厚膜导电合成材料及制备多层电路的方法

厚膜导电合成材料及制备多层电路的方法
【专利摘要】本发明适用于多层电路制备【技术领域】，公开了一种厚膜导电合成材料及制备多层电路的方法。厚膜导电合成材料，包括导电粉体、无机粘合剂和有机媒质，所述无机粘合剂包括TiO2和烧结后可产生TiO2的含Ti化合物，其中所述无机粘合剂的质量占整个合成材料质量的比例范围为0.6%～2%。制备多层电路的方法包括生瓷带表面上印刷一层带图案的上述厚膜导电合成材料。本发明提供的厚膜导电合成材料可用于LTCC工艺中粘贴生瓷料带与各种粘贴电子元件，制作多层电路系统；当进行多种氧化物参杂后，可提高生瓷料带的粘结性和焊接连接头在保温条件和热循环条件下的热学稳定性，防止焊接接头出现开裂现象，并可保持良好的粘结性，产品可靠性高。
【专利说明】厚膜导电合成材料及制备多层电路的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于多层电路制备【技术领域】，尤其涉及一种厚膜导电合成材料及采用该厚膜导电合成材料的制备多层电路的方法。
【背景技术】
[0002]一个相互连接的 LTCC (low temperature co-fire ceramics,低温共烧陶瓷)设计的电路板，是一系列由电连接和机械连接的小型电子元器件组成的复杂多层电路系统，每个导电层直接以电介质层隔开。导电层之间通过介质层上的通孔相互连接。这样的多层结构使得电路更加紧凑，有利于减小尺寸。
[0003]由于LTCC生瓷料带具有多层结构、设计灵活的特点，且制备过程中采用共烧技术，从而广泛应用于汽车电子、通讯等领域。这种材料成功应用的一个关键要素是在热老化(150°C下恒温存放)和热循环(一般低温范围在-55?_40°C，高温范围在100?150°C)环境中，生瓷料带的表面导电层始终保持良好的焊接粘结性。当材料暴露在以上环境中，连接基板和电子元件的焊接接头处会出现应力，其原因是由于焊接接头处的各种材料(如陶瓷，导电金属，焊接金属等)的热膨胀系数不一致。通过细心的布局设计和合理利用底部填充材料，可使应力分布更均匀，防止应力集中在某一个接头处。但是，要想彻底消除应力是不可能的。当材料暴露在上述温度环境中，为了保持良好焊接粘结性，接头处的材料必须既可以吸收应力同时不产生永久的或不可逆的机械损伤。
[0004]焊接接头在热循环过程中最常见的损坏情形是导电层周边产生开裂，随着热循环时间的增加，裂缝将传播至介质层。某些情况下，开裂现象在热循环10次以内就出现了。而通常情况下，一般要求生瓷料带在500个温度循环后也不出现明显的开裂现象，或者导电层和介质层之间的粘结性不会明显下降。
[0005]目前，现有技术中，还没有技术能够使生瓷料带在500个温度循环后仍保持较好的粘结性且不出现明显的开裂现象，生瓷料带焊接接头的热稳定性差，产品可靠性低。

【发明内容】

[0006]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种厚膜导电合成材料及制备多层电路的方法，其可提高生瓷料带焊接接头的热稳定性，产品可靠性高。
[0007]本发明的技术方案是:一种用于LTCC技术的厚膜导电合成材料，包括导电粉体、无机粘合剂和有机媒质，所述无机粘合剂包括TiO2和烧结后可产生TiO2的含Ti化合物，其中所述无机粘合剂的质量占整个合成材料质量的比例范围为0.6%?2%。
[0008]可选地，所述导电粉体由一种金属粉体组成也可以由至少一种金属粉体、至少一种合金组成的混合物。
[0009]可选地，所述导电粉体的直径〈10 μ m。
[0010]可选地，所述含Ti化合物中的Ti是二价、三价或更高价态。
[0011]可选地，所述TiO2在合成材料中的质量百分比不到2%。[0012]本发明还提供了一种制备多层电路的方法，包括以下步骤，
(a):在多层生瓷料带制备通孔阵列图案；
(b):在(a)工序得到的生瓷带上进行填孔；
(c):在(b)工序得到的生瓷带表面上印刷一层带图案的厚膜导电合成材料，所述厚膜导电合成材料成分包括:
(O导电粉体；
(2)无机粘合剂，所述无机粘合剂包括TiO2和烧结后可产生TiO2的含Ti化合物，其中所述无机粘合剂的质量占整个合成材料质量的比例范围为0.6%?2% ；
(3)有机媒质；
Cd):对(C)工序得到的生瓷带进行叠层，以形成包括电路层和生瓷带的集合体；
Ce):对(d)工序得到的集合体进行共烧。
[0013]可选地，所述导电粉体的直径〈10 μ m。
[0014]可选地，所述含Ti化合物中的Ti是二价、三价或更高价态 可选地，所述TiO2在合成材料中的质量百分比不到2%。
[0015]可选地，所述TiO2在合成材料中的质量百分比为0.5?1.6%。
[0016]本发明提供的厚膜导电合成材料及制备多层电路的方法，该厚膜导电合成材料可用于LTCC (低温陶瓷共烧)工艺中粘贴生瓷料带与各种粘贴电子元件，制作多层电路系统；对于焊接元件，该导电合成材料尤其适用。当进行多种氧化物参杂后，可提高生瓷料带的粘结性和焊接连接头在保温条件和热循环条件下的热学稳定性，防止焊接接头出现开裂现象，并可保持良好的粘结性，产品可靠性高。
【具体实施方式】
[0017]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0018]本发明实施例提供的一种用于LTCC技术的厚膜导电合成材料，包括导电粉体、无机粘合剂和有机媒质，所述无机粘合剂包括TiO2和烧结后可产生TiO2的含Ti化合物，其中所述无机粘合剂的质量占整个合成材料质量的比例范围为0.6%?2%。具体应用中,无机粘合剂，其成分主要为TiO2和烧结后可产生TiO2的化合物，以及其他氧化物参杂。其中无机粘合剂总的质量占整个合成材料的比例范围为0.6%?2%。有机媒质，即聚合物的溶液，另有少量的添加剂，如表面活性剂。本发明所提供的用于LTCC技术的厚膜导电合成材料，其可用于LTCC生瓷料带，当进行多种氧化物参杂后，可提高生瓷料带的粘结性和焊接连接头在保温条件和热循环条件下的热学稳定性，进而提高了产品的可靠性。
[0019]具体地，所述导电粉体由一种金属粉体组成也可以由至少一种金属粉体、至少一种合金组成的混合物。例如金，银，钼金，钯，以及他们中任意二种或两种以上的混合物。具体地，导电粉体的大小和形状没有严格要求，一般所述导电粉体的直径〈10 μ m。
[0020]具体地，所述含Ti化合物中的Ti是二价、三价或更高价态。
[0021]具体地，所述TiO2在合成材料中的质量百分比不到2%，一般为0.5?1.6%。
[0022]具体地，无机粘合剂还可包括以下化合物:Sb203，Co3O4, PbO, Fe2O3, SnO2, MnO, CuO中和任意一种或者任意至少两种它们的混合物。
[0023]具体地，可在有机媒质中混合无机化合物，以形成粘性合成物，即粘结剂。厚膜导电合成材料中通常使用50?95 wt%的无机成分和5?50 wt%的有机媒质，有机媒质和无机成分的比例取决于粘结剂的使用方法和有机媒质的用途。
[0024]本发明还提供了一种制备多层电路的方法，包括以下步骤，
(a):在多层生瓷料带制备通孔阵列图案；
(b):在(a)工序得到的生瓷带上进行填孔；
(c):在(b)工序得到的生瓷带表面上印刷一层带图案的厚膜导电合成材料，所述厚膜导电合成材料成分包括:
(O导电粉体；
(2)无机粘合剂，所述无机粘合剂包括TiO2和烧结后可产生TiO2的含Ti化合物，其中所述无机粘合剂的质量占整个合成材料质量的比例范围为0.6%?2% ；
(3)有机媒质；
Cd):对(C)工序得到的生瓷带进行叠层，以形成包括电路层和生瓷带的集合体；
Ce):对(d)工序得到的集合体进行共烧。
[0025]具体地，导电粉体的大小和形状没有严格要求，一般所述导电粉体的直径〈10 μ m。
[0026]具体地，所述含Ti化合物中的Ti是二价、三价或更高价态。所述TiO2在合成材料中的质量百分比不到2%，一般为0.5?1.6%。
[0027]具体地，所述TiO2在合成材料中的质量百分比不到2%，一般为0.5?1.6%。。
[0028]具体地，无机粘合剂还可包括以下化合物:Sb203，Co3O4, PbO, Fe2O3, SnO2, MnO, CuO中和任意一种或者任意至少两种它们的混合物。
[0029]具体地，可在有机媒质中混合无机化合物，以形成粘性合成物，即粘结剂。厚膜导电合成材料中通常使用50?95 wt%的无机成分和5?50 wt%的有机媒质，有机媒质和无机成分的比例取决于粘结剂的使用方法和有机媒质的用途。
[0030]具体应用中，厚膜导电合成材料的主要成分是导电粉体和分布于有机媒质里的氧化钛。具体如下:
无机成分:
本发明的厚膜导电合成材料中的无机成分包括(I)具有导电功能的导电粉体和(2)无机粘合剂:其主要成分为氧化钛或者经烧结可产生氧化钛的化合物。无机粘合剂还包括其他一些无机氧化物添加剂。
[0031]导电粉体:
厚膜导电合成材料中的导电粉体可以是一种金属粉体和也可以是金属粉体、合金或含有几种成分的化合物的混合物，例如金，银，钼金，钯，以及他们的混合物。粉体的大小和形状在这里显得不是很重要,一般D50的尺寸为<10um。
[0032]无机粘合剂一氧化钛:
本发明所用的氧化钛有三种潜在的作用。一、可作为粘合剂给导电层和生瓷带提供粘接性；二、可调节导体层的烧结速率以减少生瓷带中应力；三、TiO2可提高生瓷带的机械强度。本发明所用的氧化钛可直接为氧化物，也可以是经烧结可产生氧化钛的含Ti化合物，如Ti金属，有机钛酸酯，或者来自玻璃原料的结晶产物。含Ti的化合物可以是二价，三价或更高价态。TiO2在合成材料中的质量百分不到2%，一般为0.5?1.6%。
[0033]可选的无机粘合剂成分
TiO2或者经烧结可产生TiO2的化合物是有助于提高生瓷带完整性和提高热循环后的粘结性的主要有效成分。同时，一些氧化物如Sb2O3, Co3O4, PbO, Fe2O3, SnO2, MnOx, CuOx等，当与钛氧化物混合后，也可以在一定程度上提高粘结性。
[0034]有机媒质
一典型的有机媒质是聚合物的溶液。最常用的聚合物为乙基纤维素，其他还包括乙基己基纤维素，木松香，乙基纤维素和酚醛树脂的混合物，低酒精含量的聚甲基丙烯酸酯等等。厚膜合成物中使用范围最广的溶剂是酯醇和松烯，如alpha-或beta-萜品醇或二者与煤油，马来酸二丁酯，二甘醇一丁醚，乙二醇，以及高沸点酒精和醇酯。以上化合物以及其他溶剂的多种组合配方可用来获得所需的粘性和挥发性。
[0035]厚膜导电合成材料中有机媒质和无机成分的比例取决于粘结剂的使用方法和有机媒质的用途。通常使用50?95 wt%的无机成分和5?50 wt%的有机媒质，以获得良好的涂层。
[0036]本发明的厚膜导电合成材料可用于粘贴生瓷带与其他各种粘贴元件，从而形成多层电路系统。生瓷带的作用是作为多层电路中的电介质材料。生瓷带是不含铅的。
[0037]生瓷带由定位孔定位后进行压片，定位孔位于生瓷带的边角，其尺寸比电路图形的实际尺寸略大。为了将各层连接起来形成多层电路，需要在生瓷带上制作通孔。早期一般使用器械打孔的方法实现，现在为了实现高精度的打孔，更多地使用激光钻孔的方法。
[0038]采用在通孔出填塞厚膜导电合成物的方法实现各层的相互连接。这种导电合成物常用于标准丝网印刷技术。通过丝网印刷导线制作每层的电路。同时，可在选定的层印刷电阻浆料或者高介电常数浆料制作电阻或电容电路元件。导线、电阻、电容和其他电子元件都可通过丝网印刷技术制作。
[0039]本发明的厚膜导电合成材料可应用在叠层工艺的前端工序或者后端工序，通过丝网印刷技术将合成物印制到电路层的最上面一层。最上层和电子元件直接接触。这些元件一般通过绕线、粘接或焊接等工艺固定到电路层表面。对于焊接元件，本发明的导电合成物尤其适用，可大幅提高焊接接头在热老化和热循环后的粘结性。
[0040]每层的电路制作完成之后，对每层进行对准和叠层，利用等静压技术确保每层精确对位。叠层后，再经过裁边得到合适的尺寸。利用传送带烧结炉或厢式烧结炉设定加热程序对叠层后的坯料进行烧结。
[0041]文中的“烧结”一词，在这里是指在氧化气氛(如空气)中对集成坯料加热到一定的温度，并保温足够长的时间，从而使有机材料挥发，使生瓷带和导体合成物中的无机成分产生化学反应。经烧结后，叠层坯料形成致密的多层电路元件，一般可用于通信和汽车电子领域。
[0042]“功能层”指的是印刷后的生瓷带，具有电导，电阻，电容等功能。一个典型的生瓷带上可以同时印刷制作出导线、导电通孔、电阻和电容等多个电子元件。
[0043]本发明提供的一种用于LTCC技术的厚膜导电合成材料，该材料用于LTCCX低温陶瓷共烧)工艺中粘贴生瓷料带与各种粘贴电子元件，制作多层电路系统；对于焊接元件，该导电合成材料尤其适用。当进行多种氧化物参杂后，可提高生瓷料带的粘结性和焊接连接头在保温条件和热循环条件下的热学稳定性，防止焊接接头出现开裂现象，并可保持良好的粘结性，产品可靠性高。
[0044]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种用于LTCC技术的厚膜导电合成材料，其特征在于，包括导电粉体、无机粘合剂和有机媒质，所述无机粘合剂包括Ti02和烧结后可产生Ti02的含Ti化合物，其中所述无机粘合剂的质量占整个合成材料质量的比例范围为0.6%~2%。
2.如权利要求1所述的用于LTCC技术的厚膜导电合成材料，其特征在于，所述导电粉体由一种金属粉体组成也可以由至少一种金属粉体、至少一种合金组成的混合物。
3.如权利要求1所述的用于LTCC技术的厚膜导电合成材料，其特征在于，所述导电粉体的直径〈10 μ m。
4.如权利要求1所述的用于LTCC技术的厚膜导电合成材料，其特征在于，所述含Ti化合物中的Ti是二价、三价或更高价态。
5.如权利要求1所述的用于LTCC技术的厚膜导电合成材料，其特征在于，所述Ti02在合成材料中的质量百分比不到2%。
6.一种制备多层电路的方法，其特征在于，包括以下步骤， (a):在多层生瓷料带制备通孔阵列图案； (b):在(a)工序得到的生瓷带上进行填孔； (c):在(b)工序得到的生瓷带表面上印刷一层带图案的厚膜导电合成材料，所述厚膜导电合成材料成分包括: (O导电粉体； (2)无机粘合剂，所述无机粘合剂包括Ti02和烧结后可产生Ti02的含Ti化合物，其中所述无机粘合剂的质量占整个合成材料质量的比例范围为0.6%~2% ； (3)有机媒质； Cd):对(C)工序得到的生瓷带进行叠层，以形成包括电路层和生瓷带的集合体； Ce):对(d)工序得到的集合体进行共烧。
7.如权利要求6所述的制备多层电路的方法，其特征在于，所述导电粉体的直径<10 μ m0
8.如权利要求6所述的制备多层电路的方法，其特征在于，所述含Ti化合物中的Ti是二价、三价或更高价态。
9.如权利要求6所述的制备多层电路的方法，其特征在于，所述Ti02在合成材料中的质量百分比不到2%。
10.如权利要求9所述的制备多层电路的方法，其特征在于，所述Ti02在合成材料中的质量百分比为0.5~1.6%。
【文档编号】H05K1/09GK103906352SQ201410135765
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月7日 优先权日:2014年4月7日
【发明者】朱元芳, 朱玉芳, 邱炼 申请人:深圳市力磁电子有限公司