PET基ITO 导电薄膜的可靠性研究

　　项永金，戴银燕（格力电器（合肥）有限公司，安徽合肥  230088）

　　摘 要：18年A公司高端变频圆筒柜机在实际应用中出现大量按键不灵敏、按键失灵故障，在经过大量数据统计分析及实际主板失效分析确定是柜机中导电薄膜电极受力弯折开裂开路失效，本文结合大量失效品分析，对导电薄膜失效原因及失效机理分析，分析结果表明：导电薄膜采用ITO电极该电极材质抗弯曲能力差，装配不当非常容易导致电极折弯产生开裂，经过对ITO电极失效机理分析确定采取调整银浆走线设计、银浆线路多边走线设计及重新选型ITO电极材质，经过实际实验验证可以大幅度提高电薄膜按键灵敏性及应用可靠性，从器件本身提高器件的整体可靠性。

　　关键词：导电薄膜；ITO电极；按键灵敏度；电极材质；多边电极

　　0 引言

　　随着显示器件行业飞速发展，光电行业正在向器件柔性化和轻量化方向发展,其对透明导电薄膜性能与工艺等方面的要求也更为苛刻。目前,世界范围内研究和应用最广泛的透明导电薄膜是ITO薄膜。透明导电薄膜(ITO)作为一种独特的光电功能材料,兼具了较高的可见光透过性和良好的导电性能,受到人们的青睐。由王其优异的光电特性，ITO导电薄膜产品以绝对优势由此应运而生，触控技术目前技术非常成熟，广泛使用于电子产品、家用电器、工程机械方面。在太阳能电池、气体传感器、液晶显示等领域得到了广泛应用。

　　ITO导电薄膜是一种N型半导体材料，具有高的导电率、高可见光透光率、高机械强度、良好化学稳定性，是一种兼备高导电及可见光波段的高透明特性的基础光电材料。作为 空调、冰箱、洗衣机等家电类设备触控面板的使用导电薄膜的关键电极材料，在电器产品平面显示、可视化触摸屏、薄膜太阳能电池等领域具有巨大的市场需求。ITO导电薄膜作为综合性能最佳的透明率90%导电薄膜占市场80%份额。

　　1 导电薄膜触控原理解析

　　ITO导电薄膜是采用磁控溅射的方法，在透明有机薄膜材料上溅射透明氧化铟锡导电薄膜镀层并经过高温退火处理得到高科技产品，导电薄膜的工作原理为手指接触按键区（ITO电极）后按键区感应容值上升后，芯片根据检测到电路回路容值变化率来来判断是否有执行按键触控通过计算判断进行不同的功能切换，按键灵敏度与芯片感应的容值变化大小有关。具体工作原理如下图1。

　　2 导电薄膜按键失灵原因及失效机理分析

　　导电薄膜是一种具有导电功能的氧化铟锡薄膜，薄膜材料基材通常为PET材料。在PET膜上通过磁控溅射的方式在薄膜基材表面形成以稀有金属In（铟）为主要材料的ITO靶材而制成。

　　A公司导电薄膜是使用在高端变频空调内机显示按键区的一种器件。通过触控操作来切换不同功能指令，导电薄膜是贴装在空调面板上，人手通过触碰面板，导电薄膜按键区受到感应后容值上升，通过线路将信号传递给主芯片，主芯片做出相应的指令。空调行业使用的导电薄膜多为触摸式ITO导电薄膜，ITO电极材质较硬且脆，使用过程中稍微受力即可能出现细小的裂纹，导致该按键失效。经过实际故障品分析及实验模拟验证ITO导电薄膜产品贴装不当二次稍微拉起即会产生折痕，此种折痕会导致ITO电极产生裂痕，出现失效；A公司过程批量失效如下图2蓝色方框内折痕。

　　物料整体结构如下图：（白色区域为按键区，黄色线条为银浆线）

　　3 模拟故障再现

　　正常贴装

　　贴装10 PCS导电薄膜，测试按键灵敏度无异常，导电薄膜无折痕。

　　验证非正常贴装

　　从中间部分向两端贴装，如果导电薄膜中间部分已经贴在面板上，两端部分未贴装时，再拉起导电薄膜，在贴装与未贴区域之间会存在纵向的折痕，如果折痕在按键区，实际装配测试就会出现按键不灵敏问题，如下表1所示。

　　模拟实验结论：

　　该导电薄膜使用是目前广泛应用ITO电极材质，ITO电极抗弯折能力较差，受弯折易出现折痕导致开路失效，表现按键不灵敏、严重按键失灵，导电薄膜贴装必须一次贴装完成，贴装不良直接报废处理。

　　4 导电薄膜可靠性提升方案

　　4.1 可靠性方案一 设计更改银浆线走线方向设计(按键灵敏度、可靠性提升)

　　改变银浆线路的走线方式，将走线方向与贴装的方向一致，贴装的方式如图4，图中导电薄膜银浆线路为横向走线，贴装的方式先贴中间后贴两边，为横向贴装，贴装的过程中受横向力，如果银浆线路也为横向走线，即使受到外力，按键区各部分还是和银浆线路相连通，对整体性能影响不大。（银浆线路走线设计更改前后对比如图5、图6。

　　可靠性方案一设计优点在于优化银浆线路的走线方式，提出一种导电薄膜的设计思路，根据实际使用情况，将导电薄膜按键区银浆线路的走线方向（这里指横向和纵向）与使用时的贴装的方向一致。即如果导电薄膜使用时操作方式为横向贴装，则导电薄膜按键区的银浆线应该设计成横向走线。反之，纵向贴装，则走线设计成纵向结构。此种线路设计的优点在于即使贴装的过程中受到外力，按键区各部分还是和银浆线路相连通，对整体性能影响不大。是一种有效解决导电薄膜按键失灵失效可靠解决方案。

　　整改前后思路具体说明：整改前制品为纵向银浆线结构，如果在按键区出现纵向的折痕，ITO被折断成两部分，按键区只有一部分与银浆线导通，另一部分已经与银浆线断开。整改后制品为横向银浆线结构，如果在按键区出现纵向的折痕，虽然ITO被折断成两部分，但是两部分都和银浆线连接，只要银浆线不断,按键灵敏度不会受到大的影响。从验证的情况看整改后制品横向银浆线可靠性较高此种空调用导电薄膜的线路结构同样也使用于带有触屏结构的中央空调、小家电产品及冰箱洗衣机等家电产品。

　　1）具体实施方式首先确定更改后的银浆线路走线方式，然后确定银浆线路宽度、长度等，按照更改后的银浆线路图设计网版，网版开孔宽度保持和银浆线路宽度一致。按照设定好的具体的线路图设计网版的结构。

　　将导电银浆用塑料搅油刀轻轻搅拌，如用金属刀，胶罐可能被割破，形成银油内粘上微粒，丝印时会割破网版。导电银浆是即用产品，如果要稀释，需要使用贝特利XSJ-211稀释剂，但加入不超过3%（质量计）用标准的丝网印刷方法丝印，膜干固的厚度直接影响导电性能，而膜厚度和网目的疏密、网刮的质地，晒网浆的厚度有关。

　　2)建议膜厚

　　6-10 μm（即0.006 mm～0.10 mm），丝网形式：300-420目聚酯丝网或不锈钢丝网印刷。刮胶：PU胶刮或者其他耐溶性的胶刮，用聚酯丝网时，胶刮硬度60～70度，如用不锈钢丝网，可用硬一些的，如70～80度。

　　3)固化条件

　　导电银浆印刷后最低限度PET片要130度，烘烤40分钟，玻璃片150度烘烤50分钟。温度再高些，时间长些，固化出来的银浆线路的性能会更好。也可以使用红外焗炉固化，若固化不足会令导电性能及附着力减弱。

　　清洁时使用MEK、MIBK同类的溶剂。银浆贮存最佳使用期是原罐出厂后3个月内，将印刷导电银浆贮存于5～25度的温度下要留意不要将油墨冻结，在不用时应经常保持紧盖，在阴凉及通风的地方贮存，空罐也应妥善处理，不应随便丢弃。

　　4.2 可靠性方案二设计更改银浆线多边走线设计(按键灵敏度、可靠性提升)

　　整改前的结构是导电油墨区域一面连接银浆线路，将导电油区域周围三面全部用银浆线路连接方案整改前后差异如图7、图8，可大幅度提高按键区域的灵敏度。实际实验验证该方案可靠性相对整改前提升60%

　　4.3 可靠性方案三更改电极材质——电极提升抗弯折能力

　　ITO电极材质为氧化铟锡，其柔韧性较导电油墨差很多，ITO电极导电薄膜缺点：铟金属稀少且价格高昂,ITO透明导电薄膜自身的机械脆性致使其弯折易失效等缺点, ITO（氧化铟锡）为溅射蒸镀工艺，材料特性导致其柔韧性差，可挠曲性差。使ITO在柔性薄膜的运用上具有很大的局限性。

　　PEDOT电极材质是高分子聚合物，是柔性的高分子材料的导电油墨，型号是贺利氏厂家 Clevios PEDOT。此材料是一种含有聚阴离子的替代型聚噻吩离子键聚合复合物，是目前发现的导电性能最高的材料，特性是低电阻、可实现柔性折叠,低雾度、透光好、可印刷，柔韧性好，易加工，是非常具有应用潜力的理想柔性透明电极，目前广泛应用于可穿戴设备；

　　导电薄膜有ITO、PEDOT两种工艺电极材质，各有各的好处，ITO阻抗小，透明度好，PEDOT工艺柔性好，但是阻抗大，透明度不好，同时各个厂家的工艺水平也不同。

　　5 ITO电极材质与PEDOT电极材质耐弯折性试验对比

　　抽取库存两个不同电极材质物料依据企标实验条件进行抗弯折实验对比，实验对比情况如下。

　　两个电极耐弯折性试验验证对比结果通过验证发现PEDOT电极材质导电油模墨制品的抗弯曲强度明显优于ITO电极材质，实际测试数据显示会高很多，多次弯折后不影响性能（验证使用导电油为贺利氏厂家 Clevios S V4 Stab型号）

　　6 结论

　　本文结合大量失效品分析，对导电薄膜失效原因及失效机理分析，分析结果表明导电薄膜采用ITO电极该电极材质抗弯曲能力差，装配不当非常容易导致电极折弯产生开裂， 经过对电极失效机理分析确定采取调整银浆走线设计、多边走线设计及重新选型电极材质，经过实际试验验证可以大幅度提导电薄膜按键灵敏性及可靠性，从器件本身提高器件的整体可靠性。该整改思路新颖，相关整改方案已经得到实际跟踪验证，取得非常大经济效益，整改思路及可靠性提升方案行业均可借鉴。

　　参考文献：

　　[1] 王孝丽.ITO/Ag/ITO透明导电膜性能研究进展 [J]. 山东建筑大学学报,2015-08-15.

　　[2] 杨鑫.ITO透明导电膜的制备及其性能研究 [D]. 天津:天津大学,2014-06-01.

　　[3] 王伟华.柔性ITO透明导电薄膜的研究[D]. 浙江:浙江大学,2007-05-01.

　　[4] 孟庆哲.ITO透明导电薄膜制备工艺及机理的研究 [D]. 浙江:浙江师范大学,2013-05-15.

      （注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第06期第43页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。）