CN103694796B - 一种印制电路板埋嵌电阻喷墨打印油墨的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种印制电路板埋嵌电阻喷墨打印油墨的制作方法。该制作方法，首先将环氧树脂和固化剂、炭黑颗粒、溶剂按以下重量百分比混合在一起并搅拌均匀，其中，环氧树脂和固化剂共占20～50%、炭黑颗粒2～10%，余量为溶剂；然后，将搅拌均匀的混合物放到超声波中进行分散处理；接着，将经过分散处理后的混合物放置在80-200℃的热台上，并持续搅拌1-12小时。本发明以环氧树脂作为粘接剂，炭黑作为填料，溶剂作为稀释剂，通过嫁接的方法，实现将环氧树脂嫁接在炭黑上，实现炭黑与溶剂之间的互溶性，提高了炭黑的分散性，由该方法制得的油墨滴在基板上以后不会出现分层的情况，而且固化后形成的方块电阻的阻值也较高。适合在印制电路板制造技术领域推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及印制电路板制造技术领域，具体涉及一种印制电路板埋嵌电阻喷墨打印油墨的制作方法。
背景技术
随着电子产品沿多功能，轻量化以及高集成化方向发展，信号传输的载体——印制电路板的表面逐渐拥挤。为节约电路板表面上的空间，以电阻，电感及电容为代表的无源器件被转移到了电路板内部。这种埋入在印制电路内部的器件称为埋嵌无源器件，相应的电阻，电感及电容称为埋嵌电阻，埋嵌电感及埋嵌电导。现在使用的电阻埋嵌材料主要有Ni-P，Ni-Cr，碳浆，LaB6陶瓷浆等[参考文献:(1)H.Czarczyfiska,A.Dziedzic,B.W.Licznerski,M.Lukaszewicz and A.Seweryn,Fabrication and electrical properties of carbon/polyesterimidethick resistive films,Microelectronics Journal,24(1993)689-696;(2)B.S.Hoffheins and R.J.Lauf,New Materials for Thick-Film Electronics,Prepared by the Oak Ridge National LaboratoryOperated by Martin Marietta Energy Systems,Inc.for the U.S.Department of Energy underContract DE-AC05-84OR21400(1990)29.]。Ni-P，Ni-Cr材料由于其电阻率低[参考文献:(3)S.K.Bhattacharya,M.G.Varadarajan,P.Chahal,G.C.Jha and R.R.Tummala,A novel electrolessprocess for embedding a thin film resistor on the benzocyclobutene dielectric.J.Electron.Mater.,36(2007)242-244.(4)L.F.Lai,W.J.Zeng,X.Z.Fu,R.Sun and R.X.Du,Annealing effect onthe electrical properties and microstructure of embedded Ni-Cr thin film resistor,J.Alloy.Compd.,538(2012)125-130.]，其制作的埋嵌电阻只能替代印制电路中部分低阻值的电阻器。我们对Ni-P材料的结构进行的修饰，使得其电阻值增加了十倍，因而能替代更高阻值的电阻[参考文献：(5)何为，周国云，王守绪，杨小健，张怀武，一种埋嵌式电阻材料的制备方法,ZL201110233366.X;(6)G.Y.Zhou,W.He,S.X.Wang,C.Y.Chen and C.P.Wong,Fabrication of anovel porous Ni-P thin-film using electroless-plating:Application to embedded thin-film resistor,Materials letters108(2013)75-78]。碳浆，LaB6陶瓷浆电阻率较高，其制作的器件能够替代阻值较高的电阻。
Ni-P，Ni-Cr，碳浆及LaB6陶瓷浆分别通过化学镀，溅射，丝网印刷等方式制作电阻图形。每次只能使用一种电阻材料配方。由于每个配方阻值是固定的，在图形尺寸的限制下，每次制作的电阻只能局限在该材料方块电阻阻值的0.1倍到100倍之间[参考文献：(7)H.F.Lee,C.Y.Chan and C.S.Tang,Embedding capacitors and resistors into printed circuit boards using asequential lamination technique,journal of materials processing technology207(2008)72–88]。这使得埋嵌电阻每次制作只能替代电路板表面部分电阻器件。通过喷墨打印技术，实现多针头同时打印。在不同针头打印不同阻值油墨的前提下，可以一次性地制作出阻值覆盖范围较广的埋嵌电阻器。但是，现有的油墨滴在基板上以后容易分层，分散性不好，而且固化后的Tg较低，固化后形成的方块电阻阻值较小。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种印制电路板埋嵌电阻喷墨打印油墨的制作方法，由该方法制得的油墨滴在基板上以后不会出现分层的情况，分散性较好。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该印制电路板埋嵌电阻喷墨打印油墨的制作方法，包括以下步骤：
A、将环氧树脂和固化剂、炭黑颗粒、溶剂按以下重量百分比混合在一起并搅拌均匀，其中，环氧树脂和固化剂共占20～50%、炭黑颗粒2～10%，余量为溶剂；
B、将搅拌均匀的混合物放到超声波中进行分散处理；
C、将经过分散处理后的混合物放置在80-200℃的热台上，并持续搅拌1-12小时。
进一步的是，所述环氧树脂与固化剂的质量比为1：0.8。
进一步的是，所述环氧树脂为双酚A酚醛树脂、双酚F酚醛树脂、3,4-环氧环己基甲基3,4-环氧环己基甲酸酯三种中的至少一种。
进一步的是，所述固化剂为四氢苯酐、甲基四氢苯酐、六氢苯酐、甲基六氢苯酐四种中的至少一种。
进一步的是，所述炭黑颗粒的粒径在20-80纳米之间，电阻率小于0.1Ω.cm。
进一步的是，所述溶剂为丙酮或丁酮或环己酮或丙二醇单甲醚乙酸酯。
进一步的是，在步骤A中，在将环氧树脂和固化剂、炭黑颗粒、溶剂混合之前，先对炭黑颗粒进行表面处理，所述表面处理包括如下过程，首先对炭黑颗粒进行臭氧氧化处理或400-500℃高温加热或硝酸氧化处理，然后加入氢氧化钾进行化学反应。
进一步的是，在步骤B中，将搅拌均匀的混合物放到超声波中进行分散处理的时间为1小时。
本发明的有益效果：本发明所述的印制电路板埋嵌电阻喷墨打印油墨的制作方法以环氧树脂作为粘接剂，炭黑作为填料，溶剂作为稀释剂，通过嫁接的方法，实现将环氧树脂嫁接在炭黑上，实现炭黑与溶剂之间的互溶性，提高炭黑的分散性，由该方法制得的油墨滴在基板上以后不会出现分层的情况，分散性较好，而且固化后形成的电阻具有较高的Tg，可以实现方块电阻在1000欧姆（厚度20微米）及1000欧姆以上。
附图说明
图1为本发明环氧树脂嫁接到炭黑表面的TEM图。
图2为未进行表面嫁接的油墨滴到印制电路板的显微镜图。
图3为本发明制得的油墨滴到印制电路板的显微镜图。
图4为本发明制得的油墨固化在钢条上用于测试其Tg的DMA图；
图5为本发明制得的油墨固化后其阻值随着炭黑含量的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
该印制电路板埋嵌电阻喷墨打印油墨的制作方法，包括以下步骤：
A、将环氧树脂和固化剂、炭黑颗粒、溶剂按以下重量百分比混合在一起并搅拌均匀，其中，环氧树脂和固化剂共占20～50%、炭黑颗粒2～10%，余量为溶剂；
B、将搅拌均匀的混合物放到超声波中进行分散处理；
C、将经过分散处理后的混合物放置在80-200℃的热台上，并持续搅拌1-12小时，环氧树脂在高温的情况下，可以与炭黑表面的-COOH或COOK基团反应，实现环氧树脂粘接剂的嫁接，同时，嫁接在炭黑颗粒表面的环氧树脂链还会不断地生长，形成长链的环氧树脂大分子，如图1所示。
本发明所述的印制电路板埋嵌电阻喷墨打印油墨的制作方法以环氧树脂作为粘接剂，炭黑作为填料，溶剂作为稀释剂，通过嫁接的方法，实现将环氧树脂嫁接在炭黑上，实现炭黑与溶剂之间的互溶性，提高炭黑的分散性，由该方法制得的油墨滴在基板上以后不会出现分层的情况，分散性较好，而且固化后形成的电阻具有较高的Tg，可以实现方块电阻在1000欧姆（厚度20微米）及1000欧姆以上。一般来说，压力传感式打印机要求其粘度在0.08-0.25Pa.s及表面张力在30-40dyn/cm之间。可以通过选择加入不同的溶剂及不同的量，调节埋嵌电阻油墨的性能指标，以达到打印要求。
在上述实施方式中，为了保证环氧树脂的粘接效果，所述环氧树脂与固化剂的质量比为1：0.8。
为了提高环氧树脂的粘接效果，所述环氧树脂优选为双酚A酚醛树脂、双酚F酚醛树脂、3,4-环氧环己基甲基3,4-环氧环己基甲酸酯三种中的至少一种。进一步的是，所述固化剂优选为四氢苯酐、甲基四氢苯酐、六氢苯酐、甲基六氢苯酐四种中的至少一种。
为了保证环氧树脂嫁接在炭黑上的嫁接效果，所选取的炭黑颗粒的粒径在20-80纳米之间，电阻率小于0.1Ω.cm。
为了提高炭黑与溶剂之间的互溶性，进一步提高炭黑的分散性，所述溶剂优选为丙酮或丁酮或环己酮或丙二醇单甲醚乙酸酯。
为了更有利于环氧树脂嫁接到炭黑颗粒表面，在步骤A中，在将环氧树脂和固化剂、炭黑颗粒、溶剂混合之前，先对炭黑颗粒进行表面处理，所述表面处理包括如下过程，首先对炭黑颗粒进行臭氧氧化处理或400-500℃高温加热或硝酸氧化处理，提高羟基，羧基等基团的含量，然后加入氢氧化钾进行化学反应，形成含羧酸钾-COOK基团的结构。
为了保证炭黑颗粒的分散效果，在步骤B中，将搅拌均匀的混合物放到超声波中进行分散处理的时间为1小时。
对比实施例1
将0.90g树脂（双酚A酚醛树脂，3,4-环氧环己基甲基3,4-环氧环己基甲酸酯，4-甲基六氢苯酐按质量比1：1：1.6混合)，0.10g粒径40-50nm的炭黑颗粒，1.8g PMA(丙二醇单甲醚乙酸酯)混合一起，搅拌后，将其放置在超声中分散1个小时，获得埋嵌电阻油墨。
搅拌均匀后，将埋嵌电阻油墨滴到印制电路板基板上。油墨在基板上铺开，分离了三层，从内到外依次为炭黑+树脂+溶剂层，树脂+溶剂层以及溶剂层，如图2所示。粘度测试显示该油墨粘度为0.16Pa.s。将油墨固化后，其电阻阻值为3.8kΩ/□（厚度20μm）。
对比实施例2
将0.90g树脂（双酚A酚醛树脂，3,4-环氧环己基甲基3,4-环氧环己基甲酸酯，4-甲基六氢苯酐按质量比1：1：1.6混合)，0.10g粒径40-50nm的炭黑，1.8g PMA(丙二醇单甲醚乙酸酯)混合一起，搅拌后，将其放置在超声波中分散1个小时。超声分散后，将油墨放置温度为180℃的热台上，并辅于400r/min的搅拌速度1个小时，对炭黑颗粒进行表面嫁接。
搅拌均匀后，将埋嵌电阻油墨滴到印制电路板基板上。油墨在基板上铺开，分离了三层，从内到外依次为炭黑+树脂+溶剂层，树脂+溶剂层以及溶剂层。由于本实施例搅拌时间不够，树脂未完全嫁接在炭黑表面，相比实施例1，虽然本实施方案的分层现象有所缓解，但仍然存在分层现象。粘度测试显示该油墨粘度为0.88Pa.s。
实施例3
将0.90g树脂（双酚A酚醛树脂，3,4-环氧环己基甲基3,4-环氧环己基甲酸酯，4-甲基六氢苯酐按质量比1：1：1.6混合)，0.10g粒径40-50nm的炭黑颗粒，1.8g PMA(丙二醇单甲醚乙酸酯)混合一起，搅拌后，将其放置在超声波中分散1个小时。超声分散后，将油墨放置温度为180℃的热台上，并辅于400r/min的搅拌速度4个小时，对炭黑颗粒进行表面嫁接。
搅拌均匀后，将埋嵌电阻油墨滴到印制电路板基板上。油墨在基板上铺开，油墨没有分层，如图3所示，炭黑很好地分散在树脂与溶剂的混合液中。粘度测试显示该油墨粘度为0.85Pa.s。将油墨固化5个小时后，其电阻阻值为100kΩ/□（厚度20μm）。
实施例4
将0.83g树脂（双酚A酚醛树脂，3,4-环氧环己基甲基3,4-环氧环己基甲酸酯，4-甲基六氢苯酐按质量比1：1：1.6混合)，0.17g粒径40-50nm的炭黑颗粒，1.8g PMA(丙二醇单甲醚乙酸酯)混合一起，搅拌后，将其放置在超声波中分散1个小时。超声分散后，将油墨放置温度为180℃的热台上，并辅于400r/min的搅拌速度4个小时，对炭黑颗粒进行表面嫁接。
搅拌均匀后，将埋嵌电阻油墨滴到印制电路板基板上。油墨在基板上铺开，油墨没有分层，如图3所示，炭黑很好地分散在树脂与溶剂的混合液中。将油墨固化5个小时后，其电阻阻值为1.2kΩ/□（厚度20μm）。
实施例5
将0.90g树脂（双酚A酚醛树脂，3,4-环氧环己基甲基3,4-环氧环己基甲酸酯，4-甲基六氢苯酐按质量比1：1：1.6混合)，0.10g粒径40-50nm的炭黑颗粒，1.8g环己酮混合一起，搅拌后，将其放置在超声波中分散1个小时。超声分散后，将油墨放置温度为180℃的热台上，并辅于400r/min的搅拌速度4个小时，对炭黑颗粒进行表面嫁接。
搅拌均匀后，将埋嵌电阻油墨滴到印制电路板基板上。油墨在基板上铺开，油墨没有分层，如图3所示，炭黑很好地分散在树脂与溶剂的混合液中。
实施例6
将0.90g树脂（双酚A酚醛树脂，3,4-环氧环己基甲基3,4-环氧环己基甲酸酯，4-甲基六氢苯酐按质量比1：1：1.6混合)，0.10g粒径40-50nm的炭黑颗粒，1.8g丁酮混合一起，搅拌后，将其放置在超声波中分散1个小时。超声分散后，将油墨放置温度为180℃的热台上，并辅于400r/min的搅拌速度8个小时，对炭黑颗粒进行表面嫁接。
搅拌均匀后，将埋嵌电阻油墨滴到印制电路板基板上。油墨在基板上铺开，油墨没有分层，如图3所示，炭黑很好地分散在树脂与溶剂的混合液中。
实施例7
将0.90g树脂（双酚A酚醛树脂，3,4-环氧环己基甲基3,4-环氧环己基甲酸酯，4-甲基六氢苯酐按质量比1：1：1.6混合)，0.10g粒径40-50nm的炭黑颗粒，1.8g PMA(丙二醇单甲醚乙酸酯)混合一起，搅拌后，将其放置在超声波中分散1个小时。超声分散后，将油墨放置温度为180℃的热台上，并辅于400r/min的搅拌速度4个小时，对炭黑颗粒进行表面嫁接。
搅拌均匀后，将埋嵌电阻油墨覆盖到钢片上，在180℃，持续5个小时进行固化。将该钢片放置DMA中测试其机械性能，得出如图4所示的油墨固化在钢条上用于测试其Tg的DMA图，由图中可以看出其机械性能的变化显示油墨固化后的Tg为180℃，高于现有的油墨固化后的Tg值。
实施例8
将炭黑颗粒放置臭氧环境中氧化30min，再加入到2mol/L的氢氧化钾的溶液中恒温120℃2个小时形成-COOK基团。通过离心的方法将炭黑析出，并放置真空干燥箱中120℃干燥12个小时。
将上述获得的炭黑0.10g加入到0.90g树脂（双酚A酚醛树脂，3,4-环氧环己基甲基3,4-环氧环己基甲酸酯，4-甲基六氢苯酐按质量比1：1：1.6混合)和1.8g PMA(丙二醇单甲醚乙酸酯)的混合液中，搅拌后，将其放置在超声波中分散1个小时。超声分散后，将油墨放置温度为180℃的热台上，并辅于400r/min的搅拌速度4个小时，对炭黑颗粒进行表面嫁接。
将获得的油墨固化5个小时后，数个样品获得的阻值在10000kΩ/□左右（厚度20μm）。
图5为本发明制得的油墨固化后其阻值随着炭黑含量的变化曲线图，由图5可以得知，随着炭黑含量的逐渐增加，油墨固化后的方块阻值逐渐减小。
Claims (8)
1.一种印制电路板埋嵌电阻喷墨打印油墨的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
A、将环氧树脂和固化剂、炭黑颗粒、溶剂按以下重量百分比混合在一起并搅拌均匀，其中，环氧树脂和固化剂共占20～50％、炭黑颗粒2～10％，余量为溶剂；
B、将搅拌均匀的混合物放到超声波中进行分散处理；
C、将经过分散处理后的混合物放置在80-200℃的热台上，并持续搅拌4-12小时。
2.如权利要求1所述的印制电路板埋嵌电阻喷墨打印油墨的制作方法，其特征在于：所述环氧树脂与固化剂的质量比为1：0.8。
3.如权利要求2所述的印制电路板埋嵌电阻喷墨打印油墨的制作方法，其特征在于：所述环氧树脂为双酚A酚醛树脂、双酚F酚醛树脂、3,4-环氧环己基甲基3,4-环氧环己基甲酸酯三种中的至少一种。
4.如权利要求2所述的印制电路板埋嵌电阻喷墨打印油墨的制作方法，其特征在于：所述固化剂为四氢苯酐、甲基四氢苯酐、六氢苯酐、甲基六氢苯酐四种中的至少一种。
5.如权利要求1所述的印制电路板埋嵌电阻喷墨打印油墨的制作方法，其特征在于：所述炭黑颗粒的粒径在20-80纳米之间，电阻率小于0.1Ω.cm。
6.如权利要求1所述的印制电路板埋嵌电阻喷墨打印油墨的制作方法，其特征在于：所述溶剂为丙酮或丁酮或环己酮或丙二醇单甲醚乙酸酯。
7.如权利要求1所述的印制电路板埋嵌电阻喷墨打印油墨的制作方法，其特征在于：在步骤A中，在将环氧树脂和固化剂、炭黑颗粒、溶剂混合之前，先对炭黑颗粒进行表面处理，所述表面处理包括如下过程，首先对炭黑颗粒进行臭氧氧化处理或400-500℃高温加热或硝酸氧化处理，然后加入氢氧化钾进行化学反应。
8.如权利要求7所述的印制电路板埋嵌电阻喷墨打印油墨的制作方法，其特征在于：在步骤B中，将搅拌均匀的混合物放到超声波中进行分散处理的时间为1小时。
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