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，電阻就會減少，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)電油墨在不使用時必須密封后在低溫干燥的環(huán)境中存儲，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方形導(dǎo)電體。其長度為L、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。

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，即在一個沒有單位長度正方形“□”的條件下，可以用“?/□”表述，但是必須說明是在多少厚度下的“?/□”值。目前市場上銷售的碳油，生產(chǎn)商都會在技術(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，對應(yīng)的曲線偏離原點(diǎn)越遠(yuǎn)。Rp方阻值越小，其對應(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方面：

（1）Rp（W/□）方阻值的大小；

（2）上述假設(shè)W＝T故還有一個隱藏的因素碳油有效長寬的設(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)際客戶對電阻的要求可能會在兩種標(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，在對于這樣的產(chǎn)品碳油設(shè)計(jì)時，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“┣”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)任何一個的改變都會對碳油厚度產(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。

其中半自動絲印機(jī)相對手動機(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碳油的阻值都會有一定的影響，這個就需要根據(jù)實(shí)際的產(chǎn)品的流程設(shè)計(jì)以及客戶對產(chǎn)品阻值的要求來對碳油的設(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，可以使我們在制作碳油產(chǎn)品時碳油產(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總會有一些條件不會完全一致，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)震動板部分公司會在電測之后增加一個電阻測試流程，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，客戶對于碳油阻值的要求也會越來越嚴(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. 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.