PET基ITO 導電薄膜的可靠性研究

　　項永金，戴銀燕（格力電器（合肥）有限公司，安徽合肥??230088）

　　摘?要：18年A公司高端變頻圓筒柜機在實(shí)際應用中出現大量按鍵不靈敏、按鍵失靈故障，在經(jīng)過(guò)大量數據統計分析及實(shí)際主板失效分析確定是柜機中導電薄膜電極受力彎折開(kāi)裂開(kāi)路失效，本文結合大量失效品分析，對導電薄膜失效原因及失效機理分析，分析結果表明：導電薄膜采用ITO電極該電極材質(zhì)抗彎曲能力差，裝配不當非常容易導致電極折彎產(chǎn)生開(kāi)裂，經(jīng)過(guò)對ITO電極失效機理分析確定采取調整銀漿走線(xiàn)設計、銀漿線(xiàn)路多邊走線(xiàn)設計及重新選型ITO電極材質(zhì)，經(jīng)過(guò)實(shí)際實(shí)驗驗證可以大幅度提高電薄膜按鍵靈敏性及應用可靠性，從器件本身提高器件的整體可靠性。

　　關(guān)鍵詞：導電薄膜；ITO電極；按鍵靈敏度；電極材質(zhì)；多邊電極

　　0 引言

　　隨著(zhù)顯示器件行業(yè)飛速發(fā)展，光電行業(yè)正在向器件柔性化和輕量化方向發(fā)展,其對透明導電薄膜性能與工藝等方面的要求也更為苛刻。目前,世界范圍內研究和應用最廣泛的透明導電薄膜是ITO薄膜。透明導電薄膜(ITO)作為一種獨特的光電功能材料,兼具了較高的可見(jiàn)光透過(guò)性和良好的導電性能,受到人們的青睞。由王其優(yōu)異的光電特性，ITO導電薄膜產(chǎn)品以絕對優(yōu)勢由此應運而生，觸控技術(shù)目前技術(shù)非常成熟，廣泛使用于電子產(chǎn)品、家用電器、工程機械方面。在太陽(yáng)能電池、氣體傳感器、液晶顯示等領(lǐng)域得到了廣泛應用。

　　ITO導電薄膜是一種N型半導體材料，具有高的導電率、高可見(jiàn)光透光率、高機械強度、良好化學(xué)穩定性，是一種兼備高導電及可見(jiàn)光波段的高透明特性的基礎光電材料。作為 空調、冰箱、洗衣機等家電類(lèi)設備觸控面板的使用導電薄膜的關(guān)鍵電極材料，在電器產(chǎn)品平面顯示、可視化觸摸屏、薄膜太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域具有巨大的市場(chǎng)需求。ITO導電薄膜作為綜合性能最佳的透明率90%導電薄膜占市場(chǎng)80%份額。

　　1 導電薄膜觸控原理解析

　　ITO導電薄膜是采用磁控濺射的方法，在透明有機薄膜材料上濺射透明氧化銦錫導電薄膜鍍層并經(jīng)過(guò)高溫退火處理得到高科技產(chǎn)品，導電薄膜的工作原理為手指接觸按鍵區（ITO電極）后按鍵區感應容值上升后，芯片根據檢測到電路回路容值變化率來(lái)來(lái)判斷是否有執行按鍵觸控通過(guò)計算判斷進(jìn)行不同的功能切換，按鍵靈敏度與芯片感應的容值變化大小有關(guān)。具體工作原理如下圖1。

　　2 導電薄膜按鍵失靈原因及失效機理分析

　　導電薄膜是一種具有導電功能的氧化銦錫薄膜，薄膜材料基材通常為PET材料。在PET膜上通過(guò)磁控濺射的方式在薄膜基材表面形成以稀有金屬I(mǎi)n（銦）為主要材料的ITO靶材而制成。

　　A公司導電薄膜是使用在高端變頻空調內機顯示按鍵區的一種器件。通過(guò)觸控操作來(lái)切換不同功能指令，導電薄膜是貼裝在空調面板上，人手通過(guò)觸碰面板，導電薄膜按鍵區受到感應后容值上升，通過(guò)線(xiàn)路將信號傳遞給主芯片，主芯片做出相應的指令?？照{行業(yè)使用的導電薄膜多為觸摸式ITO導電薄膜，ITO電極材質(zhì)較硬且脆，使用過(guò)程中稍微受力即可能出現細小的裂紋，導致該按鍵失效。經(jīng)過(guò)實(shí)際故障品分析及實(shí)驗模擬驗證ITO導電薄膜產(chǎn)品貼裝不當二次稍微拉起即會(huì )產(chǎn)生折痕，此種折痕會(huì )導致ITO電極產(chǎn)生裂痕，出現失效；A公司過(guò)程批量失效如下圖2藍色方框內折痕。

　　物料整體結構如下圖：（白色區域為按鍵區，黃色線(xiàn)條為銀漿線(xiàn)）

　　3 模擬故障再現

　　正常貼裝

　　貼裝10 PCS導電薄膜，測試按鍵靈敏度無(wú)異常，導電薄膜無(wú)折痕。

　　驗證非正常貼裝

　　從中間部分向兩端貼裝，如果導電薄膜中間部分已經(jīng)貼在面板上，兩端部分未貼裝時(shí)，再拉起導電薄膜，在貼裝與未貼區域之間會(huì )存在縱向的折痕，如果折痕在按鍵區，實(shí)際裝配測試就會(huì )出現按鍵不靈敏問(wèn)題，如下表1所示。

　　模擬實(shí)驗結論：

　　該導電薄膜使用是目前廣泛應用ITO電極材質(zhì)，ITO電極抗彎折能力較差，受彎折易出現折痕導致開(kāi)路失效，表現按鍵不靈敏、嚴重按鍵失靈，導電薄膜貼裝必須一次貼裝完成，貼裝不良直接報廢處理。

　　4 導電薄膜可靠性提升方案

　　4.1 可靠性方案一 設計更改銀漿線(xiàn)走線(xiàn)方向設計(按鍵靈敏度、可靠性提升)

　　改變銀漿線(xiàn)路的走線(xiàn)方式，將走線(xiàn)方向與貼裝的方向一致，貼裝的方式如圖4，圖中導電薄膜銀漿線(xiàn)路為橫向走線(xiàn)，貼裝的方式先貼中間后貼兩邊，為橫向貼裝，貼裝的過(guò)程中受橫向力，如果銀漿線(xiàn)路也為橫向走線(xiàn)，即使受到外力，按鍵區各部分還是和銀漿線(xiàn)路相連通，對整體性能影響不大。（銀漿線(xiàn)路走線(xiàn)設計更改前后對比如圖5、圖6。

　　可靠性方案一設計優(yōu)點(diǎn)在于優(yōu)化銀漿線(xiàn)路的走線(xiàn)方式，提出一種導電薄膜的設計思路，根據實(shí)際使用情況，將導電薄膜按鍵區銀漿線(xiàn)路的走線(xiàn)方向（這里指橫向和縱向）與使用時(shí)的貼裝的方向一致。即如果導電薄膜使用時(shí)操作方式為橫向貼裝，則導電薄膜按鍵區的銀漿線(xiàn)應該設計成橫向走線(xiàn)。反之，縱向貼裝，則走線(xiàn)設計成縱向結構。此種線(xiàn)路設計的優(yōu)點(diǎn)在于即使貼裝的過(guò)程中受到外力，按鍵區各部分還是和銀漿線(xiàn)路相連通，對整體性能影響不大。是一種有效解決導電薄膜按鍵失靈失效可靠解決方案。

　　整改前后思路具體說(shuō)明：整改前制品為縱向銀漿線(xiàn)結構，如果在按鍵區出現縱向的折痕，ITO被折斷成兩部分，按鍵區只有一部分與銀漿線(xiàn)導通，另一部分已經(jīng)與銀漿線(xiàn)斷開(kāi)。整改后制品為橫向銀漿線(xiàn)結構，如果在按鍵區出現縱向的折痕，雖然ITO被折斷成兩部分，但是兩部分都和銀漿線(xiàn)連接，只要銀漿線(xiàn)不斷,按鍵靈敏度不會(huì )受到大的影響。從驗證的情況看整改后制品橫向銀漿線(xiàn)可靠性較高此種空調用導電薄膜的線(xiàn)路結構同樣也使用于帶有觸屏結構的中央空調、小家電產(chǎn)品及冰箱洗衣機等家電產(chǎn)品。

　　1）具體實(shí)施方式首先確定更改后的銀漿線(xiàn)路走線(xiàn)方式，然后確定銀漿線(xiàn)路寬度、長(cháng)度等，按照更改后的銀漿線(xiàn)路圖設計網(wǎng)版，網(wǎng)版開(kāi)孔寬度保持和銀漿線(xiàn)路寬度一致。按照設定好的具體的線(xiàn)路圖設計網(wǎng)版的結構。

　　將導電銀漿用塑料攪油刀輕輕攪拌，如用金屬刀，膠罐可能被割破，形成銀油內粘上微粒，絲印時(shí)會(huì )割破網(wǎng)版。導電銀漿是即用產(chǎn)品，如果要稀釋?zhuān)枰褂秘愄乩鸛SJ-211稀釋劑，但加入不超過(guò)3%（質(zhì)量計）用標準的絲網(wǎng)印刷方法絲印，膜干固的厚度直接影響導電性能，而膜厚度和網(wǎng)目的疏密、網(wǎng)刮的質(zhì)地，曬網(wǎng)漿的厚度有關(guān)。

　　2)建議膜厚

　　6-10 μm（即0.006 mm～0.10 mm），絲網(wǎng)形式：300-420目聚酯絲網(wǎng)或不銹鋼絲網(wǎng)印刷。刮膠：PU膠刮或者其他耐溶性的膠刮，用聚酯絲網(wǎng)時(shí)，膠刮硬度60～70度，如用不銹鋼絲網(wǎng)，可用硬一些的，如70～80度。

　　3)固化條件

　　導電銀漿印刷后最低限度PET片要130度，烘烤40分鐘，玻璃片150度烘烤50分鐘。溫度再高些，時(shí)間長(cháng)些，固化出來(lái)的銀漿線(xiàn)路的性能會(huì )更好。也可以使用紅外焗爐固化，若固化不足會(huì )令導電性能及附著(zhù)力減弱。

　　清潔時(shí)使用MEK、MIBK同類(lèi)的溶劑。銀漿貯存最佳使用期是原罐出廠(chǎng)后3個(gè)月內，將印刷導電銀漿貯存于5～25度的溫度下要留意不要將油墨凍結，在不用時(shí)應經(jīng)常保持緊蓋，在陰涼及通風(fēng)的地方貯存，空罐也應妥善處理，不應隨便丟棄。

　　4.2 可靠性方案二設計更改銀漿線(xiàn)多邊走線(xiàn)設計(按鍵靈敏度、可靠性提升)

　　整改前的結構是導電油墨區域一面連接銀漿線(xiàn)路，將導電油區域周?chē)嫒坑勉y漿線(xiàn)路連接方案整改前后差異如圖7、圖8，可大幅度提高按鍵區域的靈敏度。實(shí)際實(shí)驗驗證該方案可靠性相對整改前提升60%

　　4.3 可靠性方案三更改電極材質(zhì)——電極提升抗彎折能力

　　ITO電極材質(zhì)為氧化銦錫，其柔韌性較導電油墨差很多，ITO電極導電薄膜缺點(diǎn)：銦金屬稀少且價(jià)格高昂,ITO透明導電薄膜自身的機械脆性致使其彎折易失效等缺點(diǎn), ITO（氧化銦錫）為濺射蒸鍍工藝，材料特性導致其柔韌性差，可撓曲性差。使ITO在柔性薄膜的運用上具有很大的局限性。

　　PEDOT電極材質(zhì)是高分子聚合物，是柔性的高分子材料的導電油墨，型號是賀利氏廠(chǎng)家 Clevios PEDOT。此材料是一種含有聚陰離子的替代型聚噻吩離子鍵聚合復合物，是目前發(fā)現的導電性能最高的材料，特性是低電阻、可實(shí)現柔性折疊,低霧度、透光好、可印刷，柔韌性好，易加工，是非常具有應用潛力的理想柔性透明電極，目前廣泛應用于可穿戴設備；

　　導電薄膜有ITO、PEDOT兩種工藝電極材質(zhì)，各有各的好處，ITO阻抗小，透明度好，PEDOT工藝柔性好，但是阻抗大，透明度不好，同時(shí)各個(gè)廠(chǎng)家的工藝水平也不同。

　　5 ITO電極材質(zhì)與PEDOT電極材質(zhì)耐彎折性試驗對比

　　抽取庫存兩個(gè)不同電極材質(zhì)物料依據企標實(shí)驗條件進(jìn)行抗彎折實(shí)驗對比，實(shí)驗對比情況如下。

　　兩個(gè)電極耐彎折性試驗驗證對比結果通過(guò)驗證發(fā)現PEDOT電極材質(zhì)導電油模墨制品的抗彎曲強度明顯優(yōu)于ITO電極材質(zhì)，實(shí)際測試數據顯示會(huì )高很多，多次彎折后不影響性能（驗證使用導電油為賀利氏廠(chǎng)家 Clevios S V4 Stab型號）

　　6 結論

　　本文結合大量失效品分析，對導電薄膜失效原因及失效機理分析，分析結果表明導電薄膜采用ITO電極該電極材質(zhì)抗彎曲能力差，裝配不當非常容易導致電極折彎產(chǎn)生開(kāi)裂， 經(jīng)過(guò)對電極失效機理分析確定采取調整銀漿走線(xiàn)設計、多邊走線(xiàn)設計及重新選型電極材質(zhì)，經(jīng)過(guò)實(shí)際試驗驗證可以大幅度提導電薄膜按鍵靈敏性及可靠性，從器件本身提高器件的整體可靠性。該整改思路新穎，相關(guān)整改方案已經(jīng)得到實(shí)際跟蹤驗證，取得非常大經(jīng)濟效益，整改思路及可靠性提升方案行業(yè)均可借鑒。

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      （注：本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第06期第43頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。）