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精確阻值的導電碳油板製作工藝研究

分類:
技術交流
作者:
AG亚游集团科技
2018/09/20 16:36

現有導電碳油製板工藝難以精確控製阻值,如今已被新的埋阻技術所取代,然而較低的製作成本使得導電碳油板仍存在一定的市場發展空間。本文通過對導電碳油板的阻值變動趨勢進行分析,提出對阻焊製作和回流焊處理的工藝流程改進,從而穩定阻值的變化幅度,提升了產品的阻值製作精度和成品良率。

 


 

隨著PCB及其元器件貼裝朝短小輕薄的方向發展,越來越多廠商參與進元器件與PCB一體化製作的開發浪潮中,其中導電碳油印製板便是比較早的一體化產品之一。在PCB工作環境和阻值精度要求不高的情況下,導電碳油板的生產和應用十分廣泛。然而導電碳油印製技術已被有著更高阻值精度的材料和技術取代,日漸淡出人們的視線。即便如此,由於導電碳油板的製程工藝相對簡單,且加工成本較低,如果能對導電碳油板的製程工藝進行優化,使其阻值受控精度和成品良率提升,產品仍具有很廣的市場空間。

 

 

 

導電碳油板的製作與阻值關係

 

 

 

導電碳油在固化後可以形成有阻值的導體,具體應用可作為PCB上的電阻或者導線,從而形成具有固定阻值的電路。導電碳油的印製過程大致與字符印刷相同,先備好有圖形遮蔽的鋼網,再進行碳油印刷,最後完成烘烤固化。

 

通常阻值R與導體的電阻率ρ、截麵積S和長度L有關,其關係表示為R=ρL/S。但是為了便於導電碳油的阻值計算與控製,業界通常用以方阻α、線路端點間距L和碳油印刷寬度W(如圖1所示)表示阻值為R=αL/W。

 

 

圖1碳油阻值設計示意圖

 

方阻α即L與W相等時的阻值,與電阻率ρ和碳油印刷厚度有關。在碳油印刷均勻分布的情況下,可以認為同一批次碳油印刷的方阻α是不變的。因此阻值設計往往是通過製作產品首件確定現有製程條件下的方阻α後,再根據阻值的需要最終確定碳油設計尺寸L與W。

 

正式投產前,AG亚游集团往往會做首件確定初步圖形設計的最終阻值,以此逆推方阻α,再確定文件的設計。但實際上生產過程中導電碳油的阻值會不斷發生變化,最終阻值並不如預期般穩定可控。AG亚游集团在製板過程中詳細記錄了每個工序後的阻值情況,總結出阻值的變化趨勢如下圖2所示。

 

 

圖2導電碳油板生產過程的阻值變化趨勢

 

由上圖2可知,在導電碳油板的生產過程中,阻值經過碳油固化後開始穩定,但仍不是最終值。經過阻焊製作後,阻值上升,回流焊處理後阻值輕微下降,成為產品最終的固化值。可見導電碳油產品經過完整生產流程後的阻值並非一成不變,特別是阻焊製作和回流焊對最終阻值的影響極大,這也是常規加工方式下導電碳油阻值不受控的最重要原因,從而導致了導電碳油PCB產品的阻值精度普遍不高。

 

從前麵的導電碳油阻值變化趨勢圖來看,AG亚游集团已經得知阻焊製作和回流焊這兩個工序都對導電碳油阻值有很大的影響,接下來需要對這些影響因素進行分析,並提出相應控製對策。

 

 

 

導電碳油阻值變化的誘因分析與控製對策

 

 

 

一、阻焊對碳油阻值的影響與控製對策

 

對於碳油阻值而言,其阻值改變的原因無外乎兩個,一個是碳油本身未完全固化,二是碳油變質或被摻雜了其它成分,顯然阻焊製作對碳油的作用屬於後者。

 

阻焊印刷通常用感光油墨,並添加稀釋劑、硬化劑等,以便於更好下油、預烤、曝光、顯影和後固化。然而考慮到其中稀釋劑的添加會增強阻焊油墨的流動性,因此阻焊油墨流動性的增強也使得阻焊油墨更容易滲透進導電碳油內部[1]。由於阻焊油墨為絕緣材料,摻雜了絕緣材料的導電碳油阻值則會上升。

 

盡管阻值上升看起來似乎不可避免,但實際的測量結果卻更糟糕,阻值的上升並不呈規律性,幅度忽大忽小難以受控,如下圖3所示為常規阻焊製作後的阻值變化情況。

 

 

圖3常規阻焊製作後的阻值變化

 

既然阻焊製作使阻值變化的原因是阻焊油墨滲透入碳油層,那麽為了使阻焊印刷後的導電碳油阻值受控,AG亚游集团做了以下幾個嚐試:

(1) 盡可能少用稀釋劑或不使用稀釋劑進行阻焊印刷,以降低阻焊油墨的滲透率。

(2) 對阻焊印刷完成後的靜置時間嚴格控製,在PCB印刷完成後3分鍾內進行預烤,確保阻焊油墨及時烘幹,從而阻礙油墨過度滲透進碳油層[1]

 

通過以上方式的優化阻焊製作工藝,再進行試板製作,從多組對比試驗的結果來看,阻焊製作後碳油的阻值不再呈現大幅度飆升,其上升值控製在一定的範圍,且穩定程度大大提升,如下圖4所示。

 

 

圖4 阻焊製作工藝優化後的阻值變化

 

可見管控阻焊對碳油阻值影響的關鍵在於阻焊油墨的流動性,通過控製稀釋劑濃度和烘烤時間能很好地降低阻焊油墨對導電碳油的滲透,從而使阻值浮動控製在較小的範圍內。

 

二、回流焊對碳油阻值的影響與控製對策

 

上文已述導電碳油阻值改變的原因往往是碳油未完全固化,或是碳油變質或被摻雜異物。經過回流焊處理後的導電碳油板,其阻值呈下降趨勢,顯然導致這種現象的原因有可能是碳油未完全固化。

 

由於完全固化後的碳油阻值通常比較穩定,因此阻值在回流焊後大幅度變化,表明碳油烘烤固化過程中未能完全固化,於是AG亚游集团嚐試驗證多組導電碳油固化條件的回流焊處理結果,如下圖5所示。

  

(a)180度到溫烘烤1小時 

 

(b)180度到溫烘烤4小時

(c)兩次180度到溫烘烤1小時

圖5各組固化條件下回流焊處理的結果對比

 

可見導電碳油在默認溫度下多次長時間烘烤,其阻值在回流焊處理後仍出現了明顯的下降。圖5呈現的另一個重要信息是回流焊處理後阻值都幾乎穩定在某個值附近,且浮動範圍極小,該值正是AG亚游集团所需要的最終固化阻值。於是AG亚游集团嚐試在常規碳油固化工序後再添加回流焊處理,以期完成阻值的完全固化。

 

先對常規碳油固化後的PCB進行常規無鉛回流焊處理,再采用上述優化後的阻焊工藝製作阻焊層,阻焊固化後再做回流焊,其試驗結果如下圖6所示。

 

 

圖6采用回流焊處理固化碳油阻值的測試結果

 

可見經過回流焊處理後,完成阻焊層覆蓋後的導電碳油再進行回流焊處理,其阻值變化幅度已經非常小,這也表明碳油阻值的受控程度再次得到提升。

 

 

 

精確阻值導電碳油板的過程控製

 

 

 

經過工藝流程優化,導電碳油的阻值受控程度大大提升,其製板過程的阻值變化趨勢已成下圖7所示。

 

 

圖7工藝流程優化後的導電碳油板生產過程阻值變化趨勢

 

優化後的流程,在碳油烘烤後加入回流焊處理,使碳油阻值完全固化,再嚴格控製阻焊油墨的流動性,使得阻焊後碳油阻值上升穩定在某個可控的小範圍內。後續即便裝配元器件通過回流焊等,碳油的阻值也不會再出現明顯的變化。

 

得到穩定受控的最終阻值,便可以準確逆推當前導電碳油的方阻,從而確定碳油的設計尺寸,完善工程資料,以進行正式投產,如下圖8所示為導電碳油板從設計到正式投產的簡要流程。

 

 

圖8導電碳油板試板至正式投產簡要流程

 

如下圖9和圖10所示是一些成功運用了上述製程的成品以及產品良率的提升情況

 

 

圖9導電碳油成品

 

 

 圖10製程改善後±10%阻值精度的良率提升情況

 

通過對導電碳油板阻值變動的誘因分析,AG亚游集团提出相應的控製對策並對工藝製程進行優化,使得導電碳油板的阻值得到了控製,其阻值精度和成品良率也得到了提升。

 

盡管導電碳油印製技術並非當前最優的埋阻板製作方案,但適當的流程優化能提升現有導電碳油印製技術的阻值精度和良率,使得導電碳油印製PCB依然能夠滿足與當前新材料埋阻產品相仿的功能需求。

 

 

參考文獻

[1] 葉洪勳.碳質導電印料及其網印碳膜阻值質量控製[J].印製電路信息,2001,7.

 

作者

吳軍權  衛雄  林映生  陳春

 

本文首發於《印製電路信息》 2016年 第24卷  總第280期

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