一种片状/枝状镀银铜粉及可替代传统高银含量的绿色无卤低银含量经济型导电胶

摘要

本发明涉及片状/枝状镀银铜粉、可替代传统高银含量的绿色无卤低银含量经济型环氧导电胶及其制备方法。片状/枝状镀银铜粉，其形貌为片状和/或枝状，铜粉表面银的面积包覆率为90～95％，镀银铜粉中锌铝合金的含量小于15wt％。可替代传统高银含量的绿色无卤低银含量经济型导电胶，它由以下重量百分比的各原料组成：片状/枝状镀银铜粉60～90％，微米级银粉0～30％，环氧树脂6～12％，活性稀释剂1～8％，增韧树脂1～6％，固化剂1～3％，固化促进剂0～1％，偶联剂0.5～2％。本发明提供的片状/枝状镀银铜粉，Cu表面银包覆率高，导电性能优异，进而由其制备得到的导电胶性能优异，价格低、本征导电性好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种导电胶及其制备方法，特别涉及一种环氧树脂导电胶及其制备方法。可广泛用于电子及微电子封装。

背景技术

在微电子封装领域，锡铅焊料所引起的环境污染越来越引起人们的关注，减少或限制对铅的使用已成为必然趋势，2004年开始日本禁令电子产品中铅的使用，在欧洲已经立法禁令和限制铅在连接中的使用，而美洲国家也有效仿的趋势。

作为锡铅焊料的替代品，导电胶具有环境友好、加工条件温和、工艺简单和线分辨率小等优点，已经引起人们的广泛兴趣。大力发展导电胶取代锡铅焊料，对电子技术的发展以及环境的保护有着极其重要的意义，随着对导电胶性能研究的更加广泛，导电胶代替锡铅焊料已经成为一种趋势。然而导电胶普遍存在电导率较低和接触电阻不稳定差等问题。因此，研制性能优良、能够取代传统铅锡焊料的导电胶成为人们研究的焦点。

导电胶按基体组成可分为结构型和填充型两大类。结构型是指作为导电胶基体的高分子材料本身即具有导电性的导电胶；填充型是指通常胶粘剂作为基体，而依靠添加导电性填料使胶液具有导电作用的导电胶。目前导电高分子材料的制备十分复杂、离实际应用还有较大的距离，因此广泛使用的均为填充型导电胶。

填充型导电胶通常是由基体树脂和导电填料两大部分组成的。其中，导电填料主要是金属粉末(Ag、Cu、Ni等)，银粉兼具导电性好和抗氧化能力强的优点，但是价格昂贵，且在湿热环境下容易发生银迁移现象，造成银导电胶电阻不稳定；铜粉价格较低，导电性好，但其抗氧化能力差，长期暴露在空气中表面易形成氧化膜从而对其电性能有很大影响。而镀银铜粉保留了银良好的导电性，而且银包覆层有效的防止了铜的氧化，其成本相对于银粉大大地降低。因此，它可作为较为理想的导电填料。但目前工业中制备的镀银铜粉也存在一些问题：铜粉表面没有完全被银膜覆盖，其导电性、抗氧化性仍然低于纯银粉；银镀层与铜粉的结合力不强，导致使用过程中镀层脱落的现象。这些问题限制了镀银铜粉在电子封装领域的应用。发明专利(专利号CN101244459)公开了利用稀土的改性作用，铜粉化学镀前活化、敏化及化学镀的过程中采用超声波辅助，所获得镀银层分布均匀、表面光滑，有较高的导电率和抗氧化性。目前已有研究报道熔融法制备银合金添加稀土元素可改善抗氧化性能，但上述专利中在其镀银层中含有的少量的稀土金属未经熔融形成稳定金相的情况下是否能改善抗氧化性尚待探讨。发明专利(专利号CN101709461)为一种铜粉置换的化学镀银的方法，需 要含钯盐成分的催化液预处理，在铜粉表面预植离散的钯质点。发明专利(专利号CN1369341)中制备出了树枝状银粉，该制备方法需在超细铜粉的悬浊液中加入适量的高分子保护的银离子，使银离子与铜发生置换反应，最后得到树枝状超细的纯银粉。该方法中铜仅为置换金属，最终会消耗完全，且其引入了高分子保护剂，也给银粉的洗涤收集带来麻烦。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种片状/枝状镀银铜粉、可替代传统高银含量的绿色无卤低银含量经济型环氧导电胶及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种片状/枝状镀银铜粉，形貌为片状和/或枝状，铜粉表面银的面积包覆率为90～95％，镀银铜粉中锌铝合金的含量小于15wt％。

按上述方案，上述片状/枝状镀银铜粉是以扩散型预合金(pre-diffused alloy powder)铜粉(多元金属粉/合金粉)为基底，经化学镀银后经后处理得到的，所述扩散型预合金铜粉按重量百分比计由0～15wt％银粉、70～90wt％铜粉、1～25wt％锌铝合金粉混合球磨得到的，其中：铜粉粒径＞银粉粒径≥锌铝合金粉粒径。

按上述方案，所述锌铝合金(锌铝合金)粉含铝量1～3wt％。

按上述方案，所述扩散型预合金铜粉是先在超声条件下，经过丙酮，稀酸，去离子水清洗后再进行化学镀银。

按上述方案，所述球磨为高能球磨机球磨，所述高能球磨机为振动式球磨机、搅拌式球磨机、行星式球磨机中的一种，球磨罐为钢材质，磨球采用钢球或高密度锆球，另配备夹套冷却系统，以控制球磨时体系温度不高于200℃；球磨时间为1～72小时。

按上述方案，所述球磨得到的扩散型预合金铜粉的粒径为0.1～15微米。

按上述方案，所述化学镀银液组成：

可溶性银盐：10～50g/L，

还原剂：5～25g/L，

络合剂：10～60g/L，

稳定剂：1～40mg/L，

起泡剂：1～10μg/L。

按上述方案，所述化学镀银为将化学镀银液用pH调节剂预调节为10～14后，加入扩散型预合金铜粉，进行超声波化学镀银处理。

按上述方案，所述的超声波化学镀银使用的频率20～80KHz，功率50～450W，温度25～70℃，反应时间5～30min，采用间歇式超声。

按上述方案，所述的PH调节剂为氨水或乙酸。

按上述方案，所述的银盐为硝酸银，所述还原剂为甲醛，络合剂为EDTA，稳定剂为联吡啶，起泡剂为聚乙二醇。

按上述方案，所述后处理为将化学镀银后的体系进行洗涤，干燥后再于150～300℃还原气氛煅烧30～120min得到镀银铜粉，然后置于氮气中保护储存

一种可替代传统高银含量的绿色无卤低银含量经济型导电胶，它由以下重量百分比的各原料组成：片状/枝状镀银铜粉60～90％，微米级银粉0～30％，环氧树脂6～12％，活性稀释剂1～8％，增韧树脂1～6％，固化剂1～3％，固化促进剂0～1％，偶联剂0.5～2％。

按上述方案，所述的微米级银粉为片状、树枝状、球状或者多种形状组成的混合物，其粒径范围为0.1～15微米。

按上述方案，所述的环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、丙烯酸改性环氧树脂、有机硅改性环氧树脂中的一种或者多种。

按上述方案，所述的活性稀释剂为1，4-丁二醇缩水甘油醚、新戊二醇缩水甘油醚、1，6-己二醇二缩水甘油醚、二乙二醇缩水甘油醚、1,4-环己烷二醇缩水甘油醚、三羟甲基丙烷缩水甘油醚、聚乙二醇二缩水甘油醚中的一种或多种。

按上述方案，所述的增韧树脂为端氨基聚醚酰亚胺树脂、端羧基聚醚酰亚胺树脂、端羧基丁腈橡胶、端羟基丁腈橡胶、端氨基丁腈橡胶、聚硫橡胶、含酚羟基聚酰亚胺树脂中的一种或几种的混合物。

按上述方案，所述的固化剂选用多胺类或其改性物，为双氰胺、二氨基二苯甲烷、二氨基二苯醚、二氨基二苯砜及其衍生物中的一种或多种。

按上述方案，所述的固化促进剂选用咪唑或其衍生物，为2-十一烷基咪唑、2-十七烷基咪唑，2-乙基-4-甲基咪唑，1-氰乙基-2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基-4,5-二羟基甲基咪唑、2-苯基-4-甲基-5-羟基甲基咪唑、2，4-二氨基-6-(2-十一烷基咪唑-1-乙基)-S-三嗪、2,4-二氨基-6-(2-十一烷基咪唑-1-乙基)-S-三嗪的衍生物或2,4-二氨基-6-(2-十一烷基咪唑-1-乙基)-S-三嗪盐中的一种或多种。

按上述方案，所述的偶联剂为3-氨丙基三甲氧基硅烷，3-氨丙基三乙氧基硅烷，3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧硅烷，N-氨乙基-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷中的一种或多种。

一种可替代传统高银含量的绿色无卤低银含量经济型导电胶的制作方法，包括以下步骤：

1.将重量百分比为6～12％的环氧树脂、1～6％的增韧树脂和1～8％活性稀释剂进行第一次混合，得到均匀混合物A；

2.将重量百分比为1～3％的固化剂、0～1％的固化促进剂、0.5～2％的偶联剂加入到步骤1制得的混合物A中，进行第二次混合，得到均匀混合物；

3.将重量百分比为60～90％片状/枝状镀银铜粉、0～30％微米级银粉混合均匀后加入到步骤2制得的混合物中，进行第三次混合，即得所述可替代传统高银含量的绿色无卤低银含量经济型导电胶。

填充性导电胶的导电性是靠填充的金属粒子提供，胶体内部金属粒子之间相互接触形成导电通路。导电理论认为胶体内部粒子与粒子之间形成接触电阻，而所有的接触电阻与粒子的本征电阻的总和为导电胶的体电阻。如公式所示：

R_c＝ρ_i/d+ρ_i/a

R＝M(R_c+R_i)/N

其中R_c为粒子间的接触电阻，R_i为粒子的本征电阻，d为粒径大小，ρ_i遂穿电阻，a粒子间接触面积，R为体系总电阻，M一条导电通路中的粒子的个数，N为导电通路的个数。

当填充的金属粒子为球状时，粒子与粒子之间为点接触，接触面积小，电子不易跃迁，遂穿电阻较大，导电性差。因此需要增加粒子之间的接触面积，或者提高粒子之间的接触概率以形成更多的导电通路。当填充粒子的形貌为枝状时，粒子间的接触面积变大，且在与球状粒子的填充率相同的情况下，具有更多的接触点，即形成更多的导电通路，因此其导电性明显优于球状粒子。在相同填充率的情况下虽然片状填充粒子的接触点少于树枝状，但片状粉末间的接触面积更大，因此具有比树枝状更优的导电性。因此，树枝状及薄片状金属粒子的导电性优于球状粒子。金属是热的良导体，导电胶的导热和导电主要是通过固化后胶体中导电填料之间的多点接触来建立起良好的热流和电流的通路来实现，所以导电胶的高导热率和高导电性可以通过导电填料的优化配比设计来实现，本发明也正是基于此而特别设计合成采用了片状/枝状结构的镀银铜粉，并配合大粒径分布范围的微米级银粉、环氧树脂等各组分的选择和配比，来制备高导电导热的导电胶。本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.本发明提供的片状/枝状镀银铜粉，铜表面银包覆率高，导电性能优异。此外，镀银铜粉中银包覆铜表面的剩余面积为锌铝合金，锌铝合金在氧化时可形成导电氧化物，由此在阻止铜被氧化的同时保证了导电胶导电性能，从而增加了导电胶的耐老化性能。进一步地，本 发明通过在扩散型预合金粉添加银粉而制备的表面生长有枝状纳米银的片状结构的镀银铜粉，还可基于其表表面生长的枝状纳米银在固化时发生融化流延，而实现镀银铜粉的再包覆和填料间的连接，有效提高了镀银铜粉/环氧树脂导电胶的导电性能及稳定性。

2.本发明制备了一类价格低、本征导电性良好的片状/枝状镀银铜粉作为导电填料，其主要一方面原因是其采用了片状/枝状结构镀银铜粉，该片状/枝状结构镀银铜粉增加了填料间多点接触，从而增加了导电及导热性能，本征导电性良好；

3.本发明提供的导电胶性能优越，使用镀银铜粉替代或部分替代纯银粉，降低了成本，价格便宜，导热效果好，充分满足电子封装行业使用要求。

4.本发明提供的导电胶可通过选择适合无卤树脂的组合、偶联剂加入等改善了填充粒子与树脂间的相互作用，提高了界面结合强度，提高了银导电胶的剪切强度，实现无卤。

附图说明

图1是本发明实施例1得到的镀银铜粉形貌图。

图2是本发明实施例得到的片状镀银铜粉形貌图。

具体实施方式

下面结合若干实例对本发明所述的制备工艺进一步详细说明。

实施例1-5镀银铜粉的制备：

实施例1：(1)15g银粉、70g铜粉、15g锌铝合金粉置于高能球磨机中球磨锻造24h，获得扩散型预合金铜粉100g。其中：铜粉粒径＞银粉粒径≥Zn-Al合金粉粒径，Zn-Al合金粉含铝量1～3wt％.

(2)取步骤(1)中100g合金铜粉，超声搅拌条件下分别于丙酮中洗涤15min，3％的稀硫酸中洗涤2min，去离子水清洗三次后，滤除水后待用。

(3)化学镀液组成：主盐(硝酸银25g/L)，还原剂(甲醛20g/L)，络合剂(EDTA30g/L)，稳定剂(联吡啶30mg/L)，起泡剂(PEG 5μg/L)，利用氨水调节pH值到11，加入步骤(2)处理后的合金铜粉，超声化学镀处理(频率40KHz，功率200W，温度25℃，反应时间10min，采用间歇式超声5s/min)，过滤分离，多次去离子水清洗后乙醇清洗一次，洗涤后的镀银铜粉置于真空干燥箱，60℃干燥2小时。

(4)步骤(3)中获得的镀银铜粉置于管式炉中，H₂：N₂＝1:9气氛下，于150℃煅烧30min即可，成品镀银合金铜粉充氮保存。

所得镀银铜粉形貌为片状多枝状，形貌如图1所示，经滴定法测得粉体含银量为32.5wt％，表面银的面积包覆率为95％，电阻率为2.1×10^-4Ω·cm.

实施例2-5

参考实施例1的方法制备镀银铜粉。

其中实施例2中，

步骤(3)为：化学镀液组成：可溶性银盐硝酸银：10g/L，还原剂：甲醛5g/L，络合剂：EDTA10g/L，稳定剂：联吡啶10mg/L，起泡剂：PEG 1μg/L。利用氨水调节pH值到10，加入步骤(2)处理后的合金铜粉，超声化学镀处理(频率20KHz，功率200W，温度70℃，反应时间5min，采用间歇式超声，过滤分离，多次去离子水清洗后乙醇清洗一次，洗涤后的镀银铜粉置于真空干燥箱，干燥而得。

步骤(4)为：步骤(3)中获得的镀银铜粉置于管式炉中，H₂：N₂＝1:9气氛下，于200℃煅烧60min即可，成品镀银合金铜粉充氮保存。

实施例3中，步骤(3)为：化学镀液组成：可溶性银盐硝酸银：50g/L，还原剂：甲醛25g/L，络合剂：EDTA60g/L，稳定剂：联吡啶40mg/L，起泡剂：PEG10μg/L。利用氨水调节pH值到13，加入步骤(2)处理后的合金铜粉，超声化学镀处理，频率80KHz，功率200W，温度25℃，反应时间10min，采用间歇式超声，过滤分离，多次去离子水清洗后乙醇清洗一次，洗涤后的镀银铜粉置于真空干燥箱，干燥而得。

步骤(4)为：步骤(3)中获得的镀银铜粉置于管式炉中，H₂：N₂＝1:9气氛下，于300℃煅烧30min即可，成品镀银合金铜粉充氮保存。

实施例1-5中的组分含量和各参数设置及结果表征见下表1。

表1

根据实施例中数据，本发明中镀银铜粉形貌与预扩散合金铜粉制备过程中银添加量及球磨工艺有关。当银添加量为0％时，镀银铜粉形貌以片状为主；随银添加量增加，球磨时间加长，则镀银铜粉形貌逐渐以片状多枝状为主。所得镀银铜粉电阻率与形貌有关，片状接触面积大、枝状接触点多，均会降低镀银铜粉粉体电阻率。

镀银铜粉粉体含银量及表面银包覆率与预扩散合金铜粉制备过程中银添加量、Zn-Al添加量以及化学镀银工艺有关。锌铝合金加速化学镀银效率，除去银添加量导致的银含量增长外，增加化学镀温度、延长化学镀时间，也会提高镀银铜粉银含量。除此，还原煅烧后处理会进一步改善银包覆率。

实施例6-12导电胶的制备，如无特殊说明，实施例中树脂、溶剂、添加剂均采用卤素含量低于50ppm的原料。

实施例6

按照表2中实施例6中的各组分重量配比称取原料，将环氧树脂、活性稀释剂1，4-丁二醇缩水甘油醚、增韧树脂端氨基聚醚酰亚胺树脂混合10min至均匀，然后加入固化剂双氰胺、固化促进剂2-十七烷基咪唑和偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷，室温下混合10min成为均匀混合物，真空脱泡之后，加入粒径范围为1～15微米的实施例5的镀银铜粉，室温下低速混合30min，再经过三辊机研磨直至成为细腻均匀混合物，离心脱泡5分钟，即可制得导电胶。实施例7-10的导电胶的制备参考实施例6中导电胶的制备，只是使用实施例1的镀银铜粉。同时提供对比例1和2做对照。

表2

上述实施例6-10制得的导电胶在固化条件为175℃的烘箱内放置1h。固化后剪切强度依据ASTM D1002进行测试、电阻率依照ASTM D257进行测试、导热系数依照ASTM C518进行测试、卤素含量根据EN 14582:2007标准进行测试、耐热温度依据可靠性试验判断，老化试验采用双85老化(85℃、85％RH)。实施例6-10和对比例1-2制备的导电胶测试结果见下表3中。

表3

从上表中可以看出，本发明提供的可替代传统高银含量的绿色无卤低银含量经济型导电胶在保持了良好的导电率的同时获得了优良的导热性能，可以满足电子封装的要求。

从实施例8与对比例1、2的对比中可以看出，本发明采用片状/枝状镀银铜粉制备的导 电胶，其耐候性能与银粉(对比例1)接近，远胜普通镀银铜粉(对比例2)。这与本发明采用了片状/枝状镀银铜粉是直接相关的，本发明采用的片状/枝状镀银铜粉中银包覆Cu表面剩余面积为锌铝合金，锌铝氧化后形成导电氧化物，阻止Cu被氧化的同时保证了导电胶导电性能，从而增加了导电胶的耐老化性能。除此，片状多枝状镀银铜粉中铜粉表面生长的枝状纳米银在固化时会发生融化流延，实现镀银铜粉的再包覆和填料间的连接，由此可进一步有效提高镀银铜粉/环氧树脂导电胶的导电性能及稳定性。