【原创】配方分析:LTCC导电银浆及性能影响因素


来源:中国粉体网   梧桐

[导读]  导电银浆是LTCC生产元器件的关键材料。

中国粉体网讯  导电银浆料由于优良的导电性和相对稳定的化学性质而成为使用广泛的电子浆料,是LTCC技术生产元器件的关键材料,用于各层和有源/无源组件之间的电气对接,对元器件的最终性能和使用寿命都有重要影响。


一、LTCC导电银浆及其组成


根据银浆在LTCC基板或电子元器件中的使用位置,将其分为内电极浆料、外电极浆料和通孔填充浆料三类。各类电极浆料均要求具有良好的导电性,具体性能要求如表1所示:


表1  LTCC导电银浆的性能特点


不论是内浆、外浆还是填孔浆,一般均由提供导电成分的功能相银粉、粘结导电相和陶瓷基板的无机粘结相、调节银浆流变性能特征的有机载体三部分组成,各部分成分如表2所示:


表2 三部分组成成分及主要作用


二、功能相银粉


银浆中导电相占了80%左右,主要由银单质或银化合物组成,为提高导电性能,会加入其他的贵金属或贱金属制成复合银浆。银浆中的含银物质有银粉、硝酸银、氧化银、硫酸银等,经烧结和固化后,这些含银物质均以银的单质状态存在。银粉作为功能相,除了影响烧结膜的导电性之外,也会影响到烧结膜的物理和机械性能。为得到良好性能参数的导电银浆,可从银粉的特性要求出发。


1.银粉粒径


LTCC技术的关键是厚膜技术的丝网印刷工艺,印刷的电极线很细,因此,对银粉的颗粒尺寸大小有一定的要求。银粉颗粒过大,会导致丝网网孔堵塞,电极上出现断点,影响导电性;银粉颗粒太小,容易出现粒子团聚现象,比表面积增大,银粉很难和有机载体润湿,浆料的分散性不好。银粉颗粒尺寸大小合适且分布范围较窄时,银浆丝网印刷后的电极分辨率高,成膜致密,导电性好。


2.银粉形貌


片状银粉接触面积大,电极连通性好,具有最低的电阻率,导电性能高;球状或类球状银粉具有优良的流动性,更易于生成致密的烧结膜。结晶型银粉具有较高的振实密度,有利于形成致密性的烧结膜。而柱状和树枝状银粉很难形成致密结构,因此,LTCC导电银浆一般选取球状或片状作为导电相,很少用柱状或树枝状的银粉制备。


3.振实密度


振实密度是指在一定条件下将粉末振实在容器中测得的每单位体积的质量。振实密度越高,结晶银粉末颗粒的结晶度越高。其次,在相同的质量下,银粉含量越高,银浆的电导率越高,烧结膜的密度越高。


4.比表面积


银粉比表面积越小,结晶粒度就越大,烧结时收缩率越小,银粉颗粒之间的接触面越大,收缩后间隙变小,提高了导电性。比表面积越大,银粉结晶程度小,烧结后的银膜致密性偏低,导电性较差。


三、无机粘结相


粘结相玻璃粉是银浆中常用的将银粉与基本材料在烧结过程中结合在一起的材料。低温共烧陶瓷的技术瓶颈是不同材料之间共烧的匹配性问题。金属银粉的热膨胀系数远大于陶瓷基片,通过调节玻璃粉的热膨胀性能降低银粉的热膨胀,使银膜与基片能够达到良好的共烧。导电银浆中玻璃粉的以下特征会影响浆料的性能。


1.软化点


要使银电极和生瓷片基板形成良好的粘结,玻璃粉要具有合适的软化点,一般为低于烧结温度150-200℃,在烧结温度下才能进行流动,从而润湿银颗粒表面,促进烧结致密化过程,烧结后的银膜也会具有良好的附着力。


2.热膨胀性能


由于在电极烧结过程中,银粉、玻璃粉、陶瓷基底三组成分都会发生收缩,往往银粉和陶瓷基底的收缩不一致,所以选用的玻璃相的线膨胀系数应介于银粉和陶瓷基板之间,以起到过渡连接的作用,增加陶瓷烧结的共烧匹配性,减少烧结过程产生的翘曲。


3.粒度


玻璃粉对浆料的焊接性能有很大的影响。高温长时间烧结时,若玻璃粉比重较轻,共烧冷却后较多会漂浮于银膜表面,电极导电性变差。作为粘结相的玻璃粉也决定了烧结膜的机械性能,即烧结膜与基片附着力的大小。


四、有机载体


有机载体决定着银浆的流变性能、丝网印刷性能以及触变性能,同时也在一定程度上影响着浆料的导电性能。通常,从以下几个方面来调节有机载体的性能:


1.溶剂


溶剂是用来溶解纤维素等难溶物,使载体保持较好的流动性。在有机载体中,溶剂占据一半以上,为了保证银浆的储存性能,就必须让有机载体在常温下不能挥发,所以在溶剂的选择过程中,必须要求溶剂有较高的沸点,在常温下不易挥发。


2.触变剂


浆料中使用触变剂后,在印刷时的高剪切速率下有较低黏度,有助于浆料流动并易于印刷。在印刷之前及之后的低剪切速率下有较高黏度,可以有效防止浆料的流淌、沉降和湿膜流挂。有机触变剂效率比较高的有明胶、有机膨润土、聚丙烯酸类等物质。


3.增塑剂


增塑剂可用来增加聚合物分子链的润滑流动性能及其结晶能力,以此来增加浆料的塑性。增塑剂应与有机载体中的溶剂有良好的相溶性,且耐水、油和有机溶剂的析出,防止浆料成分的分离。


LTCC导电银浆是电子信息产业的基础材料之一,随着应用终端向”轻、薄、短、小”方向的不断发展,LTCC技术对导电银浆的要求也越来越高,导电银浆的未来发展之路任重而道远。


参考来源:

[1]高于珺,低温共烧陶瓷(LTCC)用电极银浆研究进展

[2]刘欢,低温共烧陶瓷(LTCC)内电极银浆的制备及其性能研究


(中国粉体网编辑整理/梧桐)

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