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  随着通讯技术的飞速发展,手机、平板等数字传输设备所传输的模拟信号变得越来越高频,数字信息的传输越来越快速。但是作为信号连接路径的印刷电路板却经常会受到外部电子设备的电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI),从而导致数据的噪音、信号中断,或者屏幕的闪烁。对于更加复杂和集成度更高的设备,这种干扰可能会更加严重。为了减少这种EMI和RFI的干扰,导电聚合物复合材料就被广泛用于电子和通讯设备之中。

  制造导电聚合物复合材料的常用方法是在聚合物中添加导电粒子。添加后复合材料的导电性取决于导电物质的添加量及其分布情况,而且这个添加量需要尽可能的小,以确保成本的控制,以及导电材料的聚集。


  这一光固化的导电涂层,是将硝酸银(用量分别为7.5,12.5,和15wt%)添加到含有聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、乙醇,和吡咯的混合溶液中,然后添加2wt%的混合光引发剂(50% 1-羟基环己基苯基甲酮[即Irgacure 184]和50%二苯甲酮)。搅拌混合均匀并排除气泡后,旋涂(初始250 rpm转速10秒,以及后续1000rpm转速20秒)到玻璃基材上面。再使用波长200~600nm,强度为95mW/cm2的UV照射,能量分别为3,6和12J/cm2。最后再在250°C温度下处理一段时间(20,30,35和40分钟)即可得到最终的导电复合材料。  另外一种来改善EMI和RFI的方法就是通过对材料添加镀层,使得绝缘基材上面沉积上一个金属层。电镀的工艺由于存在大量有毒物质的使用和残留而被非电上镀所取代。非电上镀包括化学上镀和自催化上镀,但这两种上镀方法都存在工艺复杂、耗时及废水的问题。中国台湾国立中兴大学的Wen-Tung Cheng等人,基于Rabia Nazar等人在2015年提出的光固化方法,制作了可以有效阻隔EMI和RFI的光固化导电涂层。

表1 试验中所使用配方的组成及曝光量

  通过UV紫外光照射之后,光固化材料固化成膜。同时通过紫外-可见光的照射,银粒子也在位反应形成了银的纳米颗粒。通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)得到光固化后涂膜的图像显示,没有添加AgNO3的涂膜只有因为固化过程中产生的热所导致的裂纹,而添加的AgNO3量从7.5wt%增加到15wt%时,涂膜上所产生的银纳米粒子的平均粒径从13.5±7.3增加到了37.4±18.2nm(图1)。

图1 采用3J/cm2的紫外–可见光照射后,不同AgNO3含量: (a) 0,(b) 7.5,(c) 12.5和(d) 15wt%条件下的复合材料膜的FESEM图像,插入的小图是粒径分布(PSD)

  对于未经过热处理的光固化涂膜,当固化的能量越高时,由于银粒子的颗粒变得越大,从而导致薄板电阻变得越大。在经过250℃温度的热处理之后,由于涂膜中残留的溶剂被去除,整个涂膜会变得更薄,同时银粒子会熔化而形成一个银膜。但是这个热处理更多是将复合材料表面的银粒子熔化形成银膜,而对于底部的银粒子影响不大,仍然会有分离的银粒子的存在(图2)。

图2 添加了12.5 wt%的AgNO3的涂层在光固化后,经过250°C温度条件下处理(a) 20,(b) 30,(c) 35和(d) 40分钟后的FESEM图像

  随着热处理时间的增加,涂膜表层面的粗糙度会降低,其薄板电阻也会显著降低。对于添加了12.5wt% AgNO3的光固化涂层,在250°C温度下的处理时间从30分钟增加到40分钟时,其薄板电阻从28±12显著降低到1.7±0.3Ω/sq(图3)。这主要得益于在熔化阶段中银纳米粒子之间的缝隙变窄,从而形成了连续的电流通路所致。

图3 含有12.5 wt%的AgNO3涂层在光固化之后,薄板电阻随着250°C温度下热处理时间的变化情况

  这一工作表明,通过这种UV光固化的工艺,可以很容易生成在位产生的银纳米粒子,再通过合适的后处理条件,就能够得到具有很好导电性的复合材料涂层。这种技术如果能够得到批量的产业化应用,将会大大改进防电磁干扰和防射频干扰材料的制造工艺,从而为通讯和微电子产业的发展提速。