明治結(jié)構(gòu)最后在200°C的溫度條件下、以IOMPa的壓力燒結(jié)2分鐘。以同樣的條件重復(fù)該試驗多次。對比由實施例1和對比實施例1得到的接觸層在實施例1以及對比實施例1得到的、在基底和芯片之間的接觸層的可靠性通過斯剝測試(JAL Mertens, Christian :Die Nied-ertemperatur-Verbindungstechnik der Leistungseletronik, Fortschr. -Ber.VDI Reihe 21Nr. 365, Diisseldorf, VDI Verlag 2004, Kapitel 4. 2)得到確定。由此提出了，通過使用由膏體1得到的接觸層相對于通過使用對比膏體1得到的接觸層具有顯著提高的抗剝強(qiáng)度。特別是通過使用膏體1產(chǎn)生了這樣的接觸層，該接觸層相對于通過使用對比膏體2產(chǎn)生的接觸層鑒于抗剝強(qiáng)度而具有相同的質(zhì)量。實施例2制備了根據(jù)本發(fā)明的金屬膏，膏體2，其中，將83重量％的銀顆粒，以屑片的形式存放，并且用硬脂酸涂層，和12重量％的EXXSOl D120，一種具有14_18個碳原子的碳?xì)浠衔?首要是正烷烴、異烷烴和環(huán)狀碳?xì)浠衔?的混合物，
5重量％的碳酸銀攪拌成均質(zhì)的膏體。在DCB (直接銅鍵合)基底上將由膏體2構(gòu)成的貯存藥劑以50 μ m的厚度進(jìn)行印刷，在75°C的溫度條件下干燥5分鐘，然后與面積為IOmm2的芯片和鎳銀金屬化層安裝在一起，以便用基底、膏體2和芯片制成三明治結(jié)構(gòu)。三明治結(jié)構(gòu)最后在220°C的溫度條件下燒結(jié)15分鐘。以同樣的條件重復(fù)該試驗多次。對比實施例2制備了對比膏體，對比膏體2，其中，將83重量％的銀顆粒，以屑片的形式存放，并且用硬脂酸涂層，和12重量％的松油醇，和5重量％的碳酸銀攪拌成均質(zhì)的膏體。
11
在DCB (直接銅鍵合)基底上將由對比膏體2構(gòu)成的貯存藥劑以50 μ m的厚度進(jìn)行印刷，在75°C的溫度條件下干燥5分鐘，然后與面積為IOmm2的芯片和鎳銀金屬化層安裝在一起，以便用基底、對比膏體2和芯片制成三明治結(jié)構(gòu)。三明治結(jié)構(gòu)最后在220°C的溫度條件下燒結(jié)15分鐘。以同樣的條件重復(fù)該試驗多次。對比由實施例2和對比實施例2得到的接觸層在實施例2以及對比實施例2得到的、在基底和芯片之間的接觸層的抗剪強(qiáng)度通過傳統(tǒng)剪切測試得到確定。由此得出了，通過使用膏體2得到的接觸層相對于通過使用對比膏體2得到的接觸層具有高出約50%的抗剪強(qiáng)度。部分地，包含在實施例2中的組裝結(jié)構(gòu)的剪切測試甚至導(dǎo)致芯片折斷，就是說，芯片與基底如此緊密相連，以至于只有破壞芯片才能將其分離。特別通過使用膏體2產(chǎn)生了這樣的接觸層，該接觸層相對于通過使用對比膏體2產(chǎn)生的接觸層鑒于抗剪強(qiáng)度而具有相同的質(zhì)量。實施例3制備了根據(jù)本發(fā)明的金屬膏，膏體3，其中將83重量％的銀顆粒，以屑片的形式存放，并且用硬脂酸涂層，和7重量％的Exxsol D120，一種具有14_18個碳原子的碳?xì)浠衔?首要是正烷烴、異烷烴和環(huán)狀碳?xì)浠衔?的混合物，和5重量％的碳酸銀，和5重量％的二枯基過氧化物攪拌成均質(zhì)的膏體。在DCB (直接銅鍵合)基底上將由膏體3構(gòu)成的貯存藥劑以50 μ m的厚度進(jìn)行印刷，在75°C的溫度條件下干燥5分鐘，然后與面積為IOmm2的芯片和鎳銀金屬化層安裝在一起，以便用基底、膏體3和芯片制成三明治結(jié)構(gòu)。三明治結(jié)構(gòu)最后在200°C的溫度條件下燒結(jié)15分鐘。以同樣的條件重復(fù)該試驗多次。對比實施例3制備了對比膏體，對比膏體3，其中，將83重量％的銀顆粒，以屑片的形式存放，并且用硬脂酸涂層，和7重量％的松油醇，和5重量％的碳酸銀，和5重量％的二枯基過氧化物攪拌成均質(zhì)的膏體。在DCB (直接銅鍵合)基底上將由對比膏體3構(gòu)成的貯存藥劑以50 μ m的厚度進(jìn)行印刷，在75°C的溫度條件下干燥5分鐘，然后與面積為IOmm2的芯片和鎳銀金屬化層安裝在一起，以便用基底、對比膏體3和芯片制成三明治結(jié)構(gòu)。三明治結(jié)構(gòu)最后在200°C的溫度條件下燒結(jié)15分鐘。以同樣的條件重復(fù)該試驗多次。對比由實施例3和對比實施例3得到的接觸層在實施例3以及對比實施例3得到的、在基底和芯片之間的接觸層的抗剪強(qiáng)度通過傳統(tǒng)剪切測試得到確定。由此得出了，通過使用膏體3得到的接觸層相對于通過使用對比膏體3得到的接觸層具有高出約50%的抗剪強(qiáng)度。大部分地，包含在實施例3中的組裝結(jié)構(gòu)的剪切測試甚至導(dǎo)致芯片折斷，就是說，芯片與基底如此緊密相連，以至于只有破壞芯片才能將其分離。特別通過使用膏體3產(chǎn)生了這樣的接觸層，該接觸層相對于通過使用對比膏體3產(chǎn)生的接觸層鑒于抗剪強(qiáng)度而具有相同的質(zhì)量。進(jìn)一步地，膏體3相對于對比膏體3的可加工性更好。實施例4制備了根據(jù)本發(fā)明的金屬膏，膏體4，其中，將83重量％的銀顆粒，以屑片的形式存放，并且用硬脂酸涂層，和12重量％的ExxsolTM D120，一種具有14-18個碳原子的碳?xì)浠衔?首要是正烷烴、異烷烴和環(huán)狀碳?xì)浠衔?的混合物，和5重量％的甲酸鋁攪拌成均質(zhì)的膏體。在DCB (直接銅鍵合)基底上將由膏體4構(gòu)成的貯存藥劑以50 μ m的厚度進(jìn)行印刷，在75°C的溫度條件下干燥5分鐘，然后與面積為IOmm2的芯片和鎳銀金屬化層安裝在一起，以便用基底、膏體4和芯片制成三明治結(jié)構(gòu)。三明治結(jié)構(gòu)最后在220°C的溫度條件下燒結(jié)15分鐘。以同樣的條件重復(fù)該試驗多次。對比實施例4制備了對比膏體，對比膏體4，其中，將83重量％的銀顆粒，以屑片的形式存放，并且用硬脂酸涂層，和12重量％的松油醇，和5重量％的甲酸鋁攪拌成均質(zhì)的膏體。在DCB (直接銅鍵合)基底上將由對比膏體4構(gòu)成的貯存藥劑以50 μ m的厚度進(jìn)行印刷，在75°C的溫度條件下干燥5分鐘，然后與面積為IOmm2的芯片和鎳銀金屬化層安裝在一起，以便用基底、對比膏體4和芯片制成三明治結(jié)構(gòu)。三明治結(jié)構(gòu)最后在220°C的溫度條件下燒結(jié)15分鐘。以同樣的條件重復(fù)該試驗多次。對比由實施例4和對比實施例4得到的接觸層在實施例4以及對比實施例4得到的、在基底和芯片之間的接觸層的抗剪強(qiáng)度通過傳統(tǒng)剪切測試得到確定。由此得出了，通過使用膏體4得到的接觸層相對于通過使用對比膏體4得到的接觸層具有高出約50-70%的抗剪強(qiáng)度。部分地，包含在實施例4中的組裝結(jié)構(gòu)的剪切測試甚至導(dǎo)致芯片折斷，就是說，芯片與基底如此緊密相連，以至于只有破壞芯片才能將其分離。特別通過使用膏體4產(chǎn)生了這樣的接觸層，該接觸層相對于通過使用對比膏體4產(chǎn)生的接觸層鑒于抗剪強(qiáng)度而具有相同的質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種膏體，其包括(a)具有涂層的金屬顆粒，所述涂層具有至少一種這樣的化合物，該化合物選自組脂肪酸、脂肪酸鹽和脂肪酸酯；和(b)至少一種脂肪族碳?xì)浠衔铩?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膏體，其特征在于，所述金屬顆粒是銀顆粒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的膏體，其特征在于，所述金屬顆粒作為屑片存在。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3的任意一項所述的膏體，其特征在于，至少一種涂層化合物選自組具有8- 個碳原子的飽和脂肪酸、具有8- 個碳原子的飽和脂肪酸鹽、具有8- 個碳原子的飽和脂肪酸酯及其混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4的任意一項所述的膏體，其特征在于，至少一種脂肪族碳?xì)浠衔镞x自這樣的化合物，所述化合物由飽和碳?xì)浠衔飿?gòu)成，該飽和碳?xì)浠衔锿ㄟ^化學(xué)式 CnH2n+2、CnH2n和CnH2n_2表達(dá)，其中，η為在5至32之間的整數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5的任意一項所述的膏體，其特征在于，所述涂層化合物的重量份額相對于至少一種脂肪族碳?xì)浠衔锏闹亓糠蓊~的比值位于0. 001-1. 0的范圍，所述涂層化合物選自組脂肪酸、脂肪酸鹽和脂肪酸酯。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6的任意一項所述的膏體，其特征在于，涂層的主要組分的主鏈所包含的碳原子數(shù)相對于至少一種脂肪族碳?xì)浠衔锏闹饕M分的主鏈所包含的碳原子數(shù)的比值位于0. 5-2.0的范圍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7的任意一項所述的膏體，其特征在于，所述金屬顆粒占所述膏體總重的份額為75-90重量％。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8的任意一項所述的膏體，其特征在于，所述涂層化合物占所述膏體總重的份額為0. 05-2. 5重量％。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9的任意一項所述的膏體，其特征在于，至少一種脂肪族碳?xì)浠衔镎妓龈囿w總重的份額為3-25重量％。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10的任意一項所述的膏，其特征在于，重均分子量小于700的聚合物占所述膏體總重的份額為不多于6重量％。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11的任意一項所述的膏體的用途，用于將電子元件固定在基底上。
13.一種將電子元件固定在基底上的方法，在所述方法中(i)提供電子元件和基底；( )形成三明治結(jié)構(gòu)，所述三明治結(jié)構(gòu)具有基底、電子元件和置于其間的層，所述層包括膏體，所述膏體含有(a)具有涂層的金屬顆粒，該涂層具有至少一種這樣的化合物，所述化合物選自組脂肪酸、脂肪酸鹽和脂肪酸酯；所述膏體還含有(b)至少一種脂肪族碳?xì)浠衔?；而?iii)燒結(jié)所述三明治結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種將電子元件固定在基底上的方法，在該方法中(i)提供電子元件和基底；(ii)形成三明治結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有電子元件、基底和置于其間的層，該層包括膏體，該膏體含有(a)具有涂層的金屬顆粒，該涂層包括至少一種化合物，該化合物選自脂肪酸、脂肪酸鹽和脂肪酸酯，并且，所述膏體還含有(b)至少一種脂肪族碳?xì)浠衔?；而且?iii)對三明治結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒結(jié)。
文檔編號B23K1/00GK102441741SQ201110264559
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月3日
發(fā)明者M·舍費(fèi)爾, W·施米特 申請人:賀利氏材料工藝有限及兩合公司