EP3134903B1 - Aluminiumpaste für dickfilmhybride - Google Patents

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EP3134903B1
EP3134903B1 EP15720938.8A EP15720938A EP3134903B1 EP 3134903 B1 EP3134903 B1 EP 3134903B1 EP 15720938 A EP15720938 A EP 15720938A EP 3134903 B1 EP3134903 B1 EP 3134903B1
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EP
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metallization
ceramic composite
composite according
paste
ceramic
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Katharina HÄRTL
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Ceramtec GmbH
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Ceramtec GmbH
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H01B1/023—Alloys based on aluminium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/14—Conductive material dispersed in non-conductive inorganic material
    • H01B1/16—Conductive material dispersed in non-conductive inorganic material the conductive material comprising metals or alloys

Definitions

  • the invention relates to aluminum-containing metallization pastes for the production of hybrid circuits.
  • Aluminum metallizations are difficult to handle due to the very low redox potential of the aluminum and thus its easy oxidation and therefore not common.
  • polymers with aluminum which are used as thermal pastes or adhesive with a thermal conductivity of about 1 to 5 W / mK.
  • Silver pastes with low aluminum doping for example 1 to 3% by weight of aluminum, are used in solar cell technology for the simultaneous doping and contacting of wafers.
  • the aluminum content of the pastes used here is used for doping a wafer without back surface field and allows the electrical contacting of the Si wafer with the silver electrode with a low contact resistance, see, for example WO 2002/061854 A1 ,
  • the doping of the rear side of a solar cell with aluminum likewise does not serve to electrically contact the solar cell.
  • the doping with aluminum counteracts the decrease in the efficiency of a solar cell at low wafer thickness.
  • the electrical contact is achieved by a silver content in the aluminum paste or by an additional silver-containing coating, see, for example EP 2 418 656 A1 , Also WO2011 / 122369 A1 and US2012 / 168689 show metallization pastes that are applied to Si wafers.
  • EP 1 087 646 A2 shows a metallizing paste with finely divided aluminum with d 50 equal to 5 microns and a glass frit as a primer, which is applied to glass or enameled steel.
  • US 2012/222890 A1 shows a conductive substrate with a conductive structure. These consists of aluminum grains, which are placed in a binder and converted into a conductive layer by means of horizontally and vertically applied pressure at 0 - 150 ° C.
  • the cited document moreover discloses that antimony oxide is added to the metallizing paste in order to reduce the bending of the wafer during the baking of the applied paste.
  • the object of the invention is to provide a contacting or metallizing paste for use in thick-film hybrid technology that is less expensive than conventional silver-containing metallizing paste.
  • the object is achieved with a metallization-ceramic composite having the features of claim 1.
  • This metallization paste for hybrid circuits on ceramic substrates is characterized in that it comprises finely divided aluminum, an adhesion promoter and a temporary organic vehicle for pasting.
  • Antimony oxide as known from the prior art, is not necessary according to the invention, ie the metallizing paste contains no antimony oxide.
  • a finely divided aluminum-containing paste with a glass portion and a temporary organic vehicle for pasting and simultaneously protecting the aluminum from oxidation can be applied to surfaces of ceramic substrates such as Al 2 O 3 , AlN by various methods such as screen printing, stencil printing, pad printing, spray coating and other coating methods , ZrO 2 are applied.
  • the paste is dried and then sintered in the presence of oxygen at elevated temperature, preferably at temperatures between 600 and 1000 ° C, firmly on the support, so the ceramic substrate.
  • the aluminum particles are preferably in finely divided, spherical form. They can be obtained by spraying liquid aluminum in an inert atmosphere.
  • the spherical shape produces a minimum surface-to-volume ratio whereby the oxidation susceptibility of the aluminum is minimized.
  • the particle size of the finely divided aluminum should be between 0.5 and 50 microns (size determination with the laser scattering method according to ISO 13320: 2009) and is preferably 1 to 10 .mu.m, so that the particles through common screen mesh, such as VA160-18 with 45 microns mesh size , fit.
  • a glass for example ZnO-SiO 2 -B 2 O 3 serve as a bonding agent between ceramic and aluminum. Glasses that are suitable for adhesion promotion must be adapted to the material of the ceramic substrate in terms of their chemical nature and with respect to the thermal expansion coefficient.
  • a ZnO-SiO 2 -B 2 O 3 glass is used, which has a high affinity to both the surface of the ceramic substrates and Al 2 O 3 , which is formed during baking on the surface of the aluminum balls.
  • moderators for adjusting the melting point, glass viscosity and thermal expansion coefficient in amounts of 0 to 10 wt .-% based on the mass of the glass may be included. Examples are CaO, TiO 2 , ZrO 2 , Bi 2 O 3 and / or Li 2 O.
  • the moderators can be melted into the glass or added to the base glass as a binary oxide.
  • the solid paste material apart from the organic paste vehicle, is then filled with aluminum powder to 100 wt .-%. This results in thus 75 to 99 wt .-% aluminum powder as solid constituents of the metallizing paste.
  • organic paste vehicles known media such as ethyl cellulose or acrylic resin dissolved in high boiling solvents such as pine oil, terpineol, butylcarbitol, Texanal (also in combination) can be used.
  • the applied paste dried in air at about 60 to 110 ° C can be baked in air, for example in a belt furnace or in a chamber furnace in a total process of 30 to 150 min with a temperature peak of 600 to 1000 ° C for 1 to 15 min.
  • the metallization is electrically conductive and has an adhesive strength of over 25 N / mm 2 .
  • the adhesive strength is in the usual range of, for example, silver metallizations.
  • the thermal conductivity is over 100 W / mK.
  • Metallization is a low-cost alternative to silver metallizations.
  • the paste was screen printed on a 96% alumina substrate using a 120 mesh stainless steel screen.
  • the printed ceramic was then at 80 ° C for 30 min. dried and sintered in a roller oven at a peak temperature of about 870 ° C for 10 minutes. The entire sintering time was 45 min.
  • the bond strength in the nut test was 30 N / mm2, the electrical conductivity of the applied hybrid at 4.2 ohms.

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Description

  • Die Erfindung betrifft Aluminium-haltige Metallisierungspasten zur Herstellung von Hybridschaltungen.
  • Metallisierungen aus Aluminium sind aufgrund des sehr niedrigen Redox-Potentials des Aluminiums und damit seiner leichten Oxidierbarkeit schwer zu handhaben und deshalb nicht verbreitet. Bekannt sind Polymere mit Aluminium, die als Wärmeleitpasten oder -kleber mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 1 bis 5 W/mK eingesetzt werden.
  • Silberpasten mit geringer Aluminium-Dotierung, beispielsweise 1 bis 3 Gew.-% Aluminium, werden in der Solarzellentechnik zur gleichzeitigen Dotierung und Kontaktierung von Wafern eingesetzt. Der Aluminium-Gehalt der verwendeten Pasten dient hier der Dotierung eines Wafers ohne back surface field und ermöglicht die elektrische Kontaktierung des Si-Wafers mit der Silberelektrode mit einem niedrigen Übergangswiderstand, siehe z.B. WO 2002/061854 A1 .
  • Bei Solarzellen mit back surface field dient die Dotierung der Rückseite einer Solarzelle mit Aluminium ebenfalls nicht der elektrischen Kontaktierung der Solarzelle. Die Dotierung mit Aluminium wirkt der Abnahme des Wirkungsgrads einer Solarzelle bei geringer Waferstärke entgegen. Die elektrische Kontaktierung wird durch einen Silber-Gehalt in der Aluminiumpaste oder durch eine zusätzliche Silberhaltige Beschichtung erzielt, siehe z.B. EP 2 418 656 A1 . Auch WO2011/122369 A1 und US2012/168689 zeigen Metallisierungspasten, die auf Si-Wafer aufgebracht werden.
  • EP 1 087 646 A2 zeigt eine Metallisierungspaste mit feinteiligem Aluminium mit d50 gleich 5 µm sowie einer Glasfritte als Haftvermittler, die auf Glas oder emaillierten Stahl aufgebracht wird.
  • US 2012/222890 A1 zeigt ein leitendes Substrat mit einer leitenden Struktur. Diese besteht aus Aluminiumkörner, die in einem Binder eingebracht sind und mittels horizontal und vertikal aufgebrachten Drucks bei 0 - 150 °C in eine leitende Schicht umgewandelt werden.
  • Die genannte Schrift offenbart darüber hinaus, dass der Metallisierungspaste Antimonoxid zugesetzt wird, um das Verbiegen des Wafers beim Einbrennen der flächig aufgebrachten Paste zu vermindern.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Kontaktierungs- oder Metallisierungspaste zur Verwendung in der Dickfilm-Hybridtechnologie, die preisgünstiger als übliche Silberhaltige Metallisierungspaste ist.
    Die Aufgabe wird mit einem Metallisierungs-Keramik-Verbund mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Diese Metallisierungspaste für Hybridschaltungen auf Keramik-Substraten zeichnet sich dadurch aus, dass sie feinteiliges Aluminium, einen Haftvermittler sowie ein temporäres organisches Vehikel zur Anpastung umfasst. Antimonoxid, wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist erfindungsgemäß nicht notwendig, d.h. die Metallisierungspaste enthält kein Antimonoxid.
  • Eine feinteiliges Aluminium enthaltende Paste mit einem Glasanteil und einem temporären organischen Vehikel zur Anpastung und gleichzeitigem Schutz des Aluminiums vor Oxidation kann mit verschiedenen Verfahren wie Siebdruck, Schablonendruck, Tampondruck, Spraycoaten und anderen Beschichtungsverfahren auf Oberflächen von Keramik-Substraten wie Al2O3, AIN, ZrO2 aufgebracht werden.
  • Im nächsten Schritt wird die Paste getrocknet und dann unter Anwesenheit von Sauerstoff bei erhöhter Temperatur, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 600 und 1000°C, fest auf den Träger, also das Keramik-Substrat, gesintert.
  • Die Aluminiumteilchen liegen vorzugsweise in feinteiliger, kugeliger Form vor. Sie können durch Spritzen von flüssigem Aluminium in eine inerte Atmosphäre gewonnen werden. Die kugelige Form erzeugt ein minimales Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis, wodurch die Oxidationsanfälligkeit des Aluminiums minimiert wird.
  • Die Teilchengröße des feinteiligen Aluminiums sollte zwischen 0,5 und 50 µm (Größenbestimmung mit dem Laserstreuverfahren gemäß ISO 13320:2009) liegen und beträgt vorzugsweise 1 bis 10 µm, so dass die Teilchen durch gängigen Siebgewebe, wie beispielsweise VA160-18 mit 45 µm Maschenweite, passen.
  • Als Haftvermittler zwischen Keramik und Aluminium dienen 1 bis 15 Gew.-% eines Glases, beispielsweise ZnO-SiO2-B2O3. Gläser, die für die Haftvermittlung geeignet sind, müssen hinsichtlich ihrer chemischen Beschaffenheit und bezüglich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten an das Material des Keramik-Substrats angepasst sein.
  • Bevorzugt wird jedoch ein ZnO-SiO2-B2O3-Glas verwendet, das eine hohe Affinität sowohl zur Oberfläche der Keramik-Substrate als auch zu Al2O3 hat, das während des Einbrennens auf der Oberfläche der Aluminiumkugeln entsteht.
  • Weiterhin können Moderatoren zur Anpassung von Schmelzpunkt, Glasviskosität und thermischem Ausdehnungskoeffizienten in Mengen von 0 bis 10 Gew.-% bezogen auf die Masse des Glases enthalten sein. Beispiele sind CaO, TiO2, ZrO2, Bi2O3 und/oder Li2O. Die Moderatoren können in das Glas eingeschmolzen werden oder als binäres Oxid dem Grundglas zugesetzt werden.
  • Das feste Pastenmaterial, also abgesehen vom organischen Pastenvehikel, wird dann mit Aluminiumpulver auf 100 Gew.-% aufgefüllt. Daraus ergeben sich somit 75 bis 99 Gew.-% Aluminiumpulver als feste Bestandteile der Metallisierungspaste.
  • Als organische Pastenvehikel können bekannte Medien wie Ethylcellulose oder Acrylharz gelöst in hochsiedenden Lösungsmitteln wie Pine Oil, Terpineol, Butylcarbitol, Texanal (auch in Kombination) eingesetzt werden.
  • Die aufgebrachte und an Luft bei etwa 60 bis 110°C getrocknete Paste kann in Luft beispielsweise in einem Gliederbandofen oder in einem Kammerofen in einem Gesamtprozess von 30 bis150 min mit einem Temperaturpeak von 600 bis 1000°C für 1 bis 15 min eingebrannt werden.
  • Die Metallisierung ist elektrisch leitfähig und hat eine Haftfestigkeit von über 25 N/mm2. Für die Bestimmung der Haftfestigkeit wird die Abzugskraft eines geklebten Probekörpers, einer Sechskantmutter, senkrecht zur Metallisierungsoberfläche gemessen. Die bestimmte Haftfestigkeit liegt im üblichen Bereich von beispielsweise Silbermetallisierungen. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt über 100 W/mK. Die Metallisierung ist eine preisgünstige Alternative zu Silbermetallisierungen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Beispiels konkretisiert:
    94 Gew.-% Aluminiumpulver mit einer mittleren Partikelgröße d50 von etwa 4µm wird mit einem Glas-Pulver der Korngröße d50 von 2 bis 4 µm vermischt. Die Gesamtzugabemenge des Glases betrug 5 Gew.-%. Außerdem wurde 1 Gew.-% Tetradecanol als Moderator zugegeben und das Gemisch mit Terpineol mit 1 Gew.-% Ethylcellulose angepastet.
  • Die Paste wurde auf ein 96%iges Aluminiumoxidsubstrat unter Verwendung eines Siebs mit einer Maschenweite von 120 aus rostfreiem Stahl durch Siebdruck aufgebracht. Die bedruckte Keramik wurde anschließend bei 80°C für 30 min. getrocknet und in einem Rollenofen bei einer Peaktemperatur von etwa 870°C für 10 Minuten gesintert. Die gesamte Sinterzeit betrug 45 min.
  • Die Haftfestigkeit im Mutterntest lag bei 30 N/mm2, die elektrische Leitfähigkeit des aufgebrachten Hybrids bei 4,2 Ohm.

Claims (9)

  1. Metallisierungs-Keramik-Verbund für Hybridschaltungen, umfassend ein Keramik-Substrat und eine Metallisierungspaste, die auf das Keramik-Substrat aufgebracht wird, wobei
    die Metallisierungspaste aus Aluminiumpulver mit einer Teilchengröße von 0,5 bis 50 µm, und einem Haftvermittler und einem temporären organischen Vehikel zur Anpastung besteht, wobei
    die Aluminiumteilchen des Aluminiumpulvers eine kugelige Form aufweisen; der Haftvermittler ein Glas umfasst;
    das Glas ZnO-SiO2-B2O3 und gegebenenfalls Moderatoren wie CaO, TiO2, ZrO2, Bi2O3 und/oder Li2O umfasst;
    als temporäres organisches Vehikel Ethylcellulose oder Acrylharz, gelöst in einem hochsiedenden Lösungsmittel, insbesondere Pine Oil, Terpineol, Butylcarbitol, Texanal oder Kombinationen dieser Lösungsmittel, enthalten ist; und wobei die Metallisierungspaste kein Antimonoxid enthält, und die Metallisierungspaste auf das Keramik-Substrat gesintert ist.
  2. Metallisierungs-Keramik-Verbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumpulver eine Teilchengröße zwischen 1 und 10 µm aufweist.
  3. Metallisierungs-Keramik-Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler 1 bis 15 Gew.-% der Metallisierungspaste ausmacht.
  4. Metallisierungs-Keramik-Verbund nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Moderatoren 0 bis 10 Gew.-% bezogen auf die Masse des Glases ausmachen.
  5. Metallisierungs-Keramik-Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumpulver 75-99 Gew.-% ausmacht.
  6. Metallisierungs-Keramik-Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtsanteile des Aluminiumpulvers, Haftvermittlers und der Moderatoren der Metallisierungspaste 100 Gew.% ergeben.
  7. Metallisierungs-Keramik-Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramik-Substrat aus Al2O3, AlN, ZrO2 oder Mischkeramiken aus Al2O3 und ZrO2 oder AIN besteht.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Metallisierungs-Keramik-Verbunds gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Metallisierungspaste mittels Siebdruck, Schablonendruck, Tampondruck oder Spraycoaten auf ein Keramik-Substrat aufgebracht, getrocknet und anschließend gesintert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Sintern bei einer Temperatur von 600-1000° stattfindet.
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