用于氮化硅和其他基底的导电厚膜浆料制造技术

用于微电子电路应用的与氮化铝、氧化铝和氮化硅基底兼容的导电厚膜组合物。该导电厚膜组合物包括第一铜粉、第二铜粉和玻璃组分。导电厚膜组合物还包括Cu2O、Ag和至少一种选自Ti、V、Zr、Mn、Cr、Co和Sn的金属元素。在烧制之后，导电厚膜组合物呈现出改进的薄层电阻率和改进的与下面的基底的粘附力。改进的与下面的基底的粘附力。改进的与下面的基底的粘附力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于氮化硅和其他基底的导电厚膜浆料
专利

[0001]本专利技术涉及用于在氮化铝、氧化铝和氮化硅基底上生产电路和电子器件(electronic device)的无铅且无镉导电铜厚膜浆料(lead
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and cadmium
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free conductive copper thick film paste)。
[0002]背景
[0003]厚膜电路是单片集成微电子电路的一种熟知的形式。这种类型的电路在需要大量无源部件的情况下或者在需要适度高功率损耗的情况下是特别有用的。厚膜电路的生产成本较低，并且取决于组成和尺寸特征，厚膜电路可以产生比薄膜电路更宽范围的电阻值。
[0004]厚膜电路的制造是对熟知的丝网印刷技术的改进。厚膜电路由印制在特定基底上的导体、电阻器和其他无源电路部件的图案组成。在大多数已知的工艺中，多种浆料通过特定印刷图案的丝网或模板被施加到基底或连续的电路层上。连续的层在印刷之后被干燥，并且在带式炉中烧制以烧结材料。
[0005]在典型的厚膜电路中，基底通常是陶瓷材料，诸如氧化铝。然而，对于要求高的应用诸如在极端的温度变化是典型的汽车电子设备中，可以考虑具有改进的机械性质的其他陶瓷材料。在厚膜电路与硅器件结合被形成的应用中，热膨胀系数也可能是重要的。在这些应用中，对于在基底上形成的厚膜浆料存在很大的改进空间。厚膜浆料通常是玻璃颗粒、金属和/或金属氧化物颗粒连同有机溶剂、树脂和被称为触变剂的粘度控制剂的组合物。这些厚膜浆料的组合物取决于被印刷的无源电气部件的类型。
[0006]可用于形成在混合微电子部件中采用的电阻器、电介质和导体的多种含金属的厚膜组合物(即浆料、油墨、带等)已经在混合微电子领域中被开发。通常，这样的组合物，并且特别是浆料或油墨组合物，包括导体(例如，银、钯、铜、铝、金、铂及类似物，以及这些不同金属中的每一种的合金)、电阻性或介电性组分(resistive or dielectric component)、粘合剂或无机助焊材料(inorganic fluxing material)(例如，玻璃或无机氧化物)，以及通常包含具有树脂和触变剂和/或润湿剂的溶剂的有机组分或媒介物(vehicle)。
[0007]上文描述的浆料或油墨组合物以期望的构型或图案被施加到合适的基底上，以形成用作混合微电子部件的期望的电路。
[0008]专利技术概述
[0009]描述了用于在氮化铝、氧化铝和氮化硅基底上生产电路和电子器件的导电铜厚膜浆料。浆料是玻璃和/或金属组分连同有机组分(通常是粘合剂或媒介物，以及有机溶剂)的原始的、未烧制的(生坯的(green)或“湿的”)混合物。
[0010]氮化硅即使在高温也具有高强度和断裂韧性。因此，它被用作汽车发动机、燃气轮机和燃烧室零件的高温结构部件。
[0011]此外，由于氮化硅的低热膨胀系数与硅的热膨胀系数相匹配，因此氮化硅理想地适合于基于硅的电路器件的直接结合，该基于硅的电路器件诸如用作高功率电路中电子开关的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。这些器件的封装通常由于高电功率的突然变化而经历极端的温度变化。氮化硅的低热膨胀系数与高弯曲强度和相当高的热导率组合，使其适合于
要求高抗热震性的应用。
[0012]由于氮化硅是非常不活泼的材料，可用于在氮化硅上形成电路的合适的金属导电厚膜浆料组合物是未知的。
[0013]本公开内容提供了适合于形成这样的电路的包含铜、银和钛金属粉末的可丝网印刷的金属厚膜浆料组合物的细节。烧制的膜示出非常好的导电性和对基底的粘附力。还设想了喷墨印刷、数字印刷和增材制造(3D印刷)应用方法。其他加工技术和条件包括：丝网印刷、模版印刷、注射器沉积；通过数字印刷技术沉积一层或两层；包括环境空气(ambient)、氦气、氩气、氙气、氖气、氪气、氮气(N2)及其组合的气氛烧制。层可以被单独或一起烧制。可以进行多次烧制以构建最终烧制的部件的厚度。层可以被共烧制(1层、2层、3层或更多层)。
[0014]除了氮化硅(SiNx或Si3N4)基底之外，本主题也适用于AlN。其他感兴趣的基底包括AlN、SiON、BN和氧化铝。
[0015]本专利技术的产品可以用于MLCC、LTCC、电容器、电阻器、蜂窝电话、计算机、计算机部件、立体声设备、家用电器、汽车部件、电视和其他电子产品。
[0016]包含Ag、Cu和Ti金属粉末的合金被鉴定为是将氮化硅结合到其他材料诸如硅、不锈钢等的合适的候选物。这些组合物刚好在高于熔点流动性很好。此外，它们仅在真空中或在氩气(惰性)气氛中使用。
[0017]为了形成厚膜电路，干燥的丝网印刷图案在带式炉中在空气中或在N2气氛中烧制。任何包含Cu作为导体的一部分的组合物在N2气氛中烧制。用于厚膜加工的工业标准是850℃
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900℃。在烧制之后，在x
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y方向上的图案尺寸不应改变。烧制的膜应致密，并且非常好地结合到基底。如果制剂(formulation)意图用于良好的导电率，则电阻率应尽可能低，通常为每平方几毫欧。
[0018]考虑到这些目标，测试了若干种具有Ag、Cu和Ti粉末的组合物。远离共晶区域的单独的金属粉末浓度被选择以控制在875℃
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900℃时的液体形成的量。鉴定出适合于在N2气氛中在875℃
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900℃烧制的具有良好粘附力和低电阻率的组合物。
[0019]在烧制之后，烧制的表面没有示出非常好的焊料润湿。为了改进焊接，另一种具有合适玻璃的铜浆料被用作顶层。用两层结构收集电阻率和粘附力数据。
[0020]在本专利技术人的知识内，结合操作在真空中或在惰性气氛诸如氩气中进行。典型的活性金属钎焊合金组合物由Ag
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Cu共晶与少量活性金属诸如Ti制成。
[0021]在一个方面中，本主题提供了无铅且无镉导电厚膜浆料，该无铅且无镉导电厚膜浆料包括20wt.％
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40wt.％的第一Cu(铜金属)，20wt.％
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23wt.％的第二Cu(铜金属)，3wt.％
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12wt.％的Cu2O，0.01wt.％
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25wt.％的Ag，0.01wt.％
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25wt.％的至少一种选自Ti、V、Zr、Mn、Cr、Co和Sn的金属元素，以及5wt.％
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20wt.％的有机组分。第一Cu具有以微米计约2
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12、3
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11、4
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10、5
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9、6
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8以及在选自该句中的范围的值之间的未指定的范围的D50粒度。在其他实施方案中，第一Cu具有以微米计约0.01
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8、0.01
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5或0.5至3或者在选自该句中的范围的值之间的未指定的范围的D50粒度。第二Cu具有以微米计在约12
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30、14
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种厚膜浆料，包括以wt.％计的：(a)从约20％至约49％的第一Cu，(b)从约20％至约34％的第二Cu，(c)从约3％至约12％的Cu2O，(d)从约8％至约25％的Ag，(e)从约8％至约25％的至少一种选自Ti、V、Zr、Mn、Cr、Co和Sn的金属元素，以及(f)不含铅且不含镉，其中所述第一Cu具有约0.1微米至8微米、优选地0.5微米至5微米的D50，并且所述第二Cu具有约10微米至20微米、优选地12微米至20微米的D50。2.根据权利要求1所述的厚膜浆料，其中所述厚膜浆料包括：(a)从约21％至约36％的所述第一Cu，(b)从约20％至约30％的所述第二Cu，(c)从约3％至约12％的Cu2O，(d)从约8％至约20％的Ag，以及(e)从约8％至约20％的至少一种选自Ti、V、Zr、Cr和Sn的金属元素。3.根据权利要求1所述的厚膜浆料，其中所述厚膜浆料包括：(a)从约23％至约29％的第一Cu，(b)从约20％至约25％的第二Cu，(c)从约4％至约9％的Cu2O，(d)从约8％至约17％的Ag，以及(e)从约10％至约16％的至少一种选自Ti和Sn的金属元素。4.根据权利要求1所述的厚膜浆料，还包括从约10％至约20％的有机组分部分。5.一种无铅且无镉导电厚膜浆料，包括玻璃组分和铜组分，所述玻璃组分包括以wt.％计的：(a)从约10％至约70％、优选地约15％至约65％、更优选地约20％至约60％的至少一种碱土金属氧化物，(b)从约0.01％至约10％、优选地约0.1％至约8％、更优选地约1％至约8％的至少一种碱金属氧化物，(c)从约22％至约70％、优选地约25％至约65％、更优选地约25％至约65％的(B2O3+SiO2)，以及(d)从约0.01％至约15％、优选地约0.1％至约13％、更优选地约0.5％至约12％的Al2O3，其中所述碱土金属氧化物选自由MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO组成的组；并且所述碱金属氧化物选自由Li2O、Na2O、K2O和Rb2O组成的组；并且所述Cu组分包括以wt.％计的：(a)从约14％至约23％的第一Cu，(b)从约20％至约28％的第二Cu，(c)从约15％至约24％的第三Cu，以及(d)从约5％至约11％的Cu2O，
其中所述第一Cu的D50为约5微米，所述第二Cu的D50为约1.5微米，所述第三Cu的D50为约10微米，并且其中所述玻璃组分和所述Cu组分以约1:15至约1:30的重量比存在。6.根据权利要求5所...

【专利技术属性】
技术研发人员：U，
申请(专利权)人：福禄公司，
类型：发明
国别省市：