粉体百科丨玻璃粉对电子浆料的影响


来源:中国粉体网   平安

[导读]  对于所有烧结型电子浆料,都需要加入低熔玻璃粉作为粘结功能性粉体在基片上的粘结剂。

中国粉体网讯  电子浆料是制作电子元器件的基础材料,被视为部件封装、电极和互连的关键材料,以高质量、高效益、技术先进、适用广等特点得到广泛应用,是集化工、电子技术、冶金于一身的一种高技术电子功能材料。电子浆料一般由功能相、粘结相和有机载体三部分组成。粘结相一般包括玻璃、氧化物晶体及二者混合物,主要是粘结功能相和基板作用。对于所有烧结型电子浆料,都需要加入低熔玻璃粉作为粘结功能性粉体在基片上的粘结剂。

玻璃相在电子浆料中占据重要的位置,玻璃粉的加入不仅有效降低烧结温度,增强导电浆料与基板的粘附力,而且影响厚膜性质。玻璃相一般包括玻璃粉和金属氧化物,单独的玻璃粘结剂并不一定满足工业要求,重烧容易造成粘附力下降,而单独的金属氧化物虽然能够与基板形成尖晶石结构,明显提高粘附力,但是烧结温度高,丝焊困难。混合的玻璃相既能够降低烧结温度,还能够提高粘附力且易丝焊。所以,玻璃相对厚膜电子浆料的性能至关重要,需要专门研究分析。

玻璃相的润湿能力对电子浆料的影响

导电浆料的润湿性主要是液体对固体表面的亲合性,润湿性好就能够有效铺展,是获得有效连接的关键因素之一。润湿性主要考察液体与固体材料表面的接触角θ,要保证浆料接触性良好,得到良好的粘附力,要求θ小于30°。一般玻璃软化温度越低,在传统烧结温度下,粘度越低,以便流入导电填料,有利于一起烧结并与基板粘附。玻璃的软化温度Ts越低,润湿性越好,既有助于银粉的烧结,电极结构越致密,还对形成Ag/Si接触的重结晶银晶粒尺寸和数量有影响,决定导电性。Ts过高,则润湿性、流动性变差,不仅导致玻璃层过薄,布线与基板粘附不牢,还使重结晶银晶粒尺寸小,数量少,接触电阻提高,同时使上层银电极烧结不完全;Ts过低,除了不利于体内有机载体排除,还可能因玻璃的润湿性好,流动性好,易于汇集在银下方,造成网络结构中富玻璃层过厚进而导致粘附不充分,甚至出现银线球化。

玻璃相的析晶对电子浆料的影响

微晶玻璃被认为是20世纪玻璃品种的重大突破,具有膨胀系数小、高强度、良好的电性能、耐磨和耐腐蚀性能。微晶化得到的微晶玻璃粉可以调整热膨胀系数与软化温度。因此,利用该特征可在不必采用过渡玻璃的条件下,实现热膨胀系数相差较大的烧结,不必顾及热膨胀系数,而在玻璃态时充分利用其流散性,玻璃粉与基体在冷却过程中的整个温度范围内实现热膨胀系数相接近,达到良好粘结。

玻璃相的成分对电子浆料的影响

玻璃的成分决定其性质,也决定了玻璃在电子浆料方面的应用以及厚膜性能。所以玻璃成分对电子浆料的影响不可忽视。一些常用且对电子浆料性能有直接影响的成分包括:PbO具有高极化率和强烈的助熔作用,能够在低温下烧结;Bi2O3具有和PbO相似的性质,能够有效助熔且化学性质稳定;ZnO既能降低玻璃转变温度还能降低热膨胀系数,化学稳定性好。

此外,在玻璃中通常需要添加助熔成分如BaO来降低玻璃的软化温度,降低电子浆料的烧结温度。总之,玻璃的成分对电子浆料的性质及其应用的影响是显而易见的。

玻璃粉的大小对电子浆料的影响

玻璃粉的大小对电子浆料的力学性能、电性能以及印刷性能都有一定影响,这同时促进了玻璃粉制备工艺的发展。电子浆料用玻璃粉的最大粒径一般不超过15μm,平均粒径小于5μm。较细的玻璃粉要比较粗的玻璃料拥有较多的优点:具有良好的分散性,能够改善角范围和表面粗糙度,具有较低的烧结温度。

目前制备电子浆料用玻璃粉主要有三个途径:高温熔融法、喷雾热分解法、溶胶-凝胶法。采用高温熔融法制备玻璃粉,并用球磨的方式获得细玻璃粉是最常用的方法,该方法制备简单快捷,产量大。但是,该方法不易制备超细均匀的玻璃粉,不能保证严格的形貌和尺寸,球磨还可能改变玻璃的组成,引入杂质。同时该方法要求设备条件较高,安全也不容忽视。喷雾热分解方式来制备超细玻璃粉是目前新兴的制备方式,该方法是通过液滴的微反应来制备玻璃粉,在尺寸和组分上相对均匀,呈现球形,细尺寸很少聚集。但是,喷雾热解法对设备要求高,成本高。溶胶-凝胶法制备的超细玻璃粉一般均质高纯,组成成分配比较好控制,制备温度和传统方法相比低得多,具有一定流变性。

玻璃粉含量对电子浆料的影响

玻璃粉含量不仅影响电子浆料与基板的粘附和导电性,还影响电子浆料的烧结性能。电子浆料中玻璃粉的含量一般在5%~10%,电阻浆料中玻璃粉的含量可能增至50%。对电子浆料的影响因玻璃成分不同、浆料不同而影响不同。为了获得好的导电特性以及较好的粘附力,必须添加适量的玻璃粉,只有根据浆料种类、应用标准,通过合理的设计与实验探索才能符合相应产品的质量要求。

玻璃相添加剂对电子浆料的影响

玻璃添加剂作为电子浆料的辅助添加剂,在电子浆料中发挥了比较重要的作用,调节并改进了电子浆料的性能,提高了电子浆料的质量。在电子浆料中添加最多的为无机氧化物添加剂,主要有Bi2O3、MgO、CaO、CuO、ZnO、Al2O3、CdO、SiO2以及碱金属氧化物等。

除无机氧化物添加剂外,在贱金属电子浆料如铜浆中添加比铜更易氧化的金属元素作为还原剂,能优先氧化生成氧化物,不仅使浆料具有抗氧化性,还能使氧化物形成新玻璃提高粘附力。为了防止Ni电子浆料氧化,通常添加硼粉作为抗氧化剂。在锌电子浆料中添加金属有机化合物,在高温(500~900℃)烧渗过程中,分解出有机物和金属氧化物,有机物的挥发燃烧造成的低氧分压具有抑制锌粒氧化的作用,金属氧化物则熔入玻璃中增强了玻璃添加剂的作用。

资料来源:余守玉,傅仁利,张捷:电子浆料用玻璃的研究及发展趋势

(中国粉体网编辑整理/平安)

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作者:平安

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