TW202000985A

TW202000985A - 導電銅膜之製備方法

Info

Publication number: TW202000985A
Application number: TW107122303A
Authority: TW
Inventors: 馬維揚; 莊智閔
Original assignee: 行政院原子能委員會核能研究所
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2020-01-01
Also published as: TWI678430B

Abstract

本發明係提供一種導電銅膜之製備方法，藉由進一步加入適當之聚乙二醇（PEG），使在強力脈衝光進行燒結時，聚乙二醇可將奈米銅粒子或次微米銅粒子表層之氧化銅還原成銅。且加入的PEG除了在燒結時，將氧化銅還原成銅外，亦改善導電銅膠對基板之附著性。以改善傳統製備導電銅膠時，所面臨的問題：(1).銅會氧化成氧化銅、(2).燒結溫度須在250°C以上。

Description

導電銅膜之製備方法

本發明係有關一種製備方法，尤其是一種有關導電銅膜之製備方法。

隨著消費電子行業的發展，消費電子產品越來越呈現出小型化、輕量化、薄型化的特點，在這種趨勢下，電子產品的集成度越來越高、體積越來越小、功率越來越強。

然而，傳統的導電連接方式，如金屬簧片、電線電纜連線、連接器等。則因為體積較大，需要空間較多，無法滿足消費電子產品輕量化與於狹小空間中使用的需求。

導電膠的重量輕、厚度薄，外加其特點是兼具導電性(來自金屬)與黏著性 (來自樹脂)，且可對應不同的加工需求來進行調整性質(導電性及黏著性)。因此，被廣泛應用在3C消費性電子、可印式電子市場(像印刷電路板)以及太陽能電池產業。

目前可印式電子市場上主要係以導電銀油墨為主，在低電阻率之導電金屬材料中，現有銀導體材料本身成本太高。然而，奈米銅成本則約為奈米銀的1/20。再加上，銅金屬無論在導電性及導熱性上的表現皆與銀金屬相差不遠，其銅金屬本身更具備成本上的優勢。因此，如以導電銅油墨來取代傳統的導電銀油墨，將可大幅降低印刷電子產品之成本。

除了可印式電子市場外，在太陽能電池產業中，太陽能電池的電極製作技術上，目前主要也是由奈米銀粒子或是其複合材料為膠料組成。奈米銀膠的導電性能良好，不過由於銀為貴重金屬，成本相對較高。且除了成本因素外，在生產上需要提供較高的溫度才能製作奈米銀粒子，且其所製成的電極也易產生離子遷移。因此，成本遠較奈米銀粒子為低的奈米銅粒子，即是較有潛力的選擇之一。

不過，導電銅膠/導電銅油墨在實際應用時遭遇兩大困境，一個是銅粒子在空氣中易氧化。因此，進行燒結時需在氮氣或真空環境下(亦即真空腔內)進行燒結，如此只能做到批次型(Batch type)生產，而無法達到連續式(In-line)之量產生產方式。

而對於銅粒子在空氣中易氧化之問題上，現今較普遍解決的方式為：

使用銀粉包覆銅粉的方式，不過當銀粉的粒徑過大時，則包覆銅的表面效果不佳；當銀粉粒徑過小時，則銀粉容易聚集、不易分散進而導致包覆效果不佳。

且當銀粉比例過高時，將大幅增加導電膠成本；當銀粉比例過低時，將導致包覆銅粉不全，而無法讓燒結後形成的電極具有良好的導電率。故銀粉包覆銅粉的方式成效不佳。

再者，另一個問題是大部分導電銅膠/導電銅油墨的燒結溫度約須在250°C以上。因此，僅能適用於耐高溫(Tg~350°C)之昂貴且軟性的聚醯亞胺(PI)基材上，而不能使用在便宜且軟性的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)基材(Tg~130°C)上。因而，大幅限制了導電銅膠/導電銅油墨在軟性電子的應用。

為此，現今的導電銅膠皆須在無氧環境下，使用傳統高溫進行燒結。因此，只能批次生產、無法連續式量產，亦無法適用於低成本之低溫聚對苯二甲酸乙二酯(PET)基板上。

因此，如何解決(1).為防止銅氧化，導電銅膠需在氮氣或真空環境下(亦即真空腔內)進行燒結之問題以及(2).大部分的導電銅膠其燒結溫度約須在250°C以上，進而大幅限制了在軟性電子應用之問題。為本技術領域人員所欲解決的問題。

本發明之主要目的，係提供一種導電銅膜之製備方法，加入適當之聚乙二醇（PEG），並在以強力脈衝光進行燒結時，聚乙二醇可將奈米銅粒子或次微米銅粒子表層之氧化銅還原成銅。

本發明之另一目的，係提供一種導電銅膜之製備方法，加入適當之聚乙二醇（PEG），除了在燒結時，將氧化銅還原成銅外，亦改善導電銅膠對基材之附著性。

為了達到上述之目的，本發明揭示了一種導電銅膜之製備方法，其步驟包含：取一金屬粒子與一無水乙醇形成一金屬粒子溶液；取該金屬粒子溶液、一黏稠劑及一溶劑，形成一混合溶液，該黏稠劑係包含一乙基纖維素、一環氧樹脂及一聚乙二醇；去除該混合溶液之該無水乙醇，形成一導電銅膠；取該導電銅膠塗佈於一基板上；以及於一大氣壓力下照射一強力脈衝光於該基板以燒結該導電銅膠，形成一導電銅膜。

本發明提供一實施例，其內容在於導電銅膜之製備方法，其中該金屬粒子係為一奈米銅粒子或一次微米銅粒子。

本發明提供一實施例，其內容在於導電銅膜之製備方法，其中該奈米銅粒子或該次微米銅粒子之粒徑係小於1微米。

本發明提供一實施例，其內容在於導電銅膜之製備方法，其中該環氧樹脂進一步包含一硬化劑，該硬化劑係為一酸酐化合物。

本發明提供一實施例，其內容在於導電銅膜之製備方法，其中該溶劑係選自於一松油醇、一乙二醇或一二甘醇所组成的群组之其中之一或其组合。

本發明提供一實施例，其內容在於導電銅膜之製備方法，其中該基板係選自於一玻璃、一玻纖環氧基板、一聚醯亞胺及一聚對苯二甲酸乙二酯所组成的群组之其中之一。

本發明提供一實施例，其內容在於導電銅膜之製備方法，其中於形成一混合溶液之步驟後，進一步包含步驟：取該混合溶液進行超音波均質。

本發明提供一實施例，其內容在於導電銅膜之製備方法，其中於去除該混合溶液之該無水乙醇之步驟中，進一步包含步驟：使用一迴旋濃縮機抽乾該無水乙醇。

為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以實施例及配合說明，說明如後：

有鑑於導電銅膠之銅粒子易氧化，且導電銅膠其燒結溫度須在250°C以上，進而大幅限制了導電銅膠應用的影響，據此，本發明遂提出一種導電銅膜之製備方法，以解決習知技術所造成之問題。

以下，將進一步說明本發明之一種導電銅膜之製備方法所包含之特性、所搭配之結構及其方法：

請參閱第1圖，其係為本發明之一實施例之流程圖。如第1圖所示，本發明所揭示之導電銅膜之製備方法，其步驟包含：

S1：取金屬粒子與無水乙醇形成金屬粒子溶液；

S3：取金屬粒子溶液、黏稠劑及溶劑，形成混合溶液，黏稠劑係包含乙基纖維素、環氧樹脂及聚乙二醇；

S5：去除混合溶液之無水乙醇，形成導電銅膠；

S7：取導電銅膠塗佈於基板上；以及

S9：於一大氣壓力下照射強力脈衝光於基板以燒結導電銅膠，形成導電銅膜。

如步驟S1所示，取一金屬粒子與一無水乙醇形成一金屬粒子溶液。其中該金屬粒子係為一奈米銅粒子或一次微米銅粒子，且該奈米銅粒子或該次微米銅粒子之粒徑係小於1微米。並藉由加入該無水乙醇(作為分散劑)後，再經過超音波震盪的處理，使該金屬粒子可以均質、並均勻分散。

接續，如步驟S3所示，取該金屬粒子溶液、一黏稠劑及一溶劑，形成一混合溶液，該黏稠劑係包含一乙基纖維素、一環氧樹脂及一聚乙二醇。

且該乙基纖維素在與其他成分(該金屬粒子溶液、該黏稠劑及該溶劑)混合前，會先加入於該無水乙醇，再透過超音波震盪使其均勻混和至透明。

且該環氧樹脂進一步包含一硬化劑，該硬化劑係為一酸酐化合物。而該聚乙二醇可將該奈米銅粒子或該次微米銅粒子表層之氧化銅還原成銅。再加入該乙基纖維素、該環氧樹脂及該聚乙二醇後，再一次進行超音波震盪。

再者，該溶劑係選自於一松油醇、一乙二醇或一二甘醇所组成的群组之其中之一或其组合。

而本發明所使用之溶劑(該松油醇、該乙二醇或該二甘醇)並非含水溶液，可避免易氧化之該奈米銅粒子或該次微米銅粒子在與該溶劑接觸後形成氧化銅。

再者，該松油醇、該乙二醇或該二甘醇也可提供隔絕空氣的效果，進一步降低該奈米銅粒子或該次微米銅粒子氧化的機會。並再加入該溶劑，形成一混合溶液後，再取該混合溶液進行超音波均質。

接續如步驟S5所示，去除該混合溶液之該無水乙醇，形成一導電銅膠。並於此步驟中，使用一迴旋濃縮機抽乾該無水乙醇。

在此步驟中，係於40℃之環境下抽乾該無水乙醇，過程中的氣體壓力係由110hPa緩慢下降至約80hPa，溫度則一直維持40℃無變化。並藉由該無水乙醇與該溶劑的沸點不同，於使用該迴旋濃縮機進行抽乾時，只會抽乾該無水乙醇。

接著，如步驟S7所示，取該導電銅膠塗佈於一基板上。其中該基板係選自於一玻璃、一玻纖環氧基板、一聚醯亞胺及一聚對苯二甲酸乙二酯所组成的群组之其中之一。

其塗佈的方式有：旋轉塗佈、輥式塗佈、氣刀塗佈、刮刀塗佈、棒式塗佈、凹版塗佈、擠壓式塗佈、噴塗、斜板式塗佈等方法。

最後，如步驟S9所示，於一大氣壓力下照射一強力脈衝光於該基板以燒結該導電銅膠，形成一導電銅膜。其中該強力脈衝光之脈衝光能量係為8~24 J/cm² ，且此步驟可於一大氣壓力以及一室溫下進行。

且，本發明於該黏稠劑中加入該聚乙二醇除了可將該奈米銅粒子或該次微米銅粒子表層之氧化銅還原成銅外，亦可改善該強力脈衝光燒結後，該導電銅膠對該聚對苯二甲酸乙二酯(PET)之附著性，且因為該聚對苯二甲酸乙二酯(PET)不吸光，因此不會損壞該基板。

而該金屬粒子之重量百分比為70~90wt%，該乙基纖維素之重量百分比為0.1~3.0wt%，該環氧樹脂之重量百分比為2~12wt%，該聚乙二醇之重量百分比為0.1~4wt%。

以下為本發明之一實施例之詳細說明：

係先將4克之次微米銅粒子(＜1000nm)加入無水乙醇中，經過超音波震盪的處理，形成金屬粒子溶液。

再預先將0.075克且黏稠度範圍為7~15MPA或30~70MPA之乙基纖維素溶於10克的無水乙醇中，並透過超音波震盪而均勻混和至透明。

將金屬粒子溶液加入處理好的乙基纖維素，以及0.228克之環氧樹脂(包含硬化劑)與0.057克之聚乙二醇(PEG)，再經過一次超音波震盪，最後才加入溶劑(係選自於松油醇、乙二醇或二甘醇所组成的群组之其中之一或其组合，於此本發明之一實施例選用松油醇當作溶劑)，並使用超音波均質混合以形成之所需之溶液。

待金屬粒子溶液與黏稠劑及溶劑均勻混合後，接著使用迴旋濃縮機將無水乙醇抽乾，使導電銅膠之成品當中不包含無水乙醇。接著將製備好的導電銅膠塗佈於基板上(係選自於玻璃、玻纖環氧基板、聚醯亞胺及聚對苯二甲酸乙二酯所组成的群组之其中之一，於此本發明之一實施例選擇聚對苯二甲酸乙二酯作為基板)。

然後再進行強力脈衝光燒結(脈衝光之強度、燒結時間與次數依不同的基板特性而有不同，於此本發明之一實施例之脈衝光能量為8~24 J/cm² )，即可形成電性良好的導電銅膜，其導電銅膜之電阻率約為5x10^-4 歐姆-公分。

故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

S1-S9‧‧‧步驟流程

第1圖：其係為本發明之一實施例之流程圖。

S1-S9‧‧‧步驟流程

Claims

一種導電銅膜之製備方法，其步驟包含：取一金屬粒子與一無水乙醇形成一金屬粒子溶液；取該金屬粒子溶液、一黏稠劑及一溶劑，形成一混合溶液，該黏稠劑係包含一乙基纖維素、一環氧樹脂及一聚乙二醇；去除該混合溶液之該無水乙醇，形成一導電銅膠；取該導電銅膠塗佈於一基板上；以及於一大氣壓力下照射一強力脈衝光於該基板以燒結該導電銅膠，形成一導電銅膜。
如申請專利範圍第1項所述之導電銅膜之製備方法，其中該金屬粒子係為一奈米銅粒子或一次微米銅粒子。
如申請專利範圍第2項所述之導電銅膜之製備方法，其中該奈米銅粒子或該次微米銅粒子之粒徑係小於1微米。
如申請專利範圍第1項所述之導電銅膜之製備方法，其中該環氧樹脂進一步包含一硬化劑，該硬化劑係為一酸酐化合物。
如申請專利範圍第1項所述之導電銅膜之製備方法，其中該溶劑係選自於一松油醇、一乙二醇或一二甘醇所组成的群组之其中之一或其组合。
如申請專利範圍第1項所述之導電銅膜之製備方法，其中該基板係選自於一玻璃、一玻纖環氧基板、一聚醯亞胺及一聚對苯二甲酸乙二酯所组成的群组之其中之一。
如申請專利範圍第1項所述之導電銅膜之製備方法，其中於形成一混合溶液之步驟後，進一步包含步驟：取該混合溶液進行超音波均質。
如申請專利範圍第1項所述之導電銅膜之製備方法，其中於去除該混合溶液之該無水乙醇之步驟中，進一步包含步驟：使用一迴旋濃縮機抽乾該無水乙醇。