高溫銀漿表面金屬化研究

鄭志勤+易發成+王哲

摘 要：通過掃面電鏡和能譜分析技術研究了燒結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，通過調整不同燒結保溫時間探究不同金屬化層的微觀形貌及遷移情況，最佳燒結保溫時間是20 min。基于實驗結果，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狀結構和玻璃的網狀結構相互交錯的模型。

關鍵詞：絲網印刷 陶瓷金屬化 高溫銀漿

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

表面金屬化后的陶瓷廣泛應用在電池，集成電路，切削工具，特別是能源行業[1].因此，近幾十年陶瓷科研工作者已為實現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，采用絲網印刷費厚膜金屬化工藝因其簡便和廉價的實驗工藝成為廣闊應用的工藝之一[2-3].通常，采用絲網印刷的陶瓷表面金屬化可以通過玻璃相遷移過程實現[4]。

1 實驗部分

燒結銀金屬化層前，陶瓷基板兩側的銀漿均通過孔徑為200目的絲網印刷成直徑15 mm，厚0.8 mm的形狀.在600 ℃下燒結保溫時間是10 min，20 min，30 min燒結，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，燒結保溫20 min。

2 結果與討論

圖1為600 ℃保溫20 min燒結下不同濃度氫氧化鈉預處理的斷口形貌圖，其中（a）無預處理，（b）10%氫氧化鈉預處理，（c）20%氫氧化鈉預處理，（d）30%氫氧化鈉預處理，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合在陶瓷上，并且所用的粘結劑有機膠也沒有被拉下。

圖2為銀金屬化層與陶瓷基板間的連接體模型。銀漿剛絲網印刷上陶瓷基板后，銀粉和玻璃粉體是隨機分布的如圖2（a）。伴隨燒結溫度超過玻璃粉體的軟化溫度，玻璃粉體變成液態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）。因為在流動的玻璃體中銀離子分散速度快于銀原子，燒結過程中形成了穩定的內嵌網狀銀的玻璃網絡結構如圖2（d）。兩種網絡結構間的化學和物理鍵合增強了連接層。陶瓷基板表面，晶粒間被浸潤在一層玻璃相中如圖2（e）。在連接層區域，填充的玻璃相起到了非常關鍵的作用，如增加對陶瓷基板的腐蝕程度提高了玻璃相的潤濕性進而增強了附著力強度。

3 結語

研究了燒結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；基于實驗數據，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；燒結速率和機理除了燒結氣氛、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

[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，Fish 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，Fox 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研究了燒結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，通過調整不同燒結保溫時間探究不同金屬化層的微觀形貌及遷移情況，最佳燒結保溫時間是20 min。基于實驗結果，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狀結構和玻璃的網狀結構相互交錯的模型。

關鍵詞：絲網印刷 陶瓷金屬化 高溫銀漿

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

表面金屬化后的陶瓷廣泛應用在電池，集成電路，切削工具，特別是能源行業[1].因此，近幾十年陶瓷科研工作者已為實現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，采用絲網印刷費厚膜金屬化工藝因其簡便和廉價的實驗工藝成為廣闊應用的工藝之一[2-3].通常，采用絲網印刷的陶瓷表面金屬化可以通過玻璃相遷移過程實現[4]。

1 實驗部分

燒結銀金屬化層前，陶瓷基板兩側的銀漿均通過孔徑為200目的絲網印刷成直徑15 mm，厚0.8 mm的形狀.在600 ℃下燒結保溫時間是10 min，20 min，30 min燒結，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，燒結保溫20 min。

2 結果與討論

圖1為600 ℃保溫20 min燒結下不同濃度氫氧化鈉預處理的斷口形貌圖，其中（a）無預處理，（b）10%氫氧化鈉預處理，（c）20%氫氧化鈉預處理，（d）30%氫氧化鈉預處理，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合在陶瓷上，并且所用的粘結劑有機膠也沒有被拉下。

圖2為銀金屬化層與陶瓷基板間的連接體模型。銀漿剛絲網印刷上陶瓷基板后，銀粉和玻璃粉體是隨機分布的如圖2（a）。伴隨燒結溫度超過玻璃粉體的軟化溫度，玻璃粉體變成液態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）。因為在流動的玻璃體中銀離子分散速度快于銀原子，燒結過程中形成了穩定的內嵌網狀銀的玻璃網絡結構如圖2（d）。兩種網絡結構間的化學和物理鍵合增強了連接層。陶瓷基板表面，晶粒間被浸潤在一層玻璃相中如圖2（e）。在連接層區域，填充的玻璃相起到了非常關鍵的作用，如增加對陶瓷基板的腐蝕程度提高了玻璃相的潤濕性進而增強了附著力強度。

3 結語

研究了燒結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；基于實驗數據，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；燒結速率和機理除了燒結氣氛、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

[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，Fish 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，Fox 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研究了燒結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，通過調整不同燒結保溫時間探究不同金屬化層的微觀形貌及遷移情況，最佳燒結保溫時間是20 min。基于實驗結果，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狀結構和玻璃的網狀結構相互交錯的模型。

關鍵詞：絲網印刷 陶瓷金屬化 高溫銀漿

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

表面金屬化后的陶瓷廣泛應用在電池，集成電路，切削工具，特別是能源行業[1].因此，近幾十年陶瓷科研工作者已為實現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，采用絲網印刷費厚膜金屬化工藝因其簡便和廉價的實驗工藝成為廣闊應用的工藝之一[2-3].通常，采用絲網印刷的陶瓷表面金屬化可以通過玻璃相遷移過程實現[4]。

1 實驗部分

燒結銀金屬化層前，陶瓷基板兩側的銀漿均通過孔徑為200目的絲網印刷成直徑15 mm，厚0.8 mm的形狀.在600 ℃下燒結保溫時間是10 min，20 min，30 min燒結，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，燒結保溫20 min。

2 結果與討論

圖1為600 ℃保溫20 min燒結下不同濃度氫氧化鈉預處理的斷口形貌圖，其中（a）無預處理，（b）10%氫氧化鈉預處理，（c）20%氫氧化鈉預處理，（d）30%氫氧化鈉預處理，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合在陶瓷上，并且所用的粘結劑有機膠也沒有被拉下。

圖2為銀金屬化層與陶瓷基板間的連接體模型。銀漿剛絲網印刷上陶瓷基板后，銀粉和玻璃粉體是隨機分布的如圖2（a）。伴隨燒結溫度超過玻璃粉體的軟化溫度，玻璃粉體變成液態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）。因為在流動的玻璃體中銀離子分散速度快于銀原子，燒結過程中形成了穩定的內嵌網狀銀的玻璃網絡結構如圖2（d）。兩種網絡結構間的化學和物理鍵合增強了連接層。陶瓷基板表面，晶粒間被浸潤在一層玻璃相中如圖2（e）。在連接層區域，填充的玻璃相起到了非常關鍵的作用，如增加對陶瓷基板的腐蝕程度提高了玻璃相的潤濕性進而增強了附著力強度。

3 結語

研究了燒結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；基于實驗數據，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；燒結速率和機理除了燒結氣氛、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

[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，Fish 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，Fox 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