脂肪族碳氢化合物和石蜡作为银烧结膏中的溶剂的用途的制作方法

专利名称：脂肪族碳氢化合物和石蜡作为银烧结膏中的溶剂的用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将电子元件固定在基底上的方法以及一种在该方法中所使用的膏体。
背景技术：
在电力电子学领域，将基底与元件(诸如对压力和温度敏感度极高的LED或非常薄的硅芯片)固定，是具有挑战性的任务。由于这个原因，经常通过粘接的手段将基底与这样的对压力和温度敏感的元件相连。适宜的导体粘合剂通常包括银颗粒、热固性聚合物和活性稀释剂。然而，粘接技术的缺点在于，由此在基底和元件之间形成的接触位置的热导率和电导率不足。为解决该问题，提出了这样的方法，即通过烧结将基底与电子元件彼此相连。然而，传统的烧结方法需要较高的过程压力或者较高的过程温度。这样的条件经常会导致待连接元件的损伤，以至于传统烧结方法对许多应用不适用。文献DE 10 2007 046 901A1提出了这样一种烧结技术，通过其实现了，为电力电子学构建出导电和导热优良的连接层。在该烧结方法中使用了这样的金属膏，该金属膏除了含酒精溶剂之外还包括银化合物，该化合物在低于300°C的条件下分解出元素银。金属膏实现了将过程压力降低至低于:3bar，并将过程温度降低至低于250°C。在将基底与对压力和温度敏感的元件连接方面，该烧结技术是一个巨大的质量飞跃。如果还能将过程温度进一步降低，而不必担心会对产生的接触位置的抗剪强度造成损害，则对许多应用是值得期待的。这一点会导致待连接元件的更小的负载以及在电力电子学领域元件的进一步的质量提升。另外，可以在进一步降低过程温度的条件下大幅度地节省能源成本。由现有技术已知的将电子元件固定在基底上的方法在另一方面还可以改进。尽管在个别情况下有可能，在电子元件和基底之间形成具有高抗剪强度的接触层；但是在系列生产中却经常出现这样的问题，即，抗剪强度在各个接触层之间差别很大。迄今为止还没有可能，鉴于接触位置的抗剪强度以同样的质量在电子元件和基底之间生成接触层。

发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种烧结方法，该方法允许了，以稳定的方式将电子元件与基底相连，其中，过程温度低于250°C。在此，优选应当以同样的质量制成基底和待连接元件之间的接触位置，该接触位置具有高抗剪强度、低孔隙率和高的导电和导热性能。本发明的另一目的在于，提供一种可以在本发明的烧结方法中使用的膏体。通过独立权利要求实现了本发明的目的。因此，本发明提供了一种将电子元件与基底相固定的方法，在该方法中(i)提供电子元件和基底；(ii)形成三明治结构，该三明治结构具有电子元件、基底和置于其间的层，该层包括膏体，该膏体含有(a)具有涂层的金属颗粒，该涂层具有至少一种这样的化合物，该化合物选自组脂肪酸、脂肪酸盐和脂肪酸酯；膏体还包括(b)至少一种脂肪族碳氢化合物；而且(iii)烧结该三明治结构。本发明该提供了一种膏体，其包括(a)具有涂层的金属颗粒，该涂层具有至少一种这样的化合物，该化合物选自组脂肪酸、脂肪酸盐和脂肪酸酯；和(b)至少一种脂肪族碳氢化合物。由现有技术已知的膏体通常包括经涂层的金属颗粒，以避免金属颗粒在膏体中聚集。采用例如氧化硅、氧化金属、金属合金、聚合物或脂肪酸作为涂层化合物。用该涂层化合物可以有效避免聚集。然而在烧结过程中这是个缺点，即，涂层化合物显著减慢了扩散速度，这就需要高的过程温度。因此，在燃尽涂层化合物、并暴露金属颗粒表面之后，再进行烧结过程。令人惊讶地发现了，当膏体中含有的金属颗粒具有由脂肪酸(或脂肪酸衍生物) 构成的涂层时，而且膏体额外还包括脂肪族碳氢化合物时，能够显著降低了烧结温度。不必联系理论，脂肪族碳氢化合物看起来具有这种能力，在温度低于250°C的条件下就有助于将金属颗粒的脂肪酸燃尽。估计在温度低于250°C的条件下，脂肪族碳氢化合物被引至金属颗粒表面和位于其上的脂肪酸层之间，以至于脂肪酸被脂肪族碳氢化合物包围并被其溶解。鉴于防止金属颗粒聚集，该过程中未显示出任何负面效应，这明显会导致在温度低于250°C的条件下就将脂肪酸燃尽，从而在该温度条件下金属颗粒的表面就可以用于烧结过程。进一步，在该烧结过程中、在电子元件和基底之间形成接触层，该接触层具有高抗剪强度和鉴于抗剪强度均勻的、可重现的质量。此外，通过使用脂肪族碳氢化合物，与使用含有传统溶剂的膏体相比，实现了膏体组分的更为均质的分布。此外，这导致了本发明的膏体相对于现有技术已知的膏体具有更好的可加工性。本发明所使用的膏体含有金属颗粒。就本发明而言，金属的概念涉及这样的元素，其在元素周期系统中与硼同一周期， 但是在硼左侧，与硅同一周期，但是在硅左侧，与锗同一周期，但是在锗左侧，与锑同一周期，但是在锑左侧，以及所有元素序号高于55的元素。根据本发明，“金属”的概念涉及合金和金属间相。 该金属具有至少95重量％，优选至少98重量％，更优选至少99重量％，还更优选至少99. 9重量％的纯度。根据优选的实施方式，该金属选自铜、银、镍和铝。根据更优选的实施方式，该金属是银。膏体中含有的金属颗粒鉴于其组分可以是同质的或者异质的。膏体中特别可以含有由不同的金属构成的颗粒。金属颗粒可以具有不同的形态。例如，金属颗粒可以以屑片(Flakes)或者球形的形式存在。根据特别优选的实施方式，金属颗粒具有屑片的形式。然而，这并不排除，所使用的金属颗粒还能够以其次的份额具有其它形式。然而优选，至少70重量％的，更优选至少80重量％的，更优选至少90重量％的或100重量％的颗粒以屑片形式存在。根据本发明，金属颗粒经过涂层处理。
颗粒的涂层，可以理解为颗粒表面的一个粘附层。根据本发明，表示这样的粘附层，该粘附层不会由于重力而从金属颗粒上脱落。根据本发明，金属颗粒的涂层含有至少一种涂层化合物。至少一种涂层化合物涉及这样的化合物，该化合物选自组脂肪酸、脂肪酸盐和脂肪酸酯。涂层化合物应当避免膏体中含有的金属颗粒聚集，并对膏体的稳定性有所贡献。涂层化合物优选选自组饱和化合物、单不饱和化合物，多不饱和化合物及其混合物。涂层化合物进一步优选选自组支链化合物、直链化合物及其混合物。涂层化合物优选具有8- 个，更优选12- 个，特别优选12-18个碳原子。根据优选的实施方式，涂层化合物涉及单脂肪酸、单脂肪酸的盐或单脂肪酸酯。脂肪酸盐优选考虑这样的盐，它的阴离子组分为去质子化脂肪酸，而它的阳离子组分选自组铵离子、单烷基铵离子、二烷基铵离子、三烷基铵离子、锂离子、钠离子、钾离子、铜离子和铝离子。优选的脂肪酸酯由相应的脂肪酸衍生出来，其中，酸单元的羟基基团通过烷基，特别是甲基、乙基、丙基或丁基取代。根据优选的实施方式，至少一种涂层化合物选自组羊脂酸(辛酸)、羊蜡酸(癸酸)、月桂酸(十二酸)、肉豆蔻酸(十四酸)、棕榈酸(十六酸)、硬脂酸(十八酸)及其混合物，以及相应的酯和盐及其混合物。根据特别优选的实施方式，至少一种涂层化合物选自组月桂酸(十二酸)、硬脂酸(十八酸)、硬脂酸钠、硬脂酸钾、硬脂酸铝、硬脂酸铜、棕榈酸钠和棕榈酸钾。本发明所使用的金属颗粒可以由商业渠道获取。相应的涂层化合物可以凭借传统的以及由现有技术已知的方法涂覆在金属颗粒表面上。例如有可能，使涂层化合物，特别是前面提及的硬脂酸盐或棕榈酸盐悬浮在溶液中，并将悬浮的涂层化合物在球磨中用金属颗粒研磨。研磨之后，将用涂层化合物涂层的金属颗粒干燥并接着进行除尘。至少一种涂层化合物选自脂肪酸、脂肪酸盐和脂肪酸酯，该涂层化合物占涂层总重的份额优选为至少80重量％，更优选至少90重量％，特别优选至少95重量％，还优选至少99重量％，特别是100重量％。根据优选的实施方式，涂层化合物占经涂层的金属颗粒总重的份额为0. 05-3重量％，更优选0. 07-2. 5重量％，还优选0. 1-2. 2重量％。涂层度(定义为涂层化合物的质量与金属颗粒表面积的比值)优选为每平方米 (m2)金属颗粒表面的涂层化合物的质量是0. 00005-0. 03g,更优选0. 0001-0. 02g,还优选 0.0005-0. 02g。根据本发明，膏体含有至少一种脂肪族碳氢化合物。根据本发明，脂肪族碳氢化合物可以理解为这样的化合物，该化合物由碳原子和氢原子构成并且不是芳香性的。本发明的脂肪族碳氢化合物因而不含杂原子。至少一种脂肪族碳氢化合物看起来具有这种能力，在温度低于250°C的条件下有助于将脂肪酸或脂肪酸衍生物燃尽，该脂肪酸或脂肪酸衍生物作为在金属颗粒上的涂层化合物，由此，在更低的温度条件使金属颗粒的活性表面已经可以提供给烧结过程使用。由此，可以实现烧结温度的显著降低。进一步，至少一种脂肪族碳氢化合物可以用作溶剂替代物，并且由于它的非极性性质而有效防止水贮存。至少一种脂肪族碳氢化合物优选选自组饱和化合物、单不饱和化合物、多不饱和化合物及其混合物。根据特别优选的实施方式，脂肪族碳氢化合物选自饱和脂肪族碳氢化合物。至少一种脂肪族碳氢化合物涉及环状或非环状化合物。根据优选的实施方式，至少一种脂肪族碳氢化合物选自组正烷、异烷、环烷及其混合物。本发明所采用的、至少一种脂肪族碳氢化合物优选具有5-32个碳原子，还优选 10-25个碳原子，更优选16-20个碳原子。根据优选的实施方式，脂肪族碳氢化合物选自由饱和碳氢化合物构成的化合物， 该饱和碳氢化合物通过分子式CnH2_、CnHai和CnH2n_2表示，其中，η为5至32之间的整数， 优选在10至25之间，更优选在16至20之间。根据特别优选的实施方式，至少一种脂肪族碳氢化合物选自组十六烷、十八烷、 异十六烷、异十八烷、环十六烷和环十八烷。例如，至少一种脂肪族碳氢化合物指的是由脂肪族碳氢化合物构成的混合物，如例如由Exxon Mobil公司以商标Exxsol D140或Isopar M 所销售的混合物。本发明的膏体所包括的金属颗粒优选占膏体总重的75-90重量％，还优选77-89 重量％，更优选80-88重量％。根据优选的实施方式，膏体中含有的至少一种涂层化合物(选自脂肪酸、脂肪酸盐和脂肪酸酯)优选占膏体总重的0.05-2. 5重量％，还优选0.07-2. 2重量％，更优选 0. 1-2 重量 ％。至少一种脂肪族碳氢化合物占膏体的份额不受特别限制。为实现膏体的良好可加工性能，可以优选，至少一种脂肪族碳氢化合物占膏体的总重优选为3-25重量％，还优选 4-20重量％，更优选5-18重量％。特别有利地提出了，至少一种脂肪族碳氢化合物在膏体中的量如此设置，该量足够大，以实现在温度低于250°C的条件下便于将涂层化合物燃尽。相应地，涂层化合物的重量份额相对于至少一种脂肪族碳氢化合物的重量份额的比值最高为0. 1%。另一方面，相对于涂层化合物的量，脂肪族碳氢化合物的量并不特别高，由此实现本方面的效果。根据特别优选的实施方式，涂层化合物的重量份额相对于至少一种脂肪族碳氢化合物的重量份额的比值位于0. 001-1. 0的范围内，优选位于0. 005-0. 85的范围内， 还优选0.01-0. 7的范围内。根据另一优选的实施方式，涂层(选自脂肪酸、脂肪酸盐和脂肪酸酯)的主要成分相对于至少一种脂肪族碳氢化合物的主要成分的摩尔比位于0. 001-1. 0的范围内，优选在0. 005-0. 85的范围内，更优选在0. 01-0. 7的范围内。在本发明的范围，摩尔比可以理解为膏体中含有的各个成分的物质的量的比值。根据本发明，涂层的主要成分由涂层化合物 (选自脂肪酸、脂肪酸盐和脂肪酸酯)构成，该涂层化合物的含量比可能含有的其它涂层化合物的含量更大，该其它涂层化合物选自脂肪酸、脂肪酸盐和脂肪酸酯。根据本发明，至少一种脂肪族碳氢化合物的主要成分由这样的脂肪族碳氢化合物构成，其含量大于可能含有的其它脂肪族碳氢化合物的量。令人惊讶地确定了，本发明所追求的烧结温度降低一方面与脂肪酸或脂肪酸衍生物(主要包含在金属颗粒的涂层中)的主链的长度相关，而另一方面与脂肪族碳氢化合物 (代表至少一种脂肪族碳氢化合物或由脂肪族碳氢化合物构成的混合物的主要成分)的主链的长度相关。因而发现了，当脂肪酸或脂肪酸衍生物的主链与脂肪族碳氢化合物具有相同的或相似数量的碳原子时，能够实现烧结温度的显著下降。因此，根据特别优选的实施方式，涂层的主要成分的主链所包括的碳原子数相对于至少一种脂肪族碳氢化合物的主要成分的主链所包括的碳原子数的比例位于0. 5-2. 0 的范围内，优选位于0. 6-1.4的范围内，还优选位于0. 8-1.2的范围内，特别优选位于 0. 85-1. 15的范围内。例如，如果金属颗粒具有这样的涂层，该涂层包括由20重量％的月桂酸(主链具有12个碳原子的脂肪酸)、35重量％的肉豆蔻酸(主链具有14个碳原子的脂肪酸)和45 重量％的硬脂酸钾(主链具有18个碳原子的脂肪酸盐)构成的混合物，则硬脂酸钾是涂层的主要成分。在这种情况下，当单个脂肪族碳氢化合物或者由脂肪族碳氢化合物构成的混合物的主要成分的主链具有相似或相同数量的碳原子时，可以实现烧结温度的显著下降。 因此优选，单个脂肪族碳氢化合物或者由脂肪族碳氢化合物构成的混合物的主要成分的主链具有16-20个碳原子，特别是18个碳原子。本发明的膏体除了前述成分还可以包括其它物质。根据优选的实施方式，膏体包括至少一种金属前体。在本发明的范围内，金属前体可以理解为这样的化合物，该化合物在温度低于 250°C、存在有含在膏体中的金属颗粒的条件下分解成金属前体的金属。相应地，优选在使用金属前体时在烧结过程中原位(in situ)生成金属。可以以简单的方式得出，该化合物是否涉及根据这个优选实施方式的金属前体。因此可以使含有待测定化合物的膏体在具有银表面的基底上析出，使其加热至250°C并保持在该温度20分钟。然后检测了，在这个条件下，待测化合物是否分解出金属。为此，例如可以在测试前，首先称量出含金属的膏体组分的重量并由此计算出金属的理论值。测试之后可以用重量分析确定在基底析出的材料的量。如果在基底析出的材料的量对应于金属的理论值，其中应当考虑通常的测量误差，所测试的化合物则是根据该优选实施方式的金属前体。根据另一优选的实施方式，该金属前体具有金属，该金属同样包含在金属颗粒中。 因此，根据特别优选的实施方式，该金属前体在此具有银或铜作为金属。可以优选，作为金属前体使用金属碳酸盐、金属醋酸盐、金属甲酸盐、金属柠檬酸盐、金属氧化物或金属脂肪酸盐，优选具有6-24个碳原子的脂肪酸盐。在特别的实施方式中，作为金属前体采用碳酸银、乳酸银、甲酸银、柠檬酸银、氧化银(例如AgO或Ag2O)、乳酸铜、硬脂酸铜、氧化铜(例如Cu2O或CuO)、氧化金(例如Au2O或 AuO)或者其混合物。根据特别优选的实施方式，金属前体选自组碳酸银和氧化银。如果存在的话，膏体中的金属前体优选以颗粒形式，特别优选以屑片形式存在。使用金属前体(它在烧结过程期间原位释放出金属)的结果是，在烧结过程期间
7原位生成的金属填充了包含在膏体中的金属颗粒之间的空隙。以这种方式，可以将两个待连接元件之间的接触位置的孔隙率降低。膏体可以含有至少一种烧结助剂。该烧结助剂优选能够，在烧结过程中、在温度低于250°C的条件下确保涂层化合物的燃尽，以便实现在温度低于250°C的条件下温度实现烧结。特别适宜的烧结助剂直接或者间接通过中间形成的化合物确保了在温度低于250°C 的条件下将涂层化合物燃尽。根据优选的实施方式，烧结助剂可以为氧化剂。氧化剂是指这样的物质，它可以将其它物质氧化并且自身还原。氧化剂可以接纳电子因而是一个电子受体。优选烧结助剂也是氧载体。由此是指这样的物质，该物质可以释放出氧。根据该实施方式，作为烧结助剂例如使用(i)有机过氧化物(例如枯基过氧化物)、( )无机过氧化物和(iii)无机酸。这些化合物可以用作烧结助剂，这是因为它们至少含一个氧原子并实现了在温度低于250°C 的条件下涂层化合物的燃烧，该涂层化合物存在于膏体的金属颗粒上。根据另一优选的实施方式，烧结助剂还可以确保，使干扰烧结过程的金属氧化物还原，该金属氧化物存在于膏体中所包含的金属颗粒的表面上。由于这个原因，可以使用这样的化合物作为烧结助剂，该化合物在烧结过程中释放还原剂。还原剂优选采用一氧化碳。 根据该实施方式，该烧结助剂例如可以选自组(iv)有机酸盐，其中，有机酸具有1-4个碳原子(例如甲酸铝)；(ν)有机酸酯，其中，有机酸具有1-4个碳原子；和(vi)羰基络合物。 由于，这些化合物在烧结过程期间释放一氧化碳或者参与一氧化碳的释放，并在温度低于 250°C的条件下将金属氧化物(这种金属氧化物存在于包含在金属膏中的金属颗粒的表面上)还原为相应的金属，因此，这些化合物可以用作烧结助剂。除了脂肪族碳氢化合物，膏体还可以含有其它作为溶剂起作用的化合物。在此， 考虑通常用于金属膏的溶剂。例如，作为溶剂可以使用α-松油醇((R)-⑴-α-松油醇、 ⑶-(-)-α -松油醇或外消旋体)、β -松油醇、Y -松油醇、δ -松油醇、前述松油醇的混合物、正甲基-2-吡咯烷酮、乙二醇、二甲基乙酰胺、1-十三醇、2-十三醇、3-十三醇、4-十三醇、5-十三醇、6-十三醇、异十三醇、二元酸酯(优选二甲基戊二酯、二甲基己二酸酯或二甲基琥珀酸酯及其混合物)、甘油、二乙二醇、三乙二醇或者其混合物。然而还优选，在金属膏中除了脂肪族碳氢化合物之外没有溶剂或者溶剂仅以极少量存在。例如，这可以是有优势的，即在金属膏中其它溶剂的份额最高为10重量％，优选最高为5重量％，更优选最高为 3重量％，特别优选最高1重量％。根据另一优选的实施方式，脂肪族碳氢化合物占脂肪族碳氢化合物和其它溶剂总重的份额位于30-100重量％的范围内，优选位于50-100重量％ 的范围内，更优选位于70-100重量％的范围内，特别优选位于80-100重量％的范围内。膏体还可以含有至少一种聚合物，以赋予膏体期待的特性。另一方面，这可以是有利的，即膏体不含聚合物或者聚合物含量极少，这是因为聚合物、特别是热固性塑料，通常在高于250°C的条件下才能燃尽，并因此对膏体的烧结能力有负面作用。这一点特别对于热固性塑料或预制品有效。热固性塑料的预制品可以理解为这样的化合物，该化合物在存在有其它膏体组分的条件下可以硬化成热固性塑料。由此，该热固性塑料或预制品通常具有小于700的重均分子量。根据优选的实施方式，聚合物(具有小于700的重均分子量)占膏体总重的份额不高于6重量％。另外，在金属膏中可以含有另外的内含物，例如常用的分散剂、表面活性剂、消泡剂、粘合剂或控制粘度的助剂。根据本发明，可以采用前述膏体，以将电子元件固定在基底上。这样的固定优选通过烧结进行。根据本发明，烧结可以理解为使两个或多个元件通过加热且绕过液相膏体而实现连接。电子元件一般可以理解为这样的物体，该物体可以是电子组装结构的一部分。根据优选的实施方式，电子元件可以理解为不可继续拆分、可以用作电路组件的零件。电子元件作为单元件必要时可以由数个组件构成。电子元件例如可以是主动元件或被动元件。根据特别的实施方式，电子元件用于高功率工业电子学。根据优选的实施方式，电子元件选自二极管(例如LEDs，发光二极管)、晶体管(例如IGBTs，绝缘栅双极型功率管)、集成电路、 半导体芯片、裸芯片(Die)、电阻器、传感器、电容器、线圈和冷却体。基底一般可以理解为这样的物体，该物体可以与电子元件相连。根据优选的实施方式，基底选自引线框架、DCB基底(直接铜键合基底)和陶瓷基底。根据优选的实施方式，将下列物体成对相互固定LED/引线框架、LED/陶瓷基底、 Die/引线框架、Die/陶瓷基底、Die/DCB基底、二极管/引线框架、二极管/陶瓷基底、二极管/DCB基底、IGBT/引线框架、IGBT/陶瓷基底、IGBT/DCB基底、集成电路/引线框架、集成电路/陶瓷基底、集成电路/DCB基底、传感器/引线框架、传感器/陶瓷基底、冷却体(优选铜-或铝冷却体)/DCB、冷却体(优选铜-或铝冷却体)/陶瓷基底、冷却体/引线框架、 电容器(优选钽电容，更优选以无包装状态)/引线框架。根据另一优选的实施方式，可将数个电子元件与基底相连。进一步优选，电子元件位于基底的相对一侧。电子元件、基底或电子元件和基底可以进一步包括金属化层。该金属化层可以例如具有纯金属或者金属合金。如果金属化层具有金属，则该金属优选选自铜、银、金、钯和钼。如果金属化层具有金属合金，则该金属合金优选包括一种金属，其选自银、金、镍、钯和钼。金属化层也可以具有多层结构。根据另一优选的实施方式，金属化层还含有玻璃。根据本发明，通过烧结将电子元件固定在基底上。在上文中“在……上(auf)，，的意思是，将电子元件的表面与基底的表面相连，其中，并不取决于电子元件、基底或者组装结构的相对位置。根据本发明，为了进行烧结，使电子元件和基底相互接触。在此，该接触通过根据本发明的膏体进行。根据优选的实施方式，电子元件或基底具有金属化层，其中，电子元件的金属化层和基底的金属化层通过膏彼此相接触。根据本发明，首先形成一个三明治结构， 该结构具有电子元件、基底和设置于其间的、含有本发明膏体的层。三明治结构优选可以理解为这样的结构，在该结构中电子元件位于基底之上或者基底位于电子元件之上，而且电子元件和基底大体上彼此平行地设置。由电子元件、基底和位于其间的膏体构成的三明治结构可以由根据现有技术已知的方法制造。优选首先将基底的至少一个表面，优选将设置有金属化层的基底表面涂覆上本发明的膏体。膏体在基底表面上的涂覆可以以传统方法进行。优选以印刷法 (Druckverfahren)进行膏体的涂覆，例如丝网印刷或打字蜡纸印刷。另一方面，膏体的涂覆可以通过分散技术，通过喷雾技术，通过立柱传递(Pintransfer)或通过浸洗来进行。接着，将电子元件以它的表面之一、优选以其具有金属化层的表面设置在已经涂覆于基底表
9面上的膏体上。由此，膏体层位于基底和电子元件之间，优选位于基底的金属化层与电子元件的金属化层之间。在基底与电子元件之间的湿层厚度位于20-200 μ m的范围内。湿层厚度优选可以理解为基底和电子元件相对的表面之间的距离。优选的湿层厚度取决于所选取的涂覆金属膏的方法。如果例如通过丝网印刷方法涂覆金属膏，那么湿层厚度优选可以位于20-50 μ m。 如果例如通过打字蜡纸印刷方法涂覆金属膏，那么湿层厚度优选可以位于50-200 μ m的范围内。根据优选的实施方式，在烧结过程前进行干燥步骤。干燥优选理解为降低金属膏中的溶剂份额。根据优选的实施方式，在干燥后，金属膏中的溶剂占干燥金属膏总重的份额在1-5重量％的范围内。一方面，干燥可以在制成三明治结构之后进行。另一方面，干燥可以在将膏体涂覆在基底或电子元件的至少一个表面上之后、而在与待连接的电子元件或基底相接触之前进行。干燥温度优选位于50-100°C的范围内。容易理解，干燥时间取决于膏体的各个组分以及待烧结三明治结构的尺寸。然而，常用的干燥时间位于5-45分钟的范围内。然后对三明治结构进行烧结处理，该三明治结构由电子元件、基底和设置于其间的层构成，该层包括本发明的膏体。该烧结处理指的是低温烧结处理。低温烧结处理可以理解为这样的烧结处理，该烧结处理优选在低于250°C的温度，还优选在低于220°C的温度， 更优选在低于200°C的温度，特别优选在低于180°C的温度条件下进行。烧结时的过程压力优选低于30MPa，还优选低于5MPa，更优选低于IMPa。由于使用根据本发明的膏体，烧结甚至可以不需要使用过程压力就能进行，也就是可以在OMPa的过程压力下进行。烧结时间取决于过程压力，并且优选位于2-45分钟的范围内。根据本发明，烧结过程可以在一定气氛中进行，该气氛不受其它限定。然而，优选烧结在含有氧气的气氛中进行。烧结在传统的、适用于烧结的装置中进行，在该装置中优选前面所述的过程参数可以得到调整。下面，凭借下述的实施例进一步阐明了本发明，但是本发明应理解为并不限于这些实施例。
具体实施例方式实施例1制备了根据本发明的金属膏，膏体1，其中，将83重量％的银颗粒，以屑片的形式存放，并且用硬脂酸涂层，和17重量％的Isopar M ，一种石油馏出物，主要由12-15个碳原子的异构烷烃构成，搅拌成均质的膏体。在DCB (直接铜键合)基底上将由膏体1构成的贮存药剂以50 μ m的厚度进行印刷，然后用面积为IOOmm2的IGBT(绝缘栅双极型功率管)芯片安装，以便用基底、膏体1和芯片制成三明治结构。该三明治结构以100°C的温度在环流干燥柜中干燥5分钟。
经干燥的三明治结构最后在200°C的温度条件下、以IOMPa的压力烧结2分钟。以同样的条件重复该试验多次。对比实施例1制备了对比膏体，对比膏体1，其中，将83重量％的银颗粒，以屑片的形式存放，并且用硬脂酸涂层，和9重量％的松油醇，和8重量％的十三醇搅拌成均质的膏体。在DCB (直接铜键合)基底上将由对比膏体1构成的贮存药剂以50 μ m的厚度进行印刷，然后用面积为IOOmm2的IGBT(绝缘栅双极型功率管)芯片安装，以便用基底、对比膏体1和芯片制成三明治结构。该三明治结构以100°C的温度在环流干燥柜中干燥5分钟。经干燥的三明治结构最后在200°C的温度条件下、以IOMPa的压力烧结2分钟。以同样的条件重复该试验多次。对比由实施例1和对比实施例1得到的接触层在实施例1以及对比实施例1得到的、在基底和芯片之间的接触层的可靠性通过斯剥测试(JAL Mertens, Christian :Die Nied-ertemperatur-Verbindungstechnik der Leistungseletronik, Fortschr. -Ber.VDI Reihe 21Nr. 365, Diisseldorf, VDI Verlag 2004, Kapitel 4. 2)得到确定。由此提出了，通过使用由膏体1得到的接触层相对于通过使用对比膏体1得到的接触层具有显著提高的抗剥强度。特别是通过使用膏体1产生了这样的接触层，该接触层相对于通过使用对比膏体2产生的接触层鉴于抗剥强度而具有相同的质量。实施例2制备了根据本发明的金属膏，膏体2，其中，将83重量％的银颗粒，以屑片的形式存放，并且用硬脂酸涂层，和12重量％的EXXSOl D120，一种具有14_18个碳原子的碳氢化合物(首要是正烷烃、异烷烃和环状碳氢化合物)的混合物，
5重量％的碳酸银搅拌成均质的膏体。在DCB (直接铜键合)基底上将由膏体2构成的贮存药剂以50 μ m的厚度进行印刷，在75°C的温度条件下干燥5分钟，然后与面积为IOmm2的芯片和镍银金属化层安装在一起，以便用基底、膏体2和芯片制成三明治结构。三明治结构最后在220°C的温度条件下烧结15分钟。以同样的条件重复该试验多次。对比实施例2制备了对比膏体，对比膏体2，其中，将83重量％的银颗粒，以屑片的形式存放，并且用硬脂酸涂层，和12重量％的松油醇，和5重量％的碳酸银搅拌成均质的膏体。
11
在DCB (直接铜键合)基底上将由对比膏体2构成的贮存药剂以50 μ m的厚度进行印刷，在75°C的温度条件下干燥5分钟，然后与面积为IOmm2的芯片和镍银金属化层安装在一起，以便用基底、对比膏体2和芯片制成三明治结构。三明治结构最后在220°C的温度条件下烧结15分钟。以同样的条件重复该试验多次。对比由实施例2和对比实施例2得到的接触层在实施例2以及对比实施例2得到的、在基底和芯片之间的接触层的抗剪强度通过传统剪切测试得到确定。由此得出了，通过使用膏体2得到的接触层相对于通过使用对比膏体2得到的接触层具有高出约50%的抗剪强度。部分地，包含在实施例2中的组装结构的剪切测试甚至导致芯片折断，就是说，芯片与基底如此紧密相连，以至于只有破坏芯片才能将其分离。特别通过使用膏体2产生了这样的接触层，该接触层相对于通过使用对比膏体2产生的接触层鉴于抗剪强度而具有相同的质量。实施例3制备了根据本发明的金属膏，膏体3，其中将83重量％的银颗粒，以屑片的形式存放，并且用硬脂酸涂层，和7重量％的Exxsol D120，一种具有14_18个碳原子的碳氢化合物(首要是正烷烃、异烷烃和环状碳氢化合物)的混合物，和5重量％的碳酸银，和5重量％的二枯基过氧化物搅拌成均质的膏体。在DCB (直接铜键合)基底上将由膏体3构成的贮存药剂以50 μ m的厚度进行印刷，在75°C的温度条件下干燥5分钟，然后与面积为IOmm2的芯片和镍银金属化层安装在一起，以便用基底、膏体3和芯片制成三明治结构。三明治结构最后在200°C的温度条件下烧结15分钟。以同样的条件重复该试验多次。对比实施例3制备了对比膏体，对比膏体3，其中，将83重量％的银颗粒，以屑片的形式存放，并且用硬脂酸涂层，和7重量％的松油醇，和5重量％的碳酸银，和5重量％的二枯基过氧化物搅拌成均质的膏体。在DCB (直接铜键合)基底上将由对比膏体3构成的贮存药剂以50 μ m的厚度进行印刷，在75°C的温度条件下干燥5分钟，然后与面积为IOmm2的芯片和镍银金属化层安装在一起，以便用基底、对比膏体3和芯片制成三明治结构。三明治结构最后在200°C的温度条件下烧结15分钟。以同样的条件重复该试验多次。对比由实施例3和对比实施例3得到的接触层在实施例3以及对比实施例3得到的、在基底和芯片之间的接触层的抗剪强度通过传统剪切测试得到确定。由此得出了，通过使用膏体3得到的接触层相对于通过使用对比膏体3得到的接触层具有高出约50%的抗剪强度。大部分地，包含在实施例3中的组装结构的剪切测试甚至导致芯片折断，就是说，芯片与基底如此紧密相连，以至于只有破坏芯片才能将其分离。特别通过使用膏体3产生了这样的接触层，该接触层相对于通过使用对比膏体3产生的接触层鉴于抗剪强度而具有相同的质量。进一步地，膏体3相对于对比膏体3的可加工性更好。实施例4制备了根据本发明的金属膏，膏体4，其中，将83重量％的银颗粒，以屑片的形式存放，并且用硬脂酸涂层，和12重量％的ExxsolTM D120，一种具有14-18个碳原子的碳氢化合物(首要是正烷烃、异烷烃和环状碳氢化合物)的混合物，和5重量％的甲酸铝搅拌成均质的膏体。在DCB (直接铜键合)基底上将由膏体4构成的贮存药剂以50 μ m的厚度进行印刷，在75°C的温度条件下干燥5分钟，然后与面积为IOmm2的芯片和镍银金属化层安装在一起，以便用基底、膏体4和芯片制成三明治结构。三明治结构最后在220°C的温度条件下烧结15分钟。以同样的条件重复该试验多次。对比实施例4制备了对比膏体，对比膏体4，其中，将83重量％的银颗粒，以屑片的形式存放，并且用硬脂酸涂层，和12重量％的松油醇，和5重量％的甲酸铝搅拌成均质的膏体。在DCB (直接铜键合)基底上将由对比膏体4构成的贮存药剂以50 μ m的厚度进行印刷，在75°C的温度条件下干燥5分钟，然后与面积为IOmm2的芯片和镍银金属化层安装在一起，以便用基底、对比膏体4和芯片制成三明治结构。三明治结构最后在220°C的温度条件下烧结15分钟。以同样的条件重复该试验多次。对比由实施例4和对比实施例4得到的接触层在实施例4以及对比实施例4得到的、在基底和芯片之间的接触层的抗剪强度通过传统剪切测试得到确定。由此得出了，通过使用膏体4得到的接触层相对于通过使用对比膏体4得到的接触层具有高出约50-70%的抗剪强度。部分地，包含在实施例4中的组装结构的剪切测试甚至导致芯片折断，就是说，芯片与基底如此紧密相连，以至于只有破坏芯片才能将其分离。特别通过使用膏体4产生了这样的接触层，该接触层相对于通过使用对比膏体4产生的接触层鉴于抗剪强度而具有相同的质量。
权利要求
1.一种膏体，其包括(a)具有涂层的金属颗粒，所述涂层具有至少一种这样的化合物，该化合物选自组脂肪酸、脂肪酸盐和脂肪酸酯；和(b)至少一种脂肪族碳氢化合物。
2.根据权利要求1所述的膏体，其特征在于，所述金属颗粒是银颗粒。
3.根据权利要求1或2所述的膏体，其特征在于，所述金属颗粒作为屑片存在。
4.根据权利要求1-3的任意一项所述的膏体，其特征在于，至少一种涂层化合物选自组具有8- 个碳原子的饱和脂肪酸、具有8- 个碳原子的饱和脂肪酸盐、具有8- 个碳原子的饱和脂肪酸酯及其混合物。
5.根据权利要求1-4的任意一项所述的膏体，其特征在于，至少一种脂肪族碳氢化合物选自这样的化合物，所述化合物由饱和碳氢化合物构成，该饱和碳氢化合物通过化学式 CnH2n+2、CnH2n和CnH2n_2表达，其中，η为在5至32之间的整数。
6.根据权利要求1-5的任意一项所述的膏体，其特征在于，所述涂层化合物的重量份额相对于至少一种脂肪族碳氢化合物的重量份额的比值位于0. 001-1. 0的范围，所述涂层化合物选自组脂肪酸、脂肪酸盐和脂肪酸酯。
7.根据权利要求1-6的任意一项所述的膏体，其特征在于，涂层的主要组分的主链所包含的碳原子数相对于至少一种脂肪族碳氢化合物的主要组分的主链所包含的碳原子数的比值位于0. 5-2.0的范围。
8.根据权利要求1-7的任意一项所述的膏体，其特征在于，所述金属颗粒占所述膏体总重的份额为75-90重量％。
9.根据权利要求1-8的任意一项所述的膏体，其特征在于，所述涂层化合物占所述膏体总重的份额为0. 05-2. 5重量％。
10.根据权利要求1-9的任意一项所述的膏体，其特征在于，至少一种脂肪族碳氢化合物占所述膏体总重的份额为3-25重量％。
11.根据权利要求1-10的任意一项所述的膏，其特征在于，重均分子量小于700的聚合物占所述膏体总重的份额为不多于6重量％。
12.根据权利要求1-11的任意一项所述的膏体的用途，用于将电子元件固定在基底上。
13.一种将电子元件固定在基底上的方法，在所述方法中(i)提供电子元件和基底；( )形成三明治结构，所述三明治结构具有基底、电子元件和置于其间的层，所述层包括膏体，所述膏体含有(a)具有涂层的金属颗粒，该涂层具有至少一种这样的化合物，所述化合物选自组脂肪酸、脂肪酸盐和脂肪酸酯；所述膏体还含有(b)至少一种脂肪族碳氢化合物；而且(iii)烧结所述三明治结构。
全文摘要
本发明涉及一种将电子元件固定在基底上的方法，在该方法中(i)提供电子元件和基底；(ii)形成三明治结构，该结构具有电子元件、基底和置于其间的层，该层包括膏体，该膏体含有(a)具有涂层的金属颗粒，该涂层包括至少一种化合物，该化合物选自脂肪酸、脂肪酸盐和脂肪酸酯，并且，所述膏体还含有(b)至少一种脂肪族碳氢化合物；而且，(iii)对三明治结构进行烧结。
文档编号B23K1/00GK102441741SQ201110264559
公开日2012年5月9日 申请日期2011年9月1日 优先权日2010年9月3日
发明者M·舍费尔, W·施米特 申请人:贺利氏材料工艺有限及两合公司