核壳结构银包铜纳米颗粒的制备工艺与烧结性能表征

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随着电子元器件不断向轻型化、柔性化和小型化发展,其成本和性能等方面的需求日益增大。电子互连材料作为电子元器件中的重要组成部分,其中的银、铜纳米颗粒因易于灵活连接,导电性好,便于实现低温烧结等特点,逐步成为柔性显示器、传感器等领域的研究热点。但是,纳米银粉有价格昂贵及电迁移等缺点,大规模应用不能实现。纳米铜粉成本较为低廉,然而抗氧化能力差,容易生成氧化物杂质,极大的限制了其应用和性能。因此,本课题系统的研究出一种既能提高铜纳米颗粒的抗氧化性,又具备铜和银的良好导电性能的新型互连材料的制备工艺。并对其印刷工艺和烧结性能进行表征,探究最佳方案的烧结图样的可靠性。本文使用置换与化学还原的方法制备出不同银含量的核壳结构Cu@Ag纳米颗粒。制备分两步进行,第一步通过控制分散剂PVP、还原剂NaH2PO2·H2O的浓度和反应温度与时间等变量,分析出纳米Cu的最佳条件。第二步,使用第一步中制出的纳米Cu粉,通过调节柠檬酸钠及硫酸银浓度,制备出不同银含量的核壳结构Cu@Ag纳米颗粒。最终制备出的核壳结构Cu@Ag纳米颗粒尺寸在30 nm左右。柠檬酸钠与银离子摩尔比为0.50,银离子与铜摩尔比为0.15与0.30时,制备出两种银含量较低的核壳结构Cu@Ag纳米颗粒。通过纳米颗粒的HR-TEM、SEM、EDS、XRD及紫外-可见吸收光谱等表征方法,确定颗粒的核壳结构和抗氧化性。针对不同的柔性基板,选取出最佳的Cu@Ag油墨制备及印刷工艺。选取合适的溶剂,将Cu@Ag纳米粉配制成30%、40%、50%和60%四种固含量的导电油墨。将Cu@Ag油墨分别印刷在两种柔性基板上,通过柔性电路对比,得出印刷效果最佳的固含量。结果显示,固含量为50%的Cu@Ag油墨,在相纸上印刷效果最佳。固含量为60%的Cu@Ag油墨,在PI膜上印刷效果最佳。通过表征Cu@Ag油墨图样在五种烧结温度下的组织变化,揭示了不同银含量Cu@Ag油墨的烧结过程。分析烧结组织的SEM图及相应电阻率,确定最佳烧结温度为240°C。根据240°C下四种固含量图样的孔隙率和导电性能,得出导电性能最佳的PI膜图样的电阻率。银离子与铜摩尔比为0.30,Cu@Ag固含量为60%,且在240°C下烧结30 min时,得到最低的电阻率36μΩ·cm。通过对PI膜图样的可靠性测试,发现其具有一定的耐弯折性和耐化学腐蚀性。
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