LED灯导电布线印刷银浆的试制

朱登雷 付轶雯

摘 要：导电银浆是印刷厚膜电子零件的关键基础原料之一，在LED灯具导电布线的印刷方面用量特别大。因此，可焊性、导电性良好的导电银浆的研制具有十分重要的意义。本课题主要研究电子银浆的可焊性、导电性和影响这些性能的因素，以期为使用性能良好的电子银浆的设计和制造提供理论和技术支持。

关键词：导电银浆；丝网印刷；LED灯

中图分类号：TM923.34 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）22-0069-03

Trial-Manufacture of Silver Paste for Conductive Wiring of LED Lamps

ZHU Denglei FU Yiwen

（Anyang Institute of Technology，Anyang Henan 455000）

Abstract： Conductive silver paste is one of the key basic raw materials for printing thick film electronic parts， and it is especially used in the printing of conductive wiring of LED lamps. Therefore， the development of conductive silver paste with good solderability and good conductivity is of great significance. In order to provide theoretical and technical support for the design and manufacture of electronic silver paste with good performance， this paper studied the solderability， conductivity and the factors affecting these properties of electronic silver paste.

Keywords： conductive silver paste；screen printing；LED lamp

隨着科技的发展，人们使用的照明灯具也在不断进步。LED灯以其亮度高、能耗低、寿命长等优势正不断走进千家万户中。可是，现在市场上大部分LED灯还存在很多缺点，如制造工艺复杂，基座散热性差等，这就要求研究出更加合理的制造工艺，来弥补它的缺陷。导电银浆是印刷厚膜电子零件的关键基础原料之一，在电子信息范畴普遍应用，特别是在导电布线的印刷方面用量特别大。因而，可焊性、导电性良好的导电银浆的研制具有十分重要的意义。

1 导电银浆的配制

1.1 实验材料的选购

银粉购自中科铜都粉体新材料股份有限公司的球形微米银及片状银粉；玻璃粉购自上海玖银电子科技有限公司；乙基纤维素产自天津市大茂化学试剂厂及美国亚什兰集团公司；松油醇和表面活性剂购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；纯水由实验室制作。

1.2 银粉的选择

作为导电相，银粉是电子浆料中最重要的成分，其内部的空洞、位变等缺陷的多少，银粉之间的接触面积的大小，以及银粉之间距离的远近，都会影响浆料印刷、烧结成膜后电路的导电性能[1]。因此，银粉的选择在电子浆料的研发工作中起到十分重要的作用。

现阶段，市场上在售的银粉主要有纳米银粉、球形银粉和片状银粉，不同银粉有各自的特性，用于不同的电子浆料中。纳米银粉主要用于高温烧结型导电浆料；球形银粉粒度稍大，振实密度较高，具有良好的填充效果，烧结过程中收缩率低，主要用于烧结型厚膜导电浆料；片状银粉的粒度较大，一般是1～10μm，主要用于低温固化型导电浆料。经过前期实验验证发现球形银粉与片状银粉按照4∶1的比例混合后更适合LED灯导电布线印刷银浆的使用[2]。

片状银粉比普通球形银粉有更大的接触面积，因此更有利于提高成膜后电路的导电性能[3]。目前，在售片状银粉一般是通过将球形银粉进行球磨得到的。在片状银粉的加工过程中，巨大的压力将导致片状银粉内部存在很多结构性缺陷，这些缺陷将导致定向流动的电子被强烈散射，从而使电阻增大。为减少此种缺陷的影响，应当使用适当的热处理方式来改善其性能。

1.3 玻璃粉的选择

通常，导电银浆中玻璃粉的含量为5～10wt%，在一些电阻浆料中玻璃粉的含量甚至可以达到一半以上。作为黏结剂，玻璃粉的质量可以直接影响浆料成膜后导电膜层的质量。如玻璃粉的软化点、膨胀系数都将最终影响导电银层与基板之间的附着力[4]。

本设计备选玻璃粉有3种，型号分别为：S-3、AN-3、B-H。分别取出适量放置在3块氧化铝陶瓷基片上，置于箱式炉中进行烧结，观察它们大致的熔点及与氧化铝陶瓷基片的结合效果[5]，以选取出最为合适的玻璃粉。

具体实验步骤如下。①设置箱式炉的温度，从室温升温至500℃，然后保温10min。打开箱式炉观察发现玻璃粉S-3已经开始熔化并轻微黏结在了陶瓷片上，其他两种玻璃粉形态上都没有太大的变化。②接着设置箱式炉的温度经过20min从500℃升至600℃后保温10min，打开箱式炉观察发现玻璃粉S-3进一步熔化，形成了小的圆形玻璃珠，B-H型玻璃粉也开始熔化，AN-3型玻璃粉没有太大变化。③设置箱式炉的温度经过20min从600℃升温至700℃后保温10min。打开箱式炉观察发现S-3型玻璃粉和B-H型玻璃粉都已经完全熔化，而AN-3型玻璃粉只是开始收缩结块，如图1所示。观察发现，其中S-3型玻璃粉与陶瓷片浸润较好，B-H型玻璃粉形成较为圆滑的玻璃珠，浸润性较差。对比3种玻璃粉的熔点以及烧结后它们与陶瓷片结合的紧密程度，最终选择S-3型的玻璃粉进行后续实验。

1.4 有机载体的制作及银浆的配制

此次实验选择了3种乙基纤维素作为备选，型号分别为CE100、CE200、M100，其中CE100和CE200外观为白色颗粒，M100为白色粉末。分别取3种乙基纤维素约 0.2g放在氧化铝陶瓷基片上，将陶瓷基片置于箱式炉中烧结，温度设置550℃，时间10min，烧结完毕后取出陶瓷片观察表面灰粉的残留情况[6]。观察发现，3种材料均有一定的黑灰色灰分残留，如图2所示。相比之下，M100灰分残留更少，且考虑到CE100和CE200为进口材料，M100为国内生产材料，故考虑首选M100作为后续实验材料。

用电子天平称得松油醇92g、乙基纤维素5g、硅烷偶联剂2g、表面活性剂1g混合于烧杯中，并置于搅拌器上加热搅拌，经过1h的搅拌溶解完全，制得均匀透明的有机载体，供制备银浆使用。

然后，取适量有机载体于烧杯中，边搅拌边按照配方再称取银粉、玻璃粉、有机载体，将其混入烧杯中搅拌0.5h，制得黏度良好的银浆，如图3所示。将此浆料在室温条件下静置2个月，观察未发现分离、沉淀、分层的情况。

2 烘干、烧结工艺及性能测试

2.1 烘干及烧结工艺

要想让导电银浆发挥最佳的导电性能，必须要设置适当的烘干、烧结过程。LED灯用的银浆为烧结型银浆，最主要的工艺参数为烧结温度。现阶段，烧结方法多种多样，我们使用传统的箱式炉烧结来做实验。

将得到的银浆通过手动丝印机印刷在氧化铝陶瓷基片上[7]，印刷好的图形先进行烘干。在烘干的初始阶段，银浆中的溶剂会通过印刷膜层的表面挥发，银粉颗粒之间的距离迅速缩短。当膜层表面已经干燥后，溶剂就需要先扩散到膜层的表面然后挥发到空气中，因此挥发会变得比较缓慢，银粉颗粒之间的距离也会缓慢缩短。烘箱设置200℃经过约10min后溶剂完全挥发，印刷图形干燥完毕之后的图形如图4所示。

将干燥完毕的图形转入箱式炉中烧结。烧结图形在500℃时保温20min，将浆料中的树脂去掉，然后分别在以600、700℃和800℃的烧结温度保温20min进行实验，取出后冷却观察浆料成膜的光亮程度，具体情况见表1。通过对比发现，当烧结温度设置为800℃时浆料烧结而成的导电膜最为紧致光亮，如图5所示，故选择800℃为烧结温度。

2.2 性能测试

性能测试主要包括两个方面：①银膜的可焊性测试；②银膜的导电性测试。测试步骤如下。首先，在银膜图案上涂抹少量助焊剂，然后用普通的电烙铁熔化焊锡丝进行上锡。实验发现：银膜上锡良好，焊点饱满、光亮、牢固。具體如图6所示。最后，将电阻测试图形连接到电路中，用两节干电池供电来点亮一个5mm的白光LED灯泡，灯泡的正常工作电压为2.8～3.8V。灯泡可以正常点亮[8]，如图7所示。

3 结论

本文所研究的导电银浆是一种适用于丝网印刷的LED灯导电布线用烧结型银浆，主要的研究目的是试制出一种可焊性、导电性良好的导电银浆。经测试，试制所得浆料可焊性良好，上锡饱满，电阻率低，基本可以满足使用需求。在后续的工作中仍需进一步实验，以提高导电银浆的耐焊性及附着力。

实验探究得出的重点结论如下：银粉、玻璃粉的选择，烧结工艺的不同，是影响银浆成膜拉力、银层致密性及导电性的主要因素。满足高导电性的银粉应具有以下特点：粒径适中，微米级，形状以球状粉末为佳，适量加入热处理后的片状银粉可改善其导电性能。烧结温度的不同直接影响银层的致密性，从而影响成品的光亮度及导电性，较高的烧结温度可以改善银层的致密性，但继续增高温度反而会由于银层被氧化而导致导电性下降。玻璃粉在导电银浆中起着重要作用。玻璃粉的软化温度要和烧结温度相匹配，同时要考虑其膨胀率，膨胀率对成品拉力有重要影响。有机相的润湿性越强，浆料的分散性越好，导电银浆的稳定性越好。

参考文献：

[1]易伟.微米级导电浆料用银粉制备及表征[D].沈阳：东北大学，2009.

[2]魏艳彪，曹秀华.片状银粉对烧结型银浆性能的影响[J].电子工艺技术，2013（3）：142-144.

[3]刘永庆.电子浆料用片状银粉的制备[J].丝网印刷，2006（2）：24-26.

[4]余守玉，傅仁利，张捷.电子浆料用玻璃的研究及发展趋势[J].电子与封装，2015（1）：41-48.

[5]刘小丽，朱晓云，肖晓东，等.陶瓷散热片用铜浆玻璃相的制备[J].材料导报，2011（1）：357-359.

[6]张志旭，李宏杰，曲海霞，等.中温快烧银浆表面亮度的影响因素[J].贵金属，2017（1）：22-26.

[7]车龙.高分辨、高导电固化型银浆的研究[D].长沙：国防科学技术大学，2014.

[8]甘卫平，周华，张金玲.无铅银浆烧结工艺与导电性能研究[J].电子元件与材料，201（4）：65-69.