丝网印刷条件对陶瓷发热片抗热震性的影响

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摘要:本文探讨了各种丝网印刷条件对氧化铝陶瓷发热片热震性能的影响。陶瓷的热震性是表征材料承受温度骤变的一种能力,是材料的综合机械-热性能。陶瓷发热片的抗热震性基本取决于材料本性,但其独特的工艺决定了丝网印刷的诸多条件,包括印刷线路设计、印刷网版膜厚、印刷方向、印刷刮刀行程、印刷压力等,对陶瓷发热片的热震性也有不可轻视的影响。

关键词:丝网印刷;氧化铝陶瓷发热片;热震性

1引 言

氧化铝高温共烧陶瓷发热片,是电子信息技术的高集成化、微型化、智能化和高速化对对电路小型化、高密度、多功能性、高可靠性、高速度及大功率等要求的产物[1]。由于氧化铝陶瓷具有高强度、高硬度及良好的抗氧化和化学稳定性,成为陶瓷发热片的优选材料。

氧化铝陶瓷发热片对材料的抗热震性要求极高,热震性是材料抵抗温度骤变而不破坏的能力,它是材料力学性能与热学性能对热条件的一种综合防御能力[2-4]。材料的抗热震性能取决于材料内部热应力,而热应力的大小取决于其力学性能和热学性能,并且还受构件的几何形状和环境介质等因素的影响,所以陶瓷材料的抗热震性能必将是其力学、热学性能对应于各种受热条件及其外界约束的综合表现。

氧化铝陶瓷发热片将发热电阻浆料按照发热电路设计要求印刷于流延陶瓷生坯上,然后多层叠合共烧成一体,因此氧化铝陶瓷发热片独特的工艺过程决定了其抗热震性不仅仅与氧化铝陶瓷本身性能有关,与发热电阻浆料与氧化铝陶瓷的结合能力、发热线路发热均匀性、网版印刷过程及烧结过程的残余应力及其分布、安装使用受力条件等诸多条件都有着不可忽视的关联性。

本文深入探讨了丝网印刷的各种条件,如印刷线路设计、印刷网版膜厚、印刷方向、印刷刮刀行程、印刷压力及印刷面水平度等,对陶瓷发热片热震性能的影响。旨在优化工艺参数,以最佳工艺组合获得更优良抗热震性能的氧化铝陶瓷发热片。

2 丝网印刷条件对发热片抗热震性的影响

2.1 印刷线路设计

氧化铝陶瓷材料本质上属于脆性材料,根据格里菲斯与英格里斯的微裂纹脆性断裂理论,陶瓷材料中总会存在或多或少的细小裂纹,在外力或者热应力的作用下,这些裂纹就会产生应力集中现象。当应力达到材料的极限强度时,裂纹就会开始扩展连接而导致宏观断裂。为了减少发热片通电炸片,提高发热片的抗热震性能,必须从印刷线路设计上阻断裂纹扩展。

印刷线路设计应使得发热时的温度梯度尽可能小,不容易形成热应力集中效益。图1是氧化铝陶瓷发热片的炸裂外观图,从图1可以清楚看出,陶瓷发热片沿宽度方向炸裂比例高,据不完全统计,宽度方向炸片比例高达92%。分析其原因,可能是因为宽度方向的热应力集中明显,导致裂纹扩展相连的几率相对较大。通过反复通电试验并观察其发热情况,发现宽带方向的温度均匀性差,存在较大的温度梯度,如图2所示,中间耀眼的白光处温度比临近的红光的温度高许多,测量数据表明,白光与红光的温度差大于200℃。

因此,在线路设计时,必须通过合理设计,消除线路发热时宽带方向的温度不均匀性,这样才能使得宽度方向的温度梯度尽可能小,使其控制在150℃之内。另外,网版膜厚必须根据丝网的目数、丝径以及丝网的纺织方式和所选用的材质,结合方阻及浆料设计来确定,总的原则是,尽量避免选用小方阻及浆料设计,如果不可避免选用印刷浆料膜层厚度薄的设计时,网版膜厚也要比设计加厚5μm。一般来说,网版膜厚不宜小于50μm,对应陶瓷发热片的印刷浆料膜层厚度不得小于8μm。

2.2 印刷方向与刮刀行程

陶瓷发热片的抗热震性与其印刷过程关系很大,线路印刷浆料整个印刷面均匀性好,整体印刷面的机械残余应力小、分布均匀,产品烧结的残余应力才能尽可能小。一般印刷机刮刀有一行程距离,而机械运行都有一个共性,既机器在刚启动和将停止时会稍微震动,行程均匀性较差。试验数据表明,在条件允许的前提下,刮刀行程越长,不但对发热片阻值集中有好处,还对陶瓷发热片的抗热震性能大有裨益。图3为印刷刮刀长度对发热片炸片性能的影响,相同的印刷线路长度,用同一个丝网,在同一印刷机进行印刷,除了行程不同,分别为90、100、120mm外,其余工艺条件相同,均在700W功率下通电。从图3可以清楚看出,行程越长其炸片率越低,即其抗热震性能越好。

为了提高生产效益,实际生产中都尽可能在同一丝网上布置多个单片产品电路,组成联片产品电路(如图4)。这就存在印刷方向的选择性问题,宽度方向由于尺寸较小,其对受力均匀性及温度均匀性要求都较长度方向高。由上面的论述可知,印刷机行程方向均匀性整体较差,因此必须选择单片线路的长度方向为印刷的行程方向,这样才能尽可能降低行程均匀性对发热片的影响,提高发热片的抗热震性能。在反复试验中,发现只要保证线路的长度方向为印刷的行程方向,同时保证行程总长度比线路的布线总长度长25mm,即印刷始止两行程的起点距离比布线每一边的长度大于12mm,就能较好地消除印刷机行程不均匀性造成的影响。

2.3 印刷压力与印刷面的水平度

印刷网版绷网时,都会对丝网的经向张力和纬向张力及其一致性有要求。印刷时,通过调整印刷刮刀压力,使得丝网图案面与承印面接触,从而成功将丝网上的图案移印到承印材料上。不管哪种绷网材质,都存在一个疲劳强度和损坏强度,不能完全恢复原样,当残余应力累计达到一定程度,就可能超过该材质的损坏强度而造成丝网破损。因此,在能达到印刷效果的前提下,建议尽可能使用较小的印刷压力。

同时,丝网面及其承印面的水平度都对陶瓷发热片的抗热震性能有不同程度的影响。承印面的水平度对陶瓷发热片抗热震性能影响较大,如果水平度较差,不单对印刷阻值集中度有明显影响,还会由于承印面水平度不同造成印刷件受力不均匀性,这种受力不均匀性在产品烧结后,就表现为产品的残余内应力;此外,印刷面水平度差也将引起印刷浆料的厚度产生较大起伏,从而导致发热片微观结构的变化,如图5的扫描电镜图片所示。这种微观不均匀性造成通电发热不均匀,容易造成较大的温度梯度,从而大大降低陶瓷发热片的抗热震性能。

3结 论

氧化铝陶瓷发热片的印刷条件如印刷线路设计、印刷网版膜厚、印刷方向、印刷刮刀行程、印刷压力及承印面水平度等,对陶瓷发热片抗热震性能都存在不可小视的影响:

(1) 丝网线路设计时,宽度方向的温度梯度要尽可能小;

(2) 网版膜厚不宜小于50μm,对应的陶瓷发热片印刷浆料膜层厚度不得小于8μm;

(3) 线路的长度方向为印刷的行程方向;行程越长其炸片率越低,抗热震性能越好,要保证行程总长度比线路的布线总长度长25mm;

(4) 尽可能使用较小的印刷压力;

(5) 确保承印面的水平度。

参考文献

[1] 苏方宁,雷云燕,吴崇隽.网版印刷陶瓷发热片阻值分布的

影响[J].,丝网印刷,2008(8):14-16.

[2] 董艳玲,王为民.陶瓷材料抗热震性的研究进展[J].现代技

术陶瓷,2004,32(1):37-41.

[3] 张巍,韩亚苓,氧化铝基陶瓷抗热震性的研究进展[J].陶瓷

学报,2008,29(2):193-198.

[4] 李卫国,方岱宁.热环境对超高温陶瓷材料抗热震性能的

影响[J].力学学报,2008,40(1):40-45.