李程峰，王海珍，郭明亞，張 秀，杜玉龍

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金粉形貌對金導體漿料印刷膜層性能的影響

李程峰，王海珍，郭明亞，張 秀，杜玉龍

（中國振華集團云科電子有限公司，貴州 貴陽 550018）

以氯金酸為原料，研究了抗壞血酸、亞硫酸鈉、草酸三種不同的還原劑對金粉形貌的影響。分別以三種金粉為導電填充料配制了適合于絲網(wǎng)印刷的金導體漿料，研究了金粉形貌對漿料印刷膜層性能的影響。結果表明：以明膠為分散劑、草酸為還原劑制備出的金粉所配制漿料的粘度、觸變性更適合于絲網(wǎng)印刷工藝，其印刷膜層平整、無缺陷，燒成后膜層附著力和方阻優(yōu)于抗壞血酸和亞硫酸鈉作為還原劑所制備出的金粉。

金粉；金導體漿料；絲網(wǎng)印刷；粉體形貌；方阻；燒結膜層

金具有最好的延展性，易拉成絲狀便于絲焊，在任何條件下不與空氣、腐蝕性氣體起反應，并且可以在達到其熔點的空氣中燒結而不起反應等優(yōu)良特性，而被廣泛應用于電子漿料及微電子元器件中[1-5]。同時由于金導體在通常環(huán)境中基本沒有電遷移趨向、能在苛刻的環(huán)境中工作。所以金漿料在混合電路、LSI、半導體封裝及多層布線電路等電子技術應用中起著很重要的作用，特別是在高可靠軍用電子技術中起著舉足輕重的作用[3]。

在高頻元器件中，由于金擁有僅次于銀的極低電阻率和優(yōu)異的化學惰性，因而常被使用在元器件表面微帶線及焊盤的形成[6-7]。

金的化學穩(wěn)定性高，金膜燒結時表面沒有氧化層，這使其能夠方便地與金屬鍵合，然而這會同時使得其與陶瓷等氧化物基體的結合力嚴重削弱，因此，研究人員在改善金導體漿料與基材的附著力上進行了大量的研究工作[8]。然而對于金導體漿料中最為重要的金粉方面的影響則少有報道，趙瑩等[3]曾報道過金粉與玻璃粉對厚膜金導體漿料性能的影響，但其所使用的金粉在比表面積參數(shù)上相近，因此對于金粉比表面積及形貌對金導體漿料的影響不夠深入。本文采用三種不同的還原劑，制備出不同形貌的三種金粉，研究了金粉比表面積、形貌對金導體漿料及燒結后膜層性能參數(shù)的影響。

為了保證所制備的金粉在漿料的軋制及在絲網(wǎng)印刷工藝上的適用性[9]，本文所制備的三種不同形貌的超細金粉，其平均粒徑均小于5 μm，且純度大于99.9%。將三種金粉均應用于印刷型金導體漿料中，通過對漿料的粘度、印刷特性等性能的對比分析，研究了不同形貌粉體對漿料特性的影響，同時將漿料印刷于氧化鋁陶瓷基板上燒結后，對比了燒結膜層的致密度和方阻等性能，從而得出適用于印刷電子漿料的金粉參數(shù)。

1 實驗

以氯金酸為原料，分別按以下步驟制備了三種超細金粉：

樣品1：稱取氯金酸100 g并充分溶解于10 L水中并使溶液在25 ℃下恒溫30 min，之后攪拌下向氯金酸溶液中滴加氨水至pH>9，此時氯金酸充分與氨水反應生成雷金酸沉淀，之后將溶有50 g抗壞血酸的還原液加入氯金酸溶液當中，使雷金酸充分還原為單質金，待金粉充分沉降后，清洗，并于60℃烘干。

樣品2：稱取氯金酸100 g并充分溶解于10 L水中，之后加入10 g聚乙烯醇，并于90℃水浴中攪拌使聚乙烯醇充分溶解于氯金酸溶液中，之后待氯金酸溶液恢復至室溫后，將溶有50 g亞硫酸鈉的還原溶液加入氯金酸溶液當中，使氯金酸充分還原，待粉體沉降后，清洗，并于60℃烘干。

樣品3：稱取氯金酸100 g并充分溶解于10 L水中，之后向氯金酸溶液中加入明膠10 g，并于90℃水浴中攪拌充分溶解，之后將同樣在90℃下保溫過的草酸溶液逐滴加入到氯金酸溶液當中，使氯金酸充分還原，待粉體沉降后，清洗，并于60℃烘干。

三種金粉的粒度分布由激光粒度測試儀(Mastersizer 2000)測試而得。使用F-sorb 2400比表面積測試儀對三種金粉的比表面積進行表征。三種金粉的形貌由掃描電鏡(LEO-1430VP)進行測試。

將三種金粉與同樣的有機載體、少量硼硅酸鉛玻璃粉混合，并經過三輥軋制后配制成金質量分數(shù)70%的金導體漿料，使用BROOKFIELD DV-II椎板粘度計對三種漿料的粘度進行了測試。將三種漿料印刷于氧化鋁陶瓷基片上，并于850℃隧道爐中燒結成膜，之后對三種金漿燒結膜層的致密性、方阻、附著力進行了測試。

2 結果與分析

超細金粉的粒度、比表面積、形貌等參數(shù)直接影響到漿料的各種關鍵性能，為了了解不同金粉對漿料及其印刷膜層的影響，首先對三種金粉的粒度分布、比表面積、粉體形貌等參數(shù)進行了分析。

圖1是三種金粉粒度分布圖，如圖所示樣品1的平均粒徑為0.95 μm，粒徑分布較寬，這是由于金屬粉體團聚較嚴重，粒度測試時所使用的超聲波無法充分分散粉體而造成；樣品2的平均粒徑為1.46 μm，從粒徑分布曲線來看，存在較多粒徑小于1 μm的納米金粉存在，該曲線的主體峰寬度小于樣品1，表明該金粉的粒度分布要相對集中；樣品3的平均粒徑為1.61 μm，該粉體的粒徑分布曲線呈現(xiàn)出近似的正態(tài)分布，該曲線的峰值強度要高于前面兩種樣品，表明該樣品的粒徑均一性要優(yōu)于樣品1和樣品2；所有三個樣品的粒徑分布曲線都在4 μm左右截止，表明所制備的樣品均滿足電子漿料用貴金屬粉體的粒徑要求，適合于配制金導體漿料。

圖1 三種金粉的粒徑分布圖

除粒徑分布以外，比表面積也是一個評判粉體性能的重要參數(shù)，它從一定程度上能反映出粉體團聚體中單顆粒粒徑的大小，同時不同的比表面積也反映出粉體在高溫燒結時的燒結活性的差別，比表面積越高則燒結活性越高、致密化溫度越低，反之，比表面積越低，粉體燒結活性則相應降低，其致密化溫度也會相應提高。三種金粉的比表面積數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 三種金粉的比表面積數(shù)據(jù)

從上表可以看出，樣品1的比表面積要遠遠高于樣品2與樣品3，表明該粉體團聚體中存在很多間隙，在軋漿過程中需要更多的有機載體去填充，同時表明樣品1的粉體在燒結過程中活性最高；樣品2與樣品3的比表面積數(shù)據(jù)相近，這可能是由于該兩個樣品均是由還原劑直接還原氯金酸而得。

為了詳細了解三種金粉的微觀形貌，用掃描電鏡對金粉進行了表征，其結果示于圖2中。從圖2中可以看出樣品1的單顆粒粒徑非常細小，從整體上看呈絮狀分布，這也正對應了其較高的比表面積和較小的平均粒徑參數(shù)，綜合粒徑數(shù)據(jù)和比表面積數(shù)據(jù)可以了解到該粉體團聚非常嚴重，且屬于無法充分分散的硬團聚，這種類型的粉體在漿料中使用時存在流平性差，漿料粘度偏高等不利因素；樣品2的顆粒尺寸比較均勻，基本分布在500 nm左右，且存在一定程度的團聚，結合粒徑數(shù)據(jù)可以了解到該團聚基本是以兩到三個顆粒為團聚體單元存在，在后期軋漿過程中，粉體基本能夠被充分分散至團聚體單元的精細度；樣品3的單顆粒粒徑大約在1.6 μm，與粒度分布數(shù)據(jù)很好地契合，且結晶完整、表面光滑，顆粒之間不存在團聚情況，這也很好地對應于其最低的比表面積數(shù)據(jù)，這種粉體即是行業(yè)內通稱的單分散粉體。

（a）樣品1

（b）樣品2

（c）樣品3