CN103827977A - 可热成型的聚合物厚膜银导体及其在电容式开关电路中的用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及聚合物厚膜导电组合物。更具体地,所述聚合物厚膜导电组合物可以用于底部基板热成型的应用中,如用于电容式开关中。聚碳酸酯基板经常被用作基板,并且所述聚合物厚膜导电组合物可以在没有任何阻隔层的情况下使用。可热成型的电路得益于所述干燥的聚合物厚膜导电组合物上包封层的存在。

Description

可热成型的聚合物厚膜银导体及其在电容式开关电路中的用途
技术领域
本发明涉及一种聚合物厚膜导电组合物。更具体地,所述聚合物厚膜导电组合物可以用于底部基板热成型的应用中。经常使用聚碳酸酯基板,并且所述银导体可以在无任何阻隔层时使用。
背景技术
导电PTF电路长期以来一直被用作电元件。虽然它们多年来一直被用于这些类型的应用中,但是将PTF银导体用于热成型程序中却并不常见。这在严苛的热成型工艺后所需的高度导电的银组合物的电路中是尤为重要的。另外,用于热成型的典型基板是聚碳酸酯,而银往往与这种基板不相容。本发明的目的之一在于缓解这些问题并且制备一种导电的可热成型的构造,其中可以将印刷的银导体用于诸如聚碳酸酯的选定的基板上。
发明内容
本发明涉及一种聚合物厚膜导电组合物,所述聚合物厚膜导电组合物包含:
(a)30重量%-70重量%的银;
(b)10重量%-40重量%的第一有机介质,所述第一有机介质包含溶解于第一有机溶剂中的10重量%-50重量%的热塑性氨基甲酸乙酯树脂,其中热塑性氨基甲酸乙酯树脂的重量百分比是基于第一有机介质的总重量计的;以及
(c)10重量%-40重量%的第二有机介质,所述第二有机介质包含溶解于有机溶剂中的10重量%-50重量%的热塑性聚羟基醚树脂,其中热塑性聚羟基醚树脂的重量百分比是基于第二有机介质的总重量计的;
其中银、第一有机介质以及第二有机介质的重量百分比是基于聚合物厚膜导电组合物的总重量计的。
在一个实施例中,所述聚合物厚膜导电组合物还包含:
(d)1重量%-20重量%的第三有机溶剂,其中所述第三有机溶剂是双丙酮醇,并且其中所述重量百分比是基于聚合物厚膜导电组合物的总重量计的。
在一个实施例中,银呈片状银粉(silver flakes)的形式。
本发明还涉及将可热成型的导电组合物用于形成电容式开关的导电电路,并且具体地,用于总体构造的热成型中。在一个实施例中,将包封层沉积在干燥的PTF银组合物上。
具体实施方式
本发明涉及一种聚合物厚导电组合物,所述组合物用于电路(并且具体地电容式开关电路)热成型。在基板上印刷一层导体并且使其干燥以便产生功能电路,然后整个电路经受压力和热,从而使所述电路变形成它所需要的三维特征,即热成型。
常用于聚合物厚膜热成型电路的基板是聚碳酸酯(PC)、PVC以及其它基板。PC一般是优选的,因为它可以在更高的温度下热成型。然而,PC对沉积在其上的层中使用的溶剂非常敏感。
聚合物厚膜(PTF)导电组合物由(i)银;(ii)第一有机介质,该第一有机介质包含溶解于第一有机溶剂中的第一聚合物树脂;以及(iii)第二有机介质,该第二有机介质包含溶解于第二有机溶剂中的第二聚合物树脂构成。
在不会引起上面印刷有PTF导电组合物的下面的基板开裂或变形的一个实施例中,PTF导电组合物还包含第三溶剂,即双丙酮醇。
另外,可添加粉末和印刷助剂以改善组合物。
本发明导电组合物的每种成分详细论述于下文中。
A.导电银粉
本发明厚膜组合物中的银是银导体粉末并且可以包括银金属粉末、银金属粉末的合金、或它们的混合物。可以设想金属粉末的多种粒径和形状。在一个实施例中,导电粉末可以包括任何形状的银粉,包括球形颗粒、薄片(条、锥体、板)、以及它们的混合物。在一个实施例中,银呈片状银粉的形式。
在一个实施例中,银粉的粒度分布是1微米至100微米;在另一个实施例中,为2-10微米。
在一个实施例中,银粒子的表面积/重量比在0.1-1.0m2/g的范围内。
此外,已知的是,可以向银导体组合物中添加少量其他金属以提高导体的性能。此类金属的一些例子包括:金、银、铜、镍、铝、铂、钯、钼、钨、钽、锡、铟、镧、钆、硼、钌、钴、钛、钇、铕、镓、硫、锌、硅、镁、钡、铈、锶、铅、锑、导电性碳、以及它们的组合,以及厚膜组合物领域中的其它常见金属。附加的一种或多种金属可构成总组合物的至多约1.0重量%。
在一个实施例中,基于PTF导电组合物的总重量计,片状银粉以30重量%至70重量%存在。在另一个实施方案中,再次基于PTF导电组合物的总重量计,片状银粉以40重量%至70重量%存在,并且在另一个实施例中,片状银粉以48重量%至58重量%存在。
B.有机介质
第一有机介质由溶解于第一有机溶剂中的热塑性氨基甲酸乙酯树脂构成。该氨基甲酸乙酯树脂必须与下面的基板实现良好粘附。在热成型之后,它必须与电路的性能相容并且不会不利地影响电路的性能。在一个实施例中,热塑性氨基甲酸乙酯树脂为第一有机介质总重量的10重量%-50重量%。在另一个实施例中,热塑性氨基甲酸乙酯树脂为第一有机介质总重量的15重量%-45重量%,并且在另一个实施例中,热塑性氨基甲酸乙酯树脂为第一有机介质总重量的15重量%-25重量%。在一个实施例中,热塑性氨基甲酸乙酯树脂是氨基甲酸乙酯均聚物。在另一个实施例中,热塑性氨基甲酸乙酯树脂是聚酯基的共聚物。
第二有机介质由溶解于第二有机溶剂中的热塑性聚羟基醚树脂构成。应指出的是,可以在第二有机介质中使用与用于第一有机介质中的溶剂相同的溶剂,或可以使用不同的溶剂。在热成型之后,该溶剂必须与电路的性能相容并且不会不利地影响电路的性能。在一个实施例中,热塑性聚羟基醚树脂为第二有机介质总重量的10重量%-50重量%。在另一个实施例中,热塑性聚羟基醚树脂为第二有机介质总重量的15重量%-45重量%,并且在再另一个实施例中,热塑性树脂为第二有机介质总重量的20重量%-30重量%。
通常通过机械混合将聚合物树脂添加至有机溶剂中以形成介质。适用于聚合物厚膜导电组合物的有机介质中的溶剂为本领域技术人员所了解并且包括乙酸酯和萜烯,诸如卡必醇乙酸酯以及α-萜品醇或β-萜品醇,或它们与其它溶剂的混合物,所述其它溶剂诸如煤油、邻苯二甲酸二丁酯、丁基卡必醇、丁基卡必醇乙酸酯、己二醇以及高沸点醇和醇酯。此外,可以包含挥发性液体以促进在施用于基板上之后快速硬化。在本发明的多个实施例中,溶剂可以使用例如乙二醇醚、酮、酯和相似沸点(在180℃至250℃的范围内)的其它溶剂、以及它们的混合物。对这些溶剂和其它溶剂的各种组合进行配制以获得所需的粘度和挥发性要求。所使用的溶剂必须使树脂溶解。
第三有机溶剂
在一个实施例中,导电组合物还包含第三有机溶剂,即双丙酮醇。在一个实施例中,双丙酮醇为PTF导电组合物总重量的1重量%-20重量%。在另一个实施例中,双丙酮醇为PTF导电组合物总重量的3重量%-12重量%,并且在再另一个实施例中,双丙酮醇为PTF导电组合物总重量的4重量%-6重量%。
附加粉末
可以将各种粉末添加至PTF导体组合物中以改善粘附性、改变流变特性以及增加低剪切粘度,从而提高可印刷性。
PTF导体组合物的施用
通常将PTF导体(也被称为“浆料”)沉积于诸如聚碳酸酯之类的基板上,所述基板对于气体和水分具有不可渗透性。基板也可为由塑性片材与沉积在其上的任选的金属或电介质层的组合组成的复合材料片材。
通常通过丝网印刷进行PTF导体组合物的沉积,但可利用其它沉积技术,诸如孔版印刷、注射式滴涂或涂覆技术。在使用丝网印刷的情况下,筛网的目尺寸控制沉积的厚膜的厚度。
一般来讲,厚膜组合物包含赋予组合物适当电功能性质的功能相。功能相包含分散在有机介质中的电功能粉末,所述有机介质充当功能相的载体。一般来讲,焙烧所述组合物以烧尽有机介质的聚合物和溶剂并赋予电功能性质。然而,在使用聚合物厚膜的情况下,有机介质的聚合物部分在干燥后仍作为组合物的整体部分。
在除去所有溶剂所必需的时间内和温度下加工PTF导体组合物。例如,通过暴露于140℃的热量下通常10-15分钟来干燥沉积的厚膜。
电路构造
使用的底部基板通常为10密耳厚的聚碳酸酯。按照上述条件,印刷所述导体组合物并使其干燥。可印刷并干燥多个层。可包括整个单元的热成型(190℃,750psi)的后续步骤在三维电容式开关电路的生产中是典型的。在一个实施例中,将包封层沉积在干燥的PTF导电银组合物上,然后干燥。封装剂由与PTF银组合物中所含的有机介质相同的有机介质构成,即与PTF导电银组合物中存在的聚合物相同比率的相同聚合物。
已发现,使用这种封装剂能够提高热成型电路的成品率(即降低缺陷率)。
实例、比较实验
实例1
以如下方式制备PTF导体组合物。使用20.50重量%的第一有机介质并且通过将20.0重量%的Desmocoll540聚氨酯(Bayer MaterialScienceLLC,Pittsburgh,PA)与80.0重量%的二元酯(获自DuPont Co.,Wilmington,DE)有机溶剂混合来制备该第一有机介质。树脂的分子量为大约20,000。将该混合物在90℃下加热1-2小时以溶解所有树脂。将53.75重量%的具有大约5微米的平均粒度的片状银粉添加至第一有机介质中。还添加印刷添加剂(0.25重量%)。最后,通过如上文所述将27.0%的聚羟基醚树脂PKHH(Phenoxy Associates,Rock Hill,SC)与73.0%的二元酯(获自DuPont Co.,Wilmington,DE)混合并且加热来制备25.5重量%的第二有机介质,然后将该第二有机介质添加至第一有机介质、片状银粉和印刷添加剂混合物中。第一有机介质、片状银粉、印刷添加剂以及第二有机介质的重量%是基于组合物的总重量计的。
将该组合物在行星式搅拌器中混合30分钟,然后在三辊研磨机上经受多次通过。
然后如下制造电路。在10密耳厚的聚碳酸酯基板上,使用280目的不锈钢筛网印刷具有一系列互相交叉的银线图案。在强制风箱炉中将图案化的线在120℃下干燥15分钟。检查所述部件并且发现下面基板的微小的裂纹或变形。在190℃下热成型后,导电线保持导电性并且良好地附着于基板。
比较实验1
严格地如实例1中所述制备电路。唯一的差异在于不使用第二有机介质。对基板进行检查,显示银组合物展示出下面的聚碳酸酯基板有微小的裂纹和变形。导电迹线在热成型后也保持导电性,但是这些迹线的总体质量略有降低。
比较实验2
严格地如实例1中所述制备电路。唯一的差异在于所用的导电组合物含有63.0重量%的片状银粉以及代替氨基甲酸乙酯树脂和聚羟基醚树脂的聚酯树脂。在热成型后,导线不再具有导电性并且没有良好地附着于基板。
实例2
严格地如实例1中所述制备电路。唯一的差异在于将5重量%的双丙酮醇添加至技术方案1的导电组合物中。
对基板进行检查,银组合物显示下面的聚碳酸酯基板没有开裂或变形。可以看到与比较实验1和2相比存在明显的改善。相较于在实例1中所发现的下面的基板有微小的裂纹或变形,也有所改善。
使用氨基甲酸乙酯树脂和聚羟基醚树脂在热成型后明显地显示出显著良好的结果。替换成不同的树脂类型即聚酯会使得组合物在热成型后不具导电性。根据上文在实例2中所示出的结果还显而易见的是,抗开裂性因双丙酮醇溶剂的存在而得到额外的改善。
实例3
严格地如实例2中所述制备电路。另外,将由与实例2的PTF导电组合物中存在的有机介质相同的有机介质构成的包封层印刷于干燥的PTF导电组合物上。按测试图案印刷封装剂,以使得干燥的PTF导电组合物的部分由包封层覆盖而其它部分未被覆盖。目的在于测定在苛刻的热成型后因严重破裂所致的相对成品率损失。然后进行热成型。具有封装剂的部分的缺陷率比没有封装剂的部分的缺陷率低约20%。明显的是,使用封装剂能够提高下面的银导体的热成型性能。

Claims (10)

1.聚合物厚膜导电组合物,包含:
(a)30重量%-70重量%的银;
(b)10重量%-40重量%的第一有机介质,所述第一有机介质包含溶解于第一有机溶剂中的10重量%-50重量%的热塑性氨基甲酸乙酯树脂,其中所述热塑性氨基甲酸乙酯树脂的重量百分比是基于所述第一有机介质的总重量计的;以及
(c)10重量%-40重量%的第二有机介质,所述第二有机介质包含溶解于有机溶剂中的10重量%-50重量%的热塑性聚羟基醚树脂,其中所述热塑性聚羟基醚树脂的重量百分比是基于所述第二有机介质的总重量计的;
其中所述银、所述第一有机介质以及所述第二有机介质的重量百分比是基于所述聚合物厚膜导电组合物的总重量计的。
2.根据权利要求1所述的聚合物厚膜导电组合物,还包含:
(d)1重量%-20重量%的第三有机溶剂,其中所述第三有机溶剂是双丙酮醇,并且其中所述重量百分比是基于所述聚合物厚膜导电组合物的总重量计的。
3.根据权利要求1或2所述的聚合物厚膜导电组合物,其中所述银呈片状银粉的形式。
4.根据权利要求3所述的聚合物厚膜导体组合物,其中所述热塑性氨基甲酸乙酯树脂是氨基甲酸乙酯均聚物或聚酯基的共聚物。
5.根据权利要求4所述的聚合物厚膜导电组合物,其中所述热塑性氨基甲酸乙酯树脂是聚酯基的共聚物。
6.电容式开关电路,包括由干燥的根据权利要求1-5中任一项所述的聚合物厚膜导电组合物形成的导体。
7.根据权利要求6所述的电容式开关电路,其中所述电容式开关电路是热成型的。
8.根据权利要求6所述的电容式开关电路,还包括覆盖所述干燥的聚合物厚膜导电组合物的干燥的包封层,所述干燥的包封层包含与所述聚合物厚膜导电组合物中存在的聚合物相同比率的相同聚合物。
9.根据权利要求8所述的电容式开关电路,其中所述电容式开关电路是热成型的。
10.热成型电路,包括由干燥的根据权利要求1-5中任一项所述的聚合物厚膜导电组合物形成的导体和所述干燥的聚合物厚膜导电组合物上的干燥的包封层,所述干燥的包封层包含与所述聚合物厚膜导电组合物中存在的聚合物相同比率的相同聚合物。
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