淺析絲網(wǎng)印刷納米銀膠導(dǎo)電油墨

文 李陽

（作者單位 中國人民解放軍第一二〇五工廠）

絲網(wǎng)印刷起源于中國，有著悠久的歷史。它屬于孔板印刷，是傳統(tǒng)的四大印刷方法之一。相比于其他的印刷技術(shù)，絲網(wǎng)印刷具有速度更快，適應(yīng)性更廣，操作簡單等優(yōu)勢。因此被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)業(yè)、玻璃陶瓷、衣物印染、廣告標(biāo)牌等領(lǐng)域。隨著電子產(chǎn)品市場的快速發(fā)展，印刷電子產(chǎn)業(yè)以其快速可控的制備特點(diǎn)逐漸興起。而絲網(wǎng)印刷以其獨(dú)特的優(yōu)勢，已成為印刷電子產(chǎn)業(yè)應(yīng)用最廣泛的方法之一。而導(dǎo)電油墨作為絲網(wǎng)印刷電子的基本材料，它在一定程度上決定著印刷電子產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)規(guī)模以及生產(chǎn)速度。所以了解導(dǎo)電油墨的特點(diǎn)以及制備方法，對更好的配制應(yīng)用印刷適性良好的導(dǎo)電油墨至關(guān)重要。本文我們將以印刷電子產(chǎn)業(yè)常用金屬納米油墨中的導(dǎo)電銀膠為例，對其組成成分、制備方法、常用連接料的性質(zhì)以及影響其導(dǎo)電性的因素進(jìn)行淺析。

絲網(wǎng)印刷基本工藝原理

孔版印刷是指采用孔版作為圖像載體進(jìn)行印刷的方法，孔板的圖文部分透墨，而非圖文部分不透墨。印刷時(shí)，將油墨鏟到絲印版的一端，調(diào)節(jié)好刮墨刀角度，下落使其對印版油墨產(chǎn)生一定的壓力，開始刮墨印刷時(shí)，刮刀由放墨端向另一端移動。由于刮墨刀的擠壓作用，油墨透過圖文部分的網(wǎng)孔并由于自身的粘性而固著在承印基板上。在整個(gè)過程中，刮刀總是直接與印版和承印物接觸。由于絲網(wǎng)印版與承印物之間有一定的空隙，絲網(wǎng)印版由于自身的彈性張力給予刮墨刀一個(gè)反作用力。這個(gè)反作用力就是反彈性力。由于回彈效應(yīng)，絲網(wǎng)印版與承印物呈動線接觸，而其他部件都與承印物并無接觸。所以油墨與絲網(wǎng)形成斷裂運(yùn)動，這保證了印刷尺寸的準(zhǔn)確性，避免基材間的摩擦。當(dāng)刮墨刀刮過印版時(shí)，絲網(wǎng)版會重新抬起，之后由回墨刀將油墨輕刮回原位置，至此，一次完整的印刷過程得以結(jié)束（如圖1）。

圖1 絲網(wǎng)印刷原理

絲網(wǎng)印刷在電子制造領(lǐng)域中的發(fā)展現(xiàn)狀

絲網(wǎng)印刷電子技術(shù)是傳統(tǒng)工藝與高新電子產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，從而產(chǎn)生的一種現(xiàn)代印刷技術(shù)。在印刷電子工業(yè)中，絲網(wǎng)印刷技術(shù)占比極高，大到航空航海工業(yè)及傳統(tǒng)的電路板、顯示屏等；小到微電子技術(shù)中的晶體管、傳感器、電容器等，都有著絲網(wǎng)印刷的身影?，F(xiàn)在新興的柔性印刷電子技術(shù)中，如有機(jī)發(fā)光二極管、柔性傳感器、薄膜電子等，絲網(wǎng)印刷也在其生產(chǎn)制備研發(fā)過程中起著不可或缺的作用。由于設(shè)備、組合工藝、材料的不斷創(chuàng)新、科技化，絲網(wǎng)印刷技術(shù)也在快速發(fā)展，并創(chuàng)造了更多的生產(chǎn)價(jià)值，一定程度上催生了印刷行業(yè)中的新朝陽產(chǎn)業(yè)：印刷電子。

絲網(wǎng)印刷納米銀膠油墨

圖2 納米銀顆粒

圖3 導(dǎo)電膠連接示意圖

在印刷電子工業(yè)中，電子線路層所用的油墨主要是金屬納米顆粒油墨。金屬納米顆粒油墨是由金屬納米顆粒、樹脂、溶劑、添加劑按照一定的比例均勻分散而成。金屬納米粒子的選擇以及其本身固有屬性也是影響油墨導(dǎo)電性能的關(guān)鍵因素。金屬顆粒本身的電阻越小，它印刷所得電路的導(dǎo)電性也就越也好。而納米銀（圖2）作為最受矚目的納米導(dǎo)電顆粒，不論在熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，還是化學(xué)性能穩(wěn)定性方面都是相對理想的。一般要求導(dǎo)電油墨應(yīng)具有燒結(jié)溫度低、導(dǎo)電性能良好、印刷線路分辨率高、與基底附著性強(qiáng)等特點(diǎn)。納米銀除本身具有一定性質(zhì)外，其連結(jié)料的選擇對于納米導(dǎo)電油墨的配制也至關(guān)重要，它能夠給予油墨一定的黏度，使油墨能夠牢固的附著在承印基材上，保證可以制備大面積高精度的電子線路。溶劑的作用則在于溶解樹脂，調(diào)控油墨自身的黏度等，常用的有機(jī)溶劑有乙酸乙酯，乙醇以及碳?xì)浠衔锏?。另外，添加劑的選擇也必不可少。比如，增塑劑、流平劑、消泡劑等。

導(dǎo)電膠

導(dǎo)電膠由兩部分組成，分別為基體和導(dǎo)電填料，基體主要起的作用是粘結(jié)和骨架結(jié)構(gòu)，基體主要包含連接料樹脂。導(dǎo)電填料的作用為導(dǎo)電。導(dǎo)電填料以及基體的種類對導(dǎo)電性能會產(chǎn)生很大的影響。其導(dǎo)電機(jī)理也很復(fù)雜，是滲流效應(yīng)、隧道效應(yīng)、場至發(fā)射效應(yīng)和有效介質(zhì)效應(yīng)的綜合作用和相互競爭所產(chǎn)生的結(jié)果。另外，導(dǎo)電膠在導(dǎo)電方向上可分為各項(xiàng)同性和各項(xiàng)異性，國內(nèi)的研究主要集中在各項(xiàng)同性導(dǎo)電膠上，導(dǎo)電連接示意圖如圖3所示。按照固化體系又可分為室溫固化導(dǎo)電膠、中溫固化導(dǎo)電膠、高溫固化導(dǎo)電膠、紫外光固化導(dǎo)電膠等。納米銀導(dǎo)電膠具有很好的導(dǎo)電性能、連接性能和穩(wěn)定性能，可用于導(dǎo)電圖層、導(dǎo)電油墨、芯片封裝以及電極用漿。

表1 制備納米銀膠的試劑選擇

納米銀膠及其納米銀膠導(dǎo)電油墨的制備

納米銀膠導(dǎo)電膠一般以普通膠粘劑為基體，在其中加入納米銀導(dǎo)電填料，同時(shí)加入一些連結(jié)料和助劑，以制備納米銀膠導(dǎo)電油墨。導(dǎo)電油墨可以分為厚膜色漿型和樹脂型兩種，前者常常用于電容器、電極等，后者常用于印刷電子電路，防靜電包裝等。

油墨自身組分的組成以及制備工藝決定著油墨的各種特性，在此我們簡單介紹納米銀膠導(dǎo)電油墨兩種制備過程。

1.化學(xué)還原法

我們都知道硝酸銀見光特別容易分解，所以在選擇試劑時(shí)，可以更加考慮化學(xué)性能穩(wěn)定的有機(jī)酸銀（如：水楊酸銀）。在制備的過程中，添加保護(hù)劑（如：聚乙烯吡咯烷酮），將保護(hù)劑與抗壞血酸（Vc）以及蒸餾水混合并攪拌得到抗壞血酸（Vc）-聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶液，再加入有機(jī)酸銀，便可形成納米銀膠體。然后在所形成的納米銀膠體中加入連結(jié)料，也就是合成樹脂（如：環(huán)氧樹脂等），再加入一定的助劑，經(jīng)過攪拌、靜置便可以形成納米銀膠體導(dǎo)電油墨。

2.液相還原法

首先，制備納米銀粉末：一定量的硝酸銀中加入適量的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和無水乙醇，在磁力（或高速攪拌器）的作用下高速攪拌，攪拌的同時(shí)緩慢加入一定量的水合肼，便會生成納米銀粉末。然后，制作納米銀導(dǎo)電膠：在基體中（如：環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂或丙烯酸樹脂等）加入增塑劑（如：鄰苯二甲酸二丁酯等），然后將填料也就是所制得的納米銀粉末和微米銀粉末加入其中，攪拌脫泡并加入固化劑，再一次攪拌并脫泡，便可形成納米銀導(dǎo)電膠。下一步，在所生成的納米銀導(dǎo)電膠中加入合成樹脂以及助劑，經(jīng)攪拌生成納米銀膠導(dǎo)電油墨。

納米銀膠導(dǎo)電油墨常用的樹脂及添加劑性質(zhì)分析

1.丙烯酸樹脂的特點(diǎn)：丙烯酸樹脂易于和其它物質(zhì)，如環(huán)氧樹脂和聚氨酯樹脂等形成共聚物。具有附著力高，耐高溫、耐溶劑且干燥速度快等優(yōu)點(diǎn)。

2.聚氨酯樹脂的特點(diǎn)：具有良好的親和性和潤濕性；與丙烯酸樹脂和環(huán)氧樹脂有很好的相溶性。另外，它還具有耐油性、韌性、耐磨性、耐老化性和粘合性。但高溫下不耐水解，不耐堿性物質(zhì)。

3.環(huán)氧樹脂的特點(diǎn)：具有很高的粘結(jié)強(qiáng)度、耐化學(xué)性能、介電性能良好且柔韌性能良好。

4.硬脂酸的特點(diǎn)：硬脂酸也稱十八烷酸，具有很好的潤滑性和熱穩(wěn)定性。

5.消泡劑的特點(diǎn)：所用的消泡劑是以聚硅氧烷-聚醚共聚物乳液型消泡劑。在納米銀膠導(dǎo)電油墨中將消泡劑和樹脂配合使用，消泡效果會很好。

6.增塑劑的特點(diǎn)：增塑劑能夠有效的增加油墨的附著力，在一定程度上能夠使納米銀膠導(dǎo)電油墨加速成型。同時(shí)，一些增塑劑還比較環(huán)保。

影響納米銀導(dǎo)電油墨導(dǎo)電性的因素

1.納米銀導(dǎo)電填料的含量。一般來說，印刷電路的導(dǎo)電性隨納米銀顆粒的含量增多而增大，但當(dāng)納米銀含量在油墨組分中超過一定比率時(shí)，連接料就會相對減少，從而使納米銀顆粒無法充分混合分散，導(dǎo)致產(chǎn)生聚集或孔隙，從而使導(dǎo)電率變小。

2.印刷電路的燒結(jié)溫度。當(dāng)進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，隨溫度升高，油墨中的溶劑揮發(fā)，使納米銀顆粒接觸更加緊密，形成導(dǎo)電通路，從而提升導(dǎo)電率。但溫度并不是越高越好，在達(dá)到一定溫度后，納米銀導(dǎo)電油墨的電阻率并不會持續(xù)下降，溫度過高反而可能對一些有機(jī)基底產(chǎn)生不利影響。

3.墨層厚度。一定范圍內(nèi)，印刷電路的導(dǎo)電率隨墨層厚度增加而逐漸變大，但當(dāng)墨層過厚時(shí)，反而會出現(xiàn)一些問題，使干燥燒結(jié)時(shí)間過長，并且由于納米銀已得到飽和，因此并不會使其導(dǎo)電性更加優(yōu)異。

總結(jié)

納米銀膠導(dǎo)電油墨本身的粘度和觸變性不易控制，可能會引起燒結(jié)后的墨層不均勻，導(dǎo)電性不良。油墨的粘度過大，不易漏印，會使印版網(wǎng)孔堵塞，油墨粘度過小，則容易流出網(wǎng)孔，影響印刷。所以在配置納米銀膠導(dǎo)電油墨的過程中，連結(jié)料的選擇顯得尤為重要，選擇合適的連接料，改善導(dǎo)電油墨的綜合性能，對于印刷適性以及最后的精度和導(dǎo)電性有著非常重要的意義。在未來，絲網(wǎng)印刷電子技術(shù)會對其所需的導(dǎo)電油墨提出更高的要求，但是隨著絲網(wǎng)印刷電子技術(shù)的廣泛運(yùn)用，納米銀膠導(dǎo)電油墨的市場前景仍然可觀，從全球市場來看，開發(fā)出顆粒更加精細(xì)，印刷精度與性能更高，成本更低的油墨是大勢所趨。