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丝网印刷工艺和技术助力燃料电池商业化大生产

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世界几乎已为燃料电池技术做好了准备。差不多所有的地球人都在关心由于燃烧矿物燃料而对环境所造成的破坏。此外，政府对石油和天然气交易征税及施加越来越大的压力，意在支持关于发电机、汽车、热电联产计划以及利用燃料电池可再生和良性排放等特性的经济论争。

该技术目前通过大量的实验和原型测试，已很好的验证了其可行性，并可有效地应用于多个领域。当然，为使功率密度和效能得到不断改进，技术方面必须继续发展。但最重要的是燃料电池的单位成本应尽量减少，最终达到消费商品的水平，产能也必须大幅度增加，才能满足可预期的全球性需求。

低成本和高产量息息相关。因此，燃料电池的生产必须变得更快，自动化程度也要更高。为此，业界需要高速、准确、重复性好、成本效益高的设备，来支持高产量的生产流程，从而快速生产出单位成本低的大量优质燃料电池。

工艺方面的挑战

目前，用于燃料电池的主要化学物质包括质子交换膜 (PEM)、固体氧化物和直接甲醇。其组成部分--尤其是 PEM 燃料电池的膜、电极和底层，要求氟化磺酸盐 (PFSA) 和铂/碳/离子催化剂等物质的涂敷要非常薄。这些物质层的物理和化学特性对于实现燃料电池性能的实现至关重要。其性质的改变，如改变厚度或者膜中存在空隙或针孔, 均可能削弱电池性能及缩短其使用寿命；如果氢氧的混合失控，则还可能导致严重事故。因此，这些物质必须在受控的情况下以不变的量涂敷在具有较高弹性和渗透性的基板上。

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图1- 自动化生产可使燃料电池达到消费品价格水平

制造方面的挑战

最终，生产每千瓦电能所耗费的成本是决定因素，将决定燃料电池的时代成败。因此，这一新生产业所面临的主要挑战，在于确保足够的产能和产量，以使单位成本最小化。这就要求具备高速涂敷可不同粘度液态混合物的技术。这些技术最好能在很短的周期内同时进行多品种的生产。

适宜的技术也应能很容易地融入一个高度优化的生产程序。这将使燃料电池的生产商得以提高生产效率，减少人为干预。

另一个可能对每个燃料电池的生产总成本产生显著影响的问题, 是每个生产过程所浪费的物料数量。一些电极和电解质是利用喷射涂敷技术成型的，但这种方法往往会因喷射过度而浪费相对较多的物料。蒸镀可减少浪费，但需要按特定式样涂敷成型则使得这一方法复杂化。

此外，制造商必须能够迅速调换不同的涂敷物组合和基板，以批量制造一套燃料电池所需的部件，并使若干燃料电池技术能在同一套设备上得以应用。

听上去耳熟…

以上概要介绍的挑战与七十年代厚膜电子工业以及更近期的表面贴装 (SMT) 所面临过的挑战有着惊人的相似之处，原因则是办公和消费电子革命。其解决之道，如厚膜高分子浆料的精密丝网印刷或大批锡膏的同时涂敷，则在于仪器设备方面，使装配可外包给专业的电子制造服务 (EMS) 厂商。这种模式使得家用电器、电视机和移动电话等各种产品的成本逐年下降，而同期产能却极大地增加了。如果燃料电池业可以再现这种成功，一个更洁净、更可持续的未来将指日可待。

行之有效的解决方法

但似乎也有美中不足。燃料电池部件的生产比为在 PCB上安装电子零件而进行的锡焊要精细得多。物质涂敷的厚度也要薄得多，而燃料电池所用材料的特点虽与高分子厚膜材料差异较小，但与焊膏相比则有很大不同。

不过，丝网印刷设备和工艺已达到很高的水平和精细度。半导体制造商已成功使用最新一代设备，在硅芯片上涂敷多种微小的材料及在芯片之间实现互连和封装。

目前对于芯片贴装环氧树脂的涂敷，丝网印刷是一个行之有效的解决方案。该技术使用直径为0.3毫米焊球来形成最新的倒装晶片和球栅阵列封装，甚至采用低粘度的物料，如导热介面材料 (TIM)、盖封材料或传递模塑。丝网印刷也用于晶圆背面涂层——将非常薄而均匀的半固化粘合剂层涂在直径达300mm，上有很多独立芯片的整个硅晶片上。

如此高的精度、清晰度、再现性和材料处理能力，使丝网印刷足以成为生产燃料电池组件的有效解决方案。并且，成熟可靠、高度自动化的工作平台与机械化的输入和输出，使周期得以缩短；而其易于与高产量自动化的生产线相配合的特点也得到了证实。这些机器使用高速线性马达和精确、可再现的定位编码器，从而在高生产率和低停顿率、极少人工干预的情况下实现高定位精度和再现性。

丝网和网板

丝网印刷工艺中最为关键的要素之一是丝网或网板本身。其性能确定了印刷材料的大小、厚度和形状。对金属网板来说，孔的特性是至关重要的。在乳胶丝网印刷中，网孔的角度和厚度以及乳胶的性质对结果的影响最为重大。每次印刷都有独特的要求，这就决定了一个金属网板或者乳胶丝网是否能达到最佳效果。当对少量材料进行近距离涂敷时，如对细间距电路进行精确涂敷时，金属网板是最佳选择。另一方面，对于半导体芯片的背面涂层来说,乳胶丝网可能更适合。

这两种技术都可以为燃料电池的生产提供解决方案。比如，每种方法都可以对厚度为50微米或更小，总厚度变化在±12.5微米以内的高分子材料进行涂敷。这适用于生产厚度在50-175微米之间的 PEM 燃料电池的离聚物膜。5-50微米厚的铂/碳/离子催化层，以及通常为100-300微米厚的防水多孔碳纸支持层，也可以应用乳胶丝网印刷或金属网板技术，而达到高速精细生产的结果。

除了可大幅度提高生产速度之外，这种方法主要优势之一，是与喷镀或蒸镀等方法相比浪费的物料非常少。燃料电池部件的添加材料，尤其是铂催化剂，价格昂贵；因而一旦生产进入商业化阶段，浪费将对单位成本产生重大影响。

使用该印刷工艺时，涂敷的其他特性也更加容易控制。当使用诸如喷雾或针型装置时，控制涂敷形状是一个复杂的挑战，厚度均匀也难以实现。而印刷的方式，则可通过使用刮板或封闭式印刷头，使材料通过丝网或网板上的孔到达基板，从而使厚度更加均匀。此外，由于大小和形状是由孔径的大小和形状确定的，复杂的形状可简单迅速地成型，且不会产生差异。如果需要，涂敷材料之间的距离可以非常小。 DEK 的乳胶丝网能够控制涂敷材料的间距只有50微米.

封闭式印刷头

除了最新的丝网和网板技术使丝网印刷的清晰度和尺寸稳定性增强之外，1997年封闭式印刷头的出现也促生了一项具有重要意义的丝网印刷技术，推动了精密表面贴装和半导体应用领域的进步。 DEK 开发了 ProFlow® 封闭式印刷头系统，用以生产多种印刷头，其中包括适用于通孔填充材料或低阿尔法焊料糊(图2)等昂贵材料的低容量印刷头。用于置放焊球来完成球栅阵列封装的 DirEKt 植球工艺 (Ball Placement™) 印刷头，近期也被引入了半导体封装的应用领域。还可用于其他材料的丝网印刷，如高分子厚膜导电浆料，该材料在生产条件下可能难于控制。

燃料电池的初步成功

在 DEK Photon 丝网印刷平台上，利用精密乳胶丝网和针对柔性基板研发的专门工具，已成功实现了若干工艺过程，并成功采用了燃料电池产品专用的新型封闭式印刷头。这一切运用了 DEK 的 ProFlow® 技术，将印刷材料贮存在压缸中，并以精确的用量通过丝网到达下方的基板，厚度均匀，没有任何空隙和针孔。

除了高产能和自动化以外，丝网印刷还拥有经济优势。该设备便于改装，可生产多种部件。只需更换印刷材料，调换适合的丝网，直接或通过网络进行新的程序设置，整个设备的改装就可在几分钟内实现。

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图2- 封闭式印刷头为燃料电池的大量生产提供了极高的可重复性和可控性

结论

丝网印刷为燃料电池组件的生产提供了高产能、高度自动化、嵌入式的解决方案，其优势极具吸引力。实现工艺所需的平台已在生产，适宜的丝网和网板技术已准备就绪，而封闭式印刷头的应用使生产燃料电池电极和内膜所需的多种成分物质得以受控，从而更完善了在不久的未来即将投入使用的主流技术。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/16/2009)


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