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(duì)導(dǎo)電銀漿的影響，通過(guò)系列工藝實(shí)驗(yàn)，成功研制出質(zhì)量穩(wěn)定、電阻小、無(wú)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(dòng)了電子漿料行業(yè)的發(fā)展。銀因?yàn)殡妼?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(jī)鍵盤(pán)、薄膜開(kāi)關(guān)、觸摸屏、智能卡、射頻識(shí)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(kāi)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(jī)聚合物體系、有機(jī)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(guò)絲網(wǎng)印刷工藝制成相應(yīng)電路圖形后，在150℃的溫度下進(jìn)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(diǎn)是固化溫度低、粘接強(qiáng)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(chǎng)合的導(dǎo)電導(dǎo)熱粘接，如石英晶體、紅外熱釋電探測(cè)器、壓電陶瓷、電位器、閃光燈管以及屏蔽、電路修補(bǔ)等，也可用于無(wú)線電儀器儀表工業(yè)導(dǎo)電粘接，可代替錫膏實(shí)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(wèn)題。

2 銀粉特性對(duì)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(duì)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(shí)，銀含量越高，銀漿的綜合成本就會(huì)越高，考慮到阻值的穩(wěn)定、固化特性、粘接強(qiáng)度等因素，銀含量勢(shì)必存在一個(gè)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?yàn)殂y粉形狀會(huì)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(duì)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(guò)分析，片狀銀粉的導(dǎo)電性能比球形的要好，因?yàn)槠瑺钽y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(dá)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(huì)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(duì)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(guò)程中，需使用有機(jī)溶劑及高分子樹(shù)脂制成有機(jī)載體。導(dǎo)電銀漿中溶劑的作用有：溶解樹(shù)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(duì)人體的粘膜、皮膚有強(qiáng)刺激，有致癌可能性。環(huán)已酮為淺黃色具有強(qiáng)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(wú)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(wú)色透明具有刺激性氣味的液體，易燃、易爆，較高濃度蒸氣對(duì)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(wú)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了如表1所示的9組漿料配制工藝，通過(guò)系統(tǒng)工藝對(duì)比實(shí)驗(yàn)，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(huì)減小，導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)變大，剪切強(qiáng)度增強(qiáng)。

2）銀漿其它組分（銀粉、高分子樹(shù)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(qiáng)度均優(yōu)于其它溶劑組成。

同時(shí)，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(duì)應(yīng)表1中實(shí)驗(yàn)序號(hào)1-3，檢測(cè)導(dǎo)電銀漿的揮發(fā)速度和粘度變化，結(jié)果見(jiàn)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(diǎn)：（1）溶劑的揮發(fā)速度慢可以確保所配銀漿各組分的相對(duì)穩(wěn)定。（2）在印刷過(guò)程中溶劑揮發(fā)速度慢，可以確保漿料粘度的相對(duì)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(guò)程中極易產(chǎn)生氣泡，氣泡的存在會(huì)使銀漿在印刷過(guò)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(jìn)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(lèi)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(hào)種類(lèi)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(diǎn)，一是導(dǎo)致漿料配方相對(duì)更復(fù)雜，配置步驟更繁瑣；二是銀漿配方的一些變化會(huì)導(dǎo)致同一消泡劑的除泡效果不穩(wěn)定，在漿料使用過(guò)程引入的二次氣泡不能通過(guò)簡(jiǎn)單多添加消泡劑來(lái)進(jìn)行處理；三是由于除泡劑的添加，會(huì)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(jī)進(jìn)行脫泡處理。在操作時(shí)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(shí)間的脫泡參數(shù)，并且可隨時(shí)根據(jù)漿料情況進(jìn)行多次反復(fù)脫泡處理而不會(huì)影響銀漿的使用性能。

經(jīng)分析認(rèn)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(jī)，不僅工藝操作簡(jiǎn)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(guò)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(wèn)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(shù)脂、添加劑及溶劑信息如下：高分子樹(shù)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(shù)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(jī)載體的制備：將高分子樹(shù)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(shù)脂完全溶解后取出，加入添加劑，攪拌、過(guò)濾去除雜質(zhì)，即得有機(jī)載體，粘度為2500～8000 cP。（2）將金屬銀粉加入步驟（1）得到的有機(jī)載體，球磨機(jī)中混合分散得到均勻的漿體。（3）將步驟（2）得到的漿體進(jìn)行真空脫泡后，在三輥軋機(jī)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(shí)間為3～10 min。

工藝參數(shù)控制為：有機(jī)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(shí)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(hào)6#。

4 小結(jié)

本文深入分析了銀粉形狀、脫泡工藝及溶劑對(duì)導(dǎo)電銀漿的影響，通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)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(shù)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(shí)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(wú)毒、成本低，綜合性價(jià)比高。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙德強(qiáng)，馬立斌，楊君，等.銀粉及電子漿料產(chǎn)品的現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].

電子元件與材料，2005， 24（6）：54～56.

[2] 趙彬，殷有亮.銀粉的形狀對(duì)低溫固化導(dǎo)電銀漿導(dǎo)電性能的影

響[J].印制電路信息， 2013（9）：27～29.

[3] 東莞市智源電子科技有限公司，低溫固化環(huán)保導(dǎo)電銀漿及其制

備方法[P].中國(guó)專(zhuān)利：CN103094662B，2015-05-20