絲網印刷條件對陶瓷發熱片抗熱震性的影響

摘要:本文探討了各種絲網印刷條件對氧化鋁陶瓷發熱片熱震性能的影響。陶瓷的熱震性是表征材料承受溫度驟變的一種能力，是材料的綜合機械-熱性能。陶瓷發熱片的抗熱震性基本取決于材料本性，但其獨特的工藝決定了絲網印刷的諸多條件，包括印刷線路設計、印刷網版膜厚、印刷方向、印刷刮刀行程、印刷壓力等，對陶瓷發熱片的熱震性也有不可輕視的影響。

關鍵詞:絲網印刷;氧化鋁陶瓷發熱片;熱震性

1引 言

氧化鋁高溫共燒陶瓷發熱片，是電子信息技術的高集成化、微型化、智能化和高速化對對電路小型化、高密度、多功能性、高可靠性、高速度及大功率等要求的產物[1]。由于氧化鋁陶瓷具有高強度、高硬度及良好的抗氧化和化學穩定性，成為陶瓷發熱片的優選材料。

氧化鋁陶瓷發熱片對材料的抗熱震性要求極高，熱震性是材料抵抗溫度驟變而不破壞的能力，它是材料力學性能與熱學性能對熱條件的一種綜合防御能力[2-4]。材料的抗熱震性能取決于材料內部熱應力，而熱應力的大小取決于其力學性能和熱學性能，并且還受構件的幾何形狀和環境介質等因素的影響，所以陶瓷材料的抗熱震性能必將是其力學、熱學性能對應于各種受熱條件及其外界約束的綜合表現。

氧化鋁陶瓷發熱片將發熱電阻漿料按照發熱電路設計要求印刷于流延陶瓷生坯上，然后多層疊合共燒成一體，因此氧化鋁陶瓷發熱片獨特的工藝過程決定了其抗熱震性不僅僅與氧化鋁陶瓷本身性能有關，與發熱電阻漿料與氧化鋁陶瓷的結合能力、發熱線路發熱均勻性、網版印刷過程及燒結過程的殘余應力及其分布、安裝使用受力條件等諸多條件都有著不可忽視的關聯性。

本文深入探討了絲網印刷的各種條件，如印刷線路設計、印刷網版膜厚、印刷方向、印刷刮刀行程、印刷壓力及印刷面水平度等，對陶瓷發熱片熱震性能的影響。旨在優化工藝參數，以最佳工藝組合獲得更優良抗熱震性能的氧化鋁陶瓷發熱片。

2絲網印刷條件對發熱片抗熱震性的影響

2.1 印刷線路設計

氧化鋁陶瓷材料本質上屬于脆性材料，根據格里菲斯與英格里斯的微裂紋脆性斷裂理論，陶瓷材料中總會存在或多或少的細小裂紋，在外力或者熱應力的作用下，這些裂紋就會產生應力集中現象。當應力達到材料的極限強度時，裂紋就會開始擴展連接而導致宏觀斷裂。為了減少發熱片通電炸片，提高發熱片的抗熱震性能，必須從印刷線路設計上阻斷裂紋擴展。

印刷線路設計應使得發熱時的溫度梯度盡可能小，不容易形成熱應力集中效益。圖1是氧化鋁陶瓷發熱片的炸裂外觀圖，從圖1可以清楚看出，陶瓷發熱片沿寬度方向炸裂比例高，據不完全統計，寬度方向炸片比例高達92%。分析其原因，可能是因為寬度方向的熱應力集中明顯，導致裂紋擴展相連的幾率相對較大。通過反復通電試驗并觀察其發熱情況，發現寬帶方向的溫度均勻性差，存在較大的溫度梯度，如圖2所示，中間耀眼的白光處溫度比臨近的紅光的溫度高許多，測量數據表明，白光與紅光的溫度差大于200℃。

因此，在線路設計時，必須通過合理設計，消除線路發熱時寬帶方向的溫度不均勻性，這樣才能使得寬度方向的溫度梯度盡可能小，使其控制在150℃之內。另外，網版膜厚必須根據絲網的目數、絲徑以及絲網的紡織方式和所選用的材質，結合方阻及漿料設計來確定，總的原則是，盡量避免選用小方阻及漿料設計，如果不可避免選用印刷漿料膜層厚度薄的設計時，網版膜厚也要比設計加厚5μm。一般來說，網版膜厚不宜小于50μm，對應陶瓷發熱片的印刷漿料膜層厚度不得小于8μm。

2.2印刷方向與刮刀行程

陶瓷發熱片的抗熱震性與其印刷過程關系很大，線路印刷漿料整個印刷面均勻性好，整體印刷面的機械殘余應力小、分布均勻，產品燒結的殘余應力才能盡可能小。一般印刷機刮刀有一行程距離，而機械運行都有一個共性，既機器在剛啟動和將停止時會稍微震動，行程均勻性較差。試驗數據表明，在條件允許的前提下，刮刀行程越長，不但對發熱片阻值集中有好處，還對陶瓷發熱片的抗熱震性能大有裨益。圖3為印刷刮刀長度對發熱片炸片性能的影響，相同的印刷線路長度，用同一個絲網，在同一印刷機進行印刷，除了行程不同，分別為90、100、120mm外，其余工藝條件相同，均在700W功率下通電。從圖3可以清楚看出，行程越長其炸片率越低，即其抗熱震性能越好。

為了提高生產效益，實際生產中都盡可能在同一絲網上布置多個單片產品電路，組成聯片產品電路(如圖4)。這就存在印刷方向的選擇性問題，寬度方向由于尺寸較小，其對受力均勻性及溫度均勻性要求都較長度方向高。由上面的論述可知，印刷機行程方向均勻性整體較差，因此必須選擇單片線路的長度方向為印刷的行程方向，這樣才能盡可能降低行程均勻性對發熱片的影響，提高發熱片的抗熱震性能。在反復試驗中，發現只要保證線路的長度方向為印刷的行程方向，同時保證行程總長度比線路的布線總長度長25mm，即印刷始止兩行程的起點距離比布線每一邊的長度大于12mm，就能較好地消除印刷機行程不均勻性造成的影響。

2.3 印刷壓力與印刷面的水平度

印刷網版繃網時，都會對絲網的經向張力和緯向張力及其一致性有要求。印刷時，通過調整印刷刮刀壓力，使得絲網圖案面與承印面接觸，從而成功將絲網上的圖案移印到承印材料上。不管哪種繃網材質，都存在一個疲勞強度和損壞強度，不能完全恢復原樣，當殘余應力累計達到一定程度，就可能超過該材質的損壞強度而造成絲網破損。因此，在能達到印刷效果的前提下，建議盡可能使用較小的印刷壓力。

同時，絲網面及其承印面的水平度都對陶瓷發熱片的抗熱震性能有不同程度的影響。承印面的水平度對陶瓷發熱片抗熱震性能影響較大，如果水平度較差，不單對印刷阻值集中度有明顯影響，還會由于承印面水平度不同造成印刷件受力不均勻性，這種受力不均勻性在產品燒結后，就表現為產品的殘余內應力;此外，印刷面水平度差也將引起印刷漿料的厚度產生較大起伏，從而導致發熱片微觀結構的變化，如圖5的掃描電鏡圖片所示。這種微觀不均勻性造成通電發熱不均勻，容易造成較大的溫度梯度，從而大大降低陶瓷發熱片的抗熱震性能。

3結 論

氧化鋁陶瓷發熱片的印刷條件如印刷線路設計、印刷網版膜厚、印刷方向、印刷刮刀行程、印刷壓力及承印面水平度等，對陶瓷發熱片抗熱震性能都存在不可小視的影響:

(1) 絲網線路設計時，寬度方向的溫度梯度要盡可能小;

(2) 網版膜厚不宜小于50μm，對應的陶瓷發熱片印刷漿料膜層厚度不得小于8μm;

(3) 線路的長度方向為印刷的行程方向;行程越長其炸片率越低，抗熱震性能越好，要保證行程總長度比線路的布線總長度長25mm;

(4) 盡可能使用較小的印刷壓力;

(5) 確保承印面的水平度。

參考文獻

[1] 蘇方寧，雷云燕，吳崇雋.網版印刷陶瓷發熱片阻值分布的

影響[J].，絲網印刷，2008(8):14-16.

[2] 董艷玲，王為民.陶瓷材料抗熱震性的研究進展[J].現代技

術陶瓷，2004，32(1):37-41.

[3] 張巍，韓亞苓，氧化鋁基陶瓷抗熱震性的研究進展[J].陶瓷

學報，2008，29(2):193-198.

[4] 李衛國，方岱寧.熱環境對超高溫陶瓷材料抗熱震性能的

影響[J].力學學報，2008，40(1):40-45.