高温银浆表面金属化研究

郑志勤+易发成+王哲

摘 要：通过扫面电镜和能谱分析技术研究了烧结保温时间对中温银浆和高温银浆的金属化层形貌的影响。采用丝网印刷工艺将两种电子银浆料均匀分布在氧化铝陶瓷板表面，通过调整不同烧结保温时间探究不同金属化层的微观形貌及迁移情况，最佳烧结保温时间是20 min。基于实验结果，在银金属化层与氧化铝陶瓷基板界面处提出了银金属化层网状结构和玻璃的网状结构相互交错的模型。

关键词：丝网印刷 陶瓷金属化 高温银浆

中图分类号：TG146 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（b）-0005-02

表面金属化后的陶瓷广泛应用在电池，集成电路，切削工具，特别是能源行业[1].因此，近几十年陶瓷科研工作者已为实现陶瓷的表面金属化做出了显著的努力。在这些金属化工艺中，采用丝网印刷费厚膜金属化工艺因其简便和廉价的实验工艺成为广阔应用的工艺之一[2-3].通常，采用丝网印刷的陶瓷表面金属化可以通过玻璃相迁移过程实现[4]。

1 实验部分

烧结银金属化层前，陶瓷基板两侧的银浆均通过孔径为200目的丝网印刷成直径15 mm，厚0.8 mm的形状.在600 ℃下烧结保温时间是10 min，20 min，30 min烧结，陶瓷基板分别10wt%，20wt%，30wt%的氢氧化钠浓度腐蚀。腐蚀后的基板均分别印刷上银浆，烧结保温20 min。

2 结果与讨论

图1为600 ℃保温20 min烧结下不同浓度氢氧化钠预处理的断口形貌图，其中（a）无预处理，（b）10%氢氧化钠预处理，（c）20%氢氧化钠预处理，（d）30%氢氧化钠预处理，分析对比，（a）断口金属化层与陶瓷已有脱落，可以看到裂缝的存在；（b）金属化层与陶瓷表面也有部分脱落；但是（c）（d）两个断口金属化层仍结合在陶瓷上，并且所用的粘结剂有机胶也没有被拉下。

图2为银金属化层与陶瓷基板间的连接体模型。银浆刚丝网印刷上陶瓷基板后，银粉和玻璃粉体是随机分布的如图2（a）。伴随烧结温度超过玻璃粉体的软化温度，玻璃粉体变成液态携带着银粉流动并润湿填充在陶瓷基板上的微裂纹间如图2（b）。随后的冷却过程中，银金属化层逐渐形成如图2（c）。因为在流动的玻璃体中银离子分散速度快于银原子，烧结过程中形成了稳定的内嵌网状银的玻璃网络结构如图2（d）。两种网络结构间的化学和物理键合增强了连接层。陶瓷基板表面，晶粒间被浸润在一层玻璃相中如图2（e）。在连接层区域，填充的玻璃相起到了非常关键的作用，如增加对陶瓷基板的腐蚀程度提高了玻璃相的润湿性进而增强了附着力强度。

3 结语

研究了烧结时间和基板腐蚀情况氧化铝陶瓷银金属化的影响：陶瓷基板的腐蚀程度会显著影响氧化铝陶瓷银金属化效果；基于实验数据，提出了表面金属化过程中连接层形成的模型；部分银离子在流动玻璃体的帮助下迁移至氧化铝陶瓷基板内；烧结速率和机理除了烧结气氛、温度、保温时间和表面张力等变量决定外，还与粉体粒径分布、颗粒比表面、填充效率、玻璃粉粘度等变量决定。

参考文献

[1] Fernie J A，Drew R A L， Knowles K M.Joining of engineering ceramics[J].International Materials Reviews，2009（54）：283-331.

[2] Ionkin A S，Fish B M，Li Z R，Lewittes M，et al.Screen-printable silver pastes with metallic nano-zinc and nano-zinc alloys for crystalline silicon photovoltaic cells[J].ACS Applied Materials & Interfaces，2011（3）：606-611.

[3] Vechembre J B，Fox G R.Sintering of screen-printed platinum thick film for electrode applications [J].Journal of Materials Research，2001（16）：922-931.

[4] Huh J Y，Hong K K，Cho S B， et al.Effect of oxygen partial pressure on Ag crystallite formation at screen-printed Pb-free Ag contacts of Si solar cells[J].Materials Chemistry and Physics，2011（131）：113-119.

[5] Khanna V K.Adhesion–delamination phenomena at the surfaces and interfaces in microelectronics and MEMS structures and packaged devices [J].Journal of Physics D：Applied Physics，2011（44）：034004.endprint

摘 要：通过扫面电镜和能谱分析技术研究了烧结保温时间对中温银浆和高温银浆的金属化层形貌的影响。采用丝网印刷工艺将两种电子银浆料均匀分布在氧化铝陶瓷板表面，通过调整不同烧结保温时间探究不同金属化层的微观形貌及迁移情况，最佳烧结保温时间是20 min。基于实验结果，在银金属化层与氧化铝陶瓷基板界面处提出了银金属化层网状结构和玻璃的网状结构相互交错的模型。

关键词：丝网印刷 陶瓷金属化 高温银浆

中图分类号：TG146 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（b）-0005-02

表面金属化后的陶瓷广泛应用在电池，集成电路，切削工具，特别是能源行业[1].因此，近几十年陶瓷科研工作者已为实现陶瓷的表面金属化做出了显著的努力。在这些金属化工艺中，采用丝网印刷费厚膜金属化工艺因其简便和廉价的实验工艺成为广阔应用的工艺之一[2-3].通常，采用丝网印刷的陶瓷表面金属化可以通过玻璃相迁移过程实现[4]。

1 实验部分

烧结银金属化层前，陶瓷基板两侧的银浆均通过孔径为200目的丝网印刷成直径15 mm，厚0.8 mm的形状.在600 ℃下烧结保温时间是10 min，20 min，30 min烧结，陶瓷基板分别10wt%，20wt%，30wt%的氢氧化钠浓度腐蚀。腐蚀后的基板均分别印刷上银浆，烧结保温20 min。

2 结果与讨论

图1为600 ℃保温20 min烧结下不同浓度氢氧化钠预处理的断口形貌图，其中（a）无预处理，（b）10%氢氧化钠预处理，（c）20%氢氧化钠预处理，（d）30%氢氧化钠预处理，分析对比，（a）断口金属化层与陶瓷已有脱落，可以看到裂缝的存在；（b）金属化层与陶瓷表面也有部分脱落；但是（c）（d）两个断口金属化层仍结合在陶瓷上，并且所用的粘结剂有机胶也没有被拉下。

图2为银金属化层与陶瓷基板间的连接体模型。银浆刚丝网印刷上陶瓷基板后，银粉和玻璃粉体是随机分布的如图2（a）。伴随烧结温度超过玻璃粉体的软化温度，玻璃粉体变成液态携带着银粉流动并润湿填充在陶瓷基板上的微裂纹间如图2（b）。随后的冷却过程中，银金属化层逐渐形成如图2（c）。因为在流动的玻璃体中银离子分散速度快于银原子，烧结过程中形成了稳定的内嵌网状银的玻璃网络结构如图2（d）。两种网络结构间的化学和物理键合增强了连接层。陶瓷基板表面，晶粒间被浸润在一层玻璃相中如图2（e）。在连接层区域，填充的玻璃相起到了非常关键的作用，如增加对陶瓷基板的腐蚀程度提高了玻璃相的润湿性进而增强了附着力强度。

3 结语

研究了烧结时间和基板腐蚀情况氧化铝陶瓷银金属化的影响：陶瓷基板的腐蚀程度会显著影响氧化铝陶瓷银金属化效果；基于实验数据，提出了表面金属化过程中连接层形成的模型；部分银离子在流动玻璃体的帮助下迁移至氧化铝陶瓷基板内；烧结速率和机理除了烧结气氛、温度、保温时间和表面张力等变量决定外，还与粉体粒径分布、颗粒比表面、填充效率、玻璃粉粘度等变量决定。

参考文献

[1] Fernie J A，Drew R A L， Knowles K M.Joining of engineering ceramics[J].International Materials Reviews，2009（54）：283-331.

[2] Ionkin A S，Fish B M，Li Z R，Lewittes M，et al.Screen-printable silver pastes with metallic nano-zinc and nano-zinc alloys for crystalline silicon photovoltaic cells[J].ACS Applied Materials & Interfaces，2011（3）：606-611.

[3] Vechembre J B，Fox G R.Sintering of screen-printed platinum thick film for electrode applications [J].Journal of Materials Research，2001（16）：922-931.

[4] Huh J Y，Hong K K，Cho S B， et al.Effect of oxygen partial pressure on Ag crystallite formation at screen-printed Pb-free Ag contacts of Si solar cells[J].Materials Chemistry and Physics，2011（131）：113-119.

[5] Khanna V K.Adhesion–delamination phenomena at the surfaces and interfaces in microelectronics and MEMS structures and packaged devices [J].Journal of Physics D：Applied Physics，2011（44）：034004.endprint

摘 要：通过扫面电镜和能谱分析技术研究了烧结保温时间对中温银浆和高温银浆的金属化层形貌的影响。采用丝网印刷工艺将两种电子银浆料均匀分布在氧化铝陶瓷板表面，通过调整不同烧结保温时间探究不同金属化层的微观形貌及迁移情况，最佳烧结保温时间是20 min。基于实验结果，在银金属化层与氧化铝陶瓷基板界面处提出了银金属化层网状结构和玻璃的网状结构相互交错的模型。

关键词：丝网印刷 陶瓷金属化 高温银浆

中图分类号：TG146 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（b）-0005-02

表面金属化后的陶瓷广泛应用在电池，集成电路，切削工具，特别是能源行业[1].因此，近几十年陶瓷科研工作者已为实现陶瓷的表面金属化做出了显著的努力。在这些金属化工艺中，采用丝网印刷费厚膜金属化工艺因其简便和廉价的实验工艺成为广阔应用的工艺之一[2-3].通常，采用丝网印刷的陶瓷表面金属化可以通过玻璃相迁移过程实现[4]。

1 实验部分

烧结银金属化层前，陶瓷基板两侧的银浆均通过孔径为200目的丝网印刷成直径15 mm，厚0.8 mm的形状.在600 ℃下烧结保温时间是10 min，20 min，30 min烧结，陶瓷基板分别10wt%，20wt%，30wt%的氢氧化钠浓度腐蚀。腐蚀后的基板均分别印刷上银浆，烧结保温20 min。

2 结果与讨论

图1为600 ℃保温20 min烧结下不同浓度氢氧化钠预处理的断口形貌图，其中（a）无预处理，（b）10%氢氧化钠预处理，（c）20%氢氧化钠预处理，（d）30%氢氧化钠预处理，分析对比，（a）断口金属化层与陶瓷已有脱落，可以看到裂缝的存在；（b）金属化层与陶瓷表面也有部分脱落；但是（c）（d）两个断口金属化层仍结合在陶瓷上，并且所用的粘结剂有机胶也没有被拉下。

图2为银金属化层与陶瓷基板间的连接体模型。银浆刚丝网印刷上陶瓷基板后，银粉和玻璃粉体是随机分布的如图2（a）。伴随烧结温度超过玻璃粉体的软化温度，玻璃粉体变成液态携带着银粉流动并润湿填充在陶瓷基板上的微裂纹间如图2（b）。随后的冷却过程中，银金属化层逐渐形成如图2（c）。因为在流动的玻璃体中银离子分散速度快于银原子，烧结过程中形成了稳定的内嵌网状银的玻璃网络结构如图2（d）。两种网络结构间的化学和物理键合增强了连接层。陶瓷基板表面，晶粒间被浸润在一层玻璃相中如图2（e）。在连接层区域，填充的玻璃相起到了非常关键的作用，如增加对陶瓷基板的腐蚀程度提高了玻璃相的润湿性进而增强了附着力强度。

3 结语

研究了烧结时间和基板腐蚀情况氧化铝陶瓷银金属化的影响：陶瓷基板的腐蚀程度会显著影响氧化铝陶瓷银金属化效果；基于实验数据，提出了表面金属化过程中连接层形成的模型；部分银离子在流动玻璃体的帮助下迁移至氧化铝陶瓷基板内；烧结速率和机理除了烧结气氛、温度、保温时间和表面张力等变量决定外，还与粉体粒径分布、颗粒比表面、填充效率、玻璃粉粘度等变量决定。

参考文献

[1] Fernie J A，Drew R A L， Knowles K M.Joining of engineering ceramics[J].International Materials Reviews，2009（54）：283-331.

[2] Ionkin A S，Fish B M，Li Z R，Lewittes M，et al.Screen-printable silver pastes with metallic nano-zinc and nano-zinc alloys for crystalline silicon photovoltaic cells[J].ACS Applied Materials & Interfaces，2011（3）：606-611.

[3] Vechembre J B，Fox G R.Sintering of screen-printed platinum thick film for electrode applications [J].Journal of Materials Research，2001（16）：922-931.

[4] Huh J Y，Hong K K，Cho S B， et al.Effect of oxygen partial pressure on Ag crystallite formation at screen-printed Pb-free Ag contacts of Si solar cells[J].Materials Chemistry and Physics，2011（131）：113-119.

[5] Khanna V K.Adhesion–delamination phenomena at the surfaces and interfaces in microelectronics and MEMS structures and packaged devices [J].Journal of Physics D：Applied Physics，2011（44）：034004.endprint