一种低电阻率碳浆贯孔电路板及其制备方法与流程

本技术涉及贯孔电路板领域，尤其是涉及一种低电阻率碳浆贯孔电路板及其制备方法。

背景技术：

1、随着电子设备逐步趋向小型化、便携式，使得印制电路板也朝着高精密、细线化、高密度组装以及环保方向发展。由于印制电路板的加工技术日趋成熟，在价格的界限与利润正在缩减，其中银浆碳、铜浆贯孔印制板新技术的产生，使印制板的生产成本大大降低，提高了利润率。

2、所谓贯孔技术就是指对于双面或者多多层印制板，需要导体连接层面，在印制电路板上的指定点先冲孔或者钻孔，将能够导电的银浆、铜浆或者碳浆渗入预制好的孔中，然后在孔壁的周围形成导体层，进而在各层面之间只在电气触点形成回路。这种方法可以弥补传统互孔连接方法制造成本高昂的问题。

3、其中银浆贯孔使最为常见的一种手段，由于银粉作为导电介质导电率高，性能稳定，并且银浆体系能够与基板之间结合紧密，被广泛应用。但是银粉是贵重金属，成本较高，制备得到的浆料对于现在的高端精密仪器有很大的极限；而铜浆虽也有良好的导电性，但是存在导电铜浆易被氧化，减少电路板寿命的问题。碳浆贯孔技术相较于银浆和铜浆，制造成本低，性能稳定，不会有氧化问题的产生，但是碳浆体系相较于与金属系导电浆料而言，导电膜层的方阻大很多，电导率不如金属系导电浆料，导致应用场景受限。

技术实现思路

1、为解决碳浆贯孔电路板中碳浆的方阻高、相较于金属系浆料导电性能不佳，从而使应用场景受限的问题，本技术提供了一种低电阻率碳浆贯孔电路板及其制备方法。

2、第一方面，本技术提供了一种低电阻率碳浆贯孔电路板，包括绝缘基板、半固化板、散热板、铜箔和导电碳浆，所述导电碳浆包括以下质量份数的原料：

3、丙烯酸树脂 15～25份；

4、导电填料 20～25份；

5、溶剂 60～65份；

6、润湿剂 0.5～1.5份；

7、所述导电填料包括质量比为1：（0.45～0.85）的氮掺杂石墨层间化合物和炭黑；所述氮掺杂石墨层间化合物层间含有聚苯胺链段。

8、优选的，绝缘基板为环氧树脂玻璃纤维板；半固化板为环氧树脂玻璃布基板；散热板为铝基板。

9、优选的，所述润湿剂为有机硅聚醚类润湿剂。

10、优选的，炭黑的吸油值为320～350ml/100g。

11、通过采用上述技术方案，对电路板中的导电碳浆进行性能改进，提高导电碳浆的电导率，减少导电碳浆固化后的电阻率，具体的，采用氮掺杂石墨层间化合物和炭黑的组合物作为导电碳浆的导电填料。

12、首先，氮掺杂石墨层间化合物的层间含有聚苯胺链段，聚苯胺本身就具有一定的导电性能，但是聚苯胺材料的导电性只属于半导体范围，与石墨相互结合之后，得到电和热的优良导体，二者之间就会产生协同作用，电子在氮掺杂石墨层间化合物中的聚苯胺之间运动时经过石墨的嵌入和迁出速率加快，进而提高导电碳浆的电导率。并且聚苯胺链段插层到石墨中，减弱了石墨碳层中离域π电子的相互作用，会导致石墨层间与石墨碳原子发生电荷转移，增加了氮掺杂石墨层间化合物的载流子浓度并在能够在相邻的碳层之间搭建高效的载流子通道，提高石墨的导电性。

13、其次，氮掺杂石墨层间化合物中采用的石墨上面还掺杂有氮元素，单原子的添加可以改变石墨中的电子结构，引入额外的电子结构以及电子缺陷，影响石墨的电导率，并且氮原子的掺杂能够产生n型掺杂效应，增加载流子浓度，提高石墨的导电性。同时氮掺杂石墨后形成的π电子系统可以与聚苯胺链段中含有的大量的π电子之间发生强烈的π-π相互作用，促进电子在界面处的有效转移，增强电子的离域，提高氮掺杂石墨层间化合物的导电性，进而提高导电碳浆的导电率。

14、最后，在导电碳浆的固化过程中氮掺杂石墨层间化合物中含有的氨基基团能够与丙烯酸树脂中的活性基团相互连接，提高导电填料在导电碳浆中的分散性，以及导电填料的结合力。并且导电填料与丙烯酸树脂结合之后能够提高导电碳浆的导电路径，进而提高导电碳浆的导电率。

15、同时，本技术中采用的炭黑吸油值高，为具有高孔隙结构的炭黑，能够很快形成炭黑的网状结构，构建导电网络，与氮掺杂石墨层间化合物协同配合共同提高导电碳浆的电导率。

16、优选的，所述氮掺杂石墨层间化合物的原料包括质量比为1：（0.02～0.04）的苯胺和氮掺杂鳞片石墨。

17、通过采用上述技术方案，本技术采用原位聚合的方式在氮掺杂鳞片石墨上逐渐形成聚苯胺链段，相较于一般直接将聚苯胺链段接枝在石墨碳层之间，原位聚合的方式能使得聚苯胺链段与石墨碳层之间形成更强的化学键合以及物理缠结，提高聚苯胺链段的稳定性。同时原位聚合的方式还能够保持聚苯胺链段能够在石墨碳层之间均匀分布，有利于提到氮掺杂石墨层间化合物电导率的均一性。

18、优选的，所述氮掺杂石墨层间化合物按照以下方法制备得到：

19、氮掺杂鳞片石墨的制备：将鳞片石墨与氮源粉末混合均匀，在惰性气体保护下，加热至800～1000℃，并保温7～8h，保温结束后冷却至室温然后经过过滤得到氮掺杂鳞片石墨；

20、氮掺杂石墨层间化合物的制备：在聚乙烯吡咯烷酮水溶液中加入氮掺杂鳞片石墨超声分散30～40min，控制溶液温度为0～2℃，得到预混液；将苯胺添加到酸性溶剂中降温至0～2℃与预混液混合，搅拌2～3h，然后加入氧化剂水溶液，控制反应起始温度为0～2℃，搅拌反应8～10h后经过离心、洗涤、干燥、研磨得到氮掺杂石墨层间化合物。

21、优选的，所述氮源粉末包括三聚氰胺、尿素、双氰胺中的一种或几种的组合；所述鳞片石墨与氮源粉末的质量比为1：（0.05～0.15）。

22、优选的，所述氧化剂包括过硫酸铵、过氧化氢、重铬酸钾、高锰酸钾中的一种或几种的组合。

23、优选的，酸性溶剂为盐酸水溶液、硫酸水溶液、乙酸水溶液、醋酸水溶液中的一种。

24、通过采用上述技术方案，在高温条件下，氮源会逐渐分解释放出氮原子，进一步的，在高温环境下，释放出的氮原子具有高活动性，能够穿过石墨，并且鳞片石墨的层状结构更加有利于氮原子的穿透以及后续聚苯胺链段的引入。氮原子穿过石墨的层间或者缺陷处，进而嵌入到石墨的晶格结构中，形成氮掺杂鳞片石墨。

25、在聚乙烯吡咯烷酮水溶液中分散氮掺杂鳞片石墨，可以提高氮掺杂鳞片石墨的分散性，并且能够提高反应的稳定性，促进反应发生。进一步的，苯胺单体在酸性介质中，有一部分先吸附在氮掺杂鳞片石墨的表面，在氧化剂的作用下，吸附在石墨碳层之间的苯胺作为生长点吸附体系中的苯胺阳离子，并进行聚合，最终使得聚苯胺链段能够插层到石墨上，调整石墨的电子结构，提高石墨的导电性，进而提高导电碳浆的电导率，降低电阻率。

26、优选的，所述丙烯酸树脂为聚丙烯酸-吡咯共聚物；所述聚丙烯酸-吡咯共聚物的原料包括质量比为1：（0.4～0.6）的丙烯酸单体和吡咯单体。

27、通过采用上述技术方案，改性后的导电填料具有高导电性，但是与体系中粘接剂树脂之间的导电通路没有得到良好的改善，因此在丙烯酸树脂中引入聚吡咯链段，除了能够赋予树脂本身一些导电性之后，聚吡咯中的导电链段与氮掺杂石墨层间化合物之间会通过π-π堆叠结合在一起，增强体系的导电路径，进而提高导电碳浆的导电率。并且引入聚吡咯的丙烯酸树脂稳定性有所提高，聚吡咯的热稳定性也使得能够在一定程度上拓宽导电碳浆的适用温度范围，提高得到的碳浆贯孔电路板的高低温稳定性。聚吡咯链段还能够与氮掺杂石墨层间化合物之间通过氢键或者静电作用想和结合，提高导电填料与树脂之间的吸附性，提高导电填料在体系中的分散性和均匀性，能够改善导电碳浆的导电性。

28、优选的，所述聚丙烯酸-吡咯共聚物按照以下方法制备得到：在反应溶剂中加入丙烯酸单体和引发剂，并调节温度至60～80℃，搅拌反应2～3h后加入吡咯单体和氧化剂，调节溶液ph值为6～6.5，调节反应温度为70～90℃，继续搅拌反应4～5h后通过过滤、洗涤和干燥得到聚丙烯酸-吡咯共聚物。

29、优选的，反应溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺、甲苯、二甲苯、丁醇中的一种或几种的组合。

30、优选的，引发剂包括过氧化苯甲酰、偶氮二异丁腈、过氧化二异丙苯、过硫酸铵中的一种或几种的组合。

31、通过采用上述技术方案，丙烯酸先进行聚合得到丙烯酸预聚物，进一步的，将吡咯单体和氧化剂添加在丙烯酸预聚物溶液中，在酸性条件下，吡咯单体逐渐聚合并且与丙烯酸预聚物之间反应结合，随着时间的延长逐渐形成聚丙烯酸-吡咯共聚物，成功在丙烯酸树脂中引入聚吡咯链段。

32、优选的，所述溶剂包括丙二醇甲醚乙酸酯、丙二醇甲醚、二乙二醇丁醚醋酸、乙二醇丁醚、二丙二醇甲醚、乙二醇乙醚乙酸酯、乙酸正戊酯中的一种或几种的组合。

33、更优选的，溶剂为二乙二醇丁醚醋酸、乙二醇丁醚和乙酸正戊酯的混合物。

34、通过采用上述技术方案，溶剂能够溶解树脂并使得导电填料分散均匀的在树脂溶液中，同时调控导电碳浆的粘度，有利于导电碳浆的固化过程，提高导电碳浆与电路板之间的界面结合性。

35、第二方面，本技术还提供了一种低电阻率碳浆贯孔电路板的制备方法，包括以下工艺步骤制备得到：

36、s1.导电碳浆的制备：将丙烯酸树脂添加到溶剂中，在110～120℃下搅拌溶解，得到丙烯酸树脂溶液；在丙烯酸树脂溶液中加入导电填料和润湿剂，再用行星式搅拌机预混3～5min，得到初级导电碳浆；将得到的初级导电碳浆通过三辊机轧制得到导电碳浆；

37、s2.电路板的制备：将绝缘基板、半固化板、散热板和铜箔叠放好通过200～220℃热压得到电路板，并在电路板上开设碳浆贯孔和散热孔；

38、s3.低电阻率碳浆贯孔电路板的制备：将所述导电碳浆注入碳浆贯孔中，在40～50℃下预干燥4～5h，然后再在150～200℃下干燥固化30～40min，得到低电阻率碳浆贯孔电路板。

39、通过采用上述技术方案，导电碳浆经过三辊机轧制进一步减少碳浆的细度，有利于贯孔工艺的进行，然后将导电碳浆注入碳浆贯孔中，在一定的温度下丙烯酸树脂因为溶剂挥发以及分子间发生交联，最后固化成膜，实现电路板不同层板之间的回路连接。

40、综上所述，本技术具有如下有益效果：

41、1、本技术的碳浆贯孔电路板中使用的导电碳浆中，引入了氮掺杂石墨层间化合物，并且其层间含有聚苯胺，能够协同石墨提高电子在导电填料之间的嵌入和迁出速率，并且聚苯胺的插入导致石墨层间与石墨碳原子发生电荷转移，在相邻的碳层之间搭建高效的载流子通道，提高石墨的导电性。并且氮掺杂石墨层间化合物中采用的石墨上面还掺杂有氮元素，可以改变石墨中的电子结构，同时氮掺杂石墨后形成的π电子系统可以与聚苯胺链段中含有的大量的π电子之间发生强烈的π-π相互作用，促进电子在界面处的有效转移，提高导电碳浆的导电率。而且在导电碳浆的固化过程中氮掺杂石墨层间化合物中含有的氨基基团能够与丙烯酸树脂中的活性基团相互连接，提高导电填料在导电碳浆中的分散性，提高导电碳浆的导电路径，进而提高导电碳浆的导电率。

42、 2、本技术中导电碳浆的丙烯酸树脂为聚丙烯酸-吡咯共聚物，聚吡咯链段的引入能够使聚吡咯中的导电链段与氮掺杂石墨层间化合物之间会通过π-π堆叠结合在一起，增强体系的导电路径，并且能够提高树脂本身的热稳定性和力学强度，提高与基板之间的结合力。