电子浆料性能及测定方法
电子浆料是各种功能材料均匀混合的膏状材料,一般通过丝网印刷实现转移,形成不同功能的元件或电路单元。丝网印刷形成的印刷膜经流平、烘干、烧结(或固化)生成的烧结膜(或固化膜)层厚度比薄膜溅射工艺生成的薄膜厚得多,所以,丝网印刷工艺及其后续烧结工艺等统称厚膜工艺,电子浆料也称厚膜电子浆料。
电子浆料的物理特性有色调、细度、粘度、密度、固体含量、单位印刷面积、气味等。
电子浆料的电性能由烧结膜体现,电阻浆料主要考察烧结膜电阻率和对温度、电压的稳定性等,有方阻、温度系数、电压系数、静噪音、短暂过负荷、恒温存放、湿热存放等具体指标。介质浆料烧结膜是绝缘体,主要考察介电常数、介电损耗、抗电压强度(也称击穿电压)、耐酸碱盐雾、耐候性等。导体浆料烧结膜要求有良好的导电性、抗焊料浸蚀性、焊料浸润性、优良的附着力、老化附着力等。
电子浆料与基体共同发挥作用,与基体的匹配非常重要。匹配性与附着强度、膜层致密程度、电性能的稳定性密切关联。从这些意义上讲,电子浆料的应用是实验性应用,所以国际上著名电子浆料生产企业,在出厂报告中言明:“本报告所列数据是本公司在实验室测得的,用户使用前必须有充分的验证,本公司不对应试验而未试验产生的不良后果负责。”
1.颗粒细度的测定 颗粒细度FOG(fineness of grain)是电子浆料的重要参数。金属粉末、金属氧化物粉末、金属盐类导电材料、玻璃粉体材料等都具有一定的聚附粘合强度,在电子浆料生产中,依靠三辊轧机辊间剪切力的作用,将颗粒聚集体分散为高度均匀状态,理想状态是形成单个颗粒的均匀分散体系。因此,严格控制FOG,有助于消除由大颗粒阻塞丝网而造成的印刷不良,有助于提高膜层质量、降低膜层内部缺陷,有助于提高耐电压特性,改善温度系数,有助于浆料稳定性、一致性、重现性的提高等。
采用刮板细度计来实施辊轧工序的质量控制,在辊轧符合工艺规范的情况下,当FOG达到规定值时,辊轧工序才算完结。操作人员应使刮板在恒定的角度速度和负荷下运动,保证数据准确、细度高、重现性更好。 2.粘度的测定
测量粘度是测量在模拟印刷条件下,各种不同剪切下浆料的流动性。在浆料生产中,质量控制部门采用检测粘度来控制浆料载体和有机系统。
一般来说,一层液体对另一层液体作相对平流时所受的阻力称为内摩擦力。对厚膜膏状浆料这一种非牛顿流体体系,设克服非牛顿粘度所需要的切向力(也称屈
服点时的力)为F0 ,两层液体间的距离为x,相对流动速度为u,内摩擦力F可由下式给出:
式中A表示接触面积,du/dx表示速度梯度,η表示粘度,也称粘度系数。η值大小与环境温度、湿度、转子大小、转动速度有关。
用国际通用Brookfield旋转粘度计测定流体处于稳流状态下的粘度,可直接读出粘度数据。粘度值与测试条件(温度、转子、转速)密切相关,必须一并给出才有意义。
3.烧结膜厚H的测定
电子浆料经印刷流平烘干烧结成为一定特性的烧结膜。厚膜电路性能与烧结膜厚密切相关。将实测值换算成标准膜厚下的特征值,使电子浆料的性能具有可比性。公司对各种浆料规定了具体的标准膜厚。
采用表面形貌分析仪,让石英探针走过烧结膜表面,从记录仪记录在纸带的图形,研究基准平面与膜表面的相对位置,并经一定方法处理(通常用割补法),即得烧结膜厚h.
公司的表面形貌分析仪还可兼做表面或瓷基体的表面粗糙度分析。 4.方阻(Rs)的测定
导电浆料烧结膜的膜电阻率用方阻Rs表示。
由欧姆定律知:
式中表示体电阻率,L、W、H依次表示膜电阻的长、宽、厚。当H一定时,令式中:
, Rs即为导电材料H膜厚下的面电阻率。
令,显然,Rs表示方数为1时的电阻值,称作方阻。
当浆料确定,标准膜厚下的方阻值为一常数,它代表着该种浆料的固有属性。 标准膜厚下的方阻可有实测方阻及膜厚换算:
5.温度系数(TCR)的测定
对一定的导电浆料规定有具体的印刷图形,负温度系数的测定范围-55℃~+25℃,正温度系数的测量范围+25℃~+125℃.
温度系数通过 计算得出,单位ppm/℃。它反映了在测试范围内阻值随温度的平均变化率。
,n称为方数,则
式中R1为25℃时的电阻值,R2为+125℃(或-55℃)时的电阻值。
6.电压系数(VCR)的测定
电阻浆料的中高阻(10K/□以上)一般需实施电压系数的测量。如Dupont1700系列电阻浆料,电阻图形1mm×1mm,激光调阻至1.5倍的平均阻值,电压范围5V~50VDC,
单位: ppm/V/mm
宏星R-4800系电阻浆料测定电压系数,电阻图形2mm×2mm,U2=V额定,U1=0.1 V额定,按7.额定电压设定
计算电压系数。
电阻图形1mm×1mm,25℃下施加能够引起电阻阻值变化0.1%的电压,连续5秒钟。该电压实为短暂过负荷电压。将短暂过负荷电压按40%折算,即得标准工作电压。意味着,该浆料在规定烧结膜厚时,每毫米长度上可长期承受的电压。 7.最大额定耗散功率 电阻图形1mm×1mm,
最大额定耗散功率=
8.电阻浆料高压负荷试验
宏星R-4800系列电阻浆料烧结膜样品,1x1mm图形,在40℃,二倍标准工作电压下(,二倍标准工作电压最大至1000V)试验2小时,测定其施加电压前后阻值的漂移量和漂移率,借以评价负荷寿命。 9.稳态湿热试验和恒温存放
湿热试验条件:40℃,90-95%RH(优选93%RH),长期存放。 恒温存放温度:25℃或125℃,长期存放。
长期试验(或存放)时间为96h、500h、1000h或根据实际要求而定。 10.电阻浆料噪音的测定
通过一直流电源往被测电阻上(1mm×1mm图形)加一定数值的电压,电阻器两端的直流电压由电压表测量,交流噪音经放大滤波并由热线式仪表测出。所测出
的噪音包括系统噪音和总噪音,从总噪音中去除系统噪音,可得电阻本身噪音指数值。单位db.
11.导体浆料的附着力的测定
导体浆料的附着力是表示导体膜与基体结合力的物理量。通常有垂直拉力或剥离拉力两种表示方法。导体膜图形2mm×2mm,用63Sn/37pb焊锡上引线,在1605HTP拉力试验机上测量,可得导体膜层的附着力。也可换算成每平方毫米上的附着力,单位N/mm2.
老化附着力反映附着力受温度的影响程度,是导体浆料一项重要应用指标,将焊上引线的样品在150℃下老化24h后实施附着力测量,即得老化附着力数据。 宏星浆料公司一般测量剥离拉力。 12.导体浆料抗焊料浸蚀性的测定
焊料在熔融状态下,对导体膜表面有一定的浸蚀作用,形成锡银合金而溶于焊锡中,影响导体膜的导电性、附着力等。
一般用63Sn/37Pb焊料,230℃熔融状态下,将导体膜浸入,每次10秒钟,一次或多次,直至导电性能发生较大变化时(60×0.6mm,阻值>2.5)停测。根据浸入次数衡量导体膜的抗焊料浸蚀能力。
不同的导体浆料有不同的指标要求。 焊锡不同有不同的熔融温度,宏星采用Sn96.5/ Ag3/Cu0.5无铅焊锡,熔融温度250-270℃,抗焊料浸蚀指标会有下降,这是正常现象。 13.导体浆料焊料浸润性的测定
制备10mm×10mm的导体膜于瓷基体上,夹持瓷基体本悬浮于230℃熔锡液表面,再将标准锡柱(63Sn/37Pb焊锡柱Φ4.0×2.85mm)垂直放置于导体膜中央,10秒钟后,取下基片,放凉。用游标卡尺测量扩散直径。
扩散直径愈大,则愈易被焊料浸润。 14.隔离介质浆料介电常数的测定
隔离介质浆料介电常数、介电损耗越小越好,抗电击穿能力越强越好。 基体:96%AL2O3 20mm×15mm×1mm
电极:上下均为宏星C-1204或C-1205等,有效面积5mm×5mm,三明治结构,中间为介质膜层,上下电极必须对好,保证电容有效面积。
测定:用仪器测出介质膜厚h,电容量C数据,用下述公式计算介电常数
式中ε0为真空介电常数。
15.介质浆料介电损耗的测定方法
利用回路谐振时电抗性元件(L或C)两端呈现的电压比输入电压提高的倍数(即Q)来测量元件的介电损耗。
首先选择适当的辅电感接入电感接线柱,谐振频率1MHz,调节测试电路电容器容量为C1,测得Q1,再将被测电容接入电容接线柱,再次谐振,设定电路电容量为C2,测得Q2。
依据下列公式求出介质电损耗值
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