导电碳油阻值控制工艺分析与探讨

2012-07-30崔小超

印制电路信息 2012年1期

关键词：阻值导电油墨

崔小超唐昆朱拓

深圳崇达多层线路板有限公司

吴丰顺

华中科技大学

1 前言

为了不断满足电子产品的小型、轻量及高性能、高功能化这一发展趋势的要求，电子元件更加趋向于小型和超薄型，印制电路板更加趋向于高精密图形。要在这样的印制电路板上布置安装大量的元件越来越困难，就需要印制板本身带上一些电容或者电阻。

碳质导电油墨是一种电子功能性材料，由于其机械强度高，成膜后耐磨擦，对基材附着力好，导电性能佳等良好特性，可以代替插头、键盘镀金、制作交叉跳线电阻以及印制电阻，或用于贯孔材料，适用于制作各种基材的刚性或挠性碳膜印制电路板。

碳质导电油墨的一项重要性能指标是形成碳膜涂层的电阻值，其数值的精度和一致性与丝网印刷有着密切相关，丝网印刷工艺参数的变化则会导致电阻值的变化，从而直接影响产品的成品率，尤其是对组织误差范围要求较高的产品，所以要更加严格选用不同的网印工艺参数并保持恒定和规范的操作条件来保证产品的质量。

2 碳油(导电油墨)的组成

碳油主要由合成树脂、硬化剂、导电填充料所组成，是一种单组份的导电油墨，其导电填充料主要为非金属导电碳粉和石墨，碳墨颗粒有如球状和片状的胶体粒子。由于加工和价格因素，一般不用纯石墨浆料。因为石墨比碳贵，多数碳油以纯碳粉或者碳粉加入石墨粉混合作为导电填充料。有的为了得到更低的导电性，也会加入少量的银粉。由于碳墨颗粒及其微小，球状粉在1μm ～ 10μm，而薄片就只有0.1μm。使其分散度增加时，电阻就会减少，而导电率则升高。表面积越大则耐磨性越好。

复合碳浆油墨是一种热固性导电油墨，导电填料为导电碳核。油墨固化后，能起到保护铜箔和传导电流的作用，具有良好的导电性及阻抗。油墨膜层不易氧化，性能稳定，固化后耐酸、碱和化学溶剂的腐蚀。油墨的附着力强，抗剥离，与铜箔或玻璃布结合良好。但由于碳与导线材料（如铜）的化学活泼性质差异较大，如果两者暴露在潮湿的大气中，连接处的电化学腐蚀将会影响设备的使用寿命，限制该类产品的使用，所以要求严格的产品的导电碳油是印刷之后再印刷阻焊层对导电碳油层起到保护作用。

另外导电油墨在不使用时必须密封后在低温干燥的环境中存储，每次使用前必须提前至少4 h从低温中环境中取出，使其恢复至室温再使用，使用时还需要充分搅拌才可印刷，在使用过程中尽量避免添加稀释剂。

3 方阻值

碳膜电路涂布层固化后，电性能技术指标称为方阻值，它是任意正方形碳膜边间的电阻值，又称为方阻用Ω/□表示。它与碳膜的厚度、碳质导电油墨的成份有关。

对于Ω/□——方阻值，这一物理特性，碳油这种具有导电性能的必然符合欧姆定律，下面以导电模块为例，从欧姆定律来解释Ω/□—方阻值。

如图1为一方阻推导模块图，可以理解为从一条碳油线路上截取的任意一长方形导电体。其长度为L、宽度为W、厚度为T。表面阻抗为Rp（见图1）。

R＝Rp×L÷S ，即Rp＝R×S÷L；

式中：R——电阻；

S ——面积＝W•T；

L——长。

设L＝W（即表面为正方形），则 Rp ＝R×S/L＝(R×W×T)/L＝R×T。

从上式可以看出，表面阻值在L＝W时，即在一个没有单位长度正方形“□”的条件下，可以用“Ω/□”表述，但是必须说明是在多少厚度下的“Ω/□”值。目前市场上销售的碳油，生产商都会在技术资料中清楚的表明在多少厚度下的阻值。例如：【埃奇森】（ACHESON）电阻碳浆PR-401A，指明阻值如下：100 /（Ω/□）/25μm×(1±0.3)μm。

如图2所示，表示出不同Rp值的曲线图。从图中可以看出，Rp方阻值越大，对应的曲线偏离原点越远。Rp方阻值越小，其对应的曲线则越往原点靠拢。即说明在同一碳油厚度下，方阻越大，其所得到的电阻值越高，相反，得到的电阻值就越低。

从图2，Rp（W/□）曲线可以看出，影响碳油阻值大小的主要因素有以下几个方面：

（1）Rp（W/□）方阻值的大小；

（2）上述假设W＝T故还有一个隐藏的因素碳油有效长宽的设计；

（3）T碳油厚度。

图2 方阻曲线图

4 影响碳油阻值大小因素分析

4.1 Rp（Ω/□）：方阻值的大小选择

针对Rp（Ω/□）方阻值的大小跟进客户要求选择合适的阻值，并不是每种方阻的碳油都有生产，基本上现有的碳油只有一些标准的方阻，例如埃奇森（ACHESON）电阻碳浆方阻阻值有100 /（Ω/□）/ 25μm×(1±0.3)μm、1000 /（Ω/□）/ 25μm×(1±0.3)μm、10000 /（Ω/□）/ 25m×(1±0.3)μm等，跟进客户要求在上述阻值范围内可以直接选用单一组分的碳油，但是实际客户对电阻的要求可能会在两种标准电阻之间，如果跟进实际R＝Rp•L / (W•T)，在实际产品L、W、T基本固定的情况下，R有一定的范围，只能根据R的范围来选择Rp，例如L / (W•T)＝0.5，而客户要求R＝175 Ω ～ 325 Ω，那对Rp的选择就必须为400 Ω ～ 600 Ω范围内，而实际只有100 Ω和1000 Ω，针对这种情况就必须自己调整出方阻为400 Ω ～ 600 Ω的碳油，就需要用方阻为100 Ω和1000 Ω的混合调整出需要的方阻的碳油。

4.2 碳油有效长宽的设计

由于碳油本身很大一部分成份是树脂，而树脂本身脆性较大，在对于这样的产品碳油设计时，就需要加大碳桥与金属面的接触面积，尽量减小因为设计不合理导致加工困难，目前比较成熟的设计如图3所示：

图3 线路菲林的设计

图3为线路菲林的设计，实际设计根据产品碳油附件空间的大小尽可能设计大一点，这样可以防止由于丝印偏位导致W有效宽度变小或者L偏出导致碳阻开路，而丝印碳油方块的设计尽可能全部盖住整个“┣”型碳桥接触点及连接铜皮。而“L”及“W”的设计主要依据客户需要的阻值结合上面的欧姆定律R＝Rp•L / S计算出理论设计值。通常情况下“W”必须大于0.3 mm，否则会由于丝印渗油导致W变宽影响较大，如图4所示碳油设计，此类碳油桥的W有效宽度随着印板时渗油而改变。

图4 碳油设计

4.3 碳油厚度

影响碳油厚度的主要因素有两个方面：网版、印刷工艺参数。

4.3.1 网版

网版的影响又有丝网类型的选择、网目的选择、网浆厚度的选择，根据实际情况选择正确的网版，这样基本上就可以确定印刷碳油的体积。其中网目越小、网浆厚度越厚，丝印的碳油体积就越大，直接导致的就是碳油厚度越厚，碳油的电阻就越小，并且碳油越厚，烘烤的时候也越不容易烤干，所以选择合适的网版是影响碳油厚度的重要因素之一。

实际制作中一般会选择77-120T的尼龙网或者200T的钢网，网浆的厚度控制一般会选择15μm ～ 60μm的水菲林（水菲林可以控制整体厚度均匀一致，手动上网浆不易控制网浆厚度）。

4.3.2 印刷工艺参数

在实际生产过程中，除了网版之外印刷工艺参数的选择和确定也是影响碳油厚度的重要因素之一，例如：刮胶硬度、刮胶角度、刮胶的平整度、丝印压力、丝印速度、架网高度等，印刷工艺参数任何一个的改变都会对碳油厚度产生影响，在实际的工作中必须根据实际的产品类型特点以及阻值要求大小通过样品、小批量、大批量验证确定印刷工艺参数，并且形成明文的规范，在每次印刷时都要按照规范来调整印刷工艺参数，这样才能保证碳油产品的阻值稳定性。

其中半自动丝印机相对手动机来说可以更好的保持碳油体积的稳定性和一致性。因为机械印刷的工艺参数比手动操作更加容易规范和恒定而保持下墨量的均匀一致性，手动操作容易受主观因素影响下墨量的大小。

最后就是还有部分要注意的就是客户阻值要求严格的碳油产品不允许对碳油表面进行磨擦，碳油不允许裸露在空气中，要盖在阻焊下，并且印刷碳油之后的流程如果还有表面处理工序的话对碳油的阻值都会有一定的影响，这个就需要根据实际的产品的流程设计以及客户对产品阻值的要求来对碳油的设计或者是碳油的厚度进行调整，这部分涉及的方面就会更多，只能在实际的生产经验中进行总结。

4.4 小结

综上几点所述，可以使我们在制作碳油产品时碳油产品的阻值达到客户的要求，但并非只要做好上面几点就一定能得到合格的产品，因为我们每次制作碳油时总会有一些条件不会完全一致，例如过程中每次刮刀的平整度不一致，刮胶角度在一定范围内等等因素，所以每次批量生产前就需要先印刷少部分产品固化后按照一定比例测量碳油的阻值，每次批量板固化后也要抽检产品的阻值，例如一些公司生产的马达震动板部分公司会在电测之后增加一个电阻测试流程，这样才能保证出给客户的产品100%合格，总之要根据各自公司的实际情况进行不同的工艺参数调整和加强过程的监控，才能保证碳油阻值的稳定性，避免问题产品的产生和流通。