CN115041799B - 一种用于铟锡氧化物薄膜低温熔接的合金材料及熔接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于铟锡氧化物薄膜低温熔接的合金材料及熔接方法，该材料包括低熔点金属以及镓、磷和/或稀土元素等改性元素，低熔点金属包括的金属元素为铟、银、铜、锡、铋、锌和/或铅，通过将各金属元素混合在800℃以下进行真空熔炼制得二元、三元或更多元的共晶或近共晶的低熔点金属合金，再在低熔点金属合金中加入改性元素进行500℃以下的二次真空混合熔炼得到所述熔接材料；其中，低熔点金属占95～99.99wt.％，改性元素占0.01～5wt.％。本发明为表面涂覆铟锡氧化物薄膜的材料与其他材料或电子元器件电路导通界面连接提供新的选择，在低温下保证良好的导电性、界面连接强度，具有耐候性良好、寿命长、绿色环保和成本低等特点。

Description

一种用于铟锡氧化物薄膜低温熔接的合金材料及熔接方法

技术领域

本发明涉及铟锡氧化物薄膜熔接技术领域，具体涉及一种用于铟锡氧化物薄膜低温熔接的合金材料及熔接方法，用于镀铟锡氧化物薄膜但不耐受高温的材料和器件，可应用于电子工程、光伏产业以及半导体产业。

技术背景

铟锡氧化物(ITO)薄膜作为透明的电导膜，已获得广泛应用，特别是用作透明电极的ITO，其需要量迅速增加。随着ITO应用技术的开发和实用化的进展，ITO将更广泛地用于各种电子元器件或光伏、半导体领域的光学镀膜、透明传导镀膜等方面。如何改进ITO薄膜与其他材料或器件的结合工艺对其广泛应用尤为重要，特别是ITO薄膜与其他器件的粘接，以及在ITO薄膜上烧结形成导电栅线或导电薄层。

在低温导电胶粘接工艺方面，目前大都使用胶接方式。利用导电胶例如UV胶或者掺入导电银粒子的导电银胶等进行固化，可以将ITO薄膜与其他材料或器件进行粘接。但此方法存在诸多缺陷，例如并不适用于对耐候性及产品寿命有严苛要求的情况；此外，导电胶的导电性相比于金属较差，限制了在需要高界面导电性的情况下的使用。

此外，在ITO薄膜上通过高温金属化烧结工艺方面，其所应用的电子浆料，最具代表性也最为广泛的是导电银浆。虽然导电银浆导电性能优异，但存在两大缺陷，一是银作为贵金属成本过高；二则是银浆的烧结固化温度为500℃以上(通常为800℃～900℃)，无法用于不耐高温的连接对象。

CN114131238A公开了一种光伏焊带用钎料合金及其制备方法和应用，其钎料合金为锡铟铋合金加入钛钴镍、稀土元素以粉末原料制成的低温焊料，其组成中含有钛、钴、镍这样的高熔点元素，较难熔炼(需进行三次1200℃以上的熔炼)，且可以预料的是使用粉末原料会使熔炼时氧化程度加大，成本高、制备难度大且工艺复杂。

综上，研究开发一种制备方法简单的ITO薄膜与其他材料或器件在较低温度下较高强度、较好导电性能的熔接材料、熔接工艺方法就尤为迫切与重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于铟锡氧化物薄膜低温熔接的合金材料及熔接方法。

根据第一方面，本发明提供一种用于铟锡氧化物薄膜低温熔接的合金材料，该材料包括300℃以下的低熔点金属以及改性元素，所述低熔点金属包括铟、银、铜、锡、铋、锌和/或铅组成的合金，通过将各金属元素混合在800℃以下进行真空熔炼制得二元、三元或更多元的共晶或近共晶的低熔点金属合金，再在低熔点金属合金中加入改性元素进行500℃以下的二次真空混合熔炼得到所述熔接材料；其中，低熔点金属合金占95～99.99wt.％，改性元素占0.01～5wt.％。

进一步地，所述改性元素包括镓、磷、稀土元素。

进一步地，所述低熔点金属合金由50～51wt.％的铟和48～49wt.％的锡组成，所述改性元素镓占0.01～2wt.％。

进一步地，所述低熔点金属合金由95～99.99wt.％的铟银铜的共晶或近共晶合金组成，所述改性元素镓和磷占0.01～5wt.％。

进一步地，所述低熔点金属合金由50～51wt.％的铟和48～49wt.％的锡组成，所述改性元素镓占0.5～2wt.％。

进一步地，所述近低熔点金属和改性元素的原材料为纯度大于99％的金属或化学单质。

根据第二方面，本发明提供一种用于铟锡氧化物薄膜的熔接方法，包括以下步骤：

(1)在空气环境下对ITO薄膜表面涂覆5～20wt.％的熔接助剂；

(2)再将80～95wt.％的熔接材料的熔接界面与涂有熔接助剂的ITO薄膜接触固定，同时对其界面施加一定的垂直方向压力；

(3)形成配合整体后共同加热至50～300℃，保温10分钟以上后冷却至室温，完成熔接过程。

进一步地，所述熔接助剂为松香树脂等有机熔接助剂。

本发明的机理及有益效果

(1)具体而言，本发明提供的熔接材料及方法是：基于ITO薄膜的表面的改性技术让符合目标性能要求的低熔点金属合金在ITO薄膜上的结合能力增强，且不大幅改变合金中各低熔点金属原有性能的一种方法。使用镓、磷或稀土元素作为改性元素的原因是：基于改性元素可固溶于ITO薄膜的晶格内这一特点，使其在低熔点金属和ITO薄膜的界面之间发生原子扩散以及升温后的晶格互溶。一方面，改性元素扩散并进入晶格中后可使ITO薄膜和低熔点合金的界面结合强度增大，这有利于提升ITO薄膜和其他器件之间的粘合强度。另一方面，不同于电子在粘接面中发生跨界面的迁移，本发明提出加入的改性元素在与ITO薄膜和低熔点合金的晶格发生互溶后，晶格内的电子迁移效率更高，可有效降低界面接触电阻，这一特点可以解决粘接器件间电子传输受阻的问题。特别的是，加入改性元素磷可有效降低改性熔炼过程中的金属的氧化以及产生的低导电性的金属氧化物，提高熔接材料对ITO薄膜的润湿性能。而为了避免改性后的金属氧化程度过高，使用镓、磷或稀土元素作为改性元素时需要使用真空熔炼的方法。

(2)实验证明，本发明所述熔接材料对于提升铟锡氧化物薄膜的界面结合强度及降低接触电阻具有料想不到的技术效果。相比未经改性的铟锡共晶合金，本发明所述熔接材料与ITO薄膜的界面结合强度提高了近10～25倍，接触电阻降低了近5～10倍，这使得本发明所述的熔接材料电导性能与ITO薄膜本身电导性能相近或更好。

(3)区别于CN114131238A专利中所述的技术手段，本发明在原料选取以及加工工艺具有较大不同以及改进，CN114131238A专利中所述发明内容为锡铟铋合金加入钛钴镍、粉末状稀土元素原料制成的低温焊料，其中占比最大的成分为铋。此外，由于使用了钛钴镍这样的高熔点元素使得合金较难熔炼，需进行三次1200℃以上高热才可熔炼，且可以预料的是使用粉末状原料会使熔炼时氧化程度加大。而本发明为了降低熔炼难度以及氧化程度，对涉及的低熔点金属选取进行了筛选，并决定主要以铟为合金的基础。这带来的好处有以下几点：

a)使得熔炼温度控制在800℃以下；

b)相对于以铋为基础金属元素，以铟为基础元素提高了制成合金的电导率。此外，针对CN114131238A专利使用粉末状原料这一不足，本发明选择了块状金属作为原料以降低熔炼过程与氧气的接触面积，从而降低熔炼过程中金属的氧化。并且在高温熔炼时使用电磁搅拌的方式达到合金的均匀化；

(4)本发明区别于传统的使用导电胶进行胶接的方式以及使用一般的导电银浆的金属化烧结方式，相比之下具有如下优势：

a)使用传统的导电胶如UV胶、导电银胶等所制成的材料或器件的界面导电性较差。即便是在导电胶当中加入导电粒子例如银粒子也远低于金属本身的电导率。其次，导电胶的材料的固有性质决定了导电胶使用寿命一般较短且耐候性能较差。即使在导电胶中加入大量的金属粒子，最终固化的还是金属粒子和胶接试剂的聚合物，而这样的聚合物本身相对金属而言导电性、抗老化及抗温度冲击性能就远远不足。综合这两点来看，导电胶的应用范围极大受限。对于使用导电银浆进行的金属化烧结，其虽在导电性、耐候稳定性等方面达到了非常优异的程度，但由于银本身作为贵金属的昂贵成本以及银浆所需的500℃以上(一般在800℃～900℃)的烧结固化温度，也限制了使用范围。

b)本发明不但兼顾了优良的界面导电性和耐候稳定性，且使用温度较低(低于300℃)，应用范围广泛，材料及制备成本较低。相较于胶接会有更高的界面结合强度和更好的稳定性和更低的成本，可用于不耐受高温的材料或器件上镀ITO薄膜，，也可基于这些特点进行更多的器件及工艺组装设计和嫁接粘合。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面将结合实施例做具体说明。

实施例中使用本方法制得的熔接材料为铟、银、铜、锡、铋、锌、铅等形成的低熔点合金经过镓或稀土元素改性后形成，低熔点金属具体有铟铜、铟银、铟锡二元近共晶或共晶合金，铟银铜、铟锡铜等多元体系，原材料为纯度大于99％的金属或化学单质，加工过程为将各金属混合真空熔炼制成低熔点金属后再加入改性元素二次真空熔炼最终形成熔接材料。

实施例1：

一种通过表面改性使铟锡氧化物(ITO)薄膜与低熔点金属形成良好熔接效果的方法，低熔点金属经过表面改性形成熔接材料，熔接材料配合熔接助剂松香树脂使用，按重量份计，熔接材料和熔接助剂的配合比例为：

熔接材料：80～95％，熔接助剂：5～20％，熔接材料中低熔点金属和改性元素的组成为：铟银铜的共晶或近共晶合金95％～99.99％，改性元素Ga和P:0.01～5wt.％。

实施例2：

一种通过表面改性使铟锡氧化物(ITO)薄膜与低熔点金属形成良好熔接效果的方法，低熔点金属经过表面改性形成熔接材料，熔接材料配合熔接助剂松香树脂使用，按重量份计，熔接材料和熔接助剂的配合比例为：

熔接材料：80～95％，熔接助剂：5～20％，熔接材料中低熔点金属和改性元素的组成为：In：50～52wt.％，Sn：48～49wt.％，改性元素Ga:0.01～0.5wt.％。

实施例3：

一种通过表面改性使铟锡氧化物(ITO)薄膜与低熔点金属形成良好熔接效果的方法，低熔点金属经过表面改性形成熔接材料，熔接材料配合熔接助剂松香树脂使用，按重量份计，熔接材料和熔接助剂的配合比例为：

熔接材料：80～95wt.％，熔接助剂：5～20wt.％，熔接材料中低熔点金属和改性元素的组成为：In：50～52wt.％，Sn：48～49wt.％，改性元素Ga:0.5～2wt.％。

取未经表面改性的In-Sn共晶合金与上述实施例做对比测试，针对表面镀有铟锡氧化物薄膜的玻璃，以及表面镀有铟锡氧化物薄膜的硅片基底化合物半导体，将上述In-Sn共晶合金以及实施例进行空气环境下的加热熔接，再分别进行接触电阻测试以及界面结合强度测试，经测试本实施例1-3的熔点均在120℃～150℃，且本实施例1-3的测试结果如表1所示。

从表1中可以看出，相对In-Sn共晶合金，本发明的接触电阻降低近5～10倍，界面结合强度提高近10～25倍，具有显著提升效果。

表1.未改性的In-Sn共晶合金与实施例的测试对比

合金种类	熔点(℃)	接触电阻(Ω)	界面结合强度(MPa)
				In-Sn共晶合金	120	123	0.03
实施例1	145	12.1	0.39
				实施例2	121	15.6	0.64
实施例3	131	21.5	0.45

最后说明的是以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而并非对本发明作保护范围限制，本领域的技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改和替代，而不脱离本发明的实质和范围。

Claims (7)

1.一种用于铟锡氧化物薄膜低温熔接的熔接材料，其特征在于，该材料包括低熔点金属合金以及改性元素，所述低熔点金属合金的熔点为300℃以下，所述低熔点金属合金为铟锡二元或铟银铜三元近共晶或共晶合金；通过将铟锡两种或者铟银铜三种金属元素在800℃以下混合进行真空熔炼制得二元或三元的共晶或近共晶的低熔点金属合金，再在此低熔点金属合金中加入改性元素进行500℃以下的二次真空混合熔炼得到所述熔接材料；其中，低熔点金属合金占95~99.99wt.%，改性元素占0.01~5wt.%；所述改性元素包括镓、磷和/或稀土元素。

2.根据权利要求1所述的用于铟锡氧化物薄膜低温熔接的熔接材料，其特征在于，所述低熔点金属合金由50~51wt.%的铟和48~49wt.%的锡组成，所述改性元素镓占0.01~0.5wt.%。

3.根据权利要求1所述的用于铟锡氧化物薄膜低温熔接的熔接材料，其特征在于，所述低熔点金属合金由95~99.99 wt.%的铟银铜的共晶或近共晶合金组成，所述改性元素镓和磷占0.01~5wt.%。

4.根据权利要求1所述的用于铟锡氧化物薄膜低温熔接的熔接材料，其特征在于，所述低熔点金属合金由50~51wt.%的铟和48~49wt.%的锡组成，所述改性元素镓占0.5~2 wt.%。

5.一种用于铟锡氧化物薄膜的熔接方法，该熔接方法采用如权利要求1-4任一项所述的一种用于铟锡氧化物薄膜低温熔接的熔接材料，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在空气环境下对ITO薄膜表面涂覆5 ~20wt.%的熔接助剂；

（2）再将80 ~95wt.%的熔接材料的熔接界面与涂有熔接助剂的ITO薄膜接触固定，同时对其界面施加一定的垂直方向压力；

（3）形成配合整体后共同加热至50~300℃，保温10分钟以上后冷却至室温，完成熔接过程。

6.根据权利要求5所述的用于铟锡氧化物薄膜的熔接方法，其特征在于，所述熔接助剂为有机熔接助剂。

7.根据权利要求6所述的用于铟锡氧化物薄膜的熔接方法，其特征在于，所述有机熔接助剂为松香树脂。