CN101436441A - 一种厚膜纳米金电极浆料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及选用了纳米金粉末作为主要的功能相的无铅化的厚膜纳米金电极浆料，尤其是一种厚膜纳米金电极浆料及其制备方法，其特点是以重量份计其组成为：无机部分60～90、有机溶剂40～10，其中无机部分以重量份计其组成为贵金属纳米金粉末90～98、无铅玻璃粉末2～10、无机添加剂0～6、其中有机溶剂以重量份计其组成为松油醇40～90、乙基纤维素为4～10、己酸己酯为3～30、硝基纤维素为1～6、三乙醇胺为1～25、十二烷基磺酸钠为1～6。本发明改变了金电极浆料的微观结构，从而改变了浆料的导电性能、印刷性能和连接牢靠性，大大扩展了金电极浆料在电子元器件，特别是高精密电子元器件中的应用。

Description

一种厚膜纳米金电极浆料及其制备方法

技术领域

本发明涉及选用了纳米金粉末作为主要的功能相的无铅化的厚膜纳米金电极浆料，尤其是一种厚膜纳米金电极浆料及其制备方法。

背景技术

人们对环境保护的重视、能源利用效率的提高、能量结构的改善构成了我国可持续发展战略的重要组成部分。在微电子工业中，对电子元器件要求体积要小、功率要大、耗电要低、热效率要高、温度场要均匀、工艺性要好、本体要自控温、运行要安全可靠、寿命要长，适应范围广，这就需求有新的符合环保要求的微电子工艺制备流程，新的制备工艺相应的就需求新的符合环保要求的导体浆料、电极浆料、介质浆料与电阻浆料等电子浆料与其相匹配，开展新的电极浆料的研究也就势在必行。

一般来讲，电子浆料的主要成分包括有功能相如金属、贵金属粉末等、无机粘结剂如玻璃粉末、氧化物粉末等、有机粘结剂、其它的溶剂和添加剂。通常，电子浆料中的功能相起导电作用，要具有很好的导电性能，一般由金属粉末或贵金属粉末来充当，常用的金属粉末有铜粉、铝粉、锌粉、镍粉等，常用的贵金属粉有金粉、银粉、铂粉、钯粉等。无机粘结剂起固定电子浆料到基材的作用，一般由氧化物粉末和玻璃粉末来充当，但是这一成分在电子浆料的比重比较低，有的甚至没有；有机粘结剂主要起使浆料具有一定的形状、易于印刷或涂敷的作用，主要有高分子树脂、小分子树脂等来充当，随着化学工业技术的进步这部分在电子浆料中的作用越来越突出，尤其是在应用于丝网印刷时，改变有机粘结剂的成分就可以改变电子浆料的印刷、干燥、烧结性能。

在厚膜电子浆料领域里，金系厚膜浆料具有导电率高，性能稳定，易焊接，与基板结合强度大等特点，广泛应用于混合集成电路、多芯片组件等电子元器件的生产。但是，现有的金导体浆料、电极浆料等其中的玻璃粉末多是含有氧化铅铅的玻璃粉末，不利于现在客观要求的环保要求；另外，现有的金电极浆料中的金粉末大部分是微米基的粉末，其制成的浆料的膜层厚度、印刷性能等对于现在的高端的精密仪器有很大的局限性，也就限制了金电极浆料的应用范围；最后，金电极浆料的粒径偏大，成品粘度较高，浆料的印刷性能较差，烧结过程要求比较严格，极容易造成膜层不均匀，进而影响电极浆料的使用寿命。

在新材料领域里，纳米技术的发展非常迅猛，这极大的扩展了人们对材料的认识，使得纳米材料的研究成了这些年的热门话题，对纳米金的研究持续了很长一段时间，各种纳米金粉末的植被方法也层出不穷，各个公司竞相推出自己的纳米金粉末。但是又很少见到纳米金粉末做成的浆料的报道。鉴于以上现有金电极浆料存在的不足，开发出一种含有用无铅玻璃粉末取代含铅玻璃粉末的、用纳米金粉末作为主要功能相的新的电极浆料就成为当务之急。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种厚膜纳米金电极浆料，该浆料导电性能好、附着力强、印刷性能、烧结性能、环保性能优良，且该电极浆料具有与基板材料、导体浆料和介质浆料有优良的润湿性和相容性。

本发明的另一个目的是提供一种上述浆料的制备方法，在制备的过程中所用的是无铅玻璃粉末，该无铅玻璃粉末中不含氧化铅(PbO)或者含有氧化铅(PbO)化合物，故在浆料的生产加工过程中不存在危害性，同时有利于环境保护和含有此电极浆料的电子产品的回收与重复利用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种厚膜纳米金电极浆料，其特别之处在于以重量份计其组成为：

无机部分      60～90

有机溶剂      40～10

其中无机部分以重量份计其组成为

贵金属纳米金粉末      90～98

无铅玻璃粉末          2～10

无机添加剂            0～6

其中有机溶剂以重量份计其组成为

松油醇                40～90

乙基纤维素为          4～10

己酸己脂为            3～30

硝基纤维素为          1～6

三乙醇胺为            1～25

十二烷基磺酸钠为      1～6。

其中无铅玻璃粉末为SiO₂-Al₂O₃-BaO-B₂O₃-Bi₂O₃-Na₂O系微晶玻璃粉末，或SiO₂-Al₂O₃-BaO-B₂O₃-Bi₂O₃-Na₂O-K₂O系微晶玻璃粉末，以重量份计其组成为

SiO₂           8～50

Al₂O₃          3～15

BaO            4～40

B₂O₃           10～30

Bi₂O₃          2～35

Na₂O            1～15

K₂O             0～15。

其中贵金属纳米金粉末的粒径为10～100nm。

其中无机添加剂以重量份计其组成为

ZnO             0～9

TiO₂            0～6，并且二者的粒径均不超过1μm。

一种厚膜纳米金电极浆料的制备方法，其特别之处在于包括如下步骤：

a、制备无铅玻璃粉末

无铅玻璃粉末为SiO₂-Al₂O₃-BaO-B₂O₃-Bi₂O₃-Na₂O系微晶玻璃粉末，熔炼温度为1100～1450℃，保温时间为20～150分钟，保温后迅速用纯水水淬，然后用气流粉碎机高速粉碎，制备出粒径小于2μm的无铅玻璃粉末；

b、配置有机溶剂载体

按权利要求1所述组分及用量将有机溶剂载体在40～80℃的水浴锅中溶解30～200分钟，经过325～600目的筛子得到粘度在10～40cP的有机溶剂载体；

c、选择纳米金粉末

选择的纳米金粉末的粒径为10～100nm；

d、按权利要求1所述组分及用量分别称量以上原材料；

e、混料三棍轧制

称取的物质经过初混后，在三辊轧机上进行2～9的研磨辊轧；

f、过滤得到电极浆料

把得到的浆料经过325～600目的筛子过滤，即得纳米金电极浆料。

本发明用纳米金粉末取代现有金电极浆料中的微米基的金粉末，金粒径的减小，改变了金电极浆料的微观结构，从而改变了浆料的导电性能、印刷性能和连接牢靠性，大大扩展了金电极浆料在电子元器件，特别是高精密电子元器件中的应用。

从以上制备方法可以看出，上述的电极浆料及其制备过程的主要优点在于以下几个方面：

1、上述的电极浆料主要以纳米金粉末作为功能相，一方面是由于金一直被认为是化学惰性最高的金属，不容易被氧化而产生化学变性，尤其是使用在航天、高精密仪器等环境要求苛刻的场合；另一方面金也是具有优良的导电性的金属材料，比较符合对于高导电率的要求；最后，国内外对纳米金粉的研究开展的比较积极，国内也有成熟的符合要求的纳米金粉末推向市场。

2、结合以往的厚膜电极浆料的物理化学性能并对其进行分析，加入一定的无机添加剂如氧化锌和二氧化钛等，浆料的润湿性、表面平滑性、相溶性、与基板的结合强度等性能都有很大的改善。

3、通过对无铅玻璃粉末的膨胀系数、玻璃化温度、玻璃软化温度及成核的微观分析，决定采用SiO₂-Al₂O₃-BaO-B₂O₃-Bi₂O₃-Na₂O系无铅微晶玻璃粉末，使浆料的膨胀系数与基板相匹配，结合相对牢靠，另外所选用的无铅玻璃粉末中及其制备过程中不含有氧化铅(PbO)等对环境有害的物质，有利于对由其组成的电子浆料、电子产品模组的回收及其重复利用。

4、本发明中的有机溶剂载体是将不同沸点及挥发速度的溶剂按照一定比例配置在一起，使金电极浆料在印刷、溜平、烘干、烧结等过程中逐次挥发，不宜形成气孔、裂缝等缺陷，使电极浆料与其它材料连接牢靠，提高连接强度。

总而言之，按照上述方法制备的厚膜纳米金电极浆料导电性能、接触性能、连接性能优良；本发明通过调整无铅玻璃粉末成分、各种无机成分与有机成分的含量和烧结工艺，可以与氧化铝基板、氮化铝基板等基板材料以及相应的导体浆料、介质浆料、电阻浆料相适应；本发明中使用了无铅玻璃粉末，可以替代现有使用的含铅玻璃粉末制成的电极浆料，在不改变电子元器件的各项性能指标的条件下达到环保要求，并可以使此类产品无障碍出口。

具体实施方式

实施例1

一种厚膜无铅化纳米金电极浆料，是由无机部分和有机部分组成。无机部分包括：贵金属纳米金粉末、无铅玻璃粉末和其他必要的无机添加剂；有机部分为有机溶剂载体。其具体的制备是按照如下的工艺步骤完成的。

①制备无铅玻璃粉末；

无铅玻璃粉末为SiO₂-Al₂O₃-BaO-B₂O₃-Bi₂O₃-Na₂O系微晶玻璃粉末，各组分的重量百分比分别是二氧化硅(SiO₂)为34％、氧化铝(Al₂O₃)为9％、氧化钡(BaO)为10％、氧化硼(B₂O₃)为21％、氧化铋(Bi₂O₃)为18％、氧化钠(Na₂O)为5％、氧化钾(K₂O)为3％。

熔炼温度为1250℃，保温时间为100分钟，保温后迅速用纯水水淬，然后用气流粉碎机高速粉碎，制备出粒径小于2μm的无铅玻璃粉末。

②配置有机溶剂载体；

有机溶剂载体各组分的重量百分比分别为：松油醇为71％，乙基纤维素为4.5％，己酸己脂为11％，硝基纤维素为1.5％，三乙醇胺为10.5％，十二烷基磺酸钠为1.5％。

将以上物质在80℃的水浴锅中溶解70分钟，经过400目的筛子得到粘度在10～40cP的有机溶剂载体。

③选择纳米金粉末；

选择的纳米金粉末的粒径为10～100nm。

④按比例分别称量以上原材料；

选用的无机部分和有机部分按质量比为：80:20。其中无机部分包括：贵金属纳米金粉末、无铅玻璃粉末和其他必要的无机添加剂，其按质量比为：93:5:2。而无机添加剂为氧化锌(ZnO)和二氧化钛(TiO₂)粉末，其按照质量比为1:1。

分别称取以上物质，作为电子浆料的原料。

⑤混料三棍轧制；

把④中称取的物质经过初混后，在三辊轧机上进行6的研磨辊轧。

⑥过滤得到电极浆料；

把得到的浆料经过400目或更细的筛子过滤，得到纳米金电极浆料。其细度小于2μm，粘度为35cp。

上述纳米金电极浆料可以用于96％的氧化铝陶瓷基材料的印刷电极，具有良好的效果。

实施例2

一种厚膜无铅化纳米金电极浆料，其具体的制备是按照如下的工艺步骤完成的。

①制备无铅玻璃粉末；

无铅玻璃粉末为SiO₂-Al₂O₃-BaO-B₂O₃-Bi₂O₃-Na₂O系微晶玻璃粉末，各组分的重量百分比分别是二氧化硅(SiO₂)为32％、氧化铝(Al₂O₃)为8％、氧化钡(BaO)为11％、氧化硼(B₂O₃)为25％、氧化铋(Bi₂O₃)为19％、氧化钠(Na₂O)为3％、氧化钾(K₂O)为2％。

熔炼温度为1200℃，保温时间为110分钟，保温后迅速用纯水水淬，然后用气流粉碎机高速粉碎，制备出粒径小于2μm的无铅玻璃粉末。

②配置有机溶剂载体；

有机溶剂载体各组分的重量百分比分别为：松油醇为73％，乙基纤维素为5％，己酸己脂为7.5％，硝基纤维素为2.5％，三乙醇胺为11％，十二烷基磺酸钠为1％。

将以上物质在70℃的水浴锅中溶解60分钟，经过400目的筛子得到粘度在10～40cP的有机溶剂载体。

③选择纳米金粉末；

选择的纳米金粉末的粒径为10～100nm。

④按比例分别称量以上原材料；

选用的无机部分和有机部分按质量比为：75:25。其中无机部分包括：贵金属纳米金粉末、无铅玻璃粉末和其他必要的无机添加剂，其按质量比为：93:4:3。而无机添加剂为氧化锌(ZnO)和二氧化钛(TiO₂)粉末，其按照质量比为3:1。

分别称取以上物质，作为电子浆料的原料。

⑤混料三棍轧制；

把④中称取的物质经过初混后，在三辊轧机上进行7的研磨辊轧。

⑥过滤得到电极浆料；

把得到的浆料经过400目或更细的筛子过滤，得到纳米金电极浆料。其细度小于2μm，粘度为20cp。

上述纳米金电极浆料可以用于95.5％的氧化铝陶瓷基材料的印刷电极，具有良好的效果。

实施例3

一种厚膜无铅化纳米金电极浆料，其具体的制备是按照如下的工艺步骤完成的。

①制备无铅玻璃粉末；

无铅玻璃粉末为SiO₂-Al₂O₃-BaO-B₂O₃-Bi₂O₃-Na₂O系微晶玻璃粉末，各组分的重量百分比分别是二氧化硅(SiO₂)为33％、氧化铝(Al₂O₃)为7.5％、氧化钡(BaO)为12％、氧化硼(B₂O₃)为23％、氧化铋(Bi₂O₃)为17％、氧化钠(Na₂O)为4％、氧化钾(K₂O)为3.5％。

熔炼温度为1200℃，保温时间为110分钟，保温后迅速用纯水水淬，然后用气流粉碎机高速粉碎，制备出粒径小于2μm的无铅玻璃粉末。

②配置有机溶剂载体；

有机溶剂载体各组分的重量百分比分别为：松油醇为72％，乙基纤维素为4.5％，己酸己脂为8.5％，硝基纤维素为2.5％，三乙醇胺为11％，十二烷基磺酸钠为1.5％。

将以上物质在70℃的水浴锅中溶解60分钟，经过400目的筛子得到粘度在10～40cP的有机溶剂载体。

③选择纳米金粉末；

选择的纳米金粉末的粒径为10～100nm。

④按比例分别称量以上原材料；

选用的无机部分和有机部分按质量比为：75:25。其中无机部分包括：贵金属纳米金粉末、无铅玻璃粉末，其按质量比为：94:6。

分别称取以上物质，作为电子浆料的原料。

⑤混料三棍轧制；

把④中称取的物质经过初混后，在三辊轧机上进行7的研磨辊轧。

⑥过滤得到电极浆料；

把得到的浆料经过400目或更细的筛子过滤，得到纳米金电极浆料。其细度小于2μm，粘度为19cp。

上述纳米金电极浆料可以用于95.5％的氧化铝陶瓷基材料的印刷电极，具有良好的效果。

Claims (5)

1、一种厚膜纳米金电极浆料，其特征在于以重量份计其组成为：

无机部分     60～90

有机溶剂     40～10

其中无机部分以重量份计其组成为

贵金属纳米金粉末       90～98

无铅玻璃粉末           2～10

无机添加剂             0～6

其中有机溶剂以重量份计其组成为

松油醇             40～90

乙基纤维素为       4～10

己酸己脂为         3～30

硝基纤维素为       1～6

三乙醇胺为         1～25

十二烷基磺酸钠为   1～6。

2、如权利要求1所述的一种厚膜纳米金电极浆料，其特征在于：

其中无铅玻璃粉末为SiO₂-Al₂O₃-BaO-B₂O₃-Bi₂O₃-Na₂O系微晶玻璃粉末，或SiO₂-Al₂O₃-BaO-B₂O₃-Bi₂O₃-Na₂O-K₂O系微晶玻璃粉末，以重量份计其组成为

SiO₂             8～50

Al₂O₃            3～15

BaO              4～40

B₂O₃             10～30

Bi₂O₃            2～35

Na₂O         1～15

K₂O          0～15。

3、如权利要求1所述的一种厚膜纳米金电极浆料，其特征在于：

其中贵金属纳米金粉末的粒径为10～100nm。

4、如权利要求1所述的一种厚膜纳米金电极浆料，其特征在于：

其中无机添加剂以重量份计其组成为

ZnO       0～9

TiO₂      0～6，并且二者的粒径均不超过1μm。

5、一种厚膜纳米金电极浆料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

a、制备无铅玻璃粉末

无铅玻璃粉末为SiO₂-Al₂O₃-BaO-B₂O₃-Bi₂O₃-Na₂O系微晶玻璃粉末，熔炼温度为1100～1450℃，保温时间为20～150分钟，保温后迅速用纯水水淬，然后用气流粉碎机高速粉碎，制备出粒径小于2μm的无铅玻璃粉末；

b、配置有机溶剂载体

按权利要求1所述组分及用量将有机溶剂载体在40～80℃的水浴锅中溶解30～200分钟，经过325～600目的筛子得到粘度在10～40cP的有机溶剂载体；

c、选择纳米金粉末

选择的纳米金粉末的粒径为10～100nm；

d、按权利要求1所述组分及用量分别称量以上原材料；

e、混料三棍轧制

称取的物质经过初混后，在三辊轧机上进行2～9的研磨辊轧；

f、过滤得到电极浆料

把得到的浆料经过325～600目的筛子过滤，即得纳米金电极浆料。