CN103722864A - 聚合物厚膜导体组合物的层压 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了使用聚合物厚膜导体组合物以在电路中形成电导体的方法，所述方法使所述沉积的厚膜导体组合物经受层压。本发明还提供了降低由聚合物厚膜导体组合物形成的电导体的阻抗的方法，所述方法包括使所述电导体经受层压的步骤。本发明还提供了包含通过这些方法制成的电导体的装置。

Description

聚合物厚膜导体组合物的层压
技术领域
本发明涉及用于许多不同应用中的聚合物厚膜(PTF)导体组合物的层压。在一个实施例中，PTF导体组合物被用作例如聚酯基底上的丝网印刷的导体。PTF导体起电极的作用。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导体组合物。由于银的低电阻率（<50毫欧/平方）和可靠性，PTF银导体在电子电路中作为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，至超过$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
本发明提供用于在电路中形成电导体的方法，包括：
a)提供基底；
b)提供聚合物厚膜导体组合物，所述聚合物厚膜导体组合物选自聚合物厚膜焊料合金导体组合物、聚合物厚膜焊料合金/金属导体组合物、以及它们的混合物；
c)将厚膜导体组合物施用到基底上；以及
d)使厚膜导体组合物在热和/或压力下经受层压。
在一个实施例中，所述方法还包括干燥厚膜导体组合物的步骤，其中所述步骤在步骤(c)之后但在步骤(d)之前进行。可在除去所有溶剂所必需的时间和温度下加工组合物。另外，干燥之后的层压使电阻率降低50%-70%。
在一个实施例中，所述聚合物厚膜导体组合物为聚合物厚膜焊料合金导体组合物，所述聚合物厚膜焊料合金导体组合物包含：
(a)65重量%至95重量%的焊料合金粉末，所述焊料合金粉末由锡、银和铜组成，并且具有2μm至18μm的平均粒度和在0.2m2/g至1.3m2/g范围内的表面积/质量比，所述焊料合金粉末分散于5重量%至35重量%的有机介质中；
(b)5重量%至35重量%的有机介质，所述有机介质包含
(i)溶解于有机溶剂中的偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚物树脂，
(2)包含二元酯的有机溶剂；
其中所述重量%是以聚合物厚膜焊料合金导体组合物的总重量计的。
在另一个实施例中，所述聚合物厚膜导体组合物为聚合物厚膜焊料合金/金属导体组合物，所述聚合物厚膜焊料合金/金属导体组合物包含：
(a)35重量%至94重量%的焊料合金粉末，所述焊料合金粉末选自(i)锡、银和铜合金粉末，(ii)锡和铋合金粉末，和(iii)它们的混合物，所述合金粉末由具有2μm至18μm的平均粒度和在0.2m2/g至1.3m2/g范围内的表面积/质量比的颗粒组成；
(b)1重量%至30重量%的金属，所述金属选自银、铜、金、铝、以及它们的混合物，所述金属由具有2μm至18μm的平均粒度和在0.1m2/g至2.3m2/g范围内的表面积/质量比的颗粒组成；和
(c)5重量%至35重量%的有机介质，所述有机介质包含：
(1)溶解于有机溶剂中的树脂，所述树脂为偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚物树脂或苯氧基树脂；
(2)包含二元酯或乙二醇醚的有机溶剂；
条件是当所述树脂为苯氧基树脂时，所述金属为银；其中所述焊料合金粉末和所述金属分散于所述有机介质中，并且其中所述重量%是以所述聚合物厚膜导体组合物的总重量计的。
本发明还提供电气装置，所述电气装置包含通过上述方法的任何实施例形成的电导体。
本发明还提供用于降低由聚合物厚膜导体组合物形成的电导体的阻抗的方法，所述方法包括使电导体经受层压的步骤。本发明还提供包含此类电导体的电气装置。
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末，所述有机介质充当功能相的载体。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，并且它们均表示相同事物。
在一个实施例中，聚合物厚膜导体组合物为聚合物厚膜焊料合金导体组合物，所述聚合物厚膜焊料合金导体组合物包含分散于有机介质中的SAC（锡、银、铜）合金粉末，所述有机介质包含聚合物树脂和溶剂。
在另一个实施例中，所述聚合物厚膜导体组合物为聚合物厚膜焊料合金/金属导体组合物，所述聚合物厚膜焊料合金/金属导体组合物包含SAC合金粉末、Sn/Bi合金粉末或两者的混合物以及选自银、铜、金、铝、以及它们的混合物的金属，其中所述焊料合金粉末和金属分散于包含聚合物树脂和溶剂的有机介质中。
概括地说，聚合物厚膜导体组合物的主要组分是分散于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。以下讨论了用于两种实施例中的聚合物厚膜导体组合物。
厚膜焊料合金导体组合物实施例
A.导体粉末
厚膜焊料合金导体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，称为SAC合金，其中锡为最大组分，即大于90重量%。
用于焊料合金粉末中的粒径和形状尤其重要并且必须适用于施用方法。在一个实施例中，颗粒为球形的。在另一个实施例中，颗粒为片形式。焊料合金颗粒的粒度分布对于本发明的效果而言也是关键的。从实际角度看，粒度在1μm至100μm的范围内。在一个实施例中，平均粒度为2μm至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，已知可将少量的一种或多种其它金属加入焊料合金导体组合物中以改善导体的特性。此类金属的一些例子包括：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。附加的一种或多种金属可构成总组合物的至多约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
通常通过机械混合使焊料合金粉末与有机介质（载体）混合，以形成具有适于印刷的稠度和流变特性的糊状组合物（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。有机介质并非本领域中常规的并且赋予组合物独特的性质。
本发明实施例中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。另外，该聚合物似乎在浆料中充当自-助熔组分，因而不需要外部还原剂。
多种惰性液体可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-萜品醇或β-萜品醇或它们与其它溶剂的混合物，例如煤油、邻苯二甲酸二丁酯、丁基卡必醇、丁基卡必醇乙酸酯、己二醇和高沸点醇以及醇酯。此外，在载体中可包含挥发性液体，以促进载体在施用到基底上之后快速硬化。在本发明的多个实施例中，溶剂可以使用例如乙二醇醚、酮、酯和相似沸点（在180℃至250℃的范围内）的其它溶剂、以及它们的混合物。在一个实施例中，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，以获得所需的粘度和挥发性要求。
厚膜焊料合金/金属导体组合物实施例
A.导体粉末
厚膜焊料合金/金属导体组合物中的电功能性粉末为(1)焊料合金导体粉末，所述焊料合金导体粉末选自锡、银和铜合金粉末（称为SAC合金，其中锡占最大百分比，即大于90重量%）、具有至少40重量%的锡的Sn/Bi合金粉末以及它们的混合物，和(2)选自银、铜、金、铝或它们的混合物的金属粉末/片。
用于焊料合金粉末和纯金属两者的粒径和形状尤其重要并且必须适用于施用方法。焊料合金颗粒和纯金属两者的粒度分布对于本发明的效果而言也是关键的。从实际角度看，粒度在1μm至100μm的范围内。在一个实施例中，焊料合金和金属两者的平均粒度为2μm至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，而金属的表面积/重量比为0.1-2.3m2/g。虽然银和铜是两种优选的金属颗粒，但该实施例并不限于那两种金属，并且可以使用诸如金和铝的其它金属。
有机酸可用作焊料合金的还原剂，以还原焊料合金表面的任何氧化，但其在此处并不是必需的。
B.有机介质
通常通过机械混合使粉末与有机介质（载体）混合，以形成具有适于印刷的稠度和流变特性的糊状组合物（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。有机介质并非本领域中常规的并且赋予组合物独特的性质。
本发明实施例的聚合物树脂尤其重要。本发明选择使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。另外，该聚合物似乎在浆料中充当自-助熔组分，因而不需要外部还原剂。作为另外一种选择，苯氧基树脂也可用于一些配方中，但仅在加入的金属为银时。
多种惰性液体可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-萜品醇或β-萜品醇或它们与其它溶剂的混合物，例如煤油、邻苯二甲酸二丁酯、丁基卡必醇、丁基卡必醇乙酸酯、己二醇和高沸点醇以及醇酯。此外，在载体中可包含挥发性液体，以促进载体在施用到基底上之后快速硬化。在本发明的多个实施例中，溶剂可以使用例如乙二醇醚、酮、酯和相似沸点（在180℃至250℃的范围内）的其它溶剂、以及它们的混合物。在一个实施例中，有机介质是基于二元酯和C-11酮的。对这些溶剂和其它溶剂的各种组合进行配制，以获得所需的粘度和挥发性要求。
厚膜的施用
通常将也称为“浆料”的聚合物厚膜导体组合物沉积在基本上对气体和水分不可渗透的基底上，例如聚酯。基底也可为柔性材料的片材。例子是不可渗透性塑料，例如由塑性片材与沉积在其上的任选的金属或电介质层的组合组成的复合材料。基底必须能够经受140℃的加工温度。在一个实施例中，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/金属组合物的沉积，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。
层压
层压是制造多层材料的技术，使得复合材料通过使用不同材料而获得改善的强度、稳定性、外观或其它性能。层压体通常由热、压力、焊接、或粘合剂永久组装。在一个实施例中，使用热和压力的组合。辊层压机通常使用两个辊来完成层压过程，其中一个辊在顶部上，并且另一辊在底部上。这些辊滑动到已知为芯轴的金属棒上，所述金属棒随后被放置于机器中并进料穿过机器。可使用各种温度、压力设置。沉积的厚膜导体组合物的层压提供具有低电阻率（即低至15毫欧/平方）的导体。
在一个实施例中，在层压之前，通过将沉积的厚膜导体组合物在低温下暴露于热（通常在140℃下10-15分钟）来使其干燥。这使用比焊料合金之一(SAC305)的液相线温度217℃低大约80℃的初始干燥温度来实现。
将通过给出实际实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例的限制。
实例和比较实验
比较实验A
如下制备PTF焊料合金/金属导体组合物：将具有10微米（范围为5-15μm）平均球形粒度的焊料合金粉末SAC305(AMTECH,SMT InternationalLLC,Deep River,CN)和具有5微米平均粒度的银片与由偏二氯乙烯和丙烯腈树脂的共聚物（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使树脂完全溶解。所述溶剂为二元酯(DuPont(Wilmington,DE))和EastmanTMC-11酮溶剂(Eastman Chemical(Kingsport,TN))的50/50共混物。
PTF焊料合金/金属导体组合物的组成给出如下：
Figure BDA0000385777450000071
将该组合物在Thinky型混合器中混合10分钟。使用组合物将图案丝网印刷在玻璃上。使用280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焊料合金浆料在140℃下干燥10分钟。然后测得厚度在30微米时的电阻率为35毫欧/平方。
实例1
基本上如比较实验A中所述来制备并印刷相同的PTF焊料合金/金属组合物，不同的是使所述组合物在干燥之后经受层压。配方、焊料合金粉末分布和后续加工的所有其它性质都和比较实验A相同。
层压在单轴型层压机上进行。温度保持在70℃下，并且压力从1000变化至30000磅。该组合物的电阻率从15变化至20毫欧/平方，其与比较实验A中仅用烘箱干燥获得的35毫欧/平方相比大幅降低。显而易见的是，层压对聚合物厚膜导体组合物的电阻率具有有益效应。

Claims (9)

1.用于在电路中形成电导体的方法，包括：
a)提供基底；
b)提供聚合物厚膜导体组合物，所述聚合物厚膜导体组合物选自聚合物厚膜焊料合金导体组合物、聚合物厚膜焊料合金/金属导体组合物、以及它们的混合物；
c)将所述厚膜导体组合物施用于所述基底上；
d)任选地干燥所述厚膜导体组合物；以及
d)使所述厚膜导体组合物经受层压以形成所述电导体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合物厚膜导体组合物为聚合物厚膜焊料合金导体组合物，所述聚合物厚膜焊料合金导体组合物包含：
(a)65重量%至95重量%的焊料合金粉末，所述焊料合金粉末由锡、银和铜组成，并且具有2μm至18μm的平均粒度和在0.2m2/g至1.3m2/g范围内的表面积/质量比，所述焊料合金粉末分散于5重量%至35重量%的有机介质中；
(b)5重量%至35重量%的有机介质，所述有机介质包含
(i)溶解于有机溶剂中的偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚物树脂，
(2)包含二元酯的有机溶剂；
其中所述重量%是以所述聚合物厚膜焊料合金导体组合物的总重量计的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合物厚膜导体组合物为聚合物厚膜焊料合金/金属导体组合物，所述聚合物厚膜焊料合金/金属导体组合物包含：
(a)35重量%至94重量%的焊料合金粉末，所述焊料合金粉末选自(i)锡、银和铜合金粉末，(ii)锡和铋合金粉末，和(iii)它们的混合物，所述合金粉末由具有2μm至18μm的平均粒度和在0.2m2/g至1.3m2/g范围内的表面积/质量比的颗粒组成；
(b)1重量%至30重量%的金属，所述金属选自银、铜、金、铝、以及它们的混合物，所述金属由具有2μm至18μm的平均粒度和在0.1至2.3m2/g范围内的表面积/质量比的颗粒组成；和
(c)5重量%至35重量%的有机介质，所述有机介质包含：
(1)溶解于有机溶剂中的树脂，所述树脂为偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚物树脂或苯氧基树脂；
(2)包含二元酯或乙二醇醚的有机溶剂；
条件是如果所述树脂为苯氧基树脂，则所述金属为银：其中所述焊料合金粉末和所述金属分散于所述有机介质中，并且其中所述重量%是以所述聚合物厚膜导体组合物的总重量计的。
4.降低由聚合物厚膜导体组合物形成的电导体的阻抗的方法，所述方法包括使所述电导体经受层压的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述聚合物厚膜导体组合物为聚合物厚膜焊料合金导体组合物，所述聚合物厚膜焊料合金导体组合物包含：
(a)65重量%至95重量%的焊料合金粉末，所述焊料合金粉末由锡、银和铜组成，并且具有2μm至18μm的平均粒度和在0.2m2/g至1.3m2/g范围内的表面积/质量比，所述焊料合金粉末分散于5重量%至35重量%的有机介质中；
(b)5重量%至35重量%的有机介质，所述有机介质包含
(i)溶解于有机溶剂中的偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚物树脂，
(2)包含二元酯的有机溶剂；
其中所述重量%是以聚合物厚膜焊料合金导体组合物的总重量计的。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述聚合物厚膜导体组合物为聚合物厚膜焊料合金/金属导体组合物，所述聚合物厚膜焊料合金/金属导体组合物包含：
(a)35重量%至94重量%的焊料合金粉末，所述焊料合金粉末选自(i)锡、银和铜合金粉末，(ii)锡和铋合金粉末，和(iii)它们的混合物，所述合金粉末由具有2μm至18μm的平均粒度和在0.2m2/g至1.3m2/g范围内的表面积/质量比的颗粒组成；
(b)1重量%至30重量%的金属，所述金属选自银、铜、金、铝、以及它们的混合物，所述金属由具有2μm至18μm的平均粒度和在0.1m2/g至2.3m2/g范围内的表面积/质量比的颗粒组成；和
(c)5重量%至35重量%的有机介质，所述有机介质包含：
(1)溶解于有机溶剂中的树脂，所述树脂为偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚物树脂或苯氧基树脂；
(2)包含二元酯或乙二醇醚的有机溶剂；
条件是如果所述树脂为苯氧基树脂，则所述金属为银：其中所述焊料合金粉末和所述金属分散于所述有机介质中，并且其中所述重量%是以所述聚合物厚膜导体组合物的总重量计的。
7.电气装置，包含由聚合物厚膜导体组合物形成的电导体，其中所述电导体已经受层压。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述聚合物厚膜导体组合物为聚合物厚膜焊料合金导体组合物，所述聚合物厚膜焊料合金导体组合物包含：
(a)65重量%至95重量%的焊料合金粉末，所述焊料合金粉末由锡、银和铜组成，并且具有2μm至18μm的平均粒度和在0.2m2/g至1.3m2/g范围内的表面积/质量比，所述焊料合金粉末分散于5重量%至35重量%的有机介质中；
(b)5重量%至35重量%的有机介质，所述有机介质包含
(i)溶解于有机溶剂中的偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚物树脂，
(2)包含二元酯的有机溶剂；
其中所述重量%是以聚合物厚膜焊料合金导体组合物的总重量计的。
9.根据权利要求7所述的装置，其中所述聚合物厚膜导体组合物为聚合物厚膜焊料合金/金属导体组合物，所述聚合物厚膜焊料合金/金属导体组合物包含：
(a)35重量%至94重量%的焊料合金粉末，所述焊料合金粉末选自(i)锡、银和铜合金粉末，(ii)锡和铋合金粉末，和(iii)它们的混合物，所述合金粉末由具有2μm至18μm的平均粒度和在0.2m2/g至1.3m2/g范围内的表面积/质量比的颗粒组成；
(b)1重量%至30重量%的金属，所述金属选自银、铜、金、铝、以及它们的混合物，所述金属由具有2μm至18μm的平均粒度和在0.1m2/g至2.3m2/g范围内的表面积/质量比的颗粒组成；和
(c)5重量%至35重量%的有机介质，所述有机介质包含：
(1)溶解于有机溶剂中的树脂，所述树脂为偏二氯乙烯和丙烯腈的乙烯基共聚物树脂或苯氧基树脂；
(2)包含二元酯或乙二醇醚的有机溶剂；
条件是如果所述树脂为苯氧基树脂，则所述金属为银：其中所述焊料合金粉末和所述金属分散于所述有机介质中，并且其中所述重量%是以所述聚合物厚膜导体组合物的总重量计的。
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