专利名称：用于高亮度led的高性能固晶粘合剂(daa)纳米材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及高性能固晶粘合剂(die attach adhesive) ( “DAA”)材料,通过结合纳米材料和微米/纳米胶囊技术，该材料热导率高，固化温度低，并且储存温度高。本发明还涉及制备所述材料的复合材料的方法，所述材料可用于封装高亮度LED(“HB-LED”)和其他半导体。
背景技术：
近年来HB-LEDs的重要性增加并且在不久的将来将成为照明工业最重要的产品之一。然而，因为传统的HB-LEDs在产生高于lOOW/cm2的热通量方面普遍都有问题，所以设计用于指示器LED的传统封装不适于HB-LED。LED过热将引起过早失效，因为这种固相照明装置的效率、光谱、可靠性和寿命强烈依赖于成功的热管理。环氧树脂粘合剂是最广泛用于HB-LED和半导体封装的粘合剂，因为这种粘合剂对不同种类的基板都具有良好的粘合性，能够在超快速工艺中实现自动化，成本低，并且由于易于使用而节省了生产周期时间等等。未改性的环氧聚合物树脂是天然的绝缘体，显示低电导率和热导率。因此，合适的填充剂已被用于生产高电导率和高热导率的粘合剂。应加入充分导电/导热的颗粒以在聚合物基质内形成 网络，从而电子和热能够流过颗粒结合点以使该混合物导电并导热。基于这种概念，传统固晶粘合剂(“DAA”)的热导性主要通过填充剂和贯穿环氧树脂基质的填充剂之间的连接而实现[M.1noue, H.Muta, S.Yamanaka, K.Suganuma,大阪大学，日本，J.Electron.Mater.，Vol.37，N0.4 (2008) PP.462-468.]。已用金属粉末，包括银、铜、金和铝等，作为传统的DAA填充剂来获得约1-5W/M.K的热导率。然而，这种热导率不能满足当前高功率装置的需求。对于填充剂材料的设计和填充剂与基质间的化学的研究都比较活跃[Yi Li, C.P.Wong, Materials Science andEngineering R51，2006，1-35 ;D.D.Lu，Y.G.Li, C.P.Wong, 22, 2008,801-834] 此外，进一步的研究集中在新型的高热导率填充剂，包括氮化硼、氮化铝和碳的同素异形体等[C.-W.Nan，G.Liu，Y.Lin，and Μ.Li，App1.Phys.Lett.，vol.85, 2004，3549-3551 ；C.H.Liu，
H.Huang, Y.Wu, and S.S.Fan，App1.Phys.Lett.84，2004，4248-4250]。尝试增强环氧复合物热导率的努力还包括使用纳米颗粒材料。例如，美国专利申请系列号10/426,485公开了在聚合物基质中使用非导电纳米颗粒以改善聚合复合物体系的热导率。美国专利号7，550，097还描述了使用导电纳米颗粒的热导材料，该纳米颗粒比微米级颗粒的相分离更少。除填充剂之外，还研究了 CVD生长的碳纳米管(CNT)作为HP(高功率)-LED(等同于HB-LED)封装中的热界面材料(TIM)以增强界面的热导性[K.Zhang, Μ.M.F.Yuen,D.G.ff.Xiao, Y.Y.Fu, P.Chan,，Proc.2008ECTC58th, PP.1659-1663 ；K.Zhang, Y.Chai，M.M.F.Yuen, D.G.W.Xiao, P.C.H.Chan, “Carbon nanotube thermal interfacematerial for high-brightness light-emitting-diode cooling，，， Nanotechnology,19,n0.215706]。然而，与用于热沉表面的CNT- Μ相比，LED或其他半导体中的芯片粘合工艺仍然使用固晶粘合剂用于将裸片(die)/芯片粘合在不同基板(陶瓷、硅、铜、铝等)上。CNT-TIM和裸片之间的不稳定粘合不能为随后的引线粘合工序提供足够的强度。相比之下，固化的DAA对于这些工艺而言是足够强的。这种固化的DAA能将最重要的部分即LED裸片和基板直接连接起来。因为这些特性，这种固晶材料不仅提供了裸片和封装之间的热导性和电导性而且还根本上改善了器件在电场中工作时的性能。因为官能化环氧粘合剂对不同基板的良好粘合、低成本和能够在粘合工艺中自动化,这种粘合剂占据了大规模生产中现有的大部分市场份额。因此，需要开发一种新的DAA，其具有较高的热导率、更好的粘合性和更大的机械稳定性。迄今为止，只报道了很少的DAA能够达到15-25W/M.K的相对较高的热导率。仍然需要热导率高于40W/M.K并且具有较高的稳定性和相对低成本的DAA以形成可靠和稳定的HB-LED 封装。传统的环氧粘合剂主要由两组分组成，这两组分最初是分离的:“A”是线性聚合物树脂，“B”是固化剂。当“A”组分与“B”组分混合时，线性聚合物树脂被固化剂活化，线性分子彼此交联形成最终的三维网络。这种两组分(two-part)粘合剂有一些优点，诸如保质期很长、固化温度很低能在室温固化。然而，它们在电子器件封装中的缺点包括，(需要)另外的混合工艺，混合后的粘合剂适用期短导致大量的浪费，以及使用难度大(因为当两组分混合时，它们在室温马上开始固化，适用期太短以至于不适合用于自动化固晶工艺)。相对而言，已知单组分(one-part)环氧粘合剂可广泛用于不同的用途，包括电子器件封装。它们一般对多种基板具有非常好的粘合性，非常高的粘合强度和优异的电学特性。然而，单组分环氧粘合剂在应用于电子器件时有一些限制。首先，当聚合物树脂和固化剂混合在一起时，需要 _40°C的非常低的储存温度以降低反应性。这使得反应混合物在运输和储存中成本更高并且消耗更多能量。第二，在单组分粘合剂中多使用潜固化剂。因此，大多数现有的单组分环氧粘合剂需要在高温(> 150°C )固化很长时间，这限制了它们在具有温度敏感性元件例如LED的LED器件中的应用。这种固化条件从节约能源和大规模生产效率的角度而言也是一种缺陷。虽然一些研究工作集中在通过使用微胶囊化硬化剂来解决这一问题[美国专利7，854，860]，但是此类单组分材料无法用于热导性/电导性粘合齐U，因为粘合剂中的硬颗粒填充剂破坏软的微胶囊壳并且硬化剂从中释放出来导致整个粘合剂体系的失败。因此，本领域仍然需要改进的环氧体系，其具有较高的热导性和电导性并且易于使用、方便储存，能够与多种基板材料形成高强度的粘合。
发明内容
本发明第一方面涉及单组分DAA，其具有高电导率和高热导率、低固化温度和高储存温度以及高可靠性。更具体地，这些单组分DAA具有≥ 40W/M.K的热导率，在≤ 100°C的温度时具有良好的可固化性，和在≥-10°C的储存温度时的高稳定性。本发明单组分DAA的复合材料包括30-96重量％的热导性填充剂、2-30重量％的聚合物基质和2-40重量％的溶齐U。所述热导性填充剂在所述聚合物基质中良好地分散从而增强本发明单组分DAA的热导性。热导性填充剂可以不同的形式存在，诸如纳米线、纳米线网络或纳米颗粒。填充剂可由选自银、铜、镍、石墨或它们的组合的(一种或多种)无机材料或金属组成。也可改变热导性填充剂使其具有不同的粒度、形状和/或不同种类的填充剂之间的重量百分比以适应不同的目的。填充剂的直径范围在10nm-50 μ m ;填充剂的形状可以是颗粒状、棒状、网状等；具有不同形状和粒度的每一种填充剂的重量百分比的范围为填充剂的1% _100%。热导性填充剂的主要功能是填充商购填充剂之间的空隙以形成连续的、多通道的热传导路径，从而增强本发明单组分DAA的热导性。热导性填充剂还包括分散剂。热导性填充剂中分散剂的重量百分比介于0.1-10%。本发明的分散剂包括以下的一种或多种:甘油脂肪酸和/或其聚合物、具有亲水基团和/或疏水基团的有机硅烷偶联剂、具有亲水基团和/或疏水基团的有机钛酸酯和/或具有亲水基团和/或疏水基团的含巯基化合物。本发明单组分DAA的复合材料中的聚合物基质包括环氧体系，该环氧体系由环氧树脂和固化剂组成。环氧树脂选自链状脂肪族环氧树脂、环状脂肪族环氧树脂、缩水甘油酯、缩水甘油醚化合物、或它们的组合。固化剂选自六氟铵锑、含咪唑化合物或它们的组合。用于本发明单组分DAA的复合材料中的溶剂包括本文定义的一种或多种非反应性有机稀释剂。本发明第二方面涉·及在半导体封装(包括HB-LED封装)中使用单组分DAA的方法。使用本发明单组分DAA的方法包括制备单组分DAA的复合材料的方法，该制备方法包括制备热导性填充剂，制备聚合物基质，制备溶剂，将热导性填充剂分散在聚合物基质中以增强单组分DAA的热导性，将非反应性有机溶剂和分散剂加入到热导性填充剂和聚合物基质的混合物中以促进热导性填充剂的分散并降低单组分DAA的粘度，和向聚合物基质的环氧树脂中提供固化剂以控制所述单组分DAA的固化行为。在将所述复合材料中使用的热导性填充剂分散在聚合物基质中之前，热导性填充剂的表面经进一步改性。在分散到聚合物基质中之前，还可改变不同形式的热导性填充剂的粒度、形状和重量百分比。在分散之前，分离不同形式的热导性填充剂，仅选择所需的形式。然后经过某些(一种或多种)改性的所选形式的热导性填充剂在非反应性有机溶剂的存在下分散到聚合物基质中。在分散到聚合物基质之前，将分散剂加入到所选形式的热导性填充剂中。通过将环氧树脂和固化剂混合来制备聚合物基质。可通过热固化、微波固化或它们的组合来进行聚合物基质的固化过程。可在约20°C至约150°C的温度通过热固化或通过热、辐射和微波固化的组合而进行固化过程。更具体而言，固化温度优选约70°C至120°C。固化过程可持续约I分钟至约5小时，更优选2分钟至2小时。制备单组分DAA的复合材料的方法还包括混合所选择的热导性填充剂、溶剂和聚合物基质以形成本发明单组分DAA的复合材料。可手动混合或通过其他混合设备例如和面机、链罐式搅拌机、行星式混合机、双螺杆挤出机、两辊或三辊轧磨机，或通过本领域技术人员所知的任何常规方式来进行混合。在制备本发明单组分DAA复合材料的方法的任何混合步骤中，每个混合步骤中的组分可通过本领域技术人员所知的任何方法以分批、连续或半连续方式混合。
图1图示了不同条件下DAA体系中的散热路径:(IA)加入棒状填充剂之前，(IB)加入棒状填充剂之后，以及(IC)加入纳米尺寸的颗粒状填充剂之后。箭头代表不同条件下的散热途径。图2图示了形成本发明单组分DAA的复合材料中的主要成分。图3流程图示出了本发明单组分DAA的复合材料的形成方案。图4是一系列的显微照片，显示由银组成的的不同直径的棒状填充剂的形态(4Α) 100-200nm ； (4B)300_500nm ； (4C)600_700nm ； (4D) I μ m。图5是实施例4所述的环氧配方的DSC谱:虚的曲线是相对于时间的温度曲线；实的曲线是相对于时间的热流曲线。图6是实施例5所述的环氧配方的DSC谱:虚的曲线是相对于时间的温度曲线；实的曲线是相对于时间的热流曲线。图7是实施例6所述的DAA复合材料的DSC谱:虚的曲线是相对于时间的温度曲线；实的曲线是相对于时间的热流曲线。图8是实施例7所述的DAA复合材料的DSC谱:虚的曲线是相对于时间的温度曲线；实的曲线是相对于时间的热流曲线。
具体实施例方式详细参考附图，图1显示了没有填充剂的复合材料、有本发明的微米级/纳米级棒状填充剂的复合材料和有本发明的颗粒状填充剂的复合材料之间的散热差别。在加入本发明的热导性填充剂之前，热量通过颗粒-颗粒接触途径耗散，散热路径长并且弯曲(如图1A所示)。然而，加入热导性纳米线或`纳米棒之后(如图1B所示)或加入纳米颗粒填充剂之后(如图1C所示)，这些热导性填充剂能够填充DAA体系中大颗粒之间的空隙并在这些颗粒之间形成很多捷径以促进散热，因此形成连续、直接和多通道的散热路径(如图1B和图1C所示的箭头)。因此，通过掺入本发明的热导性填充剂而显著增加了整个DAA体系的热导性。本发明单组分DAA的基本成分示于图2。单组分DAA的三种基本成分是:(i)表面改性的热导性填充剂，其主要负责增强热导性，优选银基填充剂，其中所述热导性填充剂也是电导性的；(ii)聚合物配方，负责控制单组分DAA的固化行为，其中所述聚合物制剂包括由两组分即环氧树脂和固化剂组成的环氧体系；和(iii)溶剂，其分散表面改性的填充剂，降低整个DAA的粘度。图3示出了一个流程图，阐释这三种基本成分如何能够形成本发明单组分DAA的复合材料。单组分DAA的复合材料如下制备:(i)制备填充剂配方并改性填充剂颗粒的表面以形成热导性填充剂；(ii)制备聚合物基质；(iii)制备溶剂；和(iv)混合所述表面改性的热导性填充剂、聚合物基质和溶剂以获得本发明单组分DAA的最终复合材料。本发明的热导性填充剂包括占本发明单组分DAA的复合材料的30-96重量％的无机化合物。更优选地，热导性填充剂选自银、铜、镍、石墨或它们的组合。一种实施方式中，约20-100重量％的填充剂配方是直径约13-50 μ m的颗粒，约10-100重量％的填充剂是直径约6-12 μ m的颗粒，约10-90重量％的填充剂是直径约5-6 μ m的颗粒，约20-100重量％的填充剂是直径约1_5μπι的颗粒，和约1_10重量％的填充剂是直径约10-200nm的纳米尺寸的颗粒，和/或约1_10重量％的填充剂是直径约IOOnm-1 μ m且长度1-10 μ m的纳米棒。更优选的实施方式中，本发明的填充剂颗粒直径约10_200nm。示例性实施方式中，填充剂颗粒的直径约10-100nm。 图4是显微照片，显示不同直径的银基纳米棒，这些纳米棒是按照Cao等、Guo等和Liu 等[Y.Cao 等 J.Phys.D:Appl.Phys.38, 2005,1061-1067 ；L.Guo 等 J.Am.Chem.Soc.，2004，126,4530-453 ；C.Liu 等，Microelectronic Engineering2003,66,107-114]公开的制造方法制备的。本发明导热且导电的纳米棒的直径范围是IOOnm-1 μ m。示例性实施方式中，纳米棒的直径范围是IOOnm至500nm。另一种实施方式中，热导性填充剂是微米尺寸的颗粒，粒度约为1_50μπι。填充剂颗粒的粒度选择取决于待使用填充剂的目的粘合线的厚度，粘合线厚度通常约5-150 μ m。所希望的填充剂颗粒的直径应该小于将要应用填充剂的目的粘合线的厚度。本发明单组分DAA的复合材料中，本发明热导性填充剂的不同粒度和/或形状可单独使用或组合使用。为促进热导性填充剂在本发明聚合物基质中的分散，填充剂颗粒用分散剂额外处理以产生表面改性的填充剂颗粒。分散剂包括占整个填充剂0.1-10重量％的一种或多种下述化合物:至少一种甘油脂肪酸或其聚合物、具有亲水基团和/或疏水基团的有机硅烷偶联剂、具有亲水基团和/或疏水基团的有机钛酸酯或具有亲水基团和/或疏水基团的含疏基化合物。本发明单组分DAA的复合材料还包括占复合材料约2-30重量％的聚合物基质。聚合物基质包括环氧体系，该环氧体系由以下组成:(i)约10-90重量％的环氧树脂，选自链状脂肪族环氧树脂、环状脂肪族环氧树脂、缩水甘油酯、缩水甘油醚化合物、或它们的组合；和(ii) 10-90重量％的固化剂，选自胺、阳离子聚合催化剂、双氰胺、或改性的咪唑基化合物、膦类、金属盐和它们的组合。在一种具体的实施方式中，环氧树脂是环氧环己基甲酸酯。在另一种具体实施方式
中，固化剂是六氟铵锑。本发明单组分DAA的复合材料还包括一种或多种溶剂。所述一种或多种溶剂的量为约2-40重量％，选自甲苯、二甲苯、碳酸丙烯酯、混合脂族二甲酯、二甘醇单甲基醚醋酸酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、丙酮、甲基乙基酮、甲基异丁基酮、乙醇、异丙醇、正丁醇、乙酸乙酯、或它们的组合。溶剂还可作为非反应性有机稀释剂，另外添加到复合材料中以减小复合材料的粘度。
最终的复合材料可手动混合或可用标准混合设备诸如和面机、链罐式搅拌机、行星式混合机、双螺杆挤出机、两辊或多辊轧磨机等混合。复合材料各成分的混合可通过本领域技术人员所用的任何方法以分批、连续或半连续方式进行。固化过程可用本领域技术人员所知的任何工艺进行。可用诸如热固化、辐射固化、微波固化或它们的组合的方法进行固化。固化通常在约20°C至约150°C范围的温度发生。此外，固化通常在约I分钟至约5小时范围的时间段发生，更通常在约2分钟至约120分钟的范围内。优选地，使用范围在约70°C至120°C的固化温度。在制备单组分DAA复合材料的方法的任何混合中，每次混合中的组分可通过本领域技术人员所知的任何方法以分批、连续或半连续方式混合。
如果需要，本文所述的不同的功能可以不同的顺序进行和/或彼此同时进行。而且，如果需要，一种或多种上述功能可以是任选的或者可以组合。虽然独立权利要求中陈述了本发明的各个方面，但是本发明的其他方面包括所描述的实施方式和/或从属权利要求中的特征与独立权利要求的特征的其他组合，并非仅仅是权利要求中明确陈述的那些组合。此处还应指出，虽然上文描述了本发明的示例性实施方式，这些描述不应被视为有限制意义。相反，可进行若干变化和变动而不脱离所附权利要求中限定的本发明的范围。实施例实施例1:表面修饰以用有机硅烷形成良好分散的无机填充剂首先将约IOg无机填充剂加入到约IOOmL乙醇中以形成第一溶液。然后将约5mL Y-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷加入到第一溶液中(其中银颗粒用作填充剂)以形成第二溶液。所述第二溶液电磁搅拌2小时以保证分散剂在所述颗粒表面形成表面单层覆盖。改性后，填充剂在110°C干燥至少I小时，重新分散在溶剂中(本实施例中用正丁醇)。实施例2:表面修饰以用含巯基化合物形成良好分散的无机填充剂首先将IOg无机填充剂加入到约IOOmL乙醇(IOOmL)中以形成第一溶液。然后将约 0.05g3, 3，4，4，5，5，6，6，7，7，8，8，9，9，10，10，10-十七氟-1-癸硫醇加入到第一溶液中(其中银颗粒用作填充剂)以形成第二溶液。所述第二溶液电磁搅拌I小时以保证分散剂在所述颗粒表面形成表面单层覆盖。改性后，填充剂用乙醇洗涤3次，然后室温干燥至少I小时，重新分散在溶剂中(本实施例中用正丁醇)。实施例3:具有良好流动性的无机填充剂分级粒度配方(Formula)
流动性是填 充剂分散性质的一种量度。如实施例1或实施例2所述相同的方式制备高度分散的金属填充剂，所述填充剂由下表所示粒度的分级颗粒组成:表1:具有良好流动性的无机填充剂复合材料的实例
权利要求
1.制备单组分和可热固化DAA复合材料的方法，包括: 提供导热且导电的填充剂； 提供聚合物基质； 提供溶剂；和 混合所述导热且导电的填充剂、聚合物基质和溶剂以形成所述复合材料， 其中所述填充剂是无机化合物，占所述复合材料的30-96重量所述聚合物基质占所述复合材料的2-30重量％ ;所述溶剂占所述复合材料的2-40重量％， 并且其中形成的所述复合材料的热导率至少约40W/M.K，固化温度约80-100°C，且储存温度约-10 °C。
2.权利要求1的方法，其中所述无机填充剂选自金、银、铜、镍、石墨、或它们的组合。
3.权利要求1的方法，其中所述无机填充剂在所述混合之前被进一步改性以形成改性的填充剂配方，且其中所述改性的填充剂配方包含所述无机填充剂，其中约20-100重量％的所述无机填充剂是直径约13-50 μ m的微粒，约10-100重量％的所述无机填充剂是直径约6-12 μ m的微粒，约10-90重量％的所述无机填充剂是直径约5_6 μ m的颗粒，约20-100重量％的所述无机填充剂是直径约l-5ym的微粒，约1-10重量％的所述无机填充剂是直径约10-200nm的纳米颗粒,和/或约1_10重量％的所述无机填充剂是直径约IOOnm-1 μ m且长度约1-10 μ m的纳米棒。
4.权利要求1的方法，其中所述无机填充剂颗粒的表面经分散剂进一步处理，所述分散剂包括以下至少一种:甘油 脂肪酸酯或其聚合物、具有亲水基团和/或疏水基团的有机娃烧偶联剂、具有未水基团和/或疏水基团的有机钦酸酷、具有未水基团和/或疏水基团的含巯基分子，或它们的组合，并且其中所述分散剂占所述无机填充剂的约0.1-10重量％。
5.权利要求3的方法，其中所述改性的填充剂配方在溶剂中被进一步再分散，所述溶剂选自甲苯、二甲苯、碳酸丙烯酯、混合脂族二甲酯、二甘醇单甲基醚醋酸酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、丙酮、甲基乙基酮、甲基异丁基酮、乙醇、异丙醇、正丁醇、乙酸乙酯、或它们的组合，并且其中在将所述改性的填充剂配方再分散在所述溶剂中之后应用探头超声波，然后通过离心进行粒度分选，然后在约60-150°C的温度范围真空干燥所选的填充剂10分钟至3小时。
6.权利要求1的方法，其中所述聚合物基质由10-90重量％的环氧树脂和10-90重量％的固化剂组成，其中所述环氧树脂选自以下的一种或多种:链状脂肪族环氧树脂、环状脂肪族环氧树脂、缩水甘油酯、或缩水甘油醚化合物；所述固化剂是选自以下的一种或多种:胺、阳离子聚合催化剂、双氰胺、或改性的咪唑基化合物、膦类化合物、或金属盐。
7.权利要求1的方法，其中所述溶剂选自以下的一种或多种:甲苯、二甲苯、碳酸丙烯酯、混合脂族二甲酯、二甘醇单甲基醚醋酸酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、丙酮、甲基乙基酮、甲基异丁基酮、乙醇、异丙醇、正丁醇、或乙酸乙酯。
8.权利要求1的方法，其中所述导热且导电的填充剂、所述聚合物基质和所述溶剂的所述混合通过手动混合或通过选自以下的一种或多种混合设备来进行:捏合机、链罐式搅拌机、行星式混合机、双螺杆挤出机、两辊或多辊轧磨机，并且其中所述提供另外包括以分批、连续或半连续方式独立混合所述导热且导电的填充剂、所述聚合物基质和所述溶剂。
9.通过权利要求1的方法形成的单组分可热固化固晶粘合剂(DAA)复合材料。
全文摘要
本发明涉及用于形成单组分固晶粘合剂材料的复合材料，所述单组分固晶粘合剂材料可用于封装半导体，包括HB-LED。本发明复合材料包括导热且导电的填充剂、聚合物基质和溶剂，它们形成的材料热导率高、固化温度低、储存温度高。本发明还涉及制备所述复合材料的方法，即将所选粒度的经过表面修饰的填充剂配方、聚合物基质和非反应性有机溶剂混合在一起，然后在低温固化该混合物。
文档编号C08K3/08GK103080265SQ201280002714
公开日2013年5月1日 申请日期2012年3月22日 优先权日2011年3月22日
发明者刘晨敏, 吕冬, 郎咸鑫, 王博, 李志颖 申请人:纳米及先进材料研发院有限公司