| 应用分享丨用于高温印刷电子应用的丝网印刷银片油墨中的晶粒结构工程 |
| 来源： 发布时间：2026-01-27 09:17:56 |
研究背景
 高温印刷电子器件（如航空发动机传感器、新能源汽车高温部件电路）对导电层的高温稳定性、导电性、力学可靠性要求极高。丝网印刷片状银浆是制备这类导电层的主流材料，成本低、工艺兼容性强。常规丝网印刷的银浆导电层，在高温服役环境下会出现晶粒长大、晶界氧化、导电性能衰减、附着力下降等问题；而晶粒结构（晶粒尺寸、取向、晶界分布） 是决定其高温性能的核心因素，但传统制备工艺难以精准调控银浆的晶粒结构。本文研究人员通过晶粒结构调控（Grain Structure Engineering） 手段，优化丝网印刷片状银浆导电层的微观组织，以实现提升导电层在高温环境下的导电性稳定性和力学耐久性。
测试过程
研究人员通过工艺调控实验，如调整片状银粉的形貌参数（粒径、长径比）、银浆的粘结剂体系、丝网印刷的网版参数）；设计差异化热处理方案（温度、保温时间、气氛），实现对银晶粒形核、长大过程的调控。结合利用Bruker EBSD和平插式能谱仪FlatQUAD EDS来进行微观结构表征和对比观察，得出一系列结论：经过优化的低温烧结+ 时效处理工艺，可抑制银晶粒的异常长大，获得细晶 + 强 (111) 织构的导电层结构；细晶结构能增加晶界密度，阻碍高温下原子扩散和氧化进程；(111) 择优取向可降低电子传输阻力，兼顾导电性与高温稳定性；晶界处低含量的粘结剂残留，能提升导电层与基底的附着力，避免高温服役时出现剥离失效。 如图1显示，硅元素（红色，用黑色箭头突出显示）均匀分布在印刷和烧结的薄膜上。这种均匀分布说明硅颗粒成功与银基体混合，并在烧结过程中形成了稳定的复合结构。  ▲图1
晶粒尺寸随温度显著增加。在900°C时，晶粒尺寸增长约7倍，达到18.2 μm（经过10分钟等温处理）。硅颗粒在墨水中的存在通过Zener pinning有效抑制了晶粒的生长。这种效应是由于硅颗粒在晶界处阻碍了晶粒的移动，从而限制了晶粒的增大。布鲁克EBSD可以实现微米级高精度晶粒测量。  ▲图2 改性墨水（Ag-5 wt.% Si）在900°C等温处理10分钟后，平均晶粒尺寸仅为4.5 μm。相较于未改性银墨水的晶粒尺寸（约18.2 μm），改性墨水的晶粒尺寸仅为其四分之一。
图3显示EBSD结果清晰展示了硅颗粒对银晶粒生长的抑制作用。大尺寸硅颗粒充当物理屏障，而小尺寸硅颗粒通过Zener pinning机制限制晶界迁移。
 ▲图3 大 Si 颗粒和小 Si 颗粒对改性（Ag-5 wt.% Si）油墨中的晶粒钉扎的影响。大Si颗粒均匀分布在银基质中，延缓了致密化。较小的 Si 粒子迁移到晶界界面，引发Zener pinning。
FlatQUAD全能型平插式能谱仪可清晰实现微米级表征，在5kV低电压下对Si进行测量（参考图4）  ▲图4
研究意义
首次将晶粒结构精准调控理念引入丝网印刷银浆体系，突破了 “高温性能与导电性不可兼得” 的技术瓶颈，为高温印刷电子器件的商业化应用提供了理论支撑。
整个研究过程中，EBSD 提供的晶粒取向、织构数据，直接证实了工艺调控对晶粒结构的优化效果，是 “结构 - 性能” 关联的关键证据。平插EDS 的元素面分布结果，补充了晶界杂质的影响分析，让性能衰减机理的解释更完整、更有说服力。
参考原文
Wadhwa, A., Saadati, M., et al. (2024) 'Grain structure Engineering in Screen-Printed Silver Flake-Based inks for High-Temperature Printed Electronics applications,' Materials, 17(20), p. 4966. https://doi.org/10.3390/ma17204966. |
