CN104801709B - 一种镍包覆铜金属粉体及其制备方法和应用 - Google Patents

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本发明公开了一种镍包覆铜金属粉体及其制备方法和应用。利用化学镀的方法在球状、片状或棒状的铜粉体表面包覆一层金属镍。这种镍包覆铜金属粉体结合了铜元素的高电导率和镍元素的耐化学腐蚀特性，其制备的导电浆料具有接近铜导电浆料和银导电浆料的导电优良特性，同时在抗氧化和硫化腐蚀方面明显优于二者，而成本只有银导电浆料的百分之一，具有绝对的价格优势。

Description

一种镍包覆铜金属粉体及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于新材料领域，具体涉及一种镍包覆铜金属粉体及其制备方法和应用。
背景技术
导电浆料是发展电子元器件的基础，是封装、电极和互联的关键材料，是集冶金、化工、电子技术于一体的一种高技术电子功能材料，主要用于制造厚膜集成电路、敏感元件、电容器、电位器、太阳能电池、LED、汽车玻璃等电子行业的各个领域。
导电浆料中的导电成份一般由石墨粉体、金、银、铜、钯、铂、钌的粉体构成。从性能上比较金属粉体的导电性较好，碳粉次之；金、铂的稳定性最好，银、铜的导电性最好，铜的稳定性差，容易氧化。银粉在价格和性质上较为均衡，所以应用广泛。
一般导电浆料多为贵金属银组成，银具有良好的导电性，且不易被氧化，但是其价格仍然相对较高，且在电场作用下会发生电迁移。所以，目前研究的重点是在不影响其电性能的情况下开发低成本导电粉体。铜具有较高电导率和较好的抗电迁移能力，作为互连线金属广泛应用于先进的超大规模集成电路中。但是它比较容易氧化，其表面通常有一层氧化膜。如果把Cu添加到导电浆料中经过高温烧结时，Cu就更容易氧化，这样势必影响导电浆料的导电性能。
为了防止铜粉导电浆料在烧结过程中氧化，需要在烧结过程中采用氮气或氨气作为工艺保护气体，或是在烧结之后进行还原工艺。为了提高铜粉的抗氧化性，提出了在铜粉表面包裹银粉，来作为导电浆料中的导电组分。这种银包覆铜粉浆料的方案，只在一定程度上提高了浆料的抗氧化性，降低了生产成本。本发明利用的镍包覆铜粉体导电浆料，具有接近银粉导电浆料的优良导电性能，但在抗氧化性腐蚀，特别是抗硫化腐蚀方面比银粉导电浆料和银包覆铜导电浆料更佳，制造成本也比二者更有优势。且镍在烧结时与硅形成镍－硅合金，提高了铜栅线在太阳能电池上的附着力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镍包覆铜金属粉体及其制备方法和应用。这种镍包覆铜金属粉体结合了铜元素的高电导率和镍元素的耐化学腐蚀特性，其制备的导电浆料具有接近铜导电浆料和银导电浆料的导电优良特性，同时在抗氧化和硫化腐蚀方面明显优于二者，而成本只有银导电浆料的百分之一，具有绝对的价格优势。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种镍包覆铜金属粉体的形状为近球形、片状或棒状，尺寸为0.1-30微米。
镍包覆层的厚度为0.01～10微米。
利用化学镀的方式在铜粉体表面沉积金属镍包覆层，包括以下步骤：
（1）将铜粉体均匀分散于水中；
（2）加入镍的可溶性盐或可溶性络合物盐溶液；
（3）再加入还原剂肼溶液，搅拌反应；
（4）过滤，在氢气或氮气的保护氛围中烘干。
步骤（1）中加入聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、硬脂酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种。
利用化学镀的方式在铜粉体表面沉积金属镍的氢氧化物或氧化物的包覆层，然后经过加热还原为金属镍包覆层，包括以下步骤：
（1）将铜粉体均匀分散于水中；
（2）加入镍的可溶性盐或可溶性络合物盐溶液；
（3）加入氢氧化钾、氢氧化钠、氨水或尿素，调节混合溶液的pH值为碱性，搅拌反应；
（4）过滤、用纯水清洗，在含5%氢气的氮气或氨气的保护氛围中，300℃还原烘干。
步骤（1）中加入聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、硬脂酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种。
所述的镍包覆铜金属粉体作为导电浆料的导电成份。
导电浆料中各组分的重量份数为：导电成份50～90份、玻璃粉体1～15份、有机载体10～40份；所述的导电成份为镍包覆铜金属粉体或镍包覆铜金属粉体与银粉的混合物，混合物中镍包覆铜金属粉体的重量百分数为1-99%。
所述的有机载体中各组分的重量份数为：松油醇30-70份、丁基卡必醇5-15份、丁基卡必醇醋酸酯5-10份、乙基纤维素2-15份和山梨醇酐硬脂酸酯5 份，合计100份；所述的玻璃粉体中各组分的重量份数为：Bi2O3 20-60份、B2O3 5-20份、NaF 1-2份、SiO2 10-30份、ZnO 5-15份、TiO2 1-10份和P2O5 1-5份，合计100份；将各组分混合均匀后轧至细度≤ 10μm，粘度为20-200Pa·s。
本发明的显著优点在于：镍包覆铜金属粉体结合了铜元素的高电导率和镍元素的耐化学腐蚀特性，其制备的导电浆料具有接近铜导电浆料和银导电浆料的导电优良特性，同时在抗氧化和硫化腐蚀方面明显优于二者（图1），而成本只有银导电浆料的百分之一，具有绝对的价格优势。
附图说明
图1 分别表示了铜浆料、银浆料、含镍30%的镍包覆铜浆料和含镍10%的镍包覆铜浆料，在80℃的盐雾腐蚀试验中的归一化电阻变化曲线。
具体实施方式
实施例1
镍包覆铜粉体作为导电组分的导电浆料。其组分和制备过程如下：
（1）制取镍包覆铜粉体：首先，向20～80℃的含聚乙烯吡咯烷酮（质量分数1%）和聚乙二醇（质量分数1%）的水溶液中加入平均粒径5微米的球形铜粉，使其达到60g/L，均匀搅拌，将铜粉体分散于水溶液中。
0.4M的Ni（NO3）2的水溶液、30%质量分数的肼水溶液和上述铜粉溶液按1：1：8的比例混合，均匀搅拌，并加热至120℃。
将上述混合溶液在120℃反应30分钟，则在铜粉体表面包覆镍。
过滤粉体并用纯水清洗，最后在氮气保护氛围中，150℃下烘干，形成镍包覆铜粉体。
（2）按以下组分及重量含量准备原料，镍包覆铜粉体60份、有机粘合剂28份和玻璃粉体12份；所述镍包覆铜粉体尺寸1～5微米的球形。所述有机载体组分及重量含量如下：松油醇45份、丁基卡必醇2份、丁基卡必醇醋酸酯3份、乙基纤维素5份和山梨醇酐硬脂酸酯5份；所述玻璃粉原料组分及重量含量如下，Bi2O3：40份、B2O3：10份、SiO2：5份、ZnO：5份、TiO2：1份、NaF：1份、P2O5：2份。
（3）制取有机载体：将上述有机载体按比例称取后，置于反应釜内加热至70℃，不断搅拌，直至得到均匀透明的有机载体；制取玻璃粉：将上述组分按比例称取，混合均匀后，装入石英坩埚中。在200℃烘箱中烘干2h，然后取出，再经马弗炉中1000℃温度下熔炼0.5h，然后采用去离子水淬火后，再烘干，经球磨机研磨8h，得到粒径10µm以下的玻璃粉。
将上述镍包覆铜粉体、有机载体和玻璃粉混合均匀后用三辊研磨机轧至细度≤10µm，粘度为20～30Pa·s。即得到镍包覆铜导电浆料。
实施例2
镍包覆铜粉体和银粉体的混合物作为导电组分的导电浆料。其组分和制备过程如下：
（1）制取镍包覆铜粉体：首先，向含聚乙烯吡咯烷酮（质量分数1%）和聚乙二醇（质量分数1%）的水溶液中加入平均粒径5微米的球形铜粉，使其达到100g/L，均匀搅拌，将铜粉体分散于水溶液中。
0.5M的Ni（NO3）2的水溶液和上述铜粉溶液按1：4的比例混合，均匀搅拌，并加热至60℃。
向上述混合溶液中添加1mol/L的KOH可溶性溶液，调节混合溶液的PH值为10，并不断搅拌，约30分钟，则在铜粉体表面包覆氢氧化镍。
过滤粉体并用纯水清洗，最后在含5%氢气的氮气或氨气的保护氛围中，300℃下烘干，铜粉体表面包覆的氢氧化镍被还原为镍，形成镍包覆铜粉体。
（2）按以下组分及重量含量准备原料，镍包覆铜粉体40份、银粉30份，有机粘合剂22份和玻璃粉体8份；所述镍包覆铜粉体尺寸1～5微米的球形。所述有机载体组分及重量含量如下：松油醇45份，丁基卡必醇2份、丁基卡必醇醋酸酯3份、乙基纤维素5份和山梨醇酐硬脂酸酯5份；所述玻璃粉原料组分及重量含量如下，Bi2O3：40份、B2O3：10份、SiO2：5份、ZnO：5份、P2O5：2份、NaF：1份、TiO2：1份。
（3）制取有机载体：将上述有机载体按比例称取后，置于反应釜内加热至70℃，不断搅拌，直至得到均匀透明的有机载体；制取玻璃粉：将上述组分按比例称取，混合均匀后，装入石英坩埚中。在200℃烘箱中烘干2h，然后取出，再经马弗炉中1000℃温度下熔炼0.5h，然后采用去离子水淬火后，再烘干，经球磨机研磨8h，得到粒径10µm以下的玻璃粉。
将上述镍包覆铜粉体、有机载体和玻璃粉混合均匀后用三辊研磨机轧至细度≤10µm，粘度为20～30Pa·s。即得到镍包覆铜导电浆料。
从图1可以看出，铜浆料的电阻在第5天就增长到2倍，而银浆料的电阻值在第8天才增长到2倍；铜浆料的电阻值在第10天增长到10倍，银浆料的电阻值在14天增长到10倍。含镍30%和10%的镍包覆铜浆料经过20天，其电阻值变化分别为124%和132%。这说明了镍包覆铜浆料有优良的抗腐蚀性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种镍包覆铜金属粉体的制备方法，其特征在于：所述镍包覆铜金属粉体形状为近球形、片状或棒状，尺寸为0.1-30微米，镍包覆层的厚度为0.01～10微米，其制备方法为利用化学镀的方式在铜粉体表面沉积金属镍的氢氧化物或氧化物的包覆层，然后经过加热还原为金属镍包覆层，包括以下步骤：
（1）将铜粉体均匀分散于水中；
（2）加入镍的可溶性盐或可溶性络合物盐溶液；
（3）加入氢氧化钾、氢氧化钠、氨水或尿素，调节混合溶液的pH值为碱性，搅拌反应；
（4）过滤、用纯水清洗，在含5%氢气的氮气或氨气的保护氛围中，300℃还原烘干。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中加入聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、硬脂酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种。
3.一种如权利要求1所述的制备方法制得的镍包覆铜金属粉体的应用，其特征在于：所述的镍包覆铜金属粉体作为导电浆料的导电成份；所述导电浆料中各组分的重量份数为：导电成份50～90份、玻璃粉体1～15份、有机载体10～40份；所述的导电成份为镍包覆铜金属粉体或镍包覆铜金属粉体与银粉的混合物，混合物中镍包覆铜金属粉体的重量百分数为1-99%。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：所述的有机载体中各组分的重量份数为：松油醇45份、丁基卡必醇2份、丁基卡必醇醋酸酯3份、乙基纤维素5份和山梨醇酐硬脂酸酯5份；所述的玻璃粉体中各组分的重量份数为：Bi2O3 40份、B2O3 10份、NaF 1份、SiO2 5份、ZnO5份、TiO2 1份和P2O5 2份；将各组分混合均匀后轧至细度≤ 10μm，粘度为20-200Pa·s。
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