一种可用于大面积制备的铜浆及制作方法与流程

1.本发明涉及印刷技术领域，特别涉及一种可用于大面积制备的铜浆及制作方法。


背景技术：

2.印刷电子是将传统的印刷技术与电子制造技术结合的一项新兴技术，是利用传统印刷技术制造电子器件与系统的科学与技术。相较于传统的电子制造技术如：真空蒸镀、光刻等而言，印刷电子技术可以极大的简化制造流程，通过增材制造的方式得到图形化的功能层。因此，印刷电子最大的特点与优势在于低成本、低污染、大面积、高通量等。在众多可印刷的材料中，可印刷的导电材料(通常称之为导电墨水)由于可以作为电极、导线等，在电子器件中有着非常重要的作用，其应用也非常广泛。因此，导电墨水的配方也是研究的重点。
3.目前常见的金属导电墨水中，银墨水由于具有较好的稳定性以及很高的电导率是应用最为广泛的导电墨水。但是银导电墨水/浆料有两个致命的缺点，极大地限制了银基导电墨水的进一步发展：(1)银的价格相对较高；(2)如果金属银处在潮湿的环境中，特别容易发生电迁移和离子迁移，会造成引起线路开路和短路。金属铜在地球上的储量是银的1000倍，所以价格仅为银的1％。同时其表现出非常高的本征电导率(比银稍低，比金高)，是电导率排名第二的金属材料。而且在一些潮湿的环境下，铜也不会发生离子迁移。因此铜基导电墨水是银基导电墨水较优的替代材料。但是铜作为墨水中的导电颗粒，不能采用常规的烘烤方式，因为铜容易氧化生成绝缘的氧化铜。因此对于铜墨水而言，光子烧结是一种很好的解决方案。
4.光子烧结是利用光的辐射(从紫外到红外)对于颗粒的烧结。通过将发射的光的波长与墨水中颗粒的吸收波长相匹配，在烧结的过程中，烧结设备释放的光能可以被颗粒充分有效的吸收，极大地提高了烧结效率，并且将对基材的影响降到最低。光子烧结包括红外烧结，紫外烧结，激光烧结和脉冲强光烧结。这些烧结方法已经被成功用于多种电子墨水的烧结。目前，采用激光烧结和脉冲强光烧结的方法的优点是烧结速度非常快，脉冲强光仅需要毫秒级就可以完成烧结，而红外和紫外烧结则需要几秒至十几分钟不等。由于产生热的方式是铜颗粒吸收光能转换成热能，所以这种烧结方式对基材的损害很小，因此激光烧结和脉冲强光烧结在印刷柔性电子领域中被广泛应用。
5.氙灯烧结技术是光子烧结中的一种，氙灯烧结的面积会比激光烧结大非常多，因此氙灯烧结更加适用于工业化大面积生产。但是针对铜浆而言，氙灯单次烧结的面积由于成本以及稳定性的原因，无法变的很大。因此，大面积的铜样品基本上都是采用小面积烧结拼合而成，例如氙灯面积为25cm*4cm，样品大小为25cm*8cm，则可以采用氙灯三次的方式完成，每次有25cm*2c的面积面临着二次氙灯烧结。而目前的铜墨水无法承受二次烧结从而导致样品的面积很小，无法满足大面积样品制备的大量需求。因此开发一种可以承受二次氙灯的铜浆尤为重要。无法承受二次氙灯烧结的原因是第一次烧结铜颗粒之间由于烧结作用熔融成为一个整体(基材一般为柔性的pet)，第二次由于基材的受热发生收缩，而铜颗粒又
相互连接为刚性，铜与基材的胀缩不一致从而导致大量裂纹的产生。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足和缺陷，提供一种可用于大面积制备的铜浆及制作方法，可以承受二次氙灯烧结，从而完成大面积铜导电线路的制备。
7.为实现上述目的，本发明提供以下技术方案。
8.一种可用于大面积制备的铜浆，包括铜颗粒和熔融介质，其中熔融介质为熔点在180-600℃的纳米颗粒。
9.本发明的有益效果为：本发明的铜浆，通过设置熔融介质，使得铜颗粒表面或者干燥之后铜颗粒之间会有大量的加热容易熔融成为液态的物质，使其在二次氙灯过程中，可以使整个铜膜处于可以形变的状态，从而抵消基材形变导致的铜膜破裂，在冷却之后又可以使铜膜处于连续导电的状态；可以承受二次氙灯烧结，从而完成大面积铜导电线路的制备。
10.作为本发明的一种改进，所述熔融介质为金属sn、硫酸铜、氯化铜及其复合物cu
x
cly、硝酸铜、金属纳米颗粒。
11.一种基于所述的可用于大面积制备的铜浆的制作方法，包括以下步骤：
12.a.将铜颗粒与熔融介质进行混合或形成核壳结构；
13.b.将铜颗粒与熔融介质的混合物放入聚合物树脂溶液中；
14.c.将含有混合物的聚合物树脂溶液印刷在基材上，再通过氙灯对基材进行连续烧结。
15.作为本发明的一种改进，在步骤a中，所述熔融介质为银纳米颗粒。
16.作为本发明的一种改进，所述铜颗粒和银纳米颗粒的重量比为9:1。
17.作为本发明的一种改进，所述银纳米颗粒的直径为20nm。
18.作为本发明的一种改进，在步骤b中，所述聚合物树脂溶液中还添加有表面活性剂、流平剂。
19.作为本发明的一种改进，在步骤c中，采用丝网印刷的方式印刷在基材上。
20.作为本发明的一种改进，在步骤c中，在连续烧结之前，通过25-150℃烘干去除基材上的溶剂。
21.作为本发明的一种改进，在步骤c中，连续烧结的交叠区域为50％单次氙灯烧结的面积。
附图说明
22.图1是本发明的二次烧结示意图。
23.图2是本发明的二次氙灯烧结抵消应力示意图。
具体实施方式
24.结合附图对本发明进一步阐释。
25.参见图1至图2所示的一种可用于大面积制备的铜浆，包括铜颗粒和熔融介质，其中熔融介质为熔点在180-600℃的纳米颗粒。
26.就本实施例而言,所述熔融介质可以为金属sn、硫酸铜、氯化铜及其复合物cu
x
cly、硝酸铜、金属纳米颗粒。其中金属纳米颗粒可以为银纳米颗粒、金纳米颗粒等，在第一次烧结后，熔融介质作为铜颗粒之间连接的桥梁。第二次烧结过程中，铜颗粒受热导致熔融介质发生熔融，从而铜颗粒可以随着基材发生收缩，等温度降下来之后，熔融介质冷却凝固，重新将铜颗粒连接起来，形成导电通道。
27.本发明的铜浆，通过设置熔融介质，使得铜颗粒表面或者干燥之后铜颗粒之间会有大量的加热容易熔融成为液态的物质，使其在二次氙灯过程中，可以使整个铜膜处于可以形变的状态，从而抵消基材形变导致的铜膜破裂，在冷却之后又可以使铜膜处于连续导电的状态；可以承受二次氙灯烧结，从而完成大面积铜导电线路的制备。
28.一种基于所述的可用于大面积制备的铜浆的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
29.a.将铜颗粒与熔融介质进行混合或形成核壳结构；其中，所述熔融介质为银纳米颗粒，所述银纳米颗粒的直径为20nm，其熔点为400℃；所述铜颗粒和银纳米颗粒的重量比为9:1。
30.b.将铜颗粒与熔融介质的混合物放入聚合物树脂溶液中，进而添加表面活性剂、流平剂等助剂，三辊搅拌均匀；
31.c.将含有混合物的聚合物树脂溶液，采用丝网印刷的方式印刷在基材上，其中本实施例中，基材为pet，然后通过25-150℃烘干去除基材上的溶剂，再通过氙灯对基材进行连续烧结，连续烧结的交叠区域为50％单次氙灯烧结的面积。
32.本发明的制备方法，铜浆的烧结采用氙灯烧结，烧结时间短、瞬间能量大；通过设置熔融介质，输的铜浆在二次烧结过程中，铜颗粒表面或者铜颗粒之间的熔融介质容易发生熔融，从而抵消烧结过程中产生的应力，从而避免裂纹的产生，进而可以制备大面积铜导线；烧结面积为大面积样品，大于单次氙灯烧结的有效面积；并且熔融介质具有较好的导电性，熔融温度在180-600℃之间即单次氙灯烧结可以达到的温度范围，在达到熔融温度后可以使熔融介质为液态，从而抵消因为基材形变而导致铜膜内部产生的应力，此外基材一般为柔性材料，其特点为加热会导致膜材收缩；最终得到导电的铜膜，铜膜没有开裂现象，其电阻率大约为块银的7-12倍。
33.以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。