CN103219062B - 聚合物厚膜焊料合金导体组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及聚合物厚膜组合物，包含：焊料合金粉末和有机介质，所述有机介质包含有机聚合物粘合剂和溶剂。可在除去所有溶剂所必需的时间和温度下加工所述组合物。本发明还涉及使用此类组合物在电路上形成电极的一种或多种方法，并且涉及由此类方法和/或组合物形成的制品。

Description

聚合物厚膜焊料合金导体组合物
技术领域
本发明涉及用于多种不同应用中的聚合物厚膜(PTF)焊料合金导体组合物。在一个实施方案中，PTF焊料合金组合物被用作在薄膜基底例如ITO溅镀玻璃上的丝网印刷导体。PTF焊料合金用作栅极。该组合物还可用于任何其它需要导电性（低电阻率）的应用。
背景技术
本发明涉及用于电子装置中的聚合物厚膜焊料合金组合物。由于高导电性（<50毫欧/平方）和可靠性，PTF银导体在电子电路中作为选择的导体是十分普遍的。然而，近年来，银的价格已升至原来的三倍，达到约$30/金衡制盎司，并且因此变得太昂贵而不适合在电路中使用。一直在寻找几乎不减弱电特性但降低成本的银的供选择的替代方案。本发明的目的是提供此类供选择的替代方案。
发明内容
本发明提供聚合物厚膜焊料合金导体组合物，包含：
(a)65-95重量%的焊料合金粉末，所述粉末由锡、银和铜组成，并且具有2-18μm的平均粒度和在0.20-1.3m2/g范围内的表面积/质量比；所述粉末分散于
(b)5-35重量%的有机介质中，所述有机介质包含
(i)偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚树脂，所述共聚树脂溶解于
(2)包含二元酯的有机溶剂中；
其中重量%是基于聚合物厚膜焊料合金导体组合物的总重量计的。
可在除去所有溶剂所必需的时间和温度下加工组合物。
本发明还涉及使用此类组合物在电路上形成电极的方法，并且涉及由此类方法和组合物形成的制品。
具体实施方式
一般来讲，厚膜组合物包含赋予组合物适当电功能性质的功能相。功能相包含分散在有机介质中的电功能粉，所述有机介质充当用于功能相的载体。一般来讲，在厚膜技术中，焙烧组合物以烧尽有机物并赋予电功能性质。然而，在使用聚合物厚膜的情况下，有机物在干燥后仍作为组合物的整体部分。如本文所用，“有机物”包括厚膜组合物的聚合物、树脂或粘合剂组分。这些术语可互换使用，它们均表示相同事物。
在一个实施方案中，聚合物厚膜焊料合金导体组合物包含65-95重量%的由锡、银和铜组成的焊料合金粉末以及5-35重量%的有机介质。
简而言之，厚膜导体组合物的主要组分为分散在有机介质中的导体粉末，所述有机介质由聚合物树脂和溶剂组成。下文讨论了组分。
A.导体粉末
本发明厚膜组合物中的电功能性粉末为包含锡、银和铜的焊料合金导体粉末，被称为SAC合金，其中锡为最大的组分，即大于90重量%。
在焊料合金粉末上使用的粒径和形状尤其重要，并且必须是对应用方法适当的。在一个实施方案中，颗粒为球形。在另一个实施方案中，颗粒为薄片形式。焊料合金颗粒的粒度分布相对于本发明的效果也是关键的。从实际角度看，粒度在1-100μm的范围内。在一个实施方案中，平均粒度为2-18μm。此外，焊料合金颗粒的表面积/重量比在0.2-1.3m2/g的范围内。
此外，已知可向焊料合金导体组合物添加少量的一种或多种其它金属，以改善导体的特性。此类金属的一些实例包括：金、银、铜、镍、铝、铂、钯、钼、钨、钽、锡、铟、镧、钆、硼、钌、钴、钛、钇、铕、镓、硫、锌、硅、镁、钡、铈、锶、铅、锑、导电性碳以及它们的组合，以及厚膜组合物领域中的其它常见金属。附加的金属可包含总组合物的至多约1.0重量%。
有机酸可被用作焊料合金的还原剂，以还原焊料合金表面的任何氧化。
B.有机介质
通常将粉末与有机介质（载体）通过机械混合来混合，以形成具有适于印刷的稠度和流变性的糊状组合物（称为“浆料”）。有机介质必须使固体能够以适当的稳定性程度在其中分散。有机介质的流变性质必须能赋予组合物良好的应用性质。此类性质包括：具有适当的稳定性程度的固体分散、良好的组合物施用、适当的粘度、触变性、基底与固体适当的可润湿性、良好的干燥速率、以及足以经受粗鲁处理的干燥膜强度。
有机介质包括一种或多种有机溶剂中的聚合物溶液。有机介质不是本领域中常规的并且赋予组合物独特的性质。
本发明的聚合物树脂尤其重要。本发明所用的树脂为偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚物，其允许加载高重量的焊料合金粉末，从而有助于实现对基底的良好粘附性和低电阻率（高导电性），这是电子电路中导体的两个关键性质。
多种惰性液体能够被用作有机介质中的溶剂。存在于厚膜组合物中的最广泛使用的溶剂为乙酸乙酯和萜烯，例如α-或β-萜品醇或它们与其它溶剂例如煤油、邻苯二甲酸二丁酯、丁基卡必醇、丁基卡必醇醋酸酯、己二醇和高沸点醇以及醇酯的混合物。此外，在载体中可包含挥发性液体以促进载体在施用在基底上之后快速硬化。在本发明的多个实施方案中，溶剂可使用例如乙二醇醚、酮、酯和相似沸点（在180℃至250℃范围内）的其它溶剂，以及它们的混合物。在一个实施方案中，有机介质是基于二元酯和C-11酮溶剂的。对这些溶剂和其它溶剂的各种组合进行配制以达到所需的粘度和挥发性要求。
厚膜的施用
通常将也称为“浆料”的聚合物厚膜焊料合金组合物沉积在基底上，例如基本上对气体和水分不可渗透的ITO溅镀玻璃。基底也可为柔性材料片材。实例是不可渗透性塑料，例如由塑料片与沉积在其上的任选的金属或介电层的组合组成的复合材料。基底必须能够经受160℃的加工温度。在一个实施方案中，基底可为带有金属化焊料合金浆料的叠加层。
优选地通过丝网印刷进行聚合物厚膜焊料合金组合物的沉积，但也可使用其它沉积技术，如孔版印刷、注射式滴涂或涂覆技术。在使用丝网印刷的情况下，筛网的目尺寸控制沉积的厚膜的厚度。
通常通过暴露在160℃下的热量下10-15分钟来干燥沉积的厚膜。
本发明的组合物提供具有异常低的电阻率的导体，即35毫欧/平方。此外，这在低于217℃焊料合金液相线温度约60℃的干燥温度下实现。结果是在低成本和160℃这样低的干燥温度下实现了非常低的电路电阻。在180℃下干燥的组合物与在160℃下干燥的组合物相比表现出电阻略微下降，下降程度小于10%。
将通过给出实际实施例对本发明进行更为详细的讨论。然而，本发明的范围并不以任何方式受到这些实际实施例的限制。
实施例和比较实验
实施例1
通过如下方式制备PTF焊料合金导体浆料：将具有10μm（范围为5-15μm）平均球形颗粒尺寸的焊料合金粉末SAC305（AMTECH，SMT International LLC(Deep River,CN)）与由偏二氯乙烯和丙烯腈的共聚树脂（SaranTMF-310树脂，Dow Chemical Co.(Midland,MI)）组成的有机介质混合。树脂的分子量为大约25,000。在添加焊料合金粉末之前使用溶剂完全溶解树脂。所述溶剂为二元酯(DuPont(Wilmington,DE))与EastmanTMC-11酮溶剂(EastmanChemical(Kingsport,TN))的50/50共混物。添加少量有机酸（邻甲氧基苯甲酸）作为化学还原剂。为了延长筛网寿命，添加附加量的卡必醇醋酸酯溶剂。
在下面给出组合物：
88.23% SAC305焊料合金粉末-（96.5%Sn、3%Ag、0.5%Cu）
8.82 有机介质（19.5%树脂/80.5%溶剂）
0.98 邻甲氧基苯甲酸
1.97 卡必醇醋酸酯
将该组合物在Thinky型搅拌机中混合10分钟。然后使用该组合物在玻璃上丝网印刷图案。用325目的不锈钢筛网印刷一系列的线条，然后在强制风箱炉中将组合物在180℃下干燥10分钟。然后测得厚度在30μm时的电阻率为35毫欧/平方。相比之下，测得标准PTF银组合物例如DuPont产品5025厚度在12μm时的电阻率为25毫欧/平方。尽管与最好的常规银导体相比，焊料合金组合物具有较高的电阻率，但其只需一小部分银成本就可获得接近的值。
比较实验A
按照实施例1中所述方法制备另一种PTF焊料合金组合物，不同的是，焊料合金组合物中的树脂化学成分从实施例1中使用的乙烯基共聚物更改为聚羟基醚树脂（PKHH，Phenoxy Associates(Rock Hill,SC)）。配方、焊料合金粉末分布和随后处理的所有其它性质都和实施例1相同。该组合物的归一化电阻率为大约100欧/平方，该值比实施例1中所示值高2800倍。很明显，树脂化学成分的改变对组合物的电阻率具有显著的负面影响。
比较实验B
按照实施例1中所述方法制备另一种PTF焊料合金组合物，不同的是焊料合金组合物中的树脂化学成分从实施例1中使用的乙烯基共聚物更改为聚酯树脂（Vitel2200树脂，Shell Chemicals(Houston,TX)）。配方、焊料合金粉末分布和随后处理的所有其它性质都和实施例1相同。该组合物的归一化电阻率为大约500欧/平方，该值比实施例1中所示值高10000倍。同样地，很明显，树脂化学成分的改变对组合物的电阻率具有显著的负面影响。
比较实验C
按照实施例1中所述方法制备另一种PTF焊料合金组合物，不同的是焊料合金组合物中的树脂化学成分从实施例1中使用的乙烯基共聚物更改为乙烯基树脂（VAGH树脂，DowChemical Co.(Midland,MI)）。配方、焊料合金粉末分布和随后处理的所有其它性质都和实施例1相同。该组合物的归一化电阻率为大约500欧/平方，该值比实施例1中所示值高10000倍。同样地，很明显，树脂化学成分的改变对组合物的电阻率具有显著的负面影响。
实施例和比较实验的结果连同Ag浆的结果一起示于表I中。
表I
组合物 对ITO/玻璃的粘附性 电阻率
5025Ag 一般 25毫欧/平方
实施例1 好 35毫欧/平方
比较实施例A 好 100欧/平方
比较实施例B 一般 500欧/平方
比较实施例C 一般 500欧/平方

Claims (8)

1.聚合物厚膜焊料合金导体组合物，包含：
(a)65-95重量%的焊料合金粉末，所述粉末由锡、银和铜组成，并且具有2-18μm的平均粒度和在0.20-1.3m2/g范围内的表面积/质量比；所述粉末分散于
(b)5-35重量%的有机介质中，所述有机介质包含
(i)偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚树脂，所述共聚树脂溶解于
(2)包含二元酯的有机溶剂中；
其中所述重量%是基于所述聚合物厚膜焊料合金导体组合物的总重量计的。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述焊料合金粉末具有8-12μm的平均粒度。
3.根据权利要求1所述的组合物，其中所述焊料合金粉末包含至少90重量%的锡，并且其中所述有机介质包含16-25重量%的乙烯基共聚树脂。
4.根据权利要求1所述的组合物，其中所述有机溶剂的沸点在180℃至250℃的范围内。
5.根据权利要求1所述的组合物，所述有机溶剂还包括选自乙二醇醚、酮、酯以及它们的混合物的溶剂。
6.在电子电路中形成电极的方法，包括：
a)制备权利要求1的组合物；
b)将所述组合物施用到基底上；以及
c)干燥所述组合物以形成所述电极。
7.包括电极的电子电路，所述电极由权利要求1-5中任一项所述的组合物形成，其中所述组合物已被干燥以形成所述电极。
8.电子电路，包括通过权利要求6的方法形成的电极。
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