浅析丝网印刷纳米银胶导电油墨

文 李阳

（作者单位 中国人民解放军第一二〇五工厂）

丝网印刷起源于中国，有着悠久的历史。它属于孔板印刷，是传统的四大印刷方法之一。相比于其他的印刷技术，丝网印刷具有速度更快，适应性更广，操作简单等优势。因此被广泛应用于电子产业、玻璃陶瓷、衣物印染、广告标牌等领域。随着电子产品市场的快速发展，印刷电子产业以其快速可控的制备特点逐渐兴起。而丝网印刷以其独特的优势，已成为印刷电子产业应用最广泛的方法之一。而导电油墨作为丝网印刷电子的基本材料，它在一定程度上决定着印刷电子产品的质量、生产规模以及生产速度。所以了解导电油墨的特点以及制备方法，对更好的配制应用印刷适性良好的导电油墨至关重要。本文我们将以印刷电子产业常用金属纳米油墨中的导电银胶为例，对其组成成分、制备方法、常用连接料的性质以及影响其导电性的因素进行浅析。

丝网印刷基本工艺原理

孔版印刷是指采用孔版作为图像载体进行印刷的方法，孔板的图文部分透墨，而非图文部分不透墨。印刷时，将油墨铲到丝印版的一端，调节好刮墨刀角度，下落使其对印版油墨产生一定的压力，开始刮墨印刷时，刮刀由放墨端向另一端移动。由于刮墨刀的挤压作用，油墨透过图文部分的网孔并由于自身的粘性而固着在承印基板上。在整个过程中，刮刀总是直接与印版和承印物接触。由于丝网印版与承印物之间有一定的空隙，丝网印版由于自身的弹性张力给予刮墨刀一个反作用力。这个反作用力就是反弹性力。由于回弹效应，丝网印版与承印物呈动线接触，而其他部件都与承印物并无接触。所以油墨与丝网形成断裂运动，这保证了印刷尺寸的准确性，避免基材间的摩擦。当刮墨刀刮过印版时，丝网版会重新抬起，之后由回墨刀将油墨轻刮回原位置，至此，一次完整的印刷过程得以结束（如图1）。

图1 丝网印刷原理

丝网印刷在电子制造领域中的发展现状

丝网印刷电子技术是传统工艺与高新电子产业相结合，从而产生的一种现代印刷技术。在印刷电子工业中，丝网印刷技术占比极高，大到航空航海工业及传统的电路板、显示屏等；小到微电子技术中的晶体管、传感器、电容器等，都有着丝网印刷的身影。现在新兴的柔性印刷电子技术中，如有机发光二极管、柔性传感器、薄膜电子等，丝网印刷也在其生产制备研发过程中起着不可或缺的作用。由于设备、组合工艺、材料的不断创新、科技化，丝网印刷技术也在快速发展，并创造了更多的生产价值，一定程度上催生了印刷行业中的新朝阳产业：印刷电子。

丝网印刷纳米银胶油墨

图2 纳米银颗粒

图3 导电胶连接示意图

在印刷电子工业中，电子线路层所用的油墨主要是金属纳米颗粒油墨。金属纳米颗粒油墨是由金属纳米颗粒、树脂、溶剂、添加剂按照一定的比例均匀分散而成。金属纳米粒子的选择以及其本身固有属性也是影响油墨导电性能的关键因素。金属颗粒本身的电阻越小，它印刷所得电路的导电性也就越也好。而纳米银（图2）作为最受瞩目的纳米导电颗粒，不论在热导率和电导率，还是化学性能稳定性方面都是相对理想的。一般要求导电油墨应具有烧结温度低、导电性能良好、印刷线路分辨率高、与基底附着性强等特点。纳米银除本身具有一定性质外，其连结料的选择对于纳米导电油墨的配制也至关重要，它能够给予油墨一定的黏度，使油墨能够牢固的附着在承印基材上，保证可以制备大面积高精度的电子线路。溶剂的作用则在于溶解树脂，调控油墨自身的黏度等，常用的有机溶剂有乙酸乙酯，乙醇以及碳氢化合物等。另外，添加剂的选择也必不可少。比如，增塑剂、流平剂、消泡剂等。

导电胶

导电胶由两部分组成，分别为基体和导电填料，基体主要起的作用是粘结和骨架结构，基体主要包含连接料树脂。导电填料的作用为导电。导电填料以及基体的种类对导电性能会产生很大的影响。其导电机理也很复杂，是渗流效应、隧道效应、场至发射效应和有效介质效应的综合作用和相互竞争所产生的结果。另外，导电胶在导电方向上可分为各项同性和各项异性，国内的研究主要集中在各项同性导电胶上，导电连接示意图如图3所示。按照固化体系又可分为室温固化导电胶、中温固化导电胶、高温固化导电胶、紫外光固化导电胶等。纳米银导电胶具有很好的导电性能、连接性能和稳定性能，可用于导电图层、导电油墨、芯片封装以及电极用浆。

表1 制备纳米银胶的试剂选择

纳米银胶及其纳米银胶导电油墨的制备

纳米银胶导电胶一般以普通胶粘剂为基体，在其中加入纳米银导电填料，同时加入一些连结料和助剂，以制备纳米银胶导电油墨。导电油墨可以分为厚膜色浆型和树脂型两种，前者常常用于电容器、电极等，后者常用于印刷电子电路，防静电包装等。

油墨自身组分的组成以及制备工艺决定着油墨的各种特性，在此我们简单介绍纳米银胶导电油墨两种制备过程。

1.化学还原法

我们都知道硝酸银见光特别容易分解，所以在选择试剂时，可以更加考虑化学性能稳定的有机酸银（如：水杨酸银）。在制备的过程中，添加保护剂（如：聚乙烯吡咯烷酮），将保护剂与抗坏血酸（Vc）以及蒸馏水混合并搅拌得到抗坏血酸（Vc）-聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶液，再加入有机酸银，便可形成纳米银胶体。然后在所形成的纳米银胶体中加入连结料，也就是合成树脂（如：环氧树脂等），再加入一定的助剂，经过搅拌、静置便可以形成纳米银胶体导电油墨。

2.液相还原法

首先，制备纳米银粉末：一定量的硝酸银中加入适量的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和无水乙醇，在磁力（或高速搅拌器）的作用下高速搅拌，搅拌的同时缓慢加入一定量的水合肼，便会生成纳米银粉末。然后，制作纳米银导电胶：在基体中（如：环氧树脂、酚醛树脂或丙烯酸树脂等）加入增塑剂（如：邻苯二甲酸二丁酯等），然后将填料也就是所制得的纳米银粉末和微米银粉末加入其中，搅拌脱泡并加入固化剂，再一次搅拌并脱泡，便可形成纳米银导电胶。下一步，在所生成的纳米银导电胶中加入合成树脂以及助剂，经搅拌生成纳米银胶导电油墨。

纳米银胶导电油墨常用的树脂及添加剂性质分析

1.丙烯酸树脂的特点：丙烯酸树脂易于和其它物质，如环氧树脂和聚氨酯树脂等形成共聚物。具有附着力高，耐高温、耐溶剂且干燥速度快等优点。

2.聚氨酯树脂的特点：具有良好的亲和性和润湿性；与丙烯酸树脂和环氧树脂有很好的相溶性。另外，它还具有耐油性、韧性、耐磨性、耐老化性和粘合性。但高温下不耐水解，不耐碱性物质。

3.环氧树脂的特点：具有很高的粘结强度、耐化学性能、介电性能良好且柔韧性能良好。

4.硬脂酸的特点：硬脂酸也称十八烷酸，具有很好的润滑性和热稳定性。

5.消泡剂的特点：所用的消泡剂是以聚硅氧烷-聚醚共聚物乳液型消泡剂。在纳米银胶导电油墨中将消泡剂和树脂配合使用，消泡效果会很好。

6.增塑剂的特点：增塑剂能够有效的增加油墨的附着力，在一定程度上能够使纳米银胶导电油墨加速成型。同时，一些增塑剂还比较环保。

影响纳米银导电油墨导电性的因素

1.纳米银导电填料的含量。一般来说，印刷电路的导电性随纳米银颗粒的含量增多而增大，但当纳米银含量在油墨组分中超过一定比率时，连接料就会相对减少，从而使纳米银颗粒无法充分混合分散，导致产生聚集或孔隙，从而使导电率变小。

2.印刷电路的烧结温度。当进行烧结时，随温度升高，油墨中的溶剂挥发，使纳米银颗粒接触更加紧密，形成导电通路，从而提升导电率。但温度并不是越高越好，在达到一定温度后，纳米银导电油墨的电阻率并不会持续下降，温度过高反而可能对一些有机基底产生不利影响。

3.墨层厚度。一定范围内，印刷电路的导电率随墨层厚度增加而逐渐变大，但当墨层过厚时，反而会出现一些问题，使干燥烧结时间过长，并且由于纳米银已得到饱和，因此并不会使其导电性更加优异。

总结

纳米银胶导电油墨本身的粘度和触变性不易控制，可能会引起烧结后的墨层不均匀，导电性不良。油墨的粘度过大，不易漏印，会使印版网孔堵塞，油墨粘度过小，则容易流出网孔，影响印刷。所以在配置纳米银胶导电油墨的过程中，连结料的选择显得尤为重要，选择合适的连接料，改善导电油墨的综合性能，对于印刷适性以及最后的精度和导电性有着非常重要的意义。在未来，丝网印刷电子技术会对其所需的导电油墨提出更高的要求，但是随着丝网印刷电子技术的广泛运用，纳米银胶导电油墨的市场前景仍然可观，从全球市场来看，开发出颗粒更加精细，印刷精度与性能更高，成本更低的油墨是大势所趋。