微电子应用的导电纳米颗粒优化

现在，小型化电子产品的封装是以导电微结构和连接为基础的，且这些连接在几十微米的尺寸范围内。在使用特殊的技术和材料后，可以实现微型线条、图案或点阵的结构。自20世纪80年代后期，数码喷墨技术已经被广泛地应用于电子工业对新制造工艺的开发中。由于与传统工艺相比，该技术加工精度更高，故其备受青睐。

喷墨技术需要一种特殊的液体，通常称为油墨。它应至少满足以下三个条件：非常低的粘度；可以被视为真溶剂（True Solvent），能在高加速度条件下不产生成分分离现象；能够形成导电结构。如果要将某种悬浮液作为印制液使用，则它需要加入导电颗粒来满足导电要求。同时，若要形成真溶剂，则要求加入的颗粒的尺寸尽可能小，不能超过几十纳米。典型的用于印制导电微结构的油墨是基于纳米级贵金属的。这是因为贵金属在大气环境中具有化学惰性和良好的导电性———尽管也用到纳米金颗粒，但通常使用的是纳米银颗粒。

生产纳米银颗粒的方法有很多，大致可分为等离子体金属消耗法、化学反应法、电化学反应法、热分解法、气相凝结法等。最终得到的纳米颗粒必须有保护措施来避免凝聚。正因为如此，当使用纳米颗粒作为印制油墨的填充物时，只有那些能生产分离的单个颗粒的方法适合于纳米颗粒的生产。

在之前提到的方法和参考文献中描述过的方法中，只有少数值得考虑，因为这少数的方法实际上便是应用在纳米金属的制造/生产中的。其中之一是气体蒸发法。该方法具有一些优点，如不受污染、窄的粒度分布和广泛的金属选择范围。金颗粒的尺寸分布在4.2～7.0nm之间，其中5nm的颗粒数量最多^[1]。银颗粒的尺寸分布与金颗粒相似，大约分布在7nm左右^[2]。这些颗粒通常要受到分散剂的稳定和保护。室温下的稳定分散使得这些颗粒总是表现出液体的性质。由于每个纳米颗粒上都覆盖着分散剂，以至于即使是高金属含量的悬浮液，其在室温下也没有表现出任何凝聚现象。

在无氧氛围中通过热分解银的脂肪酸盐可以释放出金属银，该方法是一种已知的获得原子级别银粉颗粒的方法。为了获得高度分散的金属粉（几个纳米大小），在生产过程中，有必要采用减缓颗粒凝结的措施，比如采用脂肪酸保护涂层。这一公认的方法已经应用于获取有过量酸覆盖的银脂肪酸盐的技术当中，其中的过量酸可以在深度加热过程中减缓凝结释放银的速度。在对银盐/脂肪酸的热分解研究中发现，使用不同的执行工艺方法，得到不溶于非极性溶剂的分解终产物便具有不同的体积分数含量。这些产物可能包含比如尺寸过大的颗粒或不会完全分解的银的脂肪酸盐。

关于纳米银颗粒制造的实验和分析得出了关于分解条件测定的结论^[3]。最终结论显示，反应条件对获得平均尺寸在6nm左右的终产物有主要影响^[3，4]。在定常反应参数下，可以获得高均匀度和高纯度的产品，这样的产品便是标准结果。

使用激光来消融金属目标，也可以获得金属颗粒。该技术曾经应用在纳米银的生产中^[5]。把洁净的银目标放置在装满乙醇、去离子水或丙酮的玻璃容器底部。其中，容器中的试剂起环境溶液的作用。这些液体及其所属类型在实施该技术的过程中发挥着非常重要的作用。高极性分子提供了很强的双电层环境，可以防止金属离子的增长、聚集和沉淀。因此，改变液体环境的性质是控制银胶颗粒大小分布和稳定性的一种简单灵活的方法。使用Nd：YAG激光脉冲进行实验，得到的结果表明，纳米银颗粒在丙酮溶液中具有平均直径为5nm的窄粒度分布。而在去离子水中，可以观察到平均直径为13nm稍差一点的窄粒度分布。(www.xing528.com)

除了传统的纳米金属生产方法外，近年来又发展了许多新方法。第一类方法是基于还原剂来还原银盐，如在水溶液中用氢硼化物还原，或在超临界的二氧化碳氛围中使用含有含氟表面活性剂的二甲胺硼烷还原含银的乙酰丙酮化物，或用含氨的碱金属还原银的碘化物。此外，还可以使用不同的电化学法、微波照射和超声化学合成等方法生产纳米银。最近还发表了一些新的方法（例如，在硝酸钠的乙醇溶液中进行银极化，并使用循环伏安法和计时安培分析法进行检测^[6]）。这些方法可能在效率、成本、环保等方面有所不同，但它们的目的都是要获得用于注射技术的纯纳米金属。表12.1列出了一些实验结果。值得注意的是，生产者通常只提供颗粒的尺寸信息。因此颗粒的形状或结构的信息会不足。不过，这些信息是可以进行探测的。比如，通过X射线衍射成像检测到，在由羧酸银受控热分解获得的纳米银中，核心金属具有面心立方（Face-Centered-Cubic，FCC）的结构^[7]。

表12.1 印制油墨的规格

（续）