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印制电子(Printed Electronics)是近年来被公认为微电子和印制电路领域的一种新型的制造技术,发展前景广阔。因此,开展与印制电子相关的材料、工艺、器件、设备等研究,在学术上和工程上均有重要意义。
本论文主要针对印制电子用导电墨水的制备及其应用开展一系列的研究,主要研究内容和结果包括以下几个方面:
1.制备了印制电子用纳米银/有机银导电墨水,包括(1)以硝酸银为银载体,水合肼为还原剂,月桂酸为分散剂,氨水为pH调节剂和反应速率控制剂,绿色一步法制备纳米银导电墨水;(2)采用“晶种”调和的方法,在一定浓度的晶种和还原剂溶液中,添加不同浓度的硝酸银溶液,获得不同尺寸的片状纳米银颗粒,进而制备了片状纳米银导电墨水;(3)以硝酸银为银载体,乙二醇为还原剂,去离子水、乙醇、异丙醇等为墨水性能调节剂,制备了有机银导电墨水。用粒径分析、紫外分析、XRD、TEM、DSC、四探针等对三种导电墨水进行了表征,结果表明,所制备的导电墨水烧结后具有良好的稳定性和电导性,电导率可达块状银的3-10倍。
2.研究了印制电路板(PCB)导电线路的印刷工艺,包括(1)通过Unijet喷墨印刷系统UJ-1600,将绿色一步法制备纳米银银导电墨水沉积在聚酰亚胺基体上,烧结后形成导电的线图形和点图形;(2)通过Epson喷墨打印机R200,将绿色一步法制备的纳米银导电电墨水沉积在中等粗糙度的Epson照相纸上,烧结后形成收音机用的PCB;(3)设计和制备了一种用于直接写工艺来制备印刷电子产品的导电笔和笔阵列(Conductive pen/pen array lithography,CPL/CPAL),并详细研究了书写力量、书写速度、书写层数和书写线宽对电阻率的影响,沉积时间与点尺寸的关系等方面。四探针和表面轮廓仪等结果表明,通过喷墨印制和导电笔直写印制工艺(CPL/CPAL),具备一定精度的高效导电图形是可以获得的。
3.开展了导电墨水的烧结工艺和导电图形的疲劳特性的研究,包括(1)通过高温烧结的方式,详细研究了三种不同的导电墨水(绿色一步法制备纳米银导电墨水,片状纳米银导电墨水、有机银导电墨水)在烧结过程中电导率变化与烧结温度或时间的相互关系,及烧结过程中墨水配方对导电图形形貌的影响;通过低温烧结的方式,即溶剂洗涤的工艺,详细研究了纳米银导电墨水的洗涤前后、洗涤时间、洗涤溶剂等因素对电导率的影响;并对导电机理进行了分析;(2)详细研究了不同印制工艺制备的导电图形的机械疲劳特性,温度疲劳特性和时间疲劳特性。结果表明,通过不同的烧结方式,均可实现导电墨水的较高电导率要求,且所制备的柔性导电图形具有良好的耐疲劳特性。
4.制作了印制电子的原型样品,包括(1)通过Epson喷墨打印机R200成功制备了不同基体(照相纸、硬纸板、PⅠ膜)的FM调频收音机用电路板(PCB),并对其进行元器件贴装及系统封装,制备了一个以PI膜为柔性基板的、可以实际使用FM调频收音机原型样品;(2)采用本研究开发的导电笔和阵列,制备了可应用于纸基柔性电路板上的导电图形。结果表明,印制加成法工艺是可以应用于柔性电子产品的制备。