CN111215745B - 一种针对激光固结导电浆料的变工艺缺陷控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对激光固结导电浆料的变工艺缺陷控制方法，其特征在于，依据电路的烧结特性对基体上用于成形电路的导电浆料采用变工艺的方式进行分阶段固结。本发明缺陷控制方法利用电路在低和高能量密度激光束下的烧结特性，低能量密度激光束烧结电路尽管内部不会产生气孔但是导电性能不理想，高能量密度激光束烧结电路尽管导电性能较理想但是内部会形成大量的气孔，结合两者的优势提出变工艺的固结方式来开展电路缺陷控制研究，通过变工艺的固结方式，有效减少了固结后电路结构中的气孔，提高了电路的导电性能，且本发明方法易于实现，适合推广使用。

Description

一种针对激光固结导电浆料的变工艺缺陷控制方法

技术领域

本发明涉及激光固结导电浆料成形平面电路的技术，具体为一种针对激光固结导电浆料的变工艺缺陷控制方法。

背景技术

电路打印是制造电子产品的重要环节，通常将导电浆料转变为电路需要经历两个连续的步骤：打印和固结导电浆料。打印后导电浆料内部金属颗粒被有机物包裹未能形成导电通路，需要使用激光束将金属浆料进行固结从而形成性能良好的电路，所以激光固结导电浆料是制造电子产品的关键技术，该技术在三维结构电子、柔性电子和封装电子已进行初步尝试，可应用于航空航天和结构安全监测等领域，显示出巨大潜能和广阔的商业化应用前景。

导电浆料中的溶剂和有机物需要比较高的温度才能够大量的热分解，银颗粒进一步形成致密的网状结构后其导电性能才能够理想，因此需要使用高能量密度的激光束来固结电路，但同时也带来一些问题：

首先，使用高能量密度激光束固结电路，其表面可能会出现凹陷，内部出现大量气孔，并且整个结构孔隙率很高，电路内运动的电子经过气孔时需要“跳跃”至相邻的银颗粒结构，会使得电子运动的效率降低，相应电路的导电性能会受到很大影响，因此该缺陷会阻碍电路的导电性能进一步提升；

其次，高能量密度激光单次固结一般不能使电路内部有机物完全的分解，因此单次固结后，电路的导电性能一般也不是很理想。

目前的技术研究仅解释了电路内部气孔的成形原因，但在抑制气孔成形或者减少内部气孔的方面还未有可靠的方法，因此还需要探究可行的固结方法来进一步有效地减少内部气孔以提升导电性能。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种可以控制激光固结导电浆料成形电路内部缺陷的技术，以弥补现有固结技术的不足。

为实现上述技术目的，本发明提供的方案为：

一种针对激光固结导电浆料的变工艺缺陷控制方法，其特征在于，依据电路的烧结特性对基体上用于成形电路的导电浆料采用变工艺的方式进行分阶段固结，其中：

第一固结阶段使用低能量密度激光束固结一次或多次成形电路，在电路表面形成致密金属层前进入第二固结阶段；

第二固结阶段使用高能量密度激光束固结一次或多次经过第一固结阶段处理的电路。

在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：

本发明缺陷控制方法包括确定最优固结参数的测试阶段，在所述测试阶段中，以变化的低能量密度激光固结次数搭配固定的高能量密度激光固结次数，进行多次测试，以导电性能为指标确定最优的固结方式。

所述低能量密度激光束的功率取值为1W～1.5W，所述高能量密度激光束的功率取值为1.5W～2.5W。

所述导电浆料为导电银浆，所述致密金属层是指电路表面形成的Ag元素含量(质量分数)高于76％的分层结构。

作为优选，用于成形电路的导电银浆粘度为110000mPa·s，主要成分包含Ag、C、O、S i，其中Ag颗粒在银浆中的质量分数为50％～75％，粒径为500nm～1.5μm。

进一步的，固化前，沉积在基体上的成形电路线宽为800μm，线高为246μm，横截面积为127000μm²。

在第一固结阶段，通过EDS能谱仪检测电路表面Ag元素的(质量)含量，判断其致密程度。

所述第一、第二固结阶段采用808nm的连续波二极管激光器进行固结，其激光束聚焦物镜的焦距为10mm，聚焦后激光束的光斑直径为180μm。

进一步的，所述测试阶段还包括：

利用正交设计法设计二因素四水平的正交表，所述二因素分别为激光功率和激光扫描速度，激光功率选用的四水平从1W至2.5W以0.5W的梯度递增，扫描速度选用的四水平从1.5mm/s到6mm/s以1.5mm/s的梯度递增；

按照所述正交表所示的参数，对试样导电浆料进行固结，检测电路的形貌变化，从中选择适合第一固结阶段和第二固结阶段的工艺参数。

有益效果：

(1)激光固结的传热机制导致电路内部固然会出现气孔，目前还未出现能够有效抑制缺陷成形或者控制电路内部缺陷的方法，本发明从固结工艺的角度出发，提出采用变工艺的固结方式实现对固结电路的缺陷控制，弥补了现有技术的不足；

(2)本发明缺陷控制方法考虑到电路形貌变化与表面金属层有相应联系，依据电路发生的形貌变化来选取固结工艺参数的方式，规划合理；

(3)本发明缺陷控制方法采用变工艺的固结方式，能够针对有机物和浆料(银)颗粒的固结特性来精确调控激光固结的能量密度，使得浆料固结后能够有效减少气孔并且提高导电性能。

附图说明

图1为本发明缺陷控制方法的设计思路流程图；

图2为激光固结过程中，电路形貌变化的示意图；

图3为具体实施例变参数固结过程中电路形貌的变化示意图；

图4本发明缺陷控制方法固结电路与高能量密度激光固结电路的形貌对比图。

具体实施方式

为了进一步阐明本发明的技术方案和技术原理，下面结合附图与具体实施例对本发明做具体的介绍。

考虑到使用高能量密度激光束单次固结电路会出现以下问题：

(1)表面迅速形成致密的金属层阻碍有机物的挥发导致内部形成大量气孔；

(2)内部有机物含量依旧较高导致电路导电性能不理想。

本发明针对上述问题采用以下技术方案来解决问题：分两个阶段对电路进行多次固结，第一固结阶段使用低能量密度的激光束固结电路，目的是在不使表面形成致密金属层的前提下最大程度的挥发有机物，并且后续多次固结能够持续的挥发有机物，第二固结阶段使用高能量密度的激光束固结电路，目的是使有机物进一步的分解和挥发，银颗粒间通过晶格/界扩散形成更加致密的结构，促使电路导电性能达到最优的状态。

本实施例中，所述低能量密度激光束的功率取值为1W～1.5W，所述高能量密度激光束的功率取值为1.5W～2.5W，所述低能量密度激光束的功率要低于高能量密度激光束的功率。

所述缺陷控制方法的具体过程包括如下步骤：

步骤1：设置控制器和软件参数如下表1所示，采用高粘度流体喷射技术(HVJ)在电路基体上喷射银浆成形电路；

表1

用于成形电路的导电浆料一般可采用粘度110000mPa·s，约含有50％质量分数Ag的银浆。

本实施例中采用的银浆主要成分包含Ag、C、O、Si等元素，其中Ag颗粒在银浆中的质量分数为50.52％，粒径为500nm～1.5μm，C元素在银浆中的的质量分数为29.76％，O元素在银浆中的的质量分数为18.72％，Si元素在银浆中的的质量分数为1.00％。沉积在基体上的电路(导电浆料)在固结前，线宽为800μm，线高为246μm，横截面积为127000μm²。

步骤2：通过正交设计法设计二因素四水平的正交表如下表2所示，在测试阶段按表中所示参数使用激光固结电路；

表2

表中列号①、②代表选取的因子，分别为激光功率P和激光的扫描速度V。试验号1-16与列号为①相对应的四种功率水平，分别为1W、1.5W、2W、2.5W。试验号1-16与列号为②相对应的四种速度水平，分别为1.5mm/s、3mm/s、4.5mm/s、6mm/s。本实施例采用808nm的连续波二极管激光器进行固结，该激光器功率上限为6.6W，其激光束聚焦物镜的焦距为10mm，聚焦后激光束的最小光斑直径为180μm。沉积在基体上的用于测试的电路(导电浆料)长约30mm。

步骤3：进行测试，检测电路在各参数固结后发生的形貌变化。从形貌变化明确电路的固结特性，从电路横截面气孔情况和有机物挥发程度分析电路形貌变化与固结参数的关系，电路发生的形貌变化如图2所示。检测电路发生形貌变化的方法包括在每条喷射的电路上任意选取六处作标记，使用激光显微镜采集标记处喷射与固结状态电路的三维形貌，使用分析软件测量电路的高度、宽度以及截面面积。采用扫描电子显微镜和能谱仪检测电路横截面气孔情况、内部微观组织和有机物分解程度。

步骤4：依据电路发生的形貌变化选取满足条件的低能量密度和高能量密度固结工艺参数。低能量密度固结工艺参数的条件需满足在不使电路表面形成致密金属层前提下最大程度的挥发有机物，当电路表面Ag元素(质量)含量高于76％时，代表已形成致密的金属层，金属层会阻碍有机物的挥发以及后续固结热量的传导和扩散。

在步骤3的检测结果中，使用激光功率为1.5W，扫描速度为6mm/s的激光束固结电路后，电路表面Ag元素含量仅为59.65％，并且从形貌变化获知该参数下电路体积收缩程度最大达到13.8％，所以本实施例选取功率为1.5W，扫描速度为6mm/s作为第一固结阶段(低能量密度)的固结参数E_L。同时，固结工艺参数的条件需满足固结后不对电路的形貌产生损伤，所以选取功率为2W，扫描速度为1.5mm/s作为第二固结阶段(高能量密度)固结参数E_H。

在固结过程中，可通过EDS能谱仪检测电路表面Ag元素的含量，判断其致密程度。

步骤5：继续进行测试，将变化的低能量密度激光固结次数搭配固定的高能量密度激光固结次数，形成变参数固结方式来固结电路，如下表3所示；

表3

所述固结次数，即激光头扫描电路的次数。

步骤6：以导电性能为指标确定最优的固结方式为

即低能量密度激光固结八次，高能量密度激光固结两次。评价导电性能的指标为电路的电阻值，可采用直流低电阻测量仪测量。

以最优固结方式固结电路的过程中，检测电路横截面气孔情况、有机物的分解程度和内部微观组织，变化如图3所示。

步骤7：对比最优固结方式与高能量密度单次固结的电路，从缺陷情况和导电性能验证了该缺陷控制方法的有效性，二者固结电路的形貌对比如图4所示。之后即可将获得的与最优固结方式相关的工艺参数应用到电子产品的正式制造工艺中。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种针对激光固结导电浆料的变工艺缺陷控制方法，其特征在于，依据电路的烧结特性对基体上用于成形电路的导电浆料采用变工艺的方式进行分阶段固结，其中：

第一固结阶段使用低能量密度激光束固结一次或多次成形电路，在电路表面形成致密金属层前进入第二固结阶段；

第二固结阶段使用高能量密度激光束固结一次或多次经过第一固结阶段处理的电路;

所述低能量密度激光束的功率取值为1W～1.5W，所述高能量密度激光束的功率取值为1.5W～2.5W,且低能量密度激光束的功率要低于高能量密度激光束的功率。

2.根据权利要求1所述的一种针对激光固结导电浆料的变工艺缺陷控制方法，其特征在于，包括确定最优固结参数的测试阶段；

所述测试阶段中，以变化的低能量密度激光固结次数搭配固定的高能量密度激光固结次数，进行多次测试，以导电性能为指标确定最优的固结方式。

3.根据权利要求1所述的一种针对激光固结导电浆料的变工艺缺陷控制方法，其特征在于，所述导电浆料为导电银浆，所述致密金属层是指电路表面形成的Ag元素含量高于76％的分层结构。

4.根据权利要求3所述的一种针对激光固结导电浆料的变工艺缺陷控制方法，其特征在于，用于成形电路的导电银浆粘度为110000mPa·s，主要成分包含Ag、C、O、Si，其中Ag颗粒在银浆中的质量分数为50～75％，粒径为500nm～1.5μm。

5.根据权利要求4所述的一种针对激光固结导电浆料的变工艺缺陷控制方法，其特征在于，固化前，沉积在基体上的成形电路线宽为800μm，线高为246μm，横截面积为127000μm²。

6.根据权利要求3所述的一种针对激光固结导电浆料的变工艺缺陷控制方法，其特征在于，在第一固结阶段，通过EDS能谱仪检测电路表面Ag元素的含量，判断其致密程度。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种针对激光固结导电浆料的变工艺缺陷控制方法，其特征在于，所述第一固结阶段、第二固结阶段采用 808nm的连续波二极管激光器进行固结，其激光束聚焦物镜的焦距为10mm，聚焦后激光束的光斑直径为180μm。

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