氧气传感器加热器制备工艺研究

2022-02-13张志强黄林然赵振平鲁耀李哲辉

传感器世界 2022年11期

张志强黄林然赵振平鲁耀李哲辉

1.航空工业上海航空测控技术研究所，上海 201601；2.故障诊断与健康管理技术航空科技重点实验室，上海 201601

0 前言

由于氧化锆陶瓷导电性能要求，氧气传感器的工作温度普遍在700 ℃以上，因此，较高的工作温度以及快速热响应是对加热器的较大考验。陶瓷包覆铂加热器是传感器高温解决方案之一，利用丝网印刷的方法，先在氧化锆生坯表面印刷氧化铝绝缘层，然后在绝缘层表面印刷加热器，对于一体化陶瓷加热器，其方阻值不同于纯金属铂方阻值，加热器质量与印刷浆料、陶瓷收缩及丝网印刷参数均密切相关。丝网印刷是将高分散性金属粉末溶入一定量的有机溶剂中制备成金属浆料，然后在刮刀剪切力的作用下使浆料透过丝网板，在基底上形成特定图案的高精度膜层的印刷工艺[1]，如图1 所示。由于其适应性较好，印刷层厚度均匀，且调节范围广，可在不同材质表面印制各种形态的图案等优点，是片式多层陶瓷加热器制备过程的关键工艺环节[2]。丝网印刷的目的是使浆料转移到承印物上，并由浆料层精确地再现原稿。因此对浆料层厚度的精确控制可大大提高印刷质量，特别是在印刷电路板、厚膜集成电路、多层陶瓷元器件等时，精确的浆料层厚度控制是提供电子元器件可靠电性指标参数的保证[3]。国内外研究学者对此开展了大量研究，LEE J W 等人[4]发现，印刷速度、印刷压力、网孔大小以及稀释剂都会影响印刷效果和浆料转移率；倪文虎[5]研究了印刷过程中浆料压强随刮刀刃口的距离的变化规律；杨建友[6]研究了丝网回弹力、网距、网框变形和丝网印刷机等因素对印刷压力均匀性的影响规律；唐利锋等人[7]从网版和印刷工艺参数两方面分析了影响浆料层厚度及印刷质量的因素；刘世朴等人[8]采用静态描述法建立了浆料向网孔中填墨、浆料从网孔向承印物转移，以及浆料在承印物上的流平铺展的物理模型，探究了网版参数、印刷工艺和浆料粘度对丝网印刷过程的影响规律。

丝网印刷下浆料量对印刷铂电阻层厚度有直接影响，进而影响加热器电阻值；同时，不合理的印刷参数容易导致印刷渗料、印刷粘版等不良现象，将严重影响具有精细花样的加热器制备丝网印刷工艺；丝网目数、掩膜厚度等丝网参数以及印刷次数、刮刀压力等参数是影响下浆料量的重要因素。本项目通过系统考察上述因素对印刷下浆料量影响，实现加热器电阻值的控制及稳定制备。

1 试验

丝网印刷机采用Hotshine 自动印刷机，印刷浆料采用氧化铝-碳复合浆料，固含量60 wt%，浆料粘度62 Pa·s。印刷基材为75 μm 厚的PET 膜，每次试验印刷3 片并记录其重量的平均值。印刷前后PET 膜的重量变化即为印刷下浆料量，也可称为印刷湿重；将印刷后的PET 膜放置在80 ℃烘箱烘干20 分钟，烘干后重量与印刷前PET 膜重量的差值称为印刷干重。所有印刷重量按照50 cm2印刷面积进行归一化处理。印刷铂浆采用贵研铂业铂浆Pt-7852，印刷基底采用自制氧化锆生坯，生坯厚度约180 μm，印刷后的氧化锆生坯经1,450 ℃烧结2 小时，烧结收缩约20%。

整个试验过程中，刮刀角度固定为30°，刮刀下降行程固定为20 mm，网间距固定为1.5 mm。当采用不同丝网参数印刷时，印刷压力固定为2 MPa，印刷次数为1 次。所有印刷均在网板润湿条件下进行，丝网印刷网版共10 张，试验参数见表1。当采用不同印刷参数印刷时，网板目数为165 目，掩膜厚度40 μm。

表1 试验用丝网与网版参数表

2 结果与讨论

2.1 丝网参数对印刷下浆料量的影响

2.1.1 丝网目数的影响

印刷下浆料量与丝网参数的关系可按如下方法计算：假设一个丝网孔产生一个料柱，理论上料柱高度等于丝网厚度Ft，如图2 所示，但实际浆料层厚度小于料柱的高度，这是因为浆料转移到承印物上时，承印物对浆料的吸收与浆料的流动同时发生，这个过程持续至浆料形成失去流动性的胶体为止。对此，取单位面积内这些料柱的总和即为印刷下浆料量，当浆料在该面积上均匀分布时，理论印刷下浆料量Iq可按式（1）计算：

其中，Ft表示丝网厚度；Da表示孔径；Df表示丝径；表示开口率。

固定印刷参数，利用掩膜厚度相同，但丝网目数不同的丝网1、丝网2、丝网3 进行对比试验，丝网参数如表2 所示，其中开口率和理论下浆料量按式计算。将印刷前后的湿重、干重和理论下浆料量的值绘制于图3，可以看出，在掩膜厚度为50 μm、最小线宽 600 mm 的大面积印刷条件下，各丝网印刷干重与印刷湿重比值集中于71%～73%，且印刷湿重、干重随丝网目数的变化趋势与理论下浆料量一致。根据这一试验结果，结合单个网板实际下浆料量数据，可预测不同目数丝网的印刷下浆料量。

表2 丝网参数

2.1.2 掩膜版厚度的影响

在一定的条件下，掩膜版的厚度会影响浆料层厚度，也是影响印刷质量的重要因素。如图4 所示，在印刷过程中，掩膜版与承印物直接接触，当掩膜版太薄时，其底面会随着丝网起伏，导致印刷时不能与承印物表面紧密贴合，造成图形边缘渗墨；当掩膜版太厚时，通过网孔的浆料量过多，容易引起间隙小的图形间粘连[9]。

固定印刷参数，利用丝网目数和印刷图案相同，将掩膜厚度不同的丝网2、丝网4 以及丝网5、丝网6进行对比试验，印刷前后湿重、干重值如图5、图6 所示，可以看出，针对丝网2 和丝网4，尽管掩膜厚度差距高达150 μm，但二者印刷湿重和印刷干重值相同，分别为0.3 g 和0.23 g，说明大面积印刷图案中印刷下浆料量与掩膜厚度无关；而丝网5 和丝网6，掩膜厚度仅相差10 μm，但前者印刷湿重和印刷干重分别为0.38 g 和0.28 g，后者印刷湿重和印刷干重分别为0.44 g 和0.33 g，印刷湿重和印刷干重相差达到16%及18%，说明精细图案印刷时，掩膜厚度对印刷下浆料量有很大影响。

2.1.3 线宽对下浆料量影响

固定印刷参数，在氧化锆基片上印刷铂浆，烧结后测量印刷线条的阻值，可精确反映印刷线条的厚度。对于丝网7、丝网8、丝网9，其窄线条线宽、线长、阻值以及宽线条线宽、线长、阻值如表3 所示，根据上述数值计算的各丝网印刷厚度也列于表3 中。丝网8 中掩膜厚度为30 μm，同样宽度线条，印刷下浆料量却相差约30%，说明线宽对印刷下浆料量有较大影响，其影响主要来自于窄线宽线条。由于较多的浆料粘连在掩膜边缘，脱网过程中，更多的浆料被带离丝网，使得窄线宽线条的印刷量较少。基于此，当减小掩膜厚度至接近印刷厚度，或者线宽取大于3 倍最小线宽，印刷下浆料量即不随线宽发生变化。丝网7 掩膜厚度为8 μm，其0.2 mm 和0.5 mm 线宽的印刷厚度几乎一致；丝网9 掩膜厚度与丝网8 同样为30 μm，但线条宽度增加至0.5 mm 和1.1 mm，二者印刷下浆料量几乎一致。上述试验说明，在掩膜版厚度较低以及线宽较大条件下，印刷下浆料量与线宽无关。

表3 试验丝网线条参数

2.2 刮刀工艺参数对印刷下浆料量的影响

如图1 所示，在印刷时，刮刀前端接触在网版上并与之形成一定角度，同时施加压力并移动，使网框内的浆料透过网孔转移到承印物上，因此，刮刀与印刷下浆料量关系密切，刮刀工艺参数设置合理才能进行稳定的印刷，进而保证浆料层厚度的精确控制。

2.2.1 刮刀压力的影响

固定印刷网板及其他印刷参数，分别调节刮刀压力为1 MPa、2 MPa、3 MPa，在塑料底模上进行印刷，各丝网印刷湿重情况如图7 所示，结果表明，刮刀压力对印刷下浆料量有显著影响。在印刷网版和其他印刷参数不变的情况下，印刷下浆料量随刮刀压力增大而增加，而且值得注意的是，刮刀压力较大时，印刷湿重离散性较小，即印刷工艺一致性较好。因此，印刷过程中，应适当提高刮刀压力，在增加印刷下浆料量的同时可以提高印刷一致性和稳定性。

2.2.2 刮刀行程的影响

固定印刷网板及其他印刷参数，调节刮刀行程分别为16 mm、16.5 mm、17 mm、17.5 mm、18 mm，在塑料底膜上进行印刷，各丝网印刷湿重情况如图8 所示。结果表明，刮刀行程为16 mm 时，印刷下浆料量显著高于其余刮刀行程；而当刮刀行程增大至16.5～18 mm 时，印刷下浆料量稳定于0.18～0.19 g，但刮刀行程过大，易发生印刷渗墨现象，因此，最佳刮刀行程为17～17.5 mm。