碳质导电印料和碳膜印制板

碳质导电印料和碳膜印制板摘要:碳膜印制板价格低廉、质量稳定，尤其适用于带有按键功能的电子产品。系统介绍了碳质导电印料的特性、生产操作工艺和应用范围以及碳膜印制板的性能、简要的制造工艺。关键词:碳质导电印料碳膜印制板丝网印刷碳膜印制板是导电胶印制板中的一种，它始于日本、70年代发展到西欧和我国台湾、香港，80年代中叶引进大陆。碳膜印制板是采用碳质导电印料涂覆在基体上经固化形成碳质导电图形的印制板，简称碳膜板。碳膜印制板以低廉的价格、稳定的质量以及具有双面板相应的性能和特点代替部分单、双面印制板，尤其适用于带有按键功能的电子产品而倍受行家的青睐，在电视机遥控器、计算机键盘、电子琴、学习机、计算器、电话机等视频、音频类廉价的电子产品中得到广泛的应用。碳质导电印料即碳浆是液态浆状、单组分热固化类印料。它主要由精选的碳粉和高品质的石墨等导电填充料、环氧树脂、固化剂、助剂和溶剂混合组成，除具有通常印料的良好印刷适性外，同时导电性能也很快、是一种功能性印料。1．特性碳质导电印料为单组分系统，处理方便，无需混合，无聚酯化而导致粘度升高现象，印料触变性高、解像力好，而且挠性高，在挠性基材上附着性能亦很好，同时性能稳定，经热风整平及锡铅焊料的浸焊后电阻值无变化。当需要不同的电阻值时可加入其它印料来调节改变其成膜阻值。如需要更高的阻值时，可在碳质导电印料中加入相同系列的绝缘印料(SD2081AIL)，其方阻值则会增加，由于混合比例不受限制，放混合比例不同可得到不同的阻值如需要较低的电阻值，可在碳质导电印料中加入铜质或银质导电印料，当碳质导电印料加入其它种类印料时，必须充分搅拌混合均匀，否则会造成阻值不均匀现象，在使用前一定要进行试验以确定所需要的阻值。2．操作工艺碳质导电印料采用丝网印刷方式进行操作，适用于手工机台、半自动和全自动丝网印刷机。建议使用43-57T(目／cm)的聚酯丝网或相应的不锈钢丝网，网版张力至少要达到18N／cm，对套准精度高的带有按键键盘的印制板应使用可调式自绷网框，微调张力以利于对位精确、消除偏差。感光乳剂膜层厚度采用25μm，这样网印印料烘干后才有足够厚度的涂布层25μm，才能保证其电阻值。网印刮板用聚氨酯橡胶，75～80邵氏硬度，刮印角度为70～80°。碳质导电印料在使用前必须充分搅拌，因为碳粉比重较大，在贮存时会产生部分沉淀，同时与通常的线路印料相比它有较高的触变性，油墨搅拌后触变性降低、从而获得所需的处理粘度，在印刷中断或贮存过程中印料的触变性将会再次增大，也会导致其粘度增加。通常，碳质导电印料是一种标准化的印料，其触变性与粘度均能满足正常的印刷条件和操作要求。一般来说不需添加稀释剂与溶剂，如果需降低粘度则需添加配套的活性稀释剂，但添加以后会减薄其膜层厚度，从而增大阻值，因此要控制添加量。对承印印制板的钢箔必须处理得清洁干净，不应有氧化膜和油污，否则会影响附着力和方阻值。印料的干燥固化可以采用间断式热风循环烘箱或连续式隧道烘炉进行。如采用热风循环烘箱，固化条件为150℃、50min。当印制板达到固化温度后再开始计时，烘干条件的控制对碳质导电印料的方阻值的影响颇大，如果烘干温度不够或时间过短，其方阻值则会变大、达不到工艺要求的阻值。当碳质导电印料套印在热固型双阻分绝缘印料上时，必须确保绝缘印料完全固化后才能套印，否则会导致碳质导电印料的方阻值增大，因为这两种印料会相互渗透混合。同时，当热固性印料如双组分阻焊印料套印在碳质导电印料上时，如碳质导电印料固化不彻底，同样会出现上述问题。因此建议使用不同类型的印料如紫外光固化印料进行套印，套印后方即进行紫外光固化工序，以防止油墨成分互相渗入对方引起电阻值变化。而当碳质导电印料作为防漏保护时，网印时必须使其完全覆盖银质导电印料层。通常碳质导电印料的标准包装为0．5kg，应在阴凉干燥处贮存，未启封的印料在20℃的环境条件下至少可以保存3个月以上，高于贮存温度会影响印料的稳定性和工艺操作性。建议贮存于冷藏设备国中。3．应用范围碳质导电印料由于有独特的功能和优点，机械强度高、耐磨损、导电性能好。所以可以代替插头或键盘上的电镀镍金而使用在机电键盘，计算机键盘，开关插头，单、双面印制板按键盘中；还可以作为跨接导线以及印刷电阻使用在低压电器或加热元件中；由于挠性好、在挠性基材上附着力很佳，故在挠件印制板和PET聚酯薄膜等开关电路中印制导电图形；还可以作为银质导电印料的保护层使用在遮盖区域以及品片的粘结印刷。另外还可作为印制板的贯孔印料使用，联结双面板的导通孔，也可作为某些高阻导线的缺口和断线修补之用。碳膜印制板具有碳膜导电图形层的印制板称为碳膜印制板。碳膜印制板适用于小功率、低功耗、高输入阻抗的电子产品。以其生产成本较双面板、镀镍金单向板低且性能可靠而体现出独有的优越件。1．碳膜印制板的特点碳膜印制板具有以下众多的特点。(1)碳膜印制板按键膜层的铅笔硬度大于5H，机械强度高，耐磨损，使用寿命大于100万次，最高次数达2500万次，远远高于其使用设备的平均寿命。(2)由于碳元素化学性质稳定，故三防(防霉、防氧化、防盐雾)性能好。(3)碳膜涂层能抗酸、抗碱、耐盐以及有机溶剂如三氯乙烯、乙醇等的侵蚀。(4)单面印制板上可设置两层或两层以上的线路，替代部分双面板。(5)有些电阻直接印刷在线路或板面上可减少空间位置和板面尺寸，减少焊接点，提高产品的抗拉、抗震和抗冲击能力，从而提高整机的可靠性。(6)碳膜印制板还可以排除因双面金属化孔和电镀工序所引起大量的环境污染和废水处理问题。(7)价格低廉，生产成本为双面板的30％～60％，因而在市场上有较大的竞争力。但是碳膜印制板也有其局限性，目前还不能涉及细线条和小孔径及其它高精度的印制板领域；还容易受加工工艺、加工技术、生产环境(特别是霉雨、潮湿气候)等因素的制约，另外，因碳膜层不能焊接，所以在组装工艺上也受到限制与影响。碳膜印制板虽不属高精度产品，但生产工艺却较为繁杂，目前国内尚无较先进的全自动生产线，生产流程偏长而且工艺过程控制必须相对严格才能保证产品质量。所以它既有较高的加工难度且产品的附加值又颇偏低，这些情况都制约了它的发展和进一步的技术开发，这对碳膜印制板的发展是不利的。2．碳膜印制板的技术条件碳膜印制板的技术条件下。(1)外观碳膜图形应平整致密，厚度均匀、导线图形无明显偏移。(2)电气性能碳膜导线间绝缘电阻应不小于1×1010Ω；层间绝缘电阻应不小于l×1010Ω；碳膜方电阻值不大于60Ω／□；接触电阻应不大于100Ω／点。(3)涂层硬度碳膜涂层的铅笔硬度应不低于4H。(4)涂层附着力经透明3M压敏胶带在同一位置三次粘拉后，碳膜涂层应无块状脱落。(5)耐溶剂性当样分别用含氯量≤0．2％活性焊剂和规定溶剂试验时，碳膜层应无起泡、分层、溶解、明显变色等异常现象。(6)耐磨性碳膜经50万按压后，其电阻值变化不大于初值的10％。(7)阻燃性碳膜板的阻燃性应不低于覆箔板基材的阻燃等级。(8)气候环境适应性温度变化：碳膜板分别经高温40℃、低温－10℃温度下暴露3h并经5次循环试验，方阻变化应不大于初始值10％。(9)恒温恒湿碳膜板按表2试验条件并在常温下恢复2h后，其绝缘电阻不小于l×108Ω、方阻变化不大于10％。3．制造工艺目前碳膜印制板的主要品种有碳膜按键印制板和单面双层碳膜板。(1)碳膜按键印制板碳膜按键印制板是在原印制板按键部分套印导电碳质印料按键图形以替代按键部分的电镀镍金层。它的简要制造工艺流程如下：印制图形制作→印刷阻焊印料→按键部分印制碳质导电印料碳质按键印制板制造工艺流程虽然简单，但它的难度是碳膜层套印的精度要求高，尤其是在细导线／间距的按键盘的套印中碳膜图形与底层铜箔按键图形对位要求精确、不能有偏移，要全部覆盖到。如果位置偏移、套印不淮就会产生间距变小、绝缘性能降低以及产生短路现象；同时由于偏移底部铜箔没有完全被碳膜覆盖而暴露。极易使表面氧化而产生电阻增大或接触不良的情况。(2)单面双层印制板单面双层印制板的特征是在单面印制板铜导线电路表面上形成一层绝缘层，然后再在绝缘层表面再印刷碳膜层，形成跨线或架桥的导电图形。其制造工艺流程如下：印刷线路图形制作→印刷阻焊剂→印刷绝缘底层→印刷导电碳膜单面双层印制板的导电图形、阻焊剂、基底绝缘层，碳膜导电层都可以用丝网印刷制作而且必须采用热固化或紫外光(UV)固化印料，因此一般采用高尺寸稳定性、低翘曲度且价格相对较低的耐热性纸质酚醛树脂覆铜箔板，而制程中的工艺控制对于碳膜跨线印制板的品质可靠性是至关重要的。就工艺控制而言，印刷阻焊印料时既要防止阻焊印料沾污到焊接用焊接盘和需印碳膜电路接触的焊接盘上，又要防止底层铜电路图形边缘未被阻焊印料涂布上而导致层间绝缘电阻下降；印制基底绝缘层时既要防止裸铜焊点被沾污和铜导线图形边缘末被涂布上，义要求确保达到25～40μm均匀的绝缘层厚度。因此在印刷阻焊印料和绝缘层印料时刮印方向不能相同(应进行交叉印刷)，即网印阻焊印料时刮板运动方向与某一导线平行时，网印绝缘层印料则必须转动90°角度，刮板运动方向和这一导线相垂直，以防止砂眼、跳印。上述各层间的附着性必须良好，特别是基底铜电路焊接盘与碳膜导电膜层之间附着力决定了碳膜导电膜层的阻值变化率，此外还要注意到基底绝缘层不能影响到碳膜导电层电路的性能，各层间的绝缘电阻达到技术指标要求。碳膜印制板的导通功能及导电电路的可靠性除了与碳质导电印料的品质相关之外。也与制作工艺中电路设计的合理性、正确性及网版制作和网印工艺操作有关。例如对碳质导电膜层厚度的控制就关系到感光膜厚度的控制，过薄的感光乳剂膜会影响碳膜印制板的导电性能。此外，如保管不好或超过贮存期的印料其方阻值就会增大。当碳膜印制板进行热风整平或波峰焊接时，为了避免助焊剂残余对导电碳膜的影响和污染，建议使用可剥性印料进行安全保护。碳膜跨线的印制板是在单面印制板表面设置一层碳膜导电图形的单面双层印制板，以此类推，双面印制板亦可以简便地制作成双面三层或双面四层印制板。但是如果在单面双层印制板上再形成碳膜导电电路将会产生可靠性问题，因而是不适宜的。