烧结常见问题及对策
2024-11-09 08:02阅读：
（本文由杜邦公司专利编译整理而成文章）
前面讲述了丝网印刷的常见问题及解决方法，现在我们讲述厚膜工艺的下一个重要步骤，烧结，并理解和研究在烧结过程中必须的控制。
烧结的影响
浆料组成包含三个重要成分，无机粘结剂、功能性和有机载体。其中无机粘结剂通常是玻璃、氧化物、或它们的混合物；功能相通常是金属粉末、导电氧化物或绝缘氧化物粉末；载体主要包含聚合物（如乙基纤维素）和有机溶剂。
在烧结的干燥阶段，有机载体中的有机溶剂蒸发，它们应该在150-175摄氏度彻底蒸发，这个阶段叫干燥。
在随后的烧结中，载体中的聚合物开始断裂、分解在350摄氏度，完全分解大约在500摄氏度，这个阶段叫燃烧。
在传送带烧结炉中，从550-600摄氏度，无机粘结剂开始熔融，与功能相粉末颗粒和基片表面发生浸润和粘连。
当温度进一步升高，无机粘结剂与功能相粉末进一步浸润和粘连，并开始发生化学反应，当温度上升到850摄氏度，化学反应明显地发生，产生新的分子以及结晶。
燃烧控制
这是烧结过程中的
重要阶段，大约位于烧结曲线中的300-500摄氏度范围，在这个阶段，聚合物需要分解或充分地燃烧，这就需要足够体积的空气，否则有机聚合物不可能完全被转变成气体，如：CH4、C2H6、H2O或CO2。除空气之外，足够的时间也是保证燃烧进行到彻底的必要条件。典型的，片阻生产者使用50-100摄氏度/分钟的升温速率在300-500摄氏度范围，这样可以保证足够的时间来全部移除含碳气体而不出现碳残留。
另一个不可或缺的因素是，燃烧后的废气要全部排出炉膛，理想的燃烧废气排风口在500-550摄氏度，在这里，全部的有机聚合物因分解、燃烧所产生的CO2等气体，应该全部被移出烧结炉，不允许流窜进入温度更高的区域，当然，达成这一目标需要烧结炉的设计者和使用者共同努力。
如果炉膛空气流量不充分，少量的有机聚合物将被带到高温区，产生碳残留，这些碳可以被烧成膜吸附，进而导致导体浆料出现附着力和可焊性变差，电阻浆料的电阻值异常，介质浆料的绝缘电阻下降等问题。
为了帮助浆料的使用者尽快取得成功的烧结效果，杜邦以实验为依据，提出以下经验公式：
V=PLAWS
其中：
V是进入烧结区段的空气体积
P是基片上印有浆料的面积与整个基片面积的比值
L是传送带负荷比
A是单位浆料印刷面积所需空气，通常取0.4升/平方厘米
W是传送带宽度（厘米）
S是传送带速度（厘米/分钟）
温度控制
烧结炉的温度控制是极其严格的，通常，在横向，也就是在传送带的宽度方向，温度偏差不应大于正负2摄氏度，对于850摄氏度的峰值温度，峰值时间通常是9-11分钟。对于包封烧结的500-550摄氏度的峰值温度和峰值时间不用如此严格。为了有效地进行温度控制，传送带的速度需要经常测量，用秒表和标准尺，而不是用烧结炉自带的仪表。
在降温侧，从600-300摄氏度，玻璃发生固化和退火，这个温度区间的降温速率通常为50-100摄氏度/分钟，以避免在烧结膜层中积聚应力。
这是可能的，当降温速率设定超过100摄氏度/分钟，所得到的片阻特性还说的过去，当然如果需要整个工厂长年累月都能稳定地、高效率地生产出全性能令人满意的片阻产品，还是不要这么去做。
烧结曲线的精密度不是很重要，但烧结曲线的再现是很重要的，一旦某曲线被确认有最好的烧结效果，那么这条曲线能否准确地被复制，就变得非常重要了。这需要依靠烧结炉的维护和保养。
总之，对于成功地烧结，有三个基本的需要，第一，彻底的移除可挥发成分，以避免它们进入高温区段；其次，彻底燃烧有机成分；最后，维持高温区段和冷却区段的氧化气氛。
常见的烧结问题
下面我们讲述常见的烧结问题，并给出解决方法。
导体附着力差
原因：不充分的炉膛空气，在燃烧和烧结区段缺乏足够的氧，导致在高温区段发生某种不应该的化学反应，改变了玻璃的组成，因此抑制了在功能相颗粒与基片之间产生足够的粘结力。
解决方法：增大炉膛空气流量，使用PLAWS公式矫正空气流量。
其它原因：基片缺陷、印刷膜层太薄，做试验时焊接温度太高。
不正确的阻值
原因1：燃烧区段的废气窜入烧结区段
解决方法：确认出风口是否全开，检查导入烧结区段的空气流量是否比燃烧段的大；不彻底的燃烧有机物所产生的废气对电阻值有影响，如果是C或CO残留进入高温区段（大于600摄氏度），就会发生化学反应，改变阻值和TCR，所以要保证空气的方向是正确的，即燃烧气体全部经出风口导出烧结炉，为此，要定期检查烧结炉的出风口，保证它不被烟灰或其它什么东西堵塞。
原因2：不纯的空气进入炉膛，进入烧结炉的空气必须是干净和干燥的，通常，空气中的杂志的卤素，如F2、Cl2和Br2，它们主要来自碳氟化合物，如三氯乙烷、氢溴化合物等清洗剂中，它们进入烧结炉，其酸性将影响电阻浆料成分展示正常特性，例如，浓度约10ppm的卤素可显著地导致电阻值的漂移。
为了验证卤素对电阻的影响，杜邦进行专门的试验，用三氯乙烷污染炉膛空气，发现标称1M欧/方的电阻浆料烧结阻值会降到约200K欧/方，而标称10欧/方的电阻浆料烧结阻值会上升30%。
解决方法：为了避免溶剂污染炉膛空气，各种清洗剂应该远离烧结场炉的进风口，使污染源远离空气压缩机的空气摄入区域。
原因3：氮气污染炉膛空气
解决方法：只能使用洁净的空气，如果烧结炉之前进行过氮气烧结，应空载运行烧结炉4-5小时，使其净化。
原因4：不正确的烧结温度
解决方法：使用带护套的热电偶，且热电偶需要定期校正，没有护套的热电偶的温度偏差大于15摄氏度，这将严重影响烧结质量，特别是对于1M欧/方的或更高的高祖电阻浆料，因为它们有更高的温度敏感性，无护套的热电偶也很容易遭到损坏。
历史案例
1、导体浆料出现低附着力和高电阻率
某片阻生产者遇到麻烦，导体浆料的烧结附着力很差，电阻率很高。
经现场考察，生产者没有给烧结炉引入任何空气，这样在高温区段存在严重的氧缺乏，引起不良的化学反应，减少了附着力同时也减少了导电性。给烧结炉提供正常流量的干净空气，上述问题得以解决。
2、低电阻率
某片阻生产者使用两个通风口的烧结炉，见图6，使用杜邦1M/方电阻浆料，但实际烧成阻值只有500K-600K欧姆/方。
经现场考察，阀门X被意外关闭，燃烧气体流入高温区段，造成上述问题。打开阀门X，适当关闭阀门Y，使其保留40%的流量，上述问题得以解决。
3、电阻率偏差由于卤素污染
某厚膜电路生产厂遇到，烧结电阻值出现偏差并有固定的规律，早晨8点电阻值为30K欧、中午12点为25K欧、下午4点半为20K欧，周而复始。
经现场考察，烧结炉空压机的进风口靠近高速公路，汽车尾气被导入烧结炉，汽车尾气富含卤素和CO，因而引起电阻值偏差，由于高速公路的车流量呈一定规律，吸入空压机的汽车尾气也就呈一定的规律，烧结的电阻值偏差也就呈现一定的规律。将空气压缩机的进气口重新进行布置，上述问题得以解决。
总结
不足的炉膛空气，导致差的导体附着力和可焊性，高阻浆料烧成阻值偏低，低阻浆料烧成阻值偏高，这种现象在生产量增大时更加明显。
污染的炉膛空气，如吸入卤素、汽车尾气、附近电镀工厂的废气，空气压缩机的润滑油蒸汽等，将导致导体失去光泽，甚至起皮、起泡，电阻值发生显著的漂移。
