CN107538010B - 一种降低纳米金属颗粒烧结温度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种降低纳米金属颗粒烧结温度的方法，其包括以下步骤：在衬底上刻蚀出若干凹槽或设置凸起结构，然后再该衬底上印刷或涂覆含有纳米金属颗粒的焊料或墨水，最后进行烧结；其中，所述凹槽的深度或凸起的高度为10纳米至100微米。采用本发明的技术方案，通过改变衬底表面的微观结构促进其微观热传导行为，进而实现在较低温度实现烧结，并且能获得良好的电学和力学性能；另外，烧结温度的降低能有效保护对温度敏感的电子器件或柔性衬底，并能降低生产成本。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，尤其涉及一种降低纳米金属颗粒烧结温度的方法。
背景技术
无铅纳米金属颗粒主要是Ag或Cu的焊膏正逐渐取代传统焊料合金材料，作为能实现芯片级互连的新型连接材料，尤其是其应用于高温大功率器件封装中优势尤为明显。另一方面，利用纳米金属颗粒制备的导电墨水可用于柔性印刷电子领域，而柔性印刷电子系统以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景。
无论是纳米金属颗粒焊膏还是纳米金属颗粒墨水，要想获得理想的力学、导电、导热性能需要在一定温度下进行烧结。而烧结温度的降低能有效保护待焊接的电子器件并降低生产成本。一般纳米材料的颗粒尺寸定义为1～100nm，随着纳米尺寸减小，材料比表面积越大，因此纳米材料的表面能较高，烧结温度越低。但是尺寸在20nm以下的纳米颗粒制备工艺复杂难于制备，而且纳米材料颗粒尺寸较小时易形成团聚和聚合，会导致颗粒实际系统有效半径提高，远大于真实颗粒半径，使纳米颗粒烧结前的驱动力明显降低。采用分散剂能有效的保护颗粒表面，防止团聚或聚合的发生，但是分散剂的厚度可以影响烧结温度，因此有研究人员提出利用化学方法溶解分散剂使其变薄进而降低烧结温度，但是额外的化学物质可能带来化学污染的风险。因此，本专利提出一种能清洁有效的降低烧结温度的方法。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种降低纳米金属颗粒烧结温度的方法，实现在较低温度实现烧结。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种降低纳米金属颗粒烧结温度的方法，其包括以下步骤：在衬底上刻蚀出若干凹槽或设置凸起结构，然后在该衬底上印刷或涂覆含有纳米金属颗粒的焊料或墨水，最后进行烧结；其中，所述凹槽的深度或凸起的高度为10纳米至100微米。
纳米金属颗粒焊膏或纳米金属颗粒墨水在烧结时可大概分为3种情况，分别是在真空、惰性气体(或氮气)保护气、空气环境进行烧结。在3种情况下，对于样品的抗氧化保护程度是不同的，但是对于热传导的过程却是类似的，由于衬底的热容量明显要大于真空或保护气，所以纳米颗粒烧结所需要的热量基本都是由衬底的热传导所提供。采用本发明的技术方案，通过改变衬底表面的微观结构，设置出凹槽或凸起的微观结构能改变传热梯度，进而影响并促进其微观热传导行为，能在较低温度下实现烧结。
本发明的技术方案适用于所有的需要烧结的纳米金属颗粒焊膏或纳米金属颗粒墨水的烧结过程，比如Ag(Cu)纳米颗粒焊膏(墨水)等。并适用于所有的金属、半导体、绝缘体等硬质衬底，以及塑料、相纸、人造有机物等柔性衬底。
优选的，所述凹槽或凸起阵列在衬底上。
作为本发明的进一步改进，所述凹槽或凸起的宽度为10纳米至100微米。
进一步的，所述凹槽的深度或凸起的宽度为10～30微米。
进一步的，所述凹槽的深度或凸起的宽度为20微米。
作为本发明的进一步改进，所述凹槽或凸起之间的间距为凹槽或凸起的宽度的1～100倍。
进一步的，所述凹槽或凸起之间的间距为凹槽或凸起的宽度的10～50倍。
作为本发明的进一步改进，所述凹槽的深度或凸起的高度为10～30微米。
作为本发明的进一步改进，所述凹槽的深度或凸起的高度为20微米。
作为本发明的进一步改进，所述凹槽或凸起为圆形、椭圆形、正方形、长方形、三角形、梯形、菱形或多边形中的至少一种。
作为本发明的进一步改进，所述凹槽或凸起为规则长条状或不规则常条。
作为本发明的进一步改进，所述规则长条状或不规则常条规则排列或不规则排列在衬底上。
作为本发明的进一步改进，所述凹槽或凸起为在衬底上采用激光刻蚀、电子束刻蚀、离子束刻蚀、机械加工、手动加工得到。
作为本发明的进一步改进，所述凹槽或凸起为采用电子束印刷术、光刻印刷术在衬底上进行外延生长得到凹槽或凸起微观结构。
作为本发明的进一步改进，所述衬底为硬质衬底或柔性衬底，所述硬质衬底的材质为金属、半导体或绝缘体，所述柔性衬底的材质为塑料、相纸、人造有机物。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的技术方案提供了一种有效地降低烧结温度的简单清洁的方法，通过改变衬底表面的微观结构促进其微观热传导行为，进而实现在较低温度实现烧结。另外，烧结温度的降低能有效保护对温度敏感的电子器件或柔性衬底，并能降低生产成本。
采用本发明的技术方案，能有效的增加衬底向纳米颗粒的热传导，因此可以使得纳米金属颗粒焊膏或纳米金属颗粒墨水烧结温度大幅降低。烧结温度可以下降到20-100℃，并且能获得良好的电学和力学性能，电阻率可以达到1-1000μΩ·cm，剪切强度可以达到1-45MPa。
附图说明
图1是本发明的凹槽或凸起的结构示意图；其中，图1a为凹槽或凸起是圆形结构的，图1b为凹槽或凸起是正方形结构的，图1c为凹槽或凸起是规则长条状的，图1d为凹槽或凸起是不同形状的混合，图1e为凹槽或凸起是规则长条状规则排布的，图1f为凹槽或凸起是不规则长条状的不规则排列的。
图2为本发明经过表面微观结构处理的样品烧结后进行对折处理2000次的导电性能变化图，其中R/R0为弯折前后的电阻值之比。
具体实施方式
一种降低纳米金属颗粒烧结温度的方法，其包括以下步骤：在衬底上刻蚀出若干凹槽或设置凸起结构，然后再该衬底上印刷或涂覆含有纳米金属颗粒的焊料或墨水，最后进行烧结；其中，所述凹槽的深度或凸起的高度为10纳米至100微米，凹槽或凸起的宽度为10纳米至100微米，长度原则上可为任意尺寸，凹槽或凸起之间的间距为凹槽或凸起的宽度的1-100倍。
其中，在衬底上刻蚀出若干凹槽或设置凸起结构可以利用激光刻蚀，电子束刻蚀，离子束刻蚀，机械加工、手动加工等方法在金属、半导体、绝缘体等硬质衬底或塑料、相纸、人造有机物等柔性衬底上刻蚀出各种凹槽或凸起微观结构。也可以利用电子束印刷术、光刻印刷术在衬底上外延生长出各种凹槽或凸起微观结构。
所述凹槽或凸起的结构可以为圆形、椭圆形、正方形、长方形、三角形、梯形、菱形、多边形等形状的凹槽或凸起，如图1a和图1b所示。
所述凹槽或凸起的结构还可以为如图1c所示的规则长条状、或不规则长条状；所述凹槽或凸起的结构为如图1d所示的各种形状的凹槽或凸起的混合.
所述凹槽或凸起的结构还可以为如图1e和图1f所示的各种长条状凹槽或凸起的规则排列或不规则排列。
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
实施例1
在相纸表面上刻蚀出若干深度为20微米的凹孔，凹孔的直径为20微米，然后再该相纸表面上印刷含有Ag纳米颗粒的焊料，最后进行烧结；凹槽或凸起之间的间距为凹槽或凸起的宽度的3-5倍。
将该进行表面处理后印刷含有Ag纳米颗粒的焊料的相纸与不经过表面处理印刷含有Ag纳米颗粒的焊料的相纸分别在不同温度下进行烧结形成导电薄膜，然后测量薄膜的电阻值，结果如表1所示。由表1可见，相纸表面经过这种表面处理后，在60℃时就能形成良好的导电性能；而未处理的相纸表面进行烧结Ag纳米颗粒，在60摄氏度时均不能形成有效的导电性能。在120℃烧结时，相纸不经过表面处理的虽然也可以获得导电性能，但是电阻值明显高于经过微观结构表面处理基底上的形成的导电薄膜的电阻值。
表1为不同尺寸的孔处理表面在不同烧结温度时的电阻值(Ω)，
另外，经处理后的相纸表面烧结的薄膜，还存在意想不到的效果，如图2所示，在有表面处理后的实施例，即使采用很低的60℃烧结得到的薄膜电极除了具有优异的导电性能，而且将样品进行对折处理时仍能保持很好的导电性能，甚至弯折2000仍然具有良好的导电性能，体现出良好的柔性功能，比现有技术的具有更好的可靠性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种降低纳米金属颗粒烧结温度的方法，其特征在于，其包括以下步骤：在衬底上刻蚀出若干凹槽或设置凸起结构，然后在该衬底上印刷或涂覆含有纳米金属颗粒的焊料或墨水，最后进行烧结；其中，所述凹槽的深度或凸起的高度为20微米；所述凹槽或凸起的宽度为20微米；所述凹槽或凸起之间的间距为凹槽或凸起的宽度的3～5倍。
2.根据权利要求1所述的降低纳米金属颗粒烧结温度的方法，其特征在于：所述凹槽或凸起为圆形、椭圆形、正方形、长方形、三角形、梯形、菱形中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的降低纳米金属颗粒烧结温度的方法，其特征在于：所述凹槽或凸起为规则长条状或不规则长条。
4.根据权利要求1所述的降低纳米金属颗粒烧结温度的方法，其特征在于：所述凹槽或凸起为在衬底上采用激光刻蚀、电子束刻蚀、离子束刻蚀、机械加工、手动加工得到。
5.根据权利要求1所述的降低纳米金属颗粒烧结温度的方法，其特征在于：所述凹槽或凸起为采用电子束印刷术、光刻印刷术在衬底上进行外延生长得到凹槽或凸起微观结构。
6.根据权利要求1所述的降低纳米金属颗粒烧结温度的方法，其特征在于：所述衬底为硬质衬底或柔性衬底，所述硬质衬底的材质为金属、半导体或绝缘体。
7.根据权利要求6所述的降低纳米金属颗粒烧结温度的方法，所述柔性衬底的材质为相纸。
8.根据权利要求6所述的降低纳米金属颗粒烧结温度的方法，所述柔性衬底的材质为塑料。
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