EP2760611A1 - Ausgangswerkstoff einer sinterverbindung und verfahren zur herstellung der sinterverbindung - Google Patents

Ausgangswerkstoff einer sinterverbindung und verfahren zur herstellung der sinterverbindung

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Publication number
EP2760611A1
EP2760611A1 EP12766629.5A EP12766629A EP2760611A1 EP 2760611 A1 EP2760611 A1 EP 2760611A1 EP 12766629 A EP12766629 A EP 12766629A EP 2760611 A1 EP2760611 A1 EP 2760611A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
acid
starting material
sintered
flux
compound
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12766629.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Rittner
Christiane FRUEH
Michael Guenther
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2760611A1 publication Critical patent/EP2760611A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/838—Bonding techniques
    • H01L2224/8384—Sintering

Definitions

  • the invention relates to a sintered compound, a starting material thereof and a method for the production thereof, furthermore an electronic circuit containing the sintered connection, according to the preamble of the independent
  • Power electronics are used in many areas of technology. Especially in electrical or electronic devices in which large currents flow, the use of power electronics is unavoidable. The currents required in the power electronics lead to a self-heating of the electrical or electronic components contained.
  • the components of the power electronics can be used in places that are constantly exposed to an elevated temperature. Examples include control devices in the automotive sector, which are arranged directly in the engine compartment or in the gear compartment. In this case, the control unit is also exposed to a constant temperature change, whereby the electrical and / or electronic components contained are subjected to high thermal loads. In general, temperature changes in a range up to a temperature of 200 degrees Celsius are common. However, more and more operating temperatures are increasingly required. As a result, overall increased demands are placed on the reliability and reliability of electrical or electronic devices with power electronics.
  • solder joints are known, for example, lead-free solder joints of tin-silver or tin-silver-copper.
  • lead-containing soldered joints can be used.
  • lead-containing solder joints are severely limited by legal regulations for reasons of environmental protection in terms of their permissible technical applications.
  • lead-free brazing alloys are available for use at elevated or high temperatures, in particular above 200 degrees Celsius.
  • Lead-free brazing alloys generally have a higher melting point than 200 ° C. The problem with this is that with the use of brazing material to form a bonding layer only a few electrical or electronic components come as joining partners in question, which can withstand the high temperatures during melting of the brazing alloys.
  • sintered connections which can be processed at low temperatures and yet are suitable for operation at elevated temperatures.
  • the patent application DE 102007046901 AI shows such sintered connections.
  • a paste-like starting material comprising readily decomposable silver compounds and silver flakes or nanosilver is used.
  • copper may be contained in the starting material, for example.
  • Solvents are added to form the paste.
  • the silver compounds decompose to form the elemental silver and form together with the silver flakes and the nanosilver, the sintered compound.
  • the sintered compound is used to contact two elements. When using the described starting material, the contacting can already take place with low contact pressures of the contacting partners.
  • DE 60221433 T2 discloses a sintered compound which is produced from a paste containing particles of a silver compound. In addition to the particles from the silver compound, a reducing agent in dissolved form is also included. At a temperature treatment of the sintering paste below 200 ° C, the silver compound is reduced to the elemental silver to form the
  • Metals numerous nano- or micro-sized metallic particles, coatings gen, solvents, additives, reducing agents, crystallization inhibitors, wetting agents and others.
  • the invention is based on the object to provide a starting material of a sintered compound, with which a sintered compound can be produced in a simple manner, which generally has good adhesion in particular on copper surfaces and on precious metal surfaces.
  • the starting material according to the invention of a sintered compound comprises sinterable particles of at least one metal or at least one metal compound and at least one flux in the function of a reducing agent. Characteristic of the invention is that the flux is at the same time the solvent of the starting material.
  • the solvent which is usually provided in a starting material of a sintered compound, replaced by the use of the flux - in particular completely. It should preferably be provided no solvent in addition to the flux in the material.
  • the flux contained in the starting material is advantageously capable of reducing (ie, deoxidizing) the surface of a joining partner on which the starting material is applied on sintering, preventing re-oxide formation on the surface before and during the sintering process, and To reduce inclusions of foreign substances.
  • the function of the flux differs fundamentally from that of the commonly used solvent, which is by definition inert to the dissolved or dispersed constituents.
  • an oxide-free surface of the joining partner is ensured by means of the flux provided in the starting material, so that the sintered connection to be formed adheres to it can.
  • the flux is also able to act as a reducing agent with respect to the particles contained in the starting material.
  • particles containing a metal compound, in particular an oxide compound are reduced to the elemental metal. In this way, it is ensured that the particles contained in the starting material, in particular at their contact surfaces to each other, have particularly good conditions for sintering.
  • rosin rosin-based resin systems or systems based on carboxylic acids
  • carboxylic acids having 2-50 carbon atoms and with up to two aromatic rings, such as benzoic acid, citric acid, adipic acid, cinnamic acid and benzylic acid
  • Fatty acids for example saturated fatty acids, such as oleic acid, myristic acid, palmitic acid, margaric acid, stearic acid or arachic acid
  • dicarboxylic acids for example malonic acid, maleic acid, octanoic, nonanoic, dodecanoic acid
  • amino acids for example glutamic acid, hydroxycarboxylic acids, for example Lactic acid, naphthols, enols, phenols, amines, such as 6-100 carbon amines, which may preferably be tertiary, alcohols, such as glycol or glycerin.
  • the flux is non-volatile at storage temperature, such as room temperature.
  • the flux is selected such that a reduction process described above is still below the sintering temperature of the particles contained in the starting material.
  • the volume ratio of particles used to flux used in the starting material according to the invention for example, 1: 1. However, it can also be varied, for example, to adjust the viscosity and the sintering properties in a wide range.
  • the proportion by weight of the flux based on the total weight of the starting material may for example be between 5% by weight and 40% by weight.
  • the proportion of the flux is preferably in the range of 5-20% by weight, more preferably in the range of 7-18% by weight and particularly preferably in the range of 9-16% by weight, based on the weight of the starting material.
  • a particularly high thermal and / or electrical conductivity of the sintered compounds produced from the starting material according to the invention then results.
  • due to the reduction process only small amounts of gaseous by-products accumulate.
  • the sinterable particles are particularly high thermal and / or electrical conductivity of the sintered compounds produced from the starting material according to the invention.
  • Suitable metal particles are flakes or powders with particle sizes in the nanometer or micrometer range.
  • the sinterable particles may be selected, for example, based on silver, copper or aluminum and mixtures thereof which are readily soluble in one another, such as Cu / Ag, Au / Ag, Cu / Au, Ag / Au, Ag / Pd, and Pd / Pt.
  • metal compounds, in particular oxide compounds, of the aforementioned materials are also conceivable.
  • the sinterable particles can be coated with an organic material, with an organic metal compound and / or with a metal oxide or with a mixture thereof.
  • the coating of the sinterable particles as organic material can be a primary or secondary alcohol, an amine, an organic acid and / or a fatty acid, in particular isostearic acid, stearic acid, oleic acid, lauric acid, myristic acid, palmitic acid, octanoic acid , Decanoic acid or a mixture thereof.
  • the reducing effect of the flux can be positively influenced with regard to the surface of the sinterable particles made available in situ.
  • a silver carbonate, a silver lactate, a silver stearate or a sodium carbonate is present as the organic metal compound and / or silver oxide or copper oxide as the noble metal oxide, in particular as a coating on the particles.
  • these are
  • the sintered compound formed in this way from the starting material has a particularly high thermal and / or electrical conductivity.
  • the sinterable particles are preferably spherical and / or platelet-shaped.
  • a mixture of such particle geometries optionally together with spherical particles allows a high density of the sintered compound formed from the starting material.
  • the flux is an organic acid, in particular an aromatic carboxylic acid such as, for example, benzoic acid, formic acid, acetic acid, malonic acid, maleic acid, octanoic, nonanoic, dodecanoic acid; Glutamic acid, citric acid, adipic acid, cinnamic acid or lactic acid.
  • aromatic carboxylic acid such as, for example, benzoic acid, formic acid, acetic acid, malonic acid, maleic acid, octanoic, nonanoic, dodecanoic acid
  • Glutamic acid citric acid, adipic acid, cinnamic acid or lactic acid.
  • the starting material is preferably provided as a paste.
  • the viscosity of the paste is significantly adjustable by the admixed flux or a flux mixture.
  • the invention further relates to a sintered compound prepared from a starting material as described above, wherein the sintered compound has an electrical conductivity between 30 MS / m and 45 MS / m, in particular between 36 MS / m and 44 MS / m.
  • a sintered compound made of a raw material as described above may have a thermal conductivity between 200 W / mK and 300 W / mK.
  • the thermal conductivity of the sintered connection can be between 220 W / mK and 275 W / mK.
  • the sintered compound may be a silver sintered compound.
  • the silver sintered compound is formed from a starting material containing particles of silver and / or silver compounds and formic acid as a flux.
  • formic acid is present in Partially excellent chemical reactivity to oxides and is easy to evaporate residue.
  • a silver sintered bonding layer is particularly preferred because silver particles are readily sinterable and processable with excellent electrical and thermal conductivity properties and mechanical properties of the sintered layer.
  • the invention further relates to an electronic circuit with a sintered connection as described above, wherein the electronic circuit is the sintered connection as an electrical, thermal and / or mechanical connection of an electronic component to, in particular, a copper component or a component with copper surface.
  • a sintered compound which is made from the starting material according to the invention, can achieve a very good adhesion.
  • the flux which in particular keeps the copper surface oxide-free during the joining operation, is provided sufficiently and the contacting of the surface to be joined is not disturbed by additionally present solvent, which develops additional volumes of vapor during the joining process.
  • the invention further relates to a method for forming a thermally and / or electrically conductive sintered compound.
  • a starting material of the type described which is brought between, for example, two joining partners.
  • Preferred joining partners are electrical and / or electronic components with contact points, which are brought into direct physical contact with the starting material.
  • the starting material can be applied in the form of a printing paste, for example by means of screen or stencil printing on the contact points.
  • the order is possible through injection or dispensing.
  • the sintered compound by a temperature treatment of the
  • the temperature treatment can be in one Step by step or in several steps. Typically, the temperatures in this step in the range of 150 ° C to about 350 ° C, in particular, the components to be joined and their materials represent an upward limiting factor, since a deterioration of the electronic components by the temperature treatment is to be avoided ,
  • Bonding partners with contact points made of a noble metal for example gold, silver or an alloy of gold or silver, are preferably provided. More preferably, contact points are provided with a copper surface.
  • the flux can then cause a reduction in particular of possible oxides on the surface of the joining partner and / or on the surface of the sinterable particles, which results in improved results of the resulting assembly.
  • the flux can dissolve a possibly present coating of the sinterable particles in order to activate them for the subsequent sintering step. This can be done, for example, by the flux catalyzing a combustion reaction of the coating, bringing the coating into the liquid phase and thereby allowing it to evaporate more easily or bonding to the coating to form an inert material.
  • the component to be joined can first be immersed in a bath of pure flux at least with the surface to be joined, and then the starting material is provided on the joining surface.
  • Fig. 1 shows schematically the starting material according to the present invention in the form of a paste
  • Fig. 2 shows schematically an electronic circuit according to the present invention.
  • FIG. 1 schematically shows a starting material 100 of a sintered compound 12 according to the present invention in paste form, which comprises sinterable particles 102 of at least one metal or at least one metal compound and at least one flux 103.
  • the flux 103 is at the same time the solvent of the starting material 100, which can advantageously be used in particular on copper surfaces.
  • the sinterable particles 102 may in particular contain silver, gold, platinum, palladium and / or copper and have an optional coating 105 which is formed from an organic material, with an organic metal compound and / or with a metal oxide or a mixture thereof.
  • the optional coating 105 of the sinterable particles 102 may contain as organic material a primary or secondary alcohol, an amine, an organic acid and / or a fatty acid, in particular isostearic acid, stearic acid, oleic acid, lauric acid or a mixture thereof.
  • the coating 105 may contain silver carbonate, silver lactate, silver stearate or sodium carbonate, and as the metal oxide, the optional coating 105 of the sinterable particles 102 may include, in particular, silver oxide or copper oxide.
  • the flux 103 is preferably an organic acid, in particular an aromatic carboxylic acid, such as benzoic acid, formic acid, acetic acid, citric acid, adipic acid, cinnamic acid, a dicarboxylic acid, such as malonic acid, maleic acid, octanoic, nonanoic, dodecanoic acid; an amino acid such as glutamic acid, a hydroxycarboxylic acid acid, such as lactic acid, or a naphthol, enol or phenol, and preferably liquid or liquefiable at drying or sintering temperatures.
  • aromatic carboxylic acid such as benzoic acid, formic acid, acetic acid, citric acid, adipic acid, cinnamic acid, a dicarboxylic acid, such as malonic acid, maleic acid, octanoic, nonanoic, dodecanoic acid
  • an amino acid such as glutamic acid, a hydroxycarboxylic
  • FIG. 2 schematically shows an electronic circuit with a sintered connection 112 made of the starting material of the present invention, the electronic circuit comprising the sintered connection 112 as electrical, thermal and / or mechanical connection of an electronic component 110 to, in particular, a copper component or a component with a copper surface 1 11 includes.
  • the starting material for the sintered compound 1 12 is in the form of a printing paste or an ink-jet ink or as a molded part and was applied with a printing or adhesive or with a lamination process on the components to be joined 11 1 and 1 10 or contacted with these. Subsequently, the sintered compound 1 12 is formed by temperature and / or pressurization of the starting material.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sinterverbindung, einen Ausgangswerkstoff derselben und ein Verfahren zu deren Herstellung, weiterhin eine die Sinterverbindung enthaltende elektronische Schaltung, wobei der Ausgangswerkstoff sinterbare Partikel (102) aus mindestens einem Metall oder mindestens einer Metallverbindung und mindestens ein Flussmittel (103) umfasst. Erfindungsgemäß ist das Flussmittel (103) ein Reduktionsmittel und zugleich das Lösungsmittel des Ausgangswerkstoffs (100).

Description

Beschreibung
Titel
Ausgangswerkstoff einer Sinterverbindung und Verfahren zur Herstellung der
Sinterverbindung
Die Erfindung betrifft eine Sinterverbindung, einen Ausgangswerkstoff derselben und ein Verfahren zu deren Herstellung, weiterhin eine die Sinterverbindung ent- haltende elektronische Schaltung, gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen
Ansprüche.
Stand der Technik
Leistungselektronik wird in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Gerade in elektrischen oder elektronischen Geräten, in welchen große Ströme fließen, ist der Einsatz von Leistungselektronik unumgänglich. Die in der Leistungselektronik notwendigen Stromstärken führen zu einer Eigenerwärmung der enthaltenen elektrischen oder elektronischen Komponenten. Zusätzlich können die Komponenten der Leistungselektronik an Orten eingesetzt sein, die ständig einer erhöhten Temperatur ausgesetzt sind. Als Beispiele sind Steuergeräte im Automobilbereich zu nennen, die unmittelbar im Motorraum oder im Getrieberaum angeordnet sind. Dabei ist das Steuergerät außerdem einem ständigen Temperaturwechsel ausgesetzt, wodurch die enthaltenen elektrischen und/oder elektronischen Komponenten thermisch stark belastet werden. Im Allgemeinen sind Temperaturwechsel in einem Bereich bis zu einer Temperatur von 200 Grad Celsius üblich. Es werden jedoch zunehmend auch darüber hinaus gehende Einsatztemperaturen gefordert. Dadurch werden insgesamt erhöhte Anforderungen an die Zuverlässigkeit und die Funktionssicherheit von elektrischen oder elektronischen Geräten mit Leistungselektronik gestellt.
Üblicherweise erfolgt eine Anbindung von elektrischen oder elektronischen Komponenten - beispielsweise auf ein Trägersubstrat - durch eine Verbindungsschicht. Als eine derartige Verbindungsschicht sind Lotverbindungen bekannt, beispielsweise bleifreie Lotverbindungen aus Zinn-Silber oder Zinn-Silber-Kupfer.
Bei höheren Einsatztemperaturen sind bleihaltige Lotverbindungen einsetzbar. Bleihaltige Lotverbindungen sind jedoch durch gesetzliche Bestimmungen aus Gründen des Umweltschutzes hinsichtlich ihrer zulässigen technischen Anwendungen stark beschränkt. Alternativ bieten sich für den Einsatz bei erhöhten bzw. hohen Temperaturen, insbesondere über 200 Grad Celsius, bleifreie Hartlote an. Bleifreie Hartlote weisen in der Regel einen höheren Schmelzpunkt als 200°C auf. Problematisch daran ist, dass bei der Verwendung von Hartlot zur Ausbildung einer Verbindungsschicht nur wenige elektrische oder elektronische Komponenten als Fügepartner in Frage kommen, die den hohen Temperaturen beim Schmelzen der Hartlote standhalten können.
Eingesetzt werden auch Sinterverbindungen, die bereits bei niedrigen Temperaturen verarbeitet werden können und die dennoch für einen Betrieb bei erhöhten Temperaturen geeignet sind. So zeigt die Patentanmeldung DE 102007046901 AI derartige Sinterverbindungen. Zur Herstellung einer Sinterverbindung wird ein pastenförmiger Ausgangswerkstoff umfassend leicht zersetzbare Silberverbindungen sowie Silberflocken oder Nanosilber verwendet. Weiterhin kann im Ausgangswerkstoff beispielsweise Kupfer enthalten sein. Zur Ausbildung der Pastenform werden Lösungsmittel beigemischt. Bei einer Temperaturbehandlung des Ausgangswerkstoffs unter 300°C zersetzen sich die Silberverbindungen unter Ausbildung des elementaren Silbers und bilden zusammen mit den Silberflocken und dem Nanosilber die Sinterverbindung aus. Die Sinterverbindung wird eingesetzt zum Kontaktieren zweier Elemente. Die Kontaktierung kann bei einer Verwendung des beschriebenen Ausgangswerkstoffes bereits mit niedrigen Anpressdrücken der Kontaktierungspartner erfolgen.
Die DE 60221433 T2 offenbart eine Sinterverbindung, die aus einer Paste hergestellt wird, welche Partikel aus einer Silberverbindung enthält. Neben den Partikeln aus der Silberverbindung ist auch ein Reduktionsmittel in gelöster Form enthalten. Bei einer Temperaturbehandlung der Sinterpaste unterhalb von 200°C wird die Silberverbindung zum elementaren Silber reduziert unter Bildung der
Sinterverbindung.
Die US 6,951 ,666 zeigt die Herstellung unterschiedlicher Sinterverbindungen. Dabei werden allgemeine Kombinationsmöglichkeiten verschiedener Ausgangs- elemente beschrieben. Als Ausgangselemente sind unter Anderem molekulare
Metalle, zahlreiche metallische Partikel in Nano- oder Mikrogröße, Beschichtun- gen, Lösungsmittel, Additive, reduzierende Mittel, Kristallisationshemmer, Benetzungsmittel und weitere genannt.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Ausgangswerkstoff einer Sinterverbindung bereitzustellen, mit welchem in einfacher Weise eine Sinterverbindung hergestellt werden kann, welche insbesondere auf Kupferoberflächen und auf Edelmetalloberflächen allgemein eine gute Haftung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Sinterverbindung, einen Ausgangswerkstoff derselben und ein Verfahren zu deren Herstellung, weiterhin durch eine die Sinterverbindung enthaltende elektronische Schaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Der erfindungsgemäße Ausgangswerkstoff einer Sinterverbindung umfasst sinterbare Partikel aus mindestens einem Metall oder mindestens einer Metallverbindung und mindestens ein Flussmittel in der Funktion eines Reduktionsmittels. Kennzeichnend für die Erfindung ist, dass das Flussmittel zugleich das Lösungsmittel des Ausgangswerkstoffs ist.
Mit anderen Worten wird das Lösungsmittel, welches üblicherweise in einem Ausgangswerkstoff einer Sinterverbindung vorgesehen ist, durch die Verwendung des Flussmittels - insbesondere vollständig - ersetzt. Es soll bevorzugt kein Lösungsmittel zusätzlich zum Flussmittel im Werkstoff vorgesehen sein.
Das in dem Ausgangswerkstoff enthaltene Flussmittel ist in vorteilhafter Weise in der Lage, die Oberfläche eines Fügepartners, auf welcher der Ausgangswerkstoff aufgetragen ist, beim Sintern zu reduzieren (d. h. zu entoxidieren), die erneute Oxidbildung vor und während des Sintervorgangs auf der Oberfläche zu verhindern und Einschlüsse von Fremdstoffen zu verringern. Hierin unterscheidet sich die Funktion des Flussmittels grundlegend von der des üblich eingesetzten Lösungsmittels, welches definitionsgemäß inert ist gegenüber den gelösten oder dispergierten Bestandteilen. In vorteilhafter Weise ist mittels dem im Ausgangs- werkstoff vorgesehene Flussmittel eine oxidfreie Oberfläche des Fügepartners sichergestellt, so dass die auszubildende Sinterverbindung an dieser anhaften kann. Ferner ist das Flussmittel in der Lage auch gegenüber den im Ausgangswerkstoff enthaltenen Partikeln als Reduktionsmittel zu wirken. Bevorzugt werden Partikel, enthaltend eine Metallverbindung, insbesondere eine Oxidverbindung, zum elementaren Metall reduziert. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die im Ausgangswerkstoff enthaltenen Partikel, insbesondere an ihren Kontaktflächen zueinander, besonders gute Voraussetzungen zum Versintern aufweisen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Ausgangswerkstoffs möglich.
Als Flussmittel können beispielsweise Kolophonium, auf Kolophonium basierende Harzsysteme oder Systeme auf der Basis von Carbonsäuren eingesetzt werden, wie zum Beispiel Carbonsäuren mit 2-50 C-Atomen und mit bis zu zwei aromatischen Ringen, wie Benzoesäure, Zitronensäure, Adipinsäure, Zimtsäure und Benzylsäure, Fettsäuren, wie zum Beispiel gesättigte Fettsäuren, wie Ölsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Margarinsäure, Stearinsäure oder Arachinsäure, Dicarbonsäuren, wie zum Beispiel Malonsäure, Maleinsäure, Octan-, Nonan-, Dodecansäure, Aminsäuren wie zum Beispiel Glutaminsäure, Hydroxycarbon- säuren wie zum Beispiel Milchsäure, Naphtholen, Enolen, Phenolen, Aminen, wie zum Beispiel Amine mit 6-100 C-Atomen, die vorzugsweise tertiär sein können, Alkohole, wie zum Beispiel Gylkol oder Glycerin.
Vorzugsweise ist das Flussmittel bei Lagerungstemperatur, wie beispielsweise Raumtemperatur, nicht flüchtig. Bevorzugt ist das Flussmittel derart ausgewählt, dass ein oben beschriebener Reduktionsvorgang noch unterhalb der Sintertemperatur der im Ausgangswerkstoff enthaltenen Partikel einsetzt.
Das Volumenverhältnis von eingesetzten Partikel zu verwendetem Flussmittel beträgt in dem erfindungsgemäßen Ausgangswerkstoff beispielsweise 1 : 1. Es kann aber auch beispielsweise zur Anpassung der Viskosität und der Sintereigenschaften in weitem Rahmen variiert werden.
Der Gewichtsanteil des Flussmittels bezogen auf das Gesamtgewicht des Ausgangswerkstoffs kann beispielsweise zwischen 5 Gew.-% und 40 Gew.-% liegen. Der Anteil des Flussmittels liegt vorzugsweise im Bereich von 5-20 Gew.-%, mehr bevorzugt im Bereich von 7-18 Gew.-% und insbesondere bevorzugt im Bereich von 9-16 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Ausgangswerkstoffs. In günstiger Weise ergibt sich dann eine besonders hohe thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit der aus dem erfindungsgemäßen Ausgangswerkstoff hergestellten Sinterverbindungen. Zusätzlich fallen infolge des Reduktionsprozesses nur geringe Mengen an gasförmigen Nebenprodukten an. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die sinterbaren Partikel
Silber, Gold, Platin, Palladium und/oder Kupfer enthalten oder daraus gebildet sein. Als Metallpartikel eignen sich Flakes oder Pulver mit Partikelgrößen im na- no- oder mikrometer-Bereich. Insbesondere können die sinterbaren Partikel beispielsweise auf Basis von Silber, Kupfer oder Aluminium und ineinander gut lösli- che Mischungen davon wie Cu/Ag, Au/Ag, Cu/Au, Ag/Au, Ag/Pd, und Pd/Pt ausgewählt sein. Ebenso denkbar sind Metallverbindungen, insbesondere Oxidverbindungen, der zuvor genannten Werkstoffe.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die sinterba- ren Partikel beschichtet sein mit einem organischen Material, mit einer organischen Metallverbindung und/oder mit einem Metalloxid oder mit einer Mischung daraus.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Beschich- tung der sinterbaren Partikel als organisches Material einen primären oder sekundären Alkohol, ein Amin, eine organische Säure und/oder eine Fettsäure, insbesondere Isostearinsäure, Stearinsäure, Ölsäure, Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Octansäure, Decansäure oder eine Mischung daraus, enthalten. Je nach Wahl der organischen Beschichtung der sinterbaren Partikel kann die reduzierende Wirkung des Flussmittels hinsichtlich der in situ zur Verfügung gestellten Oberfläche der sinterbaren Partikel positiv beeinflusst werden.
In einer weiteren vorteilhaften Form der Erfindung ist ein Silbercarbonat, ein Sil- berlactat, ein Silberstearat oder ein Natriumcarbonat als organische Metallver- bindung und/oder Silberoxid oder Kupferoxid als Edelmetalloxid enthalten, insbesondere als Beschichtung auf den Partikeln. Grundsätzlich werden bei diese wei- teren vorteilhaften Formen des Ausgangswerkstoffs die organischen Metallverbindungen bzw. das bevorzugte Edelmetalloxid bei einer Temperaturbehandlung des Ausgangswerkstoffes mittels des Flussmittels zu dem elementar zugrunde liegenden Metall bzw. Edelmetall, z.B. Silber, reduziert. Dadurch weist die auf diese Weise aus dem Ausgangswerkstoff gebildete Sinterverbindung eine besonders hohe thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit auf.
Des Weiteren sind die sinterbaren Partikel bevorzugt sphärisch und/oder plätt- chenförmig ausgebildet. Eine Mischung derartiger Partikelgeometrien gegebenenfalls zusammen mit kugelförmigen Partikeln ermöglicht eine hohe Dichte der aus dem Ausgangswerkstoff gebildeten Sinterverbindung.
In einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Flussmittel eine organische Säure, insbesondere eine aromatische Carbonsäure wie zum Beispiel Benzeosäure, Ameisensäure, Essigsäure, Malonsäure, Maleinsäure, Octan- , Nonan-, Dodecansäure; Glutaminsäure, Zitronensäure, Adipinsäure, Zimtsäure oder Milchsäure.
Der Ausgangswerkstoff wird vorzugsweise als Paste bereitgestellt. Die Viskosität der Paste ist dabei maßgeblich durch das beigemischte Flussmittel oder ein Flussmittelgemisch einstellbar.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Sinterverbindung hergestellt aus einem Ausgangswerkstoff wie vorstehend beschrieben, wobei die Sinterverbindung eine elektrische Leitfähigkeit zwischen 30 MS/m und 45 MS/m, insbesondere zwischen 36 MS/m und 44 MS/m, aufweist.
Eine Sinterverbindung hergestellt aus einem Ausgangswerkstoff wie vorstehend beschrieben kann eine thermische Leitfähigkeit zwischen 200 W/mK und 300 W/mK aufweisen. Insbesondere kann die thermische Leitfähigkeit der Sinterverbindung zwischen 220 W/mK und 275 W/mK betragen.
In einer Ausgestaltung der Sinterverbindung kann die Sinterverbindung eine Silbersinterverbindung sein. Bevorzugt ist die Silbersinterverbindung aus einem Ausgangswerkstoff enthaltend Partikel aus Silber und/oder Silberverbindungen und Ameisensäure als Flussmittel ausgebildet. Dabei weist Ameisensäure in vor- teilhafter Weise eine hervorragende chemische Reaktivität gegenüber Oxiden auf und ist leicht rückstandsfrei zu verdampfen. Gleichzeitig ist eine Silbersinterver- bindungsschicht besonders bevorzugt, weil Silberpartikel gut sinterbar und verarbeitbar sind bei exzellenten Eigenschaften im Hinblick auf elektrische und ther- mische Leitfähigkeit sowie hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften der gesinterten Schicht.
Die Erfindung betrifft weiterhin auch eine elektronische Schaltung mit einer Sinterverbindung wie vorstehend beschrieben, wobei die elektronische Schaltung die Sinterverbindung als elektrische, thermische und/oder mechanische Verbindung einer elektronischen Komponente zu insbesondere einer Kupferkomponente oder einer Komponente mit Kupferoberfläche darstellt.
Insbesondere im Zusammenwirken mit Kupferoberflächen kann eine Sinterver- bindung, welche aus dem erfindungsgemäßen Ausgangswerkstoff hergestellt ist, eine sehr gute Haftung erzielen. Das Flussmittel, das insbesondere die Kupferoberfläche während des Fügevorgangs oxidfrei hält, wird in ausreichendem Maße zur Verfügung gestellt und die Kontaktierung der zu fügenden Oberfläche wird nicht durch zusätzlich anwesendes Lösungsmittel, welches während des Füge- Vorgangs zusätzliche Volumina Dampf entwickelt, gestört.
Eine elektronische Schaltung kann auf diese Weise mit einer reduzierten Gefahr von Fehlstellen in der Anbindung der elektronischen Komponenten hergestellt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin auch ein Verfahren zur Ausbildung einer thermisch und/oder elektrisch leitenden Sinterverbindung. Ausgegangen wird hierbei von einem Ausgangswerkstoff der vorbeschriebenen Art, der zwischen beispielsweise zwei Fügepartner gebracht wird. Bevorzugte Fügepartner sind elektrische und/oder elektronische Komponenten mit Kontaktstellen, die in unmittelba- ren physischen Kontakt mit dem Ausgangswerkstoff gebracht werden. Hierbei kann der Ausgangswerkstoff in Form einer Druckpaste beispielsweise mittels Sieb- oder Schablonendruck auf die Kontaktstellen aufgetragen werden. Ebenso ist der Auftrag durch Injekt- oder Dispensverfahren möglich. Anschließend wird die Sinterverbindung durch eine Temperaturbehandlung des
Ausgangswerkstoffes ausgebildet. Die Temperaturbehandlung kann in einem Schritt oder in mehreren Schritten stufenweise erfolgen. Typischerweise liegen die Temperaturen in diesem Schritt im Bereich von 150°C bis ca. 350°C, wobei insbesondere die zu fügenden Bauteile und deren Materialien einen nach oben limitierenden Faktor darstellen, da eine Beeinträchtigung der elektronischen Bau- teile durch die Temperaturbehandlung zu vermeiden ist.
Bevorzugt sind Fügepartner mit Kontaktstellen aus einem Edelmetall vorgesehen, beispielsweise aus Gold, Silber oder einer Legierung aus Gold oder Silber. Weiter bevorzugt sind Kontaktstellen mit einer Kupferoberfläche vorgesehen.
Bei der Temperaturbehandlung zur Ausbildung der Sinterverbindung oder auch in einer vor gelagerten Temperaturbehandlung mit einer insbesondere geringeren Temperatur als die Sintertemperatur kann das Flussmittel dann eine Reduktion insbesondere von möglichen Oxiden auf der Oberfläche des Fügepartners und/oder auf der Oberfläche der sinterbaren Partikel bewirken, welches zu verbesserten Ergebnissen der resultierenden Baugruppe führt. Alternativ kann das Flussmittel auch in diesem Fall eine möglicherweise vorhandene Beschichtung der sinterbaren Partikel auflösen, um diese für den nachfolgenden Sinterschritt zu aktivieren. Dies kann zum Beispiel dadurch geschehen, dass das Flussmittel eine Verbrennungsreaktion der Beschichtung katalysiert, die Beschichtung in die flüssige Phase bringt und dadurch leichter verdampfen lässt oder mit der Beschichtung unter Bildung eines inerten Materials bindet.
Auf diese Weise kann im Fügebereich vorteilhafterweise vor der Ausbildung einer Sinterschicht ein Flussmittel zur Verfügung gestellt werden, ohne dass es mit einem aufwendigen Auftragungsverfahren auf die Oberfläche aufgebracht wird.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann das zu fügende Bauteil zunächst zumindest mit der zu fügenden Fläche in ein Bad aus reinem Flussmittel eingetaucht werden und danach wird der Ausgangswerkstoff auf der Fügefläche bereitgestellt.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, eine zusätzliche Menge des Flussmittels unmittelbar auf der zu fügenden Oberfläche bereit zu stellen. Insbesondere für sol- che Fügeverfahren, in denen das Flussmittel auch die Aufgabe übernimmt, eine
Beschichtung der sinterbaren Partikel aufzulösen, ist dies bevorzugt. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
Fig. 1 schematisch den Ausgangswerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung in Form einer Paste, und
Fig. 2 schematisch eine elektronische Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In Figur 1 wird schematisch ein Ausgangswerkstoff 100 einer Sinterverbindung 1 12 gemäß der vorliegenden Erfindung in Pastenform gezeigt, welcher sinterbare Partikel 102 aus mindestens einem Metall oder mindestens einer Metallverbindung und mindestens ein Flussmittel 103 umfasst. Das Flussmittel 103 ist zugleich das Lösungsmittel des Ausgangswerkstoffs 100, welcher insbesondere auf Kupferoberflächen vorteilhaft einsetzbar ist. Die sinterbaren Partikel 102 können insbesondere Silber, Gold, Platin, Palladium und/oder Kupfer enthalten und weisen eine optionale Beschichtung 105 auf, welche aus einem organischen Material, mit einer organischen Metallverbindung und/oder mit einem Metalloxid oder aus einer Mischung daraus gebildet ist. Die optionale Beschichtung 105 der sinterbaren Partikel 102 kann als organisches Material einen primären oder sekundären Alkohol, ein Amin, eine organische Säure und/oder eine Fettsäure, insbesondere Isostearinsäure, Stearinsäure, Ölsäure, Laurinsäure oder eine Mischung daraus, enthalten. Als organische Metallverbindung kann die Beschichtung 105 Silbercarbonat, Silberlactat, Silberstearat oder Natriumcarbonat enthalten und als Metalloxid kann die optionale Beschichtung 105 der sinterbaren Partikel 102 insbesondere Silberoxid oder Kupferoxid enthalten. Das Flussmittel 103 ist vorzugsweise eine organische Säure, insbesondere eine aromatische Carbonsäure wie Benzoesäure, Ameisensäure, Essigsäure, Zitronensäure, Adipinsäure, Zimtsäure eine Dicarbonsäure wie Malonsäure, Maleinsäure, Octan-, No- nan-, Dodecansäure; eine Aminsäure wie Glutaminsäure, eine Hydroxycarbon- säure wie Milchsäure, oder ein Naphthol, Enol, oder Phenol, und bevorzugt flüssig oder verflüssigbar bei Trocknungs- oder Sintertemperaturen.
In Figur 2 wird schematisch eine elektronische Schaltung mit einer Sinterverbindung 112 aus dem Ausgangswerkstoff der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei die elektronische Schaltung die Sinterverbindung 112 als elektrische, thermische und/oder mechanische Verbindung einer elektronischen Komponente 1 10 zu insbesondere einer Kupferkomponente oder einer Komponente mit Kupferoberfläche 1 11 umfasst. Der Ausgangswerkstoff für die Sinterverbindung 1 12 ist in Form einer Druckpaste oder einer Ink-Jet-Tinte oder als Formteil ausgebildet und wurde mit einem Druck- oder Klebe- beziehungsweise mit einem Laminierverfah- ren auf die zu fügenden Komponenten 11 1 und 1 10 aufgebracht beziehungsweise mit diesen in Kontakt gebracht. Anschließend wird die Sinterverbindung 1 12 durch Temperatur- und/oder Druckbeaufschlagung aus dem Ausgangswerkstoff ausgebildet.

Claims

Ansprüche
1. Ausgangswerkstoff einer Sinterverbindung (101), insbesondere auf Kupferoberflächen, umfassend sinterbare Partikel (102) aus mindestens einem Metall oder mindestens einer Metallverbindung und mindestens ein Flussmittel (103), dadurch gekennzeichnet, dass das Flussmittel ein Reduktionsmittel und (103) zugleich das Lösungsmittel des Ausgangswerkstoffs (100) ist.
2. Ausgangswerkstoff nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die sinterbaren Partikel (102) Silber, Gold, Platin, Palladium und/oder Kupfer enthalten.
3. Ausgangswerkstoff nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sinterbaren Partikel (102) beschichtet sind mit einem organischen Material, mit einer organischen Metallverbindung und/oder mit einem Metalloxid oder mit einer Mischung daraus.
4. Ausgangswerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Be- schichtung (105) der sinterbaren Partikel (102) als organisches Material einen primären oder sekundären Alkohol, ein Amin, eine organische Säure und/oder eine Fettsäure, insbesondere Isostearinsäure, Stearinsäure, Ölsäure, Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Octansäure, Decansäure oder eine Mischung daraus, enthält.
5. Ausgangswerkstoff nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (105) der sinterbaren Partikel (102) als organische Metallverbindung Silbercarbonat, Silberlactat, Silberstearat oder Natriumcarbonat enthält.
6. Ausgangswerkstoff nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (105) der sinterbaren Partikel (102) als Metalloxid Silberoxid oder Kupferoxid enthält.
7. Ausgangswerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Flussmittel (103) eine organische Säure, insbesondere Benzeosäure, Ameisensäure, Essigsäure, Malonsäure, Maleinsäure, Octan-, Nonan-, Dodecansäure; Glutaminsäure, Zitronensäure, Adipinsäure, Zimtsäure oder Milchsäure, ist.
8. Sinterverbindung (1 12) hergestellt aus einem Ausgangswerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterverbindung eine elektrische Leitfähigkeit zwischen 30 MS/m und 45 MS/m, insbesondere zwischen 36 MS/m und 44 MS/m, aufweist.
9. Sinterverbindung (112) hergestellt aus einem Ausgangswerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterverbindung eine thermische Leitfähigkeit zwischen 200 W/mK und 300 W/mK, insbesondere zwischen 220 W/mK und 275 W/mK, aufweist.
10. Sinterverbindung (1 12) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterverbindung (112) eine Silbersinterverbindung ist.
1 1. Elektronische Schaltung mit einer Sinterverbindung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, wobei die elektronische Schaltung die Sinterverbindung (1 12) als elektrische, thermische und/oder mechanische Verbindung einer elektronischen Komponente (1 10) zu insbesondere einer Kupferkomponente oder einer Komponente mit Kupferoberfläche (111) darstellt.
12. Verfahren zur Ausbildung einer Sinterverbindung (112), insbesondere auf einer Kupferoberfläche (111), wobei ein Ausgangswerkstoff der Sinterverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 vorgesehen wird, umfassend folgende Schritte:
Bereitstellen des Ausgangswerkstoffs,
- Ausbilden der Sinterverbindung durch eine Temperaturbehandlung des Ausgangswerkstoffs, wobei die Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Flussmittels und unterhalb der Schmelztemperatur der Partikel liegt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des im Ausgangswerkstoff enthaltenen Flussmittels (103) auf der Oberfläche eines Fügepartners (1 11), auf welcher der Ausgangswerkstoff aufgetragen wird, und/oder auf den Kontaktflächen der im Ausgangswerkstoff enthaltenen Partikel (102) beim Sintern ein Reduktionsvorgang noch unterhalb der Sintertemperatur der im Ausgangswerkstoff enthaltenen Partikel (102) einsetzt.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zu fügende Bauteil (110) zunächst zumindest mit der zu fügenden Fläche in ein Bad aus reinem Flussmittel (103) eingetaucht wird und danach der Ausgangswerkstoff auf der Fügefläche bereitgestellt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12, oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangswerkstoff in Form einer Druckpaste ausgebildet ist.
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