CN101707062B - 一种纳米银粉及其制造方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于DC电极浆料和低温粘结纳米银浆的纳米银粉及其制造方法，该纳米银粉的物理性能为：粒度分布为10～100um，平均粒径为20～50nm，比表面积为30～50m2/g，松装密度为1.5～3.0g/cm3。该纳米银粉采用化学还原法，采用水合肼、丙三醇或三乙醇胺在90～92℃下还原银化合物加工工艺制备。本发明制造出的纳米银粉应用于在800℃的温度下进行烧结的DC电极浆料；应用于260℃～270℃下粘结SiC或GaN等芯片的纳米银浆，电极具有可焊性好、导电性高、电性能稳定与粘结强度大、可靠高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种平均粒径为20～50nm、比表面积为30～50m2/g、松装密度为1.5～3.0g/cm3的纳米银粉。该纳米银粉的用途：1.该纳米银粉用作圆片瓷介电容器(DC)银电极浆料，电极覆盖率可达到200cm2/g，可焊性优良。2.该纳米银粉作为低温粘结芯片的纳米银浆，粘结SiC或GaN等芯片附着在陶瓷的表面，经260℃～270℃烘烤，接合力＞20MPa，抗拉张力不小于40MPa。
背景技术
瓷介电容器是消耗量很大的一类电子元件，其中，尤以圆片电容器(DC)使用量最多。可焊Ag导体浆料有以下特点：金属含量低，Ag通常为：52、55、60％，其中使用量最大的为Ag含量55％。如使用较粗的银粉，经烧成工序后，电极表面粗糙，不亮。或者电极色泽不匀，边缘深中间浅。因此，在这种低含量的情况下，要获得致密均匀的Ag电极层，对所用的Ag粉提出了苛刻要求。
采用普通的超细银粉作DC电极浆料，由于银粉颗粒较粗、金属含量低，与陶瓷的浸润性不好，经丝网漏印和干燥工序后，电极层易脱落或干燥不透。前一种情况使下一道烧结工序无法进行，因为堆片时相互碰撞而使电极脱落；后一种情况，使烧成过程中电极间相互粘结。电极覆盖率小，在220～230℃(特殊的305℃)的Sn-Pb焊料中浸焊1～3s后，银电极很容易被Sn-Pb焊料侵蚀。
发明内容
本发明的目的就是要实现一种纳米级银粉，用该纳米银粉配制成的DC电极浆料，在200℃下烘干，经800℃烧结后，得光亮致密的Ag层，覆盖率为200cm2/g。于220℃(特殊的为305℃)的Sn-Pb焊料中浸焊1.5s，Ag电极的可焊性、附着力和DC的容量和损耗等均达到DC生产线的技术要求。用该纳米银粉配制低温粘结芯片的纳米银浆，粘结SiC或GaN等芯片附着在陶瓷的表面，经260℃～270℃烘烤，接合力＞20MPa，抗拉张力不小于40MPa。
本发明的另一个目的是实现一种纳米级银粉制造方法。
本发明的再一个目的是提供纳米级银粉的应用。
为了实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
一种纳米银粉，该纳米银粉的物理性能为：
1)粒度范围：10～100nm
2)平均粒径：20～50nm
3)比表面积：30～50m2/g
4)松装密度：1.5～3.0cm3/g。
所述的纳米银粉为类球形分布，分散性好，该纳米银粉可在260℃～270℃下烧结导电。
纳米银粉的制造方法及工艺如下：
1碳酸银或氧化银制备
以硝酸银作为原料，用硝酸银配制摩尔浓度为1.0～3.0mol/L的硝酸银溶液，在容器中将摩尔浓度为1.0～3.0mol/L的硝酸银溶液，加入无水碳酸钠溶液，并调pH值到9～10，制得碳酸银；或在容器中将摩尔浓度为1.0～3.0mol/L的硝酸银溶液，加入NaOH碱溶液，并调pH值到9～10，制得氧化银，用离子交换水清洗碳酸银或氧化银到pH值为7。
2还原剂混合液配制
按照步骤1)中的所用的硝酸银原料重量中的含银量，配制还原剂混合液：量取还原剂(按0.1～1.2L/1kg银)，称取分散剂(按5～15g/1kg银)并配制成溶液，将上述还原剂和分散剂于容器中搅拌混合均匀，得到还原剂混合液；
3化学还原法制备纳米银粉
向步骤1)中的所用的硝酸银原料重量所制得的碳酸银或氧化银中，按每980克-1020克的硝酸银原料量加入7.3L～7.7L的去离子水量，加入去离子水，且加热到90～92℃；并将步骤2)得到的还原剂混合液加入上述液体中，用搅拌器进行搅拌，直至反应结束，经过滤后得到纳米银粉。
4纳米银粉洗涤和烘干
将步骤3中得到的纳米银粉，用离子交换水清洗到中性，经75℃～85℃烘干完成整个过程。
步骤3中的烘干温度优选为80℃。
在步骤1-碳酸银或氧化银制备中，所使用的氢氧化钠碱溶液浓度为2.5～5.0mol/L。
所述的还原剂为水合肼、丙三醇和三乙醇胺中的任意一种。
所述的分散剂为聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇和松香中的任意一种。聚乙烯醇一般采用5～10wt％聚乙烯醇溶液。
本发明的纳米银粉的应用，所述的纳米银粉用作圆片瓷介电容器(DC)银电极浆料。
本发明的纳米银粉的应用，所述的纳米银粉作为低温粘结芯片的纳米银浆，粘结SiC或GaN芯片附着在陶瓷的表面。
由于采用了以上技术方案，本发明的优点在于：
本发明制备出的一种纳米银粉，完全能代替传统的超细银粉，这种纳米银粉能配制成的DC电极浆料，在200℃下烘干，经800℃烧结后，得光亮致密的Ag层，覆盖率为200cm2/g，于220℃(特殊的为305℃)的Sn-Pb焊料中浸焊1.5s，Ag电极的可焊性、附着力和DC的容量和损耗等均达到DC生产线的技术要求。代替钎锡焊料，配制低温粘结芯片的纳米银浆，粘结SiC或GaN等芯片附着在陶瓷的表面，经260℃～270℃烘烤，接合力＞20MPa，抗拉张力不小于40MPa。具体优点如下：
1)银颗粒结晶完善，呈规则几何形状。
2)粒度分布在10～100nm，金属颗粒尺寸为纳米级范围，使金属致密化可以在低烧结温度下建立互联，使得烧结温度降低。
3)比表面积大，有效提高电极覆盖率，耐焊性提高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
纳米银粉的制造方法及工艺如下：
1)碳酸银或氧化银制备
在容器中调制摩尔浓度为1.0～3.0mol/L硝酸银溶液，经用碱性化合物水解制得碳酸银或氧化银，用虹吸法经离子交换水清洗到pH值为7。
所用碱性化合物为NaOH、Na2CO3和NaHCO3中的一种。其中，NaOH可以采用浓度为2.5～5.0mol/L的氢氧化钠碱溶液；NaHCO3可以采用浓度为2.5～5.0mol/L的碳酸氢钠水溶液；Na2CO3可以采用无水碳酸钠溶液。
2)还原剂混合液配制
按照步骤1)中的所用的硝酸银原料重量中的含银量，配制还原剂混合液：量取还原剂(按0.1～1.2L/1kg银)，称取分散剂(按5～15g/1kg银)并配制成溶液，将上述还原剂和分散剂于容器中搅拌混合均匀，得到还原剂混合液；
所用还原剂为水合肼、丙三醇和三乙醇胺中的任意一种。
所用分散剂为聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇和松香中的任意一种。聚乙烯醇一般采用5～10wt％聚乙烯醇溶液。
3)化学还原法制备纳米银粉
向上述所用的硝酸银的重量原料制得的碳酸银或氧化银中加入去离子水配制0.35～0.45摩尔浓度的碳酸银或氧化银的悬浊溶液，将上述的还原剂混合液倒入温度为90～92℃，0.35～0.45摩尔浓度的碳酸银或氧化银的悬浊溶液中，直至反应结束，经过滤后得到纳米银粉。
4)纳米银粉洗涤和烘干
将3)中得到的纳米银粉，用离子交换水清洗到pH值为7，经80℃烘干完成整个过程。
实施例
实施例一、一种纳米银粉(1kg)，其生产工艺如下：
1碳酸银制备
称取1575克分析纯硝酸银(银含量1kg)，在容器中用离子交换水调制成摩尔浓度为1.25mol/L的硝酸银溶液，逐滴加入无水碳酸钠溶液，调pH值到9～10，制得碳酸银，用虹吸法经离子交换水清洗碳酸银到中性。
2还原剂混合液配制
水合肼按0.1～1.2L/1kg银量取0.15L，按5～15g/1kg银量取5wt％聚乙烯醇水溶液0.12L(含聚乙烯醇6.5g)，将水合肼和5wt％聚乙烯醇溶液搅拌混合均匀，得到还原剂混溶液。
3化学还原法制备纳米银粉
向碳酸银制备的步骤1中所制得的碳酸银中，按每1000克的硝酸银原料量加入7.5L的去离子水量，加入去离子水，即向原料量为1575克的硝酸银所制备的碳酸银中加入11.8L的去离子水，得到悬浊液，且加热到90～92℃；并将还原剂混合液配制的步骤2中得到的还原剂混合液倒入上述悬浊液中，用搅拌器进行搅拌，直至上清液清澈视为反应结束，经过滤后得到纳米银粉。
4纳米银粉洗涤和烘干
将化学还原法制备纳米银粉的步骤3中得到的纳米银粉，用离子交换水清洗到pH值为7，经80℃烘干完成整个过程。
5检测烘干后的纳米银粉的性能：
1)粒度范围：20～80nm
2)平均粒径：35nm
3)比表面积：31～38m2/g
4)松装密度：1.8cm3/g
实施例二、一种纳米银粉(1kg)，其生产工艺如下：
1氧化银制备
称取1575克分析纯硝酸银(银含量1kg)，在容器中用离子交换水调制成摩尔浓度为2.2mol/L的硝酸银溶液，逐滴加入氢氧化钠碱溶液，调pH值到9～10，制得氧化银，用虹吸法经离子交换水清洗氧化银到中性。
2还原剂混合液配制
丙三醇按0.1～1.2L/1kg银量取1.0L，按5～20g/1kg银称取松香15g(用乙醇溶解即可)，将丙三醇和松香溶液搅拌混合均匀，得到还原剂混溶液。
3化学还原法制备纳米银粉
向氧化银制备的步骤1中所制得的氧化银中，按每1000克的硝酸银原料量加入7.5L的去离子水量，加入去离子水，即向原料量为1575克的硝酸银所制备的氧化银银中加入11.8L的去离子水，得到悬浊液，且加热到90～92℃；并将还原剂混合液配制的步骤2中得到的还原剂混合液倒入上述悬浊液中，用搅拌器进行搅拌，直至上清液清澈视为反应结束，经过滤后得到纳米银粉。
4纳米银粉洗涤和烘干
将步骤3中得到的纳米银粉，用离子交换水清洗到pH值为7，经80℃烘干完成整个过程。
5检测烘干后的纳米银粉的性能：
1)粒度范围：10～60nm
2)平均粒径：30nm
3)比表面积：35～42m2/g
4)松装密度：2.1cm3/g。
Claims (7)
1.一种纳米银粉，其特征在于：该纳米银粉的物理性能为：
粒度分布 10～100nm
平均粒径 20～50nm
比表面积 30～50m2/g
松装密度 1.5～3.0g/cm3。
2.根据权利要求1所述的纳米银粉，其特征在于：所述的纳米银粉为类球形分布，分散性好，该纳米银粉可在260℃～270℃下烧结导电。
3.一种制造如权利要求1所述纳米银粉的方法，其特征在于，纳米银粉的制造工艺包括如下过程：
1)碳酸银或氧化银制备
以硝酸银作为原料，用硝酸银配制摩尔浓度为1.0～3.0mol/L的硝酸银溶液，在该摩尔浓度为1.0～3.0mol/L的硝酸银溶液中，加入无水碳酸钠溶液，并调pH值到9～10，制得碳酸银；或在该摩尔浓度为1.0～3.0mol/L的硝酸银溶液中，加入NaOH碱溶液，并调pH值到9～10，制得氧化银，用离子交换水清洗碳酸银或氧化银到pH值为7；
2)还原剂混合液配制
按照步骤1)中的所用的硝酸银原料重量中的含银量，配制还原剂混合液：按0.1～1.2L/1kg银，量取还原剂；按5～15g/1kg银，称取分散剂，并配制成溶液，将上述还原剂和分散剂于容器中搅拌混合均匀，得到还原剂混合液；
3)化学法还原制备纳米银粉
向步骤1)中的所用的硝酸银原料重量所制得的碳酸银或氧化银中，按每980克-1020克的硝酸银原料量加入7.3L～7.7L的去离子水量，加入去离子水，且加热到90～92℃；并将步骤2)得到的还原剂混合液加入上述液体中，用搅拌器进行搅拌，直至反应结束，经过滤后得到纳米银粉；
4)纳米银粉洗涤和烘干
将步骤3)中得到的纳米银粉，用离子交换水清洗到pH值为7，经75℃～85℃烘干完成整个过程。
4.根据权利要求3所述的纳米银粉的制造方法，其特征在于，所述的还原剂为水合肼、丙三醇和三乙醇胺中的任意一种。
5.根据权利要求3所述的纳米银粉的制造方法，其特征在于，所述的分散剂为聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇和松香中的任意一种。
6.权利要求1所述的纳米银粉的应用，其特征在于，所述的纳米银粉用作圆片瓷介电容器(DC)银电极浆料。
7.权利要求1所述的纳米银粉的应用，其特征在于，所述的纳米银粉用作低温粘结芯片的纳米银浆，粘结SiC或GaN芯片附着在陶瓷的表面。
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