LED燈導(dǎo)電布線印刷銀漿的試制

朱登雷 付軼雯

摘 要：導(dǎo)電銀漿是印刷厚膜電子零件的關(guān)鍵基礎(chǔ)原料之一，在LED燈具導(dǎo)電布線的印刷方面用量特別大。因此，可焊性、導(dǎo)電性良好的導(dǎo)電銀漿的研制具有十分重要的意義。本課題主要研究電子銀漿的可焊性、導(dǎo)電性和影響這些性能的因素，以期為使用性能良好的電子銀漿的設(shè)計(jì)和制造提供理論和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)電銀漿；絲網(wǎng)印刷；LED燈

中圖分類號(hào)：TM923.34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）22-0069-03

Trial-Manufacture of Silver Paste for Conductive Wiring of LED Lamps

ZHU Denglei FU Yiwen

（Anyang Institute of Technology，Anyang Henan 455000）

Abstract： Conductive silver paste is one of the key basic raw materials for printing thick film electronic parts， and it is especially used in the printing of conductive wiring of LED lamps. Therefore， the development of conductive silver paste with good solderability and good conductivity is of great significance. In order to provide theoretical and technical support for the design and manufacture of electronic silver paste with good performance， this paper studied the solderability， conductivity and the factors affecting these properties of electronic silver paste.

Keywords： conductive silver paste；screen printing；LED lamp

隨著科技的發(fā)展，人們使用的照明燈具也在不斷進(jìn)步。LED燈以其亮度高、能耗低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)正不斷走進(jìn)千家萬(wàn)戶中?？墒?，現(xiàn)在市場(chǎng)上大部分LED燈還存在很多缺點(diǎn)，如制造工藝復(fù)雜，基座散熱性差等，這就要求研究出更加合理的制造工藝，來(lái)彌補(bǔ)它的缺陷。導(dǎo)電銀漿是印刷厚膜電子零件的關(guān)鍵基礎(chǔ)原料之一，在電子信息范疇普遍應(yīng)用，特別是在導(dǎo)電布線的印刷方面用量特別大。因而，可焊性、導(dǎo)電性良好的導(dǎo)電銀漿的研制具有十分重要的意義。

1 導(dǎo)電銀漿的配制

1.1 實(shí)驗(yàn)材料的選購(gòu)

銀粉購(gòu)自中科銅都粉體新材料股份有限公司的球形微米銀及片狀銀粉；玻璃粉購(gòu)自上海玖銀電子科技有限公司；乙基纖維素產(chǎn)自天津市大茂化學(xué)試劑廠及美國(guó)亞什蘭集團(tuán)公司；松油醇和表面活性劑購(gòu)自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；純水由實(shí)驗(yàn)室制作。

1.2 銀粉的選擇

作為導(dǎo)電相，銀粉是電子漿料中最重要的成分，其內(nèi)部的空洞、位變等缺陷的多少，銀粉之間的接觸面積的大小，以及銀粉之間距離的遠(yuǎn)近，都會(huì)影響漿料印刷、燒結(jié)成膜后電路的導(dǎo)電性能[1]。因此，銀粉的選擇在電子漿料的研發(fā)工作中起到十分重要的作用。

現(xiàn)階段，市場(chǎng)上在售的銀粉主要有納米銀粉、球形銀粉和片狀銀粉，不同銀粉有各自的特性，用于不同的電子漿料中。納米銀粉主要用于高溫?zé)Y(jié)型導(dǎo)電漿料；球形銀粉粒度稍大，振實(shí)密度較高，具有良好的填充效果，燒結(jié)過(guò)程中收縮率低，主要用于燒結(jié)型厚膜導(dǎo)電漿料；片狀銀粉的粒度較大，一般是1～10μm，主要用于低溫固化型導(dǎo)電漿料。經(jīng)過(guò)前期實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)球形銀粉與片狀銀粉按照4∶1的比例混合后更適合LED燈導(dǎo)電布線印刷銀漿的使用[2]。

片狀銀粉比普通球形銀粉有更大的接觸面積，因此更有利于提高成膜后電路的導(dǎo)電性能[3]。目前，在售片狀銀粉一般是通過(guò)將球形銀粉進(jìn)行球磨得到的。在片狀銀粉的加工過(guò)程中，巨大的壓力將導(dǎo)致片狀銀粉內(nèi)部存在很多結(jié)構(gòu)性缺陷，這些缺陷將導(dǎo)致定向流動(dòng)的電子被強(qiáng)烈散射，從而使電阻增大。為減少此種缺陷的影響，應(yīng)當(dāng)使用適當(dāng)?shù)臒崽幚矸绞絹?lái)改善其性能。

1.3 玻璃粉的選擇

通常，導(dǎo)電銀漿中玻璃粉的含量為5～10wt%，在一些電阻漿料中玻璃粉的含量甚至可以達(dá)到一半以上。作為黏結(jié)劑，玻璃粉的質(zhì)量可以直接影響漿料成膜后導(dǎo)電膜層的質(zhì)量。如玻璃粉的軟化點(diǎn)、膨脹系數(shù)都將最終影響導(dǎo)電銀層與基板之間的附著力[4]。

本設(shè)計(jì)備選玻璃粉有3種，型號(hào)分別為：S-3、AN-3、B-H。分別取出適量放置在3塊氧化鋁陶瓷基片上，置于箱式爐中進(jìn)行燒結(jié)，觀察它們大致的熔點(diǎn)及與氧化鋁陶瓷基片的結(jié)合效果[5]，以選取出最為合適的玻璃粉。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下。①設(shè)置箱式爐的溫度，從室溫升溫至500℃，然后保溫10min。打開(kāi)箱式爐觀察發(fā)現(xiàn)玻璃粉S-3已經(jīng)開(kāi)始熔化并輕微黏結(jié)在了陶瓷片上，其他兩種玻璃粉形態(tài)上都沒(méi)有太大的變化。②接著設(shè)置箱式爐的溫度經(jīng)過(guò)20min從500℃升至600℃后保溫10min，打開(kāi)箱式爐觀察發(fā)現(xiàn)玻璃粉S-3進(jìn)一步熔化，形成了小的圓形玻璃珠，B-H型玻璃粉也開(kāi)始熔化，AN-3型玻璃粉沒(méi)有太大變化。③設(shè)置箱式爐的溫度經(jīng)過(guò)20min從600℃升溫至700℃后保溫10min。打開(kāi)箱式爐觀察發(fā)現(xiàn)S-3型玻璃粉和B-H型玻璃粉都已經(jīng)完全熔化，而AN-3型玻璃粉只是開(kāi)始收縮結(jié)塊，如圖1所示。觀察發(fā)現(xiàn)，其中S-3型玻璃粉與陶瓷片浸潤(rùn)較好，B-H型玻璃粉形成較為圓滑的玻璃珠，浸潤(rùn)性較差。對(duì)比3種玻璃粉的熔點(diǎn)以及燒結(jié)后它們與陶瓷片結(jié)合的緊密程度，最終選擇S-3型的玻璃粉進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

1.4 有機(jī)載體的制作及銀漿的配制

此次實(shí)驗(yàn)選擇了3種乙基纖維素作為備選，型號(hào)分別為CE100、CE200、M100，其中CE100和CE200外觀為白色顆粒，M100為白色粉末。分別取3種乙基纖維素約 0.2g放在氧化鋁陶瓷基片上，將陶瓷基片置于箱式爐中燒結(jié)，溫度設(shè)置550℃，時(shí)間10min，燒結(jié)完畢后取出陶瓷片觀察表面灰粉的殘留情況[6]。觀察發(fā)現(xiàn)，3種材料均有一定的黑灰色灰分殘留，如圖2所示。相比之下，M100灰分殘留更少，且考慮到CE100和CE200為進(jìn)口材料，M100為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)材料，故考慮首選M100作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)材料。

用電子天平稱得松油醇92g、乙基纖維素5g、硅烷偶聯(lián)劑2g、表面活性劑1g混合于燒杯中，并置于攪拌器上加熱攪拌，經(jīng)過(guò)1h的攪拌溶解完全，制得均勻透明的有機(jī)載體，供制備銀漿使用。

然后，取適量有機(jī)載體于燒杯中，邊攪拌邊按照配方再稱取銀粉、玻璃粉、有機(jī)載體，將其混入燒杯中攪拌0.5h，制得黏度良好的銀漿，如圖3所示。將此漿料在室溫條件下靜置2個(gè)月，觀察未發(fā)現(xiàn)分離、沉淀、分層的情況。

2 烘干、燒結(jié)工藝及性能測(cè)試

2.1 烘干及燒結(jié)工藝

要想讓導(dǎo)電銀漿發(fā)揮最佳的導(dǎo)電性能，必須要設(shè)置適當(dāng)?shù)暮娓伞Y(jié)過(guò)程。LED燈用的銀漿為燒結(jié)型銀漿，最主要的工藝參數(shù)為燒結(jié)溫度?，F(xiàn)階段，燒結(jié)方法多種多樣，我們使用傳統(tǒng)的箱式爐燒結(jié)來(lái)做實(shí)驗(yàn)。

將得到的銀漿通過(guò)手動(dòng)絲印機(jī)印刷在氧化鋁陶瓷基片上[7]，印刷好的圖形先進(jìn)行烘干。在烘干的初始階段，銀漿中的溶劑會(huì)通過(guò)印刷膜層的表面揮發(fā)，銀粉顆粒之間的距離迅速縮短。當(dāng)膜層表面已經(jīng)干燥后，溶劑就需要先擴(kuò)散到膜層的表面然后揮發(fā)到空氣中，因此揮發(fā)會(huì)變得比較緩慢，銀粉顆粒之間的距離也會(huì)緩慢縮短。烘箱設(shè)置200℃經(jīng)過(guò)約10min后溶劑完全揮發(fā)，印刷圖形干燥完畢之后的圖形如圖4所示。

將干燥完畢的圖形轉(zhuǎn)入箱式爐中燒結(jié)。燒結(jié)圖形在500℃時(shí)保溫20min，將漿料中的樹(shù)脂去掉，然后分別在以600、700℃和800℃的燒結(jié)溫度保溫20min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取出后冷卻觀察漿料成膜的光亮程度，具體情況見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燒結(jié)溫度設(shè)置為800℃時(shí)漿料燒結(jié)而成的導(dǎo)電膜最為緊致光亮，如圖5所示，故選擇800℃為燒結(jié)溫度。

2.2 性能測(cè)試

性能測(cè)試主要包括兩個(gè)方面：①銀膜的可焊性測(cè)試；②銀膜的導(dǎo)電性測(cè)試。測(cè)試步驟如下。首先，在銀膜圖案上涂抹少量助焊劑，然后用普通的電烙鐵熔化焊錫絲進(jìn)行上錫。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：銀膜上錫良好，焊點(diǎn)飽滿、光亮、牢固。具體如圖6所示。最后，將電阻測(cè)試圖形連接到電路中，用兩節(jié)干電池供電來(lái)點(diǎn)亮一個(gè)5mm的白光LED燈泡，燈泡的正常工作電壓為2.8～3.8V。燈泡可以正常點(diǎn)亮[8]，如圖7所示。

3 結(jié)論

本文所研究的導(dǎo)電銀漿是一種適用于絲網(wǎng)印刷的LED燈導(dǎo)電布線用燒結(jié)型銀漿，主要的研究目的是試制出一種可焊性、導(dǎo)電性良好的導(dǎo)電銀漿。經(jīng)測(cè)試，試制所得漿料可焊性良好，上錫飽滿，電阻率低，基本可以滿足使用需求。在后續(xù)的工作中仍需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，以提高導(dǎo)電銀漿的耐焊性及附著力。

實(shí)驗(yàn)探究得出的重點(diǎn)結(jié)論如下：銀粉、玻璃粉的選擇，燒結(jié)工藝的不同，是影響銀漿成膜拉力、銀層致密性及導(dǎo)電性的主要因素。滿足高導(dǎo)電性的銀粉應(yīng)具有以下特點(diǎn)：粒徑適中，微米級(jí)，形狀以球狀粉末為佳，適量加入熱處理后的片狀銀粉可改善其導(dǎo)電性能。燒結(jié)溫度的不同直接影響銀層的致密性，從而影響成品的光亮度及導(dǎo)電性，較高的燒結(jié)溫度可以改善銀層的致密性，但繼續(xù)增高溫度反而會(huì)由于銀層被氧化而導(dǎo)致導(dǎo)電性下降。玻璃粉在導(dǎo)電銀漿中起著重要作用。玻璃粉的軟化溫度要和燒結(jié)溫度相匹配，同時(shí)要考慮其膨脹率，膨脹率對(duì)成品拉力有重要影響。有機(jī)相的潤(rùn)濕性越強(qiáng)，漿料的分散性越好，導(dǎo)電銀漿的穩(wěn)定性越好。

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