用于电子设备的厚膜导电墨的制作方法
【专利摘要】在本文中提供了用于电子设备的厚膜导电墨、用于使用厚膜导电墨制作电子设备的方法、及通过这样的方法制造的电子设备。在一个示例中，厚膜导电墨包括有机部分和无机部分。所述无机部分被分散在所述有机部分中以限定糊状物。所述无机部分包括金属铜粉末、铜氧化物、及元素硼。所述厚膜导电墨基本上不包括玻璃。
【专利说明】用于电子设备的厚膜导电墨
【技术领域】
[0001] 本【技术领域】总体涉及电子设备，并且更具体地涉及用于电子设备的厚膜导电墨、 用于使用厚膜导电墨制作电子设备的方法、及通过这样的方法制造的电子设备。
【背景技术】
[0002] 厚膜导体通常被用在电子行业中并且随着朝越来越小电路发展的趋势而越来越 重要。厚膜导体可以例如通过将厚膜导电墨丝网地印刷到非导电衬底（比如96%氧化铝)上 来形成，所述厚膜导电墨利用粉末化的基本金属配置。厚膜导电墨然后被干燥以使赋形剂 组分挥发，并被烧制以烧结或熔融所述粉末化的基本金属和其他剩余的组分以将所述膜粘 结到所述衬底上。
[0003] 以前，厚膜导电墨典型地包括贵重金属（比如金、银、钼、及钯）作为粉末化的基本 金属。最近，为了努力降低成本，包含铜粉末的厚膜导电墨已经被引入市场。这样的厚膜导 电墨还包含玻璃作为粘附促进剂，其当被加热至适于烧结铜粉末的温度(例如，675°C或更 大）时变软，以使所述厚膜导体熔融到所述衬底上。遗憾的是，玻璃是更具有电阻性的并且 可以包含铅，铅在环境方面令人反感的。
[0004] 因此，期望提供没有玻璃的用于电子设备的厚膜导电墨(例如）以消除铅存在于所 述膜中或使所述墨电阻性更小、用于使用这样的厚膜导电墨制作电子设备的方法、及通过 这样的方法制造的电子设备。而且，期望提供成本降低的用于电子设备的厚膜导电墨、用于 使用这样的厚膜导电墨制作电子设备的方法、及通过这样的方法制造的电子设备。此外，结 合附图和前述的【技术领域】和【背景技术】，本发明的其他所期望的特征和特点将从后续的详细 说明和所附的权利要求中变得显而易见。
【发明内容】
[0005] 在本文中提供了一种用于电子设备的厚膜导电墨。在一个实施例中，所述厚膜导 电墨包括有机部分和无机部分。所述无机部分被分散在所述有机部分中以限定糊状物。所 述无机部分包括金属铜粉末、铜氧化物、及元素硼。所述厚膜导电墨基本上不包括玻璃。
[0006] 在本文中提供了一种用于制作电子设备的方法。在一个实施例中，所述方法包括 沉积覆在衬底上的厚膜导电墨。所述厚膜导电墨包括有机部分和无机部分。所述无机部分 被分散在所述有机部分中以限定糊状物。所述无机部分包括金属铜粉末、铜氧化物、及元素 硼。所述厚膜导电墨基本上不包括玻璃。所述厚膜导电墨被烧制以形成覆在所述衬底上的 导体。
[0007] 在本文中提供了 一种电子设备。在一个实施例中，所述电子设备包括衬底以及覆 在所述衬底上的导体。所述导体包括熔融/烧结金属铜、铜氧化物、三氧化二硼，且基本上 不包括玻璃。
[0008] 本发明还包括如下方案： 1. 一种用于电子设备的厚膜导电墨，所述厚膜导电墨包括： 有机部分；以及 被分散在所述有机部分中限定糊状物的无机部分，其中，所述无机部分包括金属铜粉 末、铜氧化物、及元素硼，并且其中，所述厚膜导电墨基本上不包括玻璃。
[0009] 2.根据方案1所述的厚膜导电墨，其中，所述无机部分基本上不包括铅。
[0010] 3.根据方案1所述的厚膜导电墨，其中，所述无机部分本质上由金属铜粉末、铜 氧化物、及元素硼组成。
[0011] 4.根据方案1所述的厚膜导电墨，其中，所述有机部分以所述厚膜导电墨的从大 约10wt. %至大约30wt. %的量存在。
[0012] 5.根据方案1所述的厚膜导电墨，其中，所述无机部分以所述厚膜导电墨的从大 约70wt. %至大约90wt. %的量存在。
[0013] 6.根据方案1所述的厚膜导电墨，其中，所述金属铜粉末以所述厚膜导电墨的从 大约50wt. %至大约85wt. %的量存在。
[0014] 7.根据方案1所述的厚膜导电墨，其中，所述铜氧化物以所述厚膜导电墨的从大 约3wt. %至大约23wt. %的量存在。
[0015] 8.根据方案1所述的厚膜导电墨，其中，所述元素硼以所述厚膜导电墨的从大约 0. 5wt. %至大约5wt. %的量存在。
[0016] 9.根据方案1所述的厚膜导电墨，其中，所述有机部分包括有机液体，所述有机 液体在1大气压力下具有从大约220°C至大约300°C的沸点。
[0017] 10.根据方案1所述的厚膜导电墨，其中，所述有机部分包括2, 2, 4-三甲 基-1，3-戊二醇单异丁酸酯。
[0018] 11.根据方案10所述的厚膜导电墨，其中，所述2, 2, 4-三甲基-1,3-戊二醇单异 丁酸酯以所述厚膜导电墨的从大约8wt. %至大约25wt. %的量存在。
[0019] 12.根据方案1所述的厚膜导电墨，其中，所述有机部分包括乙基纤维素。
[0020] 13.根据方案12所述的厚膜导电墨，其中，所述乙基纤维素以所述厚膜导电墨的 从大约0. 5wt. %至大约3wt. %的量存在。
[0021] 14.根据方案1所述的厚膜导电墨，其中，所述有机部分包括丁基二甘醇二甲醚。
[0022] 15.根据方案14所述的厚膜导电墨，其中，所述丁基二甘醇二甲醚以所述厚膜导 电墨的从大约lwt. %至大约4wt. %的量存在。
[0023] 16.根据方案1所述的厚膜导电墨，其中，所述金属铜粉末具有从大约0. OlMffl至 大约10. 5Mm的中值粒径。
[0024] 17.根据方案1所述的厚膜导电墨，其中，所述金属铜粉末具有第一铜粉末、第二 铜粉末、和/或第三铜粉末，并且其中，所述第一铜粉末具有从大约〇. 3m2/g至大约0. 8m2/ g的第一平均表面积，所述第二铜粉末具有从大约〇. 8m2/g至大约1. 5m2/g的第二平均表面 积，并且所述第三铜粉末具有从大约1. 5m2/g至大约2. 5m2/g的第三平均表面积。
[0025] 18. -种用于制作电子设备的方法，所述方法包括以下步骤： 沉积覆在衬底上的厚膜导电墨，其中，所述厚膜导电墨包括： 有机部分；以及 被分散在所述有机部分中限定糊状物的无机部分，其中，所述无机部分包括金 属铜粉末、铜氧化物、及元素硼，并且其中，所述厚膜导电墨基本上不包括玻璃；以及 烧制所述厚膜导电墨以形成覆在所述衬底上的导体。
[0026] 19.根据方案18所述的方法，其中，沉积包括：在单次印刷中沉积所述厚膜导电 墨以形成第一导体糊状物层，并且其中，烧制包括：烧制所述第一导体糊状物层以形成所述 导体，所述导体具有从大约〇. 0254mm至大约0. 1524mm的单次印刷被烧制的厚度。
[0027] 20. -种电子设备，包括： 衬底；以及 导体，所述导体覆在所述衬底上并包括熔融/烧结金属铜、铜氧化物、三氧化二硼，且 基本上不包括玻璃。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 示例性实施例在下文中将结合下列附图的图进行描述，其中，相同编号表示相同 兀件，并且其中： 图1-3是根据示例性实施例的在各个制造阶段期间的电子设备的横截面视图和用于 制作电子设备的方法；并且 图4是根据示例性实施例的电子设备的透视图。
【具体实施方式】
[0029] 下列详细说明本质上仅仅是示例性的且并不旨在限制应用和使用。此外，没有意 图受在前述的【技术领域】、【背景技术】、
【发明内容】
或下列详细说明中所呈现的任何理论约束。
[0030] 在本文中所设想的各种实施例涉及用于电子设备的厚膜导电墨、用于使用厚膜导 电墨制作电子设备的方法、及通过这样的方法制造的电子设备。在本文中教导的示例性实 施例提供了一种厚膜导电墨，其包括有机部分和无机部分。所述无机部分包括金属铜粉末、 铜氧化物、及元素硼，且基本上不包括玻璃。如在本文中所使用的术语"基本上没有玻璃"指 的是玻璃(如果存在）不以可测地促进所述膜粘附到衬底上的量而使用（例如，在烧制厚膜 导电墨期间和/或在烧制厚膜导电墨之后)。所述有机部分例如是有机液体，并且所述无机 部分被分散在所述有机部分中以形成糊状物。在示例性实施例中，所述厚膜导电墨例如经 由丝网印刷被沉积覆在衬底上。所述厚膜导电墨被干燥，并且然后例如在熔炉中被烧制，以 形成覆在所述衬底上的导体。所述导体包括熔融/烧结金属铜、铜氧化物、三氧化二硼、且 基本上不包括玻璃。已经发现在烧制期间，存在于所述厚膜导电墨中的元素硼与来自例如 铜氧化物和/或残余氧的可用氧在熔炉气氛下反应以形成三氧化二硼。三氧化二硼促进所 述膜粘附到所述衬底上。因而，所述厚膜导电墨和随后所形成的导体包含铜作为相对低成 本的基本金属，而没有玻璃或铅的存在。
[0031] 图1以横截面视图的形式示出了根据示例性实施例的在早期制造阶段期间的电 子设备10。如图所示，所述电子设备10包括衬底12。所述衬底12例如可以是包含氧化铝 (比如包含从大约94至大约96重量％ (wt. %)的氧化铝）的陶瓷衬底、氮化硅、氮化铝，或可 选择地可以是包含例如不锈钢或具有相对高熔点的其他金属的金属衬底。被本领域技术人 员所知的用于电子设备的其他衬底也可以被使用。
[0032] 所述衬底12被定位在设置在筛网16下面的定位器14上。图案化乳剂18沿所述 筛网16设置以限定图案化丝网20以进行丝网印刷。被设置覆在图案化的丝网20上的是 厚膜导电墨22。所述厚膜导电墨22具有有机部分（比如有机液体)和被分散在所述有机部 分中以限定糊状物的无机部分。
[0033] 所述无机部分包括金属铜粉末、铜氧化物、元素硼，且基本上不包括玻璃。在示例 性实施例中，所述无机部分本质上由金属铜粉末、铜氧化物、及元素硼组成。因而，所述无机 部分基本上不包括铅。在示例性实施例中，所述金属铜粉末以所述厚膜导电墨22的从大约 65wt. %至大约85wt. %的量存在，所述铜氧化物以所述厚膜导电墨22的从大约3wt. %至大 约23wt. %的量存在，并且所述元素硼以所述厚膜导电墨的从大约0. 5wt. %至大约5wt. %的 量存在。
[0034] 在一个实施例中，所述金属铜粉末具有从大约0. OlMm至大约10. 5Mm的中值粒径 以及从大约0. 4m2/g至大约2. 5m2/g的表面积。在一个示例中，所述金属铜粉末包括一个 或多个不同种类的铜粉末，其包括：具有从大约〇. 4m2/g至大约0. 75m2/g (比如小于大约 0. 64m2/g)的表面积和从大约4. 5Mm至大约10. 5Mm(比如小于大约6. 65Mm)的中值粒径的非 凝聚涂布细小颗粒的Cu粉末；具有从大约1. 5m2/g至大约2. 5m2/g (比如小于大约1. 85m2/ g)的表面积和从大约〇. 5Mm至大约0. 9Mm (比如小于大约0. 65Mm)的中值粒径的亚微米晶 体粒子的Cu粉末；具有从大约0. 3m2/g至大约0. 8m2/g (比如小于大约0. 5m2/g)的表面积 和从大约0. OlMm至大约2Mm (比如小于大约2Mm)的中值粒径的单分散粒子的Cu粉末；和 /或具有从大约〇. 8m2/g至大约1. 5m2/g (比如小于大约lm2/g)的表面积和从大约lMm至大 约2Mm (比如大约1. 5Mm)的中值粒径的Cu粉末。
[0035] 在不例性实施例中，所述厚I旲导电墨22的有机部分以所述厚|旲导电墨22的从大 约10wt. %至大约30wt. %的量存在。同样，所述无机部分以所述厚膜导电墨22的从大约 70wt. %至大约90wt. %的量存在。
[0036] 在示例性实施例中，所述厚膜导电墨22的有机部分包括在1大气压力下具有从大 约220°C至大约300°C (比如从240°C至大约260°C)的沸点的有机液体。合适有机液体的 非限制性示例包括2, 2, 4-三甲基-1，3-戊二醇单异丁酸酯(例如，Texanol?)、邻苯二甲酸 二乙酯、α -萜品醇、丁基二甘醇二甲醚、或其组合。另外，所述有机部分可以包括流变添加 剂以增加所述有机液体的流变特性。在一个示例中，所述有机部分包括乙基纤维素作为流 变添加剂。在示例性实施例中，所述厚膜导电墨22的有机部分包括2, 2, 4-三甲基-1，3-戊 二醇单异丁酸酯(其以所述厚膜导电墨22的从大约8wt. %至大约25wt. %的量存在)、乙基 纤维素(其以所述厚膜导电墨22的从大约0. 5wt. %至大约3wt. %的量存在)、及丁基二甘醇 二甲醚(其以所述厚膜导电墨22的从大约lwt. %至大约4wt. %的量存在)。所述厚膜导电 墨22的有机部分可以包括被本领域技术人员所知的其他有机添加剂。
[0037] 参照图1-2,橡胶滚轴26沿图案化丝网20的上表面28被推进以推送所述厚膜导 电墨22通过所述图案化丝网20以沉积覆在所述衬底12上的所述厚膜导电墨22。如图所 示，被沉积到所述衬底12上的所述厚膜导电墨22形成限定离散导体糊状物特征32的导体 糊状物层30。所述离散导体糊状物特征32可以被配置为形成厚膜迹线、厚膜散热器、电子 设备特征、和/或类似物。
[0038] 图3以横截面视图的形式示出了根据示例性实施例的在另外的被推进制造阶段 期间的电子设备10。在橡胶滚轴26沿图案化丝网20的上表面28 (例如，在单次通过时） 被推进之后，所述导体糊状物层30被干燥以除去挥发性组分，例如厚膜导电墨22的有机部 分。在示例性实施例中，所述导体糊状物层30通过将电子设备10暴露在从大约100°C至大 约150°C的温度下干燥达从大约15分钟至大约30分钟的时间，以除去至少大部分挥发性组 分。
[0039] 所述导体糊状物层30然后例如通过将电子设备10定位在熔炉中并将电子设备10 暴露在熔炉温度下预定时间来烧制(步骤36)。在示例性实施例中，熔炉温度大约为675°C 或更高，比如从大约800°C至大约900°C (例如从大约850°C至大约875°C )，并且预定时间 从大约30分钟至大约60分钟。
[0040] 还参照图4,在烧制36期间，所述导体糊状物层30被一起烧结或熔融并被固定或 被粘附到所述衬底12上以形成导体38。尤其地，元素硼充当氧化抑制剂并与来自熔炉气 氛和/或铜氧化物的剩余的氧反应以形成三氧化二硼。金属铜粉末、铜氧化物、及三氧化二 硼被一起熔融或烧结以形成导体38。在示例性实施例中，所述导体38包括熔融/烧结金 属铜、铜氧化物、三氧化二硼，且基本上不包括玻璃。另外，将元素硼转化为三氧化二硼促进 在导体38与衬底12之间的粘附。在示例性实施例中，熔炉气氛是具有从大约5ppm至大约 lOppm的氧的富氮气氛。
[0041] 如在图4中所示，导体38可以被配置为厚膜迹线、散热器、或类似物，其直接接触 其他特征40和/或衬底12 (例如)，和/或通过电介质层42与衬底12间隔开。在示例性 实施例中，所述导体38具有从大约0. 02542mm至大约0. 1524mm的厚度(例如)，所述厚度是 单个导体糊状物层30的烧制36的结果(参见图3)。
[0042] 下列是根据各种示例性实施例的厚膜导电墨的示例。所述示例被提供仅为了说明 目的并且不意指以任何方式限制厚膜导电墨的各种实施例。所有材料都以重量百分比被陈 述。
[0043] 示例-厚膜导电墨的组分 厚膜导电墨-配方1 (理论给出率）
【权利要求】
1. 一种用于电子设备的厚膜导电墨，所述厚膜导电墨包括： 有机部分；以及 被分散在所述有机部分中限定糊状物的无机部分，其中，所述无机部分包括金属铜粉 末、铜氧化物、及元素硼，并且其中，所述厚膜导电墨基本上不包括玻璃。
2. 根据权利要求1所述的厚膜导电墨，其中，所述无机部分基本上不包括铅。
3. 根据权利要求1所述的厚膜导电墨，其中，所述无机部分本质上由金属铜粉末、铜氧 化物、及元素硼组成。
4. 根据权利要求1所述的厚膜导电墨，其中，所述有机部分以所述厚膜导电墨的从大 约10wt. %至大约30wt. %的量存在。
5. 根据权利要求1所述的厚膜导电墨，其中，所述无机部分以所述厚膜导电墨的从大 约70wt. %至大约90wt. %的量存在。
6. 根据权利要求1所述的厚膜导电墨，其中，所述金属铜粉末以所述厚膜导电墨的从 大约50wt. %至大约85wt. %的量存在。
7. 根据权利要求1所述的厚膜导电墨，其中，所述铜氧化物以所述厚膜导电墨的从大 约3wt. %至大约23wt. %的量存在。
8. 根据权利要求1所述的厚膜导电墨，其中，所述元素硼以所述厚膜导电墨的从大约 0. 5wt. %至大约5wt. %的量存在。
9. 一种用于制作电子设备的方法，所述方法包括以下步骤： 沉积覆在衬底上的厚膜导电墨，其中，所述厚膜导电墨包括： 有机部分；以及 被分散在所述有机部分中限定糊状物的无机部分，其中，所述无机部分包括金 属铜粉末、铜氧化物、及元素硼，并且其中，所述厚膜导电墨基本上不包括玻璃；以及 烧制所述厚膜导电墨以形成覆在所述衬底上的导体。
10. -种电子设备，包括： 衬底；以及 导体，所述导体覆在所述衬底上并包括熔融/烧结金属铜、铜氧化物、三氧化二硼，且 基本上不包括玻璃。
【文档编号】H01B1/20GK104103340SQ201410134696
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2013年4月4日
【发明者】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