電動工具開關用高耐磨導電銀漿的研制

朱慶明，王德龍

（核工業(yè)第八研究所，上海 201800；上海寶銀電子材料有限公司，上海 201800）

近年來，隨著電子技術的廣泛應用，人們對電動工具的質量要求越來越高，尤其對產品的壽命、效率、質量等技術指標非常關注[1]。電動工具開關的壽命也獲得了極大的提升，使用壽命超30萬次，國外有些客戶的要求超100萬次。本文對電動工具開關用高耐磨導電銀漿進行了研制，銀漿的附著力、硬度、耐丙酮等性能都滿足技術要求，耐磨性測試也達到了100萬次的水平。系統(tǒng)研究了樹脂體系、耐磨材料、銀粉性能及含量和溶劑體系對導電銀漿性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原材料

原材料主要有片狀銀粉、球形銀粉、改性酚醛樹脂、改性環(huán)氧樹脂、超細玻璃粉、導電石墨、二硫化鉬、潤濕分散劑、消泡劑等。

1.2 導電銀漿的制備

將改性樹脂的載體、導電銀粉、各種耐磨材料以及其他助劑等按特定比例通過高速分散劑攪拌均勻，然后再利用三輥軋機研磨分散均勻，即導電銀漿。

1.3 銀層固化膜的制備

采用絲網印刷的工藝，將制備好的導電銀漿印刷在CCL（覆銅板）板/PCB（印刷線路板）板上的金屬銅箔或者PET薄膜，并在（205±5）℃的溫度條件下固化10～20 min，制得表面均勻且致密的銀層。印刷在CCL板上的銀層固化膜主要用來模擬PCB板，并進行銀漿性能測試。印刷在PCB板上的銀層固化膜，后續(xù)直接組裝成工具開關，并進行電動工具開關的耐磨性測試。印刷在PET薄膜上的銀層固化膜能用來測試銀漿的導電性能。

1.4 導電銀漿的性能測試

附著力測試：百格測試，用劃格器在銀層上切出十字格子圖形，切口直至金屬銅箔；用包刷對角線方向各刷5次，用膠帶貼在切口上再拉開；觀察格子區(qū)域的情況，銀層沒有任何剝落。

硬度測試：按照國家標準GB/T 6739—1996《涂膜硬度鉛筆測定法》進行測試。手持鉛筆約成45°角，以鉛筆芯不折斷為度，在銀層固化膜推壓，向試驗者前方以均勻的、約1 cm/s的速度推壓，在銀層上刮劃，判斷銀層表面是否出現劃痕。

耐丙酮測試：將銀層固化膜浸泡在丙酮溶液中5 min，然后用無塵布進行擦拭，觀察銀層表面沒有任何脫落。

耐磨性測試：按照機械行業(yè)標準JB/T 7087—1997《電動工具開關》進行測試。將印刷好銀層的PCB板，繼續(xù)組裝成工具開關，在電動工具開關壽命測試機上進行耐磨性測試。

導電性能測試：將導電銀漿印刷在PET薄膜上，圖形為長5 000 mm、寬0.4 mm的串聯線路。

2 實驗結果與討論

2.1 樹脂體系對附著力的影響

導電銀漿中樹脂體系作為漿料的骨架和導電銀粉、耐磨材料的載體，其主要作用是提供了銀漿基本的流動性、附著力，使?jié){料具有一定的成膜性、附著力、耐溶劑性和耐磨性[2]。鑒于導電銀漿是絲網印刷在CCL板/PCB板上的金屬銅箔，導電銀漿與銅箔的附著力是首先要解決的，也是最難的。酚醛樹脂本身具有黏結力強，工藝性好，耐磨及耐熱性高等優(yōu)點，但是因其固化后脆性大，剝離強度差[3]。環(huán)氧樹脂對絕大數的金屬都有優(yōu)良的黏結性，使用范圍非常廣。本文選擇了改性酚醛樹脂、改性環(huán)氧樹脂、改性酚醛樹脂+改性環(huán)氧樹脂3種樹脂體系，結果如表1所示。

表1 樹脂體系對銀漿性能的影響

從表1可看出，純改性酚醛樹脂制成的導電銀漿與金屬銅箔的附著力非常差，全部剝離。添加改性環(huán)氧樹脂可顯著改善導電銀漿與金屬銅箔之間的附著力，比改性酚醛樹脂好很多，主要原為改性環(huán)氧樹脂結構中具有羥基、醚鍵和活性極大的環(huán)氧基，與金屬銅箔界面產生電磁吸附或化學鍵[4]。純改性環(huán)氧樹脂制成的導電銀漿漿料黏度較高，容易導致工藝性差、干網快、高膜厚等問題。究其原因主要是，純環(huán)氧樹脂制成的導電膠一般都是無溶劑型的，其黏度較溶劑型高。

2.2 耐磨材料對耐磨性的影響

導電銀漿的耐磨性，一方面受樹脂體系的影響，改性酚醛樹脂的耐磨性優(yōu)于改性環(huán)氧樹脂，主要原因是酚醛樹脂的硬度大、壓縮強度高，并具有良好的耐熱性、抗蠕變性等。另一方面，受各種耐磨材料的影響，超細玻璃粉可以提高銀層的硬度；二硫化鉬和導電石墨屬于固體潤滑劑，可以隔離相對運動的摩擦面從而達到減摩和耐磨的目的。3種耐磨材料對導電銀漿性能的影響如表2所示。

表2 耐磨材料對銀漿性能的影響

從表2中可以看出，玻璃粉和二硫化鉬在增強銀漿耐磨性的同時，還會增加銀漿的電阻和穩(wěn)定性；石墨既可以增強銀漿的耐磨性，又可以導電，效果最佳。本文中，3種耐磨材料的添加相對比例為石墨∶玻璃粉∶二硫化鉬=8∶1∶1，以導電石墨為主。

2.3 銀粉性能及其含量對電阻的影響

銀粉的形貌與銀漿的導電性也有影響。相同的銀含量，片狀銀粉主要形成面與面之間的接觸，球形銀粉主要形成點與點之間的接觸，球形銀粉添加到片狀銀粉當中可以起到良好的補充和銜接作用，進一步降低電阻[5]。本文中，片狀銀粉與球形銀粉的相對比例為8∶1，以片狀銀粉為主。銀粉性能及含量對電阻的影響如表3所示，從表3中可知，隨著銀粉粒徑的減小，片狀銀粉的比表面積增加，銀漿的潤濕性會變差，電阻會變高；隨著銀粉含量的增加，銀粉的潤濕性也會變差，電阻會降低。本文中，銀粉的含量控制在（50±2）%為好。

表3 銀粉性能及含量對電阻的影響

2.4 溶劑體系對批量工藝性的影響

溶劑的性能對銀漿批量工藝性有影響。采用沸點為150℃左右的溶劑，銀漿絲網印刷在300次左右容易干網，不易印刷，主要是因為銀漿中溶劑在絲網印刷的過程不斷緩慢揮發(fā)，導致黏度緩慢增加。本文中，沸點在150℃左右的溶劑占總溶劑的含量不超過30%。

3 結論

采用片狀銀粉和球形銀粉為導電相，改性酚醛樹脂和改性環(huán)氧樹脂為黏結相，超細玻璃粉、導電石墨和二硫化鉬為耐磨相，制備了電動工具開關用高耐磨導電銀漿。此導電銀漿制作的電動工具開關壽命測試可達100萬次，技術處于國內市場的前沿。