技术领域
本发明涉及一种用于细间距连接的高性能导电银颗粒。
背景技术
随着高密度配线技术的兴起，开始使用电阻率较低的金、银、铜、镍金属粉末作为细间 距连接用的具有各向异性的导电填料，随后出现由银、铜、镍作为核心，表面镀金导电颗粒。 导电填料主要以球形或者不规则形态分散于基体中，构成各向异性电路导通。常用的填料多 为电阻率较低的金、银、铜、镍等金属粉末，电阻率最好的是金粉末，但价格昂贵。
至今，在民用低端领域，对工艺要求不是十分苛刻的细间距连接(比如斑马纸)，一般都 采用价格相对低廉的超细镍粉或者铜粉或者采用价格相对较高的超细银粉作为导电填料。但 由于以上几种超细金属粉粒径分布宽，颗粒形状各异，而且镍粉、铜粉电阻较大，银粉在电 场作用下会产生电迁移现象，价格又较贵，所以斑马纸的生产成本较高，而且颗粒的均一性 不够。
发明内容
本发明通过解决上述的主要技术难点，制备一种高性能的导电银颗粒，其主要的目的在 于导电颗粒有合适的电导率，既不会像镍粉、铜粉一样电阻率大，也不会像银粉一样电阻率 小但是有电迁移现象；而且颗粒为形状均一的球形颗粒，粒径分布呈单分散，而且价格便宜。 使用这种导电银颗粒连接细间距电路可以提供更好的连接导通可靠性。
导电填料作为导电复合材料的重要组成部分，其性能、形貌及粒径分布都直接影响着导 电复合材料的导电性及其稳定性。铜粉、镍粉在制备及应用过程中易被氧化，使导电复合材 料的导电性能减弱，这在很大程度上限制了铜、镍粉的应用。对铜、镍粉表面镀银可提高其 的抗氧化性能。但是由于制造工艺的局限性，这两种金属粉的颗粒形状各异(球形、棒形、 片形、星形等多种)、粒径分布很宽，即使将镍粉铜粉表面镀银，而使其有优异的导电能力， 但依然对细间距连接的可靠性不高。再者，纯镍、铜、银粉等自身密度高，容易沉积，在配 胶中不能很好地分散。
本发明设计解决上述的几点技术难点。首先通过晶核溶胀聚合法制备粒径分布极窄的球 形聚合物颗粒，再通过一系列表面处理使其表面完整包覆一纳米级镍层，再通过表面镀银的 工艺，使其表面再完整的包覆一层银。最终得到单分散的导电银颗粒。
该银颗粒具备上述几种导电金属粉的所有优点，而没有他们的缺点。有银粉的低电阻率， 又因为银是镀附在镍层表面，而镍层是附在聚合物球表面，粉末密度低，不会产生导电颗粒 沉积现象；同时具有铜粉、镍粉的价格优势，又具有优异的窄的粒径分布；因为金属颗粒质 地较硬，在电极的连接过程中金属颗粒与电极的接触面小，导致连接电阻大，而且容易损坏 电极，本发明中的导电颗粒基材是热塑性的聚合物，该颗粒质地较软，在电极的连接过程中， 颗粒被挤压变扁，增大了与电极的接触面积，导通电阻小，而且不会损坏电极。
该导电银粉的优异性能可以实现高可靠性低电阻率的细间距连接，而且成本低廉。
附图说明
图1是非水沉淀聚合法制备的晶核颗粒的扫描电镜照片。
图2是聚合性单体小分子的量是晶核颗粒的10倍以下时，得到的聚合物微球的扫描电镜 照片。
图3是聚合性单体小分子的量是晶核颗粒的10-15倍之间时，得到的聚合物微球的扫描 电镜照片。
图4是聚合性单体小分子的量是晶核颗粒的15倍以上时，得到的聚合物微球的扫描电镜 照片。
图5是聚合物-镍复合的制备工艺流程图。
图6是聚合物微球在前处理过程中未经过敏化而化学沉积镍的扫描电镜照片。
图7是聚合物微球按照实例4的配方工艺的化学沉积镍的扫描电镜照片。
图8是聚合物微球按照实例5的配方工艺的化学沉积镍的扫描电镜照片。
图9是聚合物微球按照实例6的配方工艺的化学沉积镍的扫描电镜照片。
图10是聚合物微球按照实例7的配方工艺的化学沉积镍的扫描电镜照片。
图11是聚合物微球按照实例8的配方工艺的化学沉积镍的扫描电镜照片。
图12是聚合物-镍复合粒子通过化学液相沉积法制备镀银颗粒的扫描电镜照片。
具体实施方式
以下为制备高性能导电银颗粒的具体方法
(1)非水沉淀聚合法制备晶核颗粒
首先，以聚合性有机物小分子为原料，制备粒径单分散聚合物微球。聚合性有机物小分 子可以是苯乙烯、二乙烯基苯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、1，3-丁二烯等。
引发剂可以是油溶性的也可以是水溶性的。油溶性引发剂主要使用偶氮类如偶氮二异丁 腈(AIBN)和过氧类如过氧化苯甲酰(BPO)；水溶性引发剂主要有过硫酸钾、过硫酸铵、 过氧化氢，用量单体质量的1-2％。
分散稳定剂可以是聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、羟丙基纤维素、聚丙烯酸其中的一种， 其占总体系质量的1-5％。
溶剂可以是乙醇、四氯化碳、甲基乙醇、氯仿、乙醚等中的一种或几种，其占总体系质 量的55-95％。
将配方量的聚合性有机物小分子、引发剂、分散稳定剂、溶剂在密闭的反应釜中混合， 氮气保护的气氛下，反应釜升温到70℃，经过12小时的反应，可制得粒径分布呈单分散、 粒径在1-3μm的球形聚合物晶核颗粒，其CV值在4％以下。见附图1。
(2)晶核二步溶胀聚合法制备聚合物球形颗粒。
单分散树脂球形粒子的主要基材可以是聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、二乙烯基苯中的 一种或几种。其粒子可以是由线性聚合物构成也可以是由交联聚合物构成。交联剂可以是二 乙烯基苯、1，3-丁二烯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙二醇二甲基丙烯酸酯中的一种或者几 种。
引发剂可以是油溶性的也可以是水溶性的。油溶性引发剂主要使用偶氮类如偶氮二异丁 腈(AIBN)和过氧类如过氧化苯甲酰(BPO)；水溶性引发剂主要有过硫酸钾、过硫酸铵、 过氧化氢，用量单体质量的1-2％。
表面活性剂可以是十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三 甲基溴化铵中的一种或几种。
溶胀活化剂可以是邻苯二甲酸二丁酯、葵二酸二丁酯、氯十二烷、氯十六烷中的一种或 几种，优化稳定剂主要为聚乙烯醇、聚乙二醇。
将晶核颗粒在表面活性剂的水溶液中超声分散成乳液a，把活化溶胀剂放在表面活性剂 的水溶液中利用超声分散成乳液b，将乳液a和乳液b混合，在35℃下搅拌5小时得到乳液 c。
把溶有引发剂的单体、交联剂放在表面活性剂的水溶液中超声分散成乳液d，将乳液c 和乳液d混合，在35℃下搅拌12小时得到乳液e。
将乳液e中加入优化稳定剂溶液，使优化稳定剂在乳液e中的浓度达到1％，得到乳液f。 将乳液f加热到70℃反应12小时，可得到一定粒径的单分散微球。
其中乳液d的加入量直接影响到最终聚合物微球的粒径分布和表面形貌，当乳液d中聚 合性单体小分子的量是晶核颗粒的15倍以上时，可以得到表面光滑的微球颗粒；乳液d中聚 合性单体小分子的量是晶核颗粒的10-15倍之间时，可以得到表面皱褶的微球；当聚合性单 体小分子的量是晶核颗粒的10倍以下时，得到的微球球形不够完整。
实例1：
将晶核颗粒1克加入30毫升十二烷基磺酸钠水溶液中，超声分散成乳液a，把2克氯十 二烷放在30毫升十二烷基磺酸钠水溶液中，利用超声分散成乳液b，将乳液a和乳液b混合， 在35℃下搅拌5小时得到乳液c。
9克苯乙烯1克二乙烯基苯中溶解0.1克过氧化苯甲酰，然后在50毫升十二烷基磺酸钠 水溶液，超声分散成乳液d，将乳液c和乳液d混合，在35℃下搅拌12小时得到乳液e。
将乳液e中加入聚乙烯醇溶液，得到乳液f。将乳液f加热到70℃反应12小时，可得到 一定粒径的单分散微球。
其得到的聚合物微球电镜照片见附图2。
可见当聚合性单体小分子的量是晶核颗粒的10倍以下时，得到的微球球形不够完整，聚 合物颗粒干瘪凹陷。
实例2：
将晶核颗粒1克加入30毫升十二烷基磺酸钠水溶液中，超声分散成乳液a，把2克氯十 二烷放在30毫升十二烷基磺酸钠水溶液中，利用超声分散成乳液b，将乳液a和乳液b混合， 在35℃下搅拌5小时得到乳液c。
12克苯乙烯3克二乙烯基苯中溶解0.15克过氧化苯甲酰，然后在80毫升十二烷基磺酸 钠水溶液，超声分散成乳液d，将乳液c和乳液d混合，在35℃下搅拌12小时得到乳液e。
将乳液e中加入聚乙烯醇溶液，得到乳液f。将乳液f加热到70℃反应12小时，可得到 一定粒径的单分散微球。
其得到的聚合物微球电镜照片见附图3。
可见当乳液d中聚合性单体小分子的量是晶核颗粒的10-15倍之间时，可以得到表面皱 褶的微球。聚合物微球的球形度高，但是表面皱褶严重。
实例3：
将晶核颗粒1克加入30毫升十二烷基磺酸钠水溶液中，超声分散成乳液a，把2克氯十 二烷放在30毫升十二烷基磺酸钠水溶液中，利用超声分散成乳液b，将乳液a和乳液b混合， 在35℃下搅拌5小时得到乳液c。
20克苯乙烯5克二乙烯基苯中溶解0.25克过氧化苯甲酰，然后在150毫升十二烷基磺酸 钠水溶液，超声分散成乳液d，将乳液c和乳液d混合，在35℃下搅拌12小时得到乳液e。
将乳液e中加入聚乙烯醇溶液，得到乳液f。将乳液f加热到70℃反应12小时，可得到 一定粒径的单分散微球。
其得到的聚合物微球电镜照片见附图4。
可见当乳液d中聚合性单体小分子的量是晶核颗粒的15倍以上时，可以得到表面光滑的 微球颗粒，球形度好，表面光滑。
(3)化学液相沉积法制备镀镍颗粒
将1g聚合物微球用少量水分散于烧杯中，在超声环境下加入到温度为80℃，浓度为90％ 的浓硫酸溶液中浸泡，对其表面进行粗化，用去离子水清洗；再加入到氯化亚锡溶液中，其 中氯化亚锡溶液加入几滴盐酸防止水解，加热至50℃进行敏化，用去离子水清洗；接着再加 入到氯化钯溶液中活化，用去离子水清洗；将处理好的聚合物微球加入到配制好的初始化学 液相沉积溶液中，水浴控制反应的温度为40℃，中途添加反应溶液，至所需大小粒子，停止 反应，经多次过滤洗涤，真空干燥，即可制得聚合物-镍复合粒子。粒子的制备工艺流程如 附图5所示：
化学液相沉积前处理
(a)粗化
选用硫酸和重铬酸钾溶液分别对聚合物微球进行粗化处理，实验各种浓度的粗化溶液在 各种温度下处理聚合物微球，并采用同种浓度的氯化亚锡敏化液及氯化钯活化液进行前处理。 实验结果表明采用90％的浓硫酸在温度80℃的条件下，充分搅拌浸泡10分钟可获得较好的 粗化效果。因此浓硫酸及重铬酸钾都对聚合物微球的表面有一定的粗化作用。其原因可能是 浓硫酸及重铬酸钾是通过其强氧化性把暴露在微球外层的线形聚合物氧化溶解掉，使得其表 面变得粗糙，比表面增大，而有利于对氯化亚锡的物理吸附。
(b)敏化
配制各种浓度的氯化亚锡敏化溶，加入少量的盐酸防止水解，不经过敏化而直接活化处 理的聚合物微球很难吸附上钯离子，甚至在其表面很难形成活性中心，相比之下，敏化过的 微球其活化效果明显改善。而在温度一定时，浓度对敏化的效果并无明显影响，当氯化亚锡 的浓度在5～25g/L之间，敏化后的聚合物微球其活化的效果并无明显差异。而适当的升高温 度则有利于敏化，当敏化液温度升高到50℃，聚合物微球明显变白，敏化效果较好。在充分 浸润的情况下，敏化时间也无较大影响。因此选定一个较优值，使用10g/L的氯化亚锡溶液 在50℃敏化10分钟。
附图6为聚合物微球在前处理过程中未经过敏化而化学沉积镍的扫描电镜照片，从中可 以看到，图片里的小球非常杂乱，白色镍颗粒基本散乱、无规则的聚集在一起，没有较好的 附着在微球上。因此，为使得微球活化效果变好，必须有敏化这个工艺过程。
(c)活化
聚合物微球前处理的目的就是为在其表面吸附一层金属钯，使得微球表面具有自还原的 活性中心。吸附钯的量标志着微球前处理的优劣，同时也直接影响下一步的化学液相沉积。
浓度对活化效果的影响非常明显，虽然聚合物微球活化吸附的钯总量非常少，但是当氯 化钯浓度偏低的时候，活化的效果不明显，诱导期基本很长，甚至不反应；当浓度达到2g/L 左右时，活化的效果则非常明显，诱导期基本在10分钟左右；温度对活化效果的影响也很显 著，适当的升高活化溶液的温度，活化的效果能得到显著的升高
因此，我们选定以2g/L的二氯化钯溶液，温度为60℃时活化10分钟。 化学液相沉积
相对于常规大部件的化学沉积，在粉体上化学沉积最大的不同在于其比表面大，如何使 微球在化学沉积液中均匀分散以及使沉积液在高载荷条件下具有很好的稳定性和一定的沉积 速度，这将是聚合物微球表面沉积镍最大的难点。聚合物微球的比表面积为1.5m2/g左右，初 期反应十分剧烈，因此保证沉积溶液的稳定性，控制反应速率将是重点。
(a)主盐与还原剂
由于要求严格控制溶液的稳定性，所以要求镍盐及次还原剂的浓度有严格控制，尤其是 作为还原剂浓度直接决定着反应的诱导期长短。影响反应溶液稳定性的因素不单是镍盐或者 还原剂各自的浓度，更重要的是它们的浓度比。因此，在初始沉积液所选用的配方中，主盐 与还原剂的最佳摩尔配比为0.5。
(b)络合剂
络合剂的作用主要是与镍离子进行络合降低游离镍离子的浓度，防止镍离子发生水解， 提高镀液的稳定性。选择络合剂应根据其稳定常数的大小，还要考虑络合剂本身的配位基数 目，即所能形成的配合物多元环数。五元环和六元环的配合物最稳定。稳定常数应当适中， 如果太大，镍离子不易还原，影响镍的沉积速度；而稳定常数太小，络合效果差，镀液不稳 定。因此我们选用柠檬酸三钠、草酸钠、酒石酸钾钠作为络合剂。
(c)表面活性剂
在化学镀中，由于固体颗粒在溶液中呈负电性，故通常采用阳离子表面活性剂以增加粒 子的复合量，因为阳离子表面活性剂会增加颗粒表面的电势，从而增加体系的稳定性。
为防止聚合物微球在化学沉积反应过程中出现团聚，反应过程中加入阳离子型十六烷基 三甲基溴化铵作为表面活性剂，来分散反应中的聚合物微球。在其它反应条件确定的情况下， 少量的表面活性剂就可以使得聚合物微球在反应过程中获得较好的分散效果。
(d)pH值
反应的最佳pH值为3.5左右，为了使得反应过程中的pH值稳定在3.5左右，在反应溶液中 使用20g/L的醋酸钠缓冲溶液，并使用补加氢氧化钠来调整溶液的PH值。
(e)温度
为了获得较好的沉积层，应当尽量选用较低的温度，同时为保证有一定的沉积速度，我 们选定40℃作为反应的温度。
实例4：
将1g粒径为10μm的聚合物微球用少量水分散于烧杯中，在超声环境下加入到30mL温 度为80℃，浓度为90％的浓硫酸溶液中浸泡，对其表面进行粗化，用去离子水清洗；再加入 到30mL浓度为20g/L的氯化亚锡溶液中，其中氯化亚锡溶液加入几滴盐酸防止水解，加热 至50℃进行敏化，用去离子水清洗；接着再加入到2g/L加热至60℃的氯化钯溶液中活化， 用去离子水清洗；将处理好的聚合物微球加入到配制好的初始化学液相沉积溶液中，化学液 相沉积溶液的配方为氯化镍浓度为0.1mol/L、次亚磷酸钠浓度为0.1mol/L、柠檬酸三钠、草 酸钠、酒石酸钾钠的浓度为0.2mol/L、十六烷基三甲基溴化铵0.05克，水浴控制反应的温度 为40℃，中途添加反应溶液，至所需大小粒子，停止反应，经多次过滤洗涤，真空干燥，即 可制得聚合物-镍复合粒子。
其得到的聚合物-镍复合粒子电镜照片见附图7。
实例5：
将1g粒径为10μm的聚合物微球用少量水分散于烧杯中，在超声环境下加入到30mL温 度为80℃，重铬酸钾溶液中浸泡，对其表面进行粗化，用去离子水清洗；再加入到30mL浓度 为10g/L的氯化亚锡溶液中，其中氯化亚锡溶液加入几滴盐酸防止水解，加热至50℃进行敏 化，用去离子水清洗；接着再加入到1g/L加热至60℃的氯化钯溶液中活化，用去离子水清洗； 将处理好的聚合物微球加入到配制好的初始化学液相沉积溶液中，化学液相沉积溶液的配方 为氯化镍浓度为0.1mol/L、次亚磷酸钠浓度为0.2mol/L、柠檬酸三钠、草酸钠、酒石酸钾钠 的浓度为0.2mol/L、十六烷基三甲基溴化铵0.02克，水浴控制反应的温度为60℃，中途添加 反应溶液，至所需大小粒子，停止反应，经多次过滤洗涤，真空干燥，即可制得聚合物-镍 复合粒子。
其得到的聚合物-镍复合粒子电镜照片见附图8。
实例6：
将1g粒径为10μm的聚合物微球用少量水分散于烧杯中，在超声环境下加入到30mL温 度为80℃，在重铬酸钾溶液中浸泡，对其表面进行粗化，用去离子水清洗；再加入到30mL浓 度为10g/L的氯化亚锡溶液中，其中氯化亚锡溶液加入几滴盐酸防止水解，加热至50℃进行 敏化，用去离子水清洗；接着再加入到1g/L加热至60℃的氯化钯溶液中活化，用去离子水清 洗；将处理好的聚合物微球加入到配制好的初始化学液相沉积溶液中，化学液相沉积溶液的 配方为氯化镍浓度为0.2mol/L、次亚磷酸钠浓度为0.4mol/L、柠檬酸三钠、草酸钠、酒石酸 钾钠的浓度为0.4mol/L、十六烷基三甲基溴化铵0.01克，水浴控制反应的温度为65℃，中途 添加反应溶液，至所需大小粒子，停止反应，经多次过滤洗涤，真空干燥，即可制得聚合物 -镍复合粒子。
其得到的聚合物-镍复合粒子电镜照片见附图9。
实例7：
将1g粒径为10μm的聚合物微球用少量水分散于烧杯中，在超声环境下加入到30mL温 度为80℃，浓度为90％的浓硫酸溶液中浸泡，对其表面进行粗化，用去离子水清洗；再加入 到30mL浓度为20g/L的氯化亚锡溶液中，其中氯化亚锡溶液加入几滴盐酸防止水解，加热 至50℃进行敏化，用去离子水清洗；接着再加入到2g/L加热至60℃的氯化钯溶液中活化， 用去离子水清洗；将处理好的聚合物微球加入到配制好的初始化学液相沉积溶液中，化学液 相沉积溶液的配方为氯化镍浓度为0.2mol/L、次亚磷酸钠浓度为0.4mol/L、柠檬酸三钠、草 酸钠、酒石酸钾钠的浓度为0.5mol/L、十六烷基三甲基溴化铵0.02克，水浴控制反应的温度 为45℃，中途添加反应溶液，至所需大小粒子，停止反应，经多次过滤洗涤，真空干燥，即 可制得聚合物-镍复合粒子。
其得到的聚合物-镍复合粒子电镜照片见附图10。
实例8：
将1g粒径为10μm的聚合物微球用少量水分散于烧杯中，在超声环境下加入到30mL温 度为80℃，浓度为90％的浓硫酸溶液中浸泡，对其表面进行粗化，用去离子水清洗；再加入 到30mL浓度为20g/L的氯化亚锡溶液中，其中氯化亚锡溶液加入几滴盐酸防止水解，加热 至50℃进行敏化，用去离子水清洗；接着再加入到2g/L加热至60℃的氯化钯溶液中活化， 用去离子水清洗；将处理好的聚合物微球加入到配制好的初始化学液相沉积溶液中，化学液 相沉积溶液的配方为氯化镍浓度为0.1mol/L、次亚磷酸钠浓度为0.2mol/L、柠檬酸三钠、草 酸钠、酒石酸钾钠的浓度为0.2mol/L、十六烷基三甲基溴化铵0.01克，水浴控制反应的温度 为40℃，中途添加反应溶液，至所需大小粒子，停止反应，经多次过滤洗涤，真空干燥，即 可制得聚合物-镍复合粒子。
其得到的聚合物-镍复合粒子电镜照片见附图11。
由上述配方工艺制得的聚合物-镍复合粒子可见，在温度为80℃、浓度为90％的浓硫酸 溶液中粗化处理，再浓度为20g/L的氯化亚锡溶液中，加热至50℃进行敏化，接着再加入到 2g/L加热至60℃的氯化钯溶液中活化。可完成对聚合物微球的表面处理。
化学液相沉积液的配方主盐与还原剂的最佳摩尔配比为0.5，氯化镍浓度为0.1-0.5mol/L、 次亚磷酸钠浓度为0.2-1mol/L、柠檬酸三钠、草酸钠、酒石酸钾钠的浓度为0.2-1mol/L、十六 烷基三甲基溴化铵0.01克。
由经上述的工艺及配方可制得表面镍层包覆完整的聚合物-镍复合粒子，镍层的厚度在 0.05-2μm之间，镍层与聚合物粒子表面的结合力要足够大，镍层要柔软，使复合粒子在压 缩形变量在60％以上时，镍层亦不会脱落碎裂。
(4)化学液相沉积法制备镀银颗粒
可以直接利用银离子和镍单质之间的置换反应，使聚合物-镍复合粒子表面包覆一层银 层，制得聚合物-镍银复合粒子，但是这种方法有几点不足：首先，通过置换法包覆银，要 损失一部分已经沉积在表面的镍，使得前期必须在表面沉积更厚的镍层，这样不利于降低成 本；其次，通过置换法包覆的银很难在镍层表面形成完整的银层，这样，对复合颗粒的导电 性和抗氧化性都是不利的。
所以我们使用化学液相沉积法在镍层表面沉积一定厚度的并且包覆完整的银层。将银氨 溶液中加入一定量的螯合稳定剂、还原剂以及表面分散剂，制成银镀液。把聚合物-镍复合 粒子放在50℃、pH值为7的银镀液中，经过2小时可制得聚合物-镍银复合粒子，其表面 银包覆完整均匀。经测量其导电性和纯银颗粒相当。
实例9
将0.5mol/L银氨溶液中加入0.5mol/L的螯合稳定剂、0.5mol/L抗坏血酸以及表面分散剂 PVP，制成银镀液。把聚合物-镍复合粒子放在50℃、pH值为7的银镀液中，经过2小时可 制得聚合物-镍银复合粒子。
其制得的镀银粒子见附图12。