用於製備金屬化的由鋁組成的基材的方法

2023-12-05 06:00:11 1

用於製備金屬化的由鋁組成的基材的方法
【專利摘要】本申請涉及用於製造金屬化基材(1)的方法，其中所述基材(1)至少部分地，優選全部由鋁和/或鋁合金組成，其中，在基材(1)的表面(2)上至少局部地施加導電糊劑(3)，在第一燃燒階段(B1)中，使所述導電糊劑(3)經受基本上連續上升的燃燒溫度，其中使燃燒溫度升高至低於約660℃的可預設的最高燃燒溫度，在第二燃燒階段中，使導電糊劑(3)基本上在可預設的最高燃燒溫度經受可預設的時間，在冷卻階段(A)中，將所述導電糊劑冷卻，和在後處理階段中，將導電糊劑(3)的表面(4)以機械方式後處理，優選刷光。
【專利說明】用於製備金屬化的由鋁組成的基材的方法
[0001]本發明涉及用於製備金屬化的基材的方法，其中所述基材至少部分地，優選全部由鋁和/或鋁合金組成。
[0002]鋁原料尤其在工業電子學的領域具有越來越重要的意義。由於其相對小的重量和低的成本，鋁經常被用作電子元件，如工業電子學模塊(例如LED、IGBT或M0SFET)的冷卻體，或還直接被用作載流導體，尤其被用作匯流條或母線。對於這樣的應用目的，鋁不僅具有非常高的熱導率(約為235W/ (m*K))，而且具有非常高的電導率(約為37*106A/ (V*m))。鋁的化學性質在於非常快速地在空氣中形成薄氧化層，所述氧化層通過與空氣中的氧氣接觸而在鋁本體的表面上連續的氧化過程而形成。該氧化層雖然一方面提供腐蝕防護，但另一方面也使鋁與其它材料通過釺焊、熱壓焊接或其它已知的接合技術的結合變得困難。
[0003]因此，本發明的目的在於提出一種用於製備金屬化的基材的改進方法，所述基材主要由鋁和/或鋁合金組成。尤其應實現的是，使得基材表面可焊接，以便可以製成與所述基材的電接觸。
[0004]根據本發明，該目的通過權利要求1的特徵得以解決。本發明的有利的實施方案在從屬權利要求中進行說明。
[0005]因此根據本發明設計為，在基材的表面上至少局部地施加導電糊劑，在第一燃燒階段中，使所述導電糊劑經受基本上連續上升的燃燒溫度，其中使燃燒溫度升高至低於約660°C的可預設的最高燃燒溫度，在第二燃燒階段中，使導電糊劑基本上在可預設的最高燃燒溫度經受可預設的時間，在冷卻階段中，將所述導電糊劑冷卻，和在後處理階段中，將導電糊劑的表面以機械方式後處理，優選刷光。
[0006]通過所述的方法步驟可以將基材的，尤其是鋁基材的表面可靠地金屬化。通過所述的方法在其上施加導電糊劑並按照所述方法步驟燒結而成的區域作為該基材的導電接觸點，而非所述區域中佔主導地位的經氧化的基材表面。至少局部通過施加和燒結導電糊劑而獲得的該能導電的層可以隨後例如用於釺焊電子元件或還用於釺焊冷卻體，其中所述冷卻體本身再次可以由鋁組成。
[0007]在此，所述基材可以至少有部分地，優選全部由具有儘可能高的鋁份額的鋁原料組成。優選使用具有根據歐洲標準EN 573的等級EN AW-1050A或EN AW-1060A的鋁原料，所述鋁原料含有至少99.5重量％至99.6重量％的鋁。也可使用鋁合金，例如包含錳或鎂的鋁合金，如 EN Aff-3003 (AlMnlCu)、EN Aff-3103 (AlMnl)、EN Aff-5005 (AlMgl)或 ENAff-5754 (AlMg3)，儘管與前述基本上純的鋁原料相比，所述合金具有略低的熔化溫度以及略低的熱導率。
[0008]通過所提出的方法可能的是，選擇性地將基於鋁的基材的表面的單獨區域金屬化，其中，呈燒結的導電糊劑形式的金屬化區域直接牢固地與基材結合，並由此能實現導電糊劑到基材的高電導率及高熱導率，反之亦然。此外，金屬化區域為可釺焊的區域，通過該區域可以將基材以已知的方式和手段與其它部件連接。因此，可以例如使用傳統焊劑，如共晶的Sn-Pb-焊料、Sn-Ag-Cu-焊料或Sn-Au-焊料將電子元件焊接在金屬化區域上。
[0009]為了改進散熱，也可以透過金屬化區域將組件(例如高功率LED模塊或工業電子學模塊)的無電位接點焊接在鋁基材上，而不必使用位於其間的絕緣介電層，且不必使用昂貴的銀基導熱糊劑，由此能夠實現整體上較低的熱阻。由於較低的熱阻以及提高的熱導率，可以使與基材連接的部件的結構尺寸變小，或使其以較高的輸出功率運行。為了將部件焊接至金屬化區域，可使用傳統焊劑(參見上文)。因此可以捨棄特殊的鋁焊劑，所述鋁焊劑經常包含滷素和其它對健康有害的物質。
[0010]所提出的方法的另一應用領域是鋁匯流條的金屬化，用於改進與其連接的電纜的連接可靠性。通過採用銅基導電糊劑金屬化鋁匯流條表面，尤其可以防止所述表面與其所連接的銅電纜的金屬間擴散及電化學反應。
[0011]根據特別優選的實施方案可以設計為，將導電糊劑通過絲網印刷法施加在基材的表面上。絲網印刷技術為用於在基材上產生線路的基礎方法。在工業電子學領域，作為基材經常使用所謂的「絕緣金屬基材(Insulated Metal Substrate, MS) 」，所述基材包括鋁製核心，並被絕緣層或介電層包裹。在這種情況下，為了改進的熱導率而使用鋁製核心。線路本身(例如藉助絲網印刷技術施塗在絕緣層上的線路)在此與鋁製核心並無導電性接觸。
[0012]然而本發明一個目的在於實現設置在基材上的線路與基材本身的直接的電接觸。通過所提出的方法，可以將線路或者導電面直接設置在基材上而不必在其間設置絕緣層，從而使這成為可能。實現燒結的導電糊劑與基材之間的材料閉合，通過所述材料閉合使燒結的導電糊劑直接與基材導電和導熱接觸。在此，可以使用呈厚層糊劑或燒結糊劑形式的傳統導電糊劑。由於厚層糊劑的多孔性，可以補償導電糊劑和基材的不同的熱膨脹，由此能夠使導電糊劑及基材的連接的可靠性得以提高，尤其在例如汽車領域中的有強烈溫度變化需求的情形。
[0013]由於絲網印刷技術(其中在基材上施加層)的迭加特性，為了基材表面的金屬化此外可以捨棄使用曝光法及腐蝕法，這導致所提出的方法的成本優勢。
[0014]厚層導電糊劑通常包括至少一種作為導電介質的金屬粉末、作為粘附劑的無機粉末(例如玻璃料)以及有機粘結劑和溶劑。所述有機粘結劑和溶劑產生具有一定流體性質的類似糊劑的稠度，然而所述性質也受導電糊劑的其它成分影響。
[0015]關於導電金屬粉末的成分，優選可以設計為使用包含銅粉的導電糊劑。當然也可以使用包含銀粉和/或金粉的導電糊劑。然而在此使用銅粉明顯是成本有利的。
[0016]關於無機粉末的成分，優選可以設計為使用包含由PbO-B2O3-S12體系組成的玻璃和/或包含Bi2O3的玻璃的導電糊劑。在所提出的方法中的燒結過程中雖然在這種情況下是佔主導地位的、相對低的燃燒溫度，但由此仍然可以實現導電糊劑在基材上非常好的粘附。
[0017]在印刷導電糊劑(例如通過現有技術中已知的絲網印刷方法)之後，導電糊劑由於其流體性質基本上留在相對應的區域內，而沒有顯著的流出。為了使基材表面上施加的導電糊劑最佳地準備燃燒或燒結，優選可以設計為，將導電糊劑在第一燃燒階段之前，在乾燥階段中，在約80°C至約200°C，優選100°C至150°C，特別優選在最高130°C的溫度乾燥，時間長度優選為約5min至約20min。通過該乾燥階段，導電糊劑中存在的溶劑基本上完全消散。在此優選的是已知的乾燥方法，例如紅外乾燥或熱空氣乾燥。通過乾燥過程和與其相關的導電糊劑中的溶劑的消散，導電糊劑經受一定的體積減小。然而這可以在準備階段中已經通過相應較厚地施塗導電糊劑來抵抗。
[0018]導電糊劑在所提出的方法的第一和/或第二燃燒階段的燃燒或燒結優選可以在焙燒爐中進行，其中在焙燒爐中燃燒溫度佔主導地位。當然，乾燥階段和/或冷卻階段也可以在焙燒爐內進行。在此優選可以使用具有輸送裝置的焙燒爐。
[0019]取決於基材和導電糊劑所使用的原料組合，可以利用合適的燃燒曲線。特別的實施方案變型設計為，在第一燃燒階段中，使燃燒溫度至少間歇地以約40°C /min至約60°C /min升高。此外可以設計為，在第一燃燒階段中，將燃燒溫度升高至約580°C，優選約565°C，特別優選約548°C的最高燃燒溫度。
[0020]將導電糊劑加熱超過約400°C至450°C導致所有有機內容物，例如有機粘結劑基本上完全消散，並使無機成分(例如玻璃粉末或玻璃料)軟化。此外，在該溫度插入金屬粉末的燒結過程。導電糊劑的軟化的玻璃成分隨後產生導電糊劑在基材上的良好粘附。
[0021]最高燃燒溫度原則上受到鋁的熔化溫度的限制，所述熔化溫度為約660°C。在使用基於銀的導電糊劑的情況下，最高燃燒溫度優選為約565°C，和在使用基於銅的導電糊劑的情況下，最高燃燒溫度優選為約548°C。該溫度由可能在此形成的低共熔的鋁-銅或者鋁-銀合金的熔化溫度得出。
[0022]關於各最高燃燒溫度，對於導電糊劑而言要選擇合適的玻璃成分，其相應的玻璃化轉變溫度(Te)或熔化溫度(Ts)適應其最高燃燒溫度。因此相應的導電糊劑的玻璃成分的玻璃化轉變溫度或熔化溫度應當相應地為低於給定的最高燃燒溫度，以保證基材上的導電糊劑的最佳的粘附。尤其合適的是由PbO-B2O3-S12體系組成的玻璃和/或包含Bi2O3的玻璃。
[0023]經證實特別有利的是，在第二燃燒階段中，使導電糊劑的燃燒進行約5min至約30min。原則上，第二燃燒階段(在最高燃燒溫度下)的時間越長，則導電糊劑燒結得越密實，並且因此對於後續加工(例如釺焊及熱壓焊接)具有更佳的性質。然而在第二燃燒階段中的燃燒時間過長的情況下，在典型的烘箱中的通過時間相應延長，這可能負面地影響總體生產率。
[0024]在另一優選實施方案變型中可以設計為，在第二燃燒階段中，使可預設的最高燃燒溫度基本上保持恆定。
[0025]此外優選可以設計為將導電糊劑在第一燃燒階段和/或第二燃燒階段中處於含氮的保護氣體氣氛中。保護氣體氣氛(例如氮氣)對於銅線路糊劑的焊透而言是有利的，從而防止線路材料的氧化(取決於燃燒階段，可能存在會有數個ppm的殘留氧含量)。這類材料或導電糊劑的有機粘結劑在此可以如此設計，其可以在氮氣氣氛下減少。對於銀線路糊劑而言，傳統的空氣氣體反而是有利的，因為在此情況下線路表面受氧化的消極影響微乎其微。在此所使用的有機粘結劑可以經由空氣中的氧氣氧化。
[0026]在本發明的優選實施方式中可以設計為，在冷卻階段中，燃燒溫度至少間歇地以約20°C /min至約40°C /min，優選約30°C /min下降。在此優選將冷卻進行至環境溫度。因為所使用的材料的不同的熱膨脹係數，則冷卻進行得越緩慢，導電糊劑與基材之間的連接的機械影響越小。
[0027]通過燒結的導電糊劑(在燃燒或燒結過程期間由於在此佔主導地位的高溫所進行)的典型的氧化設計為，使導電糊劑的表面在冷卻之後進行相應的機械後處理，以簡化另外的加工，例如用於後續的釺焊方法或熱壓焊接方法。
[0028]根據優選的實施方式可以設計為，在基材的表面上施加厚度為約ΙΟμπι至約100 μ m的導電糊劑。當然也可以將厚度小於1ym的導電糊劑，或厚度大於100 μ m的導電糊劑施加在基材的表面上。也可以設計為，相繼地多次應用所提出的方法，以整體上提高導電糊劑的給定厚度。
[0029]本發明的其它細節和優點藉助以下附圖描述加以闡釋。
[0030]圖1顯示了穿過具有設置於其上的導電糊劑的基材的截面，和
[0031]圖2顯示了對於所提出的方法的實施例關於時間的燃燒溫度的燃燒曲線。
[0032]圖1顯示了在進行所提出的方法之後，由基本上純的鋁或者高純度鋁合金組成的基材I的(並非按比例的)截面。在此，所述基材I例如由具有根據歐洲標準EN 573的ENAW-1050A等級的鋁原料組成，所述原料包含至少99.5重量％的鋁。所述基材I具有約2mm的厚度Ds,和基本上平的表面2。通常,基材I可以具有至少Imm的厚度Ds,而有意義的最大厚度Ds則可能受到基材I的另外的加工的限制。
[0033]在基材I的表面2上藉助絲網印刷法施加銅基導電糊劑3，即所使用的導電糊劑3包含作為導電成分的銅粉。基材I連同導電糊劑3根據所提出的方法按照來自圖2的燃燒曲線處理，以獲得可焊接的鋁基材I。在該實施例中，在應用所提出的方法之後的經燃燒或者經燒結的導電糊劑3的厚度^為約35 μ m。經燃燒或者經燒結的導電糊劑3的厚度^例如對於銅線路糊劑而言可以為約20 μ m至約40 μ m,和對於銀線路糊劑為約10 μ m至約20 μ m。為改進所提出的方法中的經燃燒或者經燒結的導電糊劑3的焊接性質，將經燒結的導電糊劑3的表面4以機械方式後處理，例如刷光。
[0034]圖2顯示了對於所提出的方法而言可行的燃燒曲線。所示出的曲線圖在此表示焙燒爐中的燃燒溫度T隨時間的變化，其中進行第一燃燒階段B1、第二燃燒階段B2,以及冷卻階段A。在第一燃燒階段B1中，將燃燒溫度T從約22°C的環境溫度開始連續升高，直至約542°C的可預設的最高燃燒溫度!1.。在這種情況下，在第一燃燒階段B1中，燃燒溫度T在時間上的變化基本上為具有基本上為線性階段的S形，其中燃燒溫度T以約46°C /min的速率Rb上升。
[0035]達到可預設的最高燃燒溫度Tmax之後，在第二燃燒階段B2中，導電糊劑3和基材I在約542°C的可預設最高燃燒溫度Tmax經受約9min的可預設時間段tB，並因此使導電糊劑3燃燒或者燒結。
[0036]在之後的冷卻階段A中，使燃燒溫度T連續下降，其中燃燒溫度T隨時間t以基本上S形的曲線下降。在冷卻階段A中，燃燒溫度T的下降速率Ra近似為平均約33°C /min。
【權利要求】
1.用於製造金屬化基材(I)的方法，其中所述基材(I)至少部分地，優選全部由鋁和/或鋁合金組成，其特徵在於，在基材⑴的表面⑵上至少局部地施加導電糊劑(3)，在第一燃燒階段(B1)中，使所述導電糊劑(3)經受基本上連續上升的燃燒溫度(T)，其中使燃燒溫度(T)升高至低於約660°C的可預設的最高燃燒溫度(Tmax),在第二燃燒階段(B2)中，使導電糊劑(3)基本上在可預設的最高燃燒溫度(Tmax)經受可預設的時間段(tB)，在冷卻階段(A)中，將所述導電糊劑(3)冷卻，和在後處理階段中，將導電糊劑(3)的表面(4)以機械方式後處理，優選刷光。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於，將所述導電糊劑(3)通過絲網印刷法施加在基材⑴的表面⑵上。
3.根據權利要求1或2的方法，其特徵在於，使用包含銅粉末的導電糊劑(3)。
4.根據權利要求1至3中任一項的方法，其特徵在於，使用包含由PbO-B2O3-S12體系組成的玻璃和/或包含Bi2O3的玻璃的導電糊劑(3)。
5.根據權利要求1至4中任一項的方法，其特徵在於，將導電糊劑(3)在第一燃燒階段(B1)之前，在乾燥階段中，在約80°C至約200°C，優選100°C至150°C，特別優選在最高130°C的溫度乾燥，時間長度優選為約5min至約20min。
6.根據權利要求1至5中任一項的方法，其特徵在於，至少導電糊劑(3)的燃燒在第一燃燒階段(B1)和/或第二燃燒階段(B2)中在焙燒爐中進行，其中在焙燒爐中燃燒溫度(T)佔主導地位。
7.根據權利要求1至6中任一項的方法，其特徵在於，在第一燃燒階段(B1)中，使燃燒溫度(T)至少間歇地以約40°C /min至約60°C /min升高。
8.根據權利要求1至7中任一項的方法，其特徵在於，在第一燃燒階段(B1)中，將燃燒溫度(T)升高至約580°C，優選約565°C，特別優選約548°C的最高燃燒溫度(Tmax)。
9.根據權利要求1至8中任一項的方法，其特徵在於，在第二燃燒階段(B2)中，使導電糊劑(3)的燃燒進行約5min至約30min。
10.根據權利要求1至9中任一項的方法，其特徵在於，在第二燃燒階段(B2)中，使可預設的最高燃燒溫度(Tmax)基本上保持恆定。
11.根據權利要求1至10中任一項的方法，其特徵在於，將導電糊劑(3)在第一燃燒階段(B1)和/或第二燃燒階段(B2)中處於含氮的保護氣體氣氛中。
12.根據權利要求1至11中任一項的方法，其特徵在於，在冷卻階段(A)中，燃燒溫度(T)至少間歇地以約20°C /min至約40°C /min,優選約30°C /min下降。
13.根據權利要求1至12中任一項的方法，其特徵在於，在基材(I)的表面(2)上施加厚度為約10 μ m至約100 μ m的導電糊劑(3)。
【文檔編號】B23K1/20GK104271300SQ201380023448
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年4月8日 優先權日:2012年5月4日
【發明者】R·C·伯恩斯, W·圖斯勒, B·海格勒 申請人:Ab微電子有限公司