IC封装导电银胶用片状银粉的研制

2021-03-15 07:12汤俊祥阮润李许明超
船电技术 2021年3期
关键词:银粉磨时间片状

彭 戴,汤俊祥,游 立,阮润李,许明超,邢 滔

(武汉船用电力推进装置研究所,武汉 430064)

0 引言

片状银粉的颗粒粒径与片层厚度的比值(以下称“径厚比”),作为评价粉体片状化程度的重要技术指标之一,直接决定了其应用的领域范围。粉体的片状形貌并非标准圆形,不同部位的厚度也存在差异性,因而片状银粉的径厚比只是一个估计值[2]。如径厚比越大的片状银粉,常常表现出较低的松装密度,单位体积的银粉颗粒数量较多,一般应用于薄膜开关导电银浆领域,较低银含量情况下也能表现出优异的导电性能;而径厚比较小的片状银粉,常常表现出较高的振实密度,一般应用于高银含量的导电银浆及光伏行业的HJT银浆领域[1,3]。

本文通过液相化学还原法制备原始银粉,再利用机械球磨法制得片状银粉,研究原始粉制备工艺、球磨工艺对片状银粉形貌尺寸、粒度分布及密度的影响,并采用扫描电子显微镜(SEM)、激光粒径分析仪、粉体振实密度测试仪、全自动水分灰分仪、比表面分析仪对银粉的形貌、粒度分布、粉体密度、比表面积、水分灰分进行表征[4,6]。将片状银粉用环氧树脂体系配制成 IC封装导电银胶,测试导电胶固化前的物性参数、固化片的特性、固化粘接特性及环境测试,并常温下观察是否分层,结果表明此片状银粉制得的导电银胶均达到了应用指标要求。

1 实验过程

1.1 主要原材料的选择

本实验选用硝酸银(>99.8%)、无水乙醇(分析纯)、抗坏血酸(医药级别)、聚乙烯吡咯烷酮K90(分析纯)、硬脂酸(95%),水为纯水。

1.2 原始银粉的制备

1)氧化液配制:称量30 kg硝酸银于配料罐中,注入200 kg纯水,在25℃以350 r/min转速搅拌30 min,使得硝酸银充分溶解即可;

2)还原液配制:称量20 kg抗坏血酸于配料罐中,注入200 kg纯水,在25℃以350 r/min转速搅拌30 min,使得抗坏血酸充分溶解即可;

3)原始银粉配制:称量5 kg聚乙烯吡咯烷酮K90于水热反应釜中,注入300 kg纯水,25℃,350 r/min条件下,搅拌30 min,使聚乙烯吡咯烷酮K90溶解即可。于25℃、350 r/min条件下,将氧化液和还原液溶液同时泵送入反应釜,均在相同时间内泵送完毕,停止搅拌,原始银粉悬浮液自然沉降。

将原始银粉悬浮液泵送至清洗釜进行清洗,洗至电导率<20 μS/cm即可将上清液抽光,将湿粉转移至分散机的80 L拉缸中备用。

称取8 kg无水乙醇倒入上述拉缸,再向其中加入300 g硬脂酸,于室温、350 r/min转速下搅拌2 h,停止搅拌,湿粉入真空干燥箱50 ℃烘干。

1.3 片状银粉的制备

选用乙醇作为球磨介质,硬脂酸为球磨助剂(原始银粉制备环节已加入),选取2 mm规格的氧化锆球为磨球。磨球与原始银粉的质量比为6:1,球磨介质与原始银粉的质量比为0.5:1,球磨转速为100 r/min。

将上述磨球、球磨介质、原始银粉按照一定比例称量后装入球磨罐中,拧固紧球磨罐的盖子,设置好球磨时间和球磨转速,开启球磨机进行球磨。每隔一定时间进行取样,通过砂芯漏斗对小样进行固液分离,并用无水乙醇进行少量多次冲洗,片状银粉通过真空干燥、筛粉后进行表征和应用试验。

球磨结束后,用800目的滤布对磨球、片状银粉、球磨介质进行固液分离,并用球磨介质清洗残余的分散剂,通过真空干燥箱对银粉和锆球进行烘干,并利用筛分机对球和粉进行分离,得到片粉。

2 结果与讨论

2.1 不同反应时间对原始银粉的影响

传统的机械球磨分为干法和湿法两种。干法球磨时,球磨罐的底部原始银粉比较多,通过磨球的碾压和摩擦,银粉颗粒间易发生“冷焊”形成大的片状,大片越容易堆积底部厚度难以调控;而湿法球磨在一定球磨介质的保护作用下,银粉颗粒分散其中,不易发生“冷焊”[5]。

不锈钢球、硬质合金的磨球不适用于片状银粉制备工艺的磨球,主要原因在于球磨过程会引入金属杂质离子较多;氧化铝磨球由于球磨、洗涤、烘干多次后,往往存在开裂和表皮剥落等现象,同样也会存在杂质的引入[7]。常用球磨介质有水、乙醇、乙二醇、丙酮等。考虑到原始银粉表面分散剂的种类、环保、安全等角度,本实验选用湿法球磨方式、球磨介质为无水乙醇、磨球为氧化锆球。图1为反应2 min、4 min、6 min、8 min原始银粉的SEM图。

图1 反应 2 min(图a)、4 min(图b)、6 min(图c)、8 min(图d) 原始银粉的SEM图

如图1所示,随着反应时间的延长,原始银粉的粒径增大,同时分散性先变好后变差,如图1中a)图所示反应时间2 min,制得的原始银粉平均粒径约700 nm,分散性差,颗粒间团聚明显,粒径分布均一;b)图所示反应时间4 min,制得的原始银粉平均粒径约3 μm,分散性较差,颗粒间也存在明显团聚现象,粒径分布均一;c)图所示反应时间6 min,制得的原始银粉平均粒径约5 μm,很清楚可以看出是以花簇状团聚体形式存在,但是分散性最好;d)图所示反应时间8 min,制得的原始银粉平均粒径约8 μm,粒径最大,分散性和粒度分度最差。

由表1结合图1可知,反应时间2 min、4 min制备得到的原始银粉主要以团聚体形式存在,而反应时间6 min、8 min则主要以花簇状团聚形式存在。同时可以看出反应4 min制得的原始银粉其粒径大小、振实密度适中;2 min制得的原始银粉振实密度小,比表面积大,吸油量大,不适用于高振实高银含量的导电胶体系;反应6 min和8 min制得的原始银粉,其粒径大,球磨制得的片状银粉粒径在10 μm以上,虽然其均表现出较高振实密度,但是其在连续点胶或丝网印刷等施胶过程中会存在堵孔或网的问题,影响连续施胶。因而,我们选用反应4 min制得的原始银粉进行后续球磨实验。

表1 反应2 min、4 min、6 min、8 min原始银粉性能指标

2.2 不同球磨时间对片状银粉的影响

图2为以无水乙醇作为球磨介质,球磨时间分别为5 h、20 h、35 h、45 h得到的片状银粉的SEM。

图2 球磨 5 h(图e)、20 h(图f)、35 h(图g)、45 h(图h)片状银粉的SEM图

由图2可知,随着球磨时间的延长,原始银粉的片状化程度会越高。

由表2结合图2、表1可知,球磨5 h制得的片状银粉的平均粒径小于原始银粉,并且粒径分布变窄由此可知原始银粉主要是以软团聚体形式存在,通过前期的球磨可以使得团聚体之间分散开,同时球磨5 h的片状银粉其振实密度远高于原始银粉,说明短时间的球磨可有效改善原始银粉的分散性,使得其振实密度明显增大。电镜图可以看出其团聚体也明显减少,利于后续球磨。

表2 球磨5 h、20 h、35 h、45 h片状银粉性能指标

随着球磨时间的延长,片状银粉的振实密度出现先增加后减小的趋势,比表面处于一直增加的趋势,片状银粉的平均粒径在球磨45 h时接近8 μm。为避免粒径进一步增大出现卷曲或碎化,停止进行增加球磨时间实验,并将其中球磨20 h、35 h、45 h这三款片状银粉应用到后续导电胶的应用试验。

通过本球磨工艺球磨35 h所得的片状银粉的X射线衍射图如图3所示。

图3 球磨35 h片状银粉的X射线衍射图

由图3可看出,该片状银粉分别在2θ=38.1°、44.3°、64.5°、77.5°和 81.6°附近存在较强衍射峰,分别对应的衍射面为(111)、(200)、(220)、(311)和(222),表现出明显面心立方多晶结构。

2.3 导电银胶的性能测试

由表3可知,球磨20 h、35 h片状银粉制得IC封装导电银胶点胶效果好,无明显拉胶现象;45 h的制得导电银浆点胶存在尖头和拉胶现象。同时可以看出,20 h的片状银粉触变指数最低,导电银胶需要有良好触变特性便于点胶;45 h的片状银粉触变指数最高;而且可以看出35 h、45 h制得的导电胶的线条电阻值较小。这三款产品推力测试、固化后硬度测试、高低温冷热冲击测试及高温高湿测试均满足应用。综合上述各项指标,球磨35 h制得的片状银粉制得的导电银胶均达到了应用指标要求。

表3 球磨20 h、35 h、45 h片状银粉应用测试

3 结论

1)以平均粒径约3 μm的球形银粉为原始银粉、无水乙醇为介质,2 mm尺寸规格的氧化锆球为磨球,球磨时间为35 h,机械球磨法制得片状化程度高、粒径均匀、平均粒径小于7 μm的片状银粉;

2)球磨35 h制得的片状银粉制得的导电银胶,银胶的粘度、触变指数、推力测试、导电性能、点胶、固化后硬度测试、高低温冷热冲击测试及高温高湿测试均满足应用。

猜你喜欢
银粉磨时间片状
球磨时间对石墨烯复合材料电化学性能的影响
球磨时间对再生料硬质合金性能的影响
粉磨对粉煤灰综合性能影响研究
片状变燃速发射药燃烧性能的数值计算
银粉对导电银浆表面微结构及导电性能的影响实践
太阳能电池浆料用片状银粉的制备
球磨时间对钼钨合金粉物理性能及烧结特性的影响
控制片状α-Al2O3粉体形貌影响因素的研究
炭黑/铝银粉填充导电硅橡胶的性能研究
太阳能电池正极专用银粉