熱熔導體膏組合物的製作方法
2023-05-19 21:12:11
專利名稱：熱熔導體膏組合物的製作方法
技術領域：
本發明提供了一種熱熔導體膏組合物，尤其適用於製作光電池的電導電路。
背景技術：
用於電子材料市場的傳統導體膏在室溫下成液體狀態。這樣的膏典型地由分散於液體媒介中的導體粉或薄片組成。這樣的膏通過傳統的篩網印製術、塊印製、擠壓、配製或其它傳統的、眾所周知的應用方法，應用到矽基片。
使用這種傳統導體膏的一個問題在於，在使用附加的電子材料膏以前和/或任何附加工藝用於這樣的材料之前，這種膏必須進行強制乾燥，尤其在烘箱內。強制乾燥過程需要時間和能量，而且會導致揮發性有機物的釋放。進一步地，在乾燥過程中組分的重複處理會導致組分破壞。
Magrini et al.在美國專利第4,243,710號公開了一個熱塑性電極墨，用來製造陶器多層電容器。按照Magrini et al.的技術，熱塑性電極墨的組合物包括精細磨碎的三重(銀/鉑/鈀或鉑/鈀/金)或二重(銀/鈀)金屬粉，分散於熱塑性媒介中，其在室溫下為固體。當把溫度加熱到100°F到250°F時，Margrini et al的熱塑性電極墨組合物熔化形成流動墨，可經篩網印製術應用到非傳導性的陶片，不經過乾燥步驟而被壓制形成多層電容器。
使用如Magrini et al.所公開的熱塑性電極墨組合物要比製造多層陶器電容器具有更大的優勢。不幸的是，然而，Magrini et al.公開的電極墨組合物不能充分地黏附到特定的基片上，如單晶矽和多晶矽(以下簡稱「矽」)，其被廣泛地用來製作光電池及其類似產品。而且，這樣的熱熔電極墨組合物不滿足在這種應用中必需的的電力要求。
發明內容
本發明提供一個導體組合物，其在室溫下(約25℃)為固體，但在從約35℃到約90℃的時候形成流動的液體，通過篩網印製術用於矽基片上。本發明的組合物在使用時不必強制乾燥，因為它能迅速固體化並經過印製黏附到基片上。固體化篩網印製電路能抵抗劇烈的局部處理而不會與基片分離或凹下去或斷裂。隨後電子材料膏層可立即直接應用到固體化的篩網印製電路上。
本發明的熱熔導體膏組合物包括導體顆粒和玻璃顆粒分散於熱塑性聚合體系統中。導體顆粒優選包括銀或鋁，並以粉狀和/或薄片狀存在。玻璃顆粒優選包括一種或更多玻璃料，其具有如下重量組成從約60％到90％的氧化鉛(PbO)、最多約30％氧化矽(SiO2)、最多約15％的氧化硼(B2O3)、最多約10％的氧化鋁(Al2O3)、最多約10％的氧化鋯(ZrO2)、最多約5％的氧化磷(P2O5)、最多約5％的氧化釕(RuO2)。熱塑性聚合物系統優選包括由約50％到約90％重量的一種或更多脂肪醇，約5％到約20％重量的一種或更多纖維醚，以及選用最多約10％重量的木松香和/或大豆卵磷脂所構成的混合物。這個組合物還優選包括至少約0.01％到最多約5％重量的一個或更多C12或更高的飽和脂肪酸。
本發明上述及其它特性會在下文中得到更詳盡的描述，尤其在權利要求中闡述，以下將詳細地闡述本發明的特定具體實施例，這些用於說明但僅顯示了本發明原則的幾個方面。
具體實施例本發明的熱熔導體膏組合物包括分散於熱塑性聚合物系統中的導體顆粒和玻璃顆粒。導體顆粒優選包括銀或鋁，但是其它材料如銅和非傳導性材料也可使用。傳導性顆粒可以是粉狀和/或薄片狀。也可使用含銀的合金。組合物導體顆粒填裝量優選基於組合物所有組分總重量的50％到90％重量。
在本發明熱熔導體膏組合物中使用的導體顆粒優選具有小的平均顆粒尺寸，優選小於5μm，如果組合物通過篩網印製而使用，這一點尤為重要。更優選的是，導體顆粒具有一個雙峰顆粒大小分布，其有助於改進填充因而改進膏裡的導體顆粒的密度。在本發明優選實施例中，導體顆粒的主要部分(也就是超過50％重量的)具有小於2.5μm的D50，以及導體顆粒的一小部分具有一個大於2.5μm小於5.0μm的D50。
用於熱熔導體膏組合物的玻璃顆粒優選由一種或更多玻璃料組成。當導體顆粒包含銀並且膏的組合物用於矽基片上時，玻璃顆粒優選由下列重量組成的物質構成從約60％到約95％的氧化鉛(PbO)、最多約30％的氧化矽、最多約15％的氧化硼、最多約10％的氧化鋁、最多約10％的氧化鋯、最多約5％的氧化磷以及最多約5％的氧化釕。更好地是，玻璃顆粒優選具有下列重量組成的組合物從約75％到約92％的氧化鉛(PbO)，從約10％到約20％的氧化矽(SiO2)，最多約7％的氧化硼(B2O3)、最多約5％的氧化鋁(Al2O3)、最多約6％的氧化鋯(ZrO2)、最多約3％的氧化磷(P2O5)以及最多約3％的氧化釕(RuO2)。在本發明的最優選實施例中，玻璃料的重量組成為81.16％的氧化鉛，10.72％的氧化矽，4.11％的氧化硼，2.81％的氧化鋁，1.20％的氧化鋯(下文Ferro EG09014)。
如果導體顆粒包括鋁，那麼玻璃顆粒的組成就不是關鍵。在有些情況下，用精細磨碎的矽當做玻璃顆粒也是可行的。
玻璃顆粒有助於將導體結合到基片上。要用所需最小的量的玻璃顆粒來獲得好的黏合。根據組合物總重量而定，填裝量小於約50％，優選小於約20％，更優選小於約10％就可以了。
導體顆粒和玻璃顆粒分散於熱塑性聚合物系統中，其在25℃下為固體，在低於70℃時熔化。熱塑性聚合物系統的組成本身並不是關鍵，並且各種熱熔聚合物系統都可以使用，包括如Magrini et al.美國專利No.4,243,710公開的熱塑性媒介，其因而作為參考文件而合併。
優選的，熱塑性聚合物系統包括至少一個C14或更高的直鏈伯醇。更優選地，熱塑性聚合物系統包括兩種或更多不同的從C14到C20的直鏈伯醇的混合物。適合的酒精可以由如ALFOL商品指定的CONDEA Vista而獲得。更進一步地，熱塑性聚合物系統還優選包括一種或更多纖維素醚。本發明使用的纖維素醚優選是乙基纖維素。加到熱塑性聚合物系統可選擇性成分包括部分氫化的松香、大豆卵磷脂和各種表面活性劑。
申請人發現，當組合物存在至少0.01％重量的一種或更多C12或更高的飽和脂肪酸時，導體顆粒易於凝結成團，類似於鬆軟乾酪，此時溫度保持在高於熱塑性聚合物熔點。使用少量(典型的是小於5％重量，基於組合物的總重量)的一種或更多C12或更高的飽和脂肪酸阻止銀或鋁顆粒的凝結並不確定地延長熱熔導體膏組合物溫度控制壽命。用於本發明的飽和脂肪酸優選異硬脂酸，但是也可以使用其它的酸如油酸。
在一項優選實施例中，熱熔導體膏組合物包括約40％到約80％重量的混合物，該混合物為重量上佔主要部分的是D50小於2.5μm的銀薄片和在重量上佔次要部分的D50大於2.5μm但小於5.0μm的銀薄片；以及約10％到約50％重量的玻璃粉，包括至少一種玻璃料，其含有約75％到約92％重量的氧化鉛，從約10％到約20％的氧化矽、從約0％到約7％的氧化硼、最多約5％的氧化鋁、最多約6％的氧化鋯、最多約3％的氧化磷及最多約3％的氧化釕所組成，分散於熱塑性聚合物系統，其包括一種或混合物含有兩種或更多不同的C16到C18的直鏈伯醇、乙基纖維素、部分氫化松香和大豆卵磷脂。所述組合物還包括至少0.01％重量的異硬脂酸。優選的C16到C18的直鏈伯醇分別是十六(烷)醇和十八烷醇。
在本發明的另一個優選實施例中，熱熔導體膏組合物包括從約50％到約90％重量的鋁粉，平均顆粒小於5.5μm；和約10％到約50％重量的含矽玻璃料。鋁粉和矽分散在一個熱塑性聚合物系統中，其包括至少一種C16或更高的直鏈伯醇、乙基纖維素、部分氫化松香以及大豆卵磷脂。該組合物還包括約至少0.01％重量的異硬脂酸。直鏈伯醇優選十六(烷)醇。
本發明的熱熔導體膏組合物優選通過將熱塑性聚合物系統的組分在稍高於材料熔點的溫度下混合一起而形成的。當用銀顆粒來做導體材料時，銀粉和玻璃顆粒在高度混合情況下加到熱塑性聚合物系統，然後此膏經過三輥式粉碎機加熱最多到約70℃以保證沒有大的顆粒或結塊形成。當用鋁顆粒來做導體材料時，鋁熱熔混合物將承受高速混合條件，但典型地不經過三輥式粉碎機。飽和脂肪酸可在任何時候被加到組合物，在導體顆粒和/或玻璃顆粒被加到熔化的熱塑性聚合物系統之前或之後。但優選飽和脂肪酸在導體顆粒之後加入。
本發明還提供一種在光電池上形成導電電路的方法。此方法包括將本發明的熱熔導體膏組合物加熱到高於熱塑性聚合物系統的熔點但是低於熱塑性聚合物系統開始完全揮發的溫度；將熱熔導體膏組合物通過篩網印製、塊印製、擠壓、分散或任何其它傳統的應用方法施用於矽基片；將矽基片烘烤到把所述熱熔導體膏組合物中的有機物完全燃燒然後形成所述傳導電路。烘烤溫度本身並不嚴格。烘烤溫度應高到足以把膏內的有機材料完全燃燒盡並把導體顆粒和玻璃顆粒熔到基片當中。在製作光電池時，烘烤很典型地在約650℃到約900℃溫度下進行，在最高溫度時持續約20秒。
本發明的熱熔導體膏組合物尤其在電子設備如光電池及類似產品的製備上很有用處。不象傳統膏那樣在室溫下(例如，約25℃)為液體，本發明的熱熔導體膏組合物在室溫下(約25℃)為固體，使操作和貯存簡單化。熱塑性聚合物系統在適當的低溫下熔化形成流動的液體狀態，從而通過使用篩網印製、塊印製、擠壓或其他的傳統應用方法和設備，使膏快速地施用到基片上。膏的粘度可通過調節溫度得到直接控制(例如，為了減低粘度，僅需將溫度提高)。
本發明的熱熔導體膏組合物使電子元件的生產率大幅度增長。融化的膏在應用到基片上後迅速固化從而不用經過其後的乾燥步驟。固化電路可以抵抗劇烈的局部處理而不被模糊或移位。事實上，其它的電子膏材料在使用熔化的膏之後，可在幾秒鐘之後直接施用於印製基片上。這比使用傳統的在室溫下為液體的導體膏具有本質上的優勢，其在其它處理過程完成前還需要在烘箱內進行強制乾燥。去除乾燥步驟加快了元件生產速度和進一步地減少由於操作損壞而造成的元件浪費。
本發明的熱熔導體膏組合物的另一項優勢是，在元件製備中膏不會產生揮發性有機化合物。熱塑性聚合物系統的組分在加熱到優選的使用溫度時是無害的並不會蒸發。用於膏組合物的主要有機材料在達不到燃燒的條件下時不會蒸發或揮發，且材料可完全燃燒形成無害產物。與傳統的室溫下為液體的導體墨相比較，組合物中缺乏揮發性化合物會增加組合物的保存期限和穩定性。
如上所述，本發明的熱熔導體膏組合物使用眾所周知的其它技術之中的篩網印製術，是極其適於施用於基片的。雖然可以使用傳統的篩網印製設備，但優選將篩網、載物臺和塗刷器加熱。具體加熱篩網、載物臺和塗刷器的加熱溫度優選由熱熔膏的熔化溫度、所需的熔化膏的粘度及其在印製電路獲得的表面形狀(cosmetics)來決定。例如，當使用約35℃到約90℃溫度範圍內熔化的熱熔導體膏組合物時約約，篩網溫度優選保持在約40℃到約90℃的範圍內，載物臺溫度保持在從約30℃到約65℃的範圍內，以及塗刷器的溫度保持在最高到約65℃。通過最優化應用設備的溫度參數，熱熔導體膏組合物可應用於篩網印製、塊印製、擠壓或具有良好印製形狀的配置導體電路。
以下的實施例僅是用來說明本發明，不應當作為對權利要求的限定。
實施例1用量如下表1中顯示的各種組分在最高70℃的溫度下一起加熱，並逐漸混合形成熔化熱塑性聚合物系統。
表1
實施例2本發明的熱熔導體膏組合物是通過下表2中所顯示用量的組分在一個套層高速混合器內70℃下混合1小時而形成的。來自實施例1的熔化熱塑性聚合物系統是第一個填裝到加熱混合倉的組分。混合後的膏三次經過三輥式粉碎機並然後冷卻到室溫(約25℃)。得到本發明固態熱導體膏組合物。
表2
實施例3將上述實施例2中形成的熱塑性導體膏組合物加熱到溫度65℃，並用325網孔篩網印製到矽基片上，形成印製電路。將篩網移走幾秒鐘後，印製電路就在基片上固化。再將篩網印製基片放到烘箱內從約650℃到約900℃溫度烘製並在最高溫處持續烘製約20秒，以燒掉墨組合物中的全部有機材料，並將金屬和玻璃顆粒融合在一起然後把印製電路粘貼到基片上。經過燃燒後，可將基片冷卻到室溫(約25℃)。一個全功能的銀印製電路在基片上形成。
實施例4在下表3中顯示用量的各種組分在最高55℃的溫度下加熱在一起，並逐漸地混合形成熔化熱塑性聚合物系統。
表3
實施例5本發明的熱熔導體膏組合物通過以下表4所列用量的組分在一個套層高速混合器內55℃下混合1小時而形成。實施例4的熔化熱塑性聚合物系統是第一個填裝到加熱混合室的成份。混合後，導體膏冷卻到室溫(約25℃)。從而獲得本發明固態熱導體膏組合物。
表4
實施例6將上述實施例5中形成的熱熔導體膏組合物加熱到55℃，並用325網孔篩網印製到銀熱熔印製矽基片上，形成合併印製電路。將篩網移走幾秒鐘後，導體電路就在基片上固化。再將篩網印製基片放到烘箱內從約650℃到約900℃進行烘製並在最高溫處持續約20秒，以燃燒掉墨組合物的有機材料，並將金屬和玻璃顆粒融合在一起粘貼到基片上。經過烘烤後，將基片冷卻到室溫(約25℃)。一個全功能的鋁印製電路在基片上形成。
本領域的技術人員很容易獲得其它的優勢和變動。因而，本發明在更廣泛的意義上不受特定的描述和實施例所限制。所以，可以在不脫離本發明的基本概念的情況下進行各種變更，如權利要求或相當於權利要求所限定的那樣。
權利要求
1.熱熔導體膏組合物包括約50％到約90％重量的實質上含有銀或鋁的導體顆粒，以及最多50％重量的分散於熱塑性聚合物系統的玻璃顆粒，其在25℃下為固體，在約35℃到約90℃的溫度範圍內熔化。
2.如權利要求1所述的熱熔導體膏組合物，其還包括至少0.01％重量的一個或更多C12或更高的飽和脂肪酸。
3.如權利要求1所述的熱熔導體膏組合物，其中，所述玻璃顆粒包括至少一種玻璃料，其包括重量約60％到約95％的氧化鉛、最多約30％的氧化矽、最多約15％的氧化硼、最多約10％的氧化鋁、最多約10％的氧化鋯、最多約5％的氧化磷及最多約5％的氧化釕。
4.如權利要求1所述的熱熔導體膏組合物，其中，所述導體顆粒有一個雙峰顆粒大小分布。
5.如權利要求1所述的熱熔導體膏組合物，其中，所述導體顆粒的主要部分包括小於約5.0μm的D50的薄片。
6.如權利要求3所述的熱熔導體膏組合物，其中，所述玻璃料包括重量約75％到約92％的氧化鉛、約10％到約20％的氧化矽、最多約7％的氧化硼、最多約5％的氧化鋁、最多約6％的氧化鋯、最多約3％的氧化磷及最多約3％的氧化釕。
7.如權利要求1所述的熱熔導體膏組合物，其中，所述熱塑性聚合物系統包括至少一個C14或更高的直鏈伯醇。
8.如權利要求7所述的熱熔導體膏組合物，其中，所述熱塑性聚合物系統包括兩個或更多的C14到C20的直鏈伯醇的混合物。
9.如權利要求7所述的熱熔導體膏組合物，其中，所述熱塑性聚合物系統還包括一種或更多纖維素醚。
10.如權利要求9所述的熱熔導體膏組合物，其中，所述纖維素醚包括乙基纖維素。
11.如權利要求2所述的熱熔導體膏組合物，其中，所述C12或更高的飽和脂肪酸包括異硬脂酸。
12.如權利要求1所述的熱熔導體膏組合物，其中，所述導體顆粒包括在重量上佔主要成份D50小於2.5μm的銀薄片和在重量上佔次要成份的D50大於2.5μm的薄片的混合物，其中，所述的玻璃顆粒包括玻璃料，其含有重量約75％到約92％的氧化鉛，約10％到約20％的氧化矽、最多約7％的氧化硼、最多約5％的氧化鋁、最多約6％的氧化鋯、最多約3％的氧化磷及最多約3％的氧化釕，其中，所述的熱塑性聚合物系統包括含有兩個或更多不同的C16到C18的直鏈伯醇和乙基纖維素的混合物。
13.如權利要求12所述的熱熔導體膏組合物，進一步包括佔總重量至少0.1％的一到多個C12或更高的飽和脂肪酸。
14.如權利要求1所述的熱熔導體膏組合物，其中所述導體顆粒包括D50小於5.5μm的鋁薄片，其中所述的玻璃顆粒包括矽，以及其中所述的熱塑性聚合物系統包括至少一個C16或更高的直鏈伯醇和乙基纖維素的混合物。
15.如權利要求14所述的熱熔導體膏組合物，進一步包括至少0.1％重量的一個或更多的C12或更高的飽和脂肪酸。
16.形成光電池印製電路的方法包括提供一個熱熔導體膏組合物，其包括約50％到約90％重量的實質上含有銀或鋁的導體顆粒，以及最多50％重量的分散於熱塑性聚合物系統的玻璃顆粒，其在25℃下為固體，在約35℃到約90℃的溫度範圍內熔化；將所述熱熔導體膏組合物加熱到高於熱塑性聚合物系統熔點的溫度但低於該熱塑性聚合物系統開始完全揮發的溫度；將所述熱熔導體膏組合物通過篩網印製、塊印製、擠壓或配製應用到矽基片上；以及烘烤基片直至將所有所述熱熔導體膏組合物的有機材料燃燒掉，形成所述導體電路。
17.如權利要求16所述的方法，其中，將所述熱熔導體膏通過篩網印製應用到基片上，所用篩網具有100篩到約400篩的範圍內的網孔。
18.如權利要求16所述的方法，其中，所述烘烤溫度在約650℃到約900℃的範圍內。
19.如權利要求16所述的方法，其中，所述導體顆粒包括在重量上佔主要成份的D50小於2.5μm的銀薄片和在重量上佔次要成份的D50大於2.5μm的薄片的混合物，其中所述玻璃顆粒包括玻璃料，其含有在重量約75％到約92％的氧化鉛，約10％到約20％的氧化矽、最多約7％的氧化硼、最多約5％的氧化鋁、最多約6％的氧化鋯、最多約3％的氧化磷及最多約3％的氧化釕，其中所述的熱塑性聚合物系統包括含有兩個或更多不同的C16到C18的直鏈伯醇和乙基纖維素的混合物，並且所述組合物進一步包括至少0.01％重量的一個或更多C12或更高的飽和脂肪酸。
20.如權利要求16所述的方法，其中，所述導體顆粒包括D50小於5.5μm的鋁薄片，其中所述玻璃顆粒包括矽，以及其中所述熱塑性聚合物系統包括至少一個C16或更高的直鏈伯醇和乙基纖維素的混合物，以及其中所述組合物進一步包括至少0.01％重量的一個或更多的C12或更高的飽和脂肪酸。
全文摘要
本發明提供了一個熱熔導體膏組合物，其包括分散於熱塑性聚合物系統內的導體顆粒和玻璃顆粒。本發明熱熔導體膏組合物在室溫下為固體，但在約35℃到約90℃的溫度下熔化形成流動的液體，可經篩網印製應用到矽基片上。熱熔導體膏組合物尤其適於光電池的製備。
文檔編號B05D5/12GK1592659SQ02823395
公開日2005年3月9日 申請日期2002年11月1日 優先權日2001年11月27日
發明者H·邁克威克爾 克裡斯蒂娜, S·謝克 阿齊茲, A·馬戈羅尼 肯尼斯, K·威廉士 託德, C·託蘭蒂諾 路易斯 申請人:費羅公司