高溫銀漿銀層表面亮度的影響因素

劉顯杰

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高溫銀漿銀層表面亮度的影響因素

劉顯杰

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

高溫銀漿燒結(jié)后銀層不亮是一種常見問題。本文研究了銀粉、玻璃粉和有機(jī)載體對(duì)銀漿燒結(jié)后銀層不亮、無金屬光澤的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，銀粉的燒結(jié)活性不高是導(dǎo)致銀漿銀層無金屬光澤、銀層不亮的主要原因。優(yōu)化配方使用混合銀粉，選用合適的玻璃粉，所得高溫銀漿燒結(jié)后銀層表面白色光亮、致密，其粘度、印刷性能、方阻、附著力等各項(xiàng)指標(biāo)符合要求。

高溫銀漿銀粉玻璃粉有機(jī)載體表面亮度

0 引言

高溫銀漿主要用于陶瓷電容器[1]、蜂鳴片[2]、傳感器[3]及燒結(jié)溫度不低于600 ℃的場(chǎng)合，如果銀漿的燒結(jié)溫度高于600 ℃，銀層燒結(jié)就不夠充分，會(huì)限制器件的電性能。伴隨著綠色環(huán)保的發(fā)展理念，無鉛、鎘、鉻化的高溫銀漿勢(shì)必成為發(fā)展的趨勢(shì)，高溫銀漿的適燒范圍也將朝著更寬的溫度范圍發(fā)展，燒結(jié)性銀漿的銀層也將逐步發(fā)展成具有較高的亮度、更高的致密度、更小的方阻的電子導(dǎo)電漿料[4]。

研究表明，壓敏電阻片的通流能力受銀漿中銀粉的形貌和粒徑影響較大，且銀漿中玻璃相成分和銀粉比表面積對(duì)銀電極的的燒結(jié)致密性有較大影響[5]。采用高比表面積的超細(xì)銀粉制成的銀漿在540 ℃條件下燒結(jié)后銀膜致密平整，電極機(jī)械性能良好。在進(jìn)行通流測(cè)試時(shí)電流達(dá)6300 A以上時(shí)電極仍未受損。趙玲等[6]研究了銀粉粒度對(duì)銀層表面質(zhì)量的影響，利用在銀粉中加入還原性金屬，玻璃采用硼硅酸鉛玻璃，制備出了燒結(jié)性能和電性能良好的歐姆接觸銀漿，各方面性能達(dá)到了PTCR熱敏電阻器的要求。

在高溫銀漿使用過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)燒結(jié)后的銀層表面出現(xiàn)點(diǎn)斑狀黑點(diǎn)，甚至銀層發(fā)黑等問題。本文針對(duì)燒結(jié)溫度為780 ℃，保溫時(shí)間為10 min的銀漿燒結(jié)過程，分析了銀層有黑點(diǎn)和發(fā)黑的原因，通過調(diào)整玻璃粉、載體、銀粉等的配方，制備出性能符合要求的銀層光亮、致密無黑點(diǎn)的銀漿。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 主要試劑和儀器

超細(xì)銀粉、玻璃粉為自制，乙基纖維素（K110）、有機(jī)溶劑等為外購(gòu)。

試驗(yàn)所用設(shè)備和儀器如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用設(shè)備和儀器

1.2 銀漿的制備

1.2.1實(shí)驗(yàn)條件

1）銀粉：采用不同的工藝制定不同型號(hào)的銀粉S-1、S-2、S-3，用掃描電鏡觀察三種銀粉的形貌和分布狀況。

2）玻璃粉：采用不同?；瘻囟鹊牟ＡХ鄯謩e制備銀漿進(jìn)行燒結(jié)，目視或用金相顯微鏡觀察銀層表面。

3）有機(jī)載體：采用不同體系的載體，進(jìn)行配比、制備銀漿、燒結(jié)，目視或用金相顯微觀察銀層表面。

1.2.2銀漿的制備和燒結(jié)

1）制備：根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方案，選擇銀粉、玻璃粉、有機(jī)載體的最佳配方進(jìn)行軋漿，測(cè)試銀漿性能。

2）燒結(jié)：將所制銀漿，用250 目尼龍絲網(wǎng)印刷在陶瓷片上，印刷圖案是直徑為8 mm的圓形，在150℃干燥1~3 min 后，進(jìn)爐子燒結(jié)。燒結(jié)峰值溫度是780℃，周期10 min。

1.2.3 銀漿性能測(cè)試

1）粘度：用數(shù)顯粘度計(jì)（VT—06，2號(hào)轉(zhuǎn)子）在室溫下測(cè)定銀漿粘度。

2）印刷性能：用250目尼龍絲網(wǎng)。

3）細(xì)度：用0~50 μm 刮板細(xì)度計(jì)測(cè)銀漿細(xì)度。

1.3.2 銀層性能測(cè)試

1）附著力：用的絲網(wǎng)在陶瓷片上進(jìn)行刷銀，燒結(jié)后采用點(diǎn)焊工藝焊接電極，用垂直拉力機(jī)測(cè)試?yán)Α?/p>

2）可焊性：觀察錫料在銀層的濕潤(rùn)特性，是否易焊接。

3）致密性：用400倍金相顯微鏡觀察銀層表面空隙率。

2 結(jié)果與討論

2.1 銀粉對(duì)銀層表面亮度的影響

圖1 無定形銀粉（S-1）

圖2 無定形銀粉（S-2）

圖3 類球形銀粉（S-3）

銀粉對(duì)銀層表面亮度影響很大，銀粉的粒度、形貌、均一性不同，燒結(jié)后銀層的完整度和致密度也隨之產(chǎn)生差異，從銀片外觀上看，其銀片的亮度也會(huì)產(chǎn)生差異。本文選用的3種銀粉，其中S-1和S-2為無定形，S-3均為類球形。其形貌分別如圖1、2、3所示。

對(duì)比圖1、圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，S-1、S-2和S-3形貌、粒徑存在比較明顯的差異，對(duì)3種銀粉進(jìn)行密度檢測(cè)、比表面測(cè)試和激光粒度分析得到如表2所示。

表2 銀粉各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比

保持有機(jī)載體含量為35%，玻璃粉含量為5%，銀粉含量為60%，將三種組分混合，制備的銀漿性能如表3所示，不同銀粉制備的銀漿燒結(jié)后的銀層外觀如圖4所示，不同銀粉制備的銀漿燒結(jié)后銀層金相顯微圖如圖5所示。

表3 不同銀粉制備的銀漿性能

圖5 不同銀粉制備的銀漿燒結(jié)后銀層金相顯微鏡圖

結(jié)合表3、圖4和圖5分析可知，銀粉的形貌和粒徑影響漿料的粘度、印刷特性和燒結(jié)特性。

無定形銀粉（S1和S2）粒徑分布比較大，粘度也較大，導(dǎo)致流變性能不佳，同時(shí)無定形銀粉比表面積更小，堆積密度小，燒結(jié)活性低，導(dǎo)致在銀層燒結(jié)收縮的過程中，銀與銀之間的連接斷裂，周圍沒有足夠的銀對(duì)斷裂處進(jìn)行補(bǔ)充，銀層表面不完整，存在很多缺陷，導(dǎo)致不能形成致密的銀層，表現(xiàn)為銀層表面顏色發(fā)暗，無金屬光澤。S2號(hào)銀粉堆積密度大于S1號(hào)，所以銀層致密度優(yōu)于S1號(hào)，銀層顏色顯白色，但無金屬光澤。類球形銀粉（S3）粒徑分布較窄，銀粉的均一性較好，所得到的銀漿流動(dòng)性更好，同時(shí)類球形銀粉比表面積大，堆積密度大，從而燒結(jié)活性高，燒結(jié)后銀層致密，表面顏色亮白，有明顯的金屬光澤。綜合流變性能、燒結(jié)后銀層的顏色和性能等重要因素，本文選用型號(hào)為S3的球類狀銀粉來制備銀漿。

2.2 玻璃粉對(duì)銀層表面亮度的影響

采用3種不同?；瘻囟龋═g）玻璃粉分別制備銀漿并燒結(jié)，然后用400倍金相顯微鏡觀察銀層表面空隙率，判斷其致密性差異，結(jié)果如表4所示。

表4 不同玻璃粉制備的銀層特征

圖4可知，低?；c(diǎn)的玻璃粉所對(duì)應(yīng)的銀漿燒結(jié)銀層越致密。同樣的燒結(jié)溫度，低?；c(diǎn)的玻璃粉更易流動(dòng)并沉降至瓷體表面，表面銀層的玻璃相比例較低，銀層晶界融合更完全，孔隙率更低，表面越致密。此外，低?；c(diǎn)的玻璃相較早進(jìn)入軟化狀態(tài)，影響了乙基纖維素?zé)辔锏募皶r(shí)排除，殘留的微量燒余物導(dǎo)致銀面金屬光澤較低。?；c(diǎn)為700 ℃的玻璃粉對(duì)應(yīng)的燒結(jié)銀層最亮，且有較好的金屬光澤，但由于燒結(jié)周期較短，玻璃相來不及流平和沉降至底層，導(dǎo)致銀層表面會(huì)有玻璃存在，所以銀層的致密性較差，在顯微鏡可以看到黑色的孔洞。綜合考慮，選用?；瘻囟葹?50 ℃的玻璃粉。

2.3 有機(jī)載體對(duì)銀層表面亮度的影響

本文選擇了3種不同分子量的有機(jī)載體，分子量從小到大分別編號(hào)為：EN7、EN10、EN100。保持單一變量，采用相同工藝制備銀漿，對(duì)比觀察銀層致密性，結(jié)果如表5所示。

表5 不同有機(jī)載體制備的銀層特征

如圖6所示，根據(jù)差熱分析結(jié)果可知，在400 ℃時(shí)，有機(jī)載體就已經(jīng)全部燒失完畢，在高溫銀漿銀面形成后，銀層里已經(jīng)不存在載體成分，所以有機(jī)載體的分子量與型號(hào)不會(huì)影響高溫銀漿銀層表面亮度。

2.4 優(yōu)化配方制備的銀漿性能

由上述結(jié)果可知，本實(shí)驗(yàn)的最佳配方為：用6%的EN7溶液作粘合劑，占銀漿總比例為35%；S-3型號(hào)銀粉的比例為60%，粘結(jié)劑玻璃粉（T=650 ℃）為粘接劑，占總量的5%。所制銀漿性能如表6所示。

表6 優(yōu)化配方所制備銀漿的性能

由表6可知，該配方所制銀漿適燒性好，表面銀層金屬光澤度高，銀層致密性高，能較好滿足客戶需求。

3 結(jié)論

1）銀粉的形貌、比表面積和堆積密度是決定高溫銀漿銀層表面亮度的主要因素。形貌越規(guī)則、粒徑分布越窄、比表面積越大、堆積密度越大，則銀層表面越致密，顏色越光亮。

2）玻璃粉的玻化溫度也會(huì)間接影響高溫銀漿銀層表面的亮度，玻化溫度越低，銀層越不亮；但是?；瘻囟忍?，又會(huì)造成銀層致密性差的問題。

3）有機(jī)載體不會(huì)影響高溫銀漿銀層表面的亮度。這是因?yàn)樵?00 ℃時(shí)，有機(jī)載體就已經(jīng)全部燒失完畢，銀層里已經(jīng)不存在載體成分，所以有機(jī)載體的分子量與型號(hào)不會(huì)影響高溫銀漿銀層表面的亮度。

基于上述研究獲得了優(yōu)化的制備配方，所得產(chǎn)品性能符合指標(biāo)要求，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)得到致密的白色光亮銀層，滿足供貨要求。

[1] 張培田. 用于陶瓷電容器的新銀漿[J]. 電子元件與材料, 1989, (2): 29.

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Influencing Factors on Surface Brightness of High Temperature Silver Paste

Liu Xianjie

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM535

A

1003-4862（2019）03-0014-04

2018-10-30

劉顯杰（1980-），男，高級(jí)工程師。研究方向：貴金屬材料和電子導(dǎo)電漿料。E-mail: 1057101566@qq.com