CN105440801B - 一种导电墨水及基于该导电墨水的印制电路的制备方法 - Google Patents

一种导电墨水及基于该导电墨水的印制电路的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种导电墨水及基于该导电墨水的印制电路的制备方法，所述的导电墨水包括有机铜源、有机还原剂、铜络合剂水溶液。所述有机铜源为有机酸铜，其碳原子数在2～16之间，所述有机还原剂为维生素C、二甲基亚砜、联胺、多元醇或聚合醇的一种或多种，所述铜络合剂为醇胺类有机物。将本发明所述的导电墨水喷印到印制电路基板上，在惰性气体环境下加热还原可得到由碳覆盖铜导电线路。与现有技术相比，通过本发明导电墨水得到印制电路铜导电线路具有表面平整、碳层致密性好、与基板的附着力强、具有良好的抗氧化性能、生产工艺流程短、成本低、适合于工业化生产。

Description

一种导电墨水及基于该导电墨水的印制电路的制备方法
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，尤其涉及到一种可广泛用于在印制电路的导电墨水及基于该导电墨水的印制电路的制备方法。
背景技术
近年来，越来越多的研究正在致力于全印制电子技术，全印制电子技术有别于传统的蚀刻法，是指采用快速、高效和灵活的数字喷墨打印技术在基板上形成导电线路和图形，或形成整个印制电路板的过程。其广泛用在柔性基底上印制导电线路(电路)，特别是在柔性电子设备，如柔性显示设备、太阳能电池、射频识别器等的应用。
任何电子设备必定有相关元器件和零件组成，通常是由印制板(PCB)承担了元器件的支撑和连接作用。全印制电子产品兼有PCB作用，可代替PCB。全印制电子技术具有以下优点：印制技术的导入简化电子产品制造工艺；把电子电路与元器件集合在一起，连接可靠；产品轻薄、可挠曲，减少体积与重量，适合各种形状要求；省料省工，减少材料成本和时间成本；绿色生产，既提高了经济效益，还减少了制造过程中的环境污染。
铜是一种导电性能好，价格低廉，不易发生电子迁移的导电金属，是全印制电子技术中理想的金属导电材料。目前，全印制电子技术所用铜导电材料根据分散介质不同可分为两类，一是铜导电墨水，二是铜导电胶。无论何种铜导电材料，首先都需要以金属盐为原料，在有保护剂的有机还原剂中反应生成各种形貌的纳米金属颗粒。然后将此纳米铜颗粒作为填料加入到不同的分散介质中制备导电墨水或导电胶。如果将导电颗粒分散到乙醇、水、丙酮等有机溶剂中，得到的则是铜导电墨水。如果分散到环氧树脂、酚醛树脂等树脂胶粘剂中，得到的则是铜导电胶。将铜导电墨水或铜导电胶印制到基板上、经加热固化(或烧结)即可在基底上制得到所设计的导电电路图形。
从上可以看到，通过传统方法得到导电图形过程复杂，需要进行多次离心过滤、清洗纳米金属颗粒，分散铜颗粒等流程。此外，得到的铜还容易氧化，进而影响线路导电的稳定性，甚至影响到铜与基底的结合力。对于铜导电墨水得到的线路，在储存时易发生纳米颗粒团聚，若使用喷墨打印技术，还容易造成喷头堵塞。为此，本发明针对上述问题，研制了一种新型的碳铜复合导电墨水。该导电墨水解决了传统印制电路制备过程工序繁杂、铜导线与基板结合力低、使用铜导电墨水得到的线路在储存时不稳定，铜导线易氧化等不足。
发明内容
本发明提供一种导电墨水及基于该导电墨水的印制电路的制备方法。采用本发明提供的导电墨水制造印制电路可以显著保护铜导线不被氧化，降低其电阻率，提高印制电路中铜的纯度；同时，其制备方法工艺简单，成本较低且具有良好的重复性，适合于工业化生产。本发明克服了上述背景技术中传统制作铜线路存在的不足。
本发明的技术方案是：
一种导电墨水，包括有机铜源、有机还原剂、铜络合剂水溶液。所述有机铜源为有机酸铜，其碳原子数在2～16之间，其浓度为1.0mol/L～10mol/L；所述有机还原剂为维生素C、二甲基亚砜、和多元醇的一种或多种，其浓度为0.5mol/L～5mol/L；所述铜络合剂为醇胺类有机物；其浓度为1.0mol/L～10mol/L。
一种印制电路的制备方法，其操作步骤如下：
步骤1：导电墨水的制备；以有机酸铜、还原剂、铜络合剂混合于水中制成溶液做为导电墨水，所述有机酸铜C原子数在2～16之间，其浓度为1.0mol/L～10mol/L；所述还原剂为维生素C、二甲基亚砜、和多元醇的一种或多种，其浓度为0.5mol/L～5mol/L；所述铜络合剂为醇胺类有机物，其浓度为1.0mol/L～10mol/L；
步骤2：印制；按照设计使用步骤1所得导电墨水将导电图形印制到印制电路基板上；
步骤3：烧结；将步骤2得到的印有图形的印制电路基板置于高温惰性环境下进行烧结，得到印制电路导线，其中，烧结温度为240～280℃，烧结时间为0.5～1小时。
本发明提供的导电墨水的主要成分都为有机物质，因为无机物在高温还原烧结中难以去除。有机物酸铜为铜原料；添加醇胺类有机物为络合游离的铜离子的络合剂从而通过控制游离铜离子浓度来调节铜离子被还原的速率和铜晶粒的生成速率，除此之外，络合剂的存在防止铜离子在碱性条件下生成沉淀；同时因为溶液中存在着氧分子，铜颗粒易被氧化，导致得到了亚铜离子，所以添加维生素C、二甲基亚砜、和多元醇中的一种或多种为还原剂。
将本发明的导电墨水印制到印制电路基板上，放入高温的惰性气体中进行铜还原烧结反应形成铜导电线路。在该过程中，有机酸铜在还原剂的作用下二价铜发生还原形成铜原子。铜原子在高温作用下形成晶粒，进而形成块状铜(铜线路)。与此同时，在高温作用下有机物能够分解生成碳，生成的单质碳把生成的单质铜包裹起来。这使得导电薄膜中的铜单质与环境中的氧气隔绝，从而提高印制电路导线的抗氧化性能。
通过本发明的导电墨水和基于该导电墨水，由于是通过原子级铜堆积的方式在印制电路基板上形成铜线路，因此，铜线路与印制电路基板结合力好，导电线路的铜均匀、致密。相比传统的铜线路制作方法，本发明制造的铜线路的方法具有导线表面平整、碳层致密性好、与基板(载体)的附着力强，同时具有良好的抗氧化性能、生产工艺流程短、成本低、适合于工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的导线的扫描电镜图；
图2为本发明实施例1制得的导线的X射线衍射图；
图3为本发明实施例1制得的导线的能谱成分分析图。
具体实施方案
取2.0g乙酸铜溶于5mL二乙醇胺和5mL去离子水混合制成的溶液中，室温下搅拌均匀，加0.02mol乙二醇于混合溶液，并在室温下匀速搅拌至均匀，制成导电墨水。将本实施方式所得导电墨水喷印于PI(聚酰亚胺)基板上，在Ar气环境下(含少量H2)加热到260℃，反应30min，得到印制电路。
经测试，本方案得到的铜线路电阻率为15.5μΩ·m。此外，使用扫描电镜分析薄膜的表面形貌、X射线衍射分析薄膜的晶体结构、EDS分析薄膜的表面氧化情况。
从以上测试分析后得出：(1)铜导线电阻率低，导电性能良好；(2)扫描电镜检测结果表明导线中电路的碳铜复合物致密性好；(3)X射线衍射分析结果表明制得的印制电路是含有金属铜电路(比对XRD标准卡JCPDF-0004-0783)，电路中铜的纯度很高、无反应残留物以及铜的氧化物等成分；(4)EDS能谱成分分析结果显示，印制线路中只含碳、铜，无其他元素残留，表明铜抗氧化性能好。

Claims (5)

1.一种导电墨水，为包括有机铜源、有机还原剂、铜络合剂形成的水溶液；其特征在于，所述有机铜源为有机酸铜，其碳原子数在2～16之间，所述水溶液中有机酸铜的浓度为1.0mol/L～10mol/L；所述有机还原剂为维生素C、二甲基亚砜和多元醇的一种或多种，所述水溶液中还原剂的浓度为0.5mol/L～5mol/L；所述铜络合剂为醇胺类有机物，所述水溶液中铜络合剂的浓度为1.0mol/L～10mol/L。
2.一种印制电路的制备方法，其特征在于，其操作步骤如下：
步骤1：导电墨水的制备；以有机酸铜、还原剂、铜络合剂混合于水中制成溶液作为导电墨水，所述有机酸铜碳原子数在2～16之间，浓度为1.0mol/L～10mol/L；所述还原剂为维生素C、二甲基亚砜和多元醇的一种或多种，其浓度为0.5mol/L～5mol/L；所述铜络合剂为醇胺类有机物，其浓度为1.0mol/L～10mol/L；
步骤2：印制；按照设计使用步骤1所得导电墨水将导电图形印制到印制电路基板上；
步骤3：烧结；将步骤2得到的印有图形的印制电路基板置于高温惰性环境下进行烧结，得到印制电路导线。
3.根据权利要求2所述印制电路的制备方法，其特征在于，所述印制方法采用丝棒涂布、刮刀涂布、旋转涂布、喷涂、辊涂、浸涂、流涂的涂布方式或喷墨印刷、丝网印刷、凹版印刷、凸版印刷、平版印刷的印刷方式中的一种。
4.根据权利要求2所述印制电路的制备方法，其特征在于，步骤3中烧结温度为240～280℃，烧结时间为0.5～1小时。
5.根据权利要求2所述印制电路的制备方法，其特征在于，得到的印制电路导线为碳覆盖铜结构。
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