汽車油位傳感器用厚膜電路制造工藝的探究

谷云峰，張曉武，劉 宏

(四平市吉華高新技術(shù)有限公司，吉林四平136001)

信息技術(shù)是當(dāng)今世界經(jīng)濟社會發(fā)展的重要驅(qū)動力，電子信息產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟的戰(zhàn)略性、即出現(xiàn)和先導(dǎo)性支柱產(chǎn)業(yè)，對于促進社會就業(yè)、拉動經(jīng)濟增長、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變發(fā)展方式具有十分重要的作用。汽車電子產(chǎn)業(yè)作為汽車產(chǎn)業(yè)和電子信息產(chǎn)業(yè)的融合點，大力發(fā)展汽車電子產(chǎn)業(yè)，可以有效推動我國汽車關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，對于建立健全可控的關(guān)鍵汽車零部件技術(shù)有著積極的推動作用，對我國汽車工業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

汽車用油位傳感器用厚膜電路是油位傳感器的核心關(guān)鍵部件，以前一直依賴進口，主要由博世、德爾福、偉世通、西門子VDO等國際大品牌壟斷。由于國外汽車傳感器供應(yīng)商長期封鎖汽車用有位傳感器的生產(chǎn)技術(shù)秘密，導(dǎo)致油位傳感器長期處于國外廠商壟斷之下。為了打破國外廠商在該領(lǐng)域的壟斷，我公司利用原有的生產(chǎn)固定片狀電阻器的整套設(shè)備進行汽車油位傳感器用厚膜電路的開發(fā)和生產(chǎn)，經(jīng)過反復(fù)試驗，取得了一定的成功，總結(jié)出了一套適合我公司實際情況的汽車油位傳感器用厚膜電路的生產(chǎn)工藝。

1 實驗過程

1.1 確定初步工藝流程及材料的初步選擇

拿到西門子VDO公司生產(chǎn)的油位傳感器用厚膜電路樣品，首先對該樣品進行分析，分析的項目主要包括:圖形尺寸的測繪，基板、電極、電阻、保護層等成分分析，然后對該產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝進行分析，該產(chǎn)品是在氧化鋁陶瓷基片上印刷電極、電阻、保護層，然后再進行調(diào)阻，使阻值在要求范圍內(nèi)。根據(jù)以上的分析，結(jié)合我公司生產(chǎn)固定片狀電阻器的實際經(jīng)驗，初步確定了油位傳感器用厚膜電路的生產(chǎn)用材料和工藝流程。

油位傳感器用厚膜電路的材料主要包括:基片材料、電極材料、電阻體材料，其中決定耐磨性的電極材料最為重要，經(jīng)過多次討論最終確定采用以下材料進行試生產(chǎn)。

(1)基片材料，選擇適合我公司規(guī)?；a(chǎn)的96%Al2O3陶瓷基板，該材料具有良好絕緣性、導(dǎo)熱性、物理強度，是厚膜產(chǎn)品加工中成熟的基片材料。

(2)電極漿料，選擇銀鈀比例2.33∶1或2∶1的，該材料具有良好的導(dǎo)電性、可焊性、耐磨性以及防止銀離子遷移性。

(3)電阻體漿料，選用含有玻璃成分的氧化釕系列電阻漿料，該漿料燒成后電性能穩(wěn)定，在實際使用時可以達到良好穩(wěn)定性。

(4)保護層材料，選用固定片狀電阻器一次玻璃采用的600℃燒成的玻璃漿料，該材料具有易于印刷，燒成后易于激光調(diào)阻等性能。

油位傳感器用厚膜電路初步生產(chǎn)工藝流程具體如圖1。

圖1 油位傳感器用厚膜電路初步生產(chǎn)工藝流程圖

1.2 試生產(chǎn)

按照已經(jīng)確定的工藝流程開始進行試生產(chǎn)，試生產(chǎn)階段主要是在確定材料和初步工藝流程的基礎(chǔ)上，在實際生產(chǎn)中逐個對各個工序的工藝參數(shù)進行確定，驗證工藝流程是否合理。

(1)繪圖與制作底片，采用CAD工程繪圖軟件按照測繪好的尺寸，將電極、電阻、保護層分別畫好，并傳給底片加工供應(yīng)商，進行底片加工，為絲網(wǎng)制作做準(zhǔn)備。

用XPS對處理前后礦物表面成分進行測定，發(fā)現(xiàn)一些元素的價態(tài)發(fā)生了變化。處理前后Fe2P軌道電子能譜圖見圖8，赤鐵礦Fe2P3/2軌道電子結(jié)合能磁化前為709.05 ev，磁化后Fe2P3/2軌道電子結(jié)合能為713.08 ev。這表明處理前后礦物表面鐵的價態(tài)發(fā)生變化，即發(fā)生了化學(xué)位移，部分Fe2+被氧化成Fe3+，證明表面有Fe3O4生成。

(2)絲網(wǎng)制作，先將不銹鋼絲網(wǎng)繃到一定張力，然后粘在鋁合金網(wǎng)框上，對絲網(wǎng)進行清洗烘干后，選擇合適的菲林片貼牢，然后再將要做圖形的底片放在絲網(wǎng)中間，用紫外線曝光機進行曝光，制作符合設(shè)計印刷要求的絲網(wǎng)圖形。

(3)電極印刷與烘干，電極印刷就是在載體陶瓷上使用印刷機印刷電極圖形，需要調(diào)節(jié)印刷厚度以達到最為理想的印刷圖形及電極層厚度，根據(jù)以往固定片狀電阻器的加工經(jīng)驗，首先使用的工藝參數(shù)如下:①絲網(wǎng)菲林厚度25 μm，②印刷壓力80 N，③脫網(wǎng)高度0.5 mm，④烘干溫度150℃，⑤烘干時間5 min，這樣的工藝條件，印刷烘干后獲得的電極膜厚度20～28 μm，可以滿足設(shè)計要求。

(4)電極燒成，根據(jù)電極材料說明及固定片式電阻器的制作經(jīng)驗，確定電極燒成的工藝條件是在有氧隧道爐中進行燒成，燒成溫度850℃，恒溫時間10 min，排氣速率為650 L/min。使印刷后的電極漿料燒成后，形成致密的銀鈀金屬導(dǎo)電層。電極層燒成厚度一般為15～18 μm。

(5)電阻的印刷與烘干，電阻的印刷是此產(chǎn)品加工的重點控制過程，既要控制電阻印刷的厚度，也要保證電阻膜厚的均勻，這樣才能確保產(chǎn)品阻值的命中率，為激光調(diào)阻做好準(zhǔn)備。將電極印刷和烘干的工藝參數(shù)作為參考，確定電阻的印刷和烘干工藝參數(shù)如下:①絲網(wǎng)菲林厚度20 μm，②印刷壓力90 N，③脫網(wǎng)高度0.6 mm，④烘干溫度150℃，⑤烘干時間5 min，這樣的工藝條件，印刷烘干出來的電阻膜厚滿足設(shè)計需求，且厚度均勻。

(6)電阻燒成，印刷電阻采用的是含有玻璃成分的氧化釕系列電阻漿料，燒成條件對電阻的阻值影響很大，不僅是燒成溫度和時間對阻值有影響，就連燒成爐中所燒的產(chǎn)品的多和少都會影響產(chǎn)品燒成后的阻值，通過試燒樣片確定燒成條件為:燒成溫度850℃，恒溫時間10 min，排氣速率為650 L/min，在燒成爐的鏈帶上每行擺5片產(chǎn)品可以滿足設(shè)計要求。

(7)保護層印刷烘干，印刷保護層就是在電阻以及需要保護的電極上通過絲網(wǎng)印機印刷獲得玻璃層，保護層印刷要求相對低一些，只要完全覆蓋住所要保護的部位就可以了，電阻體上的保護層的厚度不易過厚，以免影響激光調(diào)阻質(zhì)量。根據(jù)以往固定片狀電阻器的加工經(jīng)驗，保護層印刷和烘干工藝參數(shù)如下:①絲網(wǎng)菲林厚度10 μm，②印刷壓力80 N，③脫網(wǎng)高度0.5 mm，④烘干溫度150℃，⑤烘干時間5 min，這樣的工藝條件，印刷烘干后獲得的保護層膜厚度10 μm左右，可以滿足設(shè)計和后續(xù)加工的要求。

(8)保護層燒成，保護層是采用固定片狀電阻器一次玻璃采用的600℃燒成的玻璃漿料進行印刷的，其燒成工藝條件與固定片式電阻器一次玻璃的燒成條件相同，即燒成溫度600℃，燒成時間5 min，排氣速率650 L/min。

(10)分片、包裝，為了提高生產(chǎn)效率，前面各工序加工時采用的陶瓷基片都是6連片進行生產(chǎn)的，激光調(diào)阻后先進行分片然后再進行包裝。分片采用手工分片，在陶瓷基片上已經(jīng)用激光按照設(shè)計尺寸刻好了劃槽，用手輕輕掰就能整齊的分開，分片后采用塑料薄膜將產(chǎn)品有順序地包裝，每個小包裝內(nèi)有150塊產(chǎn)品，每5個小包裝裝成一個大包裝。

(11)檢驗，根據(jù)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)對半成品和成品進行檢驗，確保只有符合要求的半成品才能流到下一工序，符合要求的成品才能入庫。

1.3 試生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題及解決方案

在初始工藝流程的指導(dǎo)下，試生產(chǎn)基本順利完成，說明初始工藝流程設(shè)計基本合理，材料選用很恰當(dāng)。但是在一些細(xì)節(jié)上還存在一定問題，如試生產(chǎn)出來的產(chǎn)品和進口樣品相比較，電極表面不夠光亮，導(dǎo)致產(chǎn)品在做耐磨性試驗時耐磨次數(shù)僅為150萬次，小于進口產(chǎn)品的200萬次;再有在電極檢驗位置設(shè)置不夠合理，在電極燒成后才進行檢驗，出現(xiàn)問題的半成品無法進行返修，只能報廢，這樣就造成了一定的浪費。

針對試生產(chǎn)出現(xiàn)的這兩個問題我們進行了分析和討論，首先是對電極不夠光亮的問題進行分析，通過對試生產(chǎn)的產(chǎn)品和進口樣品的對比分析，發(fā)現(xiàn)試生產(chǎn)的產(chǎn)品表面覆蓋了一層銀鈀金屬氧化膜，而進口樣品則是光亮的銀鈀金屬，出現(xiàn)這樣差異的原因主要是電極燒成過程中，在降溫階段電極中的銀鈀氧化，形成了一層氧化層，而且試生產(chǎn)時沒有考慮到這一問題，沒有進行處理，導(dǎo)致試生產(chǎn)的產(chǎn)品電極不夠光亮，從而影響了產(chǎn)品的耐磨性。為了解決這一問題，決定在電極燒成后增加拋光工序，多電極進行拋光，除去銀鈀氧化膜，提高電極的光亮度，從而提高產(chǎn)品的耐磨性。增加拋光工序需要解決兩個問題，一是拋光工序加在什么位置，二是采取什么方法進行拋光。經(jīng)過對整個生產(chǎn)工藝流程的分析，為了避免拋光后二次氧化，拋光工序一定要在所有燒成過程都結(jié)束以后才能進行，而且拋光還不能影響產(chǎn)品的阻值，基于這兩點考慮，我們認(rèn)為拋光工序放在保護層燒成之后，激光調(diào)阻之前是最合理的。至于拋光方法，我們開始采用800目的金相水磨砂紙進行手工拋光，拋光后產(chǎn)品目檢效果良好，但在40倍顯微鏡下看有明顯的劃痕，然后又采用1 000目的石榴石拋光粉進行手工拋光，產(chǎn)品拋光后，效果好于金相砂紙，但是在40倍顯微鏡下仍有輕微的劃痕，與進口樣品有一定差距。為了取得更好的拋光效果，經(jīng)過查閱大量的相關(guān)資料，最后確定用碳化硅制成的球狀拋光材料再加上用表面活性劑加上其他輔助材料配成的拋光劑進行振動拋光，產(chǎn)品拋光后，拋光效果良好，在40倍顯微鏡下看不到任何劃痕，與進口樣品基本一致。取拋光后產(chǎn)品進行耐磨性試驗，耐磨次數(shù)達到了將近300萬次，完全達到了進口樣品的水平。

其次是解決電極檢驗位置設(shè)置不合理的問題，經(jīng)過探討，最后決定將電極檢驗的位置放在電極烘干后進行，這樣在檢驗過程中發(fā)現(xiàn)不良品可以返回工序?qū)㈦姌O漿料擦掉重新印刷，這樣就解決了電極燒成后檢驗發(fā)現(xiàn)不良品不能返修的問題，有效地減少了電極廢品的數(shù)量。

1.4 生產(chǎn)工藝流程的確定

在解決了試生產(chǎn)出現(xiàn)的問題后，重新進行了試生產(chǎn)，有了前次試生產(chǎn)的經(jīng)驗，這次試生產(chǎn)很順利，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品進行了相關(guān)試驗，性能完全達到了進口樣品的水平。具體對 比結(jié)果見表1。

表1 試生產(chǎn)產(chǎn)品與進口樣品主要性能指標(biāo)對比表

至此油位傳感器用厚膜電路的生產(chǎn)工藝流程已經(jīng)可以確定，具體工藝流程如圖2。

2 結(jié)論和展望

圖2 油位傳感器用厚膜電路生產(chǎn)工藝流程圖

通過這次對汽車油位傳感器用厚膜電路制造工藝成功試驗，在此工藝條件下生產(chǎn)出來的產(chǎn)品性能完全達到了國外產(chǎn)品的水平，在油位傳感器用厚膜電路生產(chǎn)領(lǐng)域打破了博世、德爾福、偉世通、西門子VDO等國際大品牌壟斷，使該產(chǎn)品成功實現(xiàn)了國產(chǎn)化。該生產(chǎn)工藝流程合理，適合工業(yè)化生產(chǎn)，有很強的推廣價值。在不久的將來一定會在汽車傳感器領(lǐng)域出現(xiàn)更多更好的國產(chǎn)產(chǎn)品來替代進口產(chǎn)品，從而打破國外的技術(shù)壟斷，加快我國汽車電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過程，推動我國汽車電子技術(shù)，尤其是傳感器技術(shù)的進步，提高我國汽車企業(yè)參與國際市場的競爭力。