ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩАЯ ПАСТА
ELECTROCONDUCTIVE PASTE

Изобретение относится к технологии изготовления толстопленочных структур методом трафаретной печати и может быть использовано в электронной технике при производстве индикаторных приборов, в частности катодолюминесцентных дисплеев.
Известны пасты для трафаретной печати, которые включают в себя три составляющие: функциональная составляющая, конструкционная составляющая (постоянное связующее) и технологическая составляющая (временное связующее) (см. Смирнов В.И. Физико-химические основы технологии электронных средств: учебное пособие. - Ульяновск: УлГТУ, 2005 г., 112 с.).
Функциональной фазой электропроводящих паст является мелкодисперсный порошок (размер частиц порядка единиц микрометров) благородных металлов (Ag, Pd, Au), обладающих высокой проводимостью, химической стойкостью и особыми технологическими свойствами, например способностью к сварке и пайке.
Конструкционная составляющая - это мелкодисперсные частицы стекла (стеклофритта), температура плавления которого ниже температуры вжигания. В частности, широко используются свинцовоборосиликатные стекла с температурой плавления менее 600°С. В процессе вжигания расплавленное стекло смачивает частицы функциональной фазы, образуя суспензию, а после охлаждения и затвердевания образуется механически прочное покрытие с квазиравномерным распределением частиц функциональной фазы. Обычно соотношение функциональной составляющей и стеклянной фритты примерно равно 9:1. При таком соотношении компонентов возможен массовый взаимный контакт металлических частиц.
5
Технологическая составляющая играет роль временной технологической связки (биндера), придающей пасте определенную вязкость и пластичность. Эта составляющая содержит органические вещества, например раствор этилцеллюлозы в терпинеоле с добавлением дибутилфталата и каприновой кислоты (см. патент РФ №2020618, МКИ: H01B 1/02, опубл. 30.09.1994 г.). Растворитель впоследствии испаряется в процессе сушки, а органическое вещество разлагается или сгорает при вжигании и полностью удаляется.
Недостатком известных токопроводящих паст является необходимость их вжигания при высокой температуре (450-600°С), которая определяется температурой плавления стеклофритты. Этот фактор не позволяет, в частности, использовать такие пасты для формирования межсоединений на полимерных подложках. Кроме того, температура повторного расплавления сформированной токопроводящей дорожки практически равна температуре вжигания, что ограничивает выбор технологических режимов для последующих операций.
С целью преодоления указанных недостатков в ряде публикаций предлагалось использовать в качестве функциональной составляющей стабилизированный органическими соединениями нанодисперсный порошок серебра с размером частиц 10-100 нм. Особенностью данного материала является его способность к спеканию путем диффузии при относительно низких температурах (150-300°С в зависимости от размера частиц и температуры выгорания стабилизатора). Образующийся в результате этого процесса слой металла по некоторым параметрам, в частности, проводимости и температуре повторного плавления, близок к монолитному серебру. Дополнительным преимуществом подобных паст является отсутствие в их составе свинцовосодержащих стекол, что делает их более экологически безопасными.
Наиболее близким аналогом по составу компонентов и свойствам к изобретению-прототипу является паста, описанная в международной заявке WO №2005/079353, МКИ: H01B 1/22, H01B 1/24, H01B 3/00, опубл. 01.09.2005 г. Паста-прототип содержит нанодисперсный порошок серебра с размерами частиц до 100 нм, стабилизированный жирными кислотами, поливиниловый спирт или поливинилбутираль в качестве биндера, и терпинеол в качестве растворителя. Количество органических компонентов в пасте составляет предпочтительно от 5 до 20 вес.%. Температура вжигания пасты-прототипа составляет 300°С (определяется температурами кипения растворителя и выгорания биндера).
Паста-прототип имеет следующие недостатки:
- из-за высокой удельной поверхности нанодисперсного порошка серебра паста указанного состава имеет высокую вязкость, что препятствует ее использованию для трафаретной печати с высоким разрешением. Рисунок проводника получается нестабильным и содержит много нарушений, приводящих к нарушению электрической целостности проводника;
- воженный слой серебра имеет высокий модуль пластической деформации, что может приводить к его растрескиванию из-за разницы коэффициентов термического расширения серебра и материала подложки.
Перечисленные недостатки заявленным техническим решением устраняются.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке электропроводящей пасты для формирования проводящих дорожек методом трафаретной печати с высоким разрешением, имеющей температуру вжигания не выше 300°С.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной электропроводящей пасте, содержащей органическое связующее и неорганическую составляющую, в качестве неорганической составляющей содержится стабилизированный нанодисперсный порошок серебра с размерами частиц в диапазоне 20-50 нм и мелкодисперсный порошок серебра с размерами частиц в диапазоне 1-5 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
органическое связующее
20-40
нанодисперсный порошок серебра
10-20
мелкодисперсный порошок серебра
60-85
В качестве органической (технологической) составляющей предлагаемая паста содержит растворитель, например терпинеол; полимер, обеспечивающий необходимый уровень тиксотропности, например, этилцеллюлозу; пластификатор, например дибутилфталат, и диспергатор, например олеиновую кислоту.
Реологические свойства пасты зависят как от доли нанодисперсного серебра в неорганической составляющей, так и от соотношения между неорганической и органической составляющими, и могут регулироваться в некоторых пределах для достижения оптимального качества нанесения рисунка при заданном разрешении (шаге сетки). Снижение доли нанодисперсного серебра в неорганической составляющей ниже 10% приводит к ослаблению связи между мелкодисперсными частицами серебра и, как следствие, к ухудшению механических характеристик проводящего слоя. Увеличение же доли нанодисперсного серебра выше указанного предела 20% приводит к повышению вязкости пасты, которое уже не может быть скомпенсировано ее разбавлением, так как при этом недопустимо снижается толщина проводящих дорожек.
Пример конкретного выполнения.
Для формирования токопроводящих дорожек шириной 200 мкм в катодолюминесцентных дисплеях (материал подложки - натриевое стекло) была приготовлена паста следующего состава:
мелкодисперсное серебро (d<sub>ср</sub>=1,5 мкм)
65
нанодисперсное серебро (d<sub>ср</sub>=40 нм)
15
этилцеллюлоза К-100
1,0
терпинеол
16,2
дибутилфталат
2,0
олеиновая кислота
0,8
Нанодисперсный порошок серебра был изготовлен методом плазменного испарения и переконденсации на опытно-промышленной установке для получения нанопорошков разработки ООО «Нано-тех». После окончания процесса и выгрузки продукта необходимая фракция порошка была стабилизирована путем смешивания с раствором олеиновой кислоты в терпинеоле. Полученная суспензия была обработана ультразвуком с целью разрушения агломератов.
Технология изготовления пасты состояла из следующих операций:
- растворение этилцеллюлозы в смеси терпинеола и дибутилфталата при 70-80°С до полного растворения и получения однородной композиции;
- смешивание полученного органического связующего с суспензией нанодисперсного серебра в терпинеоле;
- смешивание в миксере полученной суспензии с порошком мелкодисперсного серебра;
- гомогенизация полученной смеси на установке перетирки паст.
Были изготовлены несколько образцов пасты, различающиеся долей нанодисперсного серебра в неорганической составляющей. Вязкость паст приводилась к необходимой для трафаретной печати величине путем подбора соотношения органической и неорганической составляющих. Составы опытных образцов паст приведены в таблице 1.
Таблица 1
Содержание, мас.%
№ образца
Мелкодисперсное серебро d<sub>cp</sub>=1,6 мкм
Нанодисперсное серебро d<sub>ср</sub>=40 нм
Органическое связующее
1
72
8
20
2
60
10
30
3
45
15
40
4
40
20
40
Пробная печать проводилась при установке трафаретной печати типа ЭВ-8135 с использованием сетчатого трафарета №00064. Термообработка плат с нанесенными дорожками проводилась в конвейерной печи с максимальной температурой 300°С. Время прохода зоны с максимальной температурой составляло 10 минут.
Результаты опробования приведены в таблице 2.
Таблица 2
№ образца
Толщина слоя, мкм
Разрешающая способность, мкм
Примечание
1
8-10
75-90
Слой местами рыхлый, имеет разрывы.
2
8-10
75-90
Дефекты отсутствуют.
3
5-7
80 -120
Слой тонкий, есть растрескивания.
Технико-экономическая эффективность заявляемого технического решения заключается в следующем:
- высокая надежность готовых катодолюминесцентных дисплеев с нанесенной электропроводящей пастой по заявленному техническому решению;
- экономия материалов при изготовлении электропроводящей пасты по заявляемому техническому решению, вследствие чего понижается стоимость самих катодолюминесцентных дисплеев;
- открывается возможность замены трудоемкого фотолитографического способа формирования токопроводящих дорожек в дисплеях на полимерной подложке и дисплеях с активной матрицей на дешевый и производительный метод трафаретной печати;
- снижается экологическая опасность производства благодаря исключению из состава пасты компонентов, содержащих соединения свинца.