介电厚膜油墨的制作方法
【专利摘要】本发明公开了介电厚膜油墨。一种用于电子设备的导热厚膜介电油墨，其包含有机介质、玻璃粘合剂和具有分散在厚膜介电油墨混合物中各处的陶瓷颗粒的技术陶瓷粉末的混合物。
【专利说明】
介电厚膜油墨
技术领域
[0001]本发明总体上涉及厚膜油墨，并且更具体而言，涉及用于电子功率模块的厚膜介电油墨。
【背景技术】
[0002]
厚膜油墨通常用于电子工业中并且随着趋势朝着较小的电路发展而具有日益增加的重要性。厚膜电路通过通常包括使导体和介电油墨的若干个连续层沉积于基板上的重复的丝网印刷方法形成。厚膜电路被广泛用于汽车工业的电子设备中并且包括例如用于混合动力汽车的交流发电机、调节器(regulator)和功率逆变器的电子功率模块的设备。电子功率模块由于高水平的电流和电压而导致产生大量的热量，并因此要求材料具有高的热导率和扩散率，同时仍然在导热组件之间提供电绝缘性。
[0003]直接接合铜(direct bonded copper)(DBC)基板由于其高水平的热导率而常用于功率模块中。DBC基板由例如氧化铝或氮化硅的瓷砖和接合至或所述瓷砖的一侧或两侧的铜片材组成。顶部铜层可以预先形成或被蚀刻，以形成电路，而底部铜层仍然是实心片材。然后将所述DBC基板焊接到底板基板，其典型地由铝或其它导热金属制成，其用作散热器。
[0004]虽然功率模块中的DBC基板提供必要水平的电绝缘和热导率，但是多个层增加了体积和复杂性。此外，由于促进接合点退化的高电流和高电压而导致将DBC基板连接至所述底板的焊点是潜在的失效位点。
【发明内容】
[0005]
根据一个实施方案，提供了用于电子设备的导热厚膜介电油墨，其中所述厚膜介电油墨包含有机介质、玻璃粘合剂和技术陶瓷粉末的混合物，所述技术陶瓷粉末具有分散在厚膜介电油墨混合物中各处的陶瓷颗粒。
[0006]根据另一个实施方案，提供了包括形成电子组件被布置在其上的电路的金属层、形成散热器的基板、和被插入所述金属层和所述基板之间的厚膜介电油墨层的电子设备，其中所述厚膜介电油墨层是导热的，但不导电的。
[0007]根据另一个实施方案，提供了制造所述电子设备的方法，所述方法包括将厚膜导热介电油墨沉积覆盖基板的步骤，其中所述厚膜导热介电油墨包含有机介质、玻璃粘合剂和技术陶瓷粉末的混合物。所述方法进一步包括烧制所述厚膜导热介电油墨以形成至所述基板的接合物(bond)和将厚膜导热油墨迹线(trace)沉积于所述厚膜导热介电油墨上。
[0008]因此，在此公开以下实施方案:
方案1.用于电子设备的导热厚膜介电油墨，所述厚膜介电油墨包含以下物质的混合物:
有机介质； 玻璃粘合剂;和
技术陶瓷粉末，其具有分散在所述厚膜介电油墨混合物中各处的陶瓷颗粒。
[0009]方案2.方案I的导热厚膜介电油墨，其中所述技术陶瓷粉末以所述厚膜介电油墨重量的约4.0%-约22.0%的量存在。
[0010]方案3.方案2的导热厚膜介电油墨，其中所述技术陶瓷粉末是氮化铝、碳化硅、氧化铍、氮化硼或氮化硅。
[0011]方案4.方案I的导热厚膜介电油墨，其中所述有机介质以所述厚膜介电油墨重量的约14.0%-约32.0%的量存在。
[0012]方案5.方案4的导热厚膜介电油墨，其中所述有机介质包含2，2，4_三甲基-1，3-
戊二醇、二乙二醇二丁基醚、十二烷醇、十三烷醇和乙基纤维素。
[0013]方案6.方案5的导热厚膜介电油墨，其中所述2，2，4_三甲基-1，3-戊二醇以所述有机介质重量的约81.0%-约82.0%的量存在，所述二乙二醇二丁基醚以所述有机介质重量的约7.0%-约11.0%的量存在，所述十二烷醇以所述有机介质重量的约2.0%的量存在，所述十三烷醇以所述有机介质重量的约1.0%-约4.0%的量存在，并且所述乙基纤维素以所述有机介质重量的约3.0%-约6.5%的量存在。
[0014]方案7.方案I的导热厚膜介电油墨，其中所述玻璃粘合剂以所述厚膜介电油墨重量的约48.0%-约82.0%的量存在。
[0015]方案8.方案7的导热厚膜介电油墨，其中所述玻璃粘合剂包含氧化铅(II)、二氧化娃、三氧化硼和氧化铝。
[0016]方案9.方案8的导热厚膜介电油墨，其中所述氧化铅(II)以所述玻璃粘合剂重量的约65.0%-约67.5%的量存在，所述二氧化硅以所述玻璃粘合剂重量的约21.5%-约22.5%的量存在，所述三氧化硼以所述玻璃粘合剂重量的约8.0%-约9.0%的量存在，并且所述氧化铝以所述玻璃粘合剂重量的约2.0%-约3.0%的量存在。
[0017]方案10.用于混合动力汽车的功率逆变器，其包括:
形成电子组件被布置在其上的电路的金属层；
形成散热器的基板;和
根据方案I的厚膜介电油墨层，其中所述厚膜导热介电油墨层被插入所述金属层和所述基板之间。
[0018]方案11.电子设备，其包括:
形成电子组件被布置在其上的电路的金属层；
形成散热器的基板;和
被插入所述金属层和所述基板之间的厚膜介电油墨层，其中所述厚膜介电油墨层是导热的。
[0019]方案12.方案11的电子设备，其中所述厚膜导热介电油墨包含有机介质、玻璃粘合剂和技术陶瓷粉末。
[0020]方案13.方案12的电子设备，其中所述技术陶瓷粉末以所述厚膜介电油墨重量的约4.0%-约22.0%的量存在。
[0021]方案14.方案13的电子设备，其中所述技术陶瓷粉末是氮化铝、碳化硅、氧化铍、氮化硼或氮化硅。
[0022]方案15.方案11的电子设备，其中所述有机介质以所述厚膜介电油墨重量的约14.0%-约32.0%的量存在，并且包含2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇、二乙二醇二丁基醚、十二烷醇、十三烷醇和乙基纤维素。
[0023]方案16.方案11的电子设备，其中所述玻璃粘合剂以所述厚膜介电油墨重量的约48.0%-约82.0%的量存在，并且包含氧化铅(II)、二氧化硅、三氧化硼和氧化铝。
[0024]方案17.方案11的电子设备，其中所述基板是含有铝、铜或不锈钢的导热金属基板，或替代地，所述基板是含有氧化铝、氮化硅、碳化硅或氮化铝的陶瓷基板。
[0025]方案18.方案11的电子设备，其中所述电子设备是电子功率模块。
[0026]方案19.制造电子设备的方法，所述方法包括以下步骤:
将厚膜导热介电油墨沉积覆盖基板，其中所述厚膜导热介电油墨包含以下物质的混合物:
有机介质；
玻璃粘合剂;和技术陶瓷粉末；
烧制所述厚膜导热介电油墨以形成至所述基板的接合物;和将厚膜导热油墨迹线沉积于所述厚膜导热介电油墨上。
[0027]方案20.根据方案19的制造电子设备的方法，其中所述技术陶瓷粉末是氮化铝、碳化硅、氧化铍、氮化硼或氮化硅并且以所述厚膜介电油墨重量的约4.0%-约22.0%的量存在，并且其中所述有机介质以所述厚膜介电油墨重量的约14.0%-约32.0%的量存在并且包含2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇、二乙二醇二丁基醚、十二烷醇、十三烷醇和乙基纤维素，并且其中所述玻璃粘合剂以所述厚膜介电油墨重量的约48.0%-约82.0%的量存在并且包含氧化铅(II)、二氧化娃、三氧化硼和氧化铝。
【附图说明】
[0028]
下文将结合所附的附图描述优选的示例性实施方案，其中相同的名称表示相同的元件，并且其中:
图1图示说明了根据本发明的一个实施方案的示例性功率模块布置;和图2是图示说明制造根据本发明的一个实施方案的图1的功率模块的示例性方法的流程图。
【具体实施方式】
[0029]
本文中所考虑的各种实施方案涉及用于电子设备的厚膜介电油墨，使用所述厚膜介电油墨制造电子设备的方法，以及由这样的方法制造的电子设备。本文的示例性实施方案提供了用于电子设备，并且具体而言是用于电子功率模块(例如，交流发电机、调节器和逆变器)中的厚膜介电油墨。电子功率模块为各种电子组件(其通常为被焊接或烧结至金属迹线上的功率半导体设备(即模具(die)))提供了物理容纳(containment)。一些功率模块包含单个二极管或功率电子开关(例如MOSFET、IGBT、BJT、半导体闸流管、GTO或JFET)，而其它功率模块包含被连接以形成具有特定结构的电路的多个半导体模具，例如用在混合动力汽车中的功率逆变器。
[0030]所述厚膜介电油墨包含有机介质、玻璃粘合剂和选自氮化铝、碳化硅、氧化铍、氮化硼和氮化硅中的一种的技术陶瓷粉末。在一个示例性实施方案中，所述厚膜介电油墨被沉积(例如通过丝网印刷)覆盖通常为铝、铝合金或其它导热金属的底板基板。干燥所述厚膜介电油墨，然后烧制(例如在炉中)以形成覆盖所述底板基板的介电质。本文所公开的厚膜介电油墨组合物可直接印刷于所述底板基板上，具有基本为零的电导率和高热导率。
[0031]图1图示说明了示例性电子设备10的透视图，示例性电子设备10具有基板12、厚膜介电油墨层14以及形成电子组件18被布置在其上的电路的金属层16。基板12用作散热器，并且可以是，例如具有相对高的熔点的导热金属基板，例如铝、铜或不锈钢，或替代地，含有氧化铝、氮化硅、碳化硅或氮化铝的陶瓷基板。例如，在一个具体实施方案中，任意给定的铝合金的熔点应该超过550°C，从而使得所述厚膜介电油墨层14可以被恰当地烧制并粘附至基板12。也可以使用本领域技术人员已知的用于电子设备的其它基板。
[0032]厚膜介电油墨层14粘附至基板12并且使基板12与金属层16电绝缘。所述厚膜介电油墨层14也是导热的，以从设备10的温度敏感区域将热量传递走。厚膜介电油墨层14包含有机介质、玻璃粘合剂和技术陶瓷粉末。
[0033]在一个示例性实施方案中，所述有机介质以所述厚膜介电油墨重量的约14.0%-约32.0%的量存在。所述有机介质包含2，2，4_三甲基-1，3_戊二醇、二乙二醇二丁基醚、十二烷醇、十三烷醇和乙基纤维素。在一个实施方案中，所述2，2，4_三甲基-1，3_戊二醇以所述有机介质重量的约81.0%-约82.0%的量存在，所述二乙二醇二丁基醚以所述有机介质重量的约7.0%-约11.0%的量存在，所述十二烷醇以所述有机介质重量的约2.0%的量存在，所述十三烷醇以所述有机介质重量的约1.0%-约4.0%的量存在，并且所述乙基纤维素以所述有机介质重量的约3.0%-约6.5%的量存在。
[0034]所述有机介质通常通过将溶剂称重(S卩，重量％)放入烧杯中并加入所述乙基纤维素来制备。将全部混合物加热并搅拌直至所述乙基纤维素溶解。然后将该混合物冷却至室温。一些有机介质具有不同的溶剂和触变剂，但是它们全部根据上述程序来制备。厚膜介电油墨14的有机介质可包含本领域技术人员已知的其它有机添加剂。
[0035]在一个示例性实施方案中，所述玻璃粘合剂以所述厚膜介电油墨重量的约48.0%-约82.0%的量存在。所述玻璃粘合剂具有约1.0-约5.0ym的中值粒度和约2.0-4.0m2/g的表面积。所述玻璃粘合剂的软化点为约535°C-约5400C ο所述玻璃粘合剂包含氧化铅(II)、二氧化硅、三氧化硼和氧化铝。所述氧化铅(II)以所述玻璃粘合剂重量的65.0%-约67.5%的量存在，所述二氧化硅以所述玻璃粘合剂重量的约21.5%-约22.5%的量存在，所述三氧化硼以所述玻璃粘合剂重量的约8.0%-约9.0%的量存在，并且所述氧化铝以所述玻璃粘合剂重量的约2.0%-约3.0%的量存在。
[0036]在一个示例性实施方案中，所述技术陶瓷粉末以所述厚膜介电油墨重量的约4.0%-约22.0%的量存在。技术陶瓷总体而言可分为三个不同的材料类别:氧化物、非氧化物以及复合材料。氧化物包括氧化铝、氧化铍、二氧化铈和氧化锆;非氧化物包括碳化物、硼化物、氮化物和硅化物;并且复合材料包括增强粒子、增强纤维以及氧化物和非氧化物的组合。优选用于本文公开的厚膜介电油墨的是氧化物类别和非氧化物类别的具有高热导率的技术陶瓷；即，氮化铝、碳化硅、氧化铍、氮化硼和氮化硅。在所述厚膜介电油墨的一个实施中，所述氮化铝粉末具有约1.0-约5.Ομπι的中值粒度、约2.2-2.8m2/g的表面积和285W/mK的热导率;所述碳化娃具有约0.1-约0.9μηι，但通常不大于2.Ομπι的中值粒度、约2.5-2.9m2/g的表面积和200W/mK的热导率;所述氧化铍具有约1.0-5.0ym的中值粒度、约2.5-5.0m2/g的表面积和250W/mK的热导率;所述氮化硼(立方体)具有约0.1 -约0.5μηι，但通常不大于1.Ομπι的中值粒度、约2.5-5.0m2/g的表面积和740W/mK的热导率;并且所述氮化硅具有约0.1-1.5μπι的中值粒度、2.5-5.0m2/g的表面积和54W/mK的热导率。
[0037]将所述厚膜介电油墨的配方最佳化，以提供每单位厚度最高的可能的热导率和击穿电压。当所述击穿电压要求提高时，则通过实施额外的印刷步骤来增加厚膜介电油墨层14的厚度，直至传热性能开始降低的点。在一个实施方案中，对于电子设备10而言，厚膜介电油墨层14的最佳厚度为45-75μηι，以实现大于1000伏AC的击穿电压。其它性能可通过增加额外的印刷以增加介电油墨层14的厚度来实现。配方可以通过调节重量%比率，并且具体而言是所述技术陶瓷粉末对所述有机介质的比率而变化。在一个特定的非限制性的实例中，所述厚膜介电油墨包含以所述厚膜介电油墨重量的约32.0%的量存在的有机介质、以所述厚膜介电油墨重量的约48.0%的量存在的玻璃粘合剂以及以所述厚膜介电油墨重量的约20.0%的量存在的技术陶瓷粉末。
[0038]厚膜介电油墨14根据本领域一般技术人员公知的厚膜技术标准来制备。为了产生均匀的油墨，将所述有机介质、所述玻璃粘合剂和所述技术陶瓷粉末混合以产生糊剂，然后使其通过三辊磨机。一旦被制备，则来自所述技术陶瓷粉末的陶瓷颗粒保持完好，但被均匀地分散在油墨中各处。所制备的油墨的热导率取决于所使用的技术陶瓷粉末。然而，可以假定它将低于原始的陶瓷粉末。例如，对于单晶而言，氮化铝粉末的热导率可以高达285W/m.K。然而采用氮化铝粉末制备的厚膜介电油墨的一个示例性实施方案基于实验结果具有约146-166ff/m.K，但更具体而言约156_160W/m.K之间的热导率。通常，采用特定的技术陶瓷制造的油墨的热导率将是其本体(bulk)热导率的约50-60%。例如，如果粉末形式的材料X的给定技术陶瓷具有约100W/m.K的热导率，则采用相同的技术陶瓷制成的油墨的技术陶瓷的热导率将为约55W/m.K。此外，本领域一般技术人员理解的是通常高于50W/m.K的一切物质可以被认为具有高的热导率性质。
[0039]图2是描绘用于制造图1所示的电子设备10的示例性方法200的流程图。在步骤205中，将厚膜介电油墨14沉积于基板12上。在一个实施方案中，将所述厚膜油墨通过丝网印刷沉积于基板12上，所述丝网印刷是一种使用编织网来支撑油墨凃墨模版以接收所期望的图像或图案的印刷技术。所述模版形成传递可以按压通过网眼的作为边缘清晰的图像印刷于基板上的油墨或其它可印刷材料的所述网眼的开放区域。填充刀片或刮板横跨丝网模板移动，迫使或输送油墨通过网眼开孔以在刮板行程期间润湿所述基板。丝网材料的特征在于线直径(thread diameter)和网眼目数，所述网眼目数是每直线英寸的开放空间的数量。对于将厚膜介电油墨14印刷于基板12上而言，具有高开放面积的约200-约325网格(wires)/英寸的中值网眼目数是优选的。
[0040]在步骤210中，将在步骤205中被沉积于基板12上的所述厚膜油墨层在约150°C_约2500C下干燥5-10分钟，以产生干膜并除去沉积的油墨中的轻质挥发性溶剂。在步骤215中，将所述厚膜油墨层在炉中在约545°C-约575°C (取决于基板材料)下烧制。例如，可以将铝合金基板在550°C下烧制，其中在峰值温度停留6-8分钟。烧制所述厚膜油墨除去较重质的有机物、熔化所述玻璃粘合剂，并且允许无机组分形成紧密接合至基板表面的致密均匀的膜。
[0041]在步骤220中，关于是否已经达到厚膜介电质的所需厚度进行测定。如果厚膜介电层14的当前厚度没有达到所需厚度，则重复在步骤205、210和215中的印刷、干燥和烧制过程，直至达到厚膜介电层14的所需厚度。
[0042]一旦达到了厚膜介电层14的所需厚度，则在步骤225中，根据已知的方法沉积在电子设备10上形成电路的金属迹线层16。然而，应该注意的是，金属迹线层16必须能够在同样低的温度下被烧制，并且在烧制后很好地粘附至所述厚膜介电油墨。在步骤230中，通过焊接或烧结施加电子组件18或模具。
[0043]应该理解的是，以上描述不是对本发明的限定，而是本发明的一个或多个优选的示例性实施方案的描述。本发明并不限于本文所公开的一个或多个具体实施方案，而是唯一地由以下权利要求书限定。此外，包含在以上描述中的陈述涉及具体实施方案，并且不应解释成对本发明的范围或权利要求书中所使用的术语的定义的限制，除非术语或短语在上文中被明确定义。各种其它实施方案和所公开的一个或多个实施方案的各种变化和修改对于本领域技术人员将变得明显。例如，步骤的特定组合和顺序仅仅是一种可能性，因为本发明方法可以包括比本文所示的步骤的组合具有更少、更多或不同的步骤的步骤的组合。所有这样的其它实施方案、变化和修改意在落入所附的权利要求书的范围内。
[0044]如在本说明书和权利要求书中所使用的，术语“例如(for example)”、“例如(e.g.)”、“例如(for instance)”、“例如(such as)” 以及“如(like)” 和动词“包括”、“具有”、“包含”和它们的其它动词形式，当连同一个或多个组件或其它项目的列表使用时，应各自被解释为开放式的，这意味着该列表不应被认为是排除其它、另外的组件或项目。其它的术语应使用其最广泛的合理含义来解释，除非它们被用在需要不同解释的上下文中。
【主权项】
1.用于电子设备的导热厚膜介电油墨，所述厚膜介电油墨包含以下物质的混合物: 有机介质； 玻璃粘合剂;和 技术陶瓷粉末，其具有分散在所述厚膜介电油墨混合物中各处的陶瓷颗粒。2.权利要求1的导热厚膜介电油墨，其中所述技术陶瓷粉末以所述厚膜介电油墨重量的约4.0%-约22.0%的量存在。3.权利要求2的导热厚膜介电油墨，其中所述技术陶瓷粉末是氮化铝、碳化硅、氧化铍、氮化硼或氮化硅。4.权利要求1的导热厚膜介电油墨，其中所述有机介质以所述厚膜介电油墨重量的约14.0%-约32.0%的量存在。5.权利要求4的导热厚膜介电油墨，其中所述有机介质包含2，2，4_三甲基-1，3-戊二醇、二乙二醇二丁基醚、十二烷醇、十三烷醇和乙基纤维素。6.权利要求5的导热厚膜介电油墨，其中所述2，2，4_三甲基-1，3_戊二醇以所述有机介质重量的约81.0%-约82.0%的量存在，所述二乙二醇二丁基醚以所述有机介质重量的约7.0%-约11.0%的量存在，所述十二烷醇以所述有机介质重量的约2.0%的量存在，所述十三烷醇以所述有机介质重量的约1.0%-约4.0%的量存在，并且所述乙基纤维素以所述有机介质重量的约3.0%-约6.5%的量存在。7.权利要求1的导热厚膜介电油墨，其中所述玻璃粘合剂以所述厚膜介电油墨重量的约48.0%-约82.0%的量存在。8.用于混合动力汽车的功率逆变器，其包括: 形成电子组件被布置在其上的电路的金属层； 形成散热器的基板;和 根据权利要求1的厚膜介电油墨层，其中所述厚膜导热介电油墨层被插入所述金属层和所述基板之间。9.电子设备，其包括: 形成电子组件被布置在其上的电路的金属层； 形成散热器的基板;和 被插入所述金属层和所述基板之间的厚膜介电油墨层，其中所述厚膜介电油墨层是导热的。10.制造电子设备的方法，所述方法包括以下步骤: 将厚膜导热介电油墨沉积覆盖基板，其中所述厚膜导热介电油墨包含以下物质的混合物: 有机介质； 玻璃粘合剂;和 技术陶瓷粉末； 烧制所述厚膜导热介电油墨以形成至所述基板的接合物;和 将厚膜导热油墨迹线沉积于所述厚膜导热介电油墨上。
【文档编号】C09D11/03GK106046919SQ201610212052
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年4月7日 公开号201610212052.4, CN 106046919 A, CN 106046919A, CN 201610212052, CN-A-106046919, CN106046919 A, CN106046919A, CN201610212052, CN201610212052.4
【发明人】L.M.阿尔鲍夫, D.A.史密斯, T.J.古斯
【申请人】通用汽车环球科技运作有限责任公司