基于液相化学还原法的电子浆料导电相可控制备装置及控制方法的研究进展

彭晓文　张晓桂　高波

摘要：电子浆料是用于制造电子元件的基础材料，随着电子信息产业的迅速发展，电子浆料的性能需要进一步的提高，电子浆料的性能主要由电子浆料导电相的形貌和粒径决定。文章结合近年来电子浆料及控制领域的研究状况，介绍了电子浆料导电相最常用的制备方法及制备过程中影响电子浆料导电相形貌和粒径的因素，阐述了电子浆料导电相制备装置国内外发展现状，着重阐述了基于液相化学还原法的电子浆料导电相可控制备装置及其控制方式。

关键词：电子浆料导电相;可控制备装置;液相化学还原法;智能控制方法中国分类号：TB48

文献标识码：A

文章编号：1400 （2019） 04-0052-04

电子浆料是一种新型电子功能材料，主要用于制造集成电路、电容器、电阻器、导电油墨、太阳能电池电极、敏感元器件等电子元器件，几乎应用在生活中的各个领域。特别是近年来随着电子信息产业的迅速革新和发展，电子浆料产业也以迅猛的速度发展，各行各业对电子浆料性能的要求变得越来越高。

目前，电子浆料在高端产品方面的需求大多数仍需要依靠国外进口满足，所以，国内电子浆料的生产水平需要更进一步的提升。电子浆料在实际的应用中受制于电子浆料导电相的形貌和粒径，又由于电子浆料导电相的形貌和粒径在制备过程中受诸多因素的影响，因此，能够实现电子浆料导电相的可控制备非常的重要。

1电子浆料的组成及其导电相制备方法

电子浆料主要的组成成分有三种：导电相、粘结相和有机载体。电子浆料的电性能主要由导电相决定，导电相材料多为电阻率较低的Au、Ag、Cu、Ni等金属粉末，其中最常用的材料为Ag粉。

电子浆料导电相制备方法种类很多，主要包括机械球磨法、热分解法、蒸发冷凝法、等离子法、液相化学还原法、喷雾热分解法、电解法、微乳液法、电化学沉积法等。

其中液相化学还原法具有制备设备简单、能耗较低、实际操作中的可控性好、生产成本低和工艺流程短等诸多优点，适合在工业中大规模生产。而其他方法或多或少的会有一些缺点。目前国内外电子浆料导电相的制备方法均以液相化学还原法为主，所以本文所讲的电子浆料导电相可控制备装置也是基于液相化学还原法的制备过程。

液相化学还原法的制备原理是采用具有一定还原能力的还原剂，将溶液中的金属离子还原至零价，再经过沉淀、过滤、干燥等工艺得到金属粉末。制备过程在常压下进行，可通过控制金属盐浓度、还原剂种类和浓度、加料速度、搅拌速度和搅拌器形式、反应温度、反应过程的pH值、还原剂和氧化剂的混合方式等，并加入一种或多种适量的分散剂和表面活性剂来获得所需形貌和粒径的金属粉末。

2电子浆料导电相可控制备装置国内外现状

目前，全球知名的电子浆料生产厂家主要集中在日本和美国等少数发达国家，如美国杜邦、日本住矿、美国Ferro等企业。这些企业产品种类全，研发力度大，产品更新周期短，市场占有率高。对于电子浆料导电相的研制和开发，国外的电子浆料生产企业已经拥有完善的研发体系。就银粉而言，美国的Ferro公司和Goldsmith公司已经能够生产出60种以上的不同种类的银粉。可见这些企业电子浆料导电相可控制备装置已经相当的成熟。

当前，我国很多企业基本上能生产出各种常规性的电子浆料导电相，并制成电子浆料应用于电子元件的生产。如文献中广东肇庆风华电子工程开发有限公司与华南理工大学的合作，研制出的生产设备已能稳定生产出超细银粉，并可用自己研制的银粉生产出口的电容器。虽然如此但我国电子浆料产业不论从生产技术、产品种类和质量还是从市场份额，都远远落后于发达国家。主要原因是我国生产电子浆料的工艺技术水平低，制备装置落后，拥有自主知识产权和专利的企业较少，大多是通过仿制或重复性生产。可见我国电子浆料导电相生产设备与发达国家还有相当大的差距。

可能是出于企业技术保密的原因，目前，市场上尚没有公开针对电子浆料导电相可控制备而研发的装置，但各领域的制备装置都具有相似性。与电子浆料导电相可控制备装置类似的装置如上海岩征实验仪器有限公司生产的三元前驱体共沉淀反应釜，这种反应釜主要组成部分有：反应釜、蠕动泵、在线pH控制系统、控温循环装置，采用PLC+触摸屏控制。

各组成部分参数如下：

1、反应釜有不锈钢316L和玻璃两种材质;容积有1L、2L、5L、 10L、20L、30L、50L、80L、100L、200L多种选择。

2、采用機械搅拌，搅拌转速50-500r/min可调;采用双层推进式搅拌桨，混合速度快，分散效果好。

3、计量泵采用LED数字显示泵头转速，加料速率可调，可设置定时功能。

4、在线pH自动控制系统，采用耐酸碱腐蚀pH计，控制范围：0-14pH，分辨率：0.01pH。

5、控温循环装置采用夹套+保温套设计，通过夹套控温，控温范围：30-70℃±0.5℃

6、采用PLC+触摸屏控制，实现在线监控反应器内温度，压力，搅拌速度，加料速率。

3电子浆料导电相可控制备装置结构

前面说过，用液相化学还原法制备电子浆料导电相的过程中需要控制的因素很多，其中与装置有关的因素有：加料速度、搅拌速度和搅拌器形式、反应温度以及反应溶液的pH值。通过分析这些因素可以确定制备装置的主体结构需要包括储料容器、进料装置、反应容器、控制部分。

3.1储料容器

储料容器是用来存放反应时需要用到的液体的容器。工业中常用的储料容器是储罐。

32进料装置

早期的进料过程主要是依靠人工操作实现的，目前多采用各种机械泵进料，其中最常用的是蠕动泵和计量泵。这种进料方式对于操作人员劳动强度的减轻，人身安全的保障，工作效率和产品质量的提高具有重要的意义。

3.3反应容器

由于反应过程是溶液的反应，工业中常用的此类反应容器为反应釜。反应釜需配有加热装置、搅拌器、传动装置。

加热装置通常为夹套、盘管，通过在夹套和盘管内通入冷热介质来实现温度的升降。加热方式有电加热、蒸汽加热、水加热、导热油加热等。加热方式主要由反应釜中反应过程所需的热量及加热的温度决定的。

搅拌器的种类很多，每种都有不同的搅拌效果，需根据釜内介质的物理性质、容量、搅拌目的等选择相应的攪拌器。较为常见的搅拌器型式有桨式、框式、锚式、涡轮式、齿片式、螺杆式等。

传动装置的作用是给搅拌器提供动力，传动装置的主要部分是电动机。

3.4控制部分

用液相化学还原法制备电子浆料导电相的过程中需用装置控制的因素有：加料速度、搅拌速度、反应温度以及反应溶液的pH值。其中，加料速度的控制可通过蠕动泵或计量泵实现，搅拌速度的控制可通过传动装置实现。

反应温度以及反应溶液的pH值控制系统主要包括以下几部分：传感器、A/D转换、控制器、D/A转换、执行器。其具体控制过程是：反应釜内的温度、pH值经过相应的传感器测量、变换后，转换成电信号，电信号经过A/D转换成数字信号发送给控制器;控制器通过显示部分把各项信息显示在显示屏上，同时，控制器根据温度控制算法、pH值控制算法产生系统的控制输出，再经D/A转换后输出控制量实现对相应执行器的控制，从而达到控制反应釜中温度、pH值的目的。

控制器通常为单片机、PLC、PC机等。温度控制部分的执行器通常为热交换器。pH值控制部分的执行器通常为两个泵，一个泵控制加酸，另一个泵控制加碱。

4控制方法

目前，在大多数反应釜的控制中，还是以PID控制为主，PID控制的优点在于它的算法简单，不仅有比较成熟的理论基础，还有大量应用的实际经验数据，参数整定的方法也非常成熟，能适应各种不同的控制对象，稳态控制精度高，可通过各种廉价的微控制器实现。但是，反应釜中的反应往往具有时滞性+非线性、无精确数学模型等诸多问题，在实际的生产中，PID控制的控制效果往往难以令人满意。随着智能控制算法的发展，国内外专家和学者开始把各种智能化的控制方法应用到反应釜的控制中，如模糊控制、神经网络算法、自适应控制算法、预测控制、遗传算法、粒子群算法、专家控制算法等。这些控制方法确实一定程度上提高了控制精度l131。

为了更进一步的提高控制精度，目前先进的反应釜控制系统多采用智能控制方法与传统控制方法相结合的方法或采用多个智能控制方法相结合的方法。如文献提出一种在升温阶段采用积分分离PID控制，在恒温阶段采用BP神经网络PID控制的温度控制方法，文献提出一种在升温阶段采用积分分离PID控制，在恒温阶段采用参数因子自调整模糊控制的温度控制方法，文献”“提出一种在升温阶段采用基于Smith变结构PID控制，在恒温阶段采用SDP（Smith-DMC-PID）控制的温度控制方法，这三种方案的实际运行状况都很理想。文献采用了模糊控制与PID控制相结合的方法，当温度偏差大时采用模糊控制，发挥模糊控制响应速度快，动态性能好的特点;温度偏差小时切换至PID控制，使系统在取得较好的动态性能的情况下达到期望的静态性能。文献和文献采用了分段式变增益PID控制算法用来补偿pH值控制过程的非线性。文献设计了一种基于粒子群算法的模糊自适应PID控制器，较大的提高了系统的动态特性和静态特性，自适应能力显著增强。文献提出一种改进的模糊RBF神经网络智能控制方法，该方法提高了系统的控制精度并具有较强的鲁棒性。文献采用了基于Smith预估的模糊PID控制，温度延迟的问题可通过Smith补偿器解决，再利用模糊PID控制提高系统的响应速度，减小稳态误差。文献和文献采用了模糊PID控制，这种控制方法能够减小系统超调量、缩短调整时间，且鲁棒性好、算法简单。

5结语

随着微电子技术和电子元件制造业在我国的迅速发展，电子浆料扮演着越来越重要的角色。目前国内市场上高、中端电子浆料基本被美国、日本等发达国家所垄断，因此国产电子浆料的研发和产业化任重而道远。印刷电路及电子元件的精密化和小型化要求电子浆料导电相必须控制在一定的形貌和粒径。本文通过查阅大量文献总结了基于液相化学还原法的电子浆料导电相的可控制备装置及控制方法研究进展，期望为此方面做进一步的研究提供相关的理论支持。