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电子元器件必不可少的“精华墨水”:电子导电浆料
2022年05月18日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:137
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电子浆料是一种由固体粉末和有机溶剂均匀混合的膏状物,作为集冶金、化工、电子技术于一身的高技术电子功能材料,被视为部件封装、电极和互连的关键材料,主要用于制造集成电路、电阻器、电容器、导体油墨、太阳能电池电极、印刷及高分辨率导电体、导电胶、敏感元器件及其它电子元器件,广泛应用于航空、化工、印刷、建筑以及军事等各个领域,在当今的信息时代具有无可替代的地位。

电子浆料

电子浆料按性质和用途可主要分为:电阻浆料、介质浆料、绝缘浆料、包装浆料、导电浆料,目前对电子浆料的研究主要集中在导电浆料方面,以满足随着电子信息技术的发展,电子产品的高集成化、轻量化、智能化、绿色化等方向的高应用需求。

导电浆料的构成

导电浆料主要由导电相、黏结相和液体载体3部分组成,经混合搅拌、三辊轧制后形成均匀膏状物,通过丝网印刷技术印刷于玻璃片或陶瓷基片上,经激光、高温烧结或烘干等固化工艺制成厚度为几微米到数十微米的膜层。

导电浆料的组成

导电浆料中各组分的分类和作用

导电浆料组成

材料类型

常用材料

作用

导电相

金属、合金或混合物,球形、片状或纤维状粉体

Au、Ag、Pt、Pt/Au、Pd、Ag/Pd、Cu、Ni、Al等

待电子浆料固化后构成导电网格或导电通路,是浆料中的主要功能相,含量一般为浆料的 50%~90%

粘结剂

玻璃、氧化物晶体或二者的混合物

低熔点无铅玻璃粉

黏结相作为导电膜层中的媒介,连接导电相和

基底

有机载体

由有机溶剂、触变剂、增稠剂、表面活性剂、流延性控制剂及其他助剂组成

醇类、酯类、酮类、醚类等溶剂加其他添加剂

 

有机载体是导电相和黏结相的运载体,控制浆料的流变特性,调节浆料的黏稠度,使导电 相、黏结相等固体微粒混合物分散均匀,避免浆料在存放过程中微粒团聚。

常用导电浆料的种类

以导电相分类,目前所用合金导电相主要为Pt/Au、Ag/Pd等,Au、Pt、Pd价格是Ag的几百倍,是Cu的几千到几万倍,价格极高,几乎无法实现规模化生产,因此,目前常用的导电浆料主要为高导电性纯金属导电相所制备。

1.金导体浆料

以金作为主要功能相的导电浆料性能优良,导电性好,细线分辨率高,具有印刷性能优良,膜层表面平整,背光孔隙度小,膜边沿收缩率小以及切面密度高等优点。

金导电浆料通常被用于多层布线导体、气敏元件、微波混合集成电路以及大功率晶体管芯片和引线框架等高可靠性、高密度的厚膜集成电路中。虽然金导电浆料性能优异,但由于金价昂贵,使得金导电浆料的使用受到限制。

一般形貌为球形或类球形、振实密度高、粒径在微米或亚微米的金粉制备的导电浆料性能最为优异。

金浆料常用于半导体厚膜集成电路片硅、锗材料的共晶连接

金浆料常用于半导体厚膜集成电路片硅、锗材料的共晶连接

2.银导体浆料

虽然金导电浆料性能优异,但价格昂贵一直是其应用的桎梏,因此,在电子工业中,性价比更高的银及其化合物作为功能相的导电浆料的研究与应用最为广泛,在上千种电子浆料产品中,80%采用各类银粉作为主体功能相

在众多贵金属中,银价格相对低廉,有利于控制成本;同时银层能在陶瓷表面形成连续致密的均匀薄层,对陶瓷表面具有强大的附着力,因此,在相同面积、厚度的陶瓷导电层中,银电极所得的电容量比其他电极材料都要大。

但银在电场作用下会产生电子迁移,使导电性能降低,影响器件的使用寿命,这是银导电浆料在电子产品使用中的一大缺陷,目前主要通过改善银粉微粒尺 寸、形貌等方法来提高银浆的导电性能,合理控制导电银粉微米颗粒和纳米颗粒的级配能制备出烧结更致密、导电性更好的导电浆料。

作为导电浆料中最为普遍的一类,银浆料为了避免其中银迁移的自身缺陷,同时减少银导电浆料中银粉的用量,降低生产成本,银粉一方面朝着片状和纳米级银粉方向发展,另一方面通过在银粉中掺杂贱金属(Ni、Al、Cu等)或其他导电物质,与银粉末制成混合粉末或复合粉末,减少贵金属银粉的用量,降低浆料生产成本。

不同形貌的银粉

不同形貌的银粉

3.铜导体浆料

相较于其他金属类填料,铜粉作为贱金属,来源广泛,价格低廉,导电性能 与银相近,且具有优良的耐迁移性能。但是铜化学性质较活泼,在空气或高温环境中极易被氧化生成难以导电的氧化铜或氧化亚铜,导致电阻率增大。因此目前对铜电子浆料的研究主要集中在解决氧化问题上。

目前常见有四种铜表面改性方法:一是在铜表面进行有机物包覆;二是对铜进行酸洗处理;三是在铜粉末表面包覆上一层不活泼金属;四是有机磷化。银包铜导电浆料被视为一种低成本、高安全性的复合型金属导电浆料替代方案,在柔性印刷电子以及光伏领域有广阔的应用前景。

Ag包覆铜颗粒以及玻璃包覆Ag/Cu颗粒

Ag包覆铜颗粒以及玻璃包覆Ag/Cu颗粒

4.碳系导体浆料

除了以金属、金属氧化物作为导电填料外,常用的还有碳系导电填料,包括炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管等。随着印刷电子的不断发展,新型碳系导电填料逐渐成为新的研究与应用热点,其中碳纳米管和石墨烯就是两种较为理想的优质填料。

碳纳米管管壁以碳六元环为基本骨架,长径比可达到1000以上,具备良好的导电性、力学性能,易于搭建导电通路;石墨烯是单原子层的二维纳米材料,机械强度大,具有优异的导电导热性能,电导率为108S/m,比金属铜和银更优。

苏州纳米所柔性印刷碳纳米管电路

苏州纳米所柔性印刷碳纳米管电路

碳纳米管和石墨烯作为新型碳系导电填料具有极大的发展潜力和良好的应用前景,但是其本身的分散性和稳定性还有待改善,同时因为成本昂贵,新型碳系浆料目前并未形成大规模量产与应用。

总结

目前,虽然有各种新的导电浆料在研究开发,但工业上实际应用的导电浆料仍然是银基浆料占据了绝大部分市场,因此铜导电浆料的开发、研究和性能提升,具有极大的实际意义和市场价值。

此外,电子浆料的性能在很大程度上由导电相决定,但同时也受到黏结相、液体载体等多方面的共同作用。目前浆料导电相正逐渐从单一成分向复合成分转变;黏结相和液体载体在增强浆料力学性、流变性等特性的同时也正向高导电性,良好的环保性等方面发展。开发新型环保型高性能、低成本浆料是当前社会发展的必然要求,因此,开发高性能贱金属导电相、碳系导电相、低熔点金属黏结相以及水基载体都将成为热点方向。


参考来源:

1. 导电浆料的研究现状与发展趋势,周宗团、左文婧、何炫、张学硕、高浩斐、王钰凡、屈银虎(西安工程大学机电工程学院、西安工程大学材料工程学院);

2. 低成本银包覆铜导电浆料的可控制备及其在太阳能电池中的应用,刘徐迟(上海交通大学);

3. 低温共烧陶瓷用玻璃包覆铜导电浆料的制备及性能,张宝强(天津大学)。


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