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1、第 8 期电子元件与材料Vol.22 No.8 2003 年 8 月ELECTRONIC COMPONENTS membrane switches ; PET film碳浆是一种新兴的添加型电子浆料。随着我国电 子技术的发展,研究和开发薄膜软性线路用的导电浆 料越来越引起国内电子浆料专家的极大关注。实际上, 日本及西方发达国家在过去的十多年里对碳浆有较深 入的研究并有产品以不同的商品名称应用于实际。由 于商业秘密,鲜见有碳浆研究方面的论文报道1。在 我国,碳浆尚处在空白阶段,而珠江三角洲有大量的 生产薄膜开关电子厂家,所需的电子浆料几乎都从国 外进口。因此,研究开发导电碳浆具有一定的理论和 实
2、际意义。导电碳浆中的导电载体为石墨和炭黑,由于炭黑 是非金属导体,难与空气中的氧等气体化合,从而有 效地保证了薄膜开关的可靠性和耐用性;石墨具有较 小的摩擦系数,是一种固体润滑剂,当其作用于开关 触点时,有利于触点闭合后迅速分离;石墨具有较高 的抗磨耗性,能提高开关触点耐磨性,保证了开关触 点能够承受数百万次的接触;致密的碳涂层能阻碍其 它金属离子的迁移,从而有效地保护了开关电性能的 稳定;当碳涂层作用于引线插口,可有利于引线与连线端子的插拔;另外,价格便宜,原料易得是导电碳 浆的最大优势。笔者对薄膜软性线路用的导电浆料的配方、导电 载体(石墨、炭黑)的分散、制浆工艺等进行了深入 的研究并建立
3、了一套薄膜软性线路用的导电浆料性能 测试方法。1实验1.1 主要实验仪器及原料 实验仪器:分析天平;搅拌机;三辊研磨机;丝 网印刷机;烘箱;高温高湿箱;螺旋测微器;万用表。 实验原料:导电炭黑,美国 Cabot 公司 XC72R; 石墨,宜昌市小溪塔恒塔石墨有限公司产鳞片状石墨, D50 为 78 m;溶剂;酯类;氯化聚乙酸乙烯酯树脂, 其氯含量分别为 61%,81%,86%,90%。 1.2 实验步骤收稿日期:2002-07-03修回日期:2002-10-23作者简介:贺平(1963),男,湖北仙桃人,副教授,博士,主要从事粉体基料电子材料研究。Tel:(027)87532752;E-mai
4、l: 。研研 究究 与与 试试 制制 R&D配方称量混合检测烘干丝印物料研磨36电 子 元 件 与 材 料2003 年1.3 性能测试 由于国内外目前尚无薄膜软性线路用的导电浆料 的性能检测标准,笔者建立的检测方法是将经三辊研 磨机研磨分散好的碳浆调整粘度,在聚酯基材(PET) 上用丝网印刷机按工艺要求印刷成不同形状、不同宽 窄的导电线路,再对其性能进行测试。1.3.1碳线路同聚酯基材(PET)的附着力 将丝印好的不同形状、不同宽窄的导电线路烘干后,用 3M 600 透明胶带粘贴上去,静置 1 min 以上, 沿 PET 面 90方向迅速剥离,胶带上基本无碳粒,且 线路电阻上升小于 30%者被
5、认为是合格产品。 1.3.2线路防划伤性 丝印好的碳线路经烘干处理,用 4H 铅笔多次往 复划动,线路电阻基本无变化者被认为是合格产品。 1.3.3线路耐折性 将薄膜线路正反对折,分别用 1 kg 重物体静置折 痕处各 15 min。碳线路电阻变化小于 10%被认为是合 格产品。1.3.4碳线路电阻 碳线路的电阻值大小一般使用方阻表示,该值与印刷厚度有关与线路的粗细无关。按行业习惯,方阻 系碳膜厚度在 25 m 时,碳线路表面划出边长 1 cm 的正方形,四边电阻值的平均值,用 /表示。方阻 为 20 /者被认为是合格产品。 1.3.5耐老化性 耐老化性的测试常用两种方法。一是高温、高湿破坏实
6、验,目前大多数台湾厂家测试使用条件是 60 、 RH90%下 500 h,上述 各项性能满足。另一种方法是 2080 进行 10 次热冲击后,上述各项性能满足者被 认为是合格产品。1.3.6浆料存放的稳定性 一般情况下,电子浆料存放在 10 以下的环境中 可以延长使用寿命。稳定性合乎要求是指刚配制出的 浆料在室温下存放一个月后其粘度,电阻变化在 10% 以内,且其它性能不变。 1.3.7线条分辨率高 线条的分辨率直接反映出浆料的流平性及导电载 体的粒径大小。大粒子导电载体无法印刷出精细线条, 但粒子过小,会引起电阻上升。 1.3.8使用方便 印刷阻力小,连续印刷不干网,膜厚度变化小, 气味无刺
7、激,印刷线条平滑饱满,无毛刺,无断线。 一般而论,现在市售的导电浆料由四部分组成: 导电载体:导电载体首先要求自身导电性能优 良,化学稳定性好,不易因环境中活泼气体如 H2O,O2,H2S,H2 等的存在而降低或失去导电性;原料来 源丰富;同时为满足最佳堆积状态,达到低电阻目的, 要求导电载体的形状、粒径及粒度分布符合具体要求。 胶粘剂:胶粘剂同基材 PET 的附着力优良是至 关重要的,同时胶粘剂树脂的柔韧性也应考虑;胶粘 剂的耐候性,特别是高温高湿性也应充分注意。溶剂:沸点是反映溶剂挥发难易的最直接参数, 在丝网印刷中一般选择沸点是 180220 的溶剂才能 保证浆料连续使用不干网,并且膜厚
8、基本保持一致, 同时烘干容易。有毒溶剂的使用直接影响操作人员的 身体健康,选择无毒溶剂是电子浆料配制中必须首先 考虑的。溶剂对树脂的溶解性要适当,溶解性过好, 整个浆料粘度低,印刷难度大。 助剂:因导电载体大多使用微粉,助剂帮助其 均匀地分散,并防止再团聚,因而必须选择合适的分 散剂即助剂;气泡是制浆过程中经常产生的,若不能 有效地清除,在丝网印刷中会使导电线条产生毛刺, 甚至断线。以上四部分原料的相互性能影响直接反映在浆料 的整体性能上,掌握好其中的平衡直接反映出浆料配方 工作者的技术水平。所以,全部原料的选择不是孤立的, 应在大量实验的基础上加以筛选,同时任何配方也不是 最理想的,都有改善
9、的空间。导电载体粒径大小,粒度 分布随使用树脂不同,堆积密实程度不同直接反映出电 阻值不同。溶剂因对树脂溶解性不同,对导电载体表面 润湿程度不同也直接影响电阻值。所以各组分原料相互 影响从而决定了浆料配制的复杂性。 1.4 标准线路网版 采用深圳市宫岛电子材料有限公司的标准线路 网板印成线路,直接测试各种性能。2实验结果及分析基于薄膜开关用导电碳浆的配方原则及产品性能 要求,我们安排了以下实验,各种物料均按质量比计 量。树脂粒度为 50 000 cps(25)。2.1 树脂柔韧性对浆料性能的影响 选择美国杜邦公司生产的各种氯含量的氯化聚乙 酸乙烯酯。导电载体使用鳞片状石墨及导电炭黑的混 合物(
10、m(石墨) : m(炭黑)=1:1),作成各种相应浆料,丝网印 成线路,实验数据见表 1。表 1 树脂软硬度对浆料性能的影响 Tab.1 The influence of the resin s hardness on the paste s property 不同含氯量 的树脂不同线宽电阻值 / k(线长=100 cm,膜厚=1012 m) 0.8 mm0.6 mm0.5 mm0.4 mm0.3 mm 8167729095102 905867788589 865870809099 6170759294107第 8 期贺平等:薄膜开关用导电碳浆的研究37由表 1 可以看出,当含氯量为 90时不
11、同线宽的 电阻值最小。2.2 导电载体石墨与炭黑配比的选择 在 2.1 中已确定最佳树脂为 90%氯含量的聚乙酸 乙烯酯。导电载体中石墨同炭黑的比例直接影响浆料 的导电性,变换导电载体(m(石墨) : m(炭黑)的比值,测得 实验数据见表 2。由此可以看出,当石墨与炭黑的质 量比(m(石墨) : m(炭黑)=6:4 时不同线宽的电阻值最小。表 2 石墨与炭黑配比的选择 Tab.2 The choice of the graphite and carbon s proportion显然,轧浆次数为 4 次时,不同线宽的电阻值达 或接近最小值。2.6 耐老化性能测试 将笔者配制的浆料和 CH1 型
12、浆料同时丝印成 相同线路。烘干后放入高温高湿箱中(60 ,RH60, 100 h)全面测试其性能后发现,CH1 型方阻上升 20%,为 14.5 /,而笔者的样品基本无变化,为 12 /。这表明笔者所用胶粘剂优于 CH1 型。 2.7 实验数据比较 笔者配制的浆料和十条化工株式会社产 CH1 型浆料同时丝印成相同线路,比较其电性能,实验数 据列于表 5。2.3 导电载体同胶粘剂树脂的比例 过多的树脂和较少的导电载体将得不到低电阻的 浆料。反之,线路的附着力不够。在以上 2.1 和 2.2 节的基础上,笔者测试了不同载体同树脂比例 Z,测 得实验数据如表 3 所示。由此数据可以得到如下的结 论,
13、当 Z 值为 3 时不同线宽的电阻值最小。表 3 树脂与导电载体配比的选择 Tab.3 The choice of the resin and conductive carrier s proportion 不同线宽电阻值 / k (线长=100 cm,膜厚=1012 m)Z0.8 mm0.6 mm0.5 mm0.4 mm0.3 mm 2.04749586180 2.54244526571 3.03941486065 3.54143506470 2.4 分散剂对导电性的提高 使用笔者自制的分散剂加入到上述碳浆中,配成的 导电碳浆方阻为 12 /,降幅在 100%左右,达到日本 十条化工株式会社
14、产 CH1 型浆料水平(方阻 12 /)。 2.5 工艺过程对浆料性能的影响 工艺过程主要是指三辊研磨机的轧浆次数。轧浆 次数过少,分散不均匀;轧浆次数过多,石墨粒子被 大量破碎,整体颗粒度变小,电阻反而上升。在选择 好配方后,进行了轧浆次数同电阻大小关系的测试, 实验数据列于表 4。表 4 工艺过程对浆料性能的影响 Tab.4 The influence of the processes for the quality of the paste表 5 实验数据比较 Tab.5 The comparison of the experimental data 不同线宽电阻值 / k(线长=100
15、 cm,膜厚=1012 m)浆料种类0.8 mm0.6 mm0.5 mm0.4 mm0.3 mm CH1 型4041485965 本文浆料3940476065 由表 5 可看出,所配制的浆料的电阻值与 CH1 型的基本相同;耐老化性能好,且优于日本产 CH1 型。可见,本浆料性能已达到和超过 CH1 型。目前, 薄膜开关用导电碳浆 90%以上市场被日本十条化工株 式会社 CH1 型所占有,达到甚至超越其性能有着特 殊的意义。3结论本研究中所制得的导电碳浆同日本十条化工株式 会社产 CH1 型相比,电阻值基本相同,其它性能也 已达到相应要求。取得如下结果: (1)完成了用于软性线路导电浆料中胶粘剂的开 发。 (2) 在本体系条件下, 找到导电载体的最佳用量 比例为(m(石墨) : m(炭黑) = 6:4,树脂与导电载体的最佳质 量比为 1:3。 (3)轧浆次数直接反应浆料的混合程度,从实验 中得知最佳轧浆次数为 4 次。轧浆次数过少,物料混 合不均匀;轧浆次数过多,会破坏石墨粒径,电阻反 而上升。(4)同体系相匹配的分散剂的加入,能调整导电 网络结构,使电阻大幅下降。本研究中所制的分散剂 能使电阻率降幅达 100%。参