有机银膏挠性电路板的试制

陈冠刚 刘镇权 吴培常 林周秦

（广东成德电子科技股份有限公司，广东 佛山 528300）

0 前言

在3D打印导电线路或用网版印刷导电线路中，应用最为广泛是纳米银导电膏。纳米银导电膏形成线路的过程中需要进行高温烘烤，这就难保证其在长时间的高温烘烤过程中不会出现局部氧化而导致体积电阻增大。为此，我公司工程师们经过不断探索，开发出一种UV曝光型有机银导电膏（简称有机银膏），这种导电膏是由光引发剂CD（其分子结构式如图1所示）、UV-偶联剂CC（其分子结构式如图2所示）、PEDOT:PSS（3.4乙撑二氧噻吩∶聚丙乙烯磺酸铜）、DMF（二甲基乙酰胺）及卤化银等按适量比例混合组成，然后网印在挠性基材上，再经UV曝光即可形成导电线条。线路经过相关测试，表明该有机银膏制作的线条完全满足挠性板的各项要求。下面就来详细讲解其制作过程及相关的测试。

图1 光引发剂CD的结构式

图2 UV-偶联剂CC的结构式

1 有机银膏曝光形成导电线条机理

有机银膏形成导电线条的机理与照相底片中的卤化银曝光机理基本是相同，不同之处，那就是有机银膏中的UV-偶联剂CC和光引发剂CD经曝光后，不仅形成电子通道，而且还与FPC基材中的分子发生偶联，从而起到粘接剂作用，其具体光化学反应机理（如图3）。

图3 有机银膏中的UV-偶联剂（CC）和光引发剂（CD）机理

另外，在这个曝光成形导电线条的过程中，处于价带中的卤离子先是失去一个电子后成为中性卤原子，而周围晶格银离子由于过剩不平衡电荷就不得不在卤原子的位置引入一个正电荷，这样一来，该卤原子就成了带正电荷的光空穴，其后带正电荷的光空穴再与相邻卤离子交换电荷成为自由光空穴。卤化银晶格每吸收外来（曝光）一个光子，就会在导带中产生一个自由光子，在价带中产生一个光空穴，这些新形成的自由光空穴和自由光子就可以在卤化银晶格中作随机移动（其中自由光电子迁移率为50 cm2/VS，自由光空穴迁移率为1.750 cm2/VS），其整个光化学反应机理为：AgX＋ hv ＝ e-* ＋ h+*

而UV-偶联剂CC和光引发剂CD及PEDOT∶PSS经曝光后不仅形成了电子通道，同时它们还起到防止银氧化和FPC基材中的分子发生偶联的双重目的。

3 有机银膏挠性板的制作流程（双面）

有机银膏挠性板的制作流程（双面）与传统的纳米银导电膏丝印导电路线的制作流程不完全相同，其整个制作流程（如图4）。

可见，有机银膏挠性板属于全加成工艺中的一种，它在整个FPC板制作过程中没有额外生成物，不会对环境产生污染。生产过程无额外的耗材，这样就最大限度地节约了原材料。新工艺流程短见效快，可以采取FPC的卷-卷式操作，提高生产效率和降低了生产空间、所有这些就是我们开发这种新工艺的全部意义。

4 样品制作实验

4.1 目的

验证有机银膏性能，以期得到高固着力的、不易氧化的、低电阻率的丝印线路。

4.2 材料

实验材料：FPC基板（22.5 cm×11.5 cm）0.2 mm H/H各12 PNL。

实验药品：有机银导电膏 19L75%的异丙醇酸性蚀刻液 容大油墨 。

4.3 实验所用的仪器和工具

4.3.1 仪器

分析天平、磁力搅拌棒、MJ-201型锡炉、金相显微镜、PTR-1100/STR-1100剥离强度测试仪、DRX-Ⅰ-PB型导热率测试仪、LWW-2000板材弯曲试验机、明信MV300型电测机 爱思达ASIDA-QF16型切片取样机、LDQ-2漏电起痕测试仪、ZRPYDW型低温膨胀系数测量仪。

图4 有机银膏挠性板的制作流程

4.3.2 工具

金马P-W6080型手动丝印机、日立ND-6Ni 210型钻孔机、刮刀、剥皮刀、140T丝网、日立ND-6Y210E型铣机、恒温箱、UV曝光机。

4.3.3 试制步骤

按上述图4制程进行制作，我们认为关键的步骤有三步：准备光板（如覆铜板、用酸性或碱性蚀刻液将铜箔蚀刻掉）、 丝印线条、置于UV光固机中曝光成形。

5 有机银膏挠性板的性能测试

5.1 有机银膏UV曝光动力学测试

本实验将有机银膏中的光引发剂CC的含量依次调整至1.5%、3.0%、3.5%，卤化银含量调整至67.5%，而其他成分含量则保持不变，然后用不同波长的光进行照射，测得吸光度的变化规律（如图5）。

图5 有机银膏UV曝光动力学（即CC含量与波长的关系）

从图5中可以看出，无论有机银膏中的光引发剂CC的含量如何，其吸光度在410 nm左右均出现了一个最大值，这就是有机银膏曝光的最佳波长，同时它还是卤化银曝光的波长。另外，图5中还可以得到吸光度与光引发剂CC含量之间定量的关系，很明显这种定量关系对于我们进一步优化线条质量和曝光效率是有好处的。

5.2 体积电阻测试与热导率测试

本实验将有机银膏中的卤化银含量依次调整至55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%，而其他成分的质量百分比浓度保持不变，把上述配制好的组分混合搅拌后按上述所说的步骤丝印在FPC光板上，再经UV曝光制成线条，完成试样。

5.2.1 体积电阻测试

上述完成的试样用明信MV300型电测机测得曝光成形线条的体积电阻值（如图6）。

图6 线条的体积电阻与卤化银含量的关系

从图6中可以看出线条的体积电阻随着有机银膏中的卤化银含量升高而降低，而当有机银膏中的卤化银含量超过65.0%时，线条的体积电阻则基本上稳定在1.56×104Ω·cm左右。

5.2.2 热导率测试

上述完成的试样用DRX-Ⅰ-PB型导热率测试仪测得曝光成形线条的热导率（如图7）。

图7 有机银膏的热导率与卤化银含量的关系

从图7中可以看出线条的热导率随着有机银膏中的卤化银含量升高而升高，当有机银膏中的卤化银含量在55%～59%时，线条热导率的上升幅度较为明显；但当有机银膏中的卤化银含量在59%～63%，线条热导率出现一个相对稳定期，之后又开始大幅度上升，直至有机银膏中的卤化银含量达到67.5%时，线条热导率又出现另一个相对稳定期，此时的线条热导率大约在5.1 W/m·K～5.12 W/m·K之间。

5.3 其它物理性能测试

本实验将有机银膏中的卤化银含量调整至67.5%，光引发剂CC的含量调整至3.5%，而其他成分的质量百分比保持不变。按上述所说的步骤丝印在FPC光板上，再经UV曝光制成线条，完成试样。试样数量约200块，供以下多项测试用。

5.3.1 线膨胀系数测试

试样用ZRPY-DW型低温膨胀系数测量仪测得曝光成形线条的线膨胀系数（图8）。

从表1中可以看出，温度越高，有机银导电膏经UV曝光成形的线膨胀系数越大，其累计总和为0.00145%（14.5 ppm/℃）。人们常说的线膨胀系数，其实是指在一定温度段线膨胀系数的累计值，在给出线膨胀系数时，务必附加上测试的温度段，否则没有任何意义。

5.3.2 热应力测试

试样分为五组，分五天测试，每次从中抽取25块，用MJ-201型锡炉进行漂锡热应力试验。试验条件：（280±5）℃、10 s/3次。结果全部合格，无起泡、分层、烧焦、变色等异常，上锡饱满，上锡率均高于99%。

5.3.3 剥离强度测试

试样任取24块，标好号后用PTR-1100/STR-1100剥离强度测试仪测得线条的剥离强度值（见图9）。从表3中可以看出，有机银导电膏经UV曝光成形的平均剥离强度为37.5 N/mm（8.424磅力/mm），方差为0.6581磅力/mm，其中最大剥离强度最大值42.9 N/mm（9.64磅力/mm）与最小值32.2 N/mm（7.24磅力/mm），极差为2.40磅力/mm，波动幅度较大且分布也不理想。

图8 加热过程中有机银导电膏的线膨胀系数分布

图9 线条的剥离强度测试结果

5.3.4 外观测试

试样中任取1块，用手动爱思达ASIDA-QF16型切片取样机在线条所在地方冲出1个切片，制成显微剖切试样，放入金相显微镜观察。调出Motic Images Plus 2.0测量软件，并点击Capture window窗口，再左右上下调节旋钮，直至图像清晰后，点击get photol图标，获得图片（如图10）。

图10 显微剖切图

从上述图像中可以看出，带孔处（即孔化）略有一些凹陷，这是可以理解的，但要纠正这些质量上凹陷，只能在凹陷处采用二次丝印和二次曝光。

6 结论

上述测试数据表明：用有机银膏制作挠性板的线条导电性、导热性等效果比较理想，跟我们预测的目标一致，在制程中还存在一些不足处有待改进。但作为一种新工艺出现，其发展前途是看好的！最后要感谢Ohmega科技有限公司的Karel Tavernier & P. D. Vanguard Cheng博士，他们两位在此项目中和该论文的筹备中付出辛苦劳动，也正是他们的赞助，此项目才得以进行，在此表示衷心感谢。