CN105101658A - 一种纳米银导电墨水的热超声低温烧结方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米银导电墨水的热超声低温烧结方法，包括如下步骤：将纳米银导电墨水涂布在柔性基板上形成所需互连线路，然后在基板的上下分别包裹上一层聚酰亚胺薄膜，放置于底板上，以防止互连线路受污染；将底板预热到100-150℃，形成温度烧结环境；施加5-20Mpa的压力以及频率为10-50KHz的超声对线路进行热超声烧结；在热超声烧结3-10分钟后取出完成烧结。本发明通过热超声烧结的方式对柔性基板上的纳米银导电墨水轨迹线进行烧结，烧结温度降低到了120℃，大大缩短了烧结时间，将烧结时间降到5分钟以下，且经过热超声烧结后的纳米银导电线路在超声的作用下增大了纳米银颗粒分布的致密度，纳米银互连线路的电阻率降低到4.25×10-8（Ω.m）。

Description

一种纳米银导电墨水的热超声低温烧结方法及装置
技术领域
本发明涉及微电子领域，尤其是一种纳米银导电墨水的热超声低温烧结互连技术。
背景技术
微电子科技领域的快速发展，不断的推动信息化技术革命，给经济社会带来了翻天覆地的改变。涌现出了各种各样的新型电子产品。在技术的发展过程中，轻、薄、小一直是产品开发目标，传统的刚性基板电子产品已逐渐无法满足人们对移动式产品的需求，促使人们产生了在轻薄的柔性基材上制作电子产品的构想。
现阶段，基板材料为柔性纸张、塑料等的纳米银柔性电路可能是未来柔性电路的发展的突破点。银导电线路是大多数电子元器件的核心部件,由于纳米银的自烧结温度过高,现有技术是将纳米银导电浆料也称银导电墨水、油墨、银膏,通过印刷或书写等方式印制到基板上，然后通过热烧结或光烧结等方法,依靠导电墨水中的高分子胶粘剂将银粉固定在柔性基材上形成导电线路。纳米银膏实现自烧结温度一般都高于200℃,但是这些基板能承受的最高温度大多低于150℃，因此难以直接应用于在纸和塑料等柔性基板上制作导电线路。电路的导电原理是通过银粉颗粒物理接触实现,要实现低电阻率必须增大纳米银颗粒的接触面积和纳米银之间颗粒的粘结，而通过上述烧结方式形成的电路由于纳米银颗粒分布的致密度不高，且相互的粘结性不强很难形成电阻率低的电路。因此，需要寻求新的技术方法实现低温制备纯纳米银导电线路。
发明内容
本发明提供一种能实现纳米银导电墨水的热超声低温烧结的方法及装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种纳米银导电墨水的热超声低温烧结方法，包括如下步骤：
将纳米银导电墨水涂布在基板上形成所需互连线路，然后在基板上下表面分别包裹上一层聚酰亚胺薄膜，放置于底板上，以防止纳米银互连线路受污染；
将底板预热到100-150℃，形成温度烧结环境；
施加5-20Mpa的压力，形成压力烧结环境；
施加频率为10-50KHz的超声对其进行烧结；
在热超声烧结3-10分钟后取出完成烧结。
优选地，通过在加热、加压的同时，施加超声振动，从而利用超声的软化效应，促进纳米颗粒的变形、纳米颗粒之间的快速原子扩散，实现高效率、高质量纳米银烧结。
优选地，底板预热温度控制在120℃，底板向上运动的压力控制在8Mpa，超声发生器频率设置为20KHz。
一种纳米银导电墨水的热超声低温烧结装置，包括用以放置纳米银轨迹线与基板的底板，底板连有加热装置及驱动底板向上运动的驱动装置，底板上方设有顶板，顶板上方设有工具头，工具头连接超声施加装置。
优选地，超声施加装置包括超声电源、换能器、变幅杆及工具头，由超声电源发出激励信号，经过换能器产生超声波，经变幅杆放大，传递给工具头。
优选地，底板或顶板连有温度控制器，以精确控制底板的温度。
优选地，驱动装置包括手摇杆以及装设在底座内的液压系统，并且还设有表盘来显示底座施加的压力。
本发明的有益效果是：本发明通过热超声烧结的方式对涂布在柔性基板表面的纳米银互连电路进行烧结，烧结温度降低到了120℃，烧结时间缩短到5分钟，且经过热超声烧结后的纳米银互连导线在超声的作用下增大了纳米银颗粒分布的致密度，纳米银导电线路的电阻率降低到4.25×10-8（Ω.m）。本发明为实现纳米银导电墨水印刷互连导线的低温快速烧结提供了具体的解决方案，为纳米银导电墨水在耐热性能较差的基板如纸，塑料等的应用提供了互连方法。
附图说明
图1为本发明实例纳米银导电墨水的热超声低温烧结装置的示意图。
图2为本发明实例纳米银导电墨水的热超声低温烧结方法的示意图。
图中，1为超声电源，2为换能器、变幅杆以及工具头，3为温度控制器，4为顶板，5为底板，6为压力控制表盘。
具体实施方式
下面结合附图及实例，对本发明做进一步说明。
参见图1，纳米银导电墨水的热超声低温烧结设备包括底板5，用以放置纳米银互连线路，底板5上方设有顶板4，顶板4上方设有超声施加装置。
超声施加装置包括超声电源1、换能器、变幅杆与工具头2，由超声电源1发出激励信号，经过换能器产生超声波，经变幅杆放大，传递给工具头，最后作用在互连线路上。
底板5连有加热装置，用以对底板进行加热。
底板5或顶板4连有温度控制器3，以精确控制底板5的温度，控制的温度区间为（20℃-350℃）。
底板5还连有驱动装置，驱动底板5向上运动。本实施例中驱动装置包括手摇杆以及装设在底座5内的液压系统，并且还设有压力控制表盘6来显示底座5施加的压力，压力施加范围为（0Mpa-30Mpa）。
先配置纳米银墨水：将无水乙醇，乙二醇，甘油按照体积比为60%：30%：5%的比例混合搅拌形成溶剂，然后将直径为20nm的纳米银颗粒加入溶剂中，超声搅拌10分钟，然后将溶液静置5分钟，待到溶液明显分层，将上层澄清的溶剂倒出，将下层溶液超声处理5分钟，即可得到纳米银重量比为80%的纳米银混合墨水。
纳米银互连线路制作：由于纳米银重量比较高，采用点胶的方式将配好的纳米银导电墨水涂布在柔性基板上行成纳米银互连导线的制作。
然后进行纳米银互连导线进行烧结。参见图2，纳米银导电墨水的热超声低温烧结方法包括如下步骤：
将纳米银导电墨水以点胶的方式涂布在基板上形成所需互连线路，然后在基板上下表面分别包裹上一层聚酰亚胺薄膜，放置于底板上，以防止纳米银样品受污染；
通过温度控制器将底板预热到120℃，形成温度烧结环境；
通过压力控制装置使底板向上运动产生8Mpa的压力；
通过超声发生器产生频率为20KHz的功率超声对样品进行烧结；
在热超声烧结5分钟后将样品取出完成烧结。
通过在加热、加压的同时，施加超声振动，从而利用超声的软化效应，促进纳米颗粒的变形、纳米颗粒之间的快速原子扩散，实现高效率、高质量纳米银烧结。
本发明通过热超声烧结的方式对纳米银互连线路进行烧结，烧结温度降低到了120℃，将烧结时间缩短到了5分钟，且经过热超声烧结后的纳米银互连线路在超声的作用下增大了纳米银颗粒的致密度，纳米银互连线路的电阻率降低到4.25×10-8（Ω.m）。本发明为实现纳米银导电墨水印刷互连导线的低温快速烧结提供了具体的解决方案，为纳米银导电墨水在耐热性能较差的的柔性基板如纸，塑料等的应用提供了互连方法。

Claims (7)

1.一种纳米银导电墨水的热超声低温烧结方法，其特征在于，包括如下步骤：
将纳米银导电墨水涂布在基板上形成所需互连线路，然后在基板上下表面分别包裹上一层聚酰亚胺薄膜，放置于底板上，以防止纳米银互连线路受污染；
将底板预热到100-150℃，形成温度烧结环境；
施加5-20Mpa的压力，形成压力烧结环境；
施加频率为10-50KHz的超声对其进行烧结；
在热超声烧结3-10分钟后取出完成烧结。
2.根据权利要求1所述的纳米银导电墨水的热超声低温烧结方法，其特征在于，通过在加热、加压的同时，施加超声振动，从而利用超声的软化效应，促进纳米颗粒的变形、纳米颗粒之间的快速原子扩散，实现高效率、高质量纳米银烧结。
3.根据权利要求1所述的纳米银导电墨水的热超声低温烧结方法，其特征在于，底板预热温度控制在120℃，压力控制在8Mpa，超声发生器频率设置为20KHz。
4.一种纳米银导电墨水的热超声低温烧结装置，其特征在于，包括用以放置纳米银互连线路的底板，底板连有加热装置及驱动底板向上运动的驱动装置，底板上方设有顶板，顶板上方设有超声施加装置。
5.根据权利要求4所述的纳米银导电墨水的热超声低温烧结装置，其特征在于，超声施加装置包括超声电源、换能器、变幅杆与工具头，由超声电源发出激励信号，经过换能器产生超声波，经变幅杆放大，传递给工具头。
6.根据权利要求4所述的纳米银导电墨水的热超声低温烧结装置，其特征在于，底板连有温度控制器，以精确控制底板的温度。
7.根据权利要求4所述的纳米银导电墨水的热超声低温烧结装置，其特征在于，驱动装置包括手摇杆以及装设在底座内的液压系统，并且还设有表盘来显示底座施加的压力。
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