CN117616096A - 可用作临时固定剂的组合物 - Google Patents

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Abstract

一种组合物,其由以下构成:(A)20重量%至30重量%的一种或多种热塑性聚合物,(B)45重量%至69重量%的有机溶剂,(C)2重量%至15重量%的二氧化硅颗粒,(D)0.5重量%至10重量%的有机增稠剂,(E)1重量%至10重量%的具有在1至8范围内的莫氏硬度的颗粒状无机填料,以及(F)0重量%至1重量%的一种或多种不同于所述组份(A)至(E)的组分。

Description

可用作临时固定剂的组合物
本发明涉及一种可在电子领域中用作临时固定剂的组合物。
诸如EP 3 276 652 A2、WO 2017/060140 A2和WO 2019/170213 A1的专利文献揭示过可用作电子领域中的临时固定剂(预固定剂)的组合物。其可用于将由一个或多个电子元件与一个或多个焊料预形体或烧结物预形体构成的、尚未牢固连接的构造临时固定(预固定)。随后可通过对应的热处理或温度处理,即通过焊接或通过烧结,将如此临时固定的构造牢固地连接。举例而言,临时固定剂可用于将待转化成焊料沉积物的焊料预形体临时固定在电子元件上,或者用于将烧结物预形体临时固定在电子元件上,或者用于将焊料预形体或烧结物预形体临时固定在电子元件之间。但临时固定剂例如也可用于将一个电子元件临时固定在另一配备有焊料沉积物的电子元件的焊料沉积物上。通常在炉子中对经临时固定的构造进行热处理或温度处理。就包括烧结物预形体的经临时固定的构造而言,该炉子例如可以是压力烧结炉,就包括焊料预形体或焊料沉积物的经临时固定的构造而言,该炉子例如可以是回流炉。
最后,临时固定剂例如也可用于:为位于电子元件上的焊料沉积物在其朝外的自由接触面上配备临时固定剂。
在此使用“牢固连接的构造”概念。这指的是以机械方式牢固连接的构造。机械方式的牢固的金属连接当然也具备导电性。换言之,构造的牢固连接的接触面不仅以机械方式牢固连接,也导电连接。
在此使用的“焊料预形体”概念表示成形件形式的焊料金属,例如焊料金属箔、焊料金属带、焊料金属片或者焊料金属柱。焊料预形体具有不连续的接触面,例如设于焊料预形体的彼此相对侧上的接触面。焊料预形体的厚度例如可处于10μm至750μm的范围内。
焊料或焊料金属例如是锡或富含锡的合金。富含锡的合金的示例为锡比例例如在90重量%至99.5重量%(重量百分比)的范围内的合金。合金金属的示例为铜、银、铟、锗、镍、铅、铋和锑。合金可以含铅或者无铅。无铅合金例如可以选自由SnAg、SnBi、SnSb、SnAgCu、SnCu、SnSb、InSnCd、InBiSn、InSn、BiSnAg或SnAgCuBiSbNi构成的组。含铅合金例如可以选自包括SnPb和SnPbAg的组。焊料的熔化温度例如可以在150℃至500℃、特别是170℃至350℃的范围内。
在此使用的“烧结物预形体”概念表示未完全烧结的烧结材料,例如烧结金属箔,但特别是指经干燥且未经烧结或仅经预烧结的烧结膏。烧结材料或烧结膏可以是金属烧结材料或者金属烧结膏。金属烧结材料或金属烧结膏的金属尤其可以是铜或银。就金属烧结膏而言,铜或银通常呈颗粒状。
在此使用的“焊料沉积物”概念表示与电子元件的接触面牢固连接的焊料,其用于通过另一电子元件的接触面与此另一电子元件牢固连接。位于电子元件上的焊料沉积物通常可如下制造:将施涂至电子元件的接触面上的焊接料、例如施涂的焊膏或置放的焊料预形体或上述所包括的焊料金属熔化,随后在焊料金属凝固的情况下进行冷却。将凝固并且与电子元件的接触面连接的焊料金属称作焊料沉积物。与电子元件的接触面连接的焊料沉积物具有朝外的自由接触面,故可充当用于建立与另一电子元件的焊接连接的焊接材料。为此,可以在诸如回流炉的炉子中将焊料沉积物熔化成熔融焊料,并且在离开炉子、冷却和凝固后,形成电子元件的期望的牢固的相互连接。
在此使用的“电子元件”概念表示在电子装置中常用的衬底以及有源或无源电子器件,其优选不可进一步拆解。电子元件具有接触面、特别是金属接触面。
衬底的示例包括IMS衬底(insulated metal-Substrate,绝缘金属衬底)、AMB衬底(active metal brazed-Substrate,活性金属钎焊衬底)、DCB衬底(direct copperbonded-Substrate,直接键合铜衬底)、陶瓷衬底、PCB(printed circuit boards,印制电路板)和引线框架。
有源电子器件的示例包括二极管、LED(light emitting diodes,发光二极管)、裸片(半导体芯片)、IGBT(insulated-gate bipolar transistors,绝缘栅双极晶体管)、IC(integrated circuits,集成电路)和MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effecttransistors,金属氧化物半导体场效应晶体管)。
无源电子器件的示例包括传感器、底板、散热器、连接元件(例如夹子)、电阻器、电容器、电感器和天线。
问题在于,在移动或运送本文开篇述及的实施方式中的任何一个中的尚未牢固相连的构造时,例如在送入炉中时,在预形体与电子元件之间可能发生非期望的位置变化;在移动或运送由配备有焊料沉积物的电子元件和待与其连接的其他电子元件构成的构造时,也存在相同的情况。在最不利的情形下,电子元件可能不仅相对于预形体或待连接的电子元件,或者相对于焊料沉积物发生移动或偏斜,甚至可能发生分离和脱落。原因例如可能是运送期间的振动或者加速或制动操作。在此情形下,补救措施可以是本文开篇已述及的借助临时固定剂进行的临时固定。
本发明的目的在于提供一种可如上文所述应用在电子领域中的临时固定剂,其具有有利的粘度特性,在施涂后呈现出尽可能低的流失倾向。寻求的临时固定剂应具备较高的流动极限,以便以位置稳定且形状稳定的方式施涂。如果借助造成剪应力的方法,如点胶或喷射来施涂临时固定剂,则寻求的临时固定剂的粘度特性尤为重要。所述临时固定剂应在其施涂后尽可能保持形状稳定和位置稳定,并且有助于实现借助该临时固定剂以工业方式实施的预固定过程的过程可靠性。此外,寻求的临时固定剂应对用于施涂的工具造成尽可能小的磨损,这也有助于实现过程可靠性或过程稳定性。此外,尤其不在施涂过程中,寻求的临时固定剂不应导致与其接触的表面受损。
本发明用以达成上述目的的解决方案为提供一种如下所述的组合物。因此,本发明涉及一种可用作临时固定剂、特别是可用作电子领域中的临时固定剂的组合物。需要注意的是,在此使用的“本发明的组合物”概念是指处于原始状态下、即处于施涂前的状态下的临时固定剂。“临时固定剂”概念则既可用于表示原始的本发明的组合物,也可用于表示以该组合物为基础在施涂期间或施涂后因挥发性物质部分或完全损耗而形成的材料。述及的挥发性物质尤其可以是原始的本发明的组合物原本包含的有机溶剂。
本发明的组合物由以下组成:
(A)20重量%至30重量%、优选22重量%至28重量%的一种或多种热塑性聚合物,
(B)45重量%至69重量%、优选50重量%至65重量%的有机溶剂,
(C)2重量%至15重量%、优选5重量%至9重量%的二氧化硅颗粒,
(D)0.5重量%至10重量%、优选1重量%至4重量%的有机增稠剂,
(E)1重量%至10重量%、优选5重量%至8重量%的具有在1至8范围内的莫氏硬度的颗粒状无机填料,以及
(F)0重量%至1重量%、优选0重量%至0.5重量%的一种或多种不同于所述组分(A)至(E)的组分。
在一个优选实施方式中,本发明的组合物由以下组成:
(A)22重量%至28重量%的一种或多种热塑性聚合物,
(B)50重量%至65重量%的有机溶剂,
(C)5重量%至9重量%的二氧化硅颗粒,
(D)1重量%至4重量%的有机增稠剂,
(E)5重量%至8重量%的具有处于1至8的范围内的莫氏硬度的颗粒状无机填料,以及
(F)0至0.5重量%、特别是0.1至0.5重量%的一种或多种不同于所述组分(A)至(E)的组分。
本发明的组合物包括(A)20至30重量%、优选22至28重量%的一种或多种热塑性聚合物。示例包括热塑性聚酯、聚氨酯和(甲基)丙烯酸系共聚物,以及这些聚合物类型的混合物。
优选的热塑性聚合物为热塑性(甲基)丙烯酸系共聚物。“(甲基)丙烯酸系”表示“甲基丙烯酸系”和/或“丙烯酸系”。其为(甲基)丙烯酸系化合物的共聚物,其中,所述共聚物也可包括非(甲基)丙烯酸类的共聚物,例如乙烯系化合物的共聚物,其相对于整个(甲基)丙烯酸系共聚物而言的总重量比<50重量%。相对于整个(甲基)丙烯酸系共聚物而言所占比例>50重量%的(甲基)丙烯酸系化合物的示例为(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯酸酯和(甲基)丙烯酰胺。乙烯系化合物的示例包括诸如乙烯基酯、乙烯基醚、苯乙烯和诸如此类的化合物。
优选地,本发明的组合物的组分(A)由一种或多种热塑性(甲基)丙烯酸系共聚物构成。
所述热塑性聚合物可具有例如在40℃至100℃范围内的玻璃化转变温度。可依据DIN EN ISO 11357-1借助DSC(differential scanning calorimetry,差示扫描量热法)在10K/min的加热速率下测定玻璃化转变温度。
除非另有说明,本文引用的所有标准均为申请日时间点上的最新版本。
所述热塑性聚合物可具有例如处于30000至180000范围内的重均摩尔质量Mw。可依据DIN 55672-1借助GPC(凝胶渗透色谱,聚苯乙烯标样,聚苯乙烯凝胶作为固定相,四氢呋喃作为流动相)测定摩尔质量的重量平均值Mw。
所述热塑性聚合物可不具有酸基,或者具有与例如<50mg KOH/g、优选<25mg KOH/g并且特别是<10mg KOH/g的酸值对应的酸基;特别优选地,所述热塑性聚合物不具有酸基且不具有酸值。在此使用的“酸基”表述表示的是充当质子供体并且能够在水中形成H3O+离子的官能团,例如羧基、磺酸基和诸如此类。对有机聚合物的酸值、例如羧基值的测定已为本领域技术人员所知,例如依据DIN EN ISO 2114测定。
所述热塑性聚合物能够溶解在有机溶剂(B)中;换言之,在本发明的组合物中,组分(A)以溶解于组分(B)中的形式存在。
本发明的组合物包括(B)45重量%至69重量%、优选50重量%至65重量%的有机溶剂。所述有机溶剂(B)尤其是沸点≤285℃的有机溶剂。示例包括芳脂族化合物,如甲苯和二甲苯;酮,如甲基乙基酮和甲基异丁基酮;酯,如乙酸乙酯、乙酸异丁酯、琥珀酸二甲酯;乙二醇醚,如二乙二醇单丁醚;醇,如苯甲醇以及特别是萜品醇。
本发明的组合物包括(C)2重量%至15重量%、优选5重量%至9重量%的二氧化硅颗粒。所述二氧化硅颗粒用作无机增稠剂。所述二氧化硅颗粒可具有例如处于50m2/g至500m2/g范围内的比表面积。比表面积(单位:m2/g)可借助BET测量依据DIN ISO 9277(依据章节6.3.1,静态体积测量法,使用的气体:氮气)测定。所述二氧化硅颗粒可具有例如在5至50nm范围内的平均粒度(d50)。
在此使用的“平均粒度”概念表示可借助激光衍射测定的平均微粒直径(d50)。可借助对应的粒度测量设备、例如Malvern Instruments的Mastersizer 3000来实施激光衍射测量。
本发明的组合物包括(D)0.5重量%至10重量%、优选1重量%至4重量%的有机增稠剂。所述有机增稠剂可以是一种或多种不同的相互组合的有机增稠剂,特别是为本领域技术人员所知的、针对基于溶剂的非水性涂层剂的有机增稠剂、有机防流挂剂和/或有机触变剂。示例包括氢化蓖麻油、改性脂肪衍生物、纤维素衍生物(如乙基纤维素)、二酰胺、聚酰胺、二脲和聚脲。优选地,组分(D)由一种或多种纤维素衍生物、特别是由乙基纤维素构成。
有机增稠剂(D)可以完全地或胶体式溶解在有机溶剂(B)中;换言之,在本发明的组合物中,组分(D)可以以完全地或胶体式溶解于组分(B)中的形式存在。
本发明的组合物包括(E)1重量%至10重量%、优选5重量%至8重量%的具有在1至8范围内的莫氏硬度的颗粒状无机填料。所述颗粒状无机填料可以是具有在1至8范围内的莫氏硬度的一种或多种不同的无机填料的颗粒。优选采用具有在1至6范围内、特别是1至4范围内的莫氏硬度的无机填料。适合的无机填料的示例包括硅酸锆、石英、二氧化钛、云母、硅酸钙、高岭土和α-氮化硼。α-氮化硼是一个特别优选的示例,并且也可作为本发明的组合物中所含有的唯一的(E)类无机填料。所述无机填料以颗粒形式存在,其平均粒度(d50)例如可以在5μm至20μm、优选5μm至10μm的范围内。
组分(E)不包括二氧化硅颗粒。
本发明的组合物可包括(F)0重量%至1重量%、优选0重量%至0.5重量%的一种或多种不同于所述组分(A)至(E)的组分。示例包括染料和添加剂,特别是为本领域技术人员所知的针对基于溶剂的非水性涂层剂的添加剂。在此特别是需要提及影响表面张力的添加剂,例如润湿添加剂。优选地,组分(F)以及本发明的组合物不包括氧化铝颗粒。
可通过将组分(A)至(E)或(A)至(F)混合来制备本发明的组合物。
本发明的组合物的粘度特性当然可受其所有组分影响。但事实表明重要之处在于,本发明的组合物同时包括组分(C)和(D)。
本发明的组合物的特征在于在例如20℃至80℃的相对温度范围内的高流动极限τ0。据此,本发明的组合物的流动极限τ0在23℃下例如在200Pa至300Pa的范围内,在50℃下例如在90Pa至200Pa的范围内,并且在75℃下例如在40Pa至100Pa的范围内。在相应温度下的流动极限τ0例如可借助旋转粘度测量法测定,例如使用锥板测量原理,其中锥直径为25mm、锥角为2°、测量间隙为104μm,并且例如采用在15分钟内在0.05s-1至50s-1范围内匀速提升的剪切速率。
本发明的组合物或临时固定剂是粘性的,即在用作临时固定剂的条件下、即在施涂过程中以及在创建经临时固定的构造时、进而例如在60℃至130℃的温度范围内也同样具备粘性。在这个阶段中,对粘合效果有重大影响的因素是所述热塑性聚合物(A)的玻璃化转变温度以及所述有机溶剂(B)的比例。
本发明的组合物适合特别是在电子领域中用作临时固定剂。
本发明的组合物可用于将由一个或多个电子元件与一个或多个焊料预形体或烧结物预形体构成的、尚未牢固连接的构造临时固定。本发明的组合物例如可用于将待转化成焊料沉积物的焊料预形体或者烧结物预形体临时固定在电子元件上;在此情形下,经临时固定的构造包括以下部分或由其构成:一个电子元件和一个待转化成焊料沉积物的焊料预形体,或者一个电子元件和一个烧结物预形体,在电子元件与相应的预形体之间设有临时固定剂。本发明的组合物还可用于将焊料预形体或烧结物预形体固定在电子元件之间;在此情形下,经临时固定的构造可包括在中间设有焊料预形体或烧结物预形体的电子元件或由其构成,并且在预形体与电子元件中的至少一个之间设有临时固定剂。
但本发明的组合物也可用于将一个电子元件临时固定在另一配备有焊料沉积物的电子元件上;在此情形下,经临时固定的构造包括以下部分或由其构成:第一电子元件,其位于另一配备有焊料沉积物的电子元件的焊料沉积物上,在该第一电子元件与该焊料沉积物之间,或更确切言之,在该第一电子元件与该另一电子元件的焊料沉积物的原本朝外的自由接触面之间,设有临时固定剂。
本发明的组合物还可用于:为位于电子元件上的焊料沉积物在其朝外的自由接触面上配备临时固定剂。
在所有前述使用方式中,均将本发明的组合物或临时固定剂施涂至至少一个接触面上。接触面包括电子元件的接触面,但亦包括述及的焊料预形体或烧结物预形体的接触面,抑或焊料沉积物的朝外的自由接触面。
在所有前述使用方式中,均可借助不同的施涂工艺来施涂本发明的组合物,例如采用浸渍、点胶或喷射,特别是采用点胶或喷射。如上所述,施涂位置是所述接触面。
优选地,在加热状态下,例如以处于45℃至75℃范围内的温度来施涂本发明的组合物,亦即,本发明的组合物以被加热至相应温度的方式离开施涂工具。如本文开篇所述,在借助优选的点胶或喷射进行施涂的过程中,还对本发明的组合物进行剪切。
特别是在借助优选的点胶或喷射进行施涂的过程中,体现出本发明的组合物的有利特性;本发明的组合物仅导致对应的施涂工具的小程度磨损。举例而言,仅在相对较长的使用时间后,才需要更换磨损件,如喷嘴、推杆或者螺杆式计量阀。
可将本发明的组合物例如呈条状地施涂在预形体侧部,但特别是可以以点的形式,例如以呈半球状或类似半球状的点的形式施涂。在刚施涂完后,点的高度例如可处于50μm至80μm的范围内。在刚施涂完后,点的直径例如可处于200μm至1000μm的范围内。
在从施涂工具至施涂位置的途中,用作临时固定剂的本发明的组合物可能因蒸发损耗而损失原本含有的有机溶剂(B)的一部分。
在施涂本发明的组合物后,可先进行干燥,以将含有的有机溶剂(B)部分地或完全地移除。但也可采用以下方式:在施涂本发明的组合物后,先根据前述实施方式中的一个创建期望的经临时固定的构造,随后进行干燥。例如可在90℃至150℃的物体温度下进行为时2分钟至30分钟的干燥。还可不实施干燥,即允许被动干燥,而不主动采取干燥措施。
前文在阐述粘合效果时已提到,所述有机溶剂(B)的比例是影响粘合效果的重要因素。本领域技术人员可通过选择干燥参数来影响粘合效果。还考虑到在何种温度条件下运送和/或存放经临时固定的构造。这一般在例如18至28℃的温度范围内进行。本领域技术人员为配备有焊料沉积物的电子元件考虑同样的问题,这些电子元件在焊料沉积物的朝外的自由接触面上配备有临时固定剂。
作为将本发明的组合物用作电子领域中的临时固定剂的结果,本发明也涉及一种配备有焊料沉积物的电子元件,其在焊料沉积物的朝外的自由接触面上配备有用本发明的组合物施涂的临时固定剂。其中,本发明的组合物中原本含有的有机溶剂(B)完整地存在于临时固定剂中,或者通常被部分地或完全地移除。
作为将本发明的组合物用作电子领域中的临时固定剂的其他结果,本发明也涉及根据所有前述实施方式的经临时固定的构造。其中特别是包括以下示例(1)至(5):
(1)由一个电子元件和一个焊料预形件构成的经临时固定的构造,在电子元件与焊料预形件之间设有用本发明的组合物施涂的临时固定剂。
(2)由一个电子元件和一个烧结物预形件构成的经临时固定的构造,在电子元件与烧结物预形件之间设有用本发明的组合物施涂的临时固定剂。
(3)由包含一个或多个设于中间的烧结物预形体的电子元件构成的经临时固定的构造,在所述电子元件中的至少一个与该烧结物预形体或该等烧结物预形体中的至少一个之间设有用本发明的组合物施涂的临时固定剂。
(4)由包含一个或多个设于中间的焊料预形体的电子元件构成的经临时固定的构造,在所述电子元件中的至少一个与该焊料预形体或该等焊料预形体中的至少一个之间设有用本发明的组合物施涂的临时固定剂。
(5)由第一电子元件构成的经临时固定的构造,所述第一电子元件位于另一配备有焊料沉积物的电子元件的焊料沉积物上,在该第一电子元件与该焊料沉积物之间设有用本发明的组合物施涂的临时固定剂。
其中,在示例(1)至(5)的所有经临时固定的构造中,本发明的组合物中原本含有的有机溶剂(B)可完整地存在于临时固定剂中,或者通常被部分地或完全地移除。
最后,为了通过焊接或烧结从临时固定状态进入牢固连接状态,可对经临时固定的构造、例如根据前述示例(1)至(5)的构造进行对应的热处理或温度处理。在热处理或温度处理过程中,可将所述临时固定剂移除,仅余留形式为二氧化硅颗粒以及无机填料颗粒的无干扰的无机残余物。
实施例:
为了制备例示性的临时固定剂,在70℃至80℃下将热塑性(甲基)丙烯酸系共聚物、α-萜品醇以及乙基纤维素以在表1中给出的比例混合,直至所有组分溶解。随后一边搅拌一边添加无机填料颗粒和二氧化硅颗粒,并且在70℃至80℃下膨胀10分钟。临时固定剂体现出卡森流动特性。
在三个不同的温度(23℃、50℃和75℃)下,借助流变仪(Physika/MCR 301,锥板测量原理,锥直径25mm,锥角2°,测量间隙104μm,以在15分钟内在0.05s-1至50s-1范围内匀速提升的剪切速率进行粘度测量)测定流动极限τ0
表1:本发明的临时固定剂(E1和E2)以及三个对比例(V1、V2和V3)的组成
与对比组合物V1-V3相比,直至点胶机中的螺杆式计量阀磨损为止,借助本发明的临时固定剂E1和E2能够实现数目更多的点胶操作。

Claims (12)

1.一种组合物,所述组合物由以下构成:
(A)20重量%至30重量%的一种或多种热塑性聚合物,
(B)45重量%至69重量%的有机溶剂,
(C)2重量%至15重量%的二氧化硅颗粒,
(D)0.5重量%至10重量%的有机增稠剂,
(E)1重量%至10重量%的具有在1至8范围内的莫氏硬度的颗粒状无机填料,以及
(F)0重量%至1重量%的一种或多种不同于所述组分(A)至(E)的组分。
2.根据权利要求1所述的组合物,所述组合物由以下组成:
(A)22重量%至28重量%的一种或多种热塑性聚合物,
(B)50重量%至65重量%的有机溶剂,
(C)5重量%至9重量%的二氧化硅颗粒,
(D)1重量%至4重量%的有机增稠剂,
(E)5重量%至8重量%的具有在1至8范围内的莫氏硬度的颗粒状无机填料,以及
(F)0重量%至0.5重量%的一种或多种不同于所述组分(A)至(E)的组分。
3.根据权利要求1或2所述的组合物,其中,所述热塑性聚合物选自由热塑性聚酯、热塑性聚氨酯、热塑性(甲基)丙烯酸系共聚物以及这些聚合物类型的热塑性混合物构成的组。
4.根据前述权利要求中任一项所述的组合物,其中,所述组分(E)的颗粒状无机填料选自由硅酸锆、石英、二氧化钛、云母、硅酸钙、高岭土和α-氮化硼构成的组。
5.根据权利要求4所述的组合物,其中,组分(E)是α-氮化硼。
6.一种根据前述权利要求中任一项所述的组合物用作电子领域中的临时固定剂的用途。
7.根据权利要求6所述的用途,其用于将由一种或多种电子元件与一种或多种焊料预形体或烧结物预形体构成的、尚未牢固连接的构造临时固定,或者用于将电子元件临时固定在另一配备有焊料沉积物的电子元件上。
8.一种将根据权利要求1至5中任一项所述的组合物用于为位于电子元件上的焊料沉积物在其朝外的自由接触面上配备临时固定剂的用途。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的用途,其中,通过浸渍、点胶或者喷射来施涂所述组合物。
10.根据权利要求9所述的用途,其中,以在45至75℃范围内的温度施涂所述组合物。
11.一种可作为根据权利要求7所述的用途的结果获得的、由一种或多种电子元件与一种或多种焊料预形体或烧结物预形体构成的尚未牢固连接的构造,或者可获得的临时固定在另一配备有焊料沉积物的电子元件上的电子元件。
12.一种可作为根据权利要求8所述的用途的结果获得的、配备有焊料沉积物的电子元件,其在所述焊料沉积物的朝外的自由接触面上配备有所述临时固定剂。
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