高温银浆银层表面亮度的影响因素

刘显杰



高温银浆银层表面亮度的影响因素

刘显杰

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

高温银浆烧结后银层不亮是一种常见问题。本文研究了银粉、玻璃粉和有机载体对银浆烧结后银层不亮、无金属光泽的影响。实验结果表明，银粉的烧结活性不高是导致银浆银层无金属光泽、银层不亮的主要原因。优化配方使用混合银粉，选用合适的玻璃粉，所得高温银浆烧结后银层表面白色光亮、致密，其粘度、印刷性能、方阻、附着力等各项指标符合要求。

高温银浆银粉玻璃粉有机载体表面亮度

0 引言

高温银浆主要用于陶瓷电容器[1]、蜂鸣片[2]、传感器[3]及烧结温度不低于600 ℃的场合，如果银浆的烧结温度高于600 ℃，银层烧结就不够充分，会限制器件的电性能。伴随着绿色环保的发展理念，无铅、镉、铬化的高温银浆势必成为发展的趋势，高温银浆的适烧范围也将朝着更宽的温度范围发展，烧结性银浆的银层也将逐步发展成具有较高的亮度、更高的致密度、更小的方阻的电子导电浆料[4]。

研究表明，压敏电阻片的通流能力受银浆中银粉的形貌和粒径影响较大，且银浆中玻璃相成分和银粉比表面积对银电极的的烧结致密性有较大影响[5]。采用高比表面积的超细银粉制成的银浆在540 ℃条件下烧结后银膜致密平整，电极机械性能良好。在进行通流测试时电流达6300 A以上时电极仍未受损。赵玲等[6]研究了银粉粒度对银层表面质量的影响，利用在银粉中加入还原性金属，玻璃采用硼硅酸铅玻璃，制备出了烧结性能和电性能良好的欧姆接触银浆，各方面性能达到了PTCR热敏电阻器的要求。

在高温银浆使用过程中，经常发现烧结后的银层表面出现点斑状黑点，甚至银层发黑等问题。本文针对烧结温度为780 ℃，保温时间为10 min的银浆烧结过程，分析了银层有黑点和发黑的原因，通过调整玻璃粉、载体、银粉等的配方，制备出性能符合要求的银层光亮、致密无黑点的银浆。

1 实验过程

1.1 主要试剂和仪器

超细银粉、玻璃粉为自制，乙基纤维素（K110）、有机溶剂等为外购。

试验所用设备和仪器如表1所示。

表1 实验用设备和仪器

1.2 银浆的制备

1.2.1实验条件

1）银粉：采用不同的工艺制定不同型号的银粉S-1、S-2、S-3，用扫描电镜观察三种银粉的形貌和分布状况。

2）玻璃粉：采用不同玻化温度的玻璃粉分别制备银浆进行烧结，目视或用金相显微镜观察银层表面。

3）有机载体：采用不同体系的载体，进行配比、制备银浆、烧结，目视或用金相显微观察银层表面。

1.2.2银浆的制备和烧结

1）制备：根据上述实验方案，选择银粉、玻璃粉、有机载体的最佳配方进行轧浆，测试银浆性能。

2）烧结：将所制银浆，用250 目尼龙丝网印刷在陶瓷片上，印刷图案是直径为8 mm的圆形，在150℃干燥1~3 min 后，进炉子烧结。烧结峰值温度是780℃，周期10 min。

1.2.3 银浆性能测试

1）粘度：用数显粘度计（VT—06，2号转子）在室温下测定银浆粘度。

2）印刷性能：用250目尼龙丝网。

3）细度：用0~50 μm 刮板细度计测银浆细度。

1.3.2 银层性能测试

1）附着力：用的丝网在陶瓷片上进行刷银，烧结后采用点焊工艺焊接电极，用垂直拉力机测试拉力。

2）可焊性：观察锡料在银层的湿润特性，是否易焊接。

3）致密性：用400倍金相显微镜观察银层表面空隙率。

2 结果与讨论

2.1 银粉对银层表面亮度的影响

图1 无定形银粉（S-1）

图2 无定形银粉（S-2）

图3 类球形银粉（S-3）

银粉对银层表面亮度影响很大，银粉的粒度、形貌、均一性不同，烧结后银层的完整度和致密度也随之产生差异，从银片外观上看，其银片的亮度也会产生差异。本文选用的3种银粉，其中S-1和S-2为无定形，S-3均为类球形。其形貌分别如图1、2、3所示。

对比图1、图2和图3可以发现，S-1、S-2和S-3形貌、粒径存在比较明显的差异，对3种银粉进行密度检测、比表面测试和激光粒度分析得到如表2所示。

表2 银粉各项参数对比

保持有机载体含量为35%，玻璃粉含量为5%，银粉含量为60%，将三种组分混合，制备的银浆性能如表3所示，不同银粉制备的银浆烧结后的银层外观如图4所示，不同银粉制备的银浆烧结后银层金相显微图如图5所示。

表3 不同银粉制备的银浆性能

图5 不同银粉制备的银浆烧结后银层金相显微镜图

结合表3、图4和图5分析可知，银粉的形貌和粒径影响浆料的粘度、印刷特性和烧结特性。

无定形银粉（S1和S2）粒径分布比较大，粘度也较大，导致流变性能不佳，同时无定形银粉比表面积更小，堆积密度小，烧结活性低，导致在银层烧结收缩的过程中，银与银之间的连接断裂，周围没有足够的银对断裂处进行补充，银层表面不完整，存在很多缺陷，导致不能形成致密的银层，表现为银层表面颜色发暗，无金属光泽。S2号银粉堆积密度大于S1号，所以银层致密度优于S1号，银层颜色显白色，但无金属光泽。类球形银粉（S3）粒径分布较窄，银粉的均一性较好，所得到的银浆流动性更好，同时类球形银粉比表面积大，堆积密度大，从而烧结活性高，烧结后银层致密，表面颜色亮白，有明显的金属光泽。综合流变性能、烧结后银层的颜色和性能等重要因素，本文选用型号为S3的球类状银粉来制备银浆。

2.2 玻璃粉对银层表面亮度的影响

采用3种不同玻化温度（Tg）玻璃粉分别制备银浆并烧结，然后用400倍金相显微镜观察银层表面空隙率，判断其致密性差异，结果如表4所示。

表4 不同玻璃粉制备的银层特征

图4可知，低玻化点的玻璃粉所对应的银浆烧结银层越致密。同样的烧结温度，低玻化点的玻璃粉更易流动并沉降至瓷体表面，表面银层的玻璃相比例较低，银层晶界融合更完全，孔隙率更低，表面越致密。此外，低玻化点的玻璃相较早进入软化状态，影响了乙基纤维素烧余物的及时排除，残留的微量烧余物导致银面金属光泽较低。玻化点为700 ℃的玻璃粉对应的烧结银层最亮，且有较好的金属光泽，但由于烧结周期较短，玻璃相来不及流平和沉降至底层，导致银层表面会有玻璃存在，所以银层的致密性较差，在显微镜可以看到黑色的孔洞。综合考虑，选用玻化温度为650 ℃的玻璃粉。

2.3 有机载体对银层表面亮度的影响

本文选择了3种不同分子量的有机载体，分子量从小到大分别编号为：EN7、EN10、EN100。保持单一变量，采用相同工艺制备银浆，对比观察银层致密性，结果如表5所示。

表5 不同有机载体制备的银层特征

如图6所示，根据差热分析结果可知，在400 ℃时，有机载体就已经全部烧失完毕，在高温银浆银面形成后，银层里已经不存在载体成分，所以有机载体的分子量与型号不会影响高温银浆银层表面亮度。

2.4 优化配方制备的银浆性能

由上述结果可知，本实验的最佳配方为：用6%的EN7溶液作粘合剂，占银浆总比例为35%；S-3型号银粉的比例为60%，粘结剂玻璃粉（T=650 ℃）为粘接剂，占总量的5%。所制银浆性能如表6所示。

表6 优化配方所制备银浆的性能

由表6可知，该配方所制银浆适烧性好，表面银层金属光泽度高，银层致密性高，能较好满足客户需求。

3 结论

1）银粉的形貌、比表面积和堆积密度是决定高温银浆银层表面亮度的主要因素。形貌越规则、粒径分布越窄、比表面积越大、堆积密度越大，则银层表面越致密，颜色越光亮。

2）玻璃粉的玻化温度也会间接影响高温银浆银层表面的亮度，玻化温度越低，银层越不亮；但是玻化温度太高，又会造成银层致密性差的问题。

3）有机载体不会影响高温银浆银层表面的亮度。这是因为在400 ℃时，有机载体就已经全部烧失完毕，银层里已经不存在载体成分，所以有机载体的分子量与型号不会影响高温银浆银层表面的亮度。

基于上述研究获得了优化的制备配方，所得产品性能符合指标要求，经高温烧结得到致密的白色光亮银层，满足供货要求。

[1] 张培田. 用于陶瓷电容器的新银浆[J]. 电子元件与材料, 1989, (2): 29.

[2] 何梅, 徐晓, 冯斌等. PZT压电蜂鸣片溅射金属化的研究[J]. 功能材料, 2014, 45(23): 23152-23156.

[3] 方春行, 刘维跃. 传感器用新型电极[J]. 硅酸盐通报, 1987, (5): 24-27.

[4] 赵德强, 马立斌, 杨君等. 银粉及电子浆料产品的现状及趋势[J]. 电子元件与材料, 2005, 24(6): 54-56.

[5] 李代颖, 张宏亮, 程耿等. 银粉的表面形态对ZnO压敏电阻片通流能力的影响[J]. 船电技术, 2015, 35(4): 35-41.

[6] 赵玲, 谭富彬, 刘林等. PTC热敏电阻用的欧姆接触银浆[J]. 贵金属, 1998, 19(1): 9-13.

Influencing Factors on Surface Brightness of High Temperature Silver Paste

Liu Xianjie

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM535

A

1003-4862（2019）03-0014-04

2018-10-30

刘显杰（1980-），男，高级工程师。研究方向：贵金属材料和电子导电浆料。E-mail: 1057101566@qq.com