浅谈水基石墨烯-铜复合导电浆料的制备及性能分析

2021-09-08刘振禹陈韶华

新型工业化 2021年6期

刘振禹，陈韶华

（山东华冠智能卡有限公司，山东济南 271100）

0 引言

经研究发现，一种铜的金属资源比金更加具有良好的导电性能，本文研究了以铜复合导电浆料的工艺，首先介绍了它的背景技术，是一种抗氧化铜导体浆料的制备的方法，并验证了该方法的有效性，比起金属来说更具有导电性能。制备出附着力高，导电性能好的铜金属电浆过程。

1 水基石墨烯

1.1 什么是石墨烯

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、电子、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。事实上石墨烯本来就存在于自然界中，它是一种难以利用的单层结构。一毫米厚的石墨大约包含着300万层石墨烯。在加上人们的合理开发和利用，制备石墨烯的方法层出不穷。在此基础上，石墨烯在开发上，释放出来的6～14um的红外光波，与人体的生命光波接近一致，能够有效地激活身体细胞核算，蛋白质等生物分子，改善血液的循环[1]，如图1。

图1 石墨烯与人体的相对强度

1.2 石墨烯的特点

它的特点层出不穷，比如拥有高机械强度，石墨烯的厚度为0.335nm，杨氏模量可以高达1TPa，断裂强度可以达到130GPa；再者具有高导电性，石墨烯电阻率仅10～6Ω·cm，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s；还有就是拥有高导热性，单层的石墨烯的导热系数可以达到5300W/m·K，为铜的14倍，还高于碳纳米管和金刚石等等。另外，他的表面积理论值有2630m2/g，具有良好的化学稳定性[2]。

2 铜导体浆料的制备方法与性能分析

2.1 背景技术

铜导体浆料通过丝网的印刷方式，可以烧成等工序在基片上只做很多的工艺，比如使导线相互连接、导体、电容、电感等等，他可以制备出一些具有一定功能的电路单元，这都是人们使用的基础物质。导体浆料都是发展某些电子仪表，精密配件的基础设施，在人们的生活中是必不可少的。比如说集成电路的固定芯片，精密仪表按键等等都离不开它。也可以制作成片式原件和印刷设备的关键性材料。以金属铜发展电子浆料是为我国信息技术往往都是发展的一个重要因素，对我国电子技术的存在和发展具有一定的现实意义，推动经济的持续发展[3]。

在制备浆料的过程中，导电的金属粉末是重中之重，也是制备的关键问题，没有优良的金属粉末就没有合适他的电子浆料。他们两个往往都会相互结合相互制约的，如图2。对于导体浆料而言，他们的存在方式大多以金属为主，比如说铂金，银等，相对来说他们的价值高，利用率广泛。

图2 导电浆料的传统工艺

2.2 铜导体浆料的制备方法

导电铜浆料的研究成分主要是抗氧化性研究，要知道许多的金属物质都具有氧化还原反应，在氧化的作用下逐渐失去其作用，从而影响金属物质的使用率。再者就是研究导电性能的广泛应用，针对抗氧化性能的研究方面，目前有一种就是在同粉表面上包裹上一层金属保护物质或者是还原剂，有还原剂的存在使铜不易受到氧化还原反应。但是这种方法使工艺变得极其复杂，所用的成本较高，还不利于环境的保护问题。但经过科学的不断研究，分别进行了多种材料的有机结合。通过结合的方法，顺利的将铜作为准确的运用材料。他们分别是调整粘结剂、金属导体、金属导电填料的百分比例。金属导电材料占总体的百分之六十五，粘结剂占百分之十二，有机的化学载体占八分之八。粘结剂均为树脂的一种或两种，他们具有良好的保护铜金属的功能，具有一定的粘稠力度。所述的有机结合体主要包括固化剂、促进剂、硅烷偶联剂、稀释剂、消泡剂、表面活性剂等等，将他们所有的试剂进行有效的结合，形成一种有机的载体以及金属导电混合材料，再将它们进行180～250摄氏度的低温固化方法，他们所产生的化学反应，进行与铜基复合电浆料相互连接。将合金粉混合，得到复合导电填料，量取固化剂，并依此加入促进剂当中，得到一种有机的载体。这样制作出来的铜导电浆料制作成本低，还具有一定的导电稳定性，他可以利用于多方面的领域，有着不可或缺的载体[4]。

该浆料的主要成分就是铜，他在里面起着一个导电的作用因素，铜粉的形状类似于微米级球状，他们的颗粒大小是制作铜浆的关键性问题，要想完全溶解于水基石墨烯，是一个难题。颗粒太小时，会导致铜粉粒子之间的接触点数增长，所以接触面积也会同时减少，影响其电阻增大。而且越细越容易被氧化，到达一定的程度，会影响它的效果，在进行印刷或者研究其他的领域中带来不便。所以唯一的办法就是进行烧结，烧结厚的产品特性具有一定的通透光亮，烧结后端头的铜覆盖率高，导电率高。

表1 浆料参数

它的工艺具体由以下几种方法来制作，首先进行搅拌，使用前低速滚磨二十四小时或手工三维搅拌10分钟以上，才进行涂端，适合于厚硅胶板，进行涂端模式；然后在进行清洗，在这个过程中使用无水乙醇或松节油，能够有效地防止产品导致粗糙性，再进行干燥的处理，温度在15-25摄氏度之间，储存三个月；而后进行包装，这样的方法才能有效的利用产品，达到最具效果的产品实用性。

2.3 铜导体浆料的性能

铜在所有的有色金属里面，导电的能力排行是第二名，通常我们在制作电线电缆的领域当中铜在所有金属中所占比例最高。它们的选材铜含量都不能低于99.95%。在加上石墨烯的导电性能，结合铜来说，是最具有金属导电的性能之一的浆料。无氧铜的导电率非常之高，再加上加工性能耐腐蚀和耐低温性能均好。相比于其他的材料，铜导体浆料的体积电阻率与银及其相近，但是他的价格是银的十二分之一，价格低廉，是制备到电浆料的理想材料，导电铜浆具有优异的性能。在现代社会的发展中，无疑对电子工业、导电涂料、电线电缆、催化剂、润滑油添加剂等诸多领域方面进行使用，存在着极高的价值，并得到广泛的应用[5]。

2.4 导电铜浆的表面工艺

铜导体浆料优选纳米技术的铜，通过这种技术，作为导电填料，它具有异常的物理化学性能，容易形成一种网格状的形式。目前通过用高温进行铜电子浆料主要还是解决他的表面氧化问题。在这一问题上形成了多种物质的探讨，比如进行镀银工艺，一层万全覆盖于铜表面的，光滑的，均匀的眼膜。现在有许多的企业都会利用这种形式来解决问题，研究表明，在铜的表面上附上一层银状粉末，能够有效地产生抗氧化性，提高了铜的氧化还原的能力，保持了铜粉的优良导电性。再者就是表面进行磷化处理，有机的磷化处理作为金属缓蚀剂，是近几十年发展起来的，在世界许多国家中研究比较深入。表面磷化的实质就是将金属至于特定的磷酸盐中，在一定的工艺条件下，使表面生成一种不溶性磷酸保护膜。在处理完成后，经试验表明，在处理表面的磷化物可以提高膜的耐腐蚀性能。磷化是一种能与化学反应行程的磷酸盐化学转化膜的过程，采用磷化的方法使铜的氧化性和稳定性得到一致的保持[6]。