ТОКОПРОВОДЯЩАЯ ПАСТА ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО СПЕКАНИЯ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОКОПРОВОДЯЩЕЙ ПАСТЫ Российский патент 2025 года по МПК H01B1/24 

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к материалам для изготовления электропроводящих слоев методом трафаретной печати и может быть использовано в производстве кремниевых солнечных элементов, гибких дисплеев, элементов электрических схем печатной электроники для формирования межэлементного соединения.

Технология низкотемпературного спекания серебра (Low-Temperature Joint Technique -LTJT) возникла относительно недавно и быстро нашла применение в таких областях техники, как изготовление солнечных элементов и гибких дисплеев [Layani, М. Flexible Transparent Conductive Coatings by Combining Self-Assembly With Sintering of Silver Nanoparticles Performed at Room Temperature / M. Layani, S. Magdassi // J. Mater. С hem. - 2011. - Vol. 21, №39. - P. 15378-15382], элементов электрических схем печатной электроники. Также, практически сразу оказалась востребована в области сборки силовых полупроводниковых модулей.

Суть технологии заключается в спекании частиц серебра при низкой температуре с получением структуры близкой к структуре металлического серебряного порошка.

Процесс LTJT представляет собой высокотехнологичный способ соединения полупроводникового кристалла, содержащего p-n-переходы, с металлическим термокомпенсатором. Процесс осуществляется посредством спекания специальных серебросодержащих составов при воздействии температуры и давления. Получаемая в результате спекания структура является основным активным элементом силовых полупроводниковых приборов.

Составы на основе микронных частиц серебра имеют долгую историю в разработке и применении и доказали свою надежность. Подобно технологии наночастиц, развитие этой области ориентировано на снижение давления и температуры в процессе спекания за счет оптимизации размера заполнителя и их кристаллографических свойств, состава активной массы, и режима спекания. В одном из первых патентов [US 4810672 B2] указано давление 9-15 МПа и размер частиц (хлопьев) 15 мкм в диаметре, при температуре 180-250°С [US 4810672 B2]. В патенте US 20090134206 A1 используют частицы субмикронного размера (от 0,2 до 5 мкм) и утверждают, что температура спекания может быть снижена до 240°С с минимальным давлением 0,5 МПа.

Что касается кристаллографических свойств частиц серебра то, например, в заявке WO/2015/126807 отмечено, что необходима степень кристалличности не менее 50%, что облегчает инициирование спекания.

В некоторых исследованиях для снижения температуры и давления спекания предлагается введение соединений серебра (например, оксида, лактата, цитрата и других солей) и окислителей (органические и неорганические пероксиды, кислоты и соединения алюминия). Эти агломерационные агенты сжигают органические связующие, понижают температуру спекания до 200°С.

Например, в заявке WO/2015/031801 отмечено, что для улучшения механических свойств спеченного соединения на основе микронных частиц добавляют диоксид или карбид кремния. Эти добавки действуют как барьеры для роста зерен или распространение трещин внутри пленки, компенсируют несоответствие коэффициента теплового расширения между полупроводниковым кристаллом и подложкой.

Из имеющегося уровня техники также известна полимерная токопроводящая паста для солнечных элементов с гетеропереходами (патент RU 2746270), которая включает порошок серебра, органическое связующее, содержащее в составе растворителя структурообразующий компонент, и функциональную добавку, причем в составе в качестве структурообразующего компонента используется галогенсодержащий полимер с температурой размягчения ниже 200°С, а в качестве функциональной добавки используется полимерное кремнийорганическое соединение с числом силоксановых звеньев менее 3000, при следующем соотношении компонентов, в мас. %: порошок серебра - 80-95; органическое связующее - 4-18; функциональная добавка - 0,1-2,0.

Целью настоящего изобретения является создание химически инертной токопроводящей пасты для низкотемпературного спекания на основе микрочастиц серебра, позволяющую снизить пористость спекаемого токопроводящего слоя и образовывать равномерное однородное покрытие на подложке, а также в упрощении способа получения токопроводящей пасты для низкотемпературного спекания обладающей высокой электропроводностью.

Техническая задача, которую предстоит решить изобретением, заключается в исключении агломерации микрочастиц серебра при изготовлении токопроводящей пасты, снижении пористости спекаемого токопроводящего слоя и повышению электропроводности, обеспечении чистоты спекаемого слоя за счет исключения углеродных остатков от органического связующего, исключении воздействия токопроводящей пасты и спекаемого токопроводящего слоя на кремниевые пластины.

Поставленная техническая задача достигается тем, что токопроводящая паста для низкотемпературного спекания содержит мелкодисперсный порошок серебра со степенью чистоты не менее 98% и размером частиц 1-10 мкм и органическое связующее от 5 до 35 мас. %.

В качестве органического связующего используется альфа-терпинеол.

При этом в пасте использован мелкодисперсный порошок, серебра, предварительно обработанный поверхностно-активным веществом, для предотвращения агломерации микрочастиц серебра, при этом соотношение используемых компонентов в токопроводящей пасте составляет, мас. %:

порошок серебра от 65 до 95 органическое связующее от 5 до 35 поверхностно-активное вещество от 0,1 до 5

В качестве поверхностно активного вещества для предотвращения агломерации микрочастиц серебра могут быть использованы: олеиновая кислота, стеариновая кислота, полиэтиленгликоль, цитрат натрия, лауриновая кислота, поливинилпирролидон, сульфосукцинаты.

Способ получения токопроводящей пасты для низкотемпературного спекания включает на первом этапе добавление в мелкодисперсный порошок серебра с размером частиц 1 - 10 мкм растворителя и поверхностно активного вещества, предотвращающего агломерацию микрочастиц серебра, и последующую ультразвуковую обработку в течение 60 - 90 мин. В качестве растворителя может быть использован изопропиловый спирт. После ультразвуковой обработки производят удаление растворителя до получения сухого субстрата. В наиболее предпочтительном варианте удаление растворителя осуществляется в роторном испарителе при температуре 40-50°С. После удаления растворителя осуществляется добавление в субстрат органического связующего и гомогенизация полученного состава в течение 120 мин, а далее ультразвуковая обработка в течение 20-30 минут.

Пример изготовления

Для приготовления 1 кг пасты в круглодонную колбу поочередно вносится 850 г мелкодисперсного порошка серебра (степень чистоты не менее 98%, размер частиц 1-10 мкм), 4000 мл растворителя, 5 мл поверхностно активного вещества, предотвращающего агломерацию микрочастиц серебра.

В качестве растворителя в предпочтительном варианте исполнения используется изопропиловый спирт.

В качестве поверхностно активного вещества для предотвращения агломерации микрочастиц серебра могут быть использованы: олеиновая кислота, стеариновая кислота, полиэтиленгликоль, цитрат натрия, лауриновая кислота, поливинилпирролидон, сульфосукцинаты.

Далее колбу с содержимым подвергают ультразвуковой обработке в течение 60-90 мин.

Далее производят удаление растворителя до получения сухого субстрата. Для этого колбу устанавливают в роторный испаритель и проводят удаление растворителя для получение сухого субстрата при температуре порядка 40-50°С.

После удаления растворителя содержимое колбы (серебряный субстрат) переносится в тару для смешения с органическим связующим. Затем в эту же тару вводится 150 г альфа-терпинеола. Внесение может осуществляться частями. В предпочтительном варианте исполнения степень чистоты альфа-терпинеола не менее 98%. После внесения альфа-терпинеола смесь гомогенизируется с помощью диссольвера в течение 120 мин, после чего для исключения образования агломератов серебра дополнительно используется обработка в ультразвуке в течение 20-30 мин.

Полученная паста храниться в течение 6 месяцев при температуре 5-20°С в отсутствие прямых солнечных лучей.

Характеристики полученной токопроводящей пасты представлены в таблице 1.

Из представленной таблицы 1 видно, что показатели заявляемой токопроводящей пасты для низкотемпературного спекания после образования спеченного слоя, такие как: пористость спеченного слоя, теплопроводность, электрическое сопротивление, соответствуют поставленной технической задаче и указывают на наличие и высоких электропроводящих свойств эксплуатационных характеристик.

Использование в заявленной токопроводящей пасте мелкодисперсного порошка серебра со степенью чистоты не менее 98% и размером частиц 1-10 мкм, предварительно обработанный поверхностно-активным веществом, для предотвращения агломерации микрочастиц серебра, обеспечивает более равномерное и лучшее распределение материала по поверхности и помогает снизить пористость спеченного слоя, за счет чего формируется большая контактная площадь между частицами серебра и поверхностью, на которую наносится покрытие, что способствует лучшей адгезии и когезии между слоем и подложкой.

Использование в качестве органического связующего альфа-терпинеола в пастах для низкотемпературного спекания также позволяет достигнуть поставленной задачи. Альфа-терпинеол обладает хорошей летучестью при относительно низких температурах, он может испаряться при нагреве, не оставляя остатков, что важно для получения чистого спеченного серебряного слоя. Альфа-терпинеол имеет подходящую вязкость и тиксотропность, что помогает пасте хорошо растекаться и равномерно покрывать поверхность для получения однородного слоя без дефектов. Альфа-терпинеол хорошо смешивается с серебряными частицами и другими компонентами пасты, обеспечивая стабильную суспензию, что помогает предотвратить агломерацию частиц и способствует равномерному распределению материала. При спекании альфа-терпинеол полностью испаряется и разлагается, не оставляя углеродных остатков, которые могут ухудшить свойства конечного продукта, обеспечивая чистоту спеченного слоя, что подтверждает достижения поставленной технической задачи.

Изобретение относится к токопроводящей пасте и способу ее изготовления и может использоваться для изготовления электропроводящих слоев методом трафаретной печати в производстве кремниевых солнечных элементов, гибких дисплеев, элементов электрических схем печатной электроники. Техническим результатом является исключение агломерации микрочастиц серебра при изготовлении токопроводящей пасты, снижение пористости спекаемого токопроводящего слоя и повышение электропроводности, обеспечение чистоты спекаемого слоя за счет исключения углеродных остатков от органического связующего, исключение воздействия токопроводящей пасты и спекаемого токопроводящего слоя на кремниевые пластины. Упомянутый технический результат достигается тем, что паста содержит мелкодисперсный порошок серебра со степенью чистоты не менее 98% и размером частиц 1-10 мкм и органическое связующее от 5 до 35 мас. %, причем в качестве органического связующего используется альфа-терпинеол. Причем порошок серебра предварительно обработан поверхностно-активным веществом для предотвращения агломерации микрочастиц серебра, соотношение используемых компонентов в токопроводящей пасте составляет: порошок серебра - от 65 до 95 мас. %; органическое связующее - от 5 до 35 мас. %; поверхностно-активное вещество - от 0,1 до 5 мас. %. Способ включает добавление в мелкодисперсный порошок серебра с размером частиц 1-10 мкм растворителя и поверхностно активного вещества, предотвращающего агломерацию микрочастиц серебра, и последующую ультразвуковую обработку в течение 60-90 мин. В качестве растворителя может быть использован изопропиловый спирт. После ультразвуковой обработки удаляют растворитель до получения сухого субстрата. Удаление растворителя может осуществляться в роторном испарителе при температуре 40-50°С. Затем в субстрат добавляют органическое связующее и проводят гомогенизацию полученного состава в течение 120 мин с последующей ультразвуковой обработкой в течение 20-30 минут. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

1. Токопроводящая паста, содержащая мелкодисперсный порошок серебра, органическое связующее и поверхностно-активное вещество, отличающаяся тем, что степень чистоты мелкодисперсного порошка серебра составляет не менее 98%, размер частиц мелкодисперсного порошка составляет 1-10 мкм, причем мелкодисперсный порошок серебра предварительно обработан поверхностно-активным веществом, предотвращающим агломерацию микрочастиц серебра, причем органическим связующим является альфа-терпинеол, при этом соотношение компонентов в токопроводящей пасте составляет, мас. %:

порошок серебра от 65 до 95 органическое связующее от 5 до 35 поверхностно-активное вещество от 0,1 до 5

2. Токопроводящая паста по п. 1, отличающаяся тем, что поверхностно-активным веществом, предотвращающим агломерацию микрочастиц серебра, является олеиновая кислота, стеариновая кислота, полиэтиленгликоль, цитрат натрия, лауриновая кислота, поливинилпирролидон, сульфосукцинаты.

3. Способ получения токопроводящей пасты, включающий добавление в мелкодисперсный порошок серебра растворителя и поверхностно-активного вещества с последующим удалением растворителя до получения сухого субстрата и добавлением органического связующего, отличающийся тем, что на первом этапе осуществляют добавление в мелкодисперсный порошок серебра со степенью чистоты не менее 98% с размером частиц 1-10 мкм растворителя и поверхностно активного вещества, предотвращающего агломерацию микрочастиц серебра, далее осуществляют ультразвуковую обработку в течение 60-90 мин, удаление растворителя до получения сухого субстрата и добавление в субстрат органического связующего, причем в качестве органического связующего используют альфатерпинеол, затем осуществляют гомогенизацию полученного состава в течение 120 мин и последующую ультразвуковую обработку в течение 20-30 минут, причем обеспечивают следующее соотношение компонентов в токопроводящей пасте, мас. %:

порошок серебра от 65 до 95 органическое связующее от 5 до 35 поверхностно-активное вещество от 0,1 до 5

4. Способ получения токопроводящей пасты по п. 3, отличающийся тем, что удаление растворителя осуществляют в роторном испарителе при температуре 40-50°С.

5. Способ получения токопроводящей пасты по п. 3, отличающийся тем, что в качестве растворителя используют изопропиловый спирт.