程秀蓮，高 慶，郝永平，霸書紅

（沈陽理工大學裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159）

含能復合薄膜是由2種或2種以上材料、按一定厚度比交替沉積而成的，在熱或電能刺激下，能發(fā)生放熱的化學反應。因此，在輸入相同電能條件下，與橋絲換能元相比，含能復合薄膜換能元具有能量放大作用，從而實現(xiàn)降低向換能元輸入的初始激發(fā)能量、提高換能元輸出的點火能量的目的，比橋絲式火工品具有更好的點火性能和安全性能。

為了將含能復合薄膜與儲能電源連通，李勇[1]借鑒傳統(tǒng)的電雷管連接方式—電極塞連接法，將其封裝進帶有腳線的絕緣塞中，其封裝過程大致為先用環(huán)氧膠將帶有基片的含能復合薄膜固定在絕緣塞凹槽中，再用導電鍵合絲連接含能復合薄膜的電極和絕緣塞腳線，最后用導電膠保護鍵合絲，通過絕緣塞的腳線與儲能電源實現(xiàn)連通。孫豐雅[2]研究了直接在已經(jīng)刻好電路的電路板上制備含能復合薄膜的連接方式，通過電路板上的電路可以與儲能電源連通；簡化了封裝工藝，有利于向小型化，集成化發(fā)展，以便于多點起爆或點火的火工器件制備及小型化。但在刻好的電路板上，存在與其銅箔厚度相同的凹陷，而含能復合薄膜中導電層的厚度只有幾十到幾百納米，因此，直接在清洗干凈的電路板上制備的導電膜與銅電路之間不能導通，為此，必須將電路板上的凹陷用絕緣膠填平。然而，市售絕緣膠的黏度較大，涂膜厚度遠大于電路板上覆銅板的厚度，大大增大了后續(xù)打磨的工作量；市售絕緣膠中含有易揮發(fā)溶劑，固化產(chǎn)物中易存在微小氣孔，不能滿足制備含能薄膜對基片的要求。本研究以磁控濺射制備鋁薄膜為例，研究了電路板填平膠與填平工藝，為導電薄膜與電路板的集成奠定了基礎。

1 實驗部分

1.1 主要原料

Φ50.8×3Al靶（純度為99.99%），四川德陽奧納新材料有限公司；環(huán)氧樹脂（E-39D），無錫線廣化工原料有限公司；異佛爾酮二胺，分析純，山東佰仟化工有限公司；稀釋劑（502），武漢遠成共創(chuàng)科技有限公司。FR-4單層覆銅板（板厚度為4 mm、銅箔厚度為35 μm），蘇州萬潤絕緣材料有限公司。

1.2 儀器與設備

QHV-JGP400B型磁控濺射鍍膜儀，沈陽奇匯真空技術有限公司；SHZ-D（Ⅲ）型循環(huán)水式真空泵，鞏義市予華儀器有限公司；DGG-9100G型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海森信實驗儀器有限公司。QHQ型鉛筆硬度計，天津市金孚倫科技有限公司；F15B 經(jīng)濟型萬用表，深圳市時代華南儀器有限公司。

1.3 電路板填平工藝

1.3.1 填平膠的配制

先稱取一定量的E-39D，再按E-39D與502的配比，準確稱取502，并加入到E-39D中，混勻，密封保存。

使用時，先稱取一定量的E-39D稀釋液，再按一定配比稱取固化劑加入到E-39D稀釋液中，混勻，即為填平膠。在適用期內使用。

使用惰性稀釋劑時，胺類固化劑用量計算公式如（1）式所示。

式中，W為m克E-39D稀釋液所需固化劑的質量（g）；a為環(huán)氧樹脂稀釋液中E-39D的質量濃度（%）；M為胺的相對分子質量；N為胺分子中活潑氫原子數(shù)目；Ev為環(huán)氧樹脂的環(huán)氧值。

使用活性稀釋劑時，胺類固化劑用量計算公式如（2）式所示。

式中，F(xiàn)v為活性稀釋劑的環(huán)氧值；其他符號同公式（1）。

1.3.2 電路板填平

FR-4單層覆銅板刻蝕電路后，留下與銅箔厚度相同的凹坑。直接或將電路板打磨后將少量填平膠滴在電路板上，用裁紙刀輕輕刮平，放置在水平的平面上，按規(guī)定的溫度和時間固化。固化后，用砂紙打磨至銅電路露出即可。

1.3.3 鋁橋制備

利用磁控濺射鍍膜儀按文獻[2]報道的工藝，在填平打磨后的電路板上制備厚度為636 nm的鋁橋。如圖1所示[2]。

圖1 電路板上的鋁橋膜Fig.1 Aluminum bridge film on printed circuit board

1.4 性能測試與表征

（1）硬度：按照GB/T 6739—1996《涂膜硬度鉛筆測定法》標準，采用鉛筆硬度計進行測試（電路板填平固化后）。

（2）鋁橋電阻：采用萬用表分別對鋁橋2橋基最遠距離間電阻R3.3和橋最遠距離間電阻R1.7進 行測試[依據(jù)R=ρl/s和圖1中鋁橋的尺寸（鋁塊的電導率ρ=2.83×10-8Ω·m[3]、鋁橋厚h=636 nm ），計算得出R3.3/ R1.7= 1.5，R1.7= 0.13 Ω，R3.3=0.20 Ω。鋁橋規(guī)格如圖2所示]。

圖2 鋁橋規(guī)格Fig.2 Aluminum bridge specifications

2 結果與討論（單位：mm）

2.1 單面覆銅板規(guī)格和環(huán)氧樹脂規(guī)格的篩選

由于環(huán)氧體系的FR-4板具有銅箔剝離強度較高，絕緣性能良好和可加工性，且制造成本較低，因而成為目前通用產(chǎn)品[4]。根據(jù)單面FR-4覆銅板基板的性能差異，基板和銅箔分別有不同的厚度等，使其成為系列化產(chǎn)品。本研究選用以玻纖布為基材，阻燃溴化E-39D為膠粘劑的普通FR-4板。為了便于手工操作，選取基材厚度為4 mm的較厚FR-4板。由于電路板上的銅箔和基板表面都吸附了空氣，用膠填平時，銅箔端面和基板形成的夾角處，空氣不易趕出，易形成內部缺陷，因此銅箔不宜過厚，但電路板填平打磨時可能使銅箔變薄，影響其導電性能，所以選用厚度為35 μm ，厚度居中的銅箔。

由于電路板基材是采用環(huán)氧膠粘劑粘接的，因此，填平膠首選亦是環(huán)氧系膠粘劑，同系列物質之間界面張力較小。涂膠填平時，易在電路板表面鋪展，固化后打磨和使用時填平層都不易與基材分離。一般膠層厚度為30～150 μm[5]。電路板填平厚度為35 μm，膠液宜偏稀為好。環(huán)氧值較大的環(huán)氧樹脂分子質量較小，黏度亦小，但固化后體積收縮較大，因此選用環(huán)氧值偏大的E-39D，其揮發(fā)物≤0.5%[6]，其固化制品具有尺寸穩(wěn)定性較好等特點。

2.2 E-39D稀釋劑的選擇

稀釋劑分為活性稀釋劑和非活性稀釋劑。非活性稀釋劑在氣化固化過程中，易在固化產(chǎn)物中留下氣孔，使打磨后在其上面濺射的鋁橋電阻增大，故一般不選非活性稀釋劑?；钚韵♂寗┛膳c環(huán)氧固化劑之間發(fā)生化學反應，不存在氣化問題，因此固化產(chǎn)物中無氣化產(chǎn)生的氣孔。環(huán)氧值和黏度均較小、用量少的活性稀釋劑與E-39D混合固化后體積收縮率較小，內應力亦較低，固化打磨過程中不易產(chǎn)生微小裂紋，在其上面濺射的鋁橋電阻也較小。在固化前為脫除填平膠中混合和涂膜過程中混入的空氣，需進行真空脫氣，為防止稀釋劑在高真空度下氣化，宜選用沸點較高的稀釋劑。502和660稀釋劑的物理、化學性能參數(shù)如表1所示。

由表1可知：660黏度較小，用量雖少但環(huán)氧值較大，沸點較低；502的環(huán)氧值較小，沸點較高，但黏度亦較高，用量也較大，因502具有環(huán)氧值較小的優(yōu)勢，可以對其黏度較高、用量亦較大導致其稀釋的固化物體積收縮率較大的缺點有一定的彌補作用。雖然660黏度、用量較少的優(yōu)點對環(huán)氧值較大導致其稀釋的固化物體積收縮率較大的缺點有一定的彌補作用，但沸點較低的缺點無法彌補，因此選用502作稀釋劑較適宜。

表1 E-39D稀釋劑的物理、化學性能參數(shù)[7]Tab.1 Physico-chemical properties of diluting agent for E-39D epoxy resin

2.3 固化劑及固化工藝的確定

脂肪胺類固化劑揮發(fā)性、毒性和固化產(chǎn)物的脆性均較大；芳香胺類固化劑雖然固化產(chǎn)物性能優(yōu)越，但也有一定的毒性，如間苯二胺（LD50=130～300 mg/kg），常態(tài)下為固體，使用不方便，由此選用脂環(huán)胺—異佛爾酮二胺為固化劑，此為透明液體，使用方便，其固化產(chǎn)物性能與芳香胺固化物相近，LD50為1 030 mg/kg，毒性明顯低于間苯二胺。

據(jù)文獻[7]報道，異佛爾酮二胺的固化條件為，80℃/4 h或150℃/1 h。根據(jù)異佛爾酮二胺的胺當量和E-39D的環(huán)氧值，可以計算出異佛爾酮二胺∶E-39D質量比為16.17～17.45∶100，502稀釋劑的環(huán)氧值≥0.4與E-39D的環(huán)氧值0.38～0.41[6]相近，加入502稀釋劑后，異佛爾酮二胺與E-39D稀釋液的質量比亦為16.17～17.45∶100。本研究取異佛爾酮二胺與E-39D稀釋液的質量比為17∶100。粟立軍[4]報道，普通FR-4板玻璃化溫度在130～140℃之間。因此，固化溫度定在130℃以下，不同固化工藝對涂膜硬度和打磨后濺射鋁橋電阻的影響如表2所示。

表2 固化工藝對硬度和鋁橋電阻的影響Tab.2 Effect of curing process on hardness and aluminum bridge resistance

由表2可知，階梯固化不僅涂膜的硬度高于80℃固化4 h的涂膜，而且鋁橋電阻也明顯變?。皇覝刎搲阂欢〞r間后階梯固化涂膜硬度不變，但鋁橋電阻明顯變小。這是由于階梯固化初始溫度低于80℃后，固化速度變慢，固化產(chǎn)物內應力較小，打磨時產(chǎn)生的微裂紋也少，在其上面制備的鋁膜厚度較均勻，使鋁橋電阻變?。煌瑫r，階梯固化的后續(xù)固化溫度高于80℃會使固化反應進行得更完全，涂膜硬度得以提高。

R3.3/ R1.7大于1.3中理論計算值1.5，說明在銅電路與鋁橋基搭接處存在缺陷，造成搭接電阻增大，下同。

2.4 基片打磨工藝對鋁橋電阻的影響

鋁橋的厚度僅為636 nm，濺射鋁橋基片的粗糙度對鋁橋電阻大小有較大的影響?；洗嬖谳^大的凹陷或凸起的缺陷，會導致局部鋁橋變薄、甚至不連續(xù)，使電阻變大，尤其是基片上銅電路與鋁橋基搭接處，若存在缺陷，甚至電阻超量程，都會使電路不導通?；煌蚰スに噷︿X橋電阻的影響如表3所示。

表3 基片打磨工藝對鋁橋電阻的影響Tab.3 Effect of substrate grinding process on aluminum bridge resistance

由表3可知：打磨工藝對鋁橋電阻有顯著的影響，打磨砂紙目數(shù)越大，電路板表面粗糙度越小，表面越光滑，在其上制備的鋁橋厚度越均勻，電阻越小。覆銅板刻制電路后表面粗糙度較大，直接涂膠時由于存在電路板表面吸附空氣、膠液黏度較大等原因，使膠液不易填充電路板表面的微小凹陷，造成部分缺陷在膠液固化、打磨后依然存在，使電路板表面粗糙度較高，鋁橋電阻較大。所以，采用1.25 μm砂紙打磨較宜。

2.5 E-39D與502質量比的確定

E-39D與502質量比越大，502用量越小，E-39D稀釋液黏度越大，越不利于電路板中銅電路端面和基板形成夾角處的填充，存在未被趕出的空氣，打磨后此處表面可能有氣孔存在，使濺射在其上面鋁橋的橋基與銅電路搭接處電阻增大，且E-39D稀釋液黏度較大，填充層厚，增加后續(xù)打磨工作量；反之，502用量增加，E-39D稀釋液黏度變小，有利于銅箔端面和基板形成夾角處的填充，但是稀釋劑用量越大，E-39D固化產(chǎn)物體積收縮比越大，內應力也越大，固化和打磨時易形成微小裂紋等缺陷，使濺射在其上面的鋁橋電阻增大。E-39D與502質量比對鋁橋電阻的影響如表4所示。

表4 E-39D與502質量比對鋁橋電阻的影響Tab.4 Effect of mass ratio of epoxy resin and diluting agent on aluminum bridge resistance

由表4可知，E-39D與502質量比為100∶24時，鋁橋電阻相對最小，R1.7= 1.3 Ω、R3.3= 2.0 Ω、R3.3/ R1.7= 1.5，R3.3與 R1.7比 值 與1.3中理論計算值相同，但R3.3與 R1.7均是理論計算值的10倍，這主要是由于200 nm厚的鋁膜電阻率為4.68×10-8Ω·m，而20 nm厚的鋁膜電阻率增大為9.97×10-6Ω·m[3]，說明濺射鋁橋的基片電路板粗糙度仍然偏大，造成鋁橋存在厚度遠小于636 nm的區(qū)域，甚至低于200 nm的區(qū)域。但已能滿足火工品對換能元電阻的要求。

3 結論

（1）填平膠的較佳配方為：E-39D與502的質量配比為100∶24，異佛爾酮二胺與E-39D稀釋液的質量配比為100∶17。

（2）電路板打磨較佳工藝為涂膠前后都用1.25 μm（約7 000目）砂紙進行打磨。

（3）較佳固化工藝為階梯升溫固化前進行室溫脫氣的固化工藝。

（4）在處理后電路板上濺射鋁橋的電阻，能夠滿足火工品對換能元電阻值的要求。