用於電子設備的厚膜導電墨的製作方法
2023-07-31 20:40:16
用於電子設備的厚膜導電墨的製作方法
【專利摘要】在本文中提供了用於電子設備的厚膜導電墨、用於使用厚膜導電墨製作電子設備的方法、及通過這樣的方法製造的電子設備。在一個示例中，厚膜導電墨包括有機部分和無機部分。所述無機部分被分散在所述有機部分中以限定糊狀物。所述無機部分包括金屬銅粉末、銅氧化物、及元素硼。所述厚膜導電墨基本上不包括玻璃。
【專利說明】用於電子設備的厚膜導電墨
【技術領域】
[0001] 本【技術領域】總體涉及電子設備，並且更具體地涉及用於電子設備的厚膜導電墨、 用於使用厚膜導電墨製作電子設備的方法、及通過這樣的方法製造的電子設備。
【背景技術】
[0002] 厚膜導體通常被用在電子行業中並且隨著朝越來越小電路發展的趨勢而越來越 重要。厚膜導體可以例如通過將厚膜導電墨絲網地印刷到非導電襯底（比如96%氧化鋁)上 來形成，所述厚膜導電墨利用粉末化的基本金屬配置。厚膜導電墨然後被乾燥以使賦形劑 組分揮發，並被燒制以燒結或熔融所述粉末化的基本金屬和其他剩餘的組分以將所述膜粘 結到所述襯底上。
[0003] 以前，厚膜導電墨典型地包括貴重金屬（比如金、銀、鉬、及鈀）作為粉末化的基本 金屬。最近，為了努力降低成本，包含銅粉末的厚膜導電墨已經被引入市場。這樣的厚膜導 電墨還包含玻璃作為粘附促進劑，其當被加熱至適於燒結銅粉末的溫度(例如，675°C或更 大）時變軟，以使所述厚膜導體熔融到所述襯底上。遺憾的是，玻璃是更具有電阻性的並且 可以包含鉛，鉛在環境方面令人反感的。
[0004] 因此，期望提供沒有玻璃的用於電子設備的厚膜導電墨(例如）以消除鉛存在於所 述膜中或使所述墨電阻性更小、用於使用這樣的厚膜導電墨製作電子設備的方法、及通過 這樣的方法製造的電子設備。而且，期望提供成本降低的用於電子設備的厚膜導電墨、用於 使用這樣的厚膜導電墨製作電子設備的方法、及通過這樣的方法製造的電子設備。此外，結 合附圖和前述的【技術領域】和【背景技術】，本發明的其他所期望的特徵和特點將從後續的詳細 說明和所附的權利要求中變得顯而易見。
【發明內容】
[0005] 在本文中提供了一種用於電子設備的厚膜導電墨。在一個實施例中，所述厚膜導 電墨包括有機部分和無機部分。所述無機部分被分散在所述有機部分中以限定糊狀物。所 述無機部分包括金屬銅粉末、銅氧化物、及元素硼。所述厚膜導電墨基本上不包括玻璃。
[0006] 在本文中提供了一種用於製作電子設備的方法。在一個實施例中，所述方法包括 沉積覆在襯底上的厚膜導電墨。所述厚膜導電墨包括有機部分和無機部分。所述無機部分 被分散在所述有機部分中以限定糊狀物。所述無機部分包括金屬銅粉末、銅氧化物、及元素 硼。所述厚膜導電墨基本上不包括玻璃。所述厚膜導電墨被燒制以形成覆在所述襯底上的 導體。
[0007] 在本文中提供了 一種電子設備。在一個實施例中，所述電子設備包括襯底以及覆 在所述襯底上的導體。所述導體包括熔融/燒結金屬銅、銅氧化物、三氧化二硼，且基本上 不包括玻璃。
[0008] 本發明還包括如下方案： 1. 一種用於電子設備的厚膜導電墨，所述厚膜導電墨包括： 有機部分；以及 被分散在所述有機部分中限定糊狀物的無機部分，其中，所述無機部分包括金屬銅粉 末、銅氧化物、及元素硼，並且其中，所述厚膜導電墨基本上不包括玻璃。
[0009] 2.根據方案1所述的厚膜導電墨，其中，所述無機部分基本上不包括鉛。
[0010] 3.根據方案1所述的厚膜導電墨，其中，所述無機部分本質上由金屬銅粉末、銅 氧化物、及元素硼組成。
[0011] 4.根據方案1所述的厚膜導電墨，其中，所述有機部分以所述厚膜導電墨的從大 約10wt. %至大約30wt. %的量存在。
[0012] 5.根據方案1所述的厚膜導電墨，其中，所述無機部分以所述厚膜導電墨的從大 約70wt. %至大約90wt. %的量存在。
[0013] 6.根據方案1所述的厚膜導電墨，其中，所述金屬銅粉末以所述厚膜導電墨的從 大約50wt. %至大約85wt. %的量存在。
[0014] 7.根據方案1所述的厚膜導電墨，其中，所述銅氧化物以所述厚膜導電墨的從大 約3wt. %至大約23wt. %的量存在。
[0015] 8.根據方案1所述的厚膜導電墨，其中，所述元素硼以所述厚膜導電墨的從大約 0. 5wt. %至大約5wt. %的量存在。
[0016] 9.根據方案1所述的厚膜導電墨，其中，所述有機部分包括有機液體，所述有機 液體在1大氣壓力下具有從大約220°C至大約300°C的沸點。
[0017] 10.根據方案1所述的厚膜導電墨，其中，所述有機部分包括2, 2, 4-三甲 基-1，3-戊二醇單異丁酸酯。
[0018] 11.根據方案10所述的厚膜導電墨，其中，所述2, 2, 4-三甲基-1,3-戊二醇單異 丁酸酯以所述厚膜導電墨的從大約8wt. %至大約25wt. %的量存在。
[0019] 12.根據方案1所述的厚膜導電墨，其中，所述有機部分包括乙基纖維素。
[0020] 13.根據方案12所述的厚膜導電墨，其中，所述乙基纖維素以所述厚膜導電墨的 從大約0. 5wt. %至大約3wt. %的量存在。
[0021] 14.根據方案1所述的厚膜導電墨，其中，所述有機部分包括丁基二甘醇二甲醚。
[0022] 15.根據方案14所述的厚膜導電墨，其中，所述丁基二甘醇二甲醚以所述厚膜導 電墨的從大約lwt. %至大約4wt. %的量存在。
[0023] 16.根據方案1所述的厚膜導電墨，其中，所述金屬銅粉末具有從大約0. OlMffl至 大約10. 5Mm的中值粒徑。
[0024] 17.根據方案1所述的厚膜導電墨，其中，所述金屬銅粉末具有第一銅粉末、第二 銅粉末、和/或第三銅粉末，並且其中，所述第一銅粉末具有從大約〇. 3m2/g至大約0. 8m2/ g的第一平均表面積，所述第二銅粉末具有從大約〇. 8m2/g至大約1. 5m2/g的第二平均表面 積，並且所述第三銅粉末具有從大約1. 5m2/g至大約2. 5m2/g的第三平均表面積。
[0025] 18. -種用於製作電子設備的方法，所述方法包括以下步驟： 沉積覆在襯底上的厚膜導電墨，其中，所述厚膜導電墨包括： 有機部分；以及 被分散在所述有機部分中限定糊狀物的無機部分，其中，所述無機部分包括金 屬銅粉末、銅氧化物、及元素硼，並且其中，所述厚膜導電墨基本上不包括玻璃；以及 燒制所述厚膜導電墨以形成覆在所述襯底上的導體。
[0026] 19.根據方案18所述的方法，其中，沉積包括：在單次印刷中沉積所述厚膜導電 墨以形成第一導體糊狀物層，並且其中，燒制包括：燒制所述第一導體糊狀物層以形成所述 導體，所述導體具有從大約〇. 0254mm至大約0. 1524mm的單次印刷被燒制的厚度。
[0027] 20. -種電子設備，包括： 襯底；以及 導體，所述導體覆在所述襯底上並包括熔融/燒結金屬銅、銅氧化物、三氧化二硼，且 基本上不包括玻璃。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028] 示例性實施例在下文中將結合下列附圖的圖進行描述，其中，相同編號表示相同 兀件，並且其中： 圖1-3是根據示例性實施例的在各個製造階段期間的電子設備的橫截面視圖和用於 製作電子設備的方法；並且 圖4是根據示例性實施例的電子設備的透視圖。
【具體實施方式】
[0029] 下列詳細說明本質上僅僅是示例性的且並不旨在限制應用和使用。此外，沒有意 圖受在前述的【技術領域】、【背景技術】、
【發明內容】
或下列詳細說明中所呈現的任何理論約束。
[0030] 在本文中所設想的各種實施例涉及用於電子設備的厚膜導電墨、用於使用厚膜導 電墨製作電子設備的方法、及通過這樣的方法製造的電子設備。在本文中教導的示例性實 施例提供了一種厚膜導電墨，其包括有機部分和無機部分。所述無機部分包括金屬銅粉末、 銅氧化物、及元素硼，且基本上不包括玻璃。如在本文中所使用的術語"基本上沒有玻璃"指 的是玻璃(如果存在）不以可測地促進所述膜粘附到襯底上的量而使用（例如，在燒制厚膜 導電墨期間和/或在燒制厚膜導電墨之後)。所述有機部分例如是有機液體，並且所述無機 部分被分散在所述有機部分中以形成糊狀物。在示例性實施例中，所述厚膜導電墨例如經 由絲網印刷被沉積覆在襯底上。所述厚膜導電墨被乾燥，並且然後例如在熔爐中被燒制，以 形成覆在所述襯底上的導體。所述導體包括熔融/燒結金屬銅、銅氧化物、三氧化二硼、且 基本上不包括玻璃。已經發現在燒制期間，存在於所述厚膜導電墨中的元素硼與來自例如 銅氧化物和/或殘餘氧的可用氧在熔爐氣氛下反應以形成三氧化二硼。三氧化二硼促進所 述膜粘附到所述襯底上。因而，所述厚膜導電墨和隨後所形成的導體包含銅作為相對低成 本的基本金屬，而沒有玻璃或鉛的存在。
[0031] 圖1以橫截面視圖的形式示出了根據示例性實施例的在早期製造階段期間的電 子設備10。如圖所示，所述電子設備10包括襯底12。所述襯底12例如可以是包含氧化鋁 (比如包含從大約94至大約96重量％ (wt. %)的氧化鋁）的陶瓷襯底、氮化矽、氮化鋁，或可 選擇地可以是包含例如不鏽鋼或具有相對高熔點的其他金屬的金屬襯底。被本領域技術人 員所知的用於電子設備的其他襯底也可以被使用。
[0032] 所述襯底12被定位在設置在篩網16下面的定位器14上。圖案化乳劑18沿所述 篩網16設置以限定圖案化絲網20以進行絲網印刷。被設置覆在圖案化的絲網20上的是 厚膜導電墨22。所述厚膜導電墨22具有有機部分（比如有機液體)和被分散在所述有機部 分中以限定糊狀物的無機部分。
[0033] 所述無機部分包括金屬銅粉末、銅氧化物、元素硼，且基本上不包括玻璃。在示例 性實施例中，所述無機部分本質上由金屬銅粉末、銅氧化物、及元素硼組成。因而，所述無機 部分基本上不包括鉛。在示例性實施例中，所述金屬銅粉末以所述厚膜導電墨22的從大約 65wt. %至大約85wt. %的量存在，所述銅氧化物以所述厚膜導電墨22的從大約3wt. %至大 約23wt. %的量存在，並且所述元素硼以所述厚膜導電墨的從大約0. 5wt. %至大約5wt. %的 量存在。
[0034] 在一個實施例中，所述金屬銅粉末具有從大約0. OlMm至大約10. 5Mm的中值粒徑 以及從大約0. 4m2/g至大約2. 5m2/g的表面積。在一個示例中，所述金屬銅粉末包括一個 或多個不同種類的銅粉末，其包括：具有從大約〇. 4m2/g至大約0. 75m2/g (比如小於大約 0. 64m2/g)的表面積和從大約4. 5Mm至大約10. 5Mm(比如小於大約6. 65Mm)的中值粒徑的非 凝聚塗布細小顆粒的Cu粉末；具有從大約1. 5m2/g至大約2. 5m2/g (比如小於大約1. 85m2/ g)的表面積和從大約〇. 5Mm至大約0. 9Mm (比如小於大約0. 65Mm)的中值粒徑的亞微米晶 體粒子的Cu粉末；具有從大約0. 3m2/g至大約0. 8m2/g (比如小於大約0. 5m2/g)的表面積 和從大約0. OlMm至大約2Mm (比如小於大約2Mm)的中值粒徑的單分散粒子的Cu粉末；和 /或具有從大約〇. 8m2/g至大約1. 5m2/g (比如小於大約lm2/g)的表面積和從大約lMm至大 約2Mm (比如大約1. 5Mm)的中值粒徑的Cu粉末。
[0035] 在不例性實施例中，所述厚I旲導電墨22的有機部分以所述厚|旲導電墨22的從大 約10wt. %至大約30wt. %的量存在。同樣，所述無機部分以所述厚膜導電墨22的從大約 70wt. %至大約90wt. %的量存在。
[0036] 在示例性實施例中，所述厚膜導電墨22的有機部分包括在1大氣壓力下具有從大 約220°C至大約300°C (比如從240°C至大約260°C)的沸點的有機液體。合適有機液體的 非限制性示例包括2, 2, 4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯(例如，Texanol?)、鄰苯二甲酸 二乙酯、α -萜品醇、丁基二甘醇二甲醚、或其組合。另外，所述有機部分可以包括流變添加 劑以增加所述有機液體的流變特性。在一個示例中，所述有機部分包括乙基纖維素作為流 變添加劑。在示例性實施例中，所述厚膜導電墨22的有機部分包括2, 2, 4-三甲基-1，3-戊 二醇單異丁酸酯(其以所述厚膜導電墨22的從大約8wt. %至大約25wt. %的量存在)、乙基 纖維素(其以所述厚膜導電墨22的從大約0. 5wt. %至大約3wt. %的量存在)、及丁基二甘醇 二甲醚(其以所述厚膜導電墨22的從大約lwt. %至大約4wt. %的量存在)。所述厚膜導電 墨22的有機部分可以包括被本領域技術人員所知的其他有機添加劑。
[0037] 參照圖1-2,橡膠滾軸26沿圖案化絲網20的上表面28被推進以推送所述厚膜導 電墨22通過所述圖案化絲網20以沉積覆在所述襯底12上的所述厚膜導電墨22。如圖所 示，被沉積到所述襯底12上的所述厚膜導電墨22形成限定離散導體糊狀物特徵32的導體 糊狀物層30。所述離散導體糊狀物特徵32可以被配置為形成厚膜跡線、厚膜散熱器、電子 設備特徵、和/或類似物。
[0038] 圖3以橫截面視圖的形式示出了根據示例性實施例的在另外的被推進位造階段 期間的電子設備10。在橡膠滾軸26沿圖案化絲網20的上表面28 (例如，在單次通過時） 被推進之後，所述導體糊狀物層30被乾燥以除去揮發性組分，例如厚膜導電墨22的有機部 分。在示例性實施例中，所述導體糊狀物層30通過將電子設備10暴露在從大約100°C至大 約150°C的溫度下乾燥達從大約15分鐘至大約30分鐘的時間，以除去至少大部分揮發性組 分。
[0039] 所述導體糊狀物層30然後例如通過將電子設備10定位在熔爐中並將電子設備10 暴露在熔爐溫度下預定時間來燒制(步驟36)。在示例性實施例中，熔爐溫度大約為675°C 或更高，比如從大約800°C至大約900°C (例如從大約850°C至大約875°C )，並且預定時間 從大約30分鐘至大約60分鐘。
[0040] 還參照圖4,在燒制36期間，所述導體糊狀物層30被一起燒結或熔融並被固定或 被粘附到所述襯底12上以形成導體38。尤其地，元素硼充當氧化抑制劑並與來自熔爐氣 氛和/或銅氧化物的剩餘的氧反應以形成三氧化二硼。金屬銅粉末、銅氧化物、及三氧化二 硼被一起熔融或燒結以形成導體38。在示例性實施例中，所述導體38包括熔融/燒結金 屬銅、銅氧化物、三氧化二硼，且基本上不包括玻璃。另外，將元素硼轉化為三氧化二硼促進 在導體38與襯底12之間的粘附。在示例性實施例中，熔爐氣氛是具有從大約5ppm至大約 lOppm的氧的富氮氣氛。
[0041] 如在圖4中所示，導體38可以被配置為厚膜跡線、散熱器、或類似物，其直接接觸 其他特徵40和/或襯底12 (例如)，和/或通過電介質層42與襯底12間隔開。在示例性 實施例中，所述導體38具有從大約0. 02542mm至大約0. 1524mm的厚度(例如)，所述厚度是 單個導體糊狀物層30的燒制36的結果(參見圖3)。
[0042] 下列是根據各種示例性實施例的厚膜導電墨的示例。所述示例被提供僅為了說明 目的並且不意指以任何方式限制厚膜導電墨的各種實施例。所有材料都以重量百分比被陳 述。
[0043] 示例-厚膜導電墨的組分 厚膜導電墨-配方1 (理論給出率）
【權利要求】
1. 一種用於電子設備的厚膜導電墨，所述厚膜導電墨包括： 有機部分；以及 被分散在所述有機部分中限定糊狀物的無機部分，其中，所述無機部分包括金屬銅粉 末、銅氧化物、及元素硼，並且其中，所述厚膜導電墨基本上不包括玻璃。
2. 根據權利要求1所述的厚膜導電墨，其中，所述無機部分基本上不包括鉛。
3. 根據權利要求1所述的厚膜導電墨，其中，所述無機部分本質上由金屬銅粉末、銅氧 化物、及元素硼組成。
4. 根據權利要求1所述的厚膜導電墨，其中，所述有機部分以所述厚膜導電墨的從大 約10wt. %至大約30wt. %的量存在。
5. 根據權利要求1所述的厚膜導電墨，其中，所述無機部分以所述厚膜導電墨的從大 約70wt. %至大約90wt. %的量存在。
6. 根據權利要求1所述的厚膜導電墨，其中，所述金屬銅粉末以所述厚膜導電墨的從 大約50wt. %至大約85wt. %的量存在。
7. 根據權利要求1所述的厚膜導電墨，其中，所述銅氧化物以所述厚膜導電墨的從大 約3wt. %至大約23wt. %的量存在。
8. 根據權利要求1所述的厚膜導電墨，其中，所述元素硼以所述厚膜導電墨的從大約 0. 5wt. %至大約5wt. %的量存在。
9. 一種用於製作電子設備的方法，所述方法包括以下步驟： 沉積覆在襯底上的厚膜導電墨，其中，所述厚膜導電墨包括： 有機部分；以及 被分散在所述有機部分中限定糊狀物的無機部分，其中，所述無機部分包括金 屬銅粉末、銅氧化物、及元素硼，並且其中，所述厚膜導電墨基本上不包括玻璃；以及 燒制所述厚膜導電墨以形成覆在所述襯底上的導體。
10. -種電子設備，包括： 襯底；以及 導體，所述導體覆在所述襯底上並包括熔融/燒結金屬銅、銅氧化物、三氧化二硼，且 基本上不包括玻璃。
【文檔編號】H01B1/20GK104103340SQ201410134696
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月4日 優先權日:2013年4月4日
【發明者】L.M.阿爾鮑夫, D.A.史密斯, T.J.古斯 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司