用于制备金属化的由铝组成的基材的方法
【专利摘要】本申请涉及用于制造金属化基材(1)的方法，其中所述基材(1)至少部分地，优选全部由铝和/或铝合金组成，其中，在基材(1)的表面(2)上至少局部地施加导电糊剂(3)，在第一燃烧阶段(B1)中，使所述导电糊剂(3)经受基本上连续上升的燃烧温度，其中使燃烧温度升高至低于约660℃的可预设的最高燃烧温度，在第二燃烧阶段中，使导电糊剂(3)基本上在可预设的最高燃烧温度经受可预设的时间，在冷却阶段(A)中，将所述导电糊剂冷却，和在后处理阶段中，将导电糊剂(3)的表面(4)以机械方式后处理，优选刷光。
【专利说明】用于制备金属化的由铝组成的基材的方法
[0001]本发明涉及用于制备金属化的基材的方法，其中所述基材至少部分地，优选全部由铝和/或铝合金组成。
[0002]铝原料尤其在工业电子学的领域具有越来越重要的意义。由于其相对小的重量和低的成本，铝经常被用作电子元件，如工业电子学模块(例如LED、IGBT或M0SFET)的冷却体，或还直接被用作载流导体，尤其被用作汇流条或母线。对于这样的应用目的，铝不仅具有非常高的热导率(约为235W/ (m*K))，而且具有非常高的电导率(约为37*106A/ (V*m))。铝的化学性质在于非常快速地在空气中形成薄氧化层，所述氧化层通过与空气中的氧气接触而在铝本体的表面上连续的氧化过程而形成。该氧化层虽然一方面提供腐蚀防护，但另一方面也使铝与其它材料通过钎焊、热压焊接或其它已知的接合技术的结合变得困难。
[0003]因此，本发明的目的在于提出一种用于制备金属化的基材的改进方法，所述基材主要由铝和/或铝合金组成。尤其应实现的是，使得基材表面可焊接，以便可以制成与所述基材的电接触。
[0004]根据本发明，该目的通过权利要求1的特征得以解决。本发明的有利的实施方案在从属权利要求中进行说明。
[0005]因此根据本发明设计为，在基材的表面上至少局部地施加导电糊剂，在第一燃烧阶段中，使所述导电糊剂经受基本上连续上升的燃烧温度，其中使燃烧温度升高至低于约660°C的可预设的最高燃烧温度，在第二燃烧阶段中，使导电糊剂基本上在可预设的最高燃烧温度经受可预设的时间，在冷却阶段中，将所述导电糊剂冷却，和在后处理阶段中，将导电糊剂的表面以机械方式后处理，优选刷光。
[0006]通过所述的方法步骤可以将基材的，尤其是铝基材的表面可靠地金属化。通过所述的方法在其上施加导电糊剂并按照所述方法步骤烧结而成的区域作为该基材的导电接触点，而非所述区域中占主导地位的经氧化的基材表面。至少局部通过施加和烧结导电糊剂而获得的该能导电的层可以随后例如用于钎焊电子元件或还用于钎焊冷却体，其中所述冷却体本身再次可以由铝组成。
[0007]在此，所述基材可以至少有部分地，优选全部由具有尽可能高的铝份额的铝原料组成。优选使用具有根据欧洲标准EN 573的等级EN AW-1050A或EN AW-1060A的铝原料，所述铝原料含有至少99.5重量％至99.6重量％的铝。也可使用铝合金，例如包含锰或镁的铝合金，如 EN Aff-3003 (AlMnlCu)、EN Aff-3103 (AlMnl)、EN Aff-5005 (AlMgl)或 ENAff-5754 (AlMg3)，尽管与前述基本上纯的铝原料相比，所述合金具有略低的熔化温度以及略低的热导率。
[0008]通过所提出的方法可能的是，选择性地将基于铝的基材的表面的单独区域金属化，其中，呈烧结的导电糊剂形式的金属化区域直接牢固地与基材结合，并由此能实现导电糊剂到基材的高电导率及高热导率，反之亦然。此外，金属化区域为可钎焊的区域，通过该区域可以将基材以已知的方式和手段与其它部件连接。因此，可以例如使用传统焊剂，如共晶的Sn-Pb-焊料、Sn-Ag-Cu-焊料或Sn-Au-焊料将电子元件焊接在金属化区域上。
[0009]为了改进散热，也可以透过金属化区域将组件(例如高功率LED模块或工业电子学模块)的无电位接点焊接在铝基材上，而不必使用位于其间的绝缘介电层，且不必使用昂贵的银基导热糊剂，由此能够实现整体上较低的热阻。由于较低的热阻以及提高的热导率，可以使与基材连接的部件的结构尺寸变小，或使其以较高的输出功率运行。为了将部件焊接至金属化区域，可使用传统焊剂(参见上文)。因此可以舍弃特殊的铝焊剂，所述铝焊剂经常包含卤素和其它对健康有害的物质。
[0010]所提出的方法的另一应用领域是铝汇流条的金属化，用于改进与其连接的电缆的连接可靠性。通过采用铜基导电糊剂金属化铝汇流条表面，尤其可以防止所述表面与其所连接的铜电缆的金属间扩散及电化学反应。
[0011]根据特别优选的实施方案可以设计为，将导电糊剂通过丝网印刷法施加在基材的表面上。丝网印刷技术为用于在基材上产生线路的基础方法。在工业电子学领域，作为基材经常使用所谓的“绝缘金属基材(Insulated Metal Substrate, MS) ”，所述基材包括铝制核心，并被绝缘层或介电层包裹。在这种情况下，为了改进的热导率而使用铝制核心。线路本身(例如借助丝网印刷技术施涂在绝缘层上的线路)在此与铝制核心并无导电性接触。
[0012]然而本发明一个目的在于实现设置在基材上的线路与基材本身的直接的电接触。通过所提出的方法，可以将线路或者导电面直接设置在基材上而不必在其间设置绝缘层，从而使这成为可能。实现烧结的导电糊剂与基材之间的材料闭合，通过所述材料闭合使烧结的导电糊剂直接与基材导电和导热接触。在此，可以使用呈厚层糊剂或烧结糊剂形式的传统导电糊剂。由于厚层糊剂的多孔性，可以补偿导电糊剂和基材的不同的热膨胀，由此能够使导电糊剂及基材的连接的可靠性得以提高，尤其在例如汽车领域中的有强烈温度变化需求的情形。
[0013]由于丝网印刷技术(其中在基材上施加层)的迭加特性，为了基材表面的金属化此外可以舍弃使用曝光法及腐蚀法，这导致所提出的方法的成本优势。
[0014]厚层导电糊剂通常包括至少一种作为导电介质的金属粉末、作为粘附剂的无机粉末(例如玻璃料)以及有机粘结剂和溶剂。所述有机粘结剂和溶剂产生具有一定流体性质的类似糊剂的稠度，然而所述性质也受导电糊剂的其它成分影响。
[0015]关于导电金属粉末的成分，优选可以设计为使用包含铜粉的导电糊剂。当然也可以使用包含银粉和/或金粉的导电糊剂。然而在此使用铜粉明显是成本有利的。
[0016]关于无机粉末的成分，优选可以设计为使用包含由PbO-B2O3-S12体系组成的玻璃和/或包含Bi2O3的玻璃的导电糊剂。在所提出的方法中的烧结过程中虽然在这种情况下是占主导地位的、相对低的燃烧温度，但由此仍然可以实现导电糊剂在基材上非常好的粘附。
[0017]在印刷导电糊剂(例如通过现有技术中已知的丝网印刷方法)之后，导电糊剂由于其流体性质基本上留在相对应的区域内，而没有显著的流出。为了使基材表面上施加的导电糊剂最佳地准备燃烧或烧结，优选可以设计为，将导电糊剂在第一燃烧阶段之前，在干燥阶段中，在约80°C至约200°C，优选100°C至150°C，特别优选在最高130°C的温度干燥，时间长度优选为约5min至约20min。通过该干燥阶段，导电糊剂中存在的溶剂基本上完全消散。在此优选的是已知的干燥方法，例如红外干燥或热空气干燥。通过干燥过程和与其相关的导电糊剂中的溶剂的消散，导电糊剂经受一定的体积减小。然而这可以在准备阶段中已经通过相应较厚地施涂导电糊剂来抵抗。
[0018]导电糊剂在所提出的方法的第一和/或第二燃烧阶段的燃烧或烧结优选可以在焙烧炉中进行，其中在焙烧炉中燃烧温度占主导地位。当然，干燥阶段和/或冷却阶段也可以在焙烧炉内进行。在此优选可以使用具有输送装置的焙烧炉。
[0019]取决于基材和导电糊剂所使用的原料组合，可以利用合适的燃烧曲线。特别的实施方案变型设计为，在第一燃烧阶段中，使燃烧温度至少间歇地以约40°C /min至约60°C /min升高。此外可以设计为，在第一燃烧阶段中，将燃烧温度升高至约580°C，优选约565°C，特别优选约548°C的最高燃烧温度。
[0020]将导电糊剂加热超过约400°C至450°C导致所有有机内容物，例如有机粘结剂基本上完全消散，并使无机成分(例如玻璃粉末或玻璃料)软化。此外，在该温度插入金属粉末的烧结过程。导电糊剂的软化的玻璃成分随后产生导电糊剂在基材上的良好粘附。
[0021]最高燃烧温度原则上受到铝的熔化温度的限制，所述熔化温度为约660°C。在使用基于银的导电糊剂的情况下，最高燃烧温度优选为约565°C，和在使用基于铜的导电糊剂的情况下，最高燃烧温度优选为约548°C。该温度由可能在此形成的低共熔的铝-铜或者铝-银合金的熔化温度得出。
[0022]关于各最高燃烧温度，对于导电糊剂而言要选择合适的玻璃成分，其相应的玻璃化转变温度(Te)或熔化温度(Ts)适应其最高燃烧温度。因此相应的导电糊剂的玻璃成分的玻璃化转变温度或熔化温度应当相应地为低于给定的最高燃烧温度，以保证基材上的导电糊剂的最佳的粘附。尤其合适的是由PbO-B2O3-S12体系组成的玻璃和/或包含Bi2O3的玻璃。
[0023]经证实特别有利的是，在第二燃烧阶段中，使导电糊剂的燃烧进行约5min至约30min。原则上，第二燃烧阶段(在最高燃烧温度下)的时间越长，则导电糊剂烧结得越密实，并且因此对于后续加工(例如钎焊及热压焊接)具有更佳的性质。然而在第二燃烧阶段中的燃烧时间过长的情况下，在典型的烘箱中的通过时间相应延长，这可能负面地影响总体生产率。
[0024]在另一优选实施方案变型中可以设计为，在第二燃烧阶段中，使可预设的最高燃烧温度基本上保持恒定。
[0025]此外优选可以设计为将导电糊剂在第一燃烧阶段和/或第二燃烧阶段中处于含氮的保护气体气氛中。保护气体气氛(例如氮气)对于铜线路糊剂的焊透而言是有利的，从而防止线路材料的氧化(取决于燃烧阶段，可能存在会有数个ppm的残留氧含量)。这类材料或导电糊剂的有机粘结剂在此可以如此设计，其可以在氮气气氛下减少。对于银线路糊剂而言，传统的空气气体反而是有利的，因为在此情况下线路表面受氧化的消极影响微乎其微。在此所使用的有机粘结剂可以经由空气中的氧气氧化。
[0026]在本发明的优选实施方式中可以设计为，在冷却阶段中，燃烧温度至少间歇地以约20°C /min至约40°C /min，优选约30°C /min下降。在此优选将冷却进行至环境温度。因为所使用的材料的不同的热膨胀系数，则冷却进行得越缓慢，导电糊剂与基材之间的连接的机械影响越小。
[0027]通过烧结的导电糊剂(在燃烧或烧结过程期间由于在此占主导地位的高温所进行)的典型的氧化设计为，使导电糊剂的表面在冷却之后进行相应的机械后处理，以简化另外的加工，例如用于后续的钎焊方法或热压焊接方法。
[0028]根据优选的实施方式可以设计为，在基材的表面上施加厚度为约ΙΟμπι至约100 μ m的导电糊剂。当然也可以将厚度小于1ym的导电糊剂，或厚度大于100 μ m的导电糊剂施加在基材的表面上。也可以设计为，相继地多次应用所提出的方法，以整体上提高导电糊剂的给定厚度。
[0029]本发明的其它细节和优点借助以下附图描述加以阐释。
[0030]图1显示了穿过具有设置于其上的导电糊剂的基材的截面，和
[0031]图2显示了对于所提出的方法的实施例关于时间的燃烧温度的燃烧曲线。
[0032]图1显示了在进行所提出的方法之后，由基本上纯的铝或者高纯度铝合金组成的基材I的(并非按比例的)截面。在此，所述基材I例如由具有根据欧洲标准EN 573的ENAW-1050A等级的铝原料组成，所述原料包含至少99.5重量％的铝。所述基材I具有约2mm的厚度Ds,和基本上平的表面2。通常,基材I可以具有至少Imm的厚度Ds,而有意义的最大厚度Ds则可能受到基材I的另外的加工的限制。
[0033]在基材I的表面2上借助丝网印刷法施加铜基导电糊剂3，即所使用的导电糊剂3包含作为导电成分的铜粉。基材I连同导电糊剂3根据所提出的方法按照来自图2的燃烧曲线处理，以获得可焊接的铝基材I。在该实施例中，在应用所提出的方法之后的经燃烧或者经烧结的导电糊剂3的厚度^为约35 μ m。经燃烧或者经烧结的导电糊剂3的厚度^例如对于铜线路糊剂而言可以为约20 μ m至约40 μ m,和对于银线路糊剂为约10 μ m至约20 μ m。为改进所提出的方法中的经燃烧或者经烧结的导电糊剂3的焊接性质，将经烧结的导电糊剂3的表面4以机械方式后处理，例如刷光。
[0034]图2显示了对于所提出的方法而言可行的燃烧曲线。所示出的曲线图在此表示焙烧炉中的燃烧温度T随时间的变化，其中进行第一燃烧阶段B1、第二燃烧阶段B2,以及冷却阶段A。在第一燃烧阶段B1中，将燃烧温度T从约22°C的环境温度开始连续升高，直至约542°C的可预设的最高燃烧温度!1.。在这种情况下，在第一燃烧阶段B1中，燃烧温度T在时间上的变化基本上为具有基本上为线性阶段的S形，其中燃烧温度T以约46°C /min的速率Rb上升。
[0035]达到可预设的最高燃烧温度Tmax之后，在第二燃烧阶段B2中，导电糊剂3和基材I在约542°C的可预设最高燃烧温度Tmax经受约9min的可预设时间段tB，并因此使导电糊剂3燃烧或者烧结。
[0036]在之后的冷却阶段A中，使燃烧温度T连续下降，其中燃烧温度T随时间t以基本上S形的曲线下降。在冷却阶段A中，燃烧温度T的下降速率Ra近似为平均约33°C /min。
【权利要求】
1.用于制造金属化基材(I)的方法，其中所述基材(I)至少部分地，优选全部由铝和/或铝合金组成，其特征在于，在基材⑴的表面⑵上至少局部地施加导电糊剂(3)，在第一燃烧阶段(B1)中，使所述导电糊剂(3)经受基本上连续上升的燃烧温度(T)，其中使燃烧温度(T)升高至低于约660°C的可预设的最高燃烧温度(Tmax),在第二燃烧阶段(B2)中，使导电糊剂(3)基本上在可预设的最高燃烧温度(Tmax)经受可预设的时间段(tB)，在冷却阶段(A)中，将所述导电糊剂(3)冷却，和在后处理阶段中，将导电糊剂(3)的表面(4)以机械方式后处理，优选刷光。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，将所述导电糊剂(3)通过丝网印刷法施加在基材⑴的表面⑵上。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，使用包含铜粉末的导电糊剂(3)。
4.根据权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于，使用包含由PbO-B2O3-S12体系组成的玻璃和/或包含Bi2O3的玻璃的导电糊剂(3)。
5.根据权利要求1至4中任一项的方法，其特征在于，将导电糊剂(3)在第一燃烧阶段(B1)之前，在干燥阶段中，在约80°C至约200°C，优选100°C至150°C，特别优选在最高130°C的温度干燥，时间长度优选为约5min至约20min。
6.根据权利要求1至5中任一项的方法，其特征在于，至少导电糊剂(3)的燃烧在第一燃烧阶段(B1)和/或第二燃烧阶段(B2)中在焙烧炉中进行，其中在焙烧炉中燃烧温度(T)占主导地位。
7.根据权利要求1至6中任一项的方法，其特征在于，在第一燃烧阶段(B1)中，使燃烧温度(T)至少间歇地以约40°C /min至约60°C /min升高。
8.根据权利要求1至7中任一项的方法，其特征在于，在第一燃烧阶段(B1)中，将燃烧温度(T)升高至约580°C，优选约565°C，特别优选约548°C的最高燃烧温度(Tmax)。
9.根据权利要求1至8中任一项的方法，其特征在于，在第二燃烧阶段(B2)中，使导电糊剂(3)的燃烧进行约5min至约30min。
10.根据权利要求1至9中任一项的方法，其特征在于，在第二燃烧阶段(B2)中，使可预设的最高燃烧温度(Tmax)基本上保持恒定。
11.根据权利要求1至10中任一项的方法，其特征在于，将导电糊剂(3)在第一燃烧阶段(B1)和/或第二燃烧阶段(B2)中处于含氮的保护气体气氛中。
12.根据权利要求1至11中任一项的方法，其特征在于，在冷却阶段(A)中，燃烧温度(T)至少间歇地以约20°C /min至约40°C /min,优选约30°C /min下降。
13.根据权利要求1至12中任一项的方法，其特征在于，在基材(I)的表面(2)上施加厚度为约10 μ m至约100 μ m的导电糊剂(3)。
【文档编号】B23K1/20GK104271300SQ201380023448
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年4月8日 优先权日:2012年5月4日
【发明者】R·C·伯恩斯, W·图斯勒, B·海格勒 申请人:Ab微电子有限公司