基于无颗粒型银导电墨水的喷印导电膜制备及性能研究

摘要

喷墨印制电子是一种通过喷印的方式，在不接触基材的情况下，将功能墨水印制到不同基材上，通过一定的后续处理，制成电子产品的新兴技术。在喷墨印制电子中，通过喷印而成具有导电性的薄膜称为喷印导电膜。喷印导电膜是目前研究最广泛、最具有应用基础的印制电子产品。在实际应用中，喷印导电膜的导电性、柔性基底状态下的抗弯曲性能、导电膜与基材的结合能力以及喷印导电膜的焊接性能决定着导电膜的应用范围，是制约印制电子发展的关键问题，也是目前国内外研究的热点和难点。因此，开展对喷印导电膜的各项性能的研究对印制电子的发展有着重要的意义。
　　本文以醋酸银为金属前驱体、甲酸为还原剂、氨水作为溶剂，制备出无颗粒型银导电墨水，通过利用改装后的多功能平板喷墨打印机，参考每层喷印时长和导电性能确定最佳喷印分辨率参数，以柔性基材——耐高温聚酯薄膜（Polyethylene terephthalate，PET）和普通电路板常用的硬质基材——玻璃纤维板（Fiber Glass Board，FGB）为基底进行喷印，经过后续处理，得到成膜性较好的样本。
　　通过分析喷印墨水中纳米银颗粒的长大方式，解释了墨水在烧结过程中因受定向吸附（Oriented attachment，OA）和Ostwald熟化（Ostwald Ripening，OR）长大机制的共同作用形成的表面形貌。这两种机制的混合作用，使得颗粒之间排布更紧密，保证了喷印导电膜导电性。通过对喷印层数的研究发现，当喷印到11层时，墨滴在基底分布均匀、排布紧密，此时导电膜的导电性也较为稳定。对烧结工艺的研究发现，当烧结固化温度为90℃、保温时长为15min时，喷印导电膜的电阻率可以低至4.1μΩ·cm，约为块状银的2.5倍，继续升高烧结温度和延长保温时间，电阻率变化不太明显。基于保证低电阻率的前提下，考虑到适用基材所能承受的温度范围，最终把90℃的烧结温度，15min保温时间定为柔性导电膜最佳烧结工艺参数。
　　以柔性基材PET薄膜为基底，对喷印11层，烧结温度为90℃，保温15min后的喷印导电膜能承受的极限曲率半径以及导电膜与PET薄膜基底之间的结合强度进行计算，发现导电膜弯曲顶点处的曲率半径低至1.5mm时，喷印导电膜电阻开始发生变化，当曲率半径低至0.5mm时，喷印导电膜中纳米银层彻底断裂。此外，对裂纹扩展及断裂形式进行了分析，发现裂纹萌生于墨滴间隙处，沿墨滴轮廓进行蔓延，直至贯穿整个导电膜，导电膜的断裂方式为韧性断裂。导电膜与 PET薄膜基底剥离时的剪切强度平均为0.624MPa，拉伸强度平均为0.15MPa，从断口形貌分析发现，绝大部分断面发生在PET薄膜与纳米银导电膜之间，只有在拉伸过程中少数断面会发生在导电膜内部。以硬制基材FGB为基底，对喷印11层，烧结温度为90℃，保温15min的喷印导电膜以锡基钎料作为焊膏进行焊接性实验，探究焊接过程中的冶金产物以及金属间化合物层（Intermetallic compound，IMC）生长过程。研究发现，由于纳米银导电膜的孔隙密度和比表面积较大，与锡基钎料的反应非常迅速，在225℃，保温5min时，反应界面就能生成良好的Ag3Sn金属间化合物层。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 制备喷印导电膜的研究内容概述

1.3 喷印导电膜的应用领域概述

1.4 喷印导电膜的性能研究现状

1.5 本文主要研究内容

第2章 实验试样制备及表征方法

2.1 实验试样的制备

2.2 表征手段

第3章 喷印纳米银导电膜的导电性能研究

3.1 导电膜导电性的影响因素

3.2 导电膜的应用

3.3 本章小结

第4章 喷印纳米银导电膜的力学性能和焊接性能研究

4.1 导电膜的弯曲性能

4.2 导电膜与PET基底的结合强度

4.3 导电膜的焊接性能

4.4 本章小结

第5章 结 论

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间研究成果