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低温固化环保导电银浆的研制

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低温固化环保导电银浆的研制

发布日期:2018-03-08 作者:admin 点击:

  电子信息产业的高速发展,带动了电子浆料行业的发展。银因为电导率高等优异的应用性能,在电子工业中具有极其重要的地位。导电银浆是生产各种电子元器件产品不可或缺的基本和关键功能材料[1]。

  导电银浆广泛应用于电脑、手机键盘、薄膜开关、触摸屏、智能卡、射频识别等电子工业领域,目前使用量最大的几种导电银浆包括:PET为基材的薄膜开关和柔性电路板用低温银浆、触摸屏用低温导电银浆、单板陶瓷电容器用浆料、压敏电阻和热敏电阻用银浆、压电陶瓷用银浆以及碳膜电位器用银电极浆料。

  低温固化环保导电银浆是由金属银粉、高分子有机聚合物体系、有机溶剂和添加剂组成,将上述组分混合均匀,配制成粘稠浆体,通过丝网印刷工艺制成相应电路图形后,在150℃的温度下进行固化,得到与基材附着良好的线路导线。低温固化导电银浆的主要特点是固化温度低、粘接强度高、电性能稳定、适合丝网印刷,它适用于低温固化焊接场合的导电导热粘接,如石英晶体、红外热释电探测器、压电陶瓷、电位器、闪光灯管以及屏蔽、电路修补等,也可用于无线电仪器仪表工业导电粘接,可代替锡膏实现导电粘接。

  目前,现有工艺低温固化导电银浆存在印刷质量不稳定、电阻偏大、浆料毒性大、成本高等问题。


透光导电浆料


  1. 银粉特性对导电银浆的影响

  导电银浆是以金属银粉作为导电相,与高分子聚合物、溶剂及添加剂混合而成的具有一定粘性的浆料,浆料中银的含量对银浆的导电性能起着关键性的作用。银的含量越高银浆导电性能越好,但是,随着银含量的增高,银浆的流变性变差,从而导致银浆的印刷性能变差。同时,银含量越高,银浆的综合成本就会越高,考虑到阻值的稳定、固化特性、粘接强度等因素,银含量势必存在一个最佳含量数值。

  银浆的导电性能与所用银粉的形状密切相关,这是因为银粉形状会影响比表面积、颗粒堆积及其空隙大小,从而影响成膜后银颗粒的连接密度,对导电性能有较大影响[2]。

  常用的银粉主要有球状银粉和片状银粉,经过分析,片状银粉的导电性能比球形的要好,因为片状银粉的比表面积比球状的大,且片状银粉印刷后成层状分布,银粉颗粒之间连接紧密,固化成膜后电阻较小;球状银粉银颗粒之间的空隙较大,固化成膜后电阻较大,如果要达到相同的电阻,球状银粉的添加量要大于片状银粉的量,这将会加大银浆的配制成本。

  2. 低温固化环保导电银浆的研制

  2.1 溶剂对导电银浆性能影响的探究

  在各种电子工业用丝网印刷导电银浆的配制过程中,需使用有机溶剂及高分子树脂制成有机载体。导电银浆中溶剂的作用有:溶解树脂,使导电微粒在聚合物中充分分散;调整导电浆的粘度及粘度的稳定性;决定干燥速度;改善基材的表面状态,使浆料与基体有良好的密着性能。

  目前普遍使用的溶剂多为异佛尔酮、环已酮、甲基异丁醇等,但这几种溶剂都存在不同程度的毒性。其中,异佛尔酮为黄色带有刺激性气味的液体,该物质对人体的粘膜、皮肤有强刺激,有致癌可能性。环已酮为浅黄色具有强烈刺激性气味的液体,易燃、易挥发,有麻醉和刺激作用,可急性中毒,主要表现有眼、鼻、喉粘膜刺激症状和头晕、胸闷、全身无力等症状,重者可出现休克、昏迷、四肢抽搐、肺水肿,最后因呼吸衰竭而死亡;甲基异丁醇是无色透明具有刺激性气味的液体,易燃、易爆,较高浓度蒸气对眼睛、皮肤、粘膜和上呼吸道具有刺激作用,还可引起食欲减退和体重减轻。

  导电银浆的综合环保性能关键是所使用的溶剂,为了获得环保无毒或微毒的导电银浆,必须从溶剂的环保性及混合溶剂的配制入手。

  实验设计了如表1所示的9组浆料配制工艺,通过系统工艺对比实验,可以深入研究导电银浆中溶剂挥发速率、粘度变化、毒性以及导电性等综合指标,从而优选出理想的低温固化环保导电银浆。

  由表1数据可知:

  1)随着银粉含量增加,浆料的体积电阻率会减小,导热系数会变大,剪切强度增强。

  2)银浆其它组分(银粉、高分子树脂、添加剂)相同的情况下,混合溶剂为二乙二醇乙醚醋酸酯与DBE的浆料,体积电阻率、导热系数、剪切强度均优于其它溶剂组成。

  同时,我们分别使用异佛尔酮、二乙二醇乙醚醋酸酯与DBE 混合物(二者重量比1:1)、异佛尔酮与DBE 混合物(二者的重量比为1:1)作为溶剂,分别对应表1中实验序号1-3,检测导电银浆的挥发速度和粘度变化,结果见图1 和图2。

  由图1可知,溶剂的挥发速度依次为:异佛尔酮>异佛尔酮与DBE 混合物>二乙二醇乙醚醋酸酯与DBE 混合物。由图2可得,粘度变化依次为:异佛尔酮>异佛尔酮与DBE 混合物>二乙二醇乙醚醋酸酯与DBE 混合物。

  降低溶剂的挥发速度以及粘度变化有以下优点:(1)溶剂的挥发速度慢可以确保所配银浆各组分的相对稳定。(2)在印刷过程中溶剂挥发速度慢,可以确保浆料粘度的相对稳定,使印刷后形成的导电层厚度一致,均匀性好。

  图1和图2结果表明,二乙二醇乙醚醋酸酯与DBE 混合物(二者重量比为1:1)的挥发速度最慢、粘度变化最小。

  2.2 消泡工艺的选择

  导电银浆在混合、搅拌过程中极易产生气泡,气泡的存在会使银浆在印刷过程中产生较大空洞,从而造成阻值偏大以及固化后导电层容易产生针孔等缺陷。

  要消除导电银浆中的气泡,有两种技术路线:

  第一种是采用消泡剂进行处理。消泡剂是指采用疏水聚合物的混合物、高分子硅聚合物作为活性原料的一类添加剂,一般是在银浆搅拌的情况下加入,加入量根据消泡剂型号种类有较大区别,比较常用的添加量为0.1~2%。使用消泡剂一般存在如下缺点,一是导致浆料配方相对更复杂,配置步骤更繁琐;二是银浆配方的一些变化会导致同一消泡剂的除泡效果不稳定,在浆料使用过程引入的二次气泡不能通过简单多添加消泡剂来进行处理;三是由于除泡剂的添加,会直接影响浆料的触变性、粘度及固化温度,使浆料使用工艺范围变窄。   第二种是采用真空或离心脱泡机进行脱泡处理。在操作时可以根据银浆的具体要求,调节包括真空度或离心力、脱泡时间的脱泡参数,并且可随时根据浆料情况进行多次反复脱泡处理而不会影响银浆的使用性能。

  经分析认为,低温固化环保导电银浆的消泡工艺宜选用真空脱泡机,不仅工艺操作简便,除泡效果好且稳定,还普遍适用于各种工艺范围的浆料。另外,通过真空脱泡处理,可以有效解决因气泡的存在而产生的针孔及阻值不稳定问题。

  2.3 银浆制备工艺

  根据上面分析,我们选用片状银粉,其颗粒粒径为1.5-2.5 μm,松装密度为0.8-2.0 g/ml。

  导电银浆配制用的高分子树脂、添加剂及溶剂信息如下:高分子树脂为聚醋酸乙烯酯、聚酰胺或两者任意比例的混合物;添加剂作用是增加浆料塑性以及流平性能,选用蓖麻油、磷酸三丁酯、邻苯二甲酸二丁酯、甲基硅油、正丁醇中的一种或几种;混合溶剂包括二乙二醇乙醚醋酸酯(DCAC)、尼龙酸二甲酯(DBE)。

  其配料范围,银粉45~70 wt%,高分子树脂8~13 wt%,添加剂2~7 wt%,混合溶剂20~35wt%。

  低温固化环保导电银浆制备工艺步骤如下:(1)有机载体的制备:将高分子树脂加入到混合溶剂中,搅拌均匀置于恒温箱中,温度控制在80±1℃,待高分子树脂完全溶解后取出,加入添加剂,搅拌、过滤去除杂质,即得有机载体,粘度为2500~8000 cP。(2)将金属银粉加入步骤(1)得到的有机载体,球磨机中混合分散得到均匀的浆体。(3)将步骤(2)得到的浆体进行真空脱泡后,在三辊轧机中扎磨2~4 次,即得低温固化环保导电银浆。真空脱泡的真空度为0.08~0.12 MPa,脱泡时间为3~10 min。

  工艺参数控制为:有机载体的粘度为2500-8000 cP,真空脱泡的真空度为0.08-0.12 MPa,脱泡时间为5 min。

  2.4 综合优化分析

  基于导电银浆的导电性能、环保性能及成本等因素分析,得到的最佳银浆配比应为样品编号6#。

  3. 小结

  本文深入分析了银粉形状、脱泡工艺及溶剂对导电银浆的影响,通过工艺实验研制并优化得到的低温固化环保导电银浆的最佳配比,其中银粉58 wt%、高分子树脂11%、添加剂6 wt%、混合溶剂25 wt%、混合溶剂为DCAC与DBE 的混合物,两者的重量比为1:2,采用真空脱泡,工艺参数为真空度0.08~0.12 MPa,脱泡时间5 min。制备的低温固化环保导电银浆质量稳定、电阻小、无毒、成本低,综合性价比高。

本文网址:http://www.jesoon.cn/news/398.html

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