无颗粒喷墨打印Ag-Cu复合材料MEMS开关触头的显微组织调控与电退化机制研究

Ag-Cu composite material is a potential alternative to noble metal Au in the application of MEMS switch contact materials due to the advantages including good electrical conductivity, wear-resistant and anti-electro-migration. The main reason for the MEMS switches failure can be attributed to electrical degeneration during service. However, studies regarding to the effects of microstructure on degeneration is yet insufficient. Previous work has demonstrated that particle morphologies distinctly affect the electrical degeneration of Ag-based electrical contact materials. Ag-Cu composite film was also successfully obtained without oxidation in air by direct thermal decomposition of particle-free Ag-Cu ink. In this project, particle-free inkjet-printed Ag-Cu composite MEMS switches are proposed to be developed through controlling particle morphologies via modifying the selective absorption or coordination of organic ligand to specific crystallographic planes and adjustment of the temperature field. Moreover, effects of microstructure on electrical degeneration of Ag-Cu composite MEMS switch contact materials in different loading conditions will be studied. The proposed research will benefit to theoretical guidance and data basis for individualized design and preparation of Ag-Cu MEMS switch regarding to a specific loading condition.

Ag-Cu复合材料具有电导率高、耐磨损和抗电迁移等优点，可望取代稀贵金属Au在MEMS开关上的应用。服役中的电退化是MEMS开关失效的主要原因，而触头显微组织对电退化的影响机制和规律尚缺乏理论依据。申请人的前期研究表明复合材料中的颗粒形貌对电退化有显著影响，并解决了空气气氛热处理时Cu的氧化问题。因此，本项目采用无颗粒喷墨打印方法制备Ag-Cu复合材料MEMS开关，调控Ag-Cu薄膜内的颗粒形貌。并在此基础上分析不同负载条件、不同显微组织Ag-Cu复合材料MEMS开关触头的电退化行为。利用有机配体和溶剂对金属晶粒特定晶面的吸附和配位，以及温度场的控制，调控晶体的择尤生长，实现对Ag-Cu复合材料内颗粒形貌的调控。通过探讨Ag-Cu复合材料MEMS开关触头中显微组织和负载条件对电退化机制的影响，为据负载条件个性化设计和制备Ag-Cu复合材料MEMS开关提供理论指导和实践依据。

Ag-Cu电触头材料具有电导率高、耐磨损和抗电迁移等优点，可望取代稀贵金属Au在MEMS开关上的应用。服役中的电退化是触头材料失效的主要原因，而触头显微组织对电退化的影响机制和规律尚缺乏理论依据。本项目采用无颗粒喷墨打印方法制备Ag-Cu复合材料MEMS开关，开展无颗粒墨水的配位动力学和热力学、流变行为、晶体生长机制和电退化过程等方面的基础研究。采用甲酸铜为前驱体，二元胺为络合剂合成了可在空气气氛直接烧结获得导电图案的无颗粒Cu墨水，揭示了席夫碱反应和纳米Cu催化需氧反应对薄膜抗氧化特性的作用机制，并优化流体性质，实现可空气烧结无颗粒Cu导电墨水的喷墨打印，为新型廉价Cu导电墨水研发建立理论和技术基础；采用双配体体系实现无颗粒Ag导电墨水的晶粒尺寸和形状控制，通过液相烧结作用促进颗粒间烧结连接以实现低固含量无颗粒导电墨水的高电导率，为导电墨水优化揭示新的途径；通过Cu掺杂稳定无颗粒Ag墨水稳定性，制备的无颗粒Ag-Cu导电墨水可在室温自然光下保存，且电阻率接近块状银，解决了传统导电墨水稳定性差的问题；通过第二相形貌控制调控Ag基电触头材料电退化行为，揭示第二相对Ag熔体的毛细作用，研制出纤维增强Ag基电触头材料，使电退化进程减缓1倍以上，为新型高性能Ag-基复合电触头材料制备与应用建立了理论与技术基础。本项目研制的高性能纤维增强Ag基电触头材料，已在贵研铂业、厦门宏发等继电器及零件生产单位探索应用。项目有关研究成果已发表JCR一区SCI论文3篇，授权国家发明专利9项。