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纳米铜导电油墨工艺及应用研究

李健  
【摘要】:印刷电子的发展使得导电油墨越来越受到人们的重视,纳米金属基导电油墨由于具有低烧结温度、微细尺寸加工能力和适于柔性印刷等特点成为电子封装制造领域十分重要的材料,国内外对导电油墨的研究集中于纳米银导电油墨,国内在导电油墨技术领域和国外有一定的差距,铜导电性优良,并且成本比银低,但是容易氧化,如何解决纳米铜的抗氧化问题并研究配制纳米铜基导电油墨显得十分有意义。 本文介绍了一款纳米铜基导电油墨配制方法,纳米铜粒子采用激光复合加热法制备,制备的纳米铜进行有机包覆防止氧化、提高分散性能,处理后的纳米铜和溶剂混合再经球磨机研磨和超声分散后制成导电油墨。 测试配制的导电油墨性能,结果如下:油墨中分散的铜粒子直径在78~98nm之间,平均粒径88nm,导电油墨中固含量质量分数为15~40%,纳米铜导电油墨通过喷墨打印和刮墨-掩膜光刻印刷,印刷油墨层烧结后,其厚度通过表面粗糙度仪和铜膜剖面的SEM照片测量为1~3μ m左右,用四探针法测量铜膜电阻率约为2~5×10~(-5)Ωcm,比纯铜电阻率大一个数量级,导电油墨在聚酰亚胺薄膜上的附着力利用10×10划格法测试,结果显示无铜膜脱落,附着力优良。 聚酰亚胺薄膜上印刷纳米铜油墨线路在冷热冲击(-40℃保温30分钟~80℃保温30分钟,共10次循环)实验中未发生失效。 着重研究了喷墨印刷、刮墨-掩膜光刻印刷工艺,利用掩膜光刻法可以制作出最细线宽25μ m的线路,喷墨打印工艺简单,直接能根据CAD文件印刷出线路,但是喷墨打印对导电油墨性能要求严格,而且容易堵塞喷头。 纳米铜导电油可以采用热烧结、激光烧结、紫外烧结和微波烧结,其中紫外烧结是较为理想的烧结工艺,其烧结速度快,能最大限度减小铜的氧化;热烧结需要时间长,还需要在真空或者气氛保护下烧结;激光烧结线路表面粗糙,边缘不齐整;微波烧结需要将印刷油墨提前预烧,否则油墨层吸收微波能力有限,加热速度缓慢导致烧结效果不理想。SEM照片显示烧结后的铜膜存在一定的孔隙。 利用纳米铜基导电油墨在聚酰亚胺柔性板上印刷高频和超高频射频标签(RFID-Radio Frequency Identification)天线,并将一款超高频RFID天线通过各向异性导电胶(ACA)和射频芯片封装,封装后的射频标签用标签阅读器测试其阅读距离能达到3米。此外在PCB板、触摸屏和薄膜开关等方面做了相关实验研究,印刷了部分样品。


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