薄膜开关用导电碳浆的研究.docx

第 8 期电子元件与材料Vol.22 No.8研究与试制 R&D2003 年 8 月ELECTRONIC COMPONENTS & MATERIALSAug. 2003薄膜开关用导电碳浆的研究贺平，赵燕熹，何宝林（中南民族大学化学与生命科学学院,湖北 武汉 430074）摘要: 研究了薄膜开关用导电碳浆的基本配方和工艺过程；实验表明：胶粘剂树脂柔韧性的选择至关重要，以满 足柔性线路的基本要求；导电载体应使用质量比为 6:4 的石墨和炭黑的混合体，适当的分散剂可使电阻率降低 1/2，碳 浆研磨次数为 4 次；采用本研究方法制出涂料的成膜方阻为 12 /。关键词: 导电碳浆；薄膜开关；PET 薄膜中图分类号: TM242文献标识码:A文章编号:1001-2028（2003）08-0035-03Research on the Conductive Carbon Paste for Membrane SwitchsHE Ping, ZHAO Yan-xi, HE Bao-lin(College of Chemistry and Life Science, South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074, China)Abstract: The basic formula and process for preparing conductive carbon paste used in membrane switches have been investigated. To meet the requirements of flexible circuits, the flexibility of the resins in adhesives must be adjusted properly. The optimized weight proportion of conductive particles and carbon in the is 6:4. The introduction of proper dispersive may decrease the paste resistance to 1/2. It is preferable to have the carbon paste passed four millings. The obtained paste exhibitsabout 12/.Key words: conductive carbon paste; 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 mm；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%。配方称量混合检测烘干丝印物料研磨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-mail: 。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(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 mm81677290951029058677885898658708090996170759294107Tab.1 The influence of the resin s hardness on the paste s property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m(石墨):m(炭黑)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 mm8:2706989971107:359596777986:447495861805:555597077884:66163779197Tab.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，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 proportionZ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 mm2.047495861802.542445265713.039414860653.541435064702.4 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轧浆次数不同线宽电阻值 / k（线长=100 cm，膜厚=1012 m）0.8 mm0.6 mm0.5 mm0.4 mm0.3 mm180828910011026165707986345535462744384954637755562687690668697885102Tab.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