低压力烧结粉末制造技术

一种烧结粉末，其包含：具有从100nm至50μm的平均最长尺寸的第一类型的金属颗粒。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及烧结粉末、包含所述烧结粉末的烧结膏和膜、以及使用其形成的烧结接头。烧结接头提供对焊接接头的替代。形成烧结接头的典型方法包括将金属粉末(常以粉末压块的形式)放置在待接合的两个工件之间并且随后烧结所述金属粉末。金属原子产生的原子扩散形成所述两个工件之间的结合。在电子工业中已经使用金属纳米粉末来形成烧结接头，并且认为金属纳米粉末是无铅焊接的有用替代。纳米材料和相应的块体材料之间的不同行为被认为是由具有较高的表面与体积比的纳米材料所致。已知含有银纳米颗粒的烧结粉末。通过银纳米颗粒的原子扩散形成的烧结接头能够在显著低于块体的熔化温度的温度下加工并且还能够用于高温应用。潜在优势例如高温稳定性、高电导率和热导率以及优良的机械性质使这样的烧结粉末成为用于模片固定应用的有希望的候选物。然而，这样的烧结粉末的烧结温度对于在大多数电子应用中的有效使用来说仍然太高。通过在烧结过程中施加外部压力可以降低烧结温度。显示银膏的压力辅助低温烧结作为模片固定方法的焊料回流的可行替代。显示了高压力的施加显著地降低所述烧结温度，并且能够以导致在几分钟内形成烧结接头的相对较快的速率实现用于模片固定所需要的性质。然而，大的外部压力使工艺的自动化困难。此外，大的外部压力的施加可以导致工件的损坏。已知的是，将焊料膏分配用于各种应用，但是主要地作为当不可能波峰焊或丝网印刷时的替代。能够将焊料膏分配至印刷电路板、集成电路封装和电气部件连接器上的各种表面安装应用。焊料膏的典型的问题包括：滴液、跳点和不一致的分配。典型地在电子工业中使用软焊料和硬焊料用于模片固定和分配。在热循环条件下所述软焊料易于疲劳失效。另一方面，使用硬焊料和玻璃基复合材料使器件能够在较高的结温下运行，但是它们较高的弹性模量和加工温度能够在器件中产生高机械应力，并且这些材料还具有相对低的热导率和电导率。本专利技术寻求解决与现有技术相关的问题中的至少一些或至少提供其在商业上可接受的替代解决方案。在第一方面，本专利技术提供一种烧结粉末，其包含：具有从100nm至50μm的平均最长尺寸的第一类型的金属颗粒。除非清楚地相反指示，如这里限定的每个方面或实施方案可以与任何其他一个或多个方面或者一个或多个实施方案组合。特别地，指出为为优选或有利的任何特征可以与任何其他指出为优选或有利的特征组合。如这里使用的术语“烧结粉末”可以涵盖能够形成烧结接头的粉末。通过放置在待接合的两个工件之间的金属颗粒的原子扩散来形成烧结接头。所述术语“烧结粉末”可以涵盖微粒。所述烧结粉末可以包含规则形状的颗粒(例如球)或不规则形状的颗粒(例如须、板、棒或片)。如这里使用的术语“封端剂”可以涵盖当存在于金属颗粒的表面上时减少所述金属颗粒的聚集、使在粉末生产过程中的颗粒大小控制成为可能并且降低颗粒的表面氧化或其他污染的物质。本专利技术人出人意料地发现可以在低温下且仅施加非常低的压力(典型地基本上没有压力)来烧结如这里描述的烧结粉末。结果是，伴随对工件减少的损坏，可以发生使用所述烧结粉末在工件之间的烧结接头的形成。另外，因为高压力的施加不是必需的，所以简化了烧结接头的形成并且可以更容易地使烧结接头的形成自动化。此外，与纳米大小的颗粒对比，通过使用仅低量的封端剂能够避免所述第一类型的金属颗粒的聚集。因此，与仅包含纳米大小的颗粒的烧结粉末对比，降低了包含在所得的烧结接头中的残余有机物的量，由此改进所述接头的机械性质。所述第一类型的金属颗粒具有从100nm至50μm的平均最长尺寸。大于50μm的平均最长尺寸可以导致低表面与体积比，由此需要较高的烧结温度和/或压力。小于100nm的平均最长尺寸可以需要不利水平的封端剂。典型地所述第一类型的金属颗粒的大多数颗粒具有从100nm至50μm的最长尺寸，更典型地基本上形成所述第一类型的金属颗粒的全部颗粒具有从100nm至50μm的最长尺寸。当形成微粒的颗粒是球状时，所述最长尺寸将是球的直径。可以采用使用动态光散射方法或激光散射方法的粒度分析仪测量这里提及的平均最长直径。所述第一类型的金属颗粒可以全部包含相同的金属。或者，一些所述颗粒可以包含不同的金属。另外，个别的颗粒可以包含两种或更多种不同的金属。如这里使用的术语“金属”可以涵盖合金或核-壳结构。因此，所述颗粒可以包含一种或多种合金或者一种或多种金属的合金或核-壳结构。优选地，所述第一类型的金属颗粒的至少一部分至少局部地涂覆有封端剂。封端剂的使用可以帮助降低所述颗粒的聚集。这样的聚集是不利的，因为其可以增加所述烧结粉末的烧结温度。因此，封端剂的使用使在较低温度下在工件之间烧结接头的形成成为可能，并且因此可以帮助降低由暴露于高烧结温度引起的对工件的损坏。另外，封端剂的使用可以帮助避免所述金属的劣化，例如通过所述金属暴露于空气引起的损坏。在这个实施方案中，所述金属颗粒可以是基本上涂覆有所述封端剂，或完整涂覆有封端剂。增加所述封端剂在所述金属颗粒上的覆盖可以帮助进一步降低所述金属颗粒的聚集，并且因此进一步降低所述烧结温度。另外，大多数所述金属颗粒可以涂覆有所述封端剂，或基本上全部的所述金属颗粒可以涂覆有封端剂。所述封端剂优选地包含羧酸酯和/或胺官能团。所述烧结粉末优选地包含至多5重量％封端剂，更优选地从0.1至3重量％封端剂，甚至更优选地约0.5重量％封端剂。在这点上使用的术语“重量％”基于所述烧结粉末的总重量。如果所述烧结粉末包含大于5重量％封端剂，那么可以需要较高的温度以在烧结之前熔化所述封端剂。此外，可以增加所得的烧结接头中含有的有机物的量。如果所述烧结粉末包含小于0.1重量％封端剂，那么所述封端剂可能不充分地覆盖所述金属的表面。这可以导致所述颗粒的聚集的增加，并且因此导致所述烧结温度的增加。所述第一类型的金属颗粒的大小和所述低水平的封端剂的组合可以导致强的所得接头、低的所需烧结温度和压力以及所述颗粒的减少的聚集的组合。所述第一类型的金属颗粒优选地具有从100nm至20μm、更优选地从150nm至15μm、甚至更优选地从200nm至10μm的平均最长直径。所述第一类型的金属颗粒优选地具有从1至3μm的D50值(即在累积分布中在50％处的颗粒直径的值)。这可以提供特别有利的烧结特性。可以采用使用动态光散射方法或激光散射方法的粒度分析仪测量所述D50。所述第一类型的金属颗粒优选地具有从3.5至5.5g/cc的振实密度。可以使用振实密度仪在标准程序下测量所述振实密度。较高的振实密度表明在烧结之前存在所述金属颗粒的较少程度的聚集。所述烧结粉末可以包含具有小于100μm的平均最长尺寸的第二类型的金属颗粒，其中所述第二类型的金属颗粒至少局部地涂覆有封端剂。所述第一和第二类型的金属颗粒的组合增加了形成所述烧结粉末的颗粒的接触点。这可以导致所述粉末的较好烧结并且还可以导致所述粉末的改进形态。因此，改进了使用这样的粉末形成的接头的热循环性质。另外，较大的第一类型的颗粒典型地需要仅低水平的封端剂。因此，与仅包含纳米大小的颗粒的烧结粉末相比，可以降低所述烧结粉末中的封端剂的总量，由此使在任何形成的接头中的残余有机物的出现最小化。结果是，改进了热导率和高温性质，例如热循环。典型地所述第二类型的金属颗粒的大多数颗粒具有小于100μm的最长尺寸，更典型本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种烧结粉末，其包含：具有从100nm至50μm的平均最长尺寸的第一类型的金属颗粒。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.11 IN 1023/DEL/20141.一种烧结粉末，其包含：具有从100nm至50μm的平均最长尺寸的第一类型的金属颗粒。2.权利要求1所述的烧结粉末，其中所述第一类型的金属颗粒的至少一部分至少局部地涂覆有封端剂，优选包含羧酸酯和/或胺官能团的封端剂。3.权利要求1或2所述的烧结粉末，其中所述第一类型的金属颗粒的封端剂包含直链或支链脂肪酸，优选油酸。4.权利要求1或2所述的烧结粉末，其包含至多5重量％封端剂，优选地从0.1至3重量％封端剂，更优选地约0.5重量％封端剂。5.在前权利要求任一项所述的烧结粉末，其中所述第一类型的金属颗粒具有从100nm至20μm的平均最长直径。6.在前权利要求任一项所述的烧结粉末，其中所述第一类型的金属颗粒具有从1至3μm的D50。7.在前权利要求任一项所述的烧结粉末，其中所述第一类型的金属颗粒具有从3.5至5.5g/cc的振实密度。8.在前权利要求任一项所述的烧结粉末，其还包含具有小于100nm的平均最长尺寸的第二类型的金属颗粒，其中所述第二类型的金属颗粒至少局部地涂覆有封端剂。9.权利要求8所述的烧结粉末，其中所述第二类型的金属颗粒具有从5至75nm的平均最长尺寸。10.权利要求8或9所述的烧结粉末，其包含从1至19重量％的所述第一类型的金属颗粒和从81至99重量％的所述第二类型的金属颗粒，优选地从5至15重量％的所述第一类型的金属颗粒和从85至95重量％的所述第二类型的金属颗粒。11.在前权利要求任一项所述的烧结粉末，其中所述第一类型的金属颗粒和/或第二类型的金属颗粒包含银或其合金或银涂覆颗粒的核-壳结构。12.权利要求8至11任一项所述的烧结粉末，其中所述第二类型的金属颗粒的封端剂包含胺和/或羧酸酯官能团。13.权利要求8至12任一项所述的烧结粉末，其中所述第二类型的金属颗粒的封端剂包含直链或支链脂肪胺，优选辛胺。14.在前权利要求任一项所述的烧结粉末，其包含：从1至10重量％的具有从100nm至20μm的平均最长尺寸的第一类型的金属颗粒，所述金属颗粒至少局部地涂覆有涂覆有油酸封端剂；和从90至99重量％的具有从5至75nm的平均最长尺寸的第二类型的金属颗粒，其中所述第二类型的金属颗粒至少局部地涂覆有辛胺封端剂。15.一种烧结粉末，其包含：具有小于100nm的平均最长尺寸的金属颗粒，其中所述金属颗粒的至少一些至少局部地涂覆有封端剂。16.权利要求15所述的烧结粉末，其中所述金属颗粒具有从5至75nm的平均最长尺寸。17.权利要求15所述的烧结粉末，其中所述金属颗粒具有从500nm至5μm的平均最长尺寸。18.权利要求15至17任一项所述的烧结粉末，其中所述封端剂包含胺和/或羧酸酯官能团。19.权利要求15至18任一项所述的烧结粉末，其中所述封端剂包含直链或支链脂肪胺，优选辛胺。20.使用在前权利要求任一项所述的烧结粉末形成的烧结接头。21.发光二极管(LED)、微机电系统(MEMS)、有机发光二极管(OLED)或光伏电池，其包含权利要求20所述的烧结接头。22.一种烧结膏，其包含：权利要求1至19任一项所述的烧结粉末；黏合剂；溶剂；和任选地流变改进剂和/或有机银化合物和/或活化剂和/或表面活性剂和/或润湿剂和/或过氧化氢或有机过氧化物。23.权利要求22所述的烧结膏，其中所述黏合剂包含环氧基树脂。24.权利要求22或权利要求23所述的烧结膏，其中所述溶剂包含单萜醇和/或二醇和/或二醇醚，优选地萜品醇和/或二乙二醇单正丁基醚。25.权利要求22至24任一项所述的烧结膏，其包含：从1至15重量％黏合剂；和/或从1至30重量％溶剂；和/或至多5重量％流变改进剂；和/或至多10重量％有机银化合物；和/或至多2重量％活化剂；和/或至多6重量％表面活性剂；和/或至多2重量％过氧化氢或有机过氧化物。26.一种烧结膏，其包含：权利要求1至19任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·戈沙尔，N·K·查基，P·S·罗伊，S·萨卡尔，A·拉斯托吉，
申请(专利权)人：阿尔法金属公司，
类型：发明
国别省市：美国;US