[发明专利]粒径呈纳米至微米三峰分布铜粉末及其一次性合成方法与应用

说明书

本发明公开了粒径呈纳米至微米三峰分布铜粉末及其一次性合成方法与应用。由粒径分别为5–15nm的纳米颗粒铜粉、120–210nm的亚微米颗粒铜粉和1–2μm的微米片铜粉组成；亚微米颗粒铜粉和微米片铜粉表面包覆纳米颗粒铜粉；所述铜粉末由还原剂与反应液在80–100℃搅拌下反应，反应产物经离心后清洗所得；所述反应液由铜盐、有机酸和有机胺形成的复合分散剂与乙二醇混合所得。本发明粒径多峰分布铜粉的优势在于其初始堆积密度高，能够在低温进行烧结的同时还可以保证所得结构的致密性，从而使烧结后薄膜表现出良好的导电性能。

技术领域

本发明涉及纳米粉末与微米粉末合成领域，具体涉及一种粒径呈纳米至微米三峰分布铜粉末及其一次性合成方法与应用；该粒径呈纳米至微米三峰分布铜粉末合成方法是一种快速的一次性化学还原方法；所得的粒径呈纳米至微米三峰分布铜粉末可在不耐高温的有机柔性基板表面制备高导电线路。

技术背景

近年来，由于金属铜的地球储量丰富，且价格较为低廉，具有纳米结构的铜粉末被应用于众多领域，如3D打印、印刷电子与功率芯片封装等。而对于这类应用，铜粉都需要经过类似于烧结处理的过程而形成连续的块状结构，以提供电学或者力学性能。通常来说，高比表面能的纳米粉末具有优异的烧结性能，但是获得的烧结组织往往含有较多空隙。因此，研究人员将大尺寸的微米粉末与小尺寸的纳米粉末混合形成双峰粒径分布的粉末，从而增加粉末堆积密度，最终提高烧结组织的致密度。

现有阶段，两种粒径分布的铜粉末均是通过机械的方法将已有的纳米粉末与微米粉末进行混合制备而成的，而这一方法不能保证两种尺寸粉末混合的均匀性，且可能造成纳米粉末的团聚现象。一次化学合成的方法制备具有多尺度分布的铜粉可以使小尺寸粉末均匀分布在大尺寸粉末周围，除了增加烧结组织致密度之外，还可以降低这种粉末的烧结温度。这对柔性印刷电子与功率电子芯片互连的应用至关重要，因为这类电子器件的烧结工艺温度一般都要求在300℃以下。

中国发明专利CN201410083209.9公开了一种纳米铜粉的三步还原法制备工艺：：边搅拌边向硫酸铜溶液中滴加抗坏血酸溶液的一步还原；：加入甲醛溶液的二步还原；加入氢氧化钾溶液，调节溶液pH值为9～13，然后滴加硼氢化钾溶液，搅拌至沉淀完全生成，过滤得到铜粉的三步还原；将铜粉洗涤干燥后制得300～800nm的纳米铜粉。但该技术包含三步还原步骤，过程较为复杂，且获得的铜粉粒径范围均在亚微米尺度(100–1000nm)，所得铜粉不能够在低温度下(300℃)发生烧结，从而无法满足柔性电子与功率芯片互连领域的应用要求。

中国发明专利CN200410009842.X公开了一种在水溶液中用化学还原法制备纳米铜粉的方法，提出在水溶液中，采用化学还原法，将主盐、还原剂、添加剂进行适当组合，其中主盐为硫酸铜、氯化铜中的任一种，同时外加超声场，保证制备的纳米铜粉的颗粒的中值粒径小于100nm。该技术虽然使用添加剂三乙醇胺，但三乙醇胺不是为了调节铜粉形貌和尺寸所特意添加的，所制备的铜粉粒径均在100nm以下，堆积密度较低，在后续烧结过程中将会形成诸多空洞。

中国发明专利申请CN201810237826.8公开了一种片状铜粉的制备方法，以水、铜盐、络合剂、镀铜光亮剂、分散剂、防氧化剂、镍盐、酸、片状酸性化合物结晶模板和还原剂为原料，采用化学镀的方法，在片状酸性化合物结晶模板表面镀铜，直至铜离子反应完全，反应结束后，分离提纯，未经球磨，直接得到片状铜粉。但该技术是通过化学镀的方法获得片状铜粉，使用了特定的片状酸性化合物结晶模板和复杂的镀液成分；由于表面能较低，这一方法获得的大尺寸片状铜粉难以在低温下发生烧结，故不适用于低温领域的应用，如柔性电子与芯片互连。

发明内容

本发明的目的在于提供一种初始堆积密度高，能够在低温进行烧结的同时还可以保证所得结构的致密性，从而使烧结后薄膜表现出良好的导电性能的粒径呈纳米至微米三峰分布铜粉末及其一次性合成方法。

本发明另一目的在于提供所述粒径呈纳米至微米三峰分布铜粉末在不耐高温的有机柔性基板表面制备高导电线路中的应用。