低温共烧陶瓷（LTCC）内电极银浆的制备及其性能研究

论文摘要

近二十年来,随着新技术、新材料和新工艺的迅速发展,微电子材料在各个方面都得到了蓬勃的发展。低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic）技术由于其优异的热学、电学、机械及其工艺特性,将成为未来电子器件模块化、集成化的首选方式以及元器件产业新的经济增长点。国内LTCC技术的开发及产业化较发达国家晚,生产的浆料质量较差、品种少,仍然没有摆脱国外产品价高、受控制的局面。本论文以LTCC蓝牙天线内电极用银浆为研究对象,研究了化学还原沉淀法制备高分散高振实的超细结晶型银粉,设计和优化了玻璃粉的配方以及玻璃粉的制备工艺,通过添加助剂改性,制备了有机载体,将各组成相进行系统优化后,最后制备成LTCC内电极印刷电路用银浆。借助环境扫描电子显微镜、激光粒度分析仪、PF-100B型振实密度测试仪、Netzsch DTA 449PC示差扫描量热仪和D/Max 2500 X射线衍射仪对制得银粉的形貌、粒径和振实密度、玻璃粉的软化温区和析晶情况进行检测和分析；通过粘度仪和细度计测定了浆料的粘度和细度；利用SEM分析了浆料烧结膜的微观形貌；采用四探针测试仪和测力计测定了烧结膜的电性能和附着力,主要研究结果如下：（1）采用化学沉淀法从硝酸银溶液中沉淀出银粉,用反应速率适中的抗坏血酸作为还原剂,明胶作为分散剂,可以制得分散性良好的银粉。当硝酸银与抗坏血酸的浓度比为2：1,明胶为硝酸银质量的2wt%时,用激光粒度分析仪测得银粉的平均粒径为2.68μm；化学反应溶液的pH为2时,可以制得所需结晶性银粉,当反应滴液速度控制在200mL/min,反应温度为50℃时,可以得到平均粒径为2.46μm的结晶性高分散类球状银粉。（2）适于LTCC天线内电极浆料优化后的粘度为120Pa·s；用平均粒径为2.46μm的类球状高分散银粉制得浆料,浆料的丝网印刷性能和触变性良好,其烧结膜方阻为1.40mΩ/□；随着银粉振实密度的提高,烧结膜越致密,导电性越好,当用振实密度为5.1g/mL,平均粒径为2.25μm的银粉时,制得烧结膜的方阻可达1.35mΩ/□；当固粉中银粉与玻璃粉的质量比为82：3时,可以使烧结膜导电性能最好,为1.22 mΩ/□；当载体在浆料中的含量为15wt%时,电性能良好,方阻为1.02 mΩ/□。（3）通过对3个体系6种不同玻璃粉进行比较分析,优选出的C系玻璃粉,其软化温度为650℃左右,长时间保温不会有析晶的情况,根据Turner模型计算得出其烧结膜的线膨胀系数与基片生瓷最为匹配；当C系玻璃粉中Li20含量为2wt%时,烧结厚膜与基片的线膨胀匹配性良好；当浆料中玻璃粉含量为8%时,烧结膜与基片的附着力最佳,为16.8N/mm2。（4）将陶瓷生瓷片料作为添加剂加入到银浆中,可以抑制因浆料和生瓷片共烧时线膨胀系数不匹配而导致的翘曲现象；随着生瓷片料在浆料中添加量的增加,所得天线的中心频率先增加后迅速减小,当添加量为0.6wt%时,中心频率与设计值最接近,为2.44GHz；加入表面活性剂卵磷脂和蓖麻油对浆料流平性有一定的改善作用。通过提高烧结膜的高宽比来减少共烧后的翘曲现象,在浆料中加入丁基卡必醇有效提高浆料的触变性,当加入量为12wt%时,高宽比可以达到0.32。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 LTCC技术
• 1.2.1 蓝牙天线组件
• 1.2.2 LTCC产品制备工艺
• 1.2.3 天线的性能参数
• 1.2.4 发展状况
• 1.3 LTCC蓝牙天线内电极银浆料
• 1.3.1 银粉的特性及其对浆料性能的影响
• 1.3.2 粘结相玻璃粉的性质及其对浆料性能的影响
• 1.3.3 有机载体的性质及其对浆料性能的影响
• 1.3.4 浆料在蓝牙天线中的应用
• 1.4 LTCC银浆的研发状况
• 1.4.1 超细银粉的发展现状
• 1.4.2 玻璃粉的发展方向
• 1.4.3 LTCC银浆的发展趋势
• 1.5 本课题的研究意义及目的
• 1.6 本课题的研究内容和预期目标
• 1.6.1 研究内容
• 1.6.2 预期达到的性能指标
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验
• 2.1.1 实验设备
• 2.1.2 银粉的制备
• 2.1.3 玻璃粉的制备
• 2.1.4 有机载体的制备
• 2.1.5 浆料的制备
• 2.1.6 浆料的印刷与烘干
• 2.1.7 浆料与生瓷片的共烧
• 2.2 浆料各组成相的成分设计与性能要求
• 2.2.1 银粉的性能要求
• 2.2.2 玻璃粉的要求和成分设计
• 2.2.3 有机载体的成分设计
• 2.3 性能检测
• 2.3.1 烧结膜的导电性能检测
• 2.3.2 浆料的粘度测试
• 2.3.3 银粉和烧结膜的表面形貌测试
• 2.3.4 烧结膜与基片的附着力测试
• 2.3.5 玻璃粉和有机载体的热性能测试
• 2.3.6 玻璃粉的XRD测试
• 2.3.7 银粉的振实密度测试
• 2.3.8 银粉的粒度测试
• 2.3.9 浆料细度测试
• 2.3.10 烧结膜收缩率测试
• 2.3.11 天线性能测试
• 第三章 液相化学还原法制备高分散超细银粉
• 3.1 液相化学还原法制备银粉的反应机理
• 3.1.1 还原机理
• 3.1.2 晶核成长机理
• 3.2 反应物对银粉粒度和形貌的影响
• 3.2.1 硝酸银浓度的影响
• 3.2.2 还原剂种类和浓度的影响
• 3.2.3 分散剂浓度的影响
• 3.3 反应条件对银粉粒度和形貌的影响
• 3.3.1 反应液pH的影响
• 3.3.2 反应温度的影响
• 3.3.3 滴液速度和搅拌速度的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 LTCC蓝牙天线内电极用银浆的性能
• 4.1 银浆的粘度对丝网印刷性能的影响
• 4.2 银浆烧结工艺和电极厚膜的形貌分析
• 4.3 银浆烧结膜的电性能分析
• 4.3.1 导电机理分析
• 4.3.2 银粉特性对烧结膜电性能的影响
• 4.3.3 银粉和玻璃粉的相对含量对浆料烧结膜导电性能的影响
• 4.3.4 有机载体对浆料烧结膜导电性能的影响
• 4.4 玻璃粉性质对导电银浆共烧性能的影响
• 4.4.1 玻璃粉软化温度和析晶情况对导电银浆烧结行为的影响
• 4.4.2 玻璃粉热膨胀性能对导电银浆与生瓷片共烧匹配性的影响
• 4.5 玻璃粉含量对烧结膜附着力的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 导电银浆对LTCC共烧特性的影响
• 5.1 LTCC技术机理分析
• 5.2 银浆与生瓷基片的共烧过程分析
• 5.3 添加剂对银浆与生瓷基片共烧宏观缺陷的影响
• 5.3.1 X轴和Y轴方向的失配收缩
• 5.3.2 多层烧结膜翘曲缺陷
• 5.4 LTCC蓝牙天线组件性能
• 5.5 银浆的印刷性对共烧性能的影响
• 5.5.1 银浆的流平性对烧结膜形貌的影响
• 5.5.2 银浆的触变性对烧结膜高宽比的影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 致谢