PL218232B1 - Pasta przewodząca nanosrebrowa, zwłaszcza do zastosowań wysokoprądowych i wysokotemperaturowych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest pasta przewodząca nanosrebrowa, zwłaszcza do zastosowań wysokoprądowych i wysokotemperaturowych, mająca zastosowanie w elektronice, zwłaszcza do nanoszenia metodą sitodruku, w technologii wytwarzania warstw do zastosowań w elektronice, w tym w elektronice drukowanej i elastycznej. Pasta charakteryzuje się tym, że składa się z 80-85% wagowych nanoproszku srebra oraz 15-20% wagowych nośnika organicznego na bazie polimetakrylanu metylu.

Description

Przedmiotem wynalazku jest pasta przewodząca nanosrebrowa, zwłaszcza do zastosowań wysokoprądowych i wysokotemperaturowych. Wynalazek ma zastosowanie w elektronice, zwłaszcza do nanoszenia metodą sitodruku, w technologii wytwarzania warstw do zastosowań w elektronice, w tym w elektronice drukowanej i elastycznej.

Standardowe pasty srebrowe przeznaczone do sitodruku, znane z opisów patentowych US 5075262 i US 5183784, składają się z płatków srebra, nośnika oraz szkliwa. Podczas spiekania szkliwo mięknie i topi się, wspomagając proces tak, aby pasty spiekały się poniżej temperatury topnienia srebra, czyli 600-850°C. Jednak szkliwo pozostaje w warstwie i utrudnia pracę w wysokich temperaturach, co powoduje, że ścieżki mogą pracować jedynie do temperatury 200°C.

Z publikacji Sunghyun Park i in. w Solid State Phenomena 124-126 (2007), 632-642 oraz Colloids and Surfaces A.: Physicochem Eng. Aspects 313-314 (2008), 197-201 znane są srebrowe pasty przewodzące, składające się z mikroproszku srebra, szkliwa bezołowiowego, różnych ilości i frakcji nanosrebra oraz nośnika organicznego, stosowane w technologii grubowarstwowej. Również publikacje tych samych autorów Proc. SPIE, 6423, 64235J (2007) oraz Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 7, 11, 2007, 3917-3919(3) potwierdzają zawartość szkliwa bezołowiowego w opracowanych pastach.

Ze zgłoszenia patentowego US 2010/0120960 A1 znana jest kompozycja zawierająca nanosrebro oraz nośnik organiczny, która może być zastosowana jako nanosrebrowa pasta przewodząca. Jako materiał wyjściowy zastosowano tlenek srebra, który dodawany jest do polimerowej mieszanki, a następnie poddawany redukcji.

Ze zgłoszenia patentowego US 2007/0018140 A1 znany jest sposób otrzymywania nanocząstek metali, stosowanych następnie w tuszach przewodzących, nie nadających się do nanoszenia na podłoża metodą sitodruku z powodu zbyt rzadkiej konsystencji.

Znana ze zgłoszenia patentowego WO 2009/094537 A2 pasta zawiera nanoproszek srebra i komercyjny nośnik. Autorzy skupili się na aplikacjach otrzymywanych past, nie na ich otrzymywaniu.

Ze zgłoszeń patentowych US 2010/0093851 A1 i US 2010/0127223 A1 znane są pasty polimerowe, zwane również lakierami, które zawierają fazę funkcjonalną przewodzącą i nośnik organiczny.

W pierwszym przypadku jest to polimerowy kompozyt, w drugim przypadku natomiast płatki srebra z kwasem stearynowym jako środkiem powierzchniowo czynnym, medium organiczne żywica i rozpuszczalnik i keton C-11 jako rozpuszczalnik. Jednak w opisanych pastach po wypaleniu pozostaje spolimeryzowana żywica, co obniża ich przewodnictwo elektryczne.

Przedmiotem wynalazku jest pasta przewodząca nanosrebrowa, zwłaszcza do zastosowań wysokoprądowych i wysokotemperaturowych, zawierająca nanoproszek srebrowy oraz nośnik organiczny, składająca się z 80-85% wagowych nanoproszku srebra oraz 15-20% wagowych nośnika organicznego na bazie polimetakrylanu metylu, charakteryzująca się tym, że nanoproszek do srebra zawiera dodatek do 30% wagowych nanocząstek węglanu srebra i/lub do 20% wagowych nanocząstek tlenku srebra.

Korzystnie, pasta zawiera nanoproszek srebra o wielkości ziaren 10-100 nm.

Korzystnie, nanoproszek srebra zawiera mieszaninę nanocząstek węglanu srebra i nanocząstek tlenku srebra w proporcji odpowiednio 3:2 do siebie.

Korzystnie, pasta zawiera nośnik organiczny będący roztworem o stężeniu 6-16% polimetakrylanu metylu w octanie karbitolu butylowego.

Pasta według wynalazku wykorzystuje właściwości nanoziaren srebra, które mają bardzo wysoką energię powierzchniową. Wyeliminowanie ze składu pasty szkliwa, a jednocześnie zastosowanie takiej zawartości nośnika organicznego, żeby ten nośnik w czasie spiekania warstwy ulegał całkowitemu spaleniu skutkuje podwyższonym przewodnictwem elektrycznym i cieplnym pasty.

Po spieczeniu w warstwie nałożonej na podłoże pasty obecna jest wyłącznie faza srebra, a adhezja pomiędzy ziarnami oraz między warstwą a podłożem jest zapewniona dzięki energii powierzchniowej nanoziaren srebra. Gęstość upakowania ziaren srebra w takiej warstwie jest większa, niż w przypadku dotąd otrzymywanych warstw grubych i wynosi około 80% gęstości litego srebra. Reszta to pory zamknięte i otwarte wypełnione powietrzem. Nanocząstki węglanu srebra i/lub nanocząstki tlenku srebra, zawarte w wyjściowym nanoproszku srebra po nałożeniu na podłoże rozkładają się podczas procesu spiekania. Nanowęglan srebra już w temperaturze 217°C przechodzi w nanotlenek

PL 218 232 B1 srebra, ten zaś w temperaturze 350°C przechodzi w nanoproszek srebra „in statu nascendi”, co znacznie zwiększa reaktywność proszku srebra i jego podatność na spiekanie.

Zaletą pasty według wynalazku jest znacznie niższa, w porównaniu do znanych past, temperatura spiekania warstw, wynosząca 250-350°C, co umożliwia znacznie szersze jej zastosowanie w układach elektronicznych. Warstwy, otrzymywane z pasty według wynalazku, wytrzymują pracę ciągłą przy wysokich wartościach prądu i temperatury - pracę w temperaturze 450°C przy obciążeniu ₂ prądem 2,5 A i gęstości prądu 2500 A/mm^{1 2}.

Pasta według wynalazku nadaje się do nakładania zwłaszcza sitodrukiem, jak również ze względu na niską temperaturę spiekania do zastosowań w elektronice drukowanej i elastycznej.

Podane niżej przykłady ilustrują pastę według wynalazku w konkretnych przypadkach jej wykonania.

P r z y k ł a d 1.

g nanoproszku srebra o wielkości ziaren 100 nm roztarto energicznie w moździerzu. Następnie dodano nośnik będący 8% roztworem polimetakrylanu metylu w octanie karbitolu butylowego w ilości 2 g, w dalszym ciągu ucierając. Następnie mieszaninę walcowano trzykrotnie na stalowych walcach trójwalcarki. Tak otrzymaną pastę nałożono metodą sitodruku na ceramikę alundową, po czym spiekano w temperaturze 300°C w ciągu 90 min. Otrzymana warstwa zawierała jedynie lite srebro i charakteryzowała się dobrym przewodnictwem elektrycznym oraz cieplnym. Otrzymana warstwa wytrzymywała ₂ pracę ciągłą w temperaturze 450°C przy obciążeniu prądem 2,5 A o gęstości 2500 A/mm².

P r z y k ł a d 2.

g nanoproszku srebra o wielkości ziaren 10 nm roztarto energicznie w moździerzu. Następnie dodano nośnik będący 8% roztworem polimetakrylanu metylu w octanie karbitolu butylowego w ilości 2 g, w dalszym ciągu ucierając. Następnie mieszaninę walcowano trzykrotnie na stalowych walcach trójwalcarki. Tak otrzymaną pastę nałożono metodą sitodruku na ceramikę alundową, po czym spiekano w temperaturze 250°C w ciągu 90 min. Otrzymana warstwa zawierała jedynie lite srebro i charakteryzowała się dobrym przewodnictwem elektrycznym oraz cieplnym. Otrzymana warstwa wy₂ trzymywała pracę ciągłą w temperaturze 450°C przy obciążeniu prądem 2,5 A o gęstości 2500 A/mm².

P r z y k ł a d 3.

g nanoproszku srebra o wielkości ziaren 100 nm, zawierającego dodatek 15% wagowych nanoproszku węglanu srebra i 10% nanoproszku tlenku srebra, roztarto energicznie w moździerzu. Następnie dodano nośnik będący 8% roztworem polimetakrylanu metylu w octanie karbitolu butylowego w ilości 2 g, w dalszym ciągu ucierając. Następnie mieszaninę walcowano trzykrotnie na stalowych walcach trójwalcarki. Tak otrzymaną pastę nałożono metodą sitodruku na ceramikę alundową, po czym spiekano w temperaturze 350°C w ciągu 90 min. Otrzymana warstwa zawierała jedynie lite srebro i charakteryzowała się dobrym przewodnictwem elektrycznym oraz cieplnym. Otrzymana warstwa ₂ wytrzymywała pracę ciągłą w temperaturze 450°C przy obciążeniu prądem 2,5 A o gęstości 2500 A/mm².

P r z y k ł a d 4.

g nanoproszku srebra o wielkości ziaren 100 nm, zawierającego dodatek 1 g nanoproszku węglanu srebra o uziarnieniu 10-20 nm, roztarto energicznie w moździerzu. Następnie dodano nośnik będący 8% roztworem polimetakrylanu metylu w octanie karbitolu butylowego w ilości 2 g, w dalszym ciągu ucierając. Następnie postąpiono jak w przykładzie 3. Utworzona warstwa zawierała po spieczeniu wyłącznie lite srebro. Charakteryzowała się dobrym przewodnictwem elektrycznym oraz cieplnym.

Otrzymana warstwa wytrzymywała pracę ciągłą w temperaturze 450°C przy obciążeniu prądem 2,5 A ₂ o gęstości 2500 A/mm².

Claims (4)

1. Pasta przewodząca nanosrebrowa, zwłaszcza do zastosowań wysokoprądowych i wysokotemperaturowych, zawierająca nanoproszek srebrowy oraz nośnik organiczny, składająca się z 80-85% wagowych nanoproszku srebra oraz 15-20% wagowych nośnika organicznego na bazie polimetakrylanu metylu, znamienna tym, że nanoproszek srebra zawiera dodatek do 30% wagowych nanocząstek węglanu srebra i/lub do 20% wagowych nanocząstek tlenku srebra.

2. Pasta według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera nanoproszek srebra o wielkości ziaren 10-100 nm.

PL 218 232 B1

3. Pasta według zastrz. 1, znamienna tym, że nanoproszek srebra zawiera mieszaninę nanocząstek węglanu srebra i nanocząstek tlenku srebra w proporcji odpowiednio 3:2 do siebie.

4. Pasta według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera nośnik organiczny będący 6-16% roztworem polimetakrylanu metylu w octanie karbitolu butylowego.