高溫銀漿表面金屬化研究

鄭志勤+易發(fā)成+王哲

摘 要：通過掃面電鏡和能譜分析技術(shù)研究了燒結(jié)保溫時間對中溫銀漿和高溫銀漿的金屬化層形貌的影響。采用絲網(wǎng)印刷工藝將兩種電子銀漿料均勻分布在氧化鋁陶瓷板表面，通過調(diào)整不同燒結(jié)保溫時間探究不同金屬化層的微觀形貌及遷移情況，最佳燒結(jié)保溫時間是20 min。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在銀金屬化層與氧化鋁陶瓷基板界面處提出了銀金屬化層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和玻璃的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相互交錯的模型。

關(guān)鍵詞：絲網(wǎng)印刷 陶瓷金屬化 高溫銀漿

中圖分類號：TG146 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0005-02

表面金屬化后的陶瓷廣泛應(yīng)用在電池，集成電路，切削工具，特別是能源行業(yè)[1].因此，近幾十年陶瓷科研工作者已為實(shí)現(xiàn)陶瓷的表面金屬化做出了顯著的努力。在這些金屬化工藝中，采用絲網(wǎng)印刷費(fèi)厚膜金屬化工藝因其簡便和廉價(jià)的實(shí)驗(yàn)工藝成為廣闊應(yīng)用的工藝之一[2-3].通常，采用絲網(wǎng)印刷的陶瓷表面金屬化可以通過玻璃相遷移過程實(shí)現(xiàn)[4]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

燒結(jié)銀金屬化層前，陶瓷基板兩側(cè)的銀漿均通過孔徑為200目的絲網(wǎng)印刷成直徑15 mm，厚0.8 mm的形狀.在600 ℃下燒結(jié)保溫時間是10 min，20 min，30 min燒結(jié)，陶瓷基板分別10wt%，20wt%，30wt%的氫氧化鈉濃度腐蝕。腐蝕后的基板均分別印刷上銀漿，燒結(jié)保溫20 min。

2 結(jié)果與討論

圖1為600 ℃保溫20 min燒結(jié)下不同濃度氫氧化鈉預(yù)處理的斷口形貌圖，其中（a）無預(yù)處理，（b）10%氫氧化鈉預(yù)處理，（c）20%氫氧化鈉預(yù)處理，（d）30%氫氧化鈉預(yù)處理，分析對比，（a）斷口金屬化層與陶瓷已有脫落，可以看到裂縫的存在；（b）金屬化層與陶瓷表面也有部分脫落；但是（c）（d）兩個斷口金屬化層仍結(jié)合在陶瓷上，并且所用的粘結(jié)劑有機(jī)膠也沒有被拉下。

圖2為銀金屬化層與陶瓷基板間的連接體模型。銀漿剛絲網(wǎng)印刷上陶瓷基板后，銀粉和玻璃粉體是隨機(jī)分布的如圖2（a）。伴隨燒結(jié)溫度超過玻璃粉體的軟化溫度，玻璃粉體變成液態(tài)攜帶著銀粉流動并潤濕填充在陶瓷基板上的微裂紋間如圖2（b）。隨后的冷卻過程中，銀金屬化層逐漸形成如圖2（c）。因?yàn)樵诹鲃拥牟Ａw中銀離子分散速度快于銀原子，燒結(jié)過程中形成了穩(wěn)定的內(nèi)嵌網(wǎng)狀銀的玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2（d）。兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)間的化學(xué)和物理鍵合增強(qiáng)了連接層。陶瓷基板表面，晶粒間被浸潤在一層玻璃相中如圖2（e）。在連接層區(qū)域，填充的玻璃相起到了非常關(guān)鍵的作用，如增加對陶瓷基板的腐蝕程度提高了玻璃相的潤濕性進(jìn)而增強(qiáng)了附著力強(qiáng)度。

3 結(jié)語

研究了燒結(jié)時間和基板腐蝕情況氧化鋁陶瓷銀金屬化的影響：陶瓷基板的腐蝕程度會顯著影響氧化鋁陶瓷銀金屬化效果；基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了表面金屬化過程中連接層形成的模型；部分銀離子在流動玻璃體的幫助下遷移至氧化鋁陶瓷基板內(nèi)；燒結(jié)速率和機(jī)理除了燒結(jié)氣氛、溫度、保溫時間和表面張力等變量決定外，還與粉體粒徑分布、顆粒比表面、填充效率、玻璃粉粘度等變量決定。

參考文獻(xiàn)

[1] Fernie J A，Drew R A L， Knowles K M.Joining of engineering ceramics[J].International Materials Reviews，2009（54）：283-331.

[2] Ionkin A S，F(xiàn)ish B M，Li Z R，Lewittes M，et al.Screen-printable silver pastes with metallic nano-zinc and nano-zinc alloys for crystalline silicon photovoltaic cells[J].ACS Applied Materials & Interfaces，2011（3）：606-611.

[3] Vechembre J B，F(xiàn)ox G R.Sintering of screen-printed platinum thick film for electrode applications [J].Journal of Materials Research，2001（16）：922-931.

[4] Huh J Y，Hong K K，Cho S B， et al.Effect of oxygen partial pressure on Ag crystallite formation at screen-printed Pb-free Ag contacts of Si solar cells[J].Materials Chemistry and Physics，2011（131）：113-119.

[5] Khanna V K.Adhesion–delamination phenomena at the surfaces and interfaces in microelectronics and MEMS structures and packaged devices [J].Journal of Physics D：Applied Physics，2011（44）：034004.endprint

摘 要：通過掃面電鏡和能譜分析技術(shù)研究了燒結(jié)保溫時間對中溫銀漿和高溫銀漿的金屬化層形貌的影響。采用絲網(wǎng)印刷工藝將兩種電子銀漿料均勻分布在氧化鋁陶瓷板表面，通過調(diào)整不同燒結(jié)保溫時間探究不同金屬化層的微觀形貌及遷移情況，最佳燒結(jié)保溫時間是20 min。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在銀金屬化層與氧化鋁陶瓷基板界面處提出了銀金屬化層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和玻璃的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相互交錯的模型。

關(guān)鍵詞：絲網(wǎng)印刷 陶瓷金屬化 高溫銀漿

中圖分類號：TG146 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0005-02

表面金屬化后的陶瓷廣泛應(yīng)用在電池，集成電路，切削工具，特別是能源行業(yè)[1].因此，近幾十年陶瓷科研工作者已為實(shí)現(xiàn)陶瓷的表面金屬化做出了顯著的努力。在這些金屬化工藝中，采用絲網(wǎng)印刷費(fèi)厚膜金屬化工藝因其簡便和廉價(jià)的實(shí)驗(yàn)工藝成為廣闊應(yīng)用的工藝之一[2-3].通常，采用絲網(wǎng)印刷的陶瓷表面金屬化可以通過玻璃相遷移過程實(shí)現(xiàn)[4]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

燒結(jié)銀金屬化層前，陶瓷基板兩側(cè)的銀漿均通過孔徑為200目的絲網(wǎng)印刷成直徑15 mm，厚0.8 mm的形狀.在600 ℃下燒結(jié)保溫時間是10 min，20 min，30 min燒結(jié)，陶瓷基板分別10wt%，20wt%，30wt%的氫氧化鈉濃度腐蝕。腐蝕后的基板均分別印刷上銀漿，燒結(jié)保溫20 min。

2 結(jié)果與討論

圖1為600 ℃保溫20 min燒結(jié)下不同濃度氫氧化鈉預(yù)處理的斷口形貌圖，其中（a）無預(yù)處理，（b）10%氫氧化鈉預(yù)處理，（c）20%氫氧化鈉預(yù)處理，（d）30%氫氧化鈉預(yù)處理，分析對比，（a）斷口金屬化層與陶瓷已有脫落，可以看到裂縫的存在；（b）金屬化層與陶瓷表面也有部分脫落；但是（c）（d）兩個斷口金屬化層仍結(jié)合在陶瓷上，并且所用的粘結(jié)劑有機(jī)膠也沒有被拉下。

圖2為銀金屬化層與陶瓷基板間的連接體模型。銀漿剛絲網(wǎng)印刷上陶瓷基板后，銀粉和玻璃粉體是隨機(jī)分布的如圖2（a）。伴隨燒結(jié)溫度超過玻璃粉體的軟化溫度，玻璃粉體變成液態(tài)攜帶著銀粉流動并潤濕填充在陶瓷基板上的微裂紋間如圖2（b）。隨后的冷卻過程中，銀金屬化層逐漸形成如圖2（c）。因?yàn)樵诹鲃拥牟Ａw中銀離子分散速度快于銀原子，燒結(jié)過程中形成了穩(wěn)定的內(nèi)嵌網(wǎng)狀銀的玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2（d）。兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)間的化學(xué)和物理鍵合增強(qiáng)了連接層。陶瓷基板表面，晶粒間被浸潤在一層玻璃相中如圖2（e）。在連接層區(qū)域，填充的玻璃相起到了非常關(guān)鍵的作用，如增加對陶瓷基板的腐蝕程度提高了玻璃相的潤濕性進(jìn)而增強(qiáng)了附著力強(qiáng)度。

3 結(jié)語

研究了燒結(jié)時間和基板腐蝕情況氧化鋁陶瓷銀金屬化的影響：陶瓷基板的腐蝕程度會顯著影響氧化鋁陶瓷銀金屬化效果；基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了表面金屬化過程中連接層形成的模型；部分銀離子在流動玻璃體的幫助下遷移至氧化鋁陶瓷基板內(nèi)；燒結(jié)速率和機(jī)理除了燒結(jié)氣氛、溫度、保溫時間和表面張力等變量決定外，還與粉體粒徑分布、顆粒比表面、填充效率、玻璃粉粘度等變量決定。

參考文獻(xiàn)

[1] Fernie J A，Drew R A L， Knowles K M.Joining of engineering ceramics[J].International Materials Reviews，2009（54）：283-331.

[2] Ionkin A S，F(xiàn)ish B M，Li Z R，Lewittes M，et al.Screen-printable silver pastes with metallic nano-zinc and nano-zinc alloys for crystalline silicon photovoltaic cells[J].ACS Applied Materials & Interfaces，2011（3）：606-611.

[3] Vechembre J B，F(xiàn)ox G R.Sintering of screen-printed platinum thick film for electrode applications [J].Journal of Materials Research，2001（16）：922-931.

[4] Huh J Y，Hong K K，Cho S B， et al.Effect of oxygen partial pressure on Ag crystallite formation at screen-printed Pb-free Ag contacts of Si solar cells[J].Materials Chemistry and Physics，2011（131）：113-119.

[5] Khanna V K.Adhesion–delamination phenomena at the surfaces and interfaces in microelectronics and MEMS structures and packaged devices [J].Journal of Physics D：Applied Physics，2011（44）：034004.endprint

摘 要：通過掃面電鏡和能譜分析技術(shù)研究了燒結(jié)保溫時間對中溫銀漿和高溫銀漿的金屬化層形貌的影響。采用絲網(wǎng)印刷工藝將兩種電子銀漿料均勻分布在氧化鋁陶瓷板表面，通過調(diào)整不同燒結(jié)保溫時間探究不同金屬化層的微觀形貌及遷移情況，最佳燒結(jié)保溫時間是20 min。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在銀金屬化層與氧化鋁陶瓷基板界面處提出了銀金屬化層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和玻璃的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相互交錯的模型。

關(guān)鍵詞：絲網(wǎng)印刷 陶瓷金屬化 高溫銀漿

中圖分類號：TG146 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0005-02

表面金屬化后的陶瓷廣泛應(yīng)用在電池，集成電路，切削工具，特別是能源行業(yè)[1].因此，近幾十年陶瓷科研工作者已為實(shí)現(xiàn)陶瓷的表面金屬化做出了顯著的努力。在這些金屬化工藝中，采用絲網(wǎng)印刷費(fèi)厚膜金屬化工藝因其簡便和廉價(jià)的實(shí)驗(yàn)工藝成為廣闊應(yīng)用的工藝之一[2-3].通常，采用絲網(wǎng)印刷的陶瓷表面金屬化可以通過玻璃相遷移過程實(shí)現(xiàn)[4]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

燒結(jié)銀金屬化層前，陶瓷基板兩側(cè)的銀漿均通過孔徑為200目的絲網(wǎng)印刷成直徑15 mm，厚0.8 mm的形狀.在600 ℃下燒結(jié)保溫時間是10 min，20 min，30 min燒結(jié)，陶瓷基板分別10wt%，20wt%，30wt%的氫氧化鈉濃度腐蝕。腐蝕后的基板均分別印刷上銀漿，燒結(jié)保溫20 min。

2 結(jié)果與討論

圖1為600 ℃保溫20 min燒結(jié)下不同濃度氫氧化鈉預(yù)處理的斷口形貌圖，其中（a）無預(yù)處理，（b）10%氫氧化鈉預(yù)處理，（c）20%氫氧化鈉預(yù)處理，（d）30%氫氧化鈉預(yù)處理，分析對比，（a）斷口金屬化層與陶瓷已有脫落，可以看到裂縫的存在；（b）金屬化層與陶瓷表面也有部分脫落；但是（c）（d）兩個斷口金屬化層仍結(jié)合在陶瓷上，并且所用的粘結(jié)劑有機(jī)膠也沒有被拉下。

圖2為銀金屬化層與陶瓷基板間的連接體模型。銀漿剛絲網(wǎng)印刷上陶瓷基板后，銀粉和玻璃粉體是隨機(jī)分布的如圖2（a）。伴隨燒結(jié)溫度超過玻璃粉體的軟化溫度，玻璃粉體變成液態(tài)攜帶著銀粉流動并潤濕填充在陶瓷基板上的微裂紋間如圖2（b）。隨后的冷卻過程中，銀金屬化層逐漸形成如圖2（c）。因?yàn)樵诹鲃拥牟Ａw中銀離子分散速度快于銀原子，燒結(jié)過程中形成了穩(wěn)定的內(nèi)嵌網(wǎng)狀銀的玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2（d）。兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)間的化學(xué)和物理鍵合增強(qiáng)了連接層。陶瓷基板表面，晶粒間被浸潤在一層玻璃相中如圖2（e）。在連接層區(qū)域，填充的玻璃相起到了非常關(guān)鍵的作用，如增加對陶瓷基板的腐蝕程度提高了玻璃相的潤濕性進(jìn)而增強(qiáng)了附著力強(qiáng)度。

3 結(jié)語

研究了燒結(jié)時間和基板腐蝕情況氧化鋁陶瓷銀金屬化的影響：陶瓷基板的腐蝕程度會顯著影響氧化鋁陶瓷銀金屬化效果；基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了表面金屬化過程中連接層形成的模型；部分銀離子在流動玻璃體的幫助下遷移至氧化鋁陶瓷基板內(nèi)；燒結(jié)速率和機(jī)理除了燒結(jié)氣氛、溫度、保溫時間和表面張力等變量決定外，還與粉體粒徑分布、顆粒比表面、填充效率、玻璃粉粘度等變量決定。

參考文獻(xiàn)

[1] Fernie J A，Drew R A L， Knowles K M.Joining of engineering ceramics[J].International Materials Reviews，2009（54）：283-331.

[2] Ionkin A S，F(xiàn)ish B M，Li Z R，Lewittes M，et al.Screen-printable silver pastes with metallic nano-zinc and nano-zinc alloys for crystalline silicon photovoltaic cells[J].ACS Applied Materials & Interfaces，2011（3）：606-611.

[3] Vechembre J B，F(xiàn)ox G R.Sintering of screen-printed platinum thick film for electrode applications [J].Journal of Materials Research，2001（16）：922-931.

[4] Huh J Y，Hong K K，Cho S B， et al.Effect of oxygen partial pressure on Ag crystallite formation at screen-printed Pb-free Ag contacts of Si solar cells[J].Materials Chemistry and Physics，2011（131）：113-119.

[5] Khanna V K.Adhesion–delamination phenomena at the surfaces and interfaces in microelectronics and MEMS structures and packaged devices [J].Journal of Physics D：Applied Physics，2011（44）：034004.endprint