铜油墨和由其制成的导电可焊接铜迹线制造技术

技术编号:21173420 阅读:35 留言:0更新日期:2019-05-22 11:17
一种油墨,含有铜纳米颗粒、铜前体分子(例如,铜‑胺二醇配合物)以及聚合物粘结剂的混合物,聚合物粘结剂含有聚酯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺或其任何混合物,其具有表面5种官能团使得聚合物粘结剂与二醇相容和/或可溶于二醇。油墨可以沉积在基体上以提供导电且可以直接焊接的迹线,并且迹线具有的机械强度优于含有其他类型聚合物粘结剂的铜油墨。

Copper Ink and Conductive Weldable Copper Traces Made from Copper Ink

An ink containing a mixture of copper nanoparticles, copper precursor molecules (e.g., copper amine diol complexes) and polymer binders containing polyester, polyimide, polyetherimide or any of their mixtures having five functional groups on the surface that make the polymer binder compatible with and/or soluble in diols. Ink can be deposited on the substrate to provide conductive and weldable traces, and the mechanical strength of the traces is superior to that of copper inks containing other types of polymer binders.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】铜油墨和由其制成的导电可焊接铜迹线相关申请的交叉引用本申请要求于2016年7月28日提交的美国临时专利申请USSN62/367,810的权益,其全部内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及油墨,特别是可印刷铜油墨。
技术介绍
目前还没有已知的增材工艺能够形成可以使用传统无铅焊料直接焊接的印刷铜迹线。市场上没有铜油墨能够提供最终用户寻求的所需的电性能、机械性能和可焊性。在铜迹线上无铅焊接失败的主要原因是由于铜迹线表面的氧化引起的薄层电阻率高、粘附强度差和润湿性降低。而且,由于不均匀性(铜金属和空隙的混合)、表面粗糙度高和机械强度差,良好的润湿性受到限制。根据现有技术水平,使用包括镀银铜片、有机或无机粘结剂(例如,聚合物、金属氧化物)和适当的润湿剂的导电厚膜来获得适于焊接的导电铜迹线。具有金属氧化物粘结剂的厚膜的缺点是需要高于500℃的较高的加工温度。由金属片和有机聚合物制备的厚膜对于焊接不总是稳定的,并且一般在250℃至300℃之间的温度下难以无铅焊接。此外,大多数铜油墨由片/纳米颗粒或金属-有机化合物(MOD)制成,并且这两种类型的油墨都有局限性。相对于传统片/纳米颗粒油墨,MOD油墨的主要优点是MOD化合物允许在低温烧结光滑的膜提供较小的性能。然而,这些油墨是金属盐和有机组分的混合物,其中,油墨配方中铜负载量低,并且可能导致印刷迹线的较低的导电率。而且,铜迹线对大气氧的反应性(即,氧化)缓慢引起迹线的电导率随时间降低。美国专利4,248,921描述了一种用于制备用于电路板等的导电可焊接结构的糊料组合物。该组合物包括金属颗粒、金属盐和聚合物粘结剂。该煳料优选通过丝网印刷施加于基体。美国专利7,211,205描述了包括反应性有机介质、金属粉末和促进粘附添加剂的导电油墨组合物。反应性有机介质可以是金属-有机分解化合物。促进粘附添加剂可以是聚合物。金属粉末可以是铜金属。仍然需要提高从增材工艺(诸如印刷)获得的铜迹线的导电率、机械强度和表面润湿性以及抗氧化性能,以实现直接可焊接性。
技术实现思路
在一方面,提供了包括铜纳米颗粒、铜前体分子和聚合物粘结剂的混合物的油墨,聚合物粘结剂包括聚酯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺或其任何混合物,其具有使得聚合物粘结剂与二醇相容和/或可溶于二醇的表面官能团。在另一方面,提供了用于在基体上制备导电可焊接铜迹线的方法,该方法包括将油墨沉积在基体上并且烧结基体上的油墨以在基体上产生可焊接铜迹线。在另一方面,提供了包括通过该方法制备的导电可焊接铜迹线的基体。在另一方面,提供了包括该基体的电子器件。将在以下具体实施方式中描述其它特征,或者,其它特征将在以下具体实施方式中变得显而易见。应当理解,本文描述的每个特征可以与任何一个或多个其他描述的特征组合使用,并且除非对于本领域技术人员显而易见,否则每个特征不一定依赖于其它特征的存在。附图说明为了更清楚地理解,现在将参考附图通过示例详细描述优选实施方式,其中:图1描绘了由含有铜前体分子的油墨形成的铜迹线在焊接前和焊接后的光学显微图。A无铜纳米颗粒且无聚合物粘结剂;B具有0.4wt%铜纳米颗粒且无聚合物粘结剂;C无铜纳米颗粒且具有0.3wt%RokrapolTM7075聚酯粘结剂;以及D具有0.4wt%铜纳米颗粒且具有0.3wt%RokrapolTM7075聚酯粘结剂,所有的wt%基于油墨的总重。图2描绘了扫描电子显微镜图(SEM),其以20μm、10μm和6μm的比例尺(上排至下排)示出了在图1中描绘的未焊接铜迹线的形貌。图3描绘了扫描电子显微镜图(SEM),其示出了在图1中描绘的由分子油墨D产生的焊接铜迹线的形貌。具体实施方式油墨包括铜纳米颗粒、铜前体分子和聚合物粘结剂的混合物,聚合物粘结剂包括聚酯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺或其任何混合物,其具有使得聚合物粘结剂与二醇相容和/或可溶于二醇的表面官能团。铜纳米颗粒(CuNP)是沿最长维度具有的平均尺寸在约1-1000nm,优选约1-500nm,更优选约1-100nm的范围内的铜颗粒。铜纳米颗粒可以是片、线、针、基本上球形或任何其他形状。铜纳米颗粒可以通过自然过程或通过化学合成形成,并且,一般可以商购获得。基于油墨的总重,铜纳米颗粒优选以约0.04-7wt%的量存在于油墨中。更优选地,铜纳米颗粒的量在约0.1-6wt%,或约0.25-5wt%,或约0.4-4wt%,或约的范围内。铜前体分子是在烧结条件下分解以在导电铜迹线中产生另外的铜纳米颗粒的含铜化合物。铜前体分子可以是无机化合物(例如,CuSO4、CuCl2、Cu(NO3)、Cu(OH)2),酮金属-有机化合物(铜-MOD)或其混合物。铜-MOD包括,例如,羧酸铜(例如,C1-C12烷酸的铜盐,诸如,甲酸铜、乙酸铜、丙酸铜、丁酸铜、癸酸铜、新癸酸铜等),铜胺(例如,双(2-乙基-1-己胺)甲酸铜(II)、双(辛胺)甲酸铜(II)、三(辛胺)甲酸铜(II)等),铜酮配合物(例如,(乙酰丙酮)铜、(三氟乙酰丙酮)铜、(六氟乙酰丙酮)铜、(二新戊酰甲烷)铜等),氢氧化铜(II)-烷醇胺配合物(例如,Cu(OH)2:乙醇胺、Cu(OH)2:二乙醇胺、Cu(OH)2:三乙醇胺等),甲酸铜(II)-烷醇胺配合物和铜:胺二醇配合物(例如,3-二乙氨基-1,2-丙二醇(DEAPD)、3-(二甲氨基)-1,2丙二醇(DMAPD)、3-甲氨基-1-2-丙二醇(MPD)、3-氨基-1,2-丙二醇(APD)、3-吗啉代-1,2-丙二醇等)。铜:胺二醇配合物是特别优选的铜前体分子。许多铜:胺二醇配合物在环境温度下是液体,并且能够充当铜前体分子和溶剂。此外,铜:胺二醇配合物与聚合物粘结剂有利地相互作用,使得在导电性、机械强度和可焊性方面得到优异的导电铜迹线。特别优选的铜:胺二醇配合物是甲酸铜:胺二醇配合物。在一种实施方式中,铜:胺二醇配合物包括式(I)的化合物:其中,R1、R2、R3和R4相同或不同,并且为NR5R6(R’(OH)2)或–O-(CO)-R”,并且,R1、R2、R3或R4中至少一个为NR5R6(R’(OH)2),其中:R5和R6独立地为H,C1-8直链、支链或环状烷基,C2-8直链、支链或环状烯基,或C2-8直链、支链或环状炔基;R’是C2-8直链、支链或环状烷基;且R”是H或C1-8直链、支链或环状烷基。在式(I)化合物中,NR5R6(R’(OH)2)通过NR5R6(R’(OH)2)的氮原子与铜原子配位。另一方面,-O-(CO)-R”通过氧原子与铜原子共价键合。优选地,R1、R2、R3或R4中的一个或两个是NR5R6(R’(OH)2),更优选地,R1、R2、R3或R4中的两个是NR5R6(R’(OH)2)。优选地,R5和R6独立地是H或C1-8直链支链或环状烷基,更优选地是H或C1-8直链或支链烷基,还更优选地是H或C1-4直链或支链烷基。C1-4直链或支链烷基的实例是甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基和叔丁基。在特别优选的实施方式中,R5和R6是H、甲基或乙基。优选地,R’是C2-8直链或支链烷基,更优选地是C2-5直链或支链烷基。R’优选为直链烷基。在特别优选的实施方式中,R’是丙基。在给定的R’取代基上,OH基团优选不与相同的碳原子键合。优选地,本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种油墨,包括以下的混合物:(a)铜纳米颗粒;(b)铜前体分子;以及(c)聚合物粘结剂,所述聚合物粘结剂包括聚酯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺或其任何混合物,具有使得所述聚合物粘结剂与二醇相容和/或可溶于二醇的表面官能团。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.28 US 62/367,8101.一种油墨,包括以下的混合物:(a)铜纳米颗粒;(b)铜前体分子;以及(c)聚合物粘结剂,所述聚合物粘结剂包括聚酯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺或其任何混合物,具有使得所述聚合物粘结剂与二醇相容和/或可溶于二醇的表面官能团。2.根据权利要求1所述的油墨,其中,所述铜前体分子包括铜-胺二醇配合物。3.根据权利要求2所述的油墨,其中,所述铜-胺二醇配合物包括式(I)的化合物:其中,R1、R2、R3和R4相同或不同,并且为NR5R6(R’(OH)2)或-O-(CO)-R”,并且,R1、R2、R3或R4中至少一个为NR5R6(R’(OH)2),其中:R5和R6独立地为H,C1-8直链、支链或环状烷基,C2-8直链、支链或环状烯基,或C2-8直链、支链或环状炔基;R'是C2-8直链、支链或环状烷基;并且,R”是H或C1-8直链、支链或环状烷基。4.根据权利要求3所述的油墨,其中,R1、R2、R3或R4中的两个是NR5R6(R’(OH)2)。5.根据权利要求3或4所述的油墨,其中,R5和R6独立地为H或C1-4直链烷基,并且R”是H或C1-4直链烷基。6.根据权利要求3至5中任一项所述的油墨,其中,R”是H。7.根据权利要求3至6中任一项所述的油墨,其中,给定的R'取代基上的OH基团不与相同的碳原子键合。8.根据权利要求1所述的油墨,其中,所述铜前体分子包括无水甲酸铜(II):3-二甲基氨基-1,2-丙二醇(CuF:DMAPD)、无水甲酸铜(II):3-二乙基氨基-1,2-丙二醇(CuF:DEAPD)、无水甲酸铜(II):3-甲基氨基-1,2-丙二醇(CuF:MAPD)、无水甲酸铜(II):3-氨基-1,2-丙二醇(CuF:APD)、Cu(OH)2:乙醇胺、Cu(OH)2:二乙醇胺...

【专利技术属性】
技术研发人员:巴瓦纳·代奥雷昌塔尔·帕克特刘向阳派翠克·马朗方
申请(专利权)人:加拿大国家研究委员会
类型:发明
国别省市:加拿大,CA

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