金粉形貌对金导体浆料印刷膜层性能的影响

李程峰，王海珍，郭明亚，张 秀，杜玉龙



金粉形貌对金导体浆料印刷膜层性能的影响

李程峰，王海珍，郭明亚，张 秀，杜玉龙

（中国振华集团云科电子有限公司，贵州 贵阳 550018）

以氯金酸为原料，研究了抗坏血酸、亚硫酸钠、草酸三种不同的还原剂对金粉形貌的影响。分别以三种金粉为导电填充料配制了适合于丝网印刷的金导体浆料，研究了金粉形貌对浆料印刷膜层性能的影响。结果表明：以明胶为分散剂、草酸为还原剂制备出的金粉所配制浆料的粘度、触变性更适合于丝网印刷工艺，其印刷膜层平整、无缺陷，烧成后膜层附着力和方阻优于抗坏血酸和亚硫酸钠作为还原剂所制备出的金粉。

金粉；金导体浆料；丝网印刷；粉体形貌；方阻；烧结膜层

金具有最好的延展性，易拉成丝状便于丝焊，在任何条件下不与空气、腐蚀性气体起反应，并且可以在达到其熔点的空气中烧结而不起反应等优良特性，而被广泛应用于电子浆料及微电子元器件中[1-5]。同时由于金导体在通常环境中基本没有电迁移趋向、能在苛刻的环境中工作。所以金浆料在混合电路、LSI、半导体封装及多层布线电路等电子技术应用中起着很重要的作用，特别是在高可靠军用电子技术中起着举足轻重的作用[3]。

在高频元器件中，由于金拥有仅次于银的极低电阻率和优异的化学惰性，因而常被使用在元器件表面微带线及焊盘的形成[6-7]。

金的化学稳定性高，金膜烧结时表面没有氧化层，这使其能够方便地与金属键合，然而这会同时使得其与陶瓷等氧化物基体的结合力严重削弱，因此，研究人员在改善金导体浆料与基材的附着力上进行了大量的研究工作[8]。然而对于金导体浆料中最为重要的金粉方面的影响则少有报道，赵莹等[3]曾报道过金粉与玻璃粉对厚膜金导体浆料性能的影响，但其所使用的金粉在比表面积参数上相近，因此对于金粉比表面积及形貌对金导体浆料的影响不够深入。本文采用三种不同的还原剂，制备出不同形貌的三种金粉，研究了金粉比表面积、形貌对金导体浆料及烧结后膜层性能参数的影响。

为了保证所制备的金粉在浆料的轧制及在丝网印刷工艺上的适用性[9]，本文所制备的三种不同形貌的超细金粉，其平均粒径均小于5 µm，且纯度大于99.9%。将三种金粉均应用于印刷型金导体浆料中，通过对浆料的粘度、印刷特性等性能的对比分析，研究了不同形貌粉体对浆料特性的影响，同时将浆料印刷于氧化铝陶瓷基板上烧结后，对比了烧结膜层的致密度和方阻等性能，从而得出适用于印刷电子浆料的金粉参数。

1 实验

以氯金酸为原料，分别按以下步骤制备了三种超细金粉：

样品1：称取氯金酸100 g并充分溶解于10 L水中并使溶液在25 ℃下恒温30 min，之后搅拌下向氯金酸溶液中滴加氨水至pH>9，此时氯金酸充分与氨水反应生成雷金酸沉淀，之后将溶有50 g抗坏血酸的还原液加入氯金酸溶液当中，使雷金酸充分还原为单质金，待金粉充分沉降后，清洗，并于60℃烘干。

样品2：称取氯金酸100 g并充分溶解于10 L水中，之后加入10 g聚乙烯醇，并于90℃水浴中搅拌使聚乙烯醇充分溶解于氯金酸溶液中，之后待氯金酸溶液恢复至室温后，将溶有50 g亚硫酸钠的还原溶液加入氯金酸溶液当中，使氯金酸充分还原，待粉体沉降后，清洗，并于60℃烘干。

样品3：称取氯金酸100 g并充分溶解于10 L水中，之后向氯金酸溶液中加入明胶10 g，并于90℃水浴中搅拌充分溶解，之后将同样在90℃下保温过的草酸溶液逐滴加入到氯金酸溶液当中，使氯金酸充分还原，待粉体沉降后，清洗，并于60℃烘干。

三种金粉的粒度分布由激光粒度测试仪(Mastersizer 2000)测试而得。使用F-sorb 2400比表面积测试仪对三种金粉的比表面积进行表征。三种金粉的形貌由扫描电镜(LEO-1430VP)进行测试。

将三种金粉与同样的有机载体、少量硼硅酸铅玻璃粉混合，并经过三辊轧制后配制成金质量分数70%的金导体浆料，使用BROOKFIELD DV-II椎板粘度计对三种浆料的粘度进行了测试。将三种浆料印刷于氧化铝陶瓷基片上，并于850℃隧道炉中烧结成膜，之后对三种金浆烧结膜层的致密性、方阻、附着力进行了测试。

2 结果与分析

超细金粉的粒度、比表面积、形貌等参数直接影响到浆料的各种关键性能，为了了解不同金粉对浆料及其印刷膜层的影响，首先对三种金粉的粒度分布、比表面积、粉体形貌等参数进行了分析。

图1是三种金粉粒度分布图，如图所示样品1的平均粒径为0.95 µm，粒径分布较宽，这是由于金属粉体团聚较严重，粒度测试时所使用的超声波无法充分分散粉体而造成；样品2的平均粒径为1.46 µm，从粒径分布曲线来看，存在较多粒径小于1 µm的纳米金粉存在，该曲线的主体峰宽度小于样品1，表明该金粉的粒度分布要相对集中；样品3的平均粒径为1.61 µm，该粉体的粒径分布曲线呈现出近似的正态分布，该曲线的峰值强度要高于前面两种样品，表明该样品的粒径均一性要优于样品1和样品2；所有三个样品的粒径分布曲线都在4 µm左右截止，表明所制备的样品均满足电子浆料用贵金属粉体的粒径要求，适合于配制金导体浆料。

图1 三种金粉的粒径分布图

除粒径分布以外，比表面积也是一个评判粉体性能的重要参数，它从一定程度上能反映出粉体团聚体中单颗粒粒径的大小，同时不同的比表面积也反映出粉体在高温烧结时的烧结活性的差别，比表面积越高则烧结活性越高、致密化温度越低，反之，比表面积越低，粉体烧结活性则相应降低，其致密化温度也会相应提高。三种金粉的比表面积数据如表1所示。

表1 三种金粉的比表面积数据

从上表可以看出，样品1的比表面积要远远高于样品2与样品3，表明该粉体团聚体中存在很多间隙，在轧浆过程中需要更多的有机载体去填充，同时表明样品1的粉体在烧结过程中活性最高；样品2与样品3的比表面积数据相近，这可能是由于该两个样品均是由还原剂直接还原氯金酸而得。

为了详细了解三种金粉的微观形貌，用扫描电镜对金粉进行了表征，其结果示于图2中。从图2中可以看出样品1的单颗粒粒径非常细小，从整体上看呈絮状分布，这也正对应了其较高的比表面积和较小的平均粒径参数，综合粒径数据和比表面积数据可以了解到该粉体团聚非常严重，且属于无法充分分散的硬团聚，这种类型的粉体在浆料中使用时存在流平性差，浆料粘度偏高等不利因素；样品2的颗粒尺寸比较均匀，基本分布在500 nm左右，且存在一定程度的团聚，结合粒径数据可以了解到该团聚基本是以两到三个颗粒为团聚体单元存在，在后期轧浆过程中，粉体基本能够被充分分散至团聚体单元的精细度；样品3的单颗粒粒径大约在1.6 µm，与粒度分布数据很好地契合，且结晶完整、表面光滑，颗粒之间不存在团聚情况，这也很好地对应于其最低的比表面积数据，这种粉体即是行业内通称的单分散粉体。

（a）样品1

（b）样品2

（c）样品3