纳米银颗粒制备及导电性能研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:dizenxu
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由于纳米材料的尺寸效应,当银颗粒的尺寸降低至纳米级别,其可以在远低于块体银的熔点下发生烧结,并且烧结温度随着银颗粒粒径尺寸的减小而持续降低。因此,纳米银颗粒(Ag NPs)可以在远低于块体银的熔点(961℃)下发生烧结,在烧结后形成多孔的块体会表现出和块体银接近的电学、热学和力学等性能。相比其它金属纳米材料,纳米银颗粒具有优异的抗氧化性能、优异的导电性能和导热性能,因而被广泛应用于制造印刷电子行业中的导电油墨和高功率器件封装互联的纳米银膏。但目前市场上的纳米银颗粒普遍存在尺寸偏大、尺寸不均一、烧结温度偏高和价格昂贵等缺点,因此急需开发一种颗粒尺寸较小、具有低温烧结特性的纳米银颗粒,以满足高性能的导电银油墨和纳米银膏的需求。针对上述问题,本文开发一种颗粒尺寸小于30 nm且具有优异低温烧结特性的纳米银颗粒,并评价以该纳米银颗粒制备的Ag NPs基导电银油墨在印刷电子和纳米银膏在高功率器件封装中应用的性能表现;此外本文还研制一种无颗粒分子型银油墨,并探究烧结温度和烧结时间对其烧结后导电性能的影响。本文主要研究内容如下:(1)纳米银颗粒的制备:采用液相还原法通过水合肼(N2H4·H2O)还原银氨溶液来制备纳米银颗粒,探究不同类型的保护剂对纳米银颗粒尺寸的影响,并通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)和热重分析仪(TGA)等对纳米银颗粒的微观组织形貌、物相和纯度进行系统的表征。结果发现,当保护剂为十二烷酸其制备的纳米银颗粒粒径分布均匀且尺寸最小为30 nm。(2)纳米银颗粒基导电油墨低温烧结性能的研究:以自制的纳米银颗粒作为导电填料配制导电油墨,基于SEM和XRD等表征手段探究纳米银颗粒在不同烧结温度和不同烧结时间下的微观组织形貌和晶粒尺寸的演变过程。结果表明,纳米银颗粒在150℃烧结20 min可部分形成烧结颈,在175℃烧结30 min可形成大面积的烧结体。进一步升高温度至225℃,烧结30 min即可形成体积电阻率为12.1μΩ·cm的导电线路。(3)无颗粒分子型银油墨的导电性能研究:以新癸酸银、二甲苯、松油醇制备出分子型银油墨,探究了其在不同烧结温度和不同烧结时间下得到纳米银颗粒的尺寸及导电银膜微观组织形貌的演变过程,探明了在不同烧结参数下分子型银油墨烧结线路导电性的变化规律。结果表明,当烧结温度为125℃时,分子型银油墨产生的银颗粒尺寸为60 nm,当烧结温度升高至150℃,其产生的银颗粒尺寸为110 nm,当烧结温度为175℃,其产生的颗粒尺寸为160 nm;在175℃烧结30 min其表现出优异的电学性能(8.2μΩ·cm)。(4)纳米银膏低温互联性能的研究:以DBC(direct board copper)为互联基板,采用三明治状的封装互联结构对纳米银膏封装互联的力学性能进行评价,探究键合温度、键合时间和键合压力对其力学性能的影响。结果表明,当键合压力为10MPa、键合温度为250℃、键合时间为20 min,得到最优的互联接头剪切强度为61.6MPa,可以很好地满足目前高功率半导体器件的封装要求。
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