导电银浆：基于固化过程电阻演变的环氧树脂体系在封装与柔性电子中的应用

在先进封装领域，导电银浆作为芯片互连的核心材料，其性能优劣直接影响器件的电气可靠性与长期稳定性。本文以甲基四氢苯酐为固化剂，开发出一种兼顾芯片封装与柔性传感双功能的环氧树脂基导电银浆。研究全程借助Xfilm埃利四探针方阻仪对固化过程实施实时监测，厘清了导电网络的形成机制，最终确定了最优工艺参数。

导电银浆通常由导电相（银粉）、有机载体（树脂与固化剂）及功能助剂三大组分构成。银粉形貌对导电性能的影响不可忽视。研究采用球形与片状银粉1:1混合的方案。球形银粉粒径约0.31 μm，流动性好，但颗粒间以点接触为主，需要较高银含量才能形成有效导电通路；片状银粉平均尺寸约4.25 μm，具有线接触或面接触特性，可在较低银含量下构建导电网络。两者协同，兼顾了浆料的流变性与导电性。

 

银粉填料形貌与粒径表征：(a) 球形银粉SEM图；(b) 片状银粉SEM图；(c) 球形银粉粒径分布直方图；(d) 片状银粉粒径分布直方图

固化机制与导电网络的实时追踪

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固化过程的动态演变一直是领域内的薄弱环节。该研究将傅里叶变换红外光谱、差示扫描量热法与Xfilm埃利四探针方阻仪结合，构建了固化机制—导电网络形成的全链条分析体系。红外分析结果显示，919 cm⁻¹处环氧基特征峰完全消失，证实环氧树脂与甲基四氢苯酐发生了完全的开环交联反应；差示扫描量热曲线在120°C附近出现放热峰，标志着交联网络形成的起点。

四探针方阻仪结合加热平台的实时监测揭示了电阻的跳变规律：在4.3～5 min的窄时间窗口内，样品电阻经历了从兆欧级向亚欧级的急剧下降，在t₃= 5 min（200°C）时降至0.81 Ω，随后趋于稳定（约0.2 Ω）。这一过程对应交联密度快速提升引起的树脂收缩——银粉颗粒被迫靠拢并形成致密互连网络，导电通路的密度超越渗流阈值，接触电阻骤降。烧结参数优化实验进一步确认，200°C / 2 h为最优固化条件，在此条件下体积电阻率达到3.99×10⁻⁵Ω·cm。

(a) 环氧树脂、甲基四氢苯酐及反应产物的红外光谱；(b) 混合后的差示扫描量热曲线；(c)(d) 烧结过程中电阻–时间与温度–时间曲线及局部放大图；(e)(f) 电阻率随烧结温度与烧结时间的变化曲线；(g) 银浆固化机制示意图

组分协同调控：稀释剂、银含量与偶联剂

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在组分优化方面，研究对比了活性与非活性两类稀释剂的作用。非活性稀释剂二甲基甲酰胺对降阻效果突出；而活性稀释剂丁基缩水甘油醚则同时参与共固化，使剪切强度较其他稀释剂提升约一倍，成为综合性能最优选择。

随银粉含量从S-1升至S-5（84 wt% Ag），体积电阻率由2.3×10⁻⁴Ω·cm降至2.95×10⁻⁵Ω·cm，剪切强度则从30 MPa降至19.27 MPa，孔隙率由32.94%降至12.32%。综合权衡，S-4配方（84 wt% Ag）实现了电阻率与粘接强度的最优平衡。旋转黏度计测试表明，S-4呈典型假塑性流体特征（0.5 rpm时黏度20 683 cps，5 rpm时降至3334 cps），完全满足丝网印刷工艺要求，300目印刷样品电阻率为3.77×10⁻⁵Ω·cm。

硅烷偶联剂KH560的引入进一步完善了界面结构。X射线光电子能谱证实KH560与银粉表面形成了Si–O–Ag化学键，其环氧基同时参与树脂固化，起到增强银粉分散性与提升界面粘附的双重作用。适量添加可使剪切强度和水接触角同时达到峰值，过量则导致颗粒界面形成不连续有机层，反而削弱力学性能与导电性。

固化前：(a) S-1；固化后：(b) S-1，(c) S-5，(d) C-1，(e) C-3，(f) C-5的SEM微观结构图

(a) 电阻率与剪切强度测试方法示意；(b) 不同稀释剂对性能的影响；(c) S-1至S-5样品的电阻与剪切强度变化曲线；(d) S-1至S-4的孔隙率；(e)(f) C-1至C-5的电阻率、剪切强度及孔隙率变化；(g) C-1至C-5的水接触角变化

硬度与附着力测试

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银浆在硅基底上的力学性能通过铅笔硬度测试（ASTM D3363）和划格法附着力测试（ASTM D3359）系统评估。硬度测试表明，银浆涂层在6H铅笔载荷下发生明显剥落，而在5H铅笔划刻时保持结构完整，可重复达到5B硬度等级。附着力测试中，网格切割面边缘平整，无微裂纹；胶带剥离后所有网格单元完整保留，附着力评级为最高级5B，证明银浆与硅基底具有出色的界面结合强度。

 

硬度测试：(a) 6H；(b) 5H；玻璃基底上的划格附着力测试：(c) 剥离前；(d) 剥离后。

柔性传感应用：SP-CY复合传感器

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将银浆涂覆于棉纱表面并经150°C固化，制备出银浆-棉纱复合导电纤维（SP-CY）。扫描电子显微镜与能量色散X射线光谱分析显示，烧结后银颗粒均匀附着于纱线表面，未渗入棉纤维内部，在保留基底柔韧性的同时建立了稳定导电层。

传感器测试结果表明，弯曲时颗粒间接触面积增大、电阻降低，伸展时因环氧基体黏弹性导致应力松弛，电阻缓慢恢复。传感器在手指、手腕、肘部均展现出一致的波形响应，灵敏因子为0.2358，响应时间190 ms，恢复时间80 ms。500秒连续循环测试中电阻响应波动幅度低于5%；18天长期测试中漂移率不超过5%；80°C高温老化18天后电阻变化率低于3%。环氧基体的黏弹特性还赋予传感器对肌肉恢复过程的定量表征能力，在可穿戴康复监测领域具有潜在应用价值。

SP-CY柔性传感器表征与人体运动监测：(a) 人体运动监测示意图；(b) 棉纱基底SEM与EDS图谱；(c) SP-CY的SEM与EDS图谱；(d) 不同弯曲半径下弯曲电阻曲线；(e)(f) 手指外侧与内侧弯曲时电阻变化；(g)(h) 手腕内外侧电阻响应；(i)(j) 肘部内外侧电阻变化；(k) SP-CY信号传输测试

SP-CY稳定性表征：(a) 动态灵敏度响应曲线；(b) 弯曲循环稳定性测试；(c) 18天长期重复性测试；(d) 80°C高温老化18天性能变化

芯片封装验证

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利用精密点胶工艺将银浆沉积于预图案化的镀银基板上，完成半导体芯片的贴片与金线键合，构成完整的芯片封装结构，验证了银浆对标准微电子组装工艺的良好兼容性。SP-CY在水中浸泡测试中保持电路连通，与之相连的LED持续发光，证实环氧基体对湿热环境具有有效的隔湿屏障作用。

芯片封装图：(a) 正面；(b) 背面；(c) SP-CY导电性与防水性测试（水中LED点亮演示）

本研究以Xfilm埃利四探针方阻仪实时监测为核心分析手段，系统揭示了环氧树脂基导电银浆从固化到导电网络建立的完整动态过程，确立了200°C / 2 h的最优低温固化工艺。优化后的S-4配方体积电阻率低至2.95×10⁻⁵Ω·cm，剪切强度30 MPa，孔隙率12.32%，铅笔硬度与附着力均达5B级，接触电阻仅10.78 mΩ，全面满足芯片封装的严苛要求，同时在柔性应变传感方向展现出良好的应用潜力，为下一代互连材料与柔性可穿戴器件的研发提供了系统性技术支撑。

Xfilm埃利四探针方阻仪

/Xfilm

Xfilm埃利四探针方阻仪用于测量薄层电阻（方阻）或电阻率，可以对最大230mm 样品进行快速、自动的扫描， 获得样品不同位置的方阻/电阻率分布信息。

超高测量范围，测量1mΩ~100MΩ

高精密测量，动态重复性可达0.2%

全自动多点扫描，多种预设方案亦可自定义调节

快速材料表征，可自动执行校正因子计算

基于四探针法的Xfilm埃利四探针方阻仪，凭借智能化与高精度的电阻测量优势，可助力评估电阻，推动多领域的材料检测技术升级。