TWI637404B - 介電組成物、包含其之電子裝置及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種在用於LED及高功率電路應用的鋁合金基板上係有用的高導熱度介電材料系統或糊。

Description

介電組成物、包含其之電子裝置及其製造方法
本發明提供一種使用在用於LED及高功率電路應用的鋁合金基板上之高導熱度介電材料系統或糊。
對提供具有好的電隔離、更擁有優良的導熱度以施用在由鋁及其合金製得的基板上之無機系介電質持續保有興趣。此等基板可作用為好的散熱體以從該裝置/介電質界面取出熱，以便保持其冷卻，同時在較高瓦特數下操作及/或讓高電流傳導通過鋪設在塗佈這些介電質之用於電子應用的金屬基板之頂部上的電路，諸如使用在汽車電子設備的高明亮度高功率LED、次世代照明、電視、高功率電子設備、OLED及太陽能應用中之基板。
本發明克服與已知系統相關的困難及缺點。
用於相對低溫流動及燒結應用(對鋁及其合金來說，典型為660℃或較低)，但是用於高使用溫度(最高200至300℃)，需要無機(玻璃或玻璃-陶瓷或陶瓷)系介電系統。在其它想要的性質當中，這些玻璃或玻璃-陶瓷系介電質提供避免熔化鋁及其合金所需要的低流動 溫度。通常來說，玻璃具有相對低的導熱度及高絕緣電阻。因此，增加導熱度(為了好的熱消散)同時保留高崩潰電壓及絕緣電阻(為了電隔離)係一挑戰。
任何將金屬顆粒併入這些玻璃系介電質中來改良導熱度的企圖皆會造成電隔離損失。因此，已經進行此探索出在玻璃系無機介電質中達到高導熱度及較高絕緣電阻(或換句話說，較高的崩潰電壓)之研究。
本發明的一具體實例係一種包含玻璃組分的糊，其係用於在燒製後於鋁基板上形成一介電層。
該玻璃組分包括至少一種選自於由下列所組成之群的玻璃：(i)富含鹼金屬氧化物的玻璃，及(ii)富含氧化鉍的玻璃。
本發明的一具體實例係一種介電組成物，其包括：(a)一包含下列的玻璃組分：(i)約30至約75莫耳%SiO2，(ii)約5至約25莫耳%TiO2，(iii)約5至約40莫耳%(Li2O+Na2O+K2O+Rb2O+Cs2O)，及(iv)約0.1至約15莫耳%(P2O5+Nb2O5+V2O5)；(b)一有機媒液；及(c)一溶劑。此或於本文中的任何其它具體實例之介電組成物可進一步包含一導熱度促進劑。
本發明的另一個具體實例係一種電子裝置，其包括：(a)一鋁基板；(b)至少一層於本文中所揭示的任何介電組成物，其係配置在該鋁基板的至少一部分上；(c)一包含選自於由銅、鋁、銀、鉑及鈀所組成之群組的至少一種之導電跡線(conductive trace)；及(d)一電力電路，其中該基板、介電組成物及導電跡線經安排，以便 該介電組成物將該鋁基板與導電跡線進行電分離及物理分離之至少一種，及其中該電力電路僅接觸該導電跡線。
本發明的另一個具體實例係一種在鋁基板上形成一介電層的方法，其包括下列步驟：(a)將一介電組成物糊施用在一鋁基板上，及(b)燒製該基板以在該基板上形成一介電層。該介電組成物係於本文中所揭示的任何。可在燒製前施用多層介電糊。該燒製可在溫度約400至約660℃下進行。
本發明的一具體實例係一種製造電子裝置的方法，其包括(a)提供一鋁基板，(b)對該鋁基板施用至少一層於本文中所揭示的任何介電組成物，(c)對該至少一層的介電組成物施用至少一層導電糊，以形成一組合，(d)在400-660℃下燒製該組合以燒結該介電質與導電糊，及(e)將一電力電路配置成與該至少一層導電糊電接觸。
本發明的一具體實例係一種選自於由下列所組成之群組的電子裝置：真空絕緣玻璃、太陽能電池接點、太陽能電池、太陽能電池模組、有機PV裝置、電漿顯示裝置、奈米結晶顯示器、電致變色裝置、電致變色材料系統、感應器、懸浮顆粒裝置、微型百葉窗(micro-blind)、液晶裝置、智慧型窗戶、可切換型窗戶、智慧型玻璃、電子玻璃(eglass)、量子點裝置、熱電裝置、電池、發光二極體(LED)、表面傳導電子發射顯示器(SED)、場發射顯示器(FED)、有機發光二極體(OLED)、液晶顯示器(LCD)、數位光處理(DLP)、鐵電液晶顯示器 (ferro-liquid display)(FLD)、干涉調變顯示器(IMOD)、厚膜介電電致發光顯示器(TDEL)、量子點電致發光顯示器(QDLED)、時間多工光學快門(time multiplexed optical shutter)(TMOS)、伸縮畫素顯示器(telescopic pixel display)(TPD)、液晶雷射(LCL)、雷射磷光體顯示器(laser phosphor display)(LPD)、有機發光電晶體(OLET)、及其組合，其包含至少一層於本文中所揭示的任何介電組成物。
110‧‧‧鋁基板
120,130‧‧‧介電糊層
140‧‧‧導電糊
150‧‧‧電力電路
圖1係本發明的一較佳具體實例之截面圖。
本發明提供一種可使用在許多應用中的電絕緣、低溫可燒製之玻璃系介電組成物。在本發明的某些版本中，該組成物係無溶劑。本發明亦提供一種使用本發明的組成物形成導電膜、電路、跡線、接點及其類似物的方法。本發明包括使用本發明的組成物及方法所形成之裝置、產物及/或經塗佈的基板。
用於相對低溫流動及燒結應用(對鋁及其合金來說，典型為<660℃)，但是用於高使用溫度(最高200至300℃)，需要無機(玻璃或玻璃-陶瓷或陶瓷)系的介電系統。在這些當中，玻璃或玻璃-陶瓷系介電質提供不會熔化鋁合金所需要的低流動溫度。通常來說，玻璃具有相對低的導熱度及高絕緣電阻。因此，增加導熱度(為了好的熱消散)同時保留高崩潰電壓(BDV)及絕緣電阻(為了電隔離)係一挑戰。
如下製造出一使用本發明之介電糊的裝置。
如顯示在圖1中，提供一鋁基板110，其可由諸如來自下列表1的鋁合金製得。在該基板110的至少一邊上施用至少一層(120，130)包括於本文中的任何玻璃組成物之介電糊。選擇性在該介電糊層上施用一導電糊140。在足以燒結該介電及導電糊的溫度下燒製該組合。最後，將由150表示的電力電路(諸如電子裝置或(例如)LED)放置成與該導電糊140接觸。每層係分別地印刷及燒製。但是，亦設想同時共燒製多層。
本案發明人已發展出一種新穎的無機介電質，其：(a)可施用在鋁及其合金上及於400-660℃(使用厚膜燒製曲線的波峰溫度)下燒結；(b)可在頂部上具有銅、鋁或銀厚膜導電跡線，以提供電流傳導路徑；(c)可依介電層厚度、導體長度及層數而提供750伏特/密耳或較高的崩潰電壓；(d)可具有高如1.0至5.0瓦/公尺-K的導熱度；(e)可具有高如350℃的使用溫度；及(f)在某些例子中，可通過在85℃/85%RH下1,000小時及較高的測試而沒有失去電隔離。
在下文中提出本發明的主要組分：基板、玻璃組成物、有機媒液。
鋁基板。使用鋁及其合金作為基板指示出該介電糊必需在低於該合金的固相線之溫度下燒製。任何鋁合金係合適的。合適的鋁合金之實施例包括AL 1050、AL 1060、AL 1100、AL 2024、AL 3003、AL 380、AL 384、AL 5052、AL 514、AL 6061及AL 6063，每種各別或以 任何組合，如顯示在表1中。依鋁合金的固相線而定，該燒製溫度可在範圍400至660℃，其中純鋁的熔點係664℃。更佳的燒製溫度為450-610℃，最佳為480-600℃。
玻璃組成物。可藉由混合有機媒液與一或多種玻璃組成物獲得一用以形成介電層的介電組成物(呈糊形式)。在該介電材料中之適當比例的玻璃組成物(玻璃料(glass frit))係經決定，如此可在燒製後獲得想要的介電層組成物。於本文中有用的玻璃料具有D50顆粒尺寸約0.1至約10微米，較佳為約3至8微米，更佳為約3至5微米，再者更佳為約5至8微米。在另一個具體實例中，該D50顆粒尺寸係0.1-2微米，較佳為0.1-1微米。另一個顆粒參數係D95，其係15微米或較小，較佳為12微米或較小，更佳為10微米或較小，及最佳為5 微米或較小。最大顆粒尺寸Dmax係50微米或較小，較佳為30微米或較小，更佳為25微米或較小，又更佳為20微米或較小，而更佳為15微米或較小及最佳為10微米或較小。前述提及的具有「或較小」範圍在每種情況中可再者由0.01微米、0.1微米或1微米的下限所界限。較小的顆粒尺寸允許製造出較薄的介電層，例如少於100微米，少於80微米，少於60微米，少於50微米，少於40微米，少於30微米，少於20微米，少於10微米及少於5微米。較薄的介電層改良熱傳導。
表2廣泛列出在本發明中有用的一些關鍵玻璃組成物。詞目諸如「Li2O+Na2O+K2O+Rb2O+Cs2O 5-40」意謂著Li2O、Na2O、K2O、Rb2O及/或Cs2O之任何或全部係以整體玻璃組成物的5至40莫耳百分比之量的任何組合顯現。
表2欲解讀為額外揭示出在其中提到的任何範圍，其中該下限係改為0.1或1莫耳%。亦可從欄A了解TiO2的範圍係5-25莫耳%。可結合在表中來自不同欄的值，及某些具體實例可包括來自所提供的欄之某些但非全部值。其它具體實例可具體指定為來自表的某些但非全部組分(氧化物)。例如，一具體實例可包括來自表2的二個值(其可係或不在相同欄中)。在任何表中的任何玻璃料可進一步包括至少一種選自於由下列所組成之群組：(a)約0.1至約10莫耳%Bi2O3，(b)約0.1至約15莫耳%B2O3，及(c)約0.1至約12莫耳%ZnO。於本文中考慮到此等組合全部。
下列玻璃組成物亦合適：
合適的商業玻璃可從Ferro Corporation，Cleveland Ohio購得，包括EG 2871、EG 2934、EG 2964、EG 3046、EG 3600、EG 3608、GL 4317及其它。
有機媒液。該有機媒液係在有機溶劑中的結合劑或在水中的結合劑。於本文中所使用的結合劑非為關鍵；諸如乙基纖維素、聚乙烯丁醇、乙基纖維素及羥丙基纖維素及其組合的習知結合劑與一溶劑組合係適當。該有機溶劑亦非關鍵，及可根據特別的施用方法(即，印刷或製膜)選自於習知的有機溶劑，諸如丁基卡必醇、丙酮、甲苯、乙醇、二甘醇丁基醚；2,2,4-三甲基戊二醇單異丁醇(TexanolTM)；α-萜品醇；β-萜品醇；γ-萜品醇；十三烷基醇；二甘醇乙基醚(CarbitolTM)、二甘醇丁基醚(Butyl CarbitolTM)及丙二醇；及其摻合物，以Texanol®商標出售的產品可從Eastman Chemical Company，Kingsport，TN購得；以Dowanol®及Carbitol®商標出售的那些可從Dow Chemical Co.，Midland，MI購得。再者，該結合劑可選自於聚乙烯醇(PVA)、聚醋酸乙烯酯(PVAC)與水組合。同樣地，可從Ferro Corporation商業購得具有產品編號ER2750、ER2761、ER2766及ER2769、及其它、及其組合的媒液係合適。
該糊的有機媒液含量無特別限制。該糊經常包含約1至5重量%的結合劑及約10至50重量%的有機溶劑，剩餘部分為該介電組分(用於介電層)。若須要時，各別的介電組成物可包括最高約10重量%的其它添加劑，諸如分散劑、塑化劑及觸變性添加劑。
該導體可係在任何技藝中已知者，包括在共有的美國專利案號7,176,152中所揭示的那些，其藉此以引用方式併入本文，附帶條件為此導體係能在660℃或較低下燒製。
燒製。該介電糊係於空氣中，在溫度低於660℃，或約500℃至約660℃下燒製，較佳為在560-620℃下，更佳為在570-600℃下燒製。於本文中的介電組成物需要不超過660℃來達成介電質之完全熔融及燒結。保持該燒製溫度約10-30分鐘以提高緻密化。該燒製溫度跳躍典型係每分鐘5℃，然而可使用的其它跳躍速率(以每分鐘℃計)為1°、2°、10°、15°或20°。同樣地，該糊可在典型的帶狀爐中燒製。該帶狀爐可具有2-15個區域，每個具有不同溫度。
使用鋁及其合金作為基板指示出該介電糊必需在溫度低於該合金的固相線下燒製。這些鋁合金可係顯示在表1中的任何者。依該鋁合金的固相線而定，該燒製溫度範圍可係400至660℃，其中純鋁的熔點係664℃。更佳的燒製溫度係450-610℃，最佳為480-600℃。
對此低燒製溫度來說，可使用高鉛玻璃或高鉍玻璃或高鹼玻璃任一種。在某些應用中，應該避免鉛。具有高鉛及高鉍含量的玻璃可具有高崩潰電壓(BDV)，只要該鹼金屬氧化物的含量係經控制以包括零值，但是其與鋁的膨脹失配將係高的。若鹼含量係增加而增加該膨脹時，則電性質變差。
本案發明人研究多種玻璃組成物及其混合物，單獨使用玻璃及玻璃與氧化物添加劑一起二者。想要的組成物範圍或配方係顯示在表2及3中之玻璃組分，同時在表4中所提出的介電糊提供一可在溫度<660℃下燒製，通過電需求和85C/85%RH 1,000小時而沒有失去電隔離之可接受的介電質。
要注意的是，與本發明之實施連結，該玻璃組分可包含單一玻璃、玻璃混合物、或玻璃與無機氧化物添加劑之混合物。例如，在表2及3中的玻璃組分可包括多重玻璃和玻璃加上結晶添加劑。例如，該玻璃組分可具有一富含氧化鉍的玻璃，含或不含結晶添加劑之另一種富含鹼金屬的玻璃，諸如呈礦物形式的二氧化矽，諸如石英、鱗石英、白矽石或商業已知的等級諸如minusil；矽酸鹽，諸如矽酸鋅(矽鋅礦)，或鈦酸鹽，諸如鈦酸鋅或鈦酸鉍。
雖然在某些應用中想要避免含鉛(Pb)玻璃，已設想可加入具有包含25-75莫耳%PbO及B2O3含量少於30莫耳%的組成物之低熔融鉛玻璃以達到燒製溫度<540℃，因此使用在本發明中。
除了這些玻璃組分外，最終的介電糊可選擇性包括具有導熱度(K)典型在範圍1-2瓦/公尺-K內的導熱度提高添加劑(導熱度促進劑)。此係與約0.5瓦/公尺-K的典型玻璃導熱度形成對比。在較佳的具體實例中，該添加劑的導熱度係K30(諸如氮化硼)，仍然更佳為K50(碳化硼的導熱度)，而更佳為K80(碳化矽的導熱度)，甚至更佳為K149(矽的導熱度)。仍然更佳的是K150-200(氮化鋁的導熱度)時，及最佳為加入具有導熱度高達500瓦/公尺-K的鑽石粉末，諸如來自Advanced Abrasives Corporation，Pennsauken，NJ 08109之金屬黏合的鑽石粉末(MDP)、樹脂黏合的鑽石粉末(RDP)、多晶鑽石粉末(PDP)或天然鑽石粉末(NDP)。在此段中所詳述 的添加劑係合適於使用在本發明中。應該避免金屬粉末，因為它們將降低包括其的介電組成物之電性質，若在鋁基礎的頂部上之這些介電質上有電流傳導電路元件的話。
實施例。
表4列出經測試作為用於鋁LED基板的介電質之本發明的關鍵介電組成物。這些介電糊係印刷在AL 3003基板上及於波峰溫度580-600℃下以標準厚膜燒製曲線燒製。該燒製係在Watkin-Johnson 12區帶狀爐中，以每分鐘3.6”(9.1公分)之傳送帶速度進行。該媒液係可從Ferro Corporation商業購得之乙基纖維素系媒液之組合。在鋁基板上的介電層之順序係顯示在圖1中及列在表5中。在燒製後，使用ASTM E1461雷射閃光方法(Laser Flash Method)測量這些介電質的導熱度。結果總整理在表5中。
本發明的具體實例係一種選自於由下列所組成之群組的裝置：真空絕緣玻璃、太陽能電池接點、太陽能電池、太陽能電池模組、有機PV裝置、電漿顯示裝置、奈米結晶顯示器、電致變色裝置、電致變色材料系統、感應器、懸浮顆粒裝置、微型百葉窗、液晶裝置、智慧型窗戶、可切換型窗戶、智慧型玻璃、電子玻璃、量子點裝置、熱電裝置、電池、發光二極體(LED)、表面傳導電子發射顯示器(SED)、場發射顯示器(FED)、有機發光二極體(OLED)、液晶顯示器(LCD)、數位光處理(DLP)、鐵電液晶顯示器(FLD)、干涉調變顯示器(IMOD)、厚膜介電電致發光顯示器(TDEL)、量子點電致發光顯示器(QDLED)、時間多工光學快門(TMOS)、伸縮畫素顯示器(TPD)、液晶雷射(LCL)、雷射磷光體顯示器 (LPD)、有機發光電晶體(OLET)、及其組合，其包含至少一層包括於本文中所揭示的玻璃組成物之介電層。
毫無疑問的是，將從此技術的未來應用及發展明瞭許多其它利益。於本文中所提到的全部專利、公開申請案及文章其全文藉此以引用方式併入本文。
如於此上述所說明般，本發明解決許多與習知裝置相關的問題。但是，應暸解熟習該項技術者在已經於本文中所描述及闡明以解釋本發明的本質之細節、材料及調配物上可進行多種改變而沒有離開本發明如在所附加的申請專利範圍中表示出之原理及範圍。

Claims (19)

  1. 一種介電組成物，其包含：a.一玻璃組分，其包含：i.約30至約75莫耳%SiO2，ii.約5至約25莫耳%TiO2，iii.約5至約40莫耳%(Li2O+Na2O+K2O+Rb2O+Cs2O)，及iv.約0.1至約15莫耳%(P2O5+Nb2O5+V2O5)；b.一有機媒液；及c.一溶劑；但該介電組成物不具有Li2O、Rb2O、Cs2O及Nb2O5皆不存在於該介電組成物中的情況。
  2. 如請求項1之介電組成物，更包含一導熱度促進劑。
  3. 如請求項2之介電組成物，其中該導熱度促進劑係選自於由下列所組成之群組：氮化硼、碳化硼、碳化矽、矽、氮化鋁、金屬黏合的鑽石粉末、樹脂黏合的鑽石粉末、多晶鑽石粉末及天然鑽石粉末。
  4. 如請求項1之介電組成物，其中該玻璃組分包含：a.約35至約70莫耳%SiO2，b.約1至約15莫耳%TiO2，c.約11至約37莫耳%(Li2O+Na2O+K2O+Rb2O+Cs2O)，及d.約1至約10莫耳%(P2O5+Nb2O5+V2O5)。
  5. 如請求項4之介電組成物，其中該玻璃組分進一步包含選自於由下列所組成之群組的至少一者：a.約0.1至約10莫耳%Bi2O3，b.約0.1至約15莫耳%B2O3，及c.約0.1至約12莫耳%ZnO。
  6. 如請求項1之介電組成物，其中該玻璃組分包含：a.約42至約70莫耳%SiO2，b.約5至約14莫耳%TiO2，c.約15至約30莫耳%(Li2O+Na2O+K2O+Rb2O+Cs2O)，及d.約2至約8莫耳%(P2O5+Nb2O5+V2O5)。
  7. 如請求項6之介電組成物，其中該玻璃組分進一步包含選自於由下列所組成之群組的至少一者：a.約2至約8莫耳%Bi2O3，b.約0.1至約5莫耳%B2O3，及c.約0.1至約5莫耳%ZnO。
  8. 如請求項1之介電組成物，其中該玻璃組分包含：a.約42至約60莫耳%SiO2，b.約8至約14莫耳%TiO2，c.約2至約7莫耳%Li2O，d.約10至約15莫耳%Na2O，e.約4至約7莫耳%K2O，f.約0.1至約1莫耳%P2O5，及g.約1至約7莫耳%V2O5。
  9. 如請求項8之介電組成物，其中該玻璃組分進一步包含選自於由下列所組成之群組的至少一者：a.約3至約7莫耳%Bi2O3，b.約1至約4莫耳%B2O3，c.約2至約4莫耳%ZnO，及d.約0.1至約1莫耳%Nb2O5。
  10. 如請求項1之介電組成物，其中該玻璃組分包含：a.約50至約68莫耳%SiO2，b.約9至約13莫耳%TiO2，c.約2至約7莫耳%Li2O，d.約9至約15莫耳%Na2O，e.約4至約8莫耳%K2O，f.約0.2至約1.1莫耳%P2O5，及g.約1.5至約7莫耳%V2O5。
  11. 如請求項10之介電組成物，其中該玻璃組分進一步包含選自於由下列所組成之群組的至少一者：a.約2至約8莫耳%Bi2O3，b.約1至約3莫耳%B2O3，c.約1至約4莫耳%ZnO，及d.約0.1至約1.5莫耳%Nb2O5。
  12. 如請求項1-11之任一項的介電組成物，其中該玻璃組分包括具有D50顆粒尺寸為0.1-10微米及D95顆粒尺寸為0.1-15微米的玻璃料(glass frit)顆粒。
  13. 一種電子裝置，其包含：a.一鋁基板，b.至少一層如請求項1-12之任一項的介電組成物，其係配置在該鋁基板的至少一部分上，c.一導電跡線(conductive trace)，及d.一電力電路，其中該基板、介電組成物及導電跡線係經安排，以便該介電組成物將該鋁基板與導電跡線進行電分離及物理分離之至少一種，及其中該電力電路僅接觸該導電跡線。
  14. 如請求項13之電子裝置，其中該鋁基板係選自於由下列所組成之群組：AL 1050、AL 1060、AL 1100、AL 2024、AL 3003、AL 380、AL 384、AL 5052、AL 514、AL 6061及AL 6063。
  15. 如請求項13之電子裝置，其中該導電跡線包括至少一種選自於由銅、鋁、銀、鉑及鈀所組成之群組的金屬。
  16. 一種在鋁基板上形成一介電層的方法，其包括：a.將至少一層如請求項1-12之任一項的介電組成物施加在鋁基板上，及b.燒製該介電組成物以在該基板上形成一介電層。
  17. 如請求項16之方法，其中該燒製係在溫度約400℃至約660℃下進行。
  18. 一種製造電子裝置的方法，其包括：a.提供一鋁基板，b.對該鋁基板施加至少一層如請求項1-12之任一項的介電組成物，c.將至少一層導電糊施加至該介電組成物的至少一層，以形成一組合，d.在400-660℃下燒製該組合以燒結該介電質與導電糊，及e.將一電力電路配置成與該至少一層導電糊電接觸。
  19. 一種電子裝置，其係選自於由下列所組成之群組：真空絕緣玻璃、太陽能電池接點、太陽能電池、太陽能電池模組、有機PV裝置、電漿顯示裝置、奈米結晶顯示器、電致變色裝置、電致變色材料系統、感應器、懸浮顆粒裝置、微型百葉窗(micro-blind)、液晶裝置、智慧型窗戶、可切換型窗戶、智慧型玻璃、電子玻璃(eglass)、量子點裝置、熱電裝置、電池、發光二極體、表面傳導電子發射顯示器、場發射顯示器、有機發光二極體、液晶顯示器、數位光處理、鐵電液晶顯示器(ferro-liquid display)、干涉調變顯示器、厚膜介電電致發光顯示器、量子點電致發光顯示器、時間多工光學快門(time multiplexed optical shutter)、伸縮畫素顯示器(telescopic pixel display)、液晶雷射、雷射磷光體顯示器、有機發光電晶體、及其組合，其包含至少一層如請求項1-12之任一項的介電組成物。
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