0755-27906065

银粉对导电银浆表面微结构及导电性能的影响

2022-06-15 10:52:33
银粉对导电银浆表面微结构及导电性能的影响

银粉对导电银浆表面微结构及导电性能的影响

 

1 试验

 

1.1 导电银浆的制备

 

为了保证试验的可重复性和对比性,试验制备的导电银浆中银粉、玻璃粉比例均保持一致,仅通过调整有机载体的加入量使导电银浆的黏度一致。本试验采用80%银粉、5%的Bi 2 O 3 -B 2 O 3 -SiO 2 -ZnO 系无铅玻璃粉和15%左右的有机载体,按照图1所示的工艺流程制备导电银浆,研磨至细度小于5 μm,控制银浆黏度为200~230 Pa·s。

 

 

1.2 试样制备

 

采用丝网印刷方式将制备的导电银浆印刷于96%氧化铝陶瓷基板上,丝网采用250目不锈钢网版,电极为 10 mm×10 mm 方形,静置流平 10 min后,放入红外烘箱于150 ℃烘干8~10 min,保证膜层干透,随后置入箱式烧结炉中,升温至850 ℃烧结10 min,随炉冷却,制得测试样品。

 

1.3 性能测试

 

用日本岛津ss-550型扫描电镜观察膜层表面形貌;用广州四探针仪科技的RTS-8型四探针仪测试膜层方阻;用无铅焊锡(Sn96.5Ag3Cu0.5)将涂有助焊剂的镀锡引线焊接于烧结成型的银电极上,用PT-1198GTPL 型拉力试验机测定电极膜层的附着力。

 

2 结果与讨论

 

2.1 单一银粉形貌对银膜性能的影响

 

本试验选用了4种不同形貌和物理特性的银粉进行研究。表1列出了银粉的物理特性。

   

                                                                                                            

 

2是选用的4种银粉的扫描电镜照片。从图2可看出,Ag-1为亚微米级不规则微晶银粉,粒径分布较宽,有少量团聚;Ag-2银粉为不规则形状,团聚程度低,分散性较好;Ag-3银粉为类球形银粉,颗粒尺寸较为均匀,团聚程度低,分散性较好;Ag-4银粉粒径分布宽,形貌不规则,为球形银粉或微晶银粉多个球体连接在一起。

 

 

4种银粉分别制备了导电银浆,印刷、烧结后测定银膜性能。图3是不同银粉制备的导电膜层的方阻图,从图3可以看到,银粉Ag-3制备的银浆方阻***小为3.2 mΩ/□,导电性能***,其次是银粉Ag-1和Ag-2,分别为3.9 mΩ/□和5.1 mΩ/□,导电性能***差的是Ag-4银粉,方阻为7.4 mΩ/□。结合银粉的物理特性和形貌分析,Ag-3的分散性***,且堆积密度***为5.6 g/cm 3 ,烧结时银粉的接触点***多,更容易进行物质传递,形成致密烧结;银粉Ag-1和Ag-2堆积密度逐渐变小,粉体之间孔隙较多,所以烧结时较Ag-1银粉差;银粉Ag-4是不规则形状,银粉之间不易堆积,非常容易形成孔洞,导致膜层致密性降低,因此导电性能会降低。

 

 

4是不同银粉烧结膜层表面的扫描电镜图片。从图4可见,Ag-1膜层比较致密,孔洞少,烧结后晶粒尺寸小;Ag-2和Ag-4膜层孔洞较多,粉体烧结程度低,网络结构疏松,且空洞分布不均匀,导致导电性能降低;其中烧结性能能***的是Ag-3,膜层致密、均匀,且银晶粒尺寸大,晶界少,银颗粒连接紧密,分布均匀,导电性能优于其他3种银粉,这也与方阻测试结果一致。

 

 

根据Ruschau G R等对粉体颗粒堆积体系电阻的研究分析,银膜的电阻由银粉的内阻、银粉接触电阻及隧穿电阻3部分组成。由于银的电阻率很低,银自身的电阻可以忽略不计,当银粉填充量达到一定程度时,隧穿电阻会很低,对膜层的电阻影响也较小。对银膜层导电性影响***的是银粉间的接触电阻,接触电阻的大小与银粉颗粒间的接触面积大小成反比,粉体堆积的致密度的提高,使接触面积不断增大,接触电阻降低,从而减少银膜层的方阻大小。银粉的堆积密度大,银粉间接触面积大,烧结过程中,接触的银粉粒子容易烧结连接,形成致密导电网络,Ag-3银粉堆积***致密,因此导电性能***,其次是Ag-1、Ag-2。Ag-4银粉堆积密度低,烧结过程中粉体接触面积大幅降低,传质作用减弱,所以烧结后膜层孔洞多,烧结程度低,导电性能***差。

 

2.2 混合银粉对银浆膜层性能的影响

 

银粉的粒径和形貌对银膜的导电性有较大的影响,按照Dinger-Funk粉体堆积理论,为了进一步提高膜层致密性和导电性能,从增加粉体的烧结活性和提高粉体的填充性能两个方面考虑,以Ag-3为主体银粉,选用平均粒径为50 nm的球形银粉作为添加剂加入导电银浆中,以期提高膜层的性能,在此基础上,研究不同添加量形式下银膜性能的变化情况,添加配比如表2所列。

 

 

5为纳米银粉添加量对膜层方阻的影响,从图5可看出,随着纳米银粉用量的增加,方阻从 3.2mΩ/□逐渐降低,添加量2%时方阻为2.9 mΩ/□,当纳米银粉添加量为6%时,方阻***小,达到2.1 mΩ/□, 继续增加纳米银粉加入量至8%时,方阻反而增大至3.0 mΩ/□。

 

分析认为,随着纳米银粉的加入,银粉的堆积密度提高,孔隙率降低,烧结过程中接触的面积增大,同时纳米银粉的烧结活性更高,所以形成的导电网络致密,导电性能好,当纳米银粉从0增加到 6%时,导电性逐渐增加,方阻从 3.2 mΩ/□降到2.1 mΩ/□,导电性***,添加量达到了Dinger-Funk粉体堆积理论的***小孔隙率,此时的膜层***致密,方阻***小,达到***的效果;当进一步增加纳米银粉含量到8%时,超过这个***小孔隙率临界值,大小粒径的银粉不匹配,则孔隙率增加,同时纳米银粉其粒径小,银粉颗粒间接触面积相对较小,电子在颗粒内部运行路程短,电子的隧穿次数显著增加,导致接触电阻和隧穿电阻均增大,因此继续增加纳米银粉方阻会增大,孔洞增加,导电性变差,方阻增大至3.0 mΩ/□,膜层性能恶化。

 

 

为验证上述分析,对导电膜层表面进行了扫描电镜分析。图6是膜层微观形貌照片,从图6(A)当中虽然看不出银粉的原始形貌,各银粉颗粒之间相互熔融形成网络结构,但网络中存在着大量的孔洞,致密度较差,晶界较多;但随着纳米银粉添加量的增加,从膜层微观形貌中可以看出,孔洞逐渐减少,膜层的致密性逐渐增加,图6(C)中表观形貌致密平整,银粉颗粒紧密排列,融合在一起。但随着纳米银粉含量的继续增加,方阻反而增大,膜层的微观结构反而更疏松,孔洞更多,这从图6(D)可以看出,与上述分析一致。

 

因此,通过调节合适的银粉比例,能够使银浆烧结过程中不同银粉颗粒相互填充,增加接触和传质作用,发挥协同效应,可以使银电极表面更加致密平整,导电膜层性能更好。

 

 

3 结论

 

1)采用单一银粉时,堆积密度越大,烧结时银粉的接触点越多,更容易进行物质传递,形成致密烧结,烧结膜导电性能较好。

 

2)不同形貌银粉的混合搭配有助于减少烧结后膜层的孔洞,增加了银粉之间的导电通路,从而大大减小膜层的方阻,提高银浆综合性能。

 

3)球形银粉中加入6%的纳米银粉时,烧结膜方阻***小,达到2.1 mΩ/□,膜层结构***致密。


2022-06-15 10:52:33
银粉对导电银浆表面微结构及导电性能的影响

银粉对导电银浆表面微结构及导电性能的影响

 

1 试验

 

1.1 导电银浆的制备

 

为了保证试验的可重复性和对比性,试验制备的导电银浆中银粉、玻璃粉比例均保持一致,仅通过调整有机载体的加入量使导电银浆的黏度一致。本试验采用80%银粉、5%的Bi 2 O 3 -B 2 O 3 -SiO 2 -ZnO 系无铅玻璃粉和15%左右的有机载体,按照图1所示的工艺流程制备导电银浆,研磨至细度小于5 μm,控制银浆黏度为200~230 Pa·s。

 

 

1.2 试样制备

 

采用丝网印刷方式将制备的导电银浆印刷于96%氧化铝陶瓷基板上,丝网采用250目不锈钢网版,电极为 10 mm×10 mm 方形,静置流平 10 min后,放入红外烘箱于150 ℃烘干8~10 min,保证膜层干透,随后置入箱式烧结炉中,升温至850 ℃烧结10 min,随炉冷却,制得测试样品。

 

1.3 性能测试

 

用日本岛津ss-550型扫描电镜观察膜层表面形貌;用广州四探针仪科技的RTS-8型四探针仪测试膜层方阻;用无铅焊锡(Sn96.5Ag3Cu0.5)将涂有助焊剂的镀锡引线焊接于烧结成型的银电极上,用PT-1198GTPL 型拉力试验机测定电极膜层的附着力。

 

2 结果与讨论

 

2.1 单一银粉形貌对银膜性能的影响

 

本试验选用了4种不同形貌和物理特性的银粉进行研究。表1列出了银粉的物理特性。

   

                                                                                                            

 

2是选用的4种银粉的扫描电镜照片。从图2可看出,Ag-1为亚微米级不规则微晶银粉,粒径分布较宽,有少量团聚;Ag-2银粉为不规则形状,团聚程度低,分散性较好;Ag-3银粉为类球形银粉,颗粒尺寸较为均匀,团聚程度低,分散性较好;Ag-4银粉粒径分布宽,形貌不规则,为球形银粉或微晶银粉多个球体连接在一起。

 

 

4种银粉分别制备了导电银浆,印刷、烧结后测定银膜性能。图3是不同银粉制备的导电膜层的方阻图,从图3可以看到,银粉Ag-3制备的银浆方阻***小为3.2 mΩ/□,导电性能***,其次是银粉Ag-1和Ag-2,分别为3.9 mΩ/□和5.1 mΩ/□,导电性能***差的是Ag-4银粉,方阻为7.4 mΩ/□。结合银粉的物理特性和形貌分析,Ag-3的分散性***,且堆积密度***为5.6 g/cm 3 ,烧结时银粉的接触点***多,更容易进行物质传递,形成致密烧结;银粉Ag-1和Ag-2堆积密度逐渐变小,粉体之间孔隙较多,所以烧结时较Ag-1银粉差;银粉Ag-4是不规则形状,银粉之间不易堆积,非常容易形成孔洞,导致膜层致密性降低,因此导电性能会降低。

 

 

4是不同银粉烧结膜层表面的扫描电镜图片。从图4可见,Ag-1膜层比较致密,孔洞少,烧结后晶粒尺寸小;Ag-2和Ag-4膜层孔洞较多,粉体烧结程度低,网络结构疏松,且空洞分布不均匀,导致导电性能降低;其中烧结性能能***的是Ag-3,膜层致密、均匀,且银晶粒尺寸大,晶界少,银颗粒连接紧密,分布均匀,导电性能优于其他3种银粉,这也与方阻测试结果一致。

 

 

根据Ruschau G R等对粉体颗粒堆积体系电阻的研究分析,银膜的电阻由银粉的内阻、银粉接触电阻及隧穿电阻3部分组成。由于银的电阻率很低,银自身的电阻可以忽略不计,当银粉填充量达到一定程度时,隧穿电阻会很低,对膜层的电阻影响也较小。对银膜层导电性影响***的是银粉间的接触电阻,接触电阻的大小与银粉颗粒间的接触面积大小成反比,粉体堆积的致密度的提高,使接触面积不断增大,接触电阻降低,从而减少银膜层的方阻大小。银粉的堆积密度大,银粉间接触面积大,烧结过程中,接触的银粉粒子容易烧结连接,形成致密导电网络,Ag-3银粉堆积***致密,因此导电性能***,其次是Ag-1、Ag-2。Ag-4银粉堆积密度低,烧结过程中粉体接触面积大幅降低,传质作用减弱,所以烧结后膜层孔洞多,烧结程度低,导电性能***差。

 

2.2 混合银粉对银浆膜层性能的影响

 

银粉的粒径和形貌对银膜的导电性有较大的影响,按照Dinger-Funk粉体堆积理论,为了进一步提高膜层致密性和导电性能,从增加粉体的烧结活性和提高粉体的填充性能两个方面考虑,以Ag-3为主体银粉,选用平均粒径为50 nm的球形银粉作为添加剂加入导电银浆中,以期提高膜层的性能,在此基础上,研究不同添加量形式下银膜性能的变化情况,添加配比如表2所列。

 

 

5为纳米银粉添加量对膜层方阻的影响,从图5可看出,随着纳米银粉用量的增加,方阻从 3.2mΩ/□逐渐降低,添加量2%时方阻为2.9 mΩ/□,当纳米银粉添加量为6%时,方阻***小,达到2.1 mΩ/□, 继续增加纳米银粉加入量至8%时,方阻反而增大至3.0 mΩ/□。

 

分析认为,随着纳米银粉的加入,银粉的堆积密度提高,孔隙率降低,烧结过程中接触的面积增大,同时纳米银粉的烧结活性更高,所以形成的导电网络致密,导电性能好,当纳米银粉从0增加到 6%时,导电性逐渐增加,方阻从 3.2 mΩ/□降到2.1 mΩ/□,导电性***,添加量达到了Dinger-Funk粉体堆积理论的***小孔隙率,此时的膜层***致密,方阻***小,达到***的效果;当进一步增加纳米银粉含量到8%时,超过这个***小孔隙率临界值,大小粒径的银粉不匹配,则孔隙率增加,同时纳米银粉其粒径小,银粉颗粒间接触面积相对较小,电子在颗粒内部运行路程短,电子的隧穿次数显著增加,导致接触电阻和隧穿电阻均增大,因此继续增加纳米银粉方阻会增大,孔洞增加,导电性变差,方阻增大至3.0 mΩ/□,膜层性能恶化。

 

 

为验证上述分析,对导电膜层表面进行了扫描电镜分析。图6是膜层微观形貌照片,从图6(A)当中虽然看不出银粉的原始形貌,各银粉颗粒之间相互熔融形成网络结构,但网络中存在着大量的孔洞,致密度较差,晶界较多;但随着纳米银粉添加量的增加,从膜层微观形貌中可以看出,孔洞逐渐减少,膜层的致密性逐渐增加,图6(C)中表观形貌致密平整,银粉颗粒紧密排列,融合在一起。但随着纳米银粉含量的继续增加,方阻反而增大,膜层的微观结构反而更疏松,孔洞更多,这从图6(D)可以看出,与上述分析一致。

 

因此,通过调节合适的银粉比例,能够使银浆烧结过程中不同银粉颗粒相互填充,增加接触和传质作用,发挥协同效应,可以使银电极表面更加致密平整,导电膜层性能更好。

 

 

3 结论

 

1)采用单一银粉时,堆积密度越大,烧结时银粉的接触点越多,更容易进行物质传递,形成致密烧结,烧结膜导电性能较好。

 

2)不同形貌银粉的混合搭配有助于减少烧结后膜层的孔洞,增加了银粉之间的导电通路,从而大大减小膜层的方阻,提高银浆综合性能。

 

3)球形银粉中加入6%的纳米银粉时,烧结膜方阻***小,达到2.1 mΩ/□,膜层结构***致密。


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