CN1204567C - 一种用于激光直写的导电浆料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种用于激光直写的导电浆料，包括粘接相、导电相、有机溶剂和有机成膜物质，所述粘接相为软化温度在200至400℃范围的易熔玻璃粉末，其颗粒直径为0.1-10微米，所述粘接相与导电相的质量比为1∶24到1∶1。上述粘接相中还包括熔点为180≤T2≤300℃的易熔金属粉末，其颗粒直径为0.1-10微米；当易熔玻璃粉末的软化温度为200≤T1≤300℃时本发明的技术效果更佳。利用本发明所述导电浆料，经过激光直写布出的导线，与基板结合强度一般可达到5Mpa以上，最小不低于3Mpa。电阻率小于10-4Ωcm，激光器使用小功率连续或者准连续激光器，布线速度最快为20毫米每秒，线宽可以在2毫米到10微米之间进行调节。
Description
技术领域
本发明涉及一种导电浆料，具体涉及一种用于激光直写的导电浆料。
背景技术
随着电子、电器产品向超大规模集成化、数字化、轻量化和小批量、多样化方向发展，传统的印制电路板(PCB：Printed Circuit Board)和厚膜电路的制作工艺方法包括光化学法和模板(或丝网)漏印法越来越不能满足要求。具体体现在：制造工序多，对高密度、高精度印制电路板易带来较大误差；最小线宽和线间距受到很大限制；腐蚀去除的导电材料很多，造成贵金属的大量浪费；电镀、腐蚀等工序使用的溶液对环境造成很大的污染等。然而，除了严重污染环境外，上述工艺的最大弱点还在于柔性化程度很低，具体包括：线路板制作周期较长，从完成设计到加工出成品一般需约2天至7天的时间，而且要交给专业制造车间来完成，无法有效缩短新产品研究开发周期；电路板一旦制作完工，无法对所设计的导电线路进行必要修改；对于单件或者小批量生产电路板来说，制造成本较高。新一代的电子布线和封装技术迫切需要能在无掩膜(或模板)条件下，高精度、高速度连接高密度芯片和修复导电线路的柔性布线技术，以大幅度降低生产成本。
现有的柔性布线技术中，激光柔性布线技术成为最具有潜力的柔性布线技术之一。根据具体工艺的不同，激光直写布线技术大致分为激光化学气相沉积，激光诱导液相化学镀和激光诱导固相反应沉积三种方式，即从气体、液相镀液或固体膜中利用激光诱导沉积出导电物质形成导线。但是这些技术普遍存在布线速度过低(一般只有几μm/s到几十μm/s)，工艺复杂，成本高等缺点。
1991年，美国AT&T公司Kestenbaum等人采用甩胶法在基片表面先预置一定厚度的金属有机化合物导电胶，激光辐照后使化合物分解出纯金属粒子。最小线宽可以达到1μm左右。该方法利用的是光化学反应，由于必须梯度增加激光功率才能控制金属有机化合物分解速度，因此获得的最大布线速度不超过5μm/s(A.Kestenbaum，U.S.Patent，No.5064685，Nov.，1991)。国内外利用激光辐射金属有机化合物导电胶制备导线的报道很多，但普遍存在布线速度过慢，厚度较薄，步骤繁多的缺点。
为克服上述激光柔性布线的缺点，我们采用激光直写导电浆料的方法快速直接地制作和修复电路板。目前为止，尚未发现国内外有相同方法的报道。关于利用激光直写导电浆料来制作和修复电路板的方法本发明人同时申报了名称为“一种电路板制作和修复方法”的发明专利。
激光直写导电浆料技术需要有合适的导电浆料。特别是在玻璃和陶瓷基板上布线，对导电浆料的要求十分高。不仅要求制成的导线连续、致密、有较高的热稳定性，与基板结合力强，而且因为玻璃、陶瓷基板受热冲击时极易破裂，所以在布线加工时，必须避免温差变化过大导致的急冷急热过程。这就要求粘接相的加热温度不能太高。现有的导电浆料大致可分为玻璃粘接型、氧化物粘接型和有机导电浆料。玻璃粘接材料，如SiO2-PbO-B2O3系列玻璃，软化温度几乎都超过550℃。这样的导电浆料软化温度对于激光直写来说过高，大大限制了布线速度，加大对基板表面的损坏，很容易由于基板表面与心部温度差过大造成基板的破裂。氧化物粘接型浆料需要在接近金属熔点的温度下烧结才能保持高的附着强度，所以存在与高软化温度玻璃粘接型浆料同样的缺点。有机导电浆料，也称导电胶，是利用树脂固化原理提供粘接作用的，较适用于有机基板，如环氧树脂基板、酚醛树脂基板等，其固化温度很低，但使用温度也很低，一般在高于200℃的情况下使用时就会逐渐发生热分解；而且树脂在玻璃和陶瓷等基板上的粘结强度不是很高。所以有机导电浆料并不适合玻璃、陶瓷或半导体基板。(见《厚膜电子元件》李耀林编华南理工大学出版社)
发明内容
本发明的目的旨在提供一种新的导电浆料，该导电浆料适用于在玻璃、陶瓷、半导体等材料基板上进行激光直写制作和修复电路板。
为实现上述发明目的，本发明提供的一种用于激光直写的导电浆料，包括粘接相、导电相、有机溶剂和有机成膜物质，其特征在于：所述粘接相为软化温度在200≤T1＜400℃范围的易熔玻璃粉末，其颗粒直径为0.1-10微米，所述粘接相与导电相的质量比为1∶24到1∶1。
上述粘接相中还可包括熔点为180≤T2≤300℃的易熔金属粉末，其颗粒直径为0.1-10微米，易熔金属粉末占粘接相总质量的10％-75％；当易熔玻璃粉末的软化温度200≤T1≤300℃时本发明的技术效果更佳。
发明人利用本发明所述导电浆料，经过激光直写布出的导线，与基板结合强度一般可达到5Mpa以上，最小不低于3Mpa。电阻率小于10-4Ωcm，激光器使用小功率连续或者准连续激光器，布线速度最快为20毫米每秒，线宽可以在2毫米到5微米之间进行调节。
具体实施方式
本发明提供的导电浆料由粘接相、导电相、有机溶剂和有机成膜物质组成，所述粘接相为软化温度在200≤T1≤450℃范围的易熔玻璃粉末，所述粘接相与导电相的质量比为1∶24到1∶1，当易熔玻璃粉末的软化温度范围在200≤T1≤300℃时技术效果更好。在粘接相中还可以包括熔点为180≤T2≤300℃的易熔金属粉末。
易熔玻璃的制备方法如表1所示，导电浆料的成分和含量见表2。
表1玻璃的制备工艺与参数
| 编号 | 成分和含量 | 熔炼 | 软化温度 | 粉末直径 |
| 1# | Sb2O3：65-90克，SiO2：3.0克，PbO：23.0克，H3BO3：7.7-18.7克，KOH：22.8克，NaOH：1.6克，LiOH：1.1克 | 在瓷坩埚中熔炼10-20分钟，熔炼温度550℃-700℃，熔练好的玻璃倒入水中进行水淬，烘干后用球磨机研磨。 | 320-350℃左右 | 一般研磨后达1-10微米；深度研磨后达0.1微米左右 |
| 2# | Tl2O：6克，PbO：62.9克，B2O3：13.15克，Al2O3：1.88克，ZnO：14.1克 | 在刚玉坩埚中熔炼10-20分钟，熔炼温度750℃-900℃，熔炼好的玻璃倒入水中进行水淬，烘干后用球磨机研磨。 | 400-450℃左右 | 一般研磨后达1-10微米；深度研磨后达0.1微米左右 |
| 3# | PbO：63克，TeO2：5克，B2O3：28克，As2O3：4克 | 在瓷坩埚中熔炼10-20分钟，熔炼温度550℃-650℃，熔炼好的玻璃倒入水中进行水淬，烘干后用球磨机研磨。 | 200℃左右 |
表2本发明导电浆料的实施例
| 实施例 | 粘接相 | 导电相 | 粘接相和导电相质量比 |
| 1 | 1#易熔玻璃粉末，粉末直径1-3微米 | 直径为1-6微米的片状金粉 | 1∶1 |
| 2 | 2#易熔玻璃粉末，粉末直径1-9微米 | 直径为1-6微米的片状银粉 | 1∶24 |
| 3 | 1#易熔玻璃粉末，粉末直径0.1-3微米 | 直径为1-6微米的片状银粉 | 3∶7 |
| 4 | 2#易熔玻璃粉末，粉末直径1-10微米 | 直径为1-6微米的片状银粉 | 3∶7 |
| 5 | 3#易熔玻璃粉末，粉末直径1-3微米 | 直径为1-6微米的片状银粉 | 4∶6 |
| 6 | 1#易熔玻璃粉末，粉末直径0.1微米 | 直径为0.5微米的片状铝粉 | 3∶7 |
| 7 | 1#易熔玻璃粉末和金属Sn63/Pb37粉末，粉末直径为1-3微米，玻璃粉末占粘接相质量90％ | 直径为1-6微米的片状银粉 | 3∶7 |
| 8 | 1#易熔玻璃粉末和金属Sn63/Pb37粉末，粉末直径为1-3微米，玻璃粉末占粘接相质量25％ | 直径为1-6微米的片状银粉 | 2∶8 |
| 9 | 3#易熔玻璃粉末和金属Sn63/Pb37粉末，粉末直径为1-3微米，玻璃粉末占粘接相质量50％ | 直径为1-6微米的片状银粉 | 3∶7 |
| 10 | 1#易熔玻璃粉末和金属Sn粉末，粉末直径为1-3微米，玻璃粉末占粘接相质量50％ | 直径为1-6微米的片状银粉 | 3∶9 |
| 11 | 3#易熔玻璃粉末和金属Sn63/Pb37粉末，粉末直径为0.1微米 | 直径为0.5微米的片状银粉 | 3∶7 |
| 12 | 2#易熔玻璃粉末，粉末直径1-3微米 | 直径为1-6微米的球状铜粉 | 3∶7 |
| 13 | 1#易熔玻璃粉末，粉末直径1-3微米 | 直径为1-6微米的球状镍粉 | 3∶7 |
注：1.本发明中所使用的导电相与现有技术相同，有机溶剂为松油醇，有机成膜物质为乙基纤维素，两者以质量比19∶1混合。
2.1#-3#易熔玻璃同表1中所列玻璃编号。
将表2中各实例所列成分的粘接相与导电相按所述质量比配好，与有机溶剂和有机成膜物质混合，充分搅拌至均一、无泡状态后，即制得本发明的导电浆料。
通常采用直径为0.1-10微米范围的颗粒大小不均匀的易熔玻璃和低熔点金属粉末作为粘接相，由于微细粉末颗粒可以填充到导电相空隙中，所以可以使粘结效果更好。
上述导电浆料中也可以采用其他有机溶剂和有机成膜物质，通过调节溶剂含量来调节合适的粘度。用匀胶机将导电浆料在玻璃或陶瓷基板上预置成厚度不同的涂层。对具体实施例1、2、3、4、5，预置涂层的厚度为10微米到60微米；对于具体实施例6，厚度为1微米到15微米。将已涂有浆料的基板烘干，除去有机溶剂；再用小功率连续激光器或准连续激光器按预定的轨迹扫描基板。所适用的激光器种类很多，例如最大功率35w、可聚焦最小光斑直径为50微米的CO2激光器；或最大功率为5w，可聚焦最小光斑直径为3微米的Ar+激光器；激光处理时，所采用的扫描速度为0.25毫米到20毫米每秒的范围调节；扫描完毕后，清洗掉未扫描部分，直接留下需要的导线图形。利用上述方法制得的导线，与基板结合紧密，电阻率小于10-4Ω.Cm，对实施例1、2、3、4、5线宽可分别达到50微米到2毫米；对实施例6，线宽为5微米到100微米。
对具体实施例7、8、10、12、13，预置涂层的厚度为10微米到60微米；对于具体实施例11，厚度为1微米到15微米。将已涂有浆料的基板烘干，除去有机溶剂；再用小功率连续激光器或准连续激光器按预定的轨迹扫描基板。所适用的激光器种类很多，例如最大功率35w、可聚焦最小光斑直径为50微米的CO2激光器；或最大功率为5w，可聚焦最小光斑直径为3微米的Ar+激光器；激光处理时，所采用的扫描速度为0.25毫米到20毫米每秒的范围调节；在激光扫描同时，对加工处吹纯工业氮气保护，气流量为1-3l/min。扫描完毕后，清洗掉未扫描部分，直接留下需要的导线图形。利用上述方法制得的导线，与基板结合紧密，电阻率小于10-4Ω.Cm，对实施例7、8、10、12、13，线宽可分别达到50微米到2毫米；对实施例11，线宽为5微米到100微米。
Claims (3)
1.一种用于激光直写的导电浆料，包括粘接相、导电相、有机溶剂和有机成膜物质，其特征在于：所述粘接相为软化温度在200≤T1＜400℃范围的易熔玻璃粉末，其颗粒直径为0.1-10微米，所述粘接相与导电相的质量比为1∶24到1∶1。
2.根据权利要求1所述的导电浆料，其特征在于所述粘接相中易熔玻璃粉末的软化温度200≤T1≤300℃。
3.根据权利要求1或2所述的导电浆料，其特征在于所述粘接相中还包括熔点为180≤T2≤300℃的易熔金属粉末，其颗粒直径为0.1-10微米，易熔金属粉末占粘接相总质量的10-75％。
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