DE112016000524T5

DE112016000524T5 - Bindemittelzusammensetzung

Info

Publication number: DE112016000524T5
Application number: DE112016000524.5T
Authority: DE
Inventors: Naoya Nakajima; Miki Matsui; Kenji Shimoyama
Original assignee: Bando Chemical Industries Ltd
Current assignee: Bando Chemical Industries Ltd
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2016-01-05
Publication date: 2017-10-19
Anticipated expiration: 2036-01-06
Also published as: DE112016000524B4; JP6085724B2; CN107207911B; JPWO2016121296A1; TWI682827B; CN107207911A; WO2016121296A1; TW201627096A

Abstract

Bereitgestellt wird eine Zusammensetzung, die die Herstellung von Verbindungen mit hoher Haftfestigkeit bei relativ niedrigen Temperaturen ermöglicht, die ausreichende Verteilung auf der Schnittstellenfläche gewährleistet und die Bildung von Kantenabrundungen einschränken kann. Es wird eine Bindemittelzusammensetzung bereitgestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie anorganische und organische Bestandteile umfasst, wobei die anorganischen Partikel einen gemittelten Durchmesser von 1–200 nm und eine bei 25 °C und einer Schergeschwindigkeit von 10–30 Pa/S gemessene Scherviskosität aufweisen, wobei der Thixotropieindex, d.h. bei einer Schergeschwindigkeit von 1 s–1 und einer Temperatur von etwa 25 °C gemessene Viskosität, geteilt durch die bei einer Schergeschwindigkeit von 10 s–1 gemessene Viskosität, 3–7 beträgt.

Description

Fachgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bindemittelzusammensetzung mit anorganischen Partikeln als Hauptbestandteil und organischen Partikeln als Nebenbestandteil.
Stand der Technik
Zur mechanischen, elektrischen und/oder thermischen Verbindung von Metallbauteilen ist es bekannt, Lot, leitfähige Klebstoffe, Silberpaste und anisotrop leitenden Film zu verwenden. Leitfähige Klebstoffe, Silberpaste, anisotrop leitender Film usw. finden dabei nicht nur Anwendung auf Metallbauteile, sondern auch auf Keramik- und Harzbauteile. Zu den Anwendungsfällen gehören z.B. die Verbindung von Lichtemittern wie z.B. LEDs sowie Halbleiterchips mit Leiterplatten und die Verbindung dieser Platten wiederum mit wärmeableitenden Bauteilen.
Lot sowie leitfähige Metallfüllstoffe werden v.a. verwendet, um Bauteile zu verbinden, die eine elektrische Verbindung benötigen. Da Metallbauteile generell stark wärmeleitend sind, werden Lot sowie Klebstoffe, Filme und Pasten mit leitfähigen Füllstoffen verwendet, um die Wärmeableitung zu erhöhen.
V.a. bei der Herstellung von Beleuchtungsvorrichtungen mit hoher Leuchtdichte mit LEDs usw. kommt es häufig zu Anstiegen des Wärmewerts. Außerdem muss die Temperatur beim Verbindungsvorgang möglichst niedrig gehalten werden, um den Lichtemitter nicht zu beschädigen, da die externe Erwärmung beim Verbinden die Temperatur des Lichtemitters (LED, usw.) erhöht. Aus diesen Gründen sind Bindemittel wünschenswert, die bei einer geringen Schweißtemperatur eine hohe Haftfestigkeit zusammen mit ausreichender Wärmeableitung gewährleisten.
Hierzu werden als Ersatzmittel für das Hochtemperaturlöten Bindemittel entwickelt, die auf Edelmetall-Nanopartikel wie z.B. Silber und Gold basieren. In der Patentdruckschrift 1 (Offenlegungsschrift Nr. 2008-17 8 911) wird z.B. eine Bindemittelzusammensetzung offenbart, umfassend ein Reduktionsmittel, das aus mindestens einem aus Metalloxid-, Metallcarbonat- oder Carbonsäuremetallsalzpartikeln mit einem gemittelten Partikeldurchmesser von 1–50 mm gewählten Metallpräkursor und einem organischen Stoff besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallpräkursoranteil am Bindemittel 50–99 Gew.-Teile beträgt, wobei zu diesem Bindemittel angemerkt wird, dass eine gute Metallverbindung dadurch ermöglicht wird, dass die thermische Gewichtsabnahme des Reduktionsmittels bei Temperaturen von bis zu 400 °C 99 % übersteigt.
Wenn die Bindemittelzusammensetzung aber tatsächlich zur Verbindung einer LED usw. verwendet wird, müssen u.a. die Einfachheit der Beschichtung sowie die Ausbreitung der Bindemittel auf die Schnittstelle zur nicht zu verbindenden Oberfläche berücksichtigt werden, was beim Bindemittel nach Patentdruckschrift 1 nicht ausreichend geschehen ist.
Bei LEDs werden außerdem hohe Anforderungen an Lichtausbeute und Langlebigkeit gestellt, die u.a. vom Zustand der Verbindung mit dem Substrat abhängen. Konkreter gesagt kann eine Kantenabrundung der Verbindung die Lichtausstrahlung der LED stören, und die Verfärbung der Kantenabrundung kann auf die Dauer die Aufrechterhaltung der Lumineszenzintensität erschweren. Die Bildung von Kantenabrundungen wird beim Bindemittel nach Patentdruckschrift 1 jedoch überhaupt nicht berücksichtigt.
Stand der Technik: Patentdruckschriften

Patentdruckschrift 1: Offenlegungsschrift Nr. 2008-17 8 911

Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung
In Anbetracht der oben geschilderten Umstände besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Bindemittelzusammensetzung bereitzustellen, die bei relativ niedrigen Temperaturen eine hohe Haftfestigkeit und eine ausreichende Ausbreitung auf der Schnittstelle gewährleistet und die Bildung von Kantenabrundungen verhindert.
Erfindungsgemäße Lösung
Die vorliegende Erfindung resultiert aus intensiven Forschungsbemühungen zu Zusammensetzung und Viskosität von Bindemittelzusammensetzungen, die zur Feststellung geführt haben, dass die oben aufgeführten Aufgaben durch eine Bindemittelzusamensetzung mit anorganischen Partikeln als Haupt- und organischen Partikeln als Nebenbestandteil mit optimierter Viskosität und Thixotropie äußerst wirksam gelöst werden.
Erfindungsgemäß wird also eine Bindemittelzusammensetzung mit anorganischen und organischen Bestandteilen bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass der gemittelte Partikeldurchmesser der anorganischen Partikel 1–200 nm beträgt, die Viskosität bei etwa 25 °C und einer Schergeschwindigkeit von 10 s–1 10–30 Pa/s beträgt, wobei der Thixotropieindex R, d.h. bei einer Schergeschwindigkeit von 1 s–1 und einer Temperatur von etwa 25 °C gemessene Viskosität V, geteilt durch die bei einer Schergeschwindigkeit von 10 s–1 gemessene Viskosität V₁₀, 3–7 beträgt.
Der Partikeldurchmesser der anorganischen Partikel der erfindungsgemäßen Zusammensetzung liegt zur Absenkung des Schmelzpunktes im Nanometerbereich, vorzugsweise 1–200 nm; es können aber ggf. auch Partikel im Mikrometerbereich hinzugegeben werden. In diesem Fall wird die Bindung dadurch hergestellt, dass die Partikel im Nanometerbereich den Schmelzpunkt in der Umgebung der Partikel im Mikrometerbereich absenken.
Bevorzugt wird, dass die organischen Partikel auf mindestens einem Teil der Oberfläche der anorganischen Partikel haften (d.h. es wird auf mindestens einem Teil der Oberfläche der anorganischen Partikel eine Schutzschicht aus organischen Partikeln gebildet). Zur Stabilisierung der anorganischen Nanopartikel, die den Schmelzpunkt absenken, muss auf mindestens einem Teil der Oberfläche der anorganischen Partikel eine organische Schutzschicht gebildet werden. Da die funktionellen Gruppen von Aminen auf der Oberfläche anorganischer Partikel ausreichend stark adsorbiert werden, sind sie als organische Schutzschicht gut geeignet.
Wird die erfindungsgemäße Zusammensetzung unter einer Luftatmosphäre auf etwa 500 °C erwärmt, so kommt es zum oxidativen Abbau der organischen Partikel, die zu einem Großteil in Gasform verschwinden. Wenn das Gewicht der Zusammensetzung unter Luftatmosphäre bei Erwärmung von Raumtemperatur (RT) auf 500 °C bei einer Heizrate von 10 °C/min um mehr als 20 Gew. % abnimmt, kommt es nach dem Brennen zu Lücken in der Brennschicht (Bindeschicht), die die Haftfestigkeit und Leitfähigkeit der Brennschicht (Bindeschicht) reduzieren. Wenn hingegen das Gewicht der Zusammensetzung bei einer Erwärmung von RT auf 500 °C unter Luftatmosphäre bei einer Heizrate von 10 °C/min um 20 % oder weniger abnimmt, kann bei einer Schweißtemperatur von etwa 200 °C eine Brennschicht (Bindeschicht) mit hoher Leitfähigkeit hergestellt werden. Wenn aber die Gewichtsabnahme der Zusammensetzung zu gering ist, wird die Stabilität der Dispersion im Kolloidzustand eingebüßt, also wird bevorzugt, dass die Gewichtsabnahme bei einer Erwärmung von RT auf 500 °C unter Luftatmosphäre bei einer Heizrate von 10 °C/min im Bereich von 0,1–20,0 Masse %, besonders bevorzugt von 0,5–18,0 Masse % liegt.
Ferner wird bevorzugt, dass die anorganischen Partikel der erfindungsgemäßen Zusammensetzung aus mindestens einem aus der nachfolgenden Gruppe gewählten Metall bestehen: Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Wismut, Zinn und Platin. Bei einer derartigen Zusammensetzung weist die Bindemittelzusammensetzung ausgezeichnete Haftfestigkeit und Wärmebeständigkeit auf.
Außerdem wird bevorzugt, dass der organische Bestandteil der erfindungsgemäßen Zusammensetzung Amine und/oder Carbonsäure umfasst. Die Aminogruppe in einem Aminmolekül weist eine relativ hohe Polarität auf und neigt wegen der Wasserstoffbindungen zu Wechselwirkungen, aber die übrigen Bestandteile mit Ausnahme dieser funktionellen Gruppe weisen eine relativ niedrige Polarität auf. Außerdem weisen Aminogruppen häufig alkalische Eigenschaften auf. Außerdem, wenn das Amin in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung auf mindestens einem Teil der Oberfläche der anorganischen Partikel lokalisiert ist (haftet) (d.h. mindestens einen Teil der Oberfläche der anorganischen Partikel abdeckt), können organische und anorganische Partikel ausreichend aufeinander abgestimmt werden und Agglomerationen der anorganischen Partikel können verhindert werden (Erhöhung der Dispersität). D.h. dadurch, dass die funktionellen Gruppen des Amins stark genug auf die Oberfläche der anorganischen Partikel absorbiert und Kontakte zwischen den anorganischen Partikeln zu verhindern, tragen sie zur Lagerstabilität der anorganischen Partikel bei. Außerdem wird davon ausgegangen, dass sie die Haftung der anorganischen Partikel aneinander und am Substrat dadurch fördern, dass sie sich bei der Schweißtemperatur von der Oberfläche der anorganischen Partikel entfernen bzw. verflüchtigen.
Außerdem weist die Carboxylgruppe in einem Carbonsäuremolekül eine relativ hohe Polarität auf und neigt wegen der Wasserstoffbindungen zu Wechselwirkungen, aber die übrigen Bestandteile mit Ausnahme dieser funktionellen Gruppe weisen eine relativ niedrige Polarität auf. Außerdem weisen Carboxylgruppen gute Säureeigenschaften auf. Außerdem, wenn die Carbonsäure in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung auf mindestens einem Teil der Oberfläche der anorganischen Partikel lokalisiert ist (haftet) (d.h. mindestens einen Teil der Oberfläche der anorganischen Partikel abdeckt), können organische und anorganische Partikel ausreichend aufeinander abgestimmt werden und Agglomerationen der anorganischen Partikel können verhindert werden (Erhöhung der Dispersität). Die Carboxylgruppen lassen sich leicht auf der Oberfläche der anorganischen Partikel anordnen und können so zur Vermeidung von Agglomerationen der anorganischen Partikel beitragen. Da darin hydrophobe und hydrophile Gruppen nebeneinander enthalten sind, bewirken sie auch eine deutliche Erhöhung der Benetzbarkeit der Zusammensetzung und des Substrats.
Auch wenn nach Bedarf ein Dispergiermittel hinzugegeben wird, wird die Dispersität der im Dispergiermittel dispergierten anorganischen Partikel durch die Dispersionswirkung der organischen Partikel verbessert. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung bewirkt also, dass Agglomerationen der anorganischen Partikel vermieden werden, eine gute Dispersität der anorganischen Partikel selbst in Beschichtungen gewährleistet wird, und ermöglicht eine gleichmäßig hohe Haftfestigkeit.
Konkreter gesagt umfasst die erfindungsgemäße Zusammensetzung als Hauptbestandteil Kolloidpartikel, die aus anorganischen und organischen Bestandteilen bestehen, es kann sich hierbei aber auch durchaus um eine kolloidale Dispersion handeln, die auch ein Dispergiermittel enthält. Beim vorgenannten “Dispergiermittel” handelt es sich zwar um das Mittel zum Dispergieren der Kolloidpartikel in der Dispersion, die Kolloidpartikel können aber auch zum Teil im „Dispergiermittel“ aufgelöst sein. Ferner ist unter “Hauptbestandteil” der Bestandteil zu verstehen, der in der größten Menge vorhanden ist.
Da die Viskosität der erfindungsgemäßen Zusammensetzung bei etwa 25 °C und einer Schergeschwindigkeit von 10 s–1 10 Pa/s übersteigt, kann eine übermäßige Fließfähigkeit der Zusammensetzung vermieden werden. Deshalb kann z.B. beim Montieren des Chips einer LED vermieden werden, dass sich die Zusammensetzung über die zu verbindende Oberfläche hinausgeht und Kantenabrundungen bildet.
Indem die Viskosität bei 25 °C und einer Schergeschwindigkeit von 10 s–1 weniger als 30 Pa/s beträgt, wird auch eine zu niedrige Fließfähigkeit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung vermieden. Da sich die Zusammensetzung kreisförmig ausbreitet, kann es bei zu niedriger Fließfähigkeit der Zusammensetzung beim Montieren des Chips einer LED vorkommen, dass die Zusammensetzung sich über den gesamten Chip ausbreitet, was zu Kantenabrundungen führen kann. Wenn hingegen die Viskosität bei etwa 25 °C und einer Schergeschwindigkeit von 10 s–1 höchstens 30 Pa/s beträgt, kann die Bildung dieser Kantenabrundungen vermieden werden.
Da bei der erfindungsgemäßen Zusammensetzung der Thixotropieindex R (bei einer Schergeschwindigkeit von 1 s–1 und etwa 25 °C gemessene Viskosität V, geteilt durch bei einer Schergeschwindigkeit von 10 s–1 und etwa 25 °C gemessene Viskosität V₁₀) mindestens 3 beträgt, wird verhindert, dass sich die Zusammensetzung beim Beschichten in einem großen Umfang ausbreitet, was der Bildung von Kantenabrundungen entgegenwirken kann.
Indem der Thixotropieindex R (bei einer Schergeschwindigkeit von 1 s–1 und etwa 25 °C gemessene Viskosität V, geteilt durch bei einer Schergeschwindigkeit von 10 s–1 und etwa 25 °C gemessene Viskosität V₁₀) höchstens 7 beträgt, kann verhindert werden, dass die Beschichtung mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung verbogen wird und dass z.B. beim Montieren eines LED-Chips eine ungleichmäßige Verteilung der Zusammensetzung zu Kantenabrundungen führt.
Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Zusammensetzung zur Verbindung von LEDs mit Substraten verwendet. Da, wie oben erläutert, durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung die Bildung von Kantenabrundungen verhindert werden kann, wird auch verhindert, dass die Lichtausbeute des LED-Pakets infolge von Kantenabrundungen abgesenkt wird.
Wenn ein mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung beschichteter LED-Chip laminiert wird und LED-Chip und Substrat durch Brennen der erfindungsgemäßen Zusammensetzung verbunden werden, wird ferner bevorzugt, dass im Wesentlichen auf der gesamten Schnittstellenfläche des Substrats und des LED-Chips eine Brennschicht gebildet wird und die Höhe etwaiger Kantenabrundungen der Zusammensetzung 10 µm unterschreitet.
Indem die Höhe etwaiger Kantenabrundungen der Zusammensetzung auf einer Seite des LED-Chips 10 µm unterschreitet, kann die Reduzierung der Lichtausbeute des LED-Pakets sehr wirksam begrenzt werden. Im vorliegenden Sinne bezieht sich die Höhe einer Kantenabrundung auf den Abstand zwischen der Substratoberfläche und der höchsten Stelle der auf der Seite des LED-Chips ausgebildeten Brennschicht; dies lässt sich ohne weiteres mit einem Videomikroskop bestimmen.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verbindungselement für eine elektronische Komponente bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat mit einem LED-Chip verbunden ist, wobei die Verbindung durch die erfindungsgemäße Zusammensetzung gebildet wird.
Indem ein Substrat mithilfe der erfindungsgemäßen Zusammensetzung mit einer LED verbunden wird, können Verbindungselemente für elektronische Komponenten ohne Kantenabrundungen hergestellt werden. Im vorliegenden Sinne ist unter “ohne Kantenabrundungen” zu verstehen, dass die Höhe einer evtl. auf einer Seite des LED-Chips ausgebildete Kantenabrundungen 10 µm unterschreitet.
Da beim erfindungsgemäßen Verbindungselement die Höhe etwaiger Kantenabrundungen 10 µm unterschreitet, wird verhindert, dass die Lumineszenz der LED durch Kantenabrundungen beeinträchtigt wird und dass durch im Laufe der Zeit auftretende Verfärbungen, die auf Kantenabrundungen zurückzuführen sind, die Lumineszenzintensität verändert wird. Entsprechend sind LEDs, die mit dem erfindungsgemäßen Verbindungselement gefertigt sind, sehr langlebig und bieten außerdem eine ausgezeichnete Lichtausbeute.
Wirkung der Erfindung
Durch die erfindungsgemäße Zusammensetzung wird die Herstellung von Verbindungen mit hoher Haftfestigkeit bei relativ niedrigen Temperaturen ermöglicht, die ausreichende Verteilung auf der Schnittstellenfläche gewährleistet und die Bildung von Kantenabrundungen verhindert.
Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird eine praktische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zusammensetzung näher beschrieben. Die nachfolgende Beschreibung stellt lediglich eine Ausführungsform der Erfindung und ist keineswegs als Einschränkung der Erfindung auszulegen; auf wiederholte Beschreibungen wird nachfolgend verzichtet.
(1) Bindemittelzusammensetzung
Gemäß dieser Ausführungsform umfasst die Bindemittelzusammensetzung als Hauptbestandteil anorganische Partikel und als Nebenbestandteil organische Partikel. Nachfolgend wird auf diese Bestandteile näher eingegangen.
(1-1) Anorganische Partikel
Die anorganischen Partikel, die erfindungsgemäß verwendet werden können, unterliegen keinerlei besonderen Einschränkungen, zur Gewährleistung einer guten Leitfähigkeit der aus der erfindungsgemäßen Zusammensetzung bestehenden Bindeschicht wird jedoch bevorzugt, Metallpartikel aus (Edel-)Metallen mit einer geringeren Ionisationstendenz als Zink zu verwenden.
Es kann z.B. mindestens ein aus der nachfolgenden Gruppe gewähltes Metall verwendet werden: Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Wismut, Zinn, Eisen sowie Metalle der Platingruppe (Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin). Vorzugsweise werden Metallpartikel aus mindestens einem aus der nachfolgenden Gruppe gewählten Metall verwendet: Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Wismut, Zinn sowie Metalle der Platingruppe; außerdem wird die Verwendung eines (Edel-)Metalls mit einer geringeren Ionisationstendenz als Kupfer bevorzugt, d.h. mindestens ein aus der nachfolgenden Gruppe gewähltes Metall: Gold, Platin, Silber, Kupfer. Diese Metalle können allein oder in Kombinationen aus mindestens 2 Metallen verwendet werden; im Falle einer Kombination können Metallpartikel mit Kern-Schale-Struktur oder mehrschichtige Metallpartikel verwendet werden.
Werden bei der erfindungsgemäßen Zusammensetzung als anorganische Partikel z.B. Silberpartikel verwendet, wird bei dieser Ausführungsform eine gute Leitfähigkeit der resultierenden Bindeschicht gewährleistet; außerdem kann durch die Verwendung von Silber und einem anderen Metall bei der erfindungsgemäßen Zusammensetzung das Phänomen der Migration reduziert werden. Das andere Metall kann hier ein Metall mit einer niedrigeren Ionisierungsrate als Wasserstoff sein, d.h. Gold, Kupfer, Platin, Palladium.
Bei dieser Ausführungsform ist der gemittelte Partikeldurchmesser der anorganischen Partikel (bzw. anorganischen Kolloidpartikel) geeignet, den Schmelzpunkt abzusenken, z.B. 1–200 nm, besonders bevorzugt 2–100 nm. Beträgt der gemittelte Partikeldurchmesser mindestens 1 nm, wird die Bildung einer guten Bindeschicht durch die Zusammensetzung ermöglicht, ohne dass bei der Herstellung Mehrkosten anfallen. Durch einen Partikeldurchmesser von höchstens 200 nm wird vorteilhafterweise verhindert, dass sich die Dispersionseigenschaften der anorganischen Partikel mit der Zeit ändern.
Außerdem können bei Bedarf anorganischen Partikel im Mikrometerbereich hinzukommen. In diesen Fällen wird die Verbindung dadurch ermöglicht, dass die anorganischen Nanopartikel den Schmelzpunkt der Umgebung der anorganischen Partikel im Mikrometerbereich absenken.
Gemäß dieser Ausführungsform braucht der Durchmesser der anorganischen Partikel in der Zusammensetzung nicht einheitlich zu sein. Wenn die Zusammensetzung als optionale Bestandteile die nachfolgenden Dispergiermittel, polymeren Dispergiermittel, Harze, organischen Lösemittel, Verdickungsmittel oder Mittel zur Regelung der Oberflächenspannung, kann sie anorganische Kolloidbestandteile mit einem gemittelten Partikeldurchmesser von mehr als 200 nm umfassen, es können aber auch Partikel mit einem gemittelten Durchmesser von mehr als 200 nm verwendet werden, solange hierdurch keine Agglomerationen herbeigeführt werden und keine erheblichen Beeinträchtigungen der Wirkungen der vorliegenden Erfindung verursacht werden.
Bei dieser Ausführungsform kann der Partikeldurchmesser der anorganischen Partikel (anorganische kolloidale Dispersion) der erfindungsgemäßen Zusammensetzung durch dynamische Lichtstreuung, Kleinwinkel-Röntgenstreuung oder Weitwinkel-Röntgenbeugung gemessen werden. Die durch die Metallnanopartikel bewirkte Absenkung des Schmelzpunktes ist an dem durch Weitwinkel-Röntgenbeugung ermittelte Kristalldurchmesser zu erkennen. Im Falle der Weitwinkel-Röntgenbeugung kann die Messung mit dem RINT-Ultima III-Gerät von Rika Denki vorgenommen werden, wobei der 2θ-Wert 30–80 ° ist. Die Probe wird hierzu auf einen Glasträger mit einer etwa 0,1–1 mm tiefen Mulde gelegt und solange erstreckt, bis die Oberfläche flach wird. Als Partikeldurchmesser kann der Kristalldurchmesser (D) gelten, der dadurch ermittelt wird, dass die mit einem JADE-Gerät von Rika Denki bestimmte spektrale Breite des Beugungsspektrums in eine Scherrer-Formel eingefügt wird. D = Kλ/Bcosθ Hierbei gilt: K = Scherrer-Konstante (0,9), λ = Röntgen-Wellenlänge, B = Breite der Beugungslinie, θ = Braggscher Winkel
(1-2) Organischer Bestandteil
Der organische Bestandteil, der an mindestens einem Teil der Oberfläche der anorganischen Partikel haftet, d.h. der „organische Bestandteil“ in den anorganischen Kolloidpartikeln, stellt gemäß dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zusammensetzung als Dispergiermittel tatsächlich einen Bestandteil der anorganischen Kolloidpartikel dar. Die nachfolgenden ggf. in geringer Menge an den anorganischen Partikeln haftenden organischen Stoffe sind vom Begriff “organischer Bestandteil” im vorliegenden Sinne nicht umfasst: von Anfang an in geringer Menge im Metall vorhandene organische Verunreinigungen; organische Stoffe, die beim nachfolgend beschriebenen Herstellungsverfahren in geringer Menge mit dem Metallbestandteil gemischt wurden und an diesem haften; Reduktionsmittel-, Dispergiermittelreste usw., die beim Schritt des Waschens nicht entfernt werden konnten. Als “geringe Menge” gilt eine Menge, die weniger als 1 Masse % bezogen auf die Masse der anorganischen Kolloidpartikel beträgt.
Beim organischen Bestandteil kann es sich um einen beliebigen Stoff handeln, der die anorganischen Partikel beschichten und Agglomerationen dieser Partikel verhindern und Teil eines anorganischen Kolloidpartikels darstellen kann; die Art der Beschichtung unterliegt keiner besonderen Beschränkungen, gemäß dieser Ausführungsform umfasst dieser Bestandteil wegen des Dispersionsvermögens, der elektrischen Leitfähigkeit usw. vorzugsweise Amine und Carbonsäuren. Sind diese organischen Bestandteile chemisch oder physisch mit anorganischen Partikel verbunden und wandeln sich so in Anionen oder Kationen, so sind gemäß dieser Ausführungsform Ionen, Komplexe usw. auf der Basis dieser organischen Bestandteile vom Begriff des organischen Bestandteils mit umfasst.
Die Amine können linear oder verzweigt sein, und sie können auch Seitenketten umfassen. Als Beispiele seien genannt: Alkylamine wie z.B. Butylamin, Pentylamin, Hexylamin (lineare Alkylamine, die auch Seitenketten umfassen können), Cycloalkylamine wie z.B. Cyclopentylamin, Cyclohexylamin, primäre Amine wie z.B. Anilin, Arylamin, sekundäre Amine wie z.B. Dipropylamin, Dibutylamin, Piperidin, Hexamethylenimin, tertiäre Amine wie z.B. Tripropylamin, Dibutylpropandiamin, Cyclohexyldimethylamin, Piridin, Chinolin.
Bei den Aminen kann es sich auch um Verbindungen handeln, die funktionelle Gruppen, die keine Amine sind, wie z.B. Hydroxyl-, Carboxyl-, Alkoxy-, Carbonyl-, Ester-, Mercaptogruppen, umfassen. Die Amine können allein oder in Kombinationen von zwei oder mehr verwendet werden. Außerdem wird bevorzugt, dass sie bei RT einen Siedepunkt von höchstens 300 °C, besonders bevorzugt von höchstens 250 °C aufweisen.
Gemäß dieser Ausführungsform kann die Zusammensetzung neben dem Aminbestandteil auch Carbonsäuren umfassen, solange hierdurch die Wirkungen der Erfindung nicht beeinträchtigt werden. Die Carboxylgruppe weist in einem Carbonsäuremolekül eine relativ hohe Polarität auf und neigt wegen der Wasserstoffbindungen zu Wechselwirkungen, aber die übrigen Bestandteile mit Ausnahme dieser funktionellen Gruppe weisen eine relativ niedrige Polarität auf. Außerdem weisen Carboxylgruppen gute Säureeigenschaften auf. Außerdem, wenn bei dieser Ausführungsform die Carbonsäure in der Zusammensetzung auf mindestens einem Teil der Oberfläche der anorganischen Partikel lokalisiert ist (haftet) (d.h. mindestens einen Teil der Oberfläche der anorganischen Partikel abdeckt), werden organische und anorganische Partikel ausreichend aufeinander abgestimmt und Agglomerationen der anorganischen Partikel können verhindert (Erhöhung der Dispersität).
Als Carbonsäure werden generell Verbindungen verwendet, die mindestens eine Carboxylgruppe umfassen, z.B. Ameisensäure, Oxalsäure, Essigsäure, Hexansäure, Acrylsäure, Octylsäure, Ölsäure. Eine der Carboxylgruppen der Carbonsäure kann Metallsalze bzw. -ionen bilden. Es können auch zwei oder mehr Arten von Metallionen vorhanden sein.
Bei den Carbonsäuren kann es sich auch um Verbindungen handeln, die funktionelle Gruppen, die keine Carboxylgruppen sind, wie z.B. Hydroxyl-, Alkoxy-, Carbonyl-, Ester-, Mercaptogruppen, umfassen. In diesem Fall wird bevorzugt, dass die Carboxylgruppen in größerer Menge vorhanden sind als die funktionellen Gruppen, die keine Carboxylgruppen sind. Die Carbonsäuren können allein oder in Kombinationen von zwei oder mehr verwendet werden. Außerdem wird bevorzugt, dass sie bei RT einen Siedepunkt von höchstens 300 °C, besonders bevorzugt von höchstens 250 °C aufweisen. Amine und Carbonsäure bilden auch Amide. Da diese Amidgruppen auf die Oberfläche von Silberpartikel gut adsorbiert werden, kann der organische Bestandteil auch Amidgruppen umfassen.
Vorzugsweise beträgt der Anteil des organischen Bestandteils am anorganischen Kolloid der Zusammensetzung 0,5–50 Masse %. Wenn der Anteil des organischen Bestandteils mindestens 0,5 Masse % beträgt, wird die Lagerstabilität der resultierenden Zusammensetzung generell verbessert; ein Anteil von höchstens 50 Masse % verbessert generell die elektrische Leitfähigkeit der Zusammensetzung. Besonders bevorzugt liegt der organische Bestandteil zu 1–30 Masse % vor, noch weiter bevorzugt 2–15 Masse %.
Werden Amine und Carbonsäuren kombiniert, so können sie jeweils in einem beliebigen (Masse-)Verhältnis zwischen 1:99 und 99:1 vorliegen, bevorzugt wird aber ein Verhältnis zwischen 20:80 und 98:2, besonders bevorzugt zwischen 30:7 und 97:3. Es können auch mehrere Arten von Aminen oder Carbonsäuren verwendet werden.
Sofern dadurch die Wirkungen der Erfindung nicht beeinträchtigt werden, kann die Zusammensetzung zur Abstimmung der Viskosität, Haftung sowie der Trocknungs- und Druckeigenschaften auf den Verwendungszweck gemäß dieser Ausführungsform neben den vorgenannten Inhaltsstoffen wahlweise auch Dispergiermittel, polymere Dispergiermittel wie z.B. Oligomerbestandteile als Bindemittel, Harze, organische Lösemittel (die die Feststoffe z.T. auch auflösen oder dispergieren können), Tenside, Verdickungsmittel oder Mittel zur Regelung der Oberflächenspannung umfassen. Diese optionalen Bestandteile unterliegen dabei keinerlei besonderen Einschränkungen.
Sofern dadurch die Wirkungen der Erfindung nicht beeinträchtigt werden, kann es sich beim optionalen Dispergiermittel um verschiedene Dispergiermittel handeln, wie z.B. Kohlenwasserstoffe oder Alkohole.
Als Kohlenwasserstoffe kommen in Frage: aliphatische Kohlenwasserstoffe, zyklische Kohlenwasserstoffe, alizyklische Kohlenwasserstoffe sowie ungesättigte Kohlenwasserstoffe; diese können allein oder in Kombinationen von zwei oder mehr verwendet werden.
Als Beispiele für aliphatische Kohlenwasserstoffe seien genannt: Tetradecan, Octadecan, Heptamethylnonan, Tetramethylpentadecan, Hexan, Heptan, Octan, Nonan, Dekan, Tridecan, Methylpentan, normale Paraffine, Isoparaffine, die gesättigt oder auch ungesättigt seinkönnen.
Als Beispiele zyklischer Kohlenwasserstoffe seien genannt: Toluol, Xylol.
Als Beispiele alizyklischer Kohlenwasserstoffe seien genannt: Limonen, Dipentan, Terpinen, Nesol, Sinen, Orangenaroma, Terpinolen, Phellandren, Mentadien, Terpen, Cymol, Dihydrocymol, Moslen, Kautschin, Cajeputen, Oilimen, Pinen, Terpin, Terebinthin, Menthan, Pinan, Terpen, Cyclohexan.
Als Beispiele ungesättigter Kohlenwasserstoffe seien genannt: Ethylen, Acetylen, Benzol, 1-Hexen, 1-Octen, 4-Vinylcyclohexen, Terpenalkohol, Arylalkohol, Oleylalkohol, 2-Palmitoleinsäure, Petroserinsäure, Ölsäure, Elaidinsäure, (E)-8,11,12-Trihydroxydec-9-ensäure, Rizinolsäure, Linolsäure, Linoelaidinsäure, Linolensäure, Arachidonsäure, Acrylsäure, Methacrylsäure, Gallussäure, Salicylsäure.
Besonders bevorzugt sind dabei ungesättigte Kohlenwasserstoffe mit Hydroxylgruppen. Durch die Hydroxylgruppe können sich die anorganischen Partikel auf der Oberfläche leicht anordnen und die Bildung von Agglomerationen der anorganischen Partikel wird verhindert. Als Beispiele ungesättigter Kohlenwasserstoffe mit Hydroxylgruppen seien genannt: Terpenalkohol, Arylalkohol, Oleylalkohol, (E)-8,11,12-Trihydroxydec-9-ensäure, Rizinolsäure, Gallussäure, Salicylsäure. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine ungesättigte Fettsäure mit einer Hydroxylgruppe wie z.B. (E)-8,11,12-Trihydroxydec-9-ensäure, Rizinolsäure, Gallussäure und Salicylsäure.
Vorzugsweise handelt es sich beim ungesättigten Kohlenwasserstoff um Rizinolsäure. Die Rizinolsäure umfasst sowohl Carboxyl- als auch Hydroxylgruppen, wird auf die Oberfläche der anorganischen Partikel absorbiert und sorgt so für eine gleichmäßige Dispersion und eine gute Haftung der anorganischen Partikel.
Bei Alkoholen handelt es sich um Verbindungen, deren molekulare Struktur mindestens eine OH-Gruppe umfasst, wie z.B. aliphatische Alkohole, zyklische Alkohole, alizyklische Alkohole; diese können allein oder in Kombinationen von zwei oder mehr verwendet werden. Sofern dadurch die Wirkungen der Erfindung nicht beeinträchtigt werden, können die OH-Gruppen zum Teil z.B. von Acetoxygruppen abgleitet sein.
Als Beispiele aliphatischer Alkohole seien genannt: gesättigte oder ungesättigte aliphatische C6-30-Alkohole wie z.B. Heptanol, Octanol (1-Octanol, 2-Octanol, 3-Octanol usw.), Nonanol, Decanol (1-Decanol usw.), Laurylalkohol, Tetradecylalkohol, Cetylalkohol, Isotridecanol, 2-Ethyl-1-hexanol, Octadecylalkohol, Hexadecenol, Oleylalkohol.
Als Beispiele zyklischer Alkohole seien genannt: Cresol, Eugenol.
Als Beispiele alizyklischer Alkohole seien genannt: Cycloalkanole wie z.B. Cyclohexanol, Terpineol (α-, β-, γ-Isomere und beliebige Mischungen davon), Terpenalkohole (Monoterpenalkohole usw.) wie z.B. Dihydroterpineol, Myrtenol, Sobrerol, Menthol, Carveol, Perillylalkohol, Pinocarveol, Verbenol.
Die Menge des in der Zusammensetzung evtl. enthaltenen Dispergiermittels kann gemäß dieser Ausführungsform je nach den gewünschten Eigenschaften wie z.B. Viskosität eingestellt werden; vorzugsweise liegt das Dispergiermittel in einer Menge von 1–30 Masse % vor. Ein Dispergiermittelgehalt von 1–30 Masse % ergibt eine Viskosität der Zusammensetzung, die der Verwendung als Bindemittel zuträglich ist. Besonders bevorzugt liegt das Dispergiermittel zu 1–20 Masse % vor, noch weiter bevorzugt 1–15 Masse %.
Als polymeres Dispergiermittel kann ein im Handel erhältliches polymeres Dispergiermittel verwendet werden. Als Beispiele der im Handel erhältlichen Dispergiermittel seien genannt: (SOLSPERSE) 11200, 13940, 16000, 17000, 18000, 20000, 24000, 26000, 27000, 28000 (Nihon Lubrizol); DISPERBYK 142, 160, 161, 162, 163, 166, 170, 180, 182, 184, 190, 2155 (Byk Chemie Japan); EFKA-46, EFKA-47, EFKA-48, EFKA-49 (EFKA Chemical); Polymer 100, 120, 150, 400, 401, 402, 403, 450, 451, 452, 453 (EFKA Chemical); Ajisper PB711, PA111, PB811, PW911 (Ajinomoto); Floren DOPA-15B, DOPA-22, DOPA-17, TG-730 W, G-7 00, TG- 7 2 0W (Kyoeisha Kagaku Kogyo). Aus Sicht der Sinterungsleistung bei niedrigen Temperaturen und der Stabilität der Dispersion werden hierbei Solsperse 11200, 13940, 16000, 17000, 18000, 28000, Disperbyk 142 oder 2155 bevorzugt.
Das polymere Dispergiermittel liegt vorzugsweise in einer Menge von 0,1–15 Masse % vor. Liegt das polymere Dispergiermittel in einer Menge von mindestens 0,1 % vor, so ergibt sich eine gute Stabilität der Dispersion; es kommt jedoch zu einer Verschlechterung der Haftungseigenschaften, wenn zuviel davon in der Zusammensetzung enthalten ist. Entsprechend wird besonders bevorzugt, dass das polymere Dispergiermittel in einer Menge von 0,03–3 Masse %, ganz besonders bevorzugt 0,05–2 Masse % vorliegt.
Als Harz kommen in Frage z.B. Polyesterharz, Polyurethanharze wie z.B. Blockdiisocyanat, Polyacrylatharze, Polyacrylamidharze, Polyätherharze, Melaninharze oder Terpenharze, die allein oder in Kombinationen aus 2 oder mehr Harzen verwendet werden können.
Als Beispiele organischer Lösemittel – mit Ausnahme der oben aufgeführten Dispergiermittel – kommen in Frage: Methylalkohol, Ethylalkohol, n-Proplylalkohol, 2-Propylalkohol, 1,3-Propandiol, 1,2-Propandiol, 1,4-Butandiol, 1,2,6-Hexantriol, 1-Ethoxy-2-propanol, 2-Butoxyethanol, Ethylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol, Polyethylenglykole mit einem gewichtsgemittelten Molekulargewicht zwischen 200 und 1000, Dipropylenglykol, Tripropylenglykol, Polypropylenglykole mit einem gewichtsgemittelten Molekulargewicht zwischen 300 und 1000, N,N-Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, N-Methyl-2-pyrrolidon, N,N-Dimethylacetamid, Glycerin oder Aceton, die allein oder in Kombinationen von 2 oder mehr verwendet werden können.
Als Beispiele von Verdickungsmittel seien genannt: Tonmineralien wie z.B. Ton, Bentonit, z.B. Polyester-Emulsionsharze, Acryl-Emulsionsharze, Polyurethan-Emulsionsharze oder Cellulosederivate wie z.B. Blockdiisocyanaat-Emulsionsharze, Methylcellulose, Carboxymethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, Polysaccharide wie z.B. Xanthan oder Guaran; diese können allein oder in Kombinationen von zwei oder mehr verwendet werden.
Es können auch Tenside verwendet werden, die sich von den vorgenannten organischen Bestandteilen unterscheiden. Ist die anorganische Kolloiddispersion ein Mehrkomponenten-Lösemittelsystem, kann es infolge von Unterschieden der Verflüchtigungsgeschwindigkeit zu Schäden oder Verformungen der beschichteten Oberfläche kommen. Diese Nachteile können bei dieser Ausführungsform durch die Aufnahme eines Tensids in die Zusammensetzung überwunden werden, was eine gleichmäßige Leitfähigkeit der Beschichtung ergibt.
Als Beispiele der bei dieser Ausführungsform verwendbaren Tenside seien insbesondere genannt: anionische Tenside, kationische Tenside, nicht ionische Tenside wie z.B. Alkylbenzolsulfonsäuresalze, tertiäre Ammoniumsalze. Bevorzugt werden fluorhaltige Tenside, da diese bereits in geringer Menge wirksam sind.
Der organische Stoffgehalt kann vorteilhafterweise innerhalb eines bestimmten Bereichs durch Erwärmen eingestellt werden. Hierzu ist es auch möglich, bei der Herstellung der anorganischen Partikel die Menge der hinzuzugebenden organischen Bestandteile einzustellen oder die Bedingungen oder Wiederholungszahl des an die Einstellung der anorganischen Partikel anschließenden Waschvorgangs zu ändern. Die Erwärmung kann in einem Ofen oder Verdampfer erfolgen, und zwar auch bei reduziertem Druck. Bei Umgebungsdruck kann die Trocknung in Luft- oder Inertgasatmosphäre erfolgen. Zur Feinabstimmung des organischen Stoffgehalts können die vorgenannten Amine (bzw. Carbonsäuren) auch nachher hinzugegeben werden.
Bei dieser Ausführungsform der Zusammensetzung können als anorganischer Hauptbestandteil kolloidalisierte anorganische Kolloidpartikel verwendet werden, die z.B. insbesondere in den nachfolgenden Formen vorliegen können: anorganische Kolloidpartikel, die durch Haften der organischen Bestandteile an einem Teil der Oberfläche der anorganischen Partikel gebildet werden, anorganische Kolloidpartikel, bei denen die anorganischen Partikel den Kern darstellt, dessen Oberfläche mit organischen Partikeln beschichtet ist, oder Kombinationen davon. Besonders bevorzugt sind anorganische Kolloidpartikel, bei denen die anorganischen Partikel den Kern darstellt, dessen Oberfläche von organischen Partikeln beschichtet ist. Der Fachmann ist in der Lage, anhand des allgemeinen Fachwissens anorganische Kolloidpartikel in den vorgenannten Formen herzustellen.
Gemäß dieser Ausführungsform der Zusammensetzung stellen Kolloidpartikel, die aus anorganischen und organischen Partikeln bestehen, den Hauptbestandteil dar; darin können aber außer den anorganischen Partikeln und anorganischen Kolloidpartikeln, die den organischen Bestandteil bilden, auch organische Bestandteile, die keine anorganischen Kolloidpartikel bilden, sowie Dispergiermittel oder Reduktionsmittelreste enthalten sein.
Da die Viskosität der erfindungsgemäßen Zusammensetzung bei etwa 25 °C und einer Schergeschwindigkeit von 10 s–1 10 Pa/s übersteigt, kann eine übermäßige Fließfähigkeit der Zusammensetzung vermieden werden. Deshalb kann z.B. beim Montieren von LED-Chips vermieden werden, dass die Zusammensetzung sich über die zu beschichtende Schnittstellenfläche hinaus ausbreitet und zur Bildung von Kantenabrundungen auf den Seiten des LED-Chips führt.
Indem die Viskosität bei 25 °C und einer Schergeschwindigkeit von 10 s–1 weniger als 30 Pa/s beträgt, wird auch eine zu niedrige Fließfähigkeit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung vermieden. Da sich die Zusammensetzung kreisförmig ausbreitet, kann es bei zu niedriger Fließfähigkeit der Zusammensetzung beim Montieren des Chips einer LED vorkommen, dass die Zusammensetzung sich über den gesamten Chip ausbreitet, was zu Kantenabrundungen auf einer Seite z.B. des LED-Chips führen kann. Wenn hingegen die Viskosität bei etwa 5°C und einer Schergeschwindigkeit von 10 s–1 höchstens 30 Pa/s beträgt, kann die Bildung dieser Kantenabrundungen vermieden werden.
Da bei der erfindungsgemäßen Zusammensetzung der Thixotropieindex (bei einer Schergeschwindigkeit von 1 s–1 und etwa 25 °C gemessene Viskosität, geteilt durch bei einer Schergeschwindigkeit von 10 s–1 und etwa 25 °C gemessene Viskosität) mindestens 3 beträgt, wird verhindert, dass sich die Zusammensetzung beim Beschichten in einem großen Umfang ausbreitet, was der Bildung von Kantenabrundungen entgegenwirken kann.
Indem der Thixotropieindex (bei einer Schergeschwindigkeit von 1 s–1 und etwa 25 °C gemessene Viskosität, geteilt durch bei einer Schergeschwindigkeit von 10 s–1 und etwa 25 °C gemessene Viskosität) höchstens 7 beträgt, kann verhindert werden, dass die Beschichtung mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung verbogen wird und dass z.B. beim Montieren eines LED-Chips eine ungleichmäßige Verteilung der Zusammensetzung zu Kantenabrundungen führt.
Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Zusammensetzung zur Verbindung von LEDs mit Substraten verwendet. Da, wie oben erläutert, durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung die Bildung von Kantenabrundungen verhindert werden kann, wird auch verhindert, dass die Lichtausbeute des LED-Pakets infolge von Kantenabrundungen abgesenkt wird.
Wenn ein mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung beschichteter LED-Chip laminiert wird und LED-Chip und Substrat durch Brennen der erfindungsgemäßen Zusammensetzung verbunden werden, wird ferner bevorzugt, dass im Wesentlichen auf der gesamten Schnittstellenfläche des Substrats und des LED-Chips eine Brennschicht gebildet wird und die Höhe etwaiger Kantenabrundungen der Zusammensetzung 10 µm unterschreitet.
Indem die Höhe etwaiger Kantenabrundungen der Zusammensetzung auf einer Seite des LED-Chips 10 µm unterschreitet, kann die Reduzierung der Lichtausbeute des LED-Pakets sehr wirksam begrenzt werden.
Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung kann ohne Rücksicht auf die Größe und Form des Chips sowie die Dicke der Brennschicht der Zusammensetzung die Höhe von Kantenabrundungen eingeschränkt werden. Es ist z.B. möglich, als Größe (Fläche) des Chips 0,2 × 2 mm und als Stärke der Brennschicht 1–50 µm zu wählen.
Das Substrat kann mit der Zusammensetzung durch Eintauchen, Siebdruck, Sprühen, Rakelstreichen, Rotationsbeschichtung, Tintenstrahldruck, Dispenserbeschichtung, Pin Transfer, Pinselbeschichtung, Guss, Flexodruck, Tiefdruck, Offsetdruck, Transferdruck, Hydrophil-Hydrophob-Musterdruck oder Spritzen aufgetragen werden.
Die Viskosität kann durch Regeln des Partikeldurchmessers der anorganischen Partikel, Regeln des Anteils der organischen Bestandteile, Regeln der Zugabe von Dispergiermitteln usw., Regeln des Mischverhältnisses der jeweiligen Bestandteile, die Zugabe von Verdickungsmitteln, usw. geregelt werden. Die Viskosität der Zusammensetzung kann z.B. mit einem Kegel-Platten-Viskosimeter (z.B. dem Rheometer MCR301 der Fa. Anton Parr) gemessen werden.
(1-3) Reduzierung des Gewichts der Zusammensetzung
Gemäß dieser Ausführungsform werden die Haftungseigenschaften der Zusammensetzung dadurch optimiert, dass die Gewichtsabnahme unter allen Bedingungen geregelt wird.
Vorzugsweise beträgt die Gewichtsaufnahme der Zusammensetzung, wenn man diese bei RT in Luftatmosphäre 6 h lang stehen lässt, höchstens 0,5 Masse %; in einer Luftatmosphäre beträgt die Gewichtsabnahme vorzugsweise höchstens 3,0 Masse %, wenn die Temperatur mit einer Heizrate von 10 °C/min von RT auf 100 °C erwärmt wird.
Wenn die Gewichtsabnahme der Zusammensetzung nach 6 h Stehen bei RT in Luftatmosphäre 0,5 Masse % übersteigt, kann die Viskosität durch Verflüchtigung der Bestandteile erhöht werden, was die Handlingeigenschaften der Zusammensetzung verschlechtern kann. Um die Druckeigenschaften der Zusammensetzung über längere Zeit aufrecht zu erhalten, wird bevorzugt, dass die Gewichtsabnahme bei 6 h Stehen bei RT in Luftatmosphäre höchstens 0,3 Masse % beträgt.
Da die nach 6 h Stehenlassen der Zusammensetzung bei RT in einer Luftatmosphäre eintretende Gewichtsabnahme v.a. auf die Verflüchtigung der organischen Stoffe sowie der als Dispergiermittel verwendeten organischen Bestandteile zurückzuführen ist, wird dadurch die Menge der niedrigsiedenden Bestandteile verringert. Dies lässt sich ohne weiteres dadurch regeln, dass diese Bestandteile z.B. in einem Verdampfer entfernt werden.
Ferner, wenn die Gewichtsabnahme, die eintritt, wenn die Zusammensetzung unter Luftatmosphäre bei einer Heizrate von 10 °C/min von RT auf 100 °C erwärmt wird, 3,0 Masse % übersteigt, werden die Handlingeigenschaften der Zusammensetzung durch die von der raschen Verflüchtigung der Bestandteile bei RT herbeigeführten Viskositätsänderungen verschlechtert. Vorzugsweise beträgt die Gewichtsabnahme, die eintritt, wenn die Zusammensetzung in einer Luftatmosphäre bei einer Heizrate von 10 °C/min von RT auf 100 °C erwärmt wird, höchstens 2,0 Masse %, besonders bevorzugt höchstens 1,0 Masse %.
Da die Gewichtsabnahme, die eintritt, wenn die Zusammensetzung bei einer Heizrate von 10 °C/min von RT auf 100 °C erwärmt wird, v.a. auf organische Stoffe und als Dispergiermittel verwendete organische Stoffe mit einem SP-Wert von mindestens 10 zurückzuführen ist, wird die verbleibende Menge an niedrigsiedenden Bestandteilen in der Zusammensetzung reduziert. Dies lässt sich ohne weiteres dadurch regeln, dass diese Bestandteile z.B. in einem Verdampfer entfernt werden.
Wenn die Zusammensetzung ferner unter Luftatmosphäre bei einer Heizrate von 10 °C/min von RT auf 500 °C erwärmt wird, beträgt die Gewichtsabnahme vorzugsweise höchstens 20,0 Masse %.
Wie oben erwähnt, kommt es zum oxidativen Abbau der organischen Partikel, die zu einem Großteil in Gasform verschwinden, wenn die erfindungsgemäße Zusammensetzung unter einer Luftatmosphäre auf etwa 500 °C erwärmt wird. Wenn das Gewicht der Zusammensetzung unter Luftatmosphäre bei Erwärmung von Raumtemperatur (RT) auf 500 °C bei einer Heizrate von 10 °C/min um mehr als 20 Gew. % abnimmt, kommt es nach dem Brennen zu Lücken in der Brennschicht (Bindeschicht), die die Haftfestigkeit und Leitfähigkeit der Brennschicht (Bindeschicht) reduzieren. Wenn hingegen das Gewicht der Zusammensetzung bei einer Erwärmung von RT auf 500 °C unter Luftatmosphäre bei einer Heizrate von 10 °C/min um 20 % oder weniger abnimmt, kann bei einer Schweißtemperatur von etwa 200 °C eine Brennschicht (Bindeschicht) mit hoher Leitfähigkeit hergestellt werden. Wenn aber die Gewichtsabnahme der Zusammensetzung zu gering ist, wird die Stabilität der Dispersion im Kolloidzustand eingebüßt, also wird bevorzugt, dass die Gewichtsabnahme bei einer Erwärmung von RT auf 500 °C unter Luftatmosphäre bei einer Heizrate von 10 °C/min mindestens 0,1 Masse %, besonders bevorzugt von 0,5–18,0 Masse % liegt.
Die Gewichtsabnahme, die eintritt, wenn die Zusammensetzung bei einer Heizrate von 10 °C/min von RT auf 500 °C erwärmt wird, ist v.a. auf alle in der Zusammensetzung enthaltenen organischen Bestandteile zurückzuführen, und kann dadurch geregelt werden, dass Art und Menge der als Inhaltsstoffe verwendeten organischen Bestandteile geregelt werden.
(2) Herstellung der Bindemittelzusammensetzung
Zur Herstellung dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zusammensetzung werden mit organischen Bestandteilen (Nebenbestandteilen) beschichtete anorganische Partikel (Hauptbestandteile, anorganische Kolloidpartikel) präpariert.
Das Verfahren zur Präparation der organischen Bestandteile und zur Herbeiführung der Gewichtsabnahme unterliegen keiner besonderen Einschränkung; dies kann durch Erwärmung oder Dekompression erfolgen. Hierzu ist es auch möglich, bei der Herstellung der anorganischen Partikel die Menge der hinzuzugebenden organischen Bestandteile einzustellen oder die Bedingungen oder Wiederholungszahl des an die Einstellung der anorganischen Partikel anschließenden Waschvorgangs zu ändern. Die Erwärmung kann mit einem Verdampfer durchgeführt werden. Hierbei sollte die Heiztemperatur zwischen etwa 50–300 °C liegen, und die Erwärmungsdauer zwischen einigen Minuten und einigen Stunden liegen. Indem die Erwärmung unter reduziertem Druck erfolgt, kann die Präparation bei einer niedrigeren Temperatur vorgenommen werden. Bei Umgebungsdruck kann dies in Luft- oder Inertgasatmosphäre erfolgen. Zur Feinabstimmung des organischen Stoffgehalts können die vorgenannten Amine bzw. Carbonsäuren auch nachher hinzugegeben werden.
Die Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform kann hergestellt werden, wenn im Ergebnis der Präparation die Gewichtsabnahme bei 6 h Stehen unter Luftatmosphäre bei RT höchstens 0,5 Masse % beträgt und die Gewichtsabnahme bei Erwärmen der Zusammensetzung unter Luftatmosphäre von RT auf 100 °C bei einer Heizrate von 10 °C/min höchstens 3,0 Masse % beträgt. Ferner, wenn die Zusammensetzung unter Luftatmosphäre bei einer Heizrate von 10 °C/min von RT auf 500 °C erwärmt wird, beträgt die Gewichtsabnahme vorzugsweise höchstens 20,0 Masse %.
Die Präparation der mit organischen Bestandteilen beschichteten anorganischen Partikel kann gemäß dieser Ausführungsform durch ein beliebiges geeignetes Verfahren erfolgen, z.B. indem eine Dispersion, die die anorganischen Partikel enthält, präpariert und die Dispersion dann gereinigt wird. Zur Präparation der die anorganischen Partikel enthaltenden Dispersion kann z.B., wie nachfolgend näher beschrieben, ein in der Lösung aufgelöstes Metallsalz (oder Metallion) reduziert werden; es kann sich hierbei um eine Reduktion mit chemischen Mitteln handeln.
D.h. die der obigen Beschreibung entsprechend mit organischen Bestandteilen beschichteten anorganischen Partikel können also dadurch präpariert werden, dass eine rohe Flüssigkeit (in der alle Bestandteile nicht völlig aufgelöst zu sein brauchen), die ein Metallsalz, aus dem die anorganischen Partikel bestehen, organische Stoffe als Dispergiermittel und Lösemittel (grundsätzlich ein organisches Lösemittel wie z.B. Toluol, es kann aber auch Wasser enthalten sein) enthält, reduziert wird.
Durch diese Reduktion werden die als Dispergiermittel fungierenden organischen Bestandteile an mindestens einen Teil der Oberfläche der anorganischen Partikel adsorbiert, woraus sich Kolloidpartikel ergeben. Diese anorganischen Kolloidpartikel können auch in diesem Zustand als Bindemittelzusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform fungieren, es kann aber ggf. mit einem Verfahren, das nachfolgend noch näher beschrieben wird, ein Dispergiermittel hinzugegeben werden, um eine aus anorganischen Kolloidpartikeln bestehende Bindemittelzusammensetzung zu ergeben.
Bei den Rohstoffen, aus denen die mit organischen Stoffen beschichteten anorganischen Partikel hergestellt werden, kann es sich um verschiedene bekannte Metallsalze oder deren Hydrate handeln, z.B. Silbersalze wie z.B. Silbernitrat, Silbersulfat, Silberchlorid, Silberoxid, Silberacetat, Silberoxalat, Ameisensäuresilbersalz, Silbernitrat, Silberchlorat, Silbersulfid; Goldsalze wie z.B. Tetrachloridogoldsäure, Kaliumtetrachloraurat, Natriumtetrachloraurat;
Platinsalze wie z.B. Hexachloridoplatinsäure, Platinchlorid, Platinoxid, Kaliumhexachlorplatinat; Palladiumsalze wie z.B. Palladiumnitrat, Palladiumacetat, Palladiumchlorid, Palladiumoxid, Palladiumsulfid; diese unterliegen keinerlei besonderen Beschränkungen, sofern sie in einem beliebigen Dispergiermittel aufgelöst werden können und reduzierbar sind. Sie können auch allein oder in Kombinationen verwendet werden.
Die Reduktion dieser Metallsalze in der vorgenannten Rohstoffflüssigkeit kann grundsätzlich durch ein beliebiges geeignetes Verfahren vorgenommen werden, z.B. mit Reduktionsmitteln, Bestrahlung, z.B. mit UV-Licht, Elektronenstrahlen, Ultraschall oder Aussetzung an thermische Energie. Die Verwendung von Reduktionsmitteln wird nach praktischen Gesichtspunkten besonders bevorzugt.
Beim Reduktionsmittel kann es sich um ein beliebiges Reduktionsmittel handeln, das sich in der Dispersion auflösen und die vorgenannten Metallsalze reduzieren kann; als Beispiele seien genannt: Aminverbindungen wie z.B. Dimethylaminoethanol, Methyldiethanolamin, Triethanolamin, Phenidon, Hydrazin; Wasserstoffverbindungen wie z.B. Natriumcyanoborhydrid, Jodwasserstoff, Wasserstoffgas; Oxide wie z.B. Kohlenmonoxid, schwefelige Säure; Metallsalze mit niedriger Wertigkeit wie z.B. Eisensulfat, Eisenoxid, Eisenfumarat, Eisenlactat, Eisenoxalat, Eisensulfid, Zinnacetat, Zinndiphosphat, Zinnborat, Zinnoxid, Zinnsulfat; Zucker wie z.B. Ethylenglykol, Glycerin, Formaldehyd, Hydrochinon, Pyrogallol, Tannin, Gerbsäure, Salicylsäure, D-Glucose. Bei Verwendung der vorgenannten Reduktionsmittel kann die Reduktion durch mithilfe von Licht oder Wärme gefördert werden.
Im Einzelnen können die mit organischen Bestandteilen beschichteten Metallpartikel (anorganische Partikel) unter Verwendung der vorgenannten Metallsalze, organischen Bestandteile, Lösemittel und Reduktionsmittel z.B. mit den nachfolgenden Verfahren präpariert werden: Auflösen des Metallsalzes in einem organischen Lösemittel (z.B. Toluol) zur Herstellung einer Metallsalzlösung, Hinzugeben eines organischen Stoffs als Dispergiermittel zur Metallsalzlösung, gefolgt durch tropfenweises Hinzugeben eines in einer Lösung aufgelösten Reduktionsmittels.
Die derart hergestellte Dispersion, die die mit organischen Bestandteilen (als Dispergiermittel) beschichteten anorganischen Partikel umfasst, enthält neben den anorganischen Partikeln die Gegenionen der Metallsalze, Reduktionsmittelreste und Dispergiermittel, und die Elektrolytenkonzentration der Flüssigkeit ist insgesamt generell hoch. Da die Leitfähigkeit der Flüssigkeit in diesem Zustand hoch ist, können sich die anorganischen Partikel verfestigen und ausfallen. Selbst wenn keine Präzipitation eintritt, kann sich eine Verschlechterung der Leitfähigkeit ergeben, wenn die Gegenionen der Metallsalze, Reduktionsmittelreste oder überschüssiges Dispergiermittel in der Flüssigkeit verbleiben. Indem durch die Reinigung der die anorganischen Partikel enthaltenden Lösung diese Rückstände entfernt werden, kann die Herstellung der mit organischen Bestandteilen beschichteten anorganischen Partikel gewährleistet werden.
Die Reinigung der Dispersion, die die mit organischen Bestandteilen beschichteten anorganischen Partikel enthält, kann z.B. dadurch erfolgen, dass man die Dispersion für eine bestimmte Zeit stehen lässt, den derweil entstandenen Überstand entfernt, Alkohol (z.B. Methanol) hinzugibt und noch einmal rührt, noch einmal stehen lässt und den derweil entstandenen Überstand wieder entfernt; statt des Stehenlassens kann auch eine Zentrifuge, Ultrafiltrationsvorrichtung oder Ionenaustauschvorrichtung zur Entsalzung verwendet werden. Indem z.B. mit diesen Reinigungsschritten die organischen Lösemittel entfernt werden, können die mit organischen Bestandteilen beschichteten anorganischen Partikel gemäß dieser Ausführungsform hergestellt werden.
Bei dieser Ausführungsform wird die anorganische Kolloiddispersion durch Mischen der bereits hergestellten, mit organischen Bestandteilen beschichteten anorganischen Partikel mit der oben beschriebenen Dispersion hergestellt. Die Mischung der mit anorganischen Bestandteilen beschichteten anorganischen Partikel und der Dispersion kann mit einem beliebigen geeigneten Verfahren, insbesondere z.B. durch ein Rührwerk oder eine ähnliche bekannte Vorrichtung vorgenommen werden. Sie kann auch mit einem Spachtel o.ä. gerührt und mit einem Homogenisierer bei entsprechender Leistung bearbeitet werden. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung wird also durch Reinigen der anorganischen Partikel (Kolloid), Hinzugeben eines Dispergiermittels zur Herstellung einer Paste und Trocknen unter reduziertem Druck hergestellt.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung kann dadurch hergestellt werden, dass Art und Menge der anorganischen Partikel, Dispersion, die anderen organischen Stoffe und Zusatzstoffe derart gewählt werden und die Trocknung unter reduziertem Druck derart durchgeführt wird, dass sich eine bei einer Schergeschwindigkeit von 10 s–1 und etwa 25 °C gemessene Viskosität von 10–30 Pa/s und ein Thixotropieindex (bei einer Schergeschwindigkeit von 1 s–1 und etwa 25 °C gemessene Viskosität, geteilt durch bei einer Schergeschwindigkeit von 10 s–1 und etwa 25 °C gemessene Viskosität) von 3–7 ergeben.
Zur Herstellung einer Kolloiddispersion, die mehrere Metalle umfasst, kann ein beliebiges geeignetes Verfahren verwendet werden; zur Herstellung einer anorganischen Kolloiddispersion, die aus Silber und weiteren Metallen besteht, können z.B. bei der Präparation der mit organischen Stoffen beschichteten anorganischen Partikel die die anorganischen Partikel enthaltende Dispersion und die die anderen anorganischen Partikel enthaltende Dispersion getrennt hergestellt und danach gemischt und mit einer Silberionlösung und anderen Metallionlösungen gemischt und anschließend reduziert werden.
(3) Verbindungsverfahren
Unter Verwendung der Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform kann eine Verbindung zwischen Komponenten mit einer relativ hohen Haftfestigkeit unter Erwärmen hergestellt werden. D.h. zunächst wird die erfindungsgemäße Zusammensetzung zwischen der ersten Komponente (LED-Chip) und der zweiten Komponente (Substrat) aufgetragen, und die Beschichtung zwischen der ersten und zweiten Komponente wird dann bei einer gewünschten Temperatur (z.B. höchstens 300 °C, vorzugsweise 150–200 °C) gebrannt, um die Bindung zwischen den beiden Komponenten herzustellen. Hierbei können die Komponenten zwar mit Druck beaufschlagt werden, einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung besteht jedoch darin, dass eine ausreichende Haftfestigkeit auch ohne Druckbeaufschlagung erreichbar ist. Es ist auch möglich, beim Brennen die Temperatur stufenweise zu erhöhen und abzusenken. Außerdem ist es möglich, die Schnittstellenflächen mit Tenside usw. zu beschichten.
Selbst wenn eine längere Zeit zwischen der Beschichtung der Schnittstellenflächen mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung und der Erwärmung liegt, kann unter Verwendung der Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform ein zufriedenstellendes Verbindungselement hergestellt werden. Die Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform findet auch vorteilhafte Anwendung in einer Serienfertigungslinie z.B. für elektronische Geräte.
Nach eingehenden Nachforschungen haben die Erfinder festgestellt, dass bei Verwendung der Zusammensetzung gemäß den obigen Ausführungsformen in einem oben beschriebenen Beschichtungsschritt eine hohe Haftfestigkeit zwischen der ersten und zweiten Komponente noch zuverlässiger erreicht werden kann (bzw. ein noch zuverlässigeres Verbindungselement), wobei auch die Bildung von Kantenabrundungen wirksam eingeschränkt werden kann.
Im vorliegenden Sinne ist unter “Beschichten” zu verstehen, dass die Zusammensetzung flächig oder linear aufgetragen (gestrichen) werden kann. Die Form der Beschichtung, die aus der aufgetragenen, aber noch nicht erwärmten und gebrannten Bindemittelzusammensetzung besteht, kann eine beliebige gewünschte Form sein. Ferner umfasst der Begriff des Beschichtens bei einem bereits erwärmten und gebrannten Verbindungselement gemäß dieser Ausführungsform die Auftragung einer flächigen und einer linearen Bindeschicht, die aneinander grenzen oder diskontinuierlich können, oder teilweise aneinander grenzen und teilweise diskontinuierlich sein können.
Als erste und zweite Komponente zur Verwendung gemäß diese Ausführungsform sind beliebige Komponenten geeignet, die zur Herstellung einer Bindung mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung beschichtet, erwärmt und gebrannt werden können, es werden aber Komponenten bevorzugt, deren Wärmebeständigkeit ausreicht, damit sie bei der Temperatur beim Verbindungsvorgang nicht beschädigt werden.
Geeignet sind z.B. Komponenten aus Polyestern wie z.B. Polyamid (PA), Polyimid (PI), Polyamidimid (PAI), Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylennaphthalat (PEN) sowie aus Polycarbonat (PC), Polyethersulfon PES), Vinylharz, Fluorharz, Flüssigkristallpolymeren, Keramik, Glas oder Metall; vorzugsweise handelt es sich um Komponenten aus Metall. Komponenten aus Metall sind deshalb bevorzugt, weil sie eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit sowie eine ausgezeichnete Affinität für die erfindungsgemäße Zusammensetzung, bei der die anorganischen Partikel Metallpartikel sind, aufweist.
Die Komponenten können z.B. platten- oder streifenförmig sein und steif oder biegsam sein. Auch die Dicke des Substrats kann beliebig gewählt werden. Insbesondere zur Verbesserung der (Klebe-)Haftung wird die Verwendung von Komponenten mit einer Deckschicht und Komponenten, die einer hydrophilisierenden Oberflächenbehandlung unterzogen worden sind.
Die Beschichtung der Zusammensetzung auf den Komponenten kann auf verschiedenerlei Weisen erfolgen; es kann z.B. ein beliebiges aus der nachfolgenden Gruppe gewähltes Verfahren verwendet werden: Eintauchen, Siebdruck, Sprühen, Rakelstreichen, Rotationsbeschichtung, Tintenstrahldruck, Dispenserbeschichtung, Pin Transfer, Pinselbeschichtung, Guss, Flexodruck oder Spritzen.
Die nach dem Beschichtungsvorgang entstandene Schicht kann z.B. auf höchstens 300 °C (sofern dadurch die Komponente nicht beschädigt wird) erwärmt und gebrannt werden, um das Verbindungselement gemäß dieser Ausführungsform herzustellen. Gemäß dieser Ausführungsform wird, wie oben erwähnt, durch die Verwendung der Zusammensetzung eine Bindeschicht mit ausgezeichneter Haftung an den Komponenten sowie eine starke Haftfestigkeit erreicht.
Wenn gemäß dieser Ausführungsform die Zusammensetzung ein Bindemittel umfasst, wird dieses zur Verbesserung der Stärke der Bindeschicht und zur Verbesserung der Haftfestigkeit zwischen den Komponenten auch gebrannt; wenn das Bindemittel v.a. dazu verwendet wird, um die Viskosität der Zusammensetzung auf bestimmte Druckverfahren abzustimmen, kann es durch Regeln der Brennbedingungen vollständig wieder entfernt werden.
Zum Brennen kann ein beliebiges geeignetes Verfahren verwendet werden; es kann z.B. auf bekannte Art in einem Ofen usw. erfolgen, wobei die Temperatur der Beschichtung auf der Komponente z.B. 300 °C nicht übersteigt, um die Bindung den nachfolgenden Ausführungen entsprechend herzustellen. Beim Brennvorgang gilt keine untere Temperaturgrenze; bevorzugt wird eine Temperatur, die die Verbindung der Komponenten ermöglicht und die Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt. Zur Erreichung der bestmöglichen Haftfestigkeit der gebrannten Bindemittelzusammensetzung sollten die organischen Reste möglichst gering sein; es können aber organische Reste z.T. noch verbleiben, solange hierdurch die Wirkungen der Erfindung nicht beeinträchtigt werden.
Zwar umfasst die erfindungsgemäße Zusammensetzung organische Stoffe, anders als die bekannten Bindemittel auf der Basis von Duroplasten wie z.B. Epoxidharz wird die Haftfestigkeit nach dem Brennen nicht etwa durch die Wirkung der organischen Stoffe sondern durch die Haftung der anorganischen Partikel erreicht. Deshalb wird diese Haftfestigkeit selbst dann nicht reduziert, wenn nach der Herstellung der Bindung die organischen Bestandteile im Einsatz bei höheren Temperaturen als der Brenntemperatur beschädigt oder abgebaut werden, was auch eine ausgezeichnete Langlebigkeit ergibt.
Da die Zusammensetzung gemäß dieser Ausführungsform durch Brennen bei niedrigen Temperaturen wie z.B. 150–200 °C eine Bindeschicht mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit ergibt, kann sie zur Bindung von Komponenten mit relativ niedriger Wärmebeständigkeit verwendet werden. Es kann ferner eine beliebige geeignete Brennzeit gewählt werden, die bei der gewählten Temperatur zur Herstellung der Bindung ausreicht.
Um die Haftung zwischen den Komponenten noch weiter zu verbessern können sie gemäß dieser Ausführungsform einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden. Als Beispiele dieser Oberflächenbehandlungen seien genannt: trockene Behandlungen wie z.B. Koronabehandlung, Plasmabehandlung, UV-Behandlung, Elektronenstrahlbehandlung sowie die Auftragung von Primerschichten oder Aufnahmeschichten für leitfähige Paste.
(4) Verbindungeselement für elektronische Bauteile
Gemäß dieser Ausführungsform handelt es sich beim Verbindungselement für elektronische Bauteile um ein Verbindungselement zum Verbinden eines LED-Chips mit einem Substrat, wobei Substrat und LED-Chip unter Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung verbunden werden.
Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung wird selbst bei der serienmäßigen Fertigung von Verbindungselementen wird eine Brennschicht auf der ganzen Schnittstellenfläche zwischen Substrat und LED-Chip, und die Höhe etwa auf der Seite des LED-Chips ausgebildeter Kantenabrundungen beträgt weniger als 10 µm. Deshalb kann die Reduzierung der Lichtausbeute des LED-Pakets durch Kantenabrundungen eingeschränkt werden.
Größe und Form des Chips sowie die Dicke der Brennschicht der Zusammensetzung können beliebig gewählt werden; die Größe (Fläche) des Chips kann z.B. 0,2 mm × 0,2 mm–2,0 mm × 2,0 mm betragen und die Dicke der Brennschicht kann 1–50 µm betragen.
Vorstehend sind repräsentative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert worden, die vorliegende Erfindung ist auf diese Ausführungsformen jedoch nicht beschränkt. Die oben beschriebenen anorganische Kolloiddispersion, bei der die anorganischen Partikel Metallpartikel sind, kann z.B. aus anorganischen Partikeln Indiumzinnoxid, Aluminiumdioxid, Bariumtitanat, Lithiumeisenphosphat bestehen (bzw. mit diesen gemischt werden), die in puncto elektrische und Wärmeleitfähigkeit, Ionenleitfähigkeit usw. ausgezeichnet sind.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung wird anhand von Ausführungsbeispielen noch weiter erläutert, die jedoch keineswegs als Einschränkung der vorliegenden Erfindung auszulegen sind.
Ausführungsbeispiele
Ausführungsbeispiel 1
Es wurden 0,60 g Dodecylamin (Wako Pure Chemical Industries, Reagenz der 1. Klasse), 7,0 g Hexylamin (Wako Pure Chemical Industries, Reagenz der 1. Klasse), 3,0 g Butylamin (Wako Pure Chemical Industries, Reagenz der 1. Klasse) gemischt und mit einem Magnetrührer gründlich gerührt. Beim Rühren wurde die Mischung durch die Zugabe von 7,0 Silberoxalat (Toyo Kagaku Kogyo, Sonderreagenz) verdickt.
Dann wurde die resultierende zähflüssige Substanz in einen auf 100 °C eingestellten Behälter mit konstanten Temperatur überführt und 10 min lang umgesetzt. Nach der Reaktion wurde der Dispersion zum Wechsel des Dispergiermittels 10 ml Methanol (Wako Pure Chemical Industries, Reagenz der 1. Klasse) hinzugegeben und die Suspension wurde gerührt; dann wurden die Silbermikropartikel durch Zentrifugation ausgefällt und separiert, und den separierten Silbermikropartikeln wurde wieder 10 ml Methanol (Wako Pure Chemical Industries, Reagenz der 1. Klasse) hinzugegeben; dann wurden die Silbermikropartikel durch Rühren und Zentrifugation ausgefällt und separiert.
Als Dispergiermittel wurden den resultierenden Silbermikropartikeln 0,15 Dihydroterpenylacetat und 0,1 g Ölsäure hinzugegeben und die Mischung wurde gerührt. Nachdem die Mischung mit einer Membranpumpe einige Minuten lang dekomprimiert wurden, wurden die Methanolrückstände verdampft, was die Bindemittelzusammensetzung 1 ergab. Der gemittelte Durchmesser der Silbermikropartikel erwies sich per Weitwinkel-Röntgenbeugung als 20 nm.
Bewertung
(1) Scherviskosität der Zusammensetzung
Die Viskosität der Zusammensetzung 1 wurde mit einem Kegel-Platten-Viskosimeter (Anton Parr, Rheometer MCR 301). Messbedingungen, -modus: Schermodus, Schergeschwindigkeit: 1 s–1 oder 10 s–1, Messgerät: Kegel-Platten-Viskosimeter (CP-50-2, 50 mm Durchmesser, Winkel 2 °, Lücke 0,045 mm) Probemenge: 5 g, Messtemperatur: 25 °C. Die Scherviskosität, die bei einer Schergeschwindigkeit von 1 s–1 gemessen wurde, sowie der Thixotropieindex, d.h. (bei einer Schergeschwindigkeit von 1 s–1 gemessene Scherviskosität) / (bei einer Schergeschwindigkeit von 10 s–1 gemessene Viskosität), ist jeweils der Tabelle 1 zu entnehmen.
(2) Untersuchung der Höhe der Kantenabrundungen
Mit einem Die Bonder (Hisol) wurde 10 µg der Zusammensetzung I auf eine Aluminiumdioxidplatte mit Silberplattierung auf der Oberfläche (3 × 3 mm); darauf wurde ein handelsüblicher blauer LED-Chip (Epista, ES-CADBV24H, Bodenfläche: 600 × 600 µm, Höhe 150 µm, Gewicht: 0,2 mg) gelegt.
Dann wurde die resultierende laminierte Komponente in einen Umluft-Herdwagenofen bei 200 °C gebracht und 120 min lang unter Luftatmosphäre durch Erwärmen gebrannt. Die Komponente wurde dem Ofen entnommen und gekühlt, und dann wurde die Höhe der Kantenabrundungen mit einem Videomikroskop (Keyence) gemessen. Die Messwerte sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
(3) Haftfestigkeitsmessung
Mit einem Bondtester (Rhesca) wurde die Scherfestigkeit der gebrannten Komponente untersucht. Die Schälfestigkeit wurde durch die Bodenfläche des Chips geteilt, um die Haftfestigkeit pro Flächeneinheit (MPa) zu ermitteln. Bei einem Wert von mindestens 20 MPa galt die Prüfung als bestanden, bei einem Wert, der 20 MPa unterschritt, als nicht bestanden; die Ergebnisse sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
(4) Bewertung der Beleuchtungseigenschaften
Mit einem Spektrophotometer (Hamamatsu Photonics) wurde die Leuchtdichte des gebrannten blauen LED-Chips gemessen. Die anfängliche Leuchtdichte galt dabei als 100, und die relativen Werte wurden nach 1000 h Dauerbeleuchtung bei 85 °C und 85 % Luftfeuchtigkeit ermittelt; die Ergebnisse sind der Tabelle 1 zu entnehmen. Die Leuchtdichte (anfängl.) der in der Tabelle 1 aufgeführten Vergleichsbeispiele entsprechen der relativen Leuchtdichte, wenn die Leuchtdichte des Ausführungsbeispiels 1 gleich 100 ist.
Ausführungsbeispiel 2
Die Zusammensetzung 2 wurde dem Ausführungsbeispiel 1 entsprechend hergestellt, wobei als Dispergiermittel 0,15 g Dihydroterpinylacetat und 0,1 5 1-Decanol (Wako Pure Chemical Industries, Reagenz der 1. Klasse) verwendet wurden; die Eigenschaften der Zusammensetzung 2 wurden jeweils nach Ausführungsbeispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Ausführungsbeispiel 3
Die Zusammensetzung 3 wurde dem Ausführungsbeispiel 1 entsprechend hergestellt, wobei als Dispergiermittel 0,15 g Dihydroterpinylacetat und 0,1 g Terusolve MTPH (Nippon Terpene) verwendet wurden; die Eigenschaften der Zusammensetzung 3 wurden jeweils nach Ausführungsbeispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Ausführungsbeispiel 4
Die Zusammensetzung 4 wurde dem Ausführungsbeispiel 1 entsprechend hergestellt, wobei als Dispergiermittel 0,15 g Terpineol (Wako Pure Chemical Industries, Reagenz der 1. Klasse) und 0,1 g Ölsäure verwendet wurden; die Eigenschaften der Zusammensetzung 4 wurden jeweils nach Ausführungsbeispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Ausführungsbeispiel 5
Die Zusammensetzung 5 wurde dem Ausführungsbeispiel 1 entsprechend hergestellt, wobei als Dispergiermittel 0,15 g Terpineol (Wako Pure Chemical Industries, Reagenz der 1. Klasse) und 0,1 g 1-Decanol verwendet wurden; die Eigenschaften der Zusammensetzung 5 wurden jeweils nach Ausführungsbeispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Vergleichsbeispiel 1
Die Vergleichszusammensetzung 1 wurde nach Ausführungsbeispiel 1 hergestellt, wobei aber das Gewicht des Dispergiermittels Dihydroterpinylacetat 0,10 g betrug; die Eigenschaften wurden jeweils nach Ausführungsbeispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Vergleichsbeispiel 2
Die Vergleichszusammensetzung 2 wurde nach Ausführungsbeispiel 1 hergestellt, wobei aber das Gewicht des Dispergiermittels Dihydroterpinylacetat 0,40 g betrug; die Eigenschaften wurden jeweils nach Ausführungsbeispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Vergleichsbeispiel 3
Die Vergleichszusammensetzung 3 wurde nach Ausführungsbeispiel 1 hergestellt, wobei aber als Dispergiermittel 0,15 g 1-Decanol verwendet wurde; die Eigenschaften wurden jeweils nach Ausführungsbeispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Vergleichsbeispiel 4
Die Vergleichszusammensetzung 4 wurde nach Ausführungsbeispiel 1 hergestellt, wobei aber als Dispergiermittel 0,30 g 1-Decanol verwendet wurde; die Eigenschaften wurden jeweils nach Ausführungsbeispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Vergleichsbeispiel 5
Die Vergleichszusammensetzung 5 wurde nach Ausführungsbeispiel 1 hergestellt, wobei aber als Dispergiermittel 0,1 g 1-Nonanol (Wako Pure Chemical Industries, Reagenz der 1. Klasse) verwendet wurde; die Eigenschaften wurden jeweils nach Ausführungsbeispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Vergleichsbeispiel 6
Die Vergleichszusammensetzung 6 wurde nach Ausführungsbeispiel 1 hergestellt, wobei aber als Dispergiermittel 0,2 g 1-Nonanol (Wako Pure Chemical Industries, Reagenz der 1. Klasse) verwendet wurde; die Eigenschaften wurden jeweils nach Ausführungsbeispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Vergleichsbeispiel 7
Die Vergleichszusammensetzung 7 wurde dem Ausführungsbeispiel 1 entsprechend hergestellt, wobei als Dispergiermittel 0,2 g 1-Decanol und 0,1 g Dipentene T (Nippon Terpene) verwendet wurden; die Eigenschaften der Zusammensetzung 3 wurden jeweils nach Ausführungsbeispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Vergleichsbeispiel 8

Die Vergleichszusammensetzung 8 wurde dem Ausführungsbeispiel 1 entsprechend hergestellt, wobei als Dispergiermittel 0,2 g 1-Nonanol (Wako Pure Chemical Industries, Reagenz der 1. Klasse) und 0,1 g Dipentene T (Nippon Terpene) verwendet wurden; die Eigenschaften der Zusammensetzung 3 wurden jeweils nach Ausführungsbeispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse sind der Tabelle 1 zu entnehmen. Tabelle 1

Gegenstand	Scherviskositä t (1 s–1)	Scherviskosität (10 s–1)	Thixotropieindex	Höhe Kantenabrundungen (µm)	Haftfestigkeit	Haftfestigkeit (anfängl.)	Leuchtidchte (nach 1000 h)
Ausführungsbeispiel 1	106	23,5	4,5	0	O	100	99
Ausführungsbeispiel 2	66,7	17,4	3,8	0	O	100	96
Ausführungsbeispiel 3	82,1	11,9	6,9	0	O	100	97
Ausführungsbeispiel 4	152,3	28,2	5,4	0	O	100	94
Ausführungsbeispiel 5	96,3	27,5	3,5	0	O	100	95
Vergleichsbeispiel 1	205,0	46,0	4,5	40	O	89	80
Vergleichsbeispiel 2	2,4	0,6	4,1	11	O	92	84
Vergleichsbeispiel 3	211,0	25,6	8,2	45	O	82	74
Vergleichsbeispiel 4	34,6	15,3	2,3	21	O	91	81
Vergleichsbeispiel 5	34,8	5,9	4,8	16	O	93	86
Vergleichsbeispiel 6	154	20,5	7,5	35	O	90	82
Vergleichsbeispiel 7	75,3	27,9	2,7	15	O	92	84
Vergleichsbeispiel 8	249,6	39,0	6,4	21	O	91	80

An den in der Tabelle 1 aufgeführten Ergebnissen ist zu erkennen, dass bei der Zusammensetzung gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung keine Kantenabrundungen gebildet werden. Ferner ist die anfängliche Leuchtdichte hoch, und wird selbst nach 1000 h noch annähernd aufrechterhalten. Demgegenüber kam es bei den Zusammensetzungen der Vergleichsbeispiele zur Bildung von 11–45 µm hohen Kantenabrundungen, und die anfängliche Leuchtdichte ist auch niedriger als bei den Ausführungsbeispielen. Außerdem ist die Abnahme der Leuchtdichte nach Ablauf von 1000 h deutlich größer als bei den Ausführungsbeispielen. Die resultierenden Komponenten wiesen auch Scherfestigkeiten von 20 MPa oder höher auf.

Claims

Bindemittelzusammensetzung mit anorganischen und organischen Bestandteilen bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass der gemittelte Partikeldurchmesser der anorganischen Partikel 1–200 nm beträgt, die Viskosität bei etwa 25 °C und einer Schergeschwindigkeit von 1 s–1 10–30 Pa/s beträgt, wobei der Thixotropieindex R, d.h. bei einer Schergeschwindigkeit von 1 s–1 und einer Temperatur von etwa 25 °C gemessene Viskosität V₁, geteilt durch die bei einer Schergeschwindigkeit von 10 s–1 gemessene Viskosität V₁₀, 3–7 beträgt.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Verbindung eines LED-Chips mit einem Substrat verwendet wird.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenn auf das mit der Zusammensetzung beschichtete Substrat der LED-Chip gelegt wird, eine Brennschicht auf etwa der Oberfläche der ganzen Beschichtung gebildet wird, wenn die Bindung zwischen LED-Chip und Substrat durch Brennen der Zusammensetzung hergestellt wird und dass die Höhe etwa auf einer Seite des LED-Chips gebildeten Kantenabrundungen 10 µm unterschreitet.
Verbindungselement für elektronische Bauteile, dadurch gekennzeichnet, dass es sich dabei um ein mit einem LED-Chip und einem Substrat verbundenes Verbindungselement handelt, wobei Substrat und LED-Chip mithilfe der Zusammensetzung nach einem der vorstehenden Ansprüche verbunden wurden.