简介:金属纳米油墨的组成及其特性

      金属纳米粒子是油墨中最重要的组分之一,它是使印刷图形具有导电性的惟一源泉。其导电性的好坏主要取决于纳米粒子的金属属性,即金属的固有电阻越小,导电性越好,反之则导电性差。如银、铜、金等的导电性都不错,理论上讲,它们的纳米粒子都能作为纳米油墨原料来应用。然而,在实际配墨应用中并非尽然,因为我们还不得不考虑所用金属的化学活泼性如何。铜等金属化学活泼性相对过大,其粒子,尤其是纳米粒子在空气中极易被氧化而失去金属的特性,目前要解决这个问题,从技术角度来说,尚有一定难度。故铜纳米粒子用于纳米油墨的实际例子至今尚未看到报道。与此相反,金和银的化学性质稳定,导电性也好,故它们的纳米粒子就成为今天金属纳米油墨首先选用的主要原料。


      热固化性树脂作为金属纳米油墨另一个重要组分,它的作用有二:一是将单分散金属纳米粒子纳入树脂体系中,成为均一的有一定黏度和印刷适性的树脂组成物;二是给油墨赋予某种黏结功能,以便印墨能牢固地附着在被印基材上。因此,树脂的化学结构和分子量大小非常关键,不能疏忽。常用的树脂有丙烯酸酯树脂、酚醛树脂和环氧树脂等。人们可根据不同印刷基材选择相应化学结构的高分子树脂是很有必要的。溶剂在油墨中的主要作用:一是用于溶解固体树脂,使其成为树脂溶液,以便配墨;二是作稀释剂用,以调节油墨黏度来适应印刷的要求。当树脂被选定以后,采用什么溶剂为宜?这里要看树脂与溶剂的溶解度参数,如果这两个参数比较接近,说明该溶剂是这一树脂的良溶剂,即溶解性能好。相反则不能选择作为该树脂的溶剂来使用。较常用的有机溶剂有甲苯、二甲苯、环己酮、丁酮、双丙酮醇、乙二醇醚及某些高级烷烃等。当今,各国都非常重视环境与人、环境与社会的相互关系,溶剂的毒性及其对周边环境的影响是必须考虑的重大问题。


      为了改善油墨的某些性能、提高油墨的质量,往往还要选用少量的添加剂。如表面活性剂、流平剂、增塑剂和消泡剂等。银纳米油墨和普通导电银墨虽然都用于导电印刷,但由于使用的导电粒子不同,这两种油墨的性能和应用也有明显的区别。
3.混合银墨(银粉+银纳米粒子)


      普通导电银墨,常常用于薄膜开关和薄膜电路的导电印刷。然而,在面对传输速度更快、性能要求更高的电子产品的印刷时,普通银墨在导电性和可靠性两方面都存在较大缺陷,不能满足这类电子产品对油墨的更高要求,诚然我们可以选择银纳米油墨来完成这项任务,但是,倘若产品并没有超精细印刷要求时,就匆忙选用银纳米油墨来印刷,从经营管理角度看是不恰当的。原因是这意味着选用的原料性能过剩,即人们常说的“大马拉小车”,是种不必要的浪费现象。对此,人们开发了一种用少量银纳米粒子改性金属银粉(片状或球形)并制得被称为混合银墨的新产品。该产品非常适合高导电性、高可靠性而又无特殊精细要求的电子产品的印刷加工。表3列出了该墨的组成及其特性。


      在混合银墨中,银的总含量对该墨的导电性有大的影响,实验表明银含量在油墨固体组分中占80%~95%为好。银含量过少,墨的导电性不充分;反之,银量过大也会因其他原因导致该墨的导电性受到损害。当银含量为85%时,该墨体积电阻在10×10-6Ωcm以内,银含量上升至90%时,体积电阻降到最小值,即6×10-6Ωcm。在此之后,随着油墨中银量的递增,其体积电阻不但不随之降低,相反则逐渐增大。这里的原因可以这样来解释:当墨中银量的增加达最大值后,换句话说,即树脂黏合剂(连接料)的百分含量已达最低限度。这时,树脂含量的进一步减少(银含量继续增加),墨膜在干燥后的烧结中,其均一性就会出现问题,即墨膜内部渐渐产生一些细小的裂缝,从而阻碍了电子在墨膜内部顺利通过。


      在混合银墨中,银纳米粒子在银的总含量中占多大比例为好,实践表明,它占10%~20%的比例为宜。过少改性效果不明显,过多又会造成不必要的浪费。需要注意的是,在我们配制混合银墨时,除了应考虑银的百分含量外,选用什么类型的树脂结构,其分子量大小如何,以及引用哪些添加剂和混合溶剂等,均会影响该墨的印刷适性(黏度、触变性、附着力以及干燥固化特性等)。


      从数据的对比看,混合银墨的可靠性明显高于普通银墨。如果对印刷图形没有特殊的精细度要求时,对高导电性、高可靠性电子部件的印刷,无疑选择混合银墨是最适宜不过的了。还有一点需要提示的是,混合银墨因成本相对较低,而导电性和可靠性又获得大的改善(与普通银墨比较),用该墨通过网印方法还可在众多领域得到应用:


      ⑴在耐热的有机基板上网印电子回路;


      ⑵在复合基板上形成BVH;


      ⑶微小电极零部件的印刷黏结;⑷除以上用途外,凡是可以用低温(200~250℃)烧结而得到高导电性、高可靠性电子部件种种用途,都可以采用混合银墨通过网印来实现。


                                                                              (责编:高原)