基于液相化學還原法的電子漿料導電相可控制備裝置及控制方法的研究進展

彭曉文　張曉桂　高波

摘要：電子漿料是用于制造電子元件的基礎材料，隨著電子信息產業的迅速發展，電子漿料的性能需要進一步的提高，電子漿料的性能主要由電子漿料導電相的形貌和粒徑決定。文章結合近年來電子漿料及控制領域的研究狀況，介紹了電子漿料導電相最常用的制備方法及制備過程中影響電子漿料導電相形貌和粒徑的因素，闡述了電子漿料導電相制備裝置國內外發展現狀，著重闡述了基于液相化學還原法的電子漿料導電相可控制備裝置及其控制方式。

關鍵詞：電子漿料導電相;可控制備裝置;液相化學還原法;智能控制方法中國分類號：TB48

文獻標識碼：A

文章編號：1400 （2019） 04-0052-04

電子漿料是一種新型電子功能材料，主要用于制造集成電路、電容器、電阻器、導電油墨、太陽能電池電極、敏感元器件等電子元器件，幾乎應用在生活中的各個領域。特別是近年來隨著電子信息產業的迅速革新和發展，電子漿料產業也以迅猛的速度發展，各行各業對電子漿料性能的要求變得越來越高。

目前，電子漿料在高端產品方面的需求大多數仍需要依靠國外進口滿足，所以，國內電子漿料的生產水平需要更進一步的提升。電子漿料在實際的應用中受制于電子漿料導電相的形貌和粒徑，又由于電子漿料導電相的形貌和粒徑在制備過程中受諸多因素的影響，因此，能夠實現電子漿料導電相的可控制備非常的重要。

1電子漿料的組成及其導電相制備方法

電子漿料主要的組成成分有三種：導電相、粘結相和有機載體。電子漿料的電性能主要由導電相決定，導電相材料多為電阻率較低的Au、Ag、Cu、Ni等金屬粉末，其中最常用的材料為Ag粉。

電子漿料導電相制備方法種類很多，主要包括機械球磨法、熱分解法、蒸發冷凝法、等離子法、液相化學還原法、噴霧熱分解法、電解法、微乳液法、電化學沉積法等。

其中液相化學還原法具有制備設備簡單、能耗較低、實際操作中的可控性好、生產成本低和工藝流程短等諸多優點，適合在工業中大規模生產。而其他方法或多或少的會有一些缺點。目前國內外電子漿料導電相的制備方法均以液相化學還原法為主，所以本文所講的電子漿料導電相可控制備裝置也是基于液相化學還原法的制備過程。

液相化學還原法的制備原理是采用具有一定還原能力的還原劑，將溶液中的金屬離子還原至零價，再經過沉淀、過濾、干燥等工藝得到金屬粉末。制備過程在常壓下進行，可通過控制金屬鹽濃度、還原劑種類和濃度、加料速度、攪拌速度和攪拌器形式、反應溫度、反應過程的pH值、還原劑和氧化劑的混合方式等，并加入一種或多種適量的分散劑和表面活性劑來獲得所需形貌和粒徑的金屬粉末。

2電子漿料導電相可控制備裝置國內外現狀

目前，全球知名的電子漿料生產廠家主要集中在日本和美國等少數發達國家，如美國杜邦、日本住礦、美國Ferro等企業。這些企業產品種類全，研發力度大，產品更新周期短，市場占有率高。對于電子漿料導電相的研制和開發，國外的電子漿料生產企業已經擁有完善的研發體系。就銀粉而言，美國的Ferro公司和Goldsmith公司已經能夠生產出60種以上的不同種類的銀粉。可見這些企業電子漿料導電相可控制備裝置已經相當的成熟。

當前，我國很多企業基本上能生產出各種常規性的電子漿料導電相，并制成電子漿料應用于電子元件的生產。如文獻中廣東肇慶風華電子工程開發有限公司與華南理工大學的合作，研制出的生產設備已能穩定生產出超細銀粉，并可用自己研制的銀粉生產出口的電容器。雖然如此但我國電子漿料產業不論從生產技術、產品種類和質量還是從市場份額，都遠遠落后于發達國家。主要原因是我國生產電子漿料的工藝技術水平低，制備裝置落后，擁有自主知識產權和專利的企業較少，大多是通過仿制或重復性生產。可見我國電子漿料導電相生產設備與發達國家還有相當大的差距。

可能是出于企業技術保密的原因，目前，市場上尚沒有公開針對電子漿料導電相可控制備而研發的裝置，但各領域的制備裝置都具有相似性。與電子漿料導電相可控制備裝置類似的裝置如上海巖征實驗儀器有限公司生產的三元前驅體共沉淀反應釜，這種反應釜主要組成部分有：反應釜、蠕動泵、在線pH控制系統、控溫循環裝置，采用PLC+觸摸屏控制。

各組成部分參數如下：

1、反應釜有不銹鋼316L和玻璃兩種材質;容積有1L、2L、5L、 10L、20L、30L、50L、80L、100L、200L多種選擇。

2、采用機械攪拌，攪拌轉速50-500r/min可調;采用雙層推進式攪拌槳，混合速度快，分散效果好。

3、計量泵采用LED數字顯示泵頭轉速，加料速率可調，可設置定時功能。

4、在線pH自動控制系統，采用耐酸堿腐蝕pH計，控制范圍：0-14pH，分辨率：0.01pH。

5、控溫循環裝置采用夾套+保溫套設計，通過夾套控溫，控溫范圍：30-70℃±0.5℃

6、采用PLC+觸摸屏控制，實現在線監控反應器內溫度，壓力，攪拌速度，加料速率。

3電子漿料導電相可控制備裝置結構

前面說過，用液相化學還原法制備電子漿料導電相的過程中需要控制的因素很多，其中與裝置有關的因素有：加料速度、攪拌速度和攪拌器形式、反應溫度以及反應溶液的pH值。通過分析這些因素可以確定制備裝置的主體結構需要包括儲料容器、進料裝置、反應容器、控制部分。

3.1儲料容器

儲料容器是用來存放反應時需要用到的液體的容器。工業中常用的儲料容器是儲罐。

32進料裝置

早期的進料過程主要是依靠人工操作實現的，目前多采用各種機械泵進料，其中最常用的是蠕動泵和計量泵。這種進料方式對于操作人員勞動強度的減輕，人身安全的保障，工作效率和產品質量的提高具有重要的意義。

3.3反應容器

由于反應過程是溶液的反應，工業中常用的此類反應容器為反應釜。反應釜需配有加熱裝置、攪拌器、傳動裝置。

加熱裝置通常為夾套、盤管，通過在夾套和盤管內通入冷熱介質來實現溫度的升降。加熱方式有電加熱、蒸汽加熱、水加熱、導熱油加熱等。加熱方式主要由反應釜中反應過程所需的熱量及加熱的溫度決定的。

攪拌器的種類很多，每種都有不同的攪拌效果，需根據釜內介質的物理性質、容量、攪拌目的等選擇相應的攪拌器。較為常見的攪拌器型式有槳式、框式、錨式、渦輪式、齒片式、螺桿式等。

傳動裝置的作用是給攪拌器提供動力，傳動裝置的主要部分是電動機。

3.4控制部分

用液相化學還原法制備電子漿料導電相的過程中需用裝置控制的因素有：加料速度、攪拌速度、反應溫度以及反應溶液的pH值。其中，加料速度的控制可通過蠕動泵或計量泵實現，攪拌速度的控制可通過傳動裝置實現。

反應溫度以及反應溶液的pH值控制系統主要包括以下幾部分：傳感器、A/D轉換、控制器、D/A轉換、執行器。其具體控制過程是：反應釜內的溫度、pH值經過相應的傳感器測量、變換后，轉換成電信號，電信號經過A/D轉換成數字信號發送給控制器;控制器通過顯示部分把各項信息顯示在顯示屏上，同時，控制器根據溫度控制算法、pH值控制算法產生系統的控制輸出，再經D/A轉換后輸出控制量實現對相應執行器的控制，從而達到控制反應釜中溫度、pH值的目的。

控制器通常為單片機、PLC、PC機等。溫度控制部分的執行器通常為熱交換器。pH值控制部分的執行器通常為兩個泵，一個泵控制加酸，另一個泵控制加堿。

4控制方法

目前，在大多數反應釜的控制中，還是以PID控制為主，PID控制的優點在于它的算法簡單，不僅有比較成熟的理論基礎，還有大量應用的實際經驗數據，參數整定的方法也非常成熟，能適應各種不同的控制對象，穩態控制精度高，可通過各種廉價的微控制器實現。但是，反應釜中的反應往往具有時滯性+非線性、無精確數學模型等諸多問題，在實際的生產中，PID控制的控制效果往往難以令人滿意。隨著智能控制算法的發展，國內外專家和學者開始把各種智能化的控制方法應用到反應釜的控制中，如模糊控制、神經網絡算法、自適應控制算法、預測控制、遺傳算法、粒子群算法、專家控制算法等。這些控制方法確實一定程度上提高了控制精度l131。

為了更進一步的提高控制精度，目前先進的反應釜控制系統多采用智能控制方法與傳統控制方法相結合的方法或采用多個智能控制方法相結合的方法。如文獻提出一種在升溫階段采用積分分離PID控制，在恒溫階段采用BP神經網絡PID控制的溫度控制方法，文獻提出一種在升溫階段采用積分分離PID控制，在恒溫階段采用參數因子自調整模糊控制的溫度控制方法，文獻”“提出一種在升溫階段采用基于Smith變結構PID控制，在恒溫階段采用SDP（Smith-DMC-PID）控制的溫度控制方法，這三種方案的實際運行狀況都很理想。文獻采用了模糊控制與PID控制相結合的方法，當溫度偏差大時采用模糊控制，發揮模糊控制響應速度快，動態性能好的特點;溫度偏差小時切換至PID控制，使系統在取得較好的動態性能的情況下達到期望的靜態性能。文獻和文獻采用了分段式變增益PID控制算法用來補償pH值控制過程的非線性。文獻設計了一種基于粒子群算法的模糊自適應PID控制器，較大的提高了系統的動態特性和靜態特性，自適應能力顯著增強。文獻提出一種改進的模糊RBF神經網絡智能控制方法，該方法提高了系統的控制精度并具有較強的魯棒性。文獻采用了基于Smith預估的模糊PID控制，溫度延遲的問題可通過Smith補償器解決，再利用模糊PID控制提高系統的響應速度，減小穩態誤差。文獻和文獻采用了模糊PID控制，這種控制方法能夠減小系統超調量、縮短調整時間，且魯棒性好、算法簡單。

5結語

隨著微電子技術和電子元件制造業在我國的迅速發展，電子漿料扮演著越來越重要的角色。目前國內市場上高、中端電子漿料基本被美國、日本等發達國家所壟斷，因此國產電子漿料的研發和產業化任重而道遠。印刷電路及電子元件的精密化和小型化要求電子漿料導電相必須控制在一定的形貌和粒徑。本文通過查閱大量文獻總結了基于液相化學還原法的電子漿料導電相的可控制備裝置及控制方法研究進展，期望為此方面做進一步的研究提供相關的理論支持。