紫外光固化银包铜粉导电胶的制备及研究

苏晓磊，张申申，边 慧



紫外光固化银包铜粉导电胶的制备及研究

苏晓磊，张申申，边 慧

（西安工程大学 机电工程学院，陕西 西安 710048）

以银包铜粉和环氧丙烯酸树脂为原料制备导电胶浆料，采用丝网印刷将浆料涂覆到载玻片上，置于紫外光下固化获得导电涂层。利用SEM和四探针电阻测试仪对固化后导电胶的微观结构和电学性能进行表征。结果表明：当银包铜粉质量分数为70%，导电胶固化完全，制得的导电胶电阻率最低为1.135×10–3Ω·cm，涂层厚度为140 μm。

导电胶；紫外光固化；银包铜粉；电阻率；微观结构；电学性能

导电胶粘剂，俗称导电胶，是一种功能胶粘剂，其在固化和干燥后具有一定导电性能[1]。最基本地，它由聚合物和导电填料组成，能够实现电子元器件和载体间电子和力学上的互联，不仅保持了高分子材料的优异特性又具有导电的功能[2]。传统的Sn/Pb焊料作为电子封装行业所使用的一种基本连接材料已沿用多年，但是由于Sn/Pb焊料自身存在的缺陷，即线分辨率太低、环保性能差且固化温度过高等限制了其在现代电子技术中的应用[3]。近些年来，导电胶已广泛应用于印刷线路板组件、发光二极管、液晶显示屏、智能卡、陶瓷电容、集成电路芯片等电子元器件的封装和粘接。

导电胶一般由预聚体、活性稀释剂、偶联剂、光引发剂、金属粉末以及其他添加剂组成[4]。其中的金属粉末多为电阻率较低的Au、Ag、Cu、Ni等，最好的是Au，但是其价格昂贵[5]。银粉虽然在导电胶中电性能稳定，具有较好的抗氧化性能，但易产生电迁移现象。铜粉极易被氧化，表面形成绝缘薄膜，使得导电性变差。银包覆铜既能具有良好的抗氧化性，价格又较为低廉，有望成为银导电胶的替代品。此外，目前紫外光固化导电胶主要采用纯银、金等作为导电填料[6-7]，然而很少采用银包铜粉作为导电填料。

因此，本文采用紫外光固化法，以银包铜粉和环氧丙烯酸树脂为原料制备导电胶，采用丝网印刷将浆料涂覆到载玻片上，固化后进行性能测试，并研究了稀释剂、涂膜厚度等参数对其性能的影响。

1 实验

1.1 导电胶的制备

采用电子天平称取一定量的环氧丙烯酸树脂（分析纯，上海风标化学科技有限公司）于瓷坩埚中，之后按照29:101的质量比加入活性稀释剂三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA，分析纯，常熟恒荣商贸有限公司）和N-乙烯基吡咯烷酮（NVP，分析纯，山东西亚化工股份有限公司），搅拌均匀，而后将光引发剂Irgacure184（分析纯，成都德泰实业有限公司）和光敏剂二苯甲酮BP（分析纯，南京嘉中化工科技有限公司）以1:1的质量比加入其中，混合搅拌，最后加入硅烷偶联剂KH-550（分析纯，南京旭杨化工有限公司，占有机载体质量分数的3%）、消泡剂（分析纯，江苏省海安石油化工厂，占有机载体质量分数的3%）和流平剂（分析纯，上海道硅材料技术有限公司，占有机载体质量分数的0.5%）等其他助剂，即可得到有机载体，将有机载体与银包铜粉体（含银质量分数10%，粒径8 μm，深圳利红金科技有限公司）混合均匀，将导电浆料印刷在载玻片上，静置15 min后在紫外灯下照射10 min，即可得到UV光固化的银包铜导电胶，放置30 min后进行性能测试。

1.2 微观结构与性能表征

导电胶的表面电阻率采用苏州晶格电子有限公司ST2253型数字式四探针测试仪测试，每个样品平行测定三次并取其平均值；采用英国牛津FEI生产的Quanta 50 FEG扫描电子显微镜对导电涂层进行微观表征；并采用指触法，即用手指按压经过 UV固化光源固化后的墨膜表面，以墨膜不粘手、不掉色为完全固化的标准，以最快能使油墨固化的速度作为该种油墨的固化速度。

2 结果与讨论

2.1 混合稀释剂含量对导电胶导电性的影响

常见的单官能度活性稀释剂光固化活性较低，影响了光固化体系的固化速度，多官能度的光活性稀释剂容易引起较大的体积收缩，导致内应力增强，从而使得附着力下降[8]。因此在导电胶制备和使用过程中，一般将多官能度的稀释剂与单官能度稀释剂混合使用，在加快体系固化速率的同时还可以减少体系收缩应力。按照1.1节中导电胶的制备方案制备导电胶，并测试其性能，其中TMPTA和NVP配合制备的活性稀释剂在有机载体中的质量分数依次为20%，25%，30%，35%，40%，45%和50%。

图1是光固化体系中测得的不同活性稀释剂含量与导电胶电阻率之间的变化曲线。从图中可以看出，随着稀释剂含量的增加，导电胶的电阻率总体呈现出先减小后增加的的趋势，在20%~40%阶段随着活性稀释剂的加入，降低了体系粘度并参与固化反应，成为环氧树脂固化物的交联网络结构的一部分，电阻率逐渐减低。当稀释剂质量分数超过40%时，电阻率会有所增长，这主要是因为继续增加稀释剂的含量使得成膜树脂的含量相对减少，可聚合的双键浓度也随着减少，造成自由基与双键的碰撞几率下降，不利于其挥发和导电胶的固化，从而使得电阻率增大。

图1 活性稀释剂含量对导电胶电阻率的影响

2.2 不同涂膜厚度对导电胶导电性的影响

不同的涂膜厚度对导电胶导电性也有重要影响，因此，实验按照有机载体与银包铜粉末质量比为3:7均匀混合，其中TMPTA和NVP配合制备的活性稀释剂在有机载体中的质量分数为40%，通过多次涂覆制备不同厚度的导电涂膜，再分别测试其表面电阻率，测试结果如图2所示。由图可知，涂膜表面电阻率随着涂膜厚度的增加逐渐降低，而当涂膜厚度达到140 μm时，电阻率急剧降至最小，之后涂膜厚度继续增加时，导电胶的电阻率下降缓慢，这是因为涂膜较薄时，其中由树脂粘结的银包铜粉较为分散，无法形成完整良好的导电通路，随着涂膜厚度的增加，导电胶内部形成网状的导电通路，使得导电性能有大幅度提升，然而过多地提高涂膜厚度并不能增加导电性，这是由于导电网络已经形成，导电能力提升缓慢，而且随着厚度增加，其内部可能会出现应力集中，影响导电胶的力学性能。

图2 不同涂膜厚度对导电胶电阻率的影响

2.3 银包铜粉含量对导电胶导电性能的影响

由于导电相对导电胶起到至为关键的影响，因此，按照表1中导电胶的配方和1.1节中导电胶的制备方案制备导电胶，固化后导电胶的涂膜厚度为140 μm，并测试其性能。

表1 导电胶的配方

Tab.1 Experimental formula of conductive paste

图3为银包铜粉含量对导电胶电阻率的影响。从图中可以看出，随着银包铜粉含量的不断增加，导电胶的电阻率呈现出先减小后增大的趋势。当银包铜质量分数为70%以上时，其电阻率最小，为1.135×10–3Ω·cm。为了研究银包铜导电含量对导电胶的导电性能的影响，通过扫描电镜对银包铜粉质量分数为60%，70%和80%的样品进行微观观察，结果如图4所示。从图中可以看出：当银包铜粉质量分数为60%时，颗粒含量相比其他较少，结构不紧密，颗粒之间无法形成完整的导电网络；而当质量分数为80%时，银包铜粉颗粒的分散性不好，颗粒之间堆叠现象严重，而且由于树脂含量少，导电颗粒无法有效粘结在一起，致使颗粒发生团聚；而当质量分数为70%时，导电颗粒彼此接触面积大，间隙少且叠层相对较少。

图3 银包铜粉含量对导电胶电阻率的影响

（a）60%；（b）70%；（c）80%

银包铜粉导电胶之所以能导电，就在于颗粒之间的相互接触以及错落有致的堆积，形成有效的导电网络。但是导电胶还是会存在电阻，从导电胶的导电机理来说，导电胶的电阻主要由两个部分构成：银包铜粉颗粒本身的体积电阻、颗粒之间的接触电阻[10]。图4（a）图中片状颗粒不能充分粘结，且颗粒直径间存在较多的空隙，树脂含量较多，片状颗粒大多被树脂包围，仅有部分颗粒可以连成导电通路，所以导电性较差；图4（b）中片状导电颗粒间形成比较完整的导电网络，树脂分布较为均匀，能有效使颗粒之间紧密桥联，因而涂膜表面的电阻率迅速下降；图4（c）图中银包铜含量较多，但是导电率提升的空间不大，树脂含量较少，颗粒不能有效粘结，且会提高成本。

3 结论

通过采用环氧改性丙烯酸树脂以及银包铜粉，可以得到在紫外光下固化的导电胶，紫外光固化具有固化时间短、固化温度低、节约能源、制备工艺简单等特点，得到的导电胶电阻率随着导电填料含量的增加呈现先降低后升高趋势，当银包铜粉质量分数为70%以上时，可获得最低电阻率为1.135×10–3Ω·cm，涂膜厚度为140 μm。

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[2] 杜亮亮. 银包铜粉环氧导电胶的制备、结构与性能 [D]. 广州: 华南理工大学, 2010.

[3] 韩广帅. 铜粉环氧树脂导电胶储存稳定性的研究 [D]. 镇江: 江苏科技大学, 2009.

[4] POLLEY T A, CARTER W B, POKER D B, et al. Deposited of zinc oxide thin films by combustion CVD [J]. Thin Solid Films, 1999, 357: 132-136.

[5] 张聚国, 付求涯. 镀银铜粉导电胶的研究 [J]. 表面技术, 2007, 36(4): 32-35.

[6] KIM H K, KIM J G, CHO J D, et al. Optimization and characterization of UV-curable adhesives for optical communications by response surface methodology [J]. Polym Test, 2003, 22(8): 899-906.

[7] 王云, 张尧, 张爱萍. ZUV系列紫外光固化胶黏剂的制备与应用 [J]. 化学与黏合, 2010, 32(1): 57-60, 67.

[8] 甄闻远, 李云庆, 周宏勇, 等. 功能性光活性稀释剂的合成及光固化性能研究 [J]. 涂料工业, 2009, 39(8): 15-19.

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（编辑：陈渝生）

Preparation and study of UV curable conductive silver-coated copper powder paste

SU Xiaolei, ZHANG Shenshen, BIAN Hui

(College of Mechanical & Electrical Engineering, Xi'an Polytechnic University, Shaanxi 710048, China)

The UV curing paste was prepared using silver-coated copper powder and epoxy acrylic resin as raw materials to study the property of UV curing conductive paste. The conductive coating was received by the UV curing of prepared paste on the glass slide by screen printing. The microstructure and electrical properties were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and four probe resistance tester, respectively. Results show that when the mass fraction of silver coated copper powder is 70%, the resistivity of conductive paste reaches the minimum value, 1.135×10–3Ω·cm, and the conductive coating thickness is 140 μm.

conductive paste; UV curing; silver-coated copper powder; resistivity; microstructure; electrical property

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.02.014

TM241

A

1001-2028（2017）02-0065-04

2016-12-09

苏晓磊

陕西省教育厅自然专项资助(No. 15JK1314)；西安工程大学机械工程学科建设资助项目

苏晓磊（1982－），男，河南漯河人，教授，主要从事电子材料等研究，E-mail: suxlei@163.com 。

网络出版时间：2017-02-14 15:13:51

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170214.1513.014.html