PET基ITO 導(dǎo)電薄膜的可靠性研究

　　項(xiàng)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(jī)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)大量按鍵不靈敏、按鍵失靈故障，在經(jīng)過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及實(shí)際主板失效分析確定是柜機(jī)中導(dǎo)電薄膜電極受力彎折開裂開路失效，本文結(jié)合大量失效品分析，對(duì)導(dǎo)電薄膜失效原因及失效機(jī)理分析，分析結(jié)果表明：導(dǎo)電薄膜采用ITO電極該電極材質(zhì)抗彎曲能力差，裝配不當(dāng)非常容易導(dǎo)致電極折彎產(chǎn)生開裂，經(jīng)過對(duì)ITO電極失效機(jī)理分析確定采取調(diào)整銀漿走線設(shè)計(jì)、銀漿線路多邊走線設(shè)計(jì)及重新選型ITO電極材質(zhì)，經(jīng)過實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以大幅度提高電薄膜按鍵靈敏性及應(yīng)用可靠性，從器件本身提高器件的整體可靠性。

　　關(guān)鍵詞：導(dǎo)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(duì)透明導(dǎo)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(nèi)研究和應(yīng)用最廣泛的透明導(dǎo)電薄膜是ITO薄膜。透明導(dǎo)電薄膜(ITO)作為一種獨(dú)特的光電功能材料,兼具了較高的可見光透過性和良好的導(dǎo)電性能,受到人們的青睞。由王其優(yōu)異的光電特性，ITO導(dǎo)電薄膜產(chǎn)品以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)由此應(yīng)運(yùn)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(jī)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(yīng)用。

　　ITO導(dǎo)電薄膜是一種N型半導(dǎo)體材料，具有高的導(dǎo)電率、高可見光透光率、高機(jī)械強(qiáng)度、良好化學(xué)穩(wěn)定性，是一種兼?zhèn)涓邔?dǎo)電及可見光波段的高透明特性的基礎(chǔ)光電材料。作為 空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等家電類設(shè)備觸控面板的使用導(dǎo)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(dǎo)電薄膜作為綜合性能最佳的透明率90%導(dǎo)電薄膜占市場(chǎng)80%份額。

　　1 導(dǎo)電薄膜觸控原理解析

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

　　2 導(dǎo)電薄膜按鍵失靈原因及失效機(jī)理分析

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

　　A公司導(dǎo)電薄膜是使用在高端變頻空調(diào)內(nèi)機(jī)顯示按鍵區(qū)的一種器件。通過觸控操作來切換不同功能指令，導(dǎo)電薄膜是貼裝在空調(diào)面板上，人手通過觸碰面板，導(dǎo)電薄膜按鍵區(qū)受到感應(yīng)后容值上升，通過線路將信號(hào)傳遞給主芯片，主芯片做出相應(yīng)的指令。空調(diào)行業(yè)使用的導(dǎo)電薄膜多為觸摸式ITO導(dǎo)電薄膜，ITO電極材質(zhì)較硬且脆，使用過程中稍微受力即可能出現(xiàn)細(xì)小的裂紋，導(dǎo)致該按鍵失效。經(jīng)過實(shí)際故障品分析及實(shí)驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證ITO導(dǎo)電薄膜產(chǎn)品貼裝不當(dāng)二次稍微拉起即會(huì)產(chǎn)生折痕，此種折痕會(huì)導(dǎo)致ITO電極產(chǎn)生裂痕，出現(xiàn)失效；A公司過程批量失效如下圖2藍(lán)色方框內(nèi)折痕。

　　物料整體結(jié)構(gòu)如下圖：（白色區(qū)域?yàn)榘存I區(qū)，黃色線條為銀漿線）

　　3 模擬故障再現(xiàn)

　　正常貼裝

　　貼裝10 PCS導(dǎo)電薄膜，測(cè)試按鍵靈敏度無異常，導(dǎo)電薄膜無折痕。

　　驗(yàn)證非正常貼裝

　　從中間部分向兩端貼裝，如果導(dǎo)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(dǎo)電薄膜，在貼裝與未貼區(qū)域之間會(huì)存在縱向的折痕，如果折痕在按鍵區(qū)，實(shí)際裝配測(cè)試就會(huì)出現(xiàn)按鍵不靈敏問題，如下表1所示。

　　模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

　　該導(dǎo)電薄膜使用是目前廣泛應(yīng)用ITO電極材質(zhì)，ITO電極抗彎折能力較差，受彎折易出現(xiàn)折痕導(dǎo)致開路失效，表現(xiàn)按鍵不靈敏、嚴(yán)重按鍵失靈，導(dǎo)電薄膜貼裝必須一次貼裝完成，貼裝不良直接報(bào)廢處理。

　　4 導(dǎo)電薄膜可靠性提升方案

　　4.1 可靠性方案一 設(shè)計(jì)更改銀漿線走線方向設(shè)計(jì)(按鍵靈敏度、可靠性提升)

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

　　可靠性方案一設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)在于優(yōu)化銀漿線路的走線方式，提出一種導(dǎo)電薄膜的設(shè)計(jì)思路，根據(jù)實(shí)際使用情況，將導(dǎo)電薄膜按鍵區(qū)銀漿線路的走線方向（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(dǎo)電薄膜使用時(shí)操作方式為橫向貼裝，則導(dǎo)電薄膜按鍵區(qū)的銀漿線應(yīng)該設(shè)計(jì)成橫向走線。反之，縱向貼裝，則走線設(shè)計(jì)成縱向結(jié)構(gòu)。此種線路設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于即使貼裝的過程中受到外力，按鍵區(qū)各部分還是和銀漿線路相連通，對(duì)整體性能影響不大。是一種有效解決導(dǎo)電薄膜按鍵失靈失效可靠解決方案。

　　整改前后思路具體說明：整改前制品為縱向銀漿線結(jié)構(gòu)，如果在按鍵區(qū)出現(xiàn)縱向的折痕，ITO被折斷成兩部分，按鍵區(qū)只有一部分與銀漿線導(dǎo)通，另一部分已經(jīng)與銀漿線斷開。整改后制品為橫向銀漿線結(jié)構(gòu)，如果在按鍵區(qū)出現(xiàn)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連接，只要銀漿線不斷,按鍵靈敏度不會(huì)受到大的影響。從驗(yàn)證的情況看整改后制品橫向銀漿線可靠性較高此種空調(diào)用導(dǎo)電薄膜的線路結(jié)構(gòu)同樣也使用于帶有觸屏結(jié)構(gòu)的中央空調(diào)、小家電產(chǎn)品及冰箱洗衣機(jī)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路走線方式，然后確定銀漿線路寬度、長(zhǎng)度等，按照更改后的銀漿線路圖設(shè)計(jì)網(wǎng)版，網(wǎng)版開孔寬度保持和銀漿線路寬度一致。按照設(shè)定好的具體的線路圖設(shè)計(jì)網(wǎng)版的結(jié)構(gòu)。

　　將導(dǎo)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(nèi)粘上微粒，絲印時(shí)會(huì)割破網(wǎng)版。導(dǎo)電銀漿是即用產(chǎn)品，如果要稀釋，需要使用貝特利XSJ-211稀釋劑，但加入不超過3%（質(zhì)量計(jì)）用標(biāo)準(zhǔn)的絲網(wǎng)印刷方法絲印，膜干固的厚度直接影響導(dǎo)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(dǎo)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(zhǎng)些，固化出來的銀漿線路的性能會(huì)更好。也可以使用紅外焗爐固化，若固化不足會(huì)令導(dǎo)電性能及附著力減弱。

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

　　4.2 可靠性方案二設(shè)計(jì)更改銀漿線多邊走線設(shè)計(jì)(按鍵靈敏度、可靠性提升)

　　整改前的結(jié)構(gòu)是導(dǎo)電油墨區(qū)域一面連接銀漿線路，將導(dǎo)電油區(qū)域周圍三面全部用銀漿線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(qū)域的靈敏度。實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方案可靠性相對(duì)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(dǎo)電油墨差很多，ITO電極導(dǎo)電薄膜缺點(diǎn)：銦金屬稀少且價(jià)格高昂,ITO透明導(dǎo)電薄膜自身的機(jī)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(dǎo)致其柔韌性差，可撓曲性差。使ITO在柔性薄膜的運(yùn)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(dǎo)電油墨，型號(hào)是賀利氏廠家 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(fù)合物，是目前發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)電性能最高的材料，特性是低電阻、可實(shí)現(xiàn)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(yīng)用潛力的理想柔性透明電極，目前廣泛應(yīng)用于可穿戴設(shè)備；

　　導(dǎo)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(yàn)對(duì)比

　　抽取庫(kù)存兩個(gè)不同電極材質(zhì)物料依據(jù)企標(biāo)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行抗彎折實(shí)驗(yàn)對(duì)比，實(shí)驗(yàn)對(duì)比情況如下。

　　兩個(gè)電極耐彎折性試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比結(jié)果通過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)PEDOT電極材質(zhì)導(dǎo)電油模墨制品的抗彎曲強(qiáng)度明顯優(yōu)于ITO電極材質(zhì)，實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)顯示會(huì)高很多，多次彎折后不影響性能（驗(yàn)證使用導(dǎo)電油為賀利氏廠家 Clevios S V4 Stab型號(hào)）

　　6 結(jié)論

　　本文結(jié)合大量失效品分析，對(duì)導(dǎo)電薄膜失效原因及失效機(jī)理分析，分析結(jié)果表明導(dǎo)電薄膜采用ITO電極該電極材質(zhì)抗彎曲能力差，裝配不當(dāng)非常容易導(dǎo)致電極折彎產(chǎn)生開裂， 經(jīng)過對(duì)電極失效機(jī)理分析確定采取調(diào)整銀漿走線設(shè)計(jì)、多邊走線設(shè)計(jì)及重新選型電極材質(zhì)，經(jīng)過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證可以大幅度提導(dǎo)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(yàn)證，取得非常大經(jīng)濟(jì)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)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。）