La pâte électronique est un terme général pour matériel électronique Produits sous forme de pâte ou de fluide. Ils sont généralement appliqués sur des substrats tels que la céramique, le verre, les films polymères, les plaquettes de silicium et les bases métalliques par sérigraphie, impression à jet d'encre, revêtement, tampographie ou impression 3D. Après frittage ou durcissement, ils forment des couches ou des motifs fonctionnels. Ils sont largement utilisés dans les circuits à couches épaisses, les MLCC, les inductances multicouches, les cellules photovoltaïques, les boîtiers de semi-conducteurs, les dispositifs d'affichage et les capteurs. Ces pâtes remplissent diverses fonctions, notamment la conduction, l'ajustement de la résistance, les propriétés diélectriques, la protection et la conduction transparente. Elles constituent un système de matériaux essentiel pour atteindre des performances et une fiabilité élevées dans les composants électroniques modernes.
Bien qu'une pâte électronique puisse ressembler à une simple pâte en apparence, il s'agit essentiellement d'un système composite multiphasé, généralement composé de trois éléments : une poudre fonctionnelle, un liant et un véhicule organique. Dans la plupart des pâtes à couches épaisses, ce système est composé de trois composants principaux : la poudre fonctionnelle, la fritte de verre et le véhicule organique. La poudre fonctionnelle détermine les propriétés électriques, la fritte de verre assure la stabilité structurelle et l'adhérence, et le véhicule organique permet l'adaptabilité du procédé. Ces trois composants ont des rôles distincts mais sont interdépendants, déterminant collectivement les performances finales de la pâte. Il est à noter que, pour certaines applications spécifiques, il existe des systèmes alternatifs qui peuvent se passer de la fritte de verre, en utilisant des résines ou en s'appuyant sur l'autofrittage métallique.
Poudre fonctionnelle
Dans les pâtes électroniques, la poudre fonctionnelle fournit les caractéristiques électriques requises. Le type de poudre choisi détermine directement le rôle de la pâte dans le dispositif : conducteur, résistance, diélectrique ou conducteur transparent. En résumé, la poudre fonctionnelle détermine la fonction finale de la pâte électronique. Parmi les types courants de poudres fonctionnelles utilisées dans les pâtes électroniques, on trouve :
Fritte de verre
Bien qu'elle ne soit pas le composant phare des formulations de pâtes électroniques, la fritte de verre joue un rôle essentiel. Lors du frittage, elle se ramollit, s'écoule et se consolide finalement avec le substrat et la poudre fonctionnelle, jouant ainsi le double rôle de liant et de modificateur de structure. Ses principales fonctions sont :
1 Collage adhésif : Le verre ramolli à haute température « soude » efficacement les poudres de métal ou d'oxyde à la surface des plaquettes de céramique, de verre ou de silicium. L'absence de fritte de verre peut entraîner une adhérence insuffisante, voire un décollement de l'électrode.
② Densification : La fluidité du verre aide à remplir les pores entre les particules, augmentant ainsi la densité et l’intégrité de la couche cuite, améliorant ainsi la stabilité électrique.
③ Correspondance de dilatation thermique : En ajustant la composition du verre, son coefficient de dilatation thermique (CTE) peut être adapté à celui du substrat, amortissant ainsi les contraintes et réduisant le risque de fissuration ou de déformation après frittage.
Si la poudre fonctionnelle détermine les performances électriques de la pâte électronique, la fritte de verre détermine si ces propriétés peuvent être maintenues « solidement et durablement ». Les principaux systèmes de verre utilisés dans les pâtes électroniques sont les suivants :
Systèmes de verre dans les pâtes électroniques
| Type de verre | Systèmes représentatifs | Point de ramollissement du verre /°C | Stabilité chimique | Coefficient de dilatation thermique /10⁻⁷°C⁻¹ | Avantages | Inconvénients |
| Verre à base de plomb | PbO-SiO₂, PbO-B₂O₃-SiO₂, PbO-ZnO-B₂O₃-SiO₂, etc. | 350~600 | Bonne stabilité | 70~120 | Haute résistivité, faible perte diélectrique, faible température de ramollissement, bonne stabilité chimique. | Dangereux pour l’homme et l’environnement ; peut oxyder les céramiques AlN. |
| Verre à base de bismuth | Bi₂O₃-B₂O₃-SiO₂, Bi₂O₃-B₂O₃-BaO, Bi₂O₃-ZnO-SiO₂, Bi₂O₃-B₂O₃-ZnO, Bi₂O₃-SiO₂-Sb₂O₅, etc. | 350~500 | Bonne stabilité | 90~150 | Similaire au verre à base de plomb : faible température de ramollissement, bonne stabilité chimique. | Faible résistance aux acides ; peut oxyder les céramiques AlN. |
| Verre au borate | BaO-B₂O₃-SiO₂, CaO-B₂O₃-SiO₂-BaO, SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃-RO, etc. | 300~600 | Moins stable | 90~150 | Il présente généralement un coefficient de dilatation thermique élevé. Un faible point de fusion n'est obtenu que par l'ajout d'ions de métaux alcalins, alcalino-terreux ou lourds. | Chimiquement instable, sujet à la séparation de phases. |
| Verre à base de zinc | ZnO-BaO-B₂O₃, ZnO-B₂O₃-Al₂O₃-SiO₂, etc. | 450~600 | Bonne stabilité | 60~90 | Chimiquement stable, faible coefficient de dilatation thermique, force de liaison élevée, point de fusion bas. | Faible soudabilité, capacité de fluxage à haute température relativement faible. |
Remarque : les pâtes conductrices transparentes, souvent utilisées sur des substrats en verre, PET, PI et autres substrats transparents/flexibles, s'appuient plus généralement sur des polymères (tels que l'époxy, la résine acrylique, le PU, etc.) comme phase liante au lieu de la fritte de verre, durcissant à basse température ou même à température ambiante.
Véhicule organique
Le véhicule organique est constitué d'un solvant organique. Il représente environ 651 à 981 TP3T de son poids total. Parmi les exemples courants, on peut citer l'acétate d'éther monoéthylique de diéthylène glycol, le citrate de tributyle, le phtalate de tributyle, etc., les épaississants, les agents thixotropes, les tensioactifs et les agents d'étalement. Un véhicule comprend au minimum un solvant organique et un épaississant.
Bien que le liant organique ne contribue pas à la fonction électrique de la couche finale cuite, il détermine l'aptitude à la mise en œuvre de la pâte lors de sa préparation. Son rôle fondamental est de lui conférer les propriétés rhéologiques adaptées aux différents procédés d'application et à l'adhérence initiale au substrat. Ces dernières années, la tendance en matière de développement de liants organiques s'est orientée vers une faible teneur en résidus, une faible odeur et le respect de l'environnement. Certains produits utilisent même des systèmes colloïdaux aqueux ou inorganiques pour répondre aux exigences d'une fabrication écologique.
Résumé
La poudre fonctionnelle confère les propriétés électriques requises à la pâte électronique. La fritte de verre assure la stabilité et la durabilité de ces propriétés. Enfin, le véhicule organique garantit la transformabilité de la pâte lors de la fabrication. Ces trois composants présentent des fonctions clairement définies, mais sont interdépendants, formant ainsi un système multiphasé équilibré.
L'application des broyeurs à jet d'air et classificateur Les broyeurs à jet d'air sont parfaitement adaptés à la préparation des poudres fonctionnelles et des frittes de verre utilisées dans les pâtes électroniques. Pour les poudres métalliques fonctionnelles comme l'argent, le cuivre ou le nickel, le broyage par jet d'air offre une méthode sans contamination. Il permet d'obtenir une distribution granulométrique précise (PSD) et une morphologie sphérique essentielles pour garantir une conductivité et une imprimabilité élevées. De même, les broyeurs classificateurs excellent dans le traitement des matériaux fragiles comme les frittes de verre. La fracturation contrôlée permet d'obtenir une poudre fine et homogène présentant la surface spécifique nécessaire à une activité de frittage et une force de liaison optimales. La capacité de contrôler précisément la taille de la coupe supérieure et la largeur de distribution grâce à un système intégré classification est vital. Ces paramètres influencent directement la rhéologie de la pâte, la densité de frittage et, in fine, les performances du film électronique cuit.
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