導(dǎo)電碳油阻值控制工藝分析與探討

崔小超 唐 昆 朱 拓

深圳崇達(dá)多層線路板有限公司

吳豐順

華中科技大學(xué)

1 前言

為了不斷滿足電子產(chǎn)品的小型、輕量及高性能、高功能化這一發(fā)展趨勢(shì)的要求，電子元件更加趨向于小型和超薄型，印制電路板更加趨向于高精密圖形。要在這樣的印制電路板上布置安裝大量的元件越來越困難，就需要印制板本身帶上一些電容或者電阻。

碳質(zhì)導(dǎo)電油墨是一種電子功能性材料，由于其機(jī)械強(qiáng)度高，成膜后耐磨擦，對(duì)基材附著力好，導(dǎo)電性能佳等良好特性，可以代替插頭、鍵盤鍍金、制作交叉跳線電阻以及印制電阻，或用于貫孔材料，適用于制作各種基材的剛性或撓性碳膜印制電路板。

碳質(zhì)導(dǎo)電油墨的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)是形成碳膜涂層的電阻值，其數(shù)值的精度和一致性與絲網(wǎng)印刷有著密切相關(guān)，絲網(wǎng)印刷工藝參數(shù)的變化則會(huì)導(dǎo)致電阻值的變化，從而直接影響產(chǎn)品的成品率，尤其是對(duì)組織誤差范圍要求較高的產(chǎn)品，所以要更加嚴(yán)格選用不同的網(wǎng)印工藝參數(shù)并保持恒定和規(guī)范的操作條件來保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

2 碳油(導(dǎo)電油墨)的組成

碳油主要由合成樹脂、硬化劑、導(dǎo)電填充料所組成，是一種單組份的導(dǎo)電油墨，其導(dǎo)電填充料主要為非金屬導(dǎo)電碳粉和石墨，碳墨顆粒有如球狀和片狀的膠體粒子。由于加工和價(jià)格因素，一般不用純石墨漿料。因?yàn)槭忍假F，多數(shù)碳油以純碳粉或者碳粉加入石墨粉混合作為導(dǎo)電填充料。有的為了得到更低的導(dǎo)電性，也會(huì)加入少量的銀粉。由于碳墨顆粒及其微小，球狀粉在1μm ～ 10μm，而薄片就只有0.1μm。使其分散度增加時(shí)，電阻就會(huì)減少，而導(dǎo)電率則升高。表面積越大則耐磨性越好。

復(fù)合碳漿油墨是一種熱固性導(dǎo)電油墨，導(dǎo)電填料為導(dǎo)電碳核。油墨固化后，能起到保護(hù)銅箔和傳導(dǎo)電流的作用，具有良好的導(dǎo)電性及阻抗。油墨膜層不易氧化，性能穩(wěn)定，固化后耐酸、堿和化學(xué)溶劑的腐蝕。油墨的附著力強(qiáng)，抗剝離，與銅箔或玻璃布結(jié)合良好。但由于碳與導(dǎo)線材料（如銅）的化學(xué)活潑性質(zhì)差異較大，如果兩者暴露在潮濕的大氣中，連接處的電化學(xué)腐蝕將會(huì)影響設(shè)備的使用壽命，限制該類產(chǎn)品的使用，所以要求嚴(yán)格的產(chǎn)品的導(dǎo)電碳油是印刷之后再印刷阻焊層對(duì)導(dǎo)電碳油層起到保護(hù)作用。

另外導(dǎo)電油墨在不使用時(shí)必須密封后在低溫干燥的環(huán)境中存儲(chǔ)，每次使用前必須提前至少4 h從低溫中環(huán)境中取出，使其恢復(fù)至室溫再使用，使用時(shí)還需要充分?jǐn)嚢璨趴捎∷?，在使用過程中盡量避免添加稀釋劑。

3 方阻值

碳膜電路涂布層固化后，電性能技術(shù)指標(biāo)稱為方阻值，它是任意正方形碳膜邊間的電阻值，又稱為方阻用?/□表示。它與碳膜的厚度、碳質(zhì)導(dǎo)電油墨的成份有關(guān)。

對(duì)于?/□——方阻值，這一物理特性，碳油這種具有導(dǎo)電性能的必然符合歐姆定律，下面以導(dǎo)電模塊為例，從歐姆定律來解釋?/□—方阻值。

如圖1為一方阻推導(dǎo)模塊圖，可以理解為從一條碳油線路上截取的任意一長(zhǎng)方形導(dǎo)電體。其長(zhǎng)度為L(zhǎng)、寬度為W、厚度為T。表面阻抗為Rp（見圖1）。

R＝Rp×L÷S ，即Rp＝R×S÷L；

式中：R——電阻；

S ——面積＝W?T；

L——長(zhǎng)。

設(shè)L＝W（即表面為正方形），則 Rp ＝R×S/L＝(R×W×T)/L＝R×T。

從上式可以看出，表面阻值在L＝W時(shí)，即在一個(gè)沒有單位長(zhǎng)度正方形“□”的條件下，可以用“?/□”表述，但是必須說明是在多少厚度下的“?/□”值。目前市場(chǎng)上銷售的碳油，生產(chǎn)商都會(huì)在技術(shù)資料中清楚的表明在多少厚度下的阻值。例如：【埃奇森】（ACHESON）電阻碳漿PR-401A，指明阻值如下：100 /（?/□）/25μm×(1±0.3)μm。

如圖2所示，表示出不同Rp值的曲線圖。從圖中可以看出，Rp方阻值越大，對(duì)應(yīng)的曲線偏離原點(diǎn)越遠(yuǎn)。Rp方阻值越小，其對(duì)應(yīng)的曲線則越往原點(diǎn)靠攏。即說明在同一碳油厚度下，方阻越大，其所得到的電阻值越高，相反，得到的電阻值就越低。

從圖2，Rp（W/□）曲線可以看出，影響碳油阻值大小的主要因素有以下幾個(gè)方面：

（1）Rp（W/□）方阻值的大??；

（2）上述假設(shè)W＝T故還有一個(gè)隱藏的因素碳油有效長(zhǎng)寬的設(shè)計(jì)；

（3）T碳油厚度。

圖2 方阻曲線圖

4 影響碳油阻值大小因素分析

4.1 Rp（?/□）：方阻值的大小選擇

針對(duì)Rp（?/□）方阻值的大小跟進(jìn)客戶要求選擇合適的阻值，并不是每種方阻的碳油都有生產(chǎn)，基本上現(xiàn)有的碳油只有一些標(biāo)準(zhǔn)的方阻，例如埃奇森（ACHESON）電阻碳漿方阻阻值有100 /（?/□）/ 25μm×(1±0.3)μm、1000 /（?/□）/ 25μm×(1±0.3)μm、10000 /（?/□）/ 25m×(1±0.3)μm等，跟進(jìn)客戶要求在上述阻值范圍內(nèi)可以直接選用單一組分的碳油，但是實(shí)際客戶對(duì)電阻的要求可能會(huì)在兩種標(biāo)準(zhǔn)電阻之間，如果跟進(jìn)實(shí)際R＝Rp?L / (W?T)，在實(shí)際產(chǎn)品L、W、T基本固定的情況下，R有一定的范圍，只能根據(jù)R的范圍來選擇Rp，例如L / (W?T)＝0.5，而客戶要求R＝175 ? ～ 325 ?，那對(duì)Rp的選擇就必須為400 ? ～ 600 ?范圍內(nèi)，而實(shí)際只有100 ?和1000 ?，針對(duì)這種情況就必須自己調(diào)整出方阻為400 ? ～ 600 ?的碳油，就需要用方阻為100 ?和1000 ?的混合調(diào)整出需要的方阻的碳油。

4.2 碳油有效長(zhǎng)寬的設(shè)計(jì)

由于碳油本身很大一部分成份是樹脂，而樹脂本身脆性較大，在對(duì)于這樣的產(chǎn)品碳油設(shè)計(jì)時(shí)，就需要加大碳橋與金屬面的接觸面積，盡量減小因?yàn)樵O(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致加工困難，目前比較成熟的設(shè)計(jì)如圖3所示：

圖3 線路菲林的設(shè)計(jì)

圖3為線路菲林的設(shè)計(jì)，實(shí)際設(shè)計(jì)根據(jù)產(chǎn)品碳油附件空間的大小盡可能設(shè)計(jì)大一點(diǎn)，這樣可以防止由于絲印偏位導(dǎo)致W有效寬度變小或者L偏出導(dǎo)致碳阻開路，而絲印碳油方塊的設(shè)計(jì)盡可能全部蓋住整個(gè)“┣”型碳橋接觸點(diǎn)及連接銅皮。而“L”及“W”的設(shè)計(jì)主要依據(jù)客戶需要的阻值結(jié)合上面的歐姆定律R＝Rp?L / S計(jì)算出理論設(shè)計(jì)值。通常情況下“W”必須大于0.3 mm，否則會(huì)由于絲印滲油導(dǎo)致W變寬影響較大，如圖4所示碳油設(shè)計(jì)，此類碳油橋的W有效寬度隨著印板時(shí)滲油而改變。

圖4 碳油設(shè)計(jì)

4.3 碳油厚度

影響碳油厚度的主要因素有兩個(gè)方面：網(wǎng)版、印刷工藝參數(shù)。

4.3.1 網(wǎng)版

網(wǎng)版的影響又有絲網(wǎng)類型的選擇、網(wǎng)目的選擇、網(wǎng)漿厚度的選擇，根據(jù)實(shí)際情況選擇正確的網(wǎng)版，這樣基本上就可以確定印刷碳油的體積。其中網(wǎng)目越小、網(wǎng)漿厚度越厚，絲印的碳油體積就越大，直接導(dǎo)致的就是碳油厚度越厚，碳油的電阻就越小，并且碳油越厚，烘烤的時(shí)候也越不容易烤干，所以選擇合適的網(wǎng)版是影響碳油厚度的重要因素之一。

實(shí)際制作中一般會(huì)選擇77-120T的尼龍網(wǎng)或者200T的鋼網(wǎng)，網(wǎng)漿的厚度控制一般會(huì)選擇15μm ～ 60μm的水菲林（水菲林可以控制整體厚度均勻一致，手動(dòng)上網(wǎng)漿不易控制網(wǎng)漿厚度）。

4.3.2 印刷工藝參數(shù)

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，除了網(wǎng)版之外印刷工藝參數(shù)的選擇和確定也是影響碳油厚度的重要因素之一，例如：刮膠硬度、刮膠角度、刮膠的平整度、絲印壓力、絲印速度、架網(wǎng)高度等，印刷工藝參數(shù)任何一個(gè)的改變都會(huì)對(duì)碳油厚度產(chǎn)生影響，在實(shí)際的工作中必須根據(jù)實(shí)際的產(chǎn)品類型特點(diǎn)以及阻值要求大小通過樣品、小批量、大批量驗(yàn)證確定印刷工藝參數(shù)，并且形成明文的規(guī)范，在每次印刷時(shí)都要按照規(guī)范來調(diào)整印刷工藝參數(shù)，這樣才能保證碳油產(chǎn)品的阻值穩(wěn)定性。

其中半自動(dòng)絲印機(jī)相對(duì)手動(dòng)機(jī)來說可以更好的保持碳油體積的穩(wěn)定性和一致性。因?yàn)闄C(jī)械印刷的工藝參數(shù)比手動(dòng)操作更加容易規(guī)范和恒定而保持下墨量的均勻一致性，手動(dòng)操作容易受主觀因素影響下墨量的大小。

最后就是還有部分要注意的就是客戶阻值要求嚴(yán)格的碳油產(chǎn)品不允許對(duì)碳油表面進(jìn)行磨擦，碳油不允許裸露在空氣中，要蓋在阻焊下，并且印刷碳油之后的流程如果還有表面處理工序的話對(duì)碳油的阻值都會(huì)有一定的影響，這個(gè)就需要根據(jù)實(shí)際的產(chǎn)品的流程設(shè)計(jì)以及客戶對(duì)產(chǎn)品阻值的要求來對(duì)碳油的設(shè)計(jì)或者是碳油的厚度進(jìn)行調(diào)整，這部分涉及的方面就會(huì)更多，只能在實(shí)際的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)中進(jìn)行總結(jié)。

4.4 小結(jié)

綜上幾點(diǎn)所述，可以使我們?cè)谥谱魈加彤a(chǎn)品時(shí)碳油產(chǎn)品的阻值達(dá)到客戶的要求，但并非只要做好上面幾點(diǎn)就一定能得到合格的產(chǎn)品，因?yàn)槲覀兠看沃谱魈加蜁r(shí)總會(huì)有一些條件不會(huì)完全一致，例如過程中每次刮刀的平整度不一致，刮膠角度在一定范圍內(nèi)等等因素，所以每次批量生產(chǎn)前就需要先印刷少部分產(chǎn)品固化后按照一定比例測(cè)量碳油的阻值，每次批量板固化后也要抽檢產(chǎn)品的阻值，例如一些公司生產(chǎn)的馬達(dá)震動(dòng)板部分公司會(huì)在電測(cè)之后增加一個(gè)電阻測(cè)試流程，這樣才能保證出給客戶的產(chǎn)品100%合格，總之要根據(jù)各自公司的實(shí)際情況進(jìn)行不同的工藝參數(shù)調(diào)整和加強(qiáng)過程的監(jiān)控，才能保證碳油阻值的穩(wěn)定性，避免問題產(chǎn)品的產(chǎn)生和流通。

5 結(jié)束語

隨著電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展，導(dǎo)電碳油的應(yīng)用越來越多，客戶對(duì)于碳油阻值的要求也會(huì)越來越嚴(yán)格，只有通過不斷的實(shí)踐摸索，才能找出適合自己的工藝參數(shù)。

[1]何為. 導(dǎo)電油墨制備技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào). 2009,21.

[2]齊成. 導(dǎo)電油墨絲網(wǎng)印刷中應(yīng)注意的問題[J]. 印制電路信息. 2008,12.

[3]王艷芳. 絲印導(dǎo)電油墨的研制[J]. 粘接. 2011,06.