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導(dǎo)電碳油阻值變化的誘因分析與控制對(duì)策

OUMx_pcbworld ? 來源:未知 ? 作者:李倩 ? 2018-09-28 16:37 ? 次閱讀

現(xiàn)有導(dǎo)電碳油制板工藝難以精確控制阻值,如今已被新的埋阻技術(shù)所取代,然而較低的制作成本使得導(dǎo)電碳油板仍存在一定的市場(chǎng)發(fā)展空間。本文通過對(duì)導(dǎo)電碳油板的阻值變動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行分析,提出對(duì)阻焊制作和回流焊處理的工藝流程改進(jìn),從而穩(wěn)定阻值的變化幅度,提升了產(chǎn)品的阻值制作精度和成品良率。

隨著PCB及其元器件貼裝朝短小輕薄的方向發(fā)展,越來越多廠商參與進(jìn)元器件與PCB一體化制作的開發(fā)浪潮中,其中導(dǎo)電碳油印制板便是比較早的一體化產(chǎn)品之一。在PCB工作環(huán)境和阻值精度要求不高的情況下,導(dǎo)電碳油板的生產(chǎn)和應(yīng)用十分廣泛。然而導(dǎo)電碳油印制技術(shù)已被有著更高阻值精度的材料和技術(shù)取代,日漸淡出人們的視線。即便如此,由于導(dǎo)電碳油板的制程工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,且加工成本較低,如果能對(duì)導(dǎo)電碳油板的制程工藝進(jìn)行優(yōu)化,使其阻值受控精度和成品良率提升,產(chǎn)品仍具有很廣的市場(chǎng)空間。

導(dǎo)電碳油板的制作與阻值關(guān)系

導(dǎo)電碳油在固化后可以形成有阻值的導(dǎo)體,具體應(yīng)用可作為PCB上的電阻或者導(dǎo)線,從而形成具有固定阻值的電路。導(dǎo)電碳油的印制過程大致與字符印刷相同,先備好有圖形遮蔽的鋼網(wǎng),再進(jìn)行碳油印刷,最后完成烘烤固化。

通常阻值R與導(dǎo)體的電阻率ρ、截面積S和長(zhǎng)度L有關(guān),其關(guān)系表示為R=ρL/S。但是為了便于導(dǎo)電碳油的阻值計(jì)算與控制,業(yè)界通常用以方阻α、線路端點(diǎn)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(shè)計(jì)示意圖

方阻α即L與W相等時(shí)的阻值,與電阻率ρ和碳油印刷厚度有關(guān)。在碳油印刷均勻分布的情況下,可以認(rèn)為同一批次碳油印刷的方阻α是不變的。因此阻值設(shè)計(jì)往往是通過制作產(chǎn)品首件確定現(xiàn)有制程條件下的方阻α后,再根據(jù)阻值的需要最終確定碳油設(shè)計(jì)尺寸L與W。

正式投產(chǎn)前,我們往往會(huì)做首件確定初步圖形設(shè)計(jì)的最終阻值,以此逆推方阻α,再確定文件的設(shè)計(jì)。但實(shí)際上生產(chǎn)過程中導(dǎo)電碳油的阻值會(huì)不斷發(fā)生變化,最終阻值并不如預(yù)期般穩(wěn)定可控。我們?cè)谥瓢暹^程中詳細(xì)記錄了每個(gè)工序后的阻值情況,總結(jié)出阻值的變化趨勢(shì)如下圖2所示。

圖2導(dǎo)電碳油板生產(chǎn)過程的阻值變化趨勢(shì)

由上圖2可知,在導(dǎo)電碳油板的生產(chǎn)過程中,阻值經(jīng)過碳油固化后開始穩(wěn)定,但仍不是最終值。經(jīng)過阻焊制作后,阻值上升,回流焊處理后阻值輕微下降,成為產(chǎn)品最終的固化值。可見導(dǎo)電碳油產(chǎn)品經(jīng)過完整生產(chǎn)流程后的阻值并非一成不變,特別是阻焊制作和回流焊對(duì)最終阻值的影響極大,這也是常規(guī)加工方式下導(dǎo)電碳油阻值不受控的最重要原因,從而導(dǎo)致了導(dǎo)電碳油PCB產(chǎn)品的阻值精度普遍不高。

從前面的導(dǎo)電碳油阻值變化趨勢(shì)圖來看,我們已經(jīng)得知阻焊制作和回流焊這兩個(gè)工序都對(duì)導(dǎo)電碳油阻值有很大的影響,接下來需要對(duì)這些影響因素進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)控制對(duì)策。

導(dǎo)電碳油阻值變化的誘因分析與控制對(duì)策

一、阻焊對(duì)碳油阻值的影響與控制對(duì)策

對(duì)于碳油阻值而言,其阻值改變的原因無外乎兩個(gè),一個(gè)是碳油本身未完全固化,二是碳油變質(zhì)或被摻雜了其它成分,顯然阻焊制作對(duì)碳油的作用屬于后者。

阻焊印刷通常用感光油墨,并添加稀釋劑、硬化劑等,以便于更好下油、預(yù)烤、曝光、顯影和后固化。然而考慮到其中稀釋劑的添加會(huì)增強(qiáng)阻焊油墨的流動(dòng)性,因此阻焊油墨流動(dòng)性的增強(qiáng)也使得阻焊油墨更容易滲透進(jìn)導(dǎo)電碳油內(nèi)部[1]。由于阻焊油墨為絕緣材料,摻雜了絕緣材料的導(dǎo)電碳油阻值則會(huì)上升。

盡管阻值上升看起來似乎不可避免,但實(shí)際的測(cè)量結(jié)果卻更糟糕,阻值的上升并不呈規(guī)律性,幅度忽大忽小難以受控,如下圖3所示為常規(guī)阻焊制作后的阻值變化情況。

圖3常規(guī)阻焊制作后的阻值變化

既然阻焊制作使阻值變化的原因是阻焊油墨滲透入碳油層,那么為了使阻焊印刷后的導(dǎo)電碳油阻值受控,我們做了以下幾個(gè)嘗試:

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

(2) 對(duì)阻焊印刷完成后的靜置時(shí)間嚴(yán)格控制,在PCB印刷完成后3分鐘內(nèi)進(jìn)行預(yù)烤,確保阻焊油墨及時(shí)烘干,從而阻礙油墨過度滲透進(jìn)碳油層[1]。

通過以上方式的優(yōu)化阻焊制作工藝,再進(jìn)行試板制作,從多組對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果來看,阻焊制作后碳油的阻值不再呈現(xiàn)大幅度飆升,其上升值控制在一定的范圍,且穩(wěn)定程度大大提升,如下圖4所示。

圖4 阻焊制作工藝優(yōu)化后的阻值變化

可見管控阻焊對(duì)碳油阻值影響的關(guān)鍵在于阻焊油墨的流動(dòng)性,通過控制稀釋劑濃度和烘烤時(shí)間能很好地降低阻焊油墨對(duì)導(dǎo)電碳油的滲透,從而使阻值浮動(dòng)控制在較小的范圍內(nèi)。

二、回流焊對(duì)碳油阻值的影響與控制對(duì)策

上文已述導(dǎo)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(zhì)或被摻雜異物。經(jīng)過回流焊處理后的導(dǎo)電碳油板,其阻值呈下降趨勢(shì),顯然導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因有可能是碳油未完全固化。

由于完全固化后的碳油阻值通常比較穩(wěn)定,因此阻值在回流焊后大幅度變化,表明碳油烘烤固化過程中未能完全固化,于是我們嘗試驗(yàn)證多組導(dǎo)電碳油固化條件的回流焊處理結(jié)果,如下圖5所示。

(a)180度到溫烘烤1小時(shí)

(b)180度到溫烘烤4小時(shí)

(c)兩次180度到溫烘烤1小時(shí)

圖5各組固化條件下回流焊處理的結(jié)果對(duì)比

可見導(dǎo)電碳油在默認(rèn)溫度下多次長(zhǎng)時(shí)間烘烤,其阻值在回流焊處理后仍出現(xiàn)了明顯的下降。圖5呈現(xiàn)的另一個(gè)重要信息是回流焊處理后阻值都幾乎穩(wěn)定在某個(gè)值附近,且浮動(dòng)范圍極小,該值正是我們所需要的最終固化阻值。于是我們嘗試在常規(guī)碳油固化工序后再添加回流焊處理,以期完成阻值的完全固化。

先對(duì)常規(guī)碳油固化后的PCB進(jìn)行常規(guī)無鉛回流焊處理,再采用上述優(yōu)化后的阻焊工藝制作阻焊層,阻焊固化后再做回流焊,其試驗(yàn)結(jié)果如下圖6所示。

圖6采用回流焊處理固化碳油阻值的測(cè)試結(jié)果

可見經(jīng)過回流焊處理后,完成阻焊層覆蓋后的導(dǎo)電碳油再進(jìn)行回流焊處理,其阻值變化幅度已經(jīng)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(dǎo)電碳油板的過程控制

經(jīng)過工藝流程優(yōu)化,導(dǎo)電碳油的阻值受控程度大大提升,其制板過程的阻值變化趨勢(shì)已成下圖7所示。

圖7工藝流程優(yōu)化后的導(dǎo)電碳油板生產(chǎn)過程阻值變化趨勢(shì)

優(yōu)化后的流程,在碳油烘烤后加入回流焊處理,使碳油阻值完全固化,再嚴(yán)格控制阻焊油墨的流動(dòng)性,使得阻焊后碳油阻值上升穩(wěn)定在某個(gè)可控的小范圍內(nèi)。后續(xù)即便裝配元器件通過回流焊等,碳油的阻值也不會(huì)再出現(xiàn)明顯的變化。

得到穩(wěn)定受控的最終阻值,便可以準(zhǔn)確逆推當(dāng)前導(dǎo)電碳油的方阻,從而確定碳油的設(shè)計(jì)尺寸,完善工程資料,以進(jìn)行正式投產(chǎn),如下圖8所示為導(dǎo)電碳油板從設(shè)計(jì)到正式投產(chǎn)的簡(jiǎn)要流程。

圖8導(dǎo)電碳油板試板至正式投產(chǎn)簡(jiǎn)要流程

如下圖9和圖10所示是一些成功運(yùn)用了上述制程的成品以及產(chǎn)品良率的提升情況。

圖9導(dǎo)電碳油成品

圖10制程改善后±10%阻值精度的良率提升情況

通過對(duì)導(dǎo)電碳油板阻值變動(dòng)的誘因分析,我們提出相應(yīng)的控制對(duì)策并對(duì)工藝制程進(jìn)行優(yōu)化,使得導(dǎo)電碳油板的阻值得到了控制,其阻值精度和成品良率也得到了提升。

盡管導(dǎo)電碳油印制技術(shù)并非當(dāng)前最優(yōu)的埋阻板制作方案,但適當(dāng)?shù)牧鞒虄?yōu)化能提升現(xiàn)有導(dǎo)電碳油印制技術(shù)的阻值精度和良率,使得導(dǎo)電碳油印制PCB依然能夠滿足與當(dāng)前新材料埋阻產(chǎn)品相仿的功能需求。

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原文標(biāo)題:PCB工藝之精確阻值的導(dǎo)電碳油板制作工藝研究

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