有机导电剂的可控制备及其在低温电子浆料中的应用

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低温电子浆料(ECA)由于导电性能较好、线分辨率高、力学性能优良等优点,在芯片封装和连接、先进印刷技术及柔性可穿戴技术等微电子领域得到应用。尤其是柔性电子行业对浆料的需求提升,对导电浆料的导电性和机械性能提出了更高的要求。但是,目前低温电子浆料中银粉导电相含量较高,而其导电性比高温导电浆料差,使用量大,成本高昂,难以满足柔性电子行业的新要求。因此,提高性能、降低成本是当前ECA发展需要解决的关键问题之一。针对上述问题,本文通过化学氧化结合模板法可控制备有机导电剂,并将其作为改性剂与树脂、溶剂和银粉共同制备低温电子银浆,研究有机导电剂及浆料的结构与性能,揭示改性的机理,通过材料合成、组分配方、固化工艺等优化实现低温电子浆料性能最佳,并制造出柔性电路及传感器,对浆料的实际应用进行初探。本文以盐酸为掺杂酸、硫酸铵为氧化剂、甲基橙为模板剂、苯胺为反应单体,运用化学氧化结合软模板法制备有机导电剂(H-MP)。利用FT-IR、TGA、SEM、四探针法等方法对产物的结构和性能进行测试,研究反应物浓度、反应时间和温度H-MP的微观形貌与电导率的影响,探讨结构与导电性能之间的关系。结果表明,模板剂浓度对有机导电剂特定形貌的形成有显著影响,随甲基橙浓度变化,在反应体系中可形成球状、层状及棒状胶束,并诱导苯胺吸附其表面生长和聚集,得到特定微观形貌的MP。而且MP经过盐酸二次掺杂后得H-MP,电导率有所提升。为经过正交试验,优化有机导电剂的合成工艺,制备了尺寸约为0.8~1.5μm的管状结构H-MP,其电导率达1.11S/cm,可作为ECA导电改性剂使用。本文将制备的H-MP作为有机导电剂改性低温电子浆料。通过在热塑性聚氨酯树脂基低温银浆中添加H-MP,经脱泡搅拌与辊轧制备改性ECA。采用DCS、TGA、SEM、恒温恒湿法、微电阻计等方法对改性ECA性能进行测试,研究组分含量与固化工艺对浆料的性能影响。结果表明,添加少量H-MP对ECA的导电性能有显著提升,H-MP填充在银粉粒子之间的间隙,在基体树脂经的固化收缩过程中,H-MP与银粉共同构建了三维导电网络,有效改善ECA的导电性能,同时增强了树脂基体的力学性能。而过量的H-MP则导致ECA的导电性、印刷性变差均变差。通过调整H-MP添加量、银粉含量、固化时间和温度实现ECA性能优化。当60wt%银粉、0.10wt%H-MP与树脂、溶剂及固化剂混合制成ECA,经过丝网印刷和150℃/1.5h固化,其电阻率可达5.32×10-6Ω·cm,且500h耐湿热和耐热性测试中,电阻率变化分别为-23.29%、+4.50%,体现了良好的稳定性。本文还利用改性ECA制备了良好导电性和柔性的电路与NFC电子器件,展现了该ECA在柔性电子领域的应用。本文提出有机导电剂结合银粉构建三维导电网络的设计思路,制备导电性、力学性及稳定性优异的改性ECA,方法新颖简便,为柔性电子用高性能ECA的研究和产业化奠定了理论和实验基础。
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