银导电线路的喷墨印刷以及微波烧结

　　印刷技术，比如喷墨印刷，可代替传统的蚀刻法生产电器元件。印刷电子的优点包括便于大规模、低成本以及灵活地生产电器元件。与其他技术（例如丝网印刷）相比，喷墨印刷提供不了相同的印刷速度。

　　然而，喷墨印刷前所未有的灵活性，使得它非常适合于快速原型制作应用。此外，它可以使用非黏性液体，如不加连接料的聚合物稀溶液和悬浮液。一个典型的应用就是，通过使用基于有机银或者铜的前驱体，喷墨印刷导电线路。前提是通过印后热处理过程变成相应的金属。然而，大多数情况下，墨水是纳米贵金属颗粒，通常是银或者金的分散液。要使线路导电，必须经过烧结。由于纳米银颗粒有较高的表面体积比，它的使用降低了烧结温度。

　　在过去，使用过两种不同的技术烧结印刷的纳米颗粒结构。传统的辐射、传导、对流加热技术是*常用的方法，其中，烧结温度一般会超过200C.因此，很多潜在可用的基材，例如热塑性聚合物或者纸张，都不能用。事实上，如果不是**可用的有机基材，昂贵的聚酰亚胺（PI）是为数不多的一种。烧结时间通常为60 min或者更多，也意味着该技术在快速工业生产领域是不可行的。作为替代，人们发明了一种激光烧结方法。激光会沿着导电线路有选择地烧结，不会影响基材。然而，从技术角度来讲，这种方法成本高而且复杂。因此，显然需要一种更快速、简单、经济的技术，通过有选择地仅对印刷部分进行加热而完成烧结。微波加热可以满足这些要求。

　　微波加热广泛应用在绝缘材料的烧结以及合成化学领域。它有多种优点，比如均匀、快速和体积加热。微波辐射能由载流子或者旋转偶极子的耦合而被吸收。每单位吸收的能量P：是导电系数，f是微波辐射频率，是介质损耗因子，E是电磁场的振幅。在垂直入射情况下，振幅是该距离的指数衰减函数。由穿透深度4来表示。

　　办是材料的导磁系数，是自由空间的介电常数。

　　高导电材料（即金属）能够被微波辐射能烧结，但是穿透深度非常小。2.54 GHz时，银、金、铜的穿透深度在1.31.6wm.因此，金属的微波烧结是很有意义的，并且只有当垂直于入射面的物体尺寸与穿透深度一致，才能成功。喷墨印刷导电线路能够满足这种要求。另外，热塑性聚合物中，转动自由度低于玻璃化温度的偶极子的数量是有限的，因此被本期专题它们吸收的微波辐射能是微不足道的。

　　验使用了一款分散在正十四烷中的纳米银墨水，银的固含量为60°%.为了防止线路的不稳定和墨水的渗出，印刷速度减小到1.25 mm/s，基材的温度升高到150C.墨滴间隔比较小，约为100wm时，可获得高质量的线路。减小墨滴间距会使墨水渗出。当增加墨滴间距时，墨滴不再合并成一条线。除了平行线，。印刷结构的平均高度为4.1 wm.如前所400述，在频率为2.45 GHz时，银的微波辐射穿透深度为1.3wm.因此，在整条线路上的微波加热不可能均匀。

　　然而，既然相对于聚合物基材来说，银是**的导热体，那么导电线路就可以通过热传导被均匀地加热。

　　未烧结的不导电银线路被放置在微波反应器中，并设置恒定的工作模式（300 W）。在微波中，烧结时间被极大地缩短了，从60 min或者更多缩短到4 min.反应器中的温度达到200C，与传统的热传导对流加热的220C的烧结温度接近。过长的烧结时间并不能增加导电性（如），有时还会导致银线路边缘的基材变形或者分解。未烧结的银线路结构在整个长度尺寸上都是均匀的。烧结后的线路由直径约为500 nm的纳米银颗粒群组成。既然纳米颗粒原始大小的变化范围是510 nm，烧结后线路中的颗粒群一定是纳米颗粒周围有机连接料分解后这些颗粒熔化形成的。

　　银导电线路的电阻已由四探针方法测得。一条喷墨印刷线路的电阻率P由电阻ff、长度，以及线路的截面积14计算得出，公式如下：横截面积是由实测剖面的数值积分决定。这些样品中一个典型的电阻率数值是3.0X10-7 Q.m，是银的5%.用传统的辐射、传导、对流方式加热（220C，60 min）以后，可得到相似的电阻率。实验发明了一种在PI聚合物基材上制作银导电线路并用微波辐射烧结纳米银颗粒的方法。既然聚合物基材对于微波辐射几乎是透明的，那么被基材吸收的能量是微不足道的，但是，导电的纳米银有很高的介质损耗因子，能够极大地吸收微波。该方法将纳米银颗粒的烧结时间缩短到原来的1/20.在将来，其他聚合物基材，像聚碳酸酯和聚酯，也会被应用在印刷电子中。3译者单位：天津科技大学包装与印刷工程学院本期专题

(完)