多粒径纳米银颗粒墨水的EHD打印与烧结工艺研究

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近年来随着打印电子制造工艺不断进步,柔性电子产品正逐渐走向产业化。降低柔性电子器件的制造成本,不仅能提高企业的经济效益,也利于产品的市场推广,对于推动柔性电子产业的发展具有重要意义。液相还原法作为一种传统的金属颗粒制备方法,可高效、低成本的制备打印用金属纳米颗粒墨水,在打印电子领域有着巨大的应用前景。但由于其制备的墨水固含量偏低,容易出现打印线条不连续、导电性差等问题,需要进一步提升其打印后的可靠性。本文以液相还原法制备的低浓度纳米银颗粒墨水为研究对象,分别从墨水制备和打印工艺两个方面对其进行改进。通过改良墨水粒径分布;改进设备结构布局;优化打印烧结工艺,最终实现了成本低、电阻低、分辨率高和可靠性好的微导电图案的制造。为今后低浓度墨水在柔性电子器件制备上的应用提供依据。本文的具体研究内容如下:(1)针对液相还原法制备的低浓度纳米银颗粒墨水打印后导电性差等问题,提出了一种通过添加填充颗粒,提高打印图案的堆积密度,从而改善其导电性的方法。首先,在PVP环境下通过超声加热搅拌制备出分散性好、粒径均匀的球状纳米银颗粒粉末作为填充颗粒。其次,通过添加填充颗粒来改变墨水中颗粒的粒径分布,使其形成符合Horsfieled堆积模型的双峰分布结构。最后,利用实验室自主研发的电流体动力打印设备分别对改进前后的纳米银颗粒墨水进行打印。通过激光烧结和热烧结对打印图案进行固化,比较并分析了堆积密度对打印图案导电性的影响。结果表明,加入填充颗粒后,墨水中银的固含量略有增加,从15wt%增加到16.5wt%,而墨水导电性却得到显著提升,热烧结后墨水的电阻率由70.2μΩ·cm下降到31.2μΩ·cm;激光烧结后墨水的电阻率由30.0μΩ·cm下降到18.7μΩ·cm。(2)针对EHD(Electro-Hydro-Dynamic)打印过程中,低浓度墨水打印图案不均匀、不连续等问题,对打印工艺进行改进,提出了一种通过多层同步干燥打印提高打印图案可靠性的方法。首先,在打印设备的工作台下方嵌入加热装置,在打印的同时,利用加热装置对打印基底进行加热,加速打印图案中溶剂的挥发,避免了多层重复打印时图案厚度过高造成墨水边缘扩散的问题,保证打印图案的分辨率。其次,通过多层重复打印制备了高厚度打印图案,并采用光学显微镜对打印图案的表面形貌进行分析,确定了不同层数打印图案固化所需的干燥时间。打印完成后对图案进行热压烧结,进一步提升打印图案致密性及附着力。在最佳烧结参数下,打印图案电阻率仅为1.89μΩ·cm,接近块状银的电阻率。最后,采用柔性电子测试平台对打印图案的机械性能进行分析,经过100次剥离实验和600次弯曲实验后,打印图案仍然具备出色的导电能力,说明该方法制备的打印图案可靠性好,可以用于柔性电子产品的制造。(3)以实验室开发的电流体动力打印设备为平台,结合多层打印工艺,研究了多粒径纳米银颗粒墨水在大面积或高厚度导电图案制备上的应用。本研究分为两个部分,第一部分以直写打印技术为手段,采用多层打印制备了大面积的导电薄膜。通过台阶仪分析了打印参数对薄膜表面形貌的影响,探究了激光烧结后薄膜的导电性与其打印层数的关系,结果表明该方法可以通过控制打印层数精确调节薄膜厚度,从而高效制备致密性导电薄膜。当打印层数为三层时,薄膜烧结后的电阻值仅为0.42Ω。第二部分将商业氧化铜颗粒墨水与实验室自行制备的纳米银颗粒墨水相结合,通过多层打印制备了上层为氧化铜、下层为银的复合打印图案。利用红外激光对打印图案进行烧结,探究了不同材料在高温下的粘结机理,分析了氧化铜层对高厚度打印图案激光烧结效率的影响。结果表明,凭借氧化铜层较好的吸光性,可以使得打印图案烧结更加完全,铜银复合打印图案烧结后的电阻率为105.7μΩcm,可以满足电子设备的使用需求。
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