低溫固化環(huán)保導(dǎo)電銀漿的研制

李軍

摘 要：本文系統(tǒng)研究了銀粉顆粒形狀、消泡工藝及溶劑對導(dǎo)電銀漿的影響，通過系列工藝實驗，成功研制出質(zhì)量穩(wěn)定、電阻小、無毒、成本低的低溫固化環(huán)保導(dǎo)電銀漿。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)電銀漿；溶劑；消泡；銀粉形狀

1 引言

電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，帶動了電子漿料行業(yè)的發(fā)展。銀因為電導(dǎo)率高等優(yōu)異的應(yīng)用性能，在電子工業(yè)中具有極其重要的地位。導(dǎo)電銀漿是生產(chǎn)各種電子元器件產(chǎn)品不可或缺的基本和關(guān)鍵功能材料[1]。

導(dǎo)電銀漿廣泛應(yīng)用于電腦、手機鍵盤、薄膜開關(guān)、觸摸屏、智能卡、射頻識別等電子工業(yè)領(lǐng)域，目前使用量最大的幾種導(dǎo)電銀漿包括：PET為基材的薄膜開關(guān)和柔性電路板用低溫銀漿、觸摸屏用低溫導(dǎo)電銀漿、單板陶瓷電容器用漿料、壓敏電阻和熱敏電阻用銀漿、壓電陶瓷用銀漿以及碳膜電位器用銀電極漿料。

低溫固化環(huán)保導(dǎo)電銀漿是由金屬銀粉、高分子有機聚合物體系、有機溶劑和添加劑組成，將上述組分混合均勻，配制成粘稠漿體，通過絲網(wǎng)印刷工藝制成相應(yīng)電路圖形后，在150℃的溫度下進行固化，得到與基材附著良好的線路導(dǎo)線。低溫固化導(dǎo)電銀漿的主要特點是固化溫度低、粘接強度高、電性能穩(wěn)定、適合絲網(wǎng)印刷，它適用于低溫固化焊接場合的導(dǎo)電導(dǎo)熱粘接，如石英晶體、紅外熱釋電探測器、壓電陶瓷、電位器、閃光燈管以及屏蔽、電路修補等，也可用于無線電儀器儀表工業(yè)導(dǎo)電粘接，可代替錫膏實現(xiàn)導(dǎo)電粘接。

目前，現(xiàn)有工藝低溫固化導(dǎo)電銀漿存在印刷質(zhì)量不穩(wěn)定、電阻偏大、漿料毒性大、成本高等問題。

2 銀粉特性對導(dǎo)電銀漿的影響

導(dǎo)電銀漿是以金屬銀粉作為導(dǎo)電相，與高分子聚合物、溶劑及添加劑混合而成的具有一定粘性的漿料，漿料中銀的含量對銀漿的導(dǎo)電性能起著關(guān)鍵性的作用。銀的含量越高銀漿導(dǎo)電性能越好，但是，隨著銀含量的增高，銀漿的流變性變差，從而導(dǎo)致銀漿的印刷性能變差。同時，銀含量越高，銀漿的綜合成本就會越高，考慮到阻值的穩(wěn)定、固化特性、粘接強度等因素，銀含量勢必存在一個最佳含量數(shù)值。

銀漿的導(dǎo)電性能與所用銀粉的形狀密切相關(guān)，這是因為銀粉形狀會影響比表面積、顆粒堆積及其空隙大小，從而影響成膜后銀顆粒的連接密度，對導(dǎo)電性能有較大影響[2]。

常用的銀粉主要有球狀銀粉和片狀銀粉，經(jīng)過分析，片狀銀粉的導(dǎo)電性能比球形的要好，因為片狀銀粉的比表面積比球狀的大，且片狀銀粉印刷后成層狀分布，銀粉顆粒之間連接緊密，固化成膜后電阻較??；球狀銀粉銀顆粒之間的空隙較大，固化成膜后電阻較大，如果要達到相同的電阻，球狀銀粉的添加量要大于片狀銀粉的量，這將會加大銀漿的配制成本。

3 低溫固化環(huán)保導(dǎo)電銀漿的研制

3.1 溶劑對導(dǎo)電銀漿性能影響的探究

在各種電子工業(yè)用絲網(wǎng)印刷導(dǎo)電銀漿的配制過程中，需使用有機溶劑及高分子樹脂制成有機載體。導(dǎo)電銀漿中溶劑的作用有：溶解樹脂，使導(dǎo)電微粒在聚合物中充分分散；調(diào)整導(dǎo)電漿的粘度及粘度的穩(wěn)定性；決定干燥速度；改善基材的表面狀態(tài)，使?jié){料與基體有良好的密著性能。

目前普遍使用的溶劑多為異佛爾酮、環(huán)已酮、甲基異丁醇等，但這幾種溶劑都存在不同程度的毒性。其中，異佛爾酮為黃色帶有刺激性氣味的液體，該物質(zhì)對人體的粘膜、皮膚有強刺激，有致癌可能性。環(huán)已酮為淺黃色具有強烈刺激性氣味的液體，易燃、易揮發(fā)，有麻醉和刺激作用，可急性中毒，主要表現(xiàn)有眼、鼻、喉粘膜刺激癥狀和頭暈、胸悶、全身無力等癥狀，重者可出現(xiàn)休克、昏迷、四肢抽搐、肺水腫，最后因呼吸衰竭而死亡；甲基異丁醇是無色透明具有刺激性氣味的液體，易燃、易爆，較高濃度蒸氣對眼睛、皮膚、粘膜和上呼吸道具有刺激作用，還可引起食欲減退和體重減輕。

導(dǎo)電銀漿的綜合環(huán)保性能關(guān)鍵是所使用的溶劑，為了獲得環(huán)保無毒或微毒的導(dǎo)電銀漿，必須從溶劑的環(huán)保性及混合溶劑的配制入手。

實驗設(shè)計了如表1所示的9組漿料配制工藝，通過系統(tǒng)工藝對比實驗，可以深入研究導(dǎo)電銀漿中溶劑揮發(fā)速率、粘度變化、毒性以及導(dǎo)電性等綜合指標(biāo)，從而優(yōu)選出理想的低溫固化環(huán)保導(dǎo)電銀漿。

由表1數(shù)據(jù)可知：

1）隨著銀粉含量增加，漿料的體積電阻率會減小，導(dǎo)熱系數(shù)會變大，剪切強度增強。

2）銀漿其它組分（銀粉、高分子樹脂、添加劑）相同的情況下，混合溶劑為二乙二醇乙醚醋酸酯與DBE的漿料，體積電阻率、導(dǎo)熱系數(shù)、剪切強度均優(yōu)于其它溶劑組成。

同時，我們分別使用異佛爾酮、二乙二醇乙醚醋酸酯與DBE 混合物（二者重量比1：1）、異佛爾酮與DBE 混合物（二者的重量比為1：1）作為溶劑，分別對應(yīng)表1中實驗序號1-3，檢測導(dǎo)電銀漿的揮發(fā)速度和粘度變化，結(jié)果見圖1 和圖2。

由圖1可知，溶劑的揮發(fā)速度依次為：異佛爾酮>異佛爾酮與DBE 混合物>二乙二醇乙醚醋酸酯與DBE 混合物。由圖2可得，粘度變化依次為：異佛爾酮>異佛爾酮與DBE 混合物>二乙二醇乙醚醋酸酯與DBE 混合物。

降低溶劑的揮發(fā)速度以及粘度變化有以下優(yōu)點：（1）溶劑的揮發(fā)速度慢可以確保所配銀漿各組分的相對穩(wěn)定。（2）在印刷過程中溶劑揮發(fā)速度慢，可以確保漿料粘度的相對穩(wěn)定，使印刷后形成的導(dǎo)電層厚度一致，均勻性好。

圖1和圖2結(jié)果表明，二乙二醇乙醚醋酸酯與DBE 混合物（二者重量比為1：1）的揮發(fā)速度最慢、粘度變化最小。

3.2 消泡工藝的選擇

導(dǎo)電銀漿在混合、攪拌過程中極易產(chǎn)生氣泡，氣泡的存在會使銀漿在印刷過程中產(chǎn)生較大空洞，從而造成阻值偏大以及固化后導(dǎo)電層容易產(chǎn)生針孔等缺陷。

要消除導(dǎo)電銀漿中的氣泡，有兩種技術(shù)路線：

第一種是采用消泡劑進行處理。消泡劑是指采用疏水聚合物的混合物、高分子硅聚合物作為活性原料的一類添加劑，一般是在銀漿攪拌的情況下加入，加入量根據(jù)消泡劑型號種類有較大區(qū)別，比較常用的添加量為0.1～2%。使用消泡劑一般存在如下缺點，一是導(dǎo)致漿料配方相對更復(fù)雜，配置步驟更繁瑣；二是銀漿配方的一些變化會導(dǎo)致同一消泡劑的除泡效果不穩(wěn)定，在漿料使用過程引入的二次氣泡不能通過簡單多添加消泡劑來進行處理；三是由于除泡劑的添加，會直接影響漿料的觸變性、粘度及固化溫度，使?jié){料使用工藝范圍變窄。

第二種是采用真空或離心脫泡機進行脫泡處理。在操作時可以根據(jù)銀漿的具體要求，調(diào)節(jié)包括真空度或離心力、脫泡時間的脫泡參數(shù)，并且可隨時根據(jù)漿料情況進行多次反復(fù)脫泡處理而不會影響銀漿的使用性能。

經(jīng)分析認為，低溫固化環(huán)保導(dǎo)電銀漿的消泡工藝宜選用真空脫泡機，不僅工藝操作簡便，除泡效果好且穩(wěn)定，還普遍適用于各種工藝范圍的漿料。另外，通過真空脫泡處理，可以有效解決因氣泡的存在而產(chǎn)生的針孔及阻值不穩(wěn)定問題。

3.3 銀漿制備工藝

根據(jù)上面分析，我們選用片狀銀粉，其顆粒粒徑為1.5-2.5 μm，松裝密度為0.8-2.0 g/ml。

導(dǎo)電銀漿配制用的高分子樹脂、添加劑及溶劑信息如下：高分子樹脂為聚醋酸乙烯酯、聚酰胺或兩者任意比例的混合物；添加劑作用是增加漿料塑性以及流平性能，選用蓖麻油、磷酸三丁酯、鄰苯二甲酸二丁酯、甲基硅油、正丁醇中的一種或幾種；混合溶劑包括二乙二醇乙醚醋酸酯（DCAC）、尼龍酸二甲酯（DBE）。

其配料范圍，銀粉45～70 wt%，高分子樹脂8～13 wt%，添加劑2～7 wt%，混合溶劑20～35wt%。

低溫固化環(huán)保導(dǎo)電銀漿制備工藝步驟如下：（1）有機載體的制備：將高分子樹脂加入到混合溶劑中，攪拌均勻置于恒溫箱中，溫度控制在80±1℃，待高分子樹脂完全溶解后取出，加入添加劑，攪拌、過濾去除雜質(zhì)，即得有機載體，粘度為2500～8000 cP。（2）將金屬銀粉加入步驟（1）得到的有機載體，球磨機中混合分散得到均勻的漿體。（3）將步驟（2）得到的漿體進行真空脫泡后，在三輥軋機中扎磨2～4 次，即得低溫固化環(huán)保導(dǎo)電銀漿。真空脫泡的真空度為0.08～0.12 MPa，脫泡時間為3～10 min。

工藝參數(shù)控制為：有機載體的粘度為2500-8000 cP，真空脫泡的真空度為0.08-0.12 MPa，脫泡時間為5 min。

3.4 綜合優(yōu)化分析

基于導(dǎo)電銀漿的導(dǎo)電性能、環(huán)保性能及成本等因素分析，得到的最佳銀漿配比應(yīng)為樣品編號6#。

4 小結(jié)

本文深入分析了銀粉形狀、脫泡工藝及溶劑對導(dǎo)電銀漿的影響，通過工藝實驗研制并優(yōu)化得到的低溫固化環(huán)保導(dǎo)電銀漿的最佳配比，其中銀粉58 wt%、高分子樹脂11%、添加劑6 wt%、混合溶劑25 wt%、混合溶劑為DCAC與DBE 的混合物，兩者的重量比為1：2，采用真空脫泡，工藝參數(shù)為真空度0.08～0.12 MPa，脫泡時間5 min。制備的低溫固化環(huán)保導(dǎo)電銀漿質(zhì)量穩(wěn)定、電阻小、無毒、成本低，綜合性價比高。

參考文獻

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