用于制備金屬化的由鋁組成的基材的方法
【專利摘要】本申請(qǐng)涉及用于制造金屬化基材(1)的方法，其中所述基材(1)至少部分地，優(yōu)選全部由鋁和/或鋁合金組成，其中，在基材(1)的表面(2)上至少局部地施加導(dǎo)電糊劑(3)，在第一燃燒階段(B1)中，使所述導(dǎo)電糊劑(3)經(jīng)受基本上連續(xù)上升的燃燒溫度，其中使燃燒溫度升高至低于約660℃的可預(yù)設(shè)的最高燃燒溫度，在第二燃燒階段中，使導(dǎo)電糊劑(3)基本上在可預(yù)設(shè)的最高燃燒溫度經(jīng)受可預(yù)設(shè)的時(shí)間，在冷卻階段(A)中，將所述導(dǎo)電糊劑冷卻，和在后處理階段中，將導(dǎo)電糊劑(3)的表面(4)以機(jī)械方式后處理，優(yōu)選刷光。
【專利說明】用于制備金屬化的由鋁組成的基材的方法
[0001]本發(fā)明涉及用于制備金屬化的基材的方法，其中所述基材至少部分地，優(yōu)選全部由鋁和/或鋁合金組成。
[0002]鋁原料尤其在工業(yè)電子學(xué)的領(lǐng)域具有越來越重要的意義。由于其相對(duì)小的重量和低的成本，鋁經(jīng)常被用作電子元件，如工業(yè)電子學(xué)模塊(例如LED、IGBT或M0SFET)的冷卻體，或還直接被用作載流導(dǎo)體，尤其被用作匯流條或母線。對(duì)于這樣的應(yīng)用目的，鋁不僅具有非常高的熱導(dǎo)率(約為235W/ (m*K))，而且具有非常高的電導(dǎo)率(約為37*106A/ (V*m))。鋁的化學(xué)性質(zhì)在于非?？焖俚卦诳諝庵行纬杀⊙趸瘜樱鲅趸瘜油ㄟ^與空氣中的氧氣接觸而在鋁本體的表面上連續(xù)的氧化過程而形成。該氧化層雖然一方面提供腐蝕防護(hù)，但另一方面也使鋁與其它材料通過釬焊、熱壓焊接或其它已知的接合技術(shù)的結(jié)合變得困難。
[0003]因此，本發(fā)明的目的在于提出一種用于制備金屬化的基材的改進(jìn)方法，所述基材主要由鋁和/或鋁合金組成。尤其應(yīng)實(shí)現(xiàn)的是，使得基材表面可焊接，以便可以制成與所述基材的電接觸。
[0004]根據(jù)本發(fā)明，該目的通過權(quán)利要求1的特征得以解決。本發(fā)明的有利的實(shí)施方案在從屬權(quán)利要求中進(jìn)行說明。
[0005]因此根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)為，在基材的表面上至少局部地施加導(dǎo)電糊劑，在第一燃燒階段中，使所述導(dǎo)電糊劑經(jīng)受基本上連續(xù)上升的燃燒溫度，其中使燃燒溫度升高至低于約660°C的可預(yù)設(shè)的最高燃燒溫度，在第二燃燒階段中，使導(dǎo)電糊劑基本上在可預(yù)設(shè)的最高燃燒溫度經(jīng)受可預(yù)設(shè)的時(shí)間，在冷卻階段中，將所述導(dǎo)電糊劑冷卻，和在后處理階段中，將導(dǎo)電糊劑的表面以機(jī)械方式后處理，優(yōu)選刷光。
[0006]通過所述的方法步驟可以將基材的，尤其是鋁基材的表面可靠地金屬化。通過所述的方法在其上施加導(dǎo)電糊劑并按照所述方法步驟燒結(jié)而成的區(qū)域作為該基材的導(dǎo)電接觸點(diǎn)，而非所述區(qū)域中占主導(dǎo)地位的經(jīng)氧化的基材表面。至少局部通過施加和燒結(jié)導(dǎo)電糊劑而獲得的該能導(dǎo)電的層可以隨后例如用于釬焊電子元件或還用于釬焊冷卻體，其中所述冷卻體本身再次可以由鋁組成。
[0007]在此，所述基材可以至少有部分地，優(yōu)選全部由具有盡可能高的鋁份額的鋁原料組成。優(yōu)選使用具有根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 573的等級(jí)EN AW-1050A或EN AW-1060A的鋁原料，所述鋁原料含有至少99.5重量％至99.6重量％的鋁。也可使用鋁合金，例如包含錳或鎂的鋁合金，如 EN Aff-3003 (AlMnlCu)、EN Aff-3103 (AlMnl)、EN Aff-5005 (AlMgl)或 ENAff-5754 (AlMg3)，盡管與前述基本上純的鋁原料相比，所述合金具有略低的熔化溫度以及略低的熱導(dǎo)率。
[0008]通過所提出的方法可能的是，選擇性地將基于鋁的基材的表面的單獨(dú)區(qū)域金屬化，其中，呈燒結(jié)的導(dǎo)電糊劑形式的金屬化區(qū)域直接牢固地與基材結(jié)合，并由此能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電糊劑到基材的高電導(dǎo)率及高熱導(dǎo)率，反之亦然。此外，金屬化區(qū)域?yàn)榭赦F焊的區(qū)域，通過該區(qū)域可以將基材以已知的方式和手段與其它部件連接。因此，可以例如使用傳統(tǒng)焊劑，如共晶的Sn-Pb-焊料、Sn-Ag-Cu-焊料或Sn-Au-焊料將電子元件焊接在金屬化區(qū)域上。
[0009]為了改進(jìn)散熱，也可以透過金屬化區(qū)域?qū)⒔M件(例如高功率LED模塊或工業(yè)電子學(xué)模塊)的無電位接點(diǎn)焊接在鋁基材上，而不必使用位于其間的絕緣介電層，且不必使用昂貴的銀基導(dǎo)熱糊劑，由此能夠?qū)崿F(xiàn)整體上較低的熱阻。由于較低的熱阻以及提高的熱導(dǎo)率，可以使與基材連接的部件的結(jié)構(gòu)尺寸變小，或使其以較高的輸出功率運(yùn)行。為了將部件焊接至金屬化區(qū)域，可使用傳統(tǒng)焊劑(參見上文)。因此可以舍棄特殊的鋁焊劑，所述鋁焊劑經(jīng)常包含鹵素和其它對(duì)健康有害的物質(zhì)。
[0010]所提出的方法的另一應(yīng)用領(lǐng)域是鋁匯流條的金屬化，用于改進(jìn)與其連接的電纜的連接可靠性。通過采用銅基導(dǎo)電糊劑金屬化鋁匯流條表面，尤其可以防止所述表面與其所連接的銅電纜的金屬間擴(kuò)散及電化學(xué)反應(yīng)。
[0011]根據(jù)特別優(yōu)選的實(shí)施方案可以設(shè)計(jì)為，將導(dǎo)電糊劑通過絲網(wǎng)印刷法施加在基材的表面上。絲網(wǎng)印刷技術(shù)為用于在基材上產(chǎn)生線路的基礎(chǔ)方法。在工業(yè)電子學(xué)領(lǐng)域，作為基材經(jīng)常使用所謂的“絕緣金屬基材(Insulated Metal Substrate, MS) ”，所述基材包括鋁制核心，并被絕緣層或介電層包裹。在這種情況下，為了改進(jìn)的熱導(dǎo)率而使用鋁制核心。線路本身(例如借助絲網(wǎng)印刷技術(shù)施涂在絕緣層上的線路)在此與鋁制核心并無導(dǎo)電性接觸。
[0012]然而本發(fā)明一個(gè)目的在于實(shí)現(xiàn)設(shè)置在基材上的線路與基材本身的直接的電接觸。通過所提出的方法，可以將線路或者導(dǎo)電面直接設(shè)置在基材上而不必在其間設(shè)置絕緣層，從而使這成為可能。實(shí)現(xiàn)燒結(jié)的導(dǎo)電糊劑與基材之間的材料閉合，通過所述材料閉合使燒結(jié)的導(dǎo)電糊劑直接與基材導(dǎo)電和導(dǎo)熱接觸。在此，可以使用呈厚層糊劑或燒結(jié)糊劑形式的傳統(tǒng)導(dǎo)電糊劑。由于厚層糊劑的多孔性，可以補(bǔ)償導(dǎo)電糊劑和基材的不同的熱膨脹，由此能夠使導(dǎo)電糊劑及基材的連接的可靠性得以提高，尤其在例如汽車領(lǐng)域中的有強(qiáng)烈溫度變化需求的情形。
[0013]由于絲網(wǎng)印刷技術(shù)(其中在基材上施加層)的迭加特性，為了基材表面的金屬化此外可以舍棄使用曝光法及腐蝕法，這導(dǎo)致所提出的方法的成本優(yōu)勢(shì)。
[0014]厚層導(dǎo)電糊劑通常包括至少一種作為導(dǎo)電介質(zhì)的金屬粉末、作為粘附劑的無機(jī)粉末(例如玻璃料)以及有機(jī)粘結(jié)劑和溶劑。所述有機(jī)粘結(jié)劑和溶劑產(chǎn)生具有一定流體性質(zhì)的類似糊劑的稠度，然而所述性質(zhì)也受導(dǎo)電糊劑的其它成分影響。
[0015]關(guān)于導(dǎo)電金屬粉末的成分，優(yōu)選可以設(shè)計(jì)為使用包含銅粉的導(dǎo)電糊劑。當(dāng)然也可以使用包含銀粉和/或金粉的導(dǎo)電糊劑。然而在此使用銅粉明顯是成本有利的。
[0016]關(guān)于無機(jī)粉末的成分，優(yōu)選可以設(shè)計(jì)為使用包含由PbO-B2O3-S12體系組成的玻璃和/或包含Bi2O3的玻璃的導(dǎo)電糊劑。在所提出的方法中的燒結(jié)過程中雖然在這種情況下是占主導(dǎo)地位的、相對(duì)低的燃燒溫度，但由此仍然可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電糊劑在基材上非常好的粘附。
[0017]在印刷導(dǎo)電糊劑(例如通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的絲網(wǎng)印刷方法)之后，導(dǎo)電糊劑由于其流體性質(zhì)基本上留在相對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)，而沒有顯著的流出。為了使基材表面上施加的導(dǎo)電糊劑最佳地準(zhǔn)備燃燒或燒結(jié)，優(yōu)選可以設(shè)計(jì)為，將導(dǎo)電糊劑在第一燃燒階段之前，在干燥階段中，在約80°C至約200°C，優(yōu)選100°C至150°C，特別優(yōu)選在最高130°C的溫度干燥，時(shí)間長(zhǎng)度優(yōu)選為約5min至約20min。通過該干燥階段，導(dǎo)電糊劑中存在的溶劑基本上完全消散。在此優(yōu)選的是已知的干燥方法，例如紅外干燥或熱空氣干燥。通過干燥過程和與其相關(guān)的導(dǎo)電糊劑中的溶劑的消散，導(dǎo)電糊劑經(jīng)受一定的體積減小。然而這可以在準(zhǔn)備階段中已經(jīng)通過相應(yīng)較厚地施涂導(dǎo)電糊劑來抵抗。
[0018]導(dǎo)電糊劑在所提出的方法的第一和/或第二燃燒階段的燃燒或燒結(jié)優(yōu)選可以在焙燒爐中進(jìn)行，其中在焙燒爐中燃燒溫度占主導(dǎo)地位。當(dāng)然，干燥階段和/或冷卻階段也可以在焙燒爐內(nèi)進(jìn)行。在此優(yōu)選可以使用具有輸送裝置的焙燒爐。
[0019]取決于基材和導(dǎo)電糊劑所使用的原料組合，可以利用合適的燃燒曲線。特別的實(shí)施方案變型設(shè)計(jì)為，在第一燃燒階段中，使燃燒溫度至少間歇地以約40°C /min至約60°C /min升高。此外可以設(shè)計(jì)為，在第一燃燒階段中，將燃燒溫度升高至約580°C，優(yōu)選約565°C，特別優(yōu)選約548°C的最高燃燒溫度。
[0020]將導(dǎo)電糊劑加熱超過約400°C至450°C導(dǎo)致所有有機(jī)內(nèi)容物，例如有機(jī)粘結(jié)劑基本上完全消散，并使無機(jī)成分(例如玻璃粉末或玻璃料)軟化。此外，在該溫度插入金屬粉末的燒結(jié)過程。導(dǎo)電糊劑的軟化的玻璃成分隨后產(chǎn)生導(dǎo)電糊劑在基材上的良好粘附。
[0021]最高燃燒溫度原則上受到鋁的熔化溫度的限制，所述熔化溫度為約660°C。在使用基于銀的導(dǎo)電糊劑的情況下，最高燃燒溫度優(yōu)選為約565°C，和在使用基于銅的導(dǎo)電糊劑的情況下，最高燃燒溫度優(yōu)選為約548°C。該溫度由可能在此形成的低共熔的鋁-銅或者鋁-銀合金的熔化溫度得出。
[0022]關(guān)于各最高燃燒溫度，對(duì)于導(dǎo)電糊劑而言要選擇合適的玻璃成分，其相應(yīng)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Te)或熔化溫度(Ts)適應(yīng)其最高燃燒溫度。因此相應(yīng)的導(dǎo)電糊劑的玻璃成分的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或熔化溫度應(yīng)當(dāng)相應(yīng)地為低于給定的最高燃燒溫度，以保證基材上的導(dǎo)電糊劑的最佳的粘附。尤其合適的是由PbO-B2O3-S12體系組成的玻璃和/或包含Bi2O3的玻璃。
[0023]經(jīng)證實(shí)特別有利的是，在第二燃燒階段中，使導(dǎo)電糊劑的燃燒進(jìn)行約5min至約30min。原則上，第二燃燒階段(在最高燃燒溫度下)的時(shí)間越長(zhǎng)，則導(dǎo)電糊劑燒結(jié)得越密實(shí)，并且因此對(duì)于后續(xù)加工(例如釬焊及熱壓焊接)具有更佳的性質(zhì)。然而在第二燃燒階段中的燃燒時(shí)間過長(zhǎng)的情況下，在典型的烘箱中的通過時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，這可能負(fù)面地影響總體生產(chǎn)率。
[0024]在另一優(yōu)選實(shí)施方案變型中可以設(shè)計(jì)為，在第二燃燒階段中，使可預(yù)設(shè)的最高燃燒溫度基本上保持恒定。
[0025]此外優(yōu)選可以設(shè)計(jì)為將導(dǎo)電糊劑在第一燃燒階段和/或第二燃燒階段中處于含氮的保護(hù)氣體氣氛中。保護(hù)氣體氣氛(例如氮?dú)?對(duì)于銅線路糊劑的焊透而言是有利的，從而防止線路材料的氧化(取決于燃燒階段，可能存在會(huì)有數(shù)個(gè)ppm的殘留氧含量)。這類材料或?qū)щ姾齽┑挠袡C(jī)粘結(jié)劑在此可以如此設(shè)計(jì)，其可以在氮?dú)鈿夥障聹p少。對(duì)于銀線路糊劑而言，傳統(tǒng)的空氣氣體反而是有利的，因?yàn)樵诖饲闆r下線路表面受氧化的消極影響微乎其微。在此所使用的有機(jī)粘結(jié)劑可以經(jīng)由空氣中的氧氣氧化。
[0026]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中可以設(shè)計(jì)為，在冷卻階段中，燃燒溫度至少間歇地以約20°C /min至約40°C /min，優(yōu)選約30°C /min下降。在此優(yōu)選將冷卻進(jìn)行至環(huán)境溫度。因?yàn)樗褂玫牟牧系牟煌臒崤蛎浵禂?shù)，則冷卻進(jìn)行得越緩慢，導(dǎo)電糊劑與基材之間的連接的機(jī)械影響越小。
[0027]通過燒結(jié)的導(dǎo)電糊劑(在燃燒或燒結(jié)過程期間由于在此占主導(dǎo)地位的高溫所進(jìn)行)的典型的氧化設(shè)計(jì)為，使導(dǎo)電糊劑的表面在冷卻之后進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)械后處理，以簡(jiǎn)化另外的加工，例如用于后續(xù)的釬焊方法或熱壓焊接方法。
[0028]根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方式可以設(shè)計(jì)為，在基材的表面上施加厚度為約ΙΟμπι至約100 μ m的導(dǎo)電糊劑。當(dāng)然也可以將厚度小于1ym的導(dǎo)電糊劑，或厚度大于100 μ m的導(dǎo)電糊劑施加在基材的表面上。也可以設(shè)計(jì)為，相繼地多次應(yīng)用所提出的方法，以整體上提高導(dǎo)電糊劑的給定厚度。
[0029]本發(fā)明的其它細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)借助以下附圖描述加以闡釋。
[0030]圖1顯示了穿過具有設(shè)置于其上的導(dǎo)電糊劑的基材的截面，和
[0031]圖2顯示了對(duì)于所提出的方法的實(shí)施例關(guān)于時(shí)間的燃燒溫度的燃燒曲線。
[0032]圖1顯示了在進(jìn)行所提出的方法之后，由基本上純的鋁或者高純度鋁合金組成的基材I的(并非按比例的)截面。在此，所述基材I例如由具有根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 573的ENAW-1050A等級(jí)的鋁原料組成，所述原料包含至少99.5重量％的鋁。所述基材I具有約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,而有意義的最大厚度Ds則可能受到基材I的另外的加工的限制。
[0033]在基材I的表面2上借助絲網(wǎng)印刷法施加銅基導(dǎo)電糊劑3，即所使用的導(dǎo)電糊劑3包含作為導(dǎo)電成分的銅粉?；腎連同導(dǎo)電糊劑3根據(jù)所提出的方法按照來自圖2的燃燒曲線處理，以獲得可焊接的鋁基材I。在該實(shí)施例中，在應(yīng)用所提出的方法之后的經(jīng)燃燒或者經(jīng)燒結(jié)的導(dǎo)電糊劑3的厚度^為約35 μ m。經(jīng)燃燒或者經(jīng)燒結(jié)的導(dǎo)電糊劑3的厚度^例如對(duì)于銅線路糊劑而言可以為約20 μ m至約40 μ m,和對(duì)于銀線路糊劑為約10 μ m至約20 μ m。為改進(jìn)所提出的方法中的經(jīng)燃燒或者經(jīng)燒結(jié)的導(dǎo)電糊劑3的焊接性質(zhì)，將經(jīng)燒結(jié)的導(dǎo)電糊劑3的表面4以機(jī)械方式后處理，例如刷光。
[0034]圖2顯示了對(duì)于所提出的方法而言可行的燃燒曲線。所示出的曲線圖在此表示焙燒爐中的燃燒溫度T隨時(shí)間的變化，其中進(jìn)行第一燃燒階段B1、第二燃燒階段B2,以及冷卻階段A。在第一燃燒階段B1中，將燃燒溫度T從約22°C的環(huán)境溫度開始連續(xù)升高，直至約542°C的可預(yù)設(shè)的最高燃燒溫度!1.。在這種情況下，在第一燃燒階段B1中，燃燒溫度T在時(shí)間上的變化基本上為具有基本上為線性階段的S形，其中燃燒溫度T以約46°C /min的速率Rb上升。
[0035]達(dá)到可預(yù)設(shè)的最高燃燒溫度Tmax之后，在第二燃燒階段B2中，導(dǎo)電糊劑3和基材I在約542°C的可預(yù)設(shè)最高燃燒溫度Tmax經(jīng)受約9min的可預(yù)設(shè)時(shí)間段tB，并因此使導(dǎo)電糊劑3燃燒或者燒結(jié)。
[0036]在之后的冷卻階段A中，使燃燒溫度T連續(xù)下降，其中燃燒溫度T隨時(shí)間t以基本上S形的曲線下降。在冷卻階段A中，燃燒溫度T的下降速率Ra近似為平均約33°C /min。
【權(quán)利要求】
1.用于制造金屬化基材(I)的方法，其中所述基材(I)至少部分地，優(yōu)選全部由鋁和/或鋁合金組成，其特征在于，在基材⑴的表面⑵上至少局部地施加導(dǎo)電糊劑(3)，在第一燃燒階段(B1)中，使所述導(dǎo)電糊劑(3)經(jīng)受基本上連續(xù)上升的燃燒溫度(T)，其中使燃燒溫度(T)升高至低于約660°C的可預(yù)設(shè)的最高燃燒溫度(Tmax),在第二燃燒階段(B2)中，使導(dǎo)電糊劑(3)基本上在可預(yù)設(shè)的最高燃燒溫度(Tmax)經(jīng)受可預(yù)設(shè)的時(shí)間段(tB)，在冷卻階段(A)中，將所述導(dǎo)電糊劑(3)冷卻，和在后處理階段中，將導(dǎo)電糊劑(3)的表面(4)以機(jī)械方式后處理，優(yōu)選刷光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，將所述導(dǎo)電糊劑(3)通過絲網(wǎng)印刷法施加在基材⑴的表面⑵上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，使用包含銅粉末的導(dǎo)電糊劑(3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，使用包含由PbO-B2O3-S12體系組成的玻璃和/或包含Bi2O3的玻璃的導(dǎo)電糊劑(3)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，將導(dǎo)電糊劑(3)在第一燃燒階段(B1)之前，在干燥階段中，在約80°C至約200°C，優(yōu)選100°C至150°C，特別優(yōu)選在最高130°C的溫度干燥，時(shí)間長(zhǎng)度優(yōu)選為約5min至約20min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，至少導(dǎo)電糊劑(3)的燃燒在第一燃燒階段(B1)和/或第二燃燒階段(B2)中在焙燒爐中進(jìn)行，其中在焙燒爐中燃燒溫度(T)占主導(dǎo)地位。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在第一燃燒階段(B1)中，使燃燒溫度(T)至少間歇地以約40°C /min至約60°C /min升高。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在第一燃燒階段(B1)中，將燃燒溫度(T)升高至約580°C，優(yōu)選約565°C，特別優(yōu)選約548°C的最高燃燒溫度(Tmax)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在第二燃燒階段(B2)中，使導(dǎo)電糊劑(3)的燃燒進(jìn)行約5min至約30min。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在第二燃燒階段(B2)中，使可預(yù)設(shè)的最高燃燒溫度(Tmax)基本上保持恒定。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，將導(dǎo)電糊劑(3)在第一燃燒階段(B1)和/或第二燃燒階段(B2)中處于含氮的保護(hù)氣體氣氛中。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在冷卻階段(A)中，燃燒溫度(T)至少間歇地以約20°C /min至約40°C /min,優(yōu)選約30°C /min下降。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在基材(I)的表面(2)上施加厚度為約10 μ m至約100 μ m的導(dǎo)電糊劑(3)。
【文檔編號(hào)】B23K1/20GK104271300SQ201380023448
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2013年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月4日
【發(fā)明者】R·C·伯恩斯, W·圖斯勒, B·海格勒 申請(qǐng)人:Ab微電子有限公司