滾筒式絲印在印刷電子中應(yīng)用前景探析

文 宋詞

滾筒式絲印在印刷電子中應(yīng)用前景探析

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印刷電子技術(shù)是一種基于印刷原理的電子制造技術(shù)，將是繼半導(dǎo)體與平板顯示產(chǎn)業(yè)之后的一個(gè)新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。印刷電子技術(shù)將是柔性顯示、薄膜光伏、有機(jī)照明、智能標(biāo)簽與智能包裝等領(lǐng)域的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)技術(shù)。過去10多年中，有機(jī)電子與納米材料的發(fā)展已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室水平上證明了柔性與印刷電子技術(shù)的可行性。英國(guó)技術(shù)市場(chǎng)研究咨詢公司IDTechEx預(yù)測(cè)，今后20年印刷電子產(chǎn)品將形成價(jià)值約3000億美元/年的市場(chǎng)，是目前硅產(chǎn)業(yè)的2倍。目前，各個(gè)國(guó)家都在大力投入印刷電子這一新興領(lǐng)域，比如韓國(guó)知識(shí)經(jīng)濟(jì)部國(guó)家研發(fā)戰(zhàn)略辦公室的官員Young-Sup J oo宣布，2012～2018年6年間，韓國(guó)政府與工業(yè)界將聯(lián)手投資1725億韓元，大力發(fā)展韓國(guó)的印刷電子技術(shù)與產(chǎn)業(yè)。2011年10月26日，天津大學(xué)、中科院蘇州納米所、中科院化學(xué)所、中科院微電子所和北京綠色印刷包裝產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院、中國(guó)包裝總公司、北京北印中源科技有限公司等21家單位成立了“全國(guó)印刷電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，致力推動(dòng)印刷電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。種種跡象都表明，印刷電子產(chǎn)業(yè)在全世界正處于產(chǎn)業(yè)化前夜。

絲印是目前電子印刷的主要方式。傳統(tǒng)的平網(wǎng)絲印，在印刷中由于網(wǎng)版變形在很大程度上制約了印刷電子圖像精度的進(jìn)一步提高。本文首先對(duì)傳統(tǒng)光刻技術(shù)、印刷電子技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析絲網(wǎng)印刷優(yōu)點(diǎn)及存在的問題。針對(duì)市場(chǎng)上新推出的滾筒式絲網(wǎng)印刷方式，對(duì)其大幅面、高印刷精度、高印刷效率特點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)分析，同時(shí)對(duì)它的應(yīng)用前景做一些展望。

傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，是首先在器件表面涂以感光樹脂、增感劑、抗蝕劑等，利用光照后樹脂溶解性的顯著變化，通過對(duì)光照區(qū)進(jìn)行控制，使表面得到所需圖像的一種方法。目前，光刻技術(shù)在電子工業(yè)中被廣泛利用，如集成電路及電子元器件制造等。但該技術(shù)工藝過程繁雜，且在顯影、抗蝕膜去除過程中，都伴隨大量的污染物排放，嚴(yán)重污染環(huán)境。印刷電子只需兩個(gè)工藝過程：轉(zhuǎn)移及熱固化，極大的精簡(jiǎn)工藝過程，降低成本。印刷電子產(chǎn)品的最大特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)是大面積、柔性化與低成本，與硅基微電子產(chǎn)品形成強(qiáng)烈對(duì)比。印刷制作電子器件所需設(shè)備投資極低，而且印刷電子器件可以制作在任何襯底材料上。盡管印刷制作的電子器件目前性能上不如硅基微電子器件，但成本上的優(yōu)勢(shì)和大面積與柔性化特點(diǎn)使印刷電子技術(shù)仍有硅基微電子器件所不能勝任的大量應(yīng)用領(lǐng)域。

平網(wǎng)絲網(wǎng)印刷電子技術(shù)

目前，一般在電子領(lǐng)域應(yīng)用的是平網(wǎng)絲網(wǎng)技術(shù)，主要應(yīng)用在堅(jiān)硬的承印物上，如印刷線路板、玻璃、晶體硅表面，印刷方法如圖1所示。

從圖1中可以看到，平網(wǎng)絲網(wǎng)印刷是用一層篩板材料，上面有平行排列的網(wǎng)孔，網(wǎng)孔上表面涂有感光乳液。橡皮刮板將油墨或者漿料，從絲網(wǎng)的一邊表面擠壓到孔板的另一邊，將油墨或漿料粘附在承印物上。網(wǎng)版與承印物的接觸時(shí)間直接影響油墨或漿料的轉(zhuǎn)移率，同時(shí)也影響印刷圖像邊緣清晰度。因此，平版絲網(wǎng)印刷的網(wǎng)版和承印物之間的間隙一般控制在2～10mm。

當(dāng)刮板在刮刷時(shí)，要滿足刮板與網(wǎng)版表面、承印物是垂直的。當(dāng)漿料粘附在承印物上時(shí)，絲網(wǎng)靠粘彈性實(shí)現(xiàn)網(wǎng)版和承印物分離。如果減少與承印物接觸時(shí)間，可以減少漿料在承印物表面的流延。由于絲網(wǎng)是按照垂直方向拉伸的，絲網(wǎng)會(huì)發(fā)生變形，會(huì)降低尺寸的精度。特別是越大的絲網(wǎng)，存在變形量越大，如圖2所示。

不同的絲網(wǎng)的作用力，會(huì)形成不同的分離角度。刮板在邊緣和中間的不同的角度，會(huì)在平面上形成不同的漿料厚度。比如，利用絲網(wǎng)印刷來印刷銀漿料，在平板上形成100μ m厚的觸摸板的電極。為了達(dá)到更高的清晰度，減少漿料擴(kuò)展時(shí)間，就必須提高漿料粘度。有時(shí)漿料粘度達(dá)到100pa·s，這個(gè)時(shí)候粘度就和花生醬差不多了。印刷電子漿料就像是一個(gè)網(wǎng)版和承印物之間的壓敏膠，不同的分離時(shí)間和接觸角度不同都會(huì)影響最后印刷線路圖形的形貌。不合適的絲網(wǎng)印刷壓力及角度都會(huì)導(dǎo)致膜層厚度不均一和線條的邊緣擴(kuò)大。因此，增加網(wǎng)版和承印物之間的距離，可以增大網(wǎng)版分離的角度，獲得更高的圖像清晰度。但是這些會(huì)增大網(wǎng)版拉伸量，導(dǎo)致絲網(wǎng)的拉伸變形嚴(yán)重。原本擁有上萬次的耐印率的不銹鋼絲網(wǎng)，由于過大的網(wǎng)版與承印物之間的間隙，會(huì)使耐印率降到1000次左右，這會(huì)影響生產(chǎn)效率，增大印刷成本。因此，平版絲網(wǎng)印刷由于絲網(wǎng)的垂直方向變形，存在一個(gè)成本與印刷質(zhì)量的矛盾。如圖3所示。

在實(shí)際印刷企業(yè)中，網(wǎng)版、漿料通過不斷改變印刷條件來達(dá)到一個(gè)相對(duì)質(zhì)量和生產(chǎn)效率都滿足的過程，這是一個(gè)公司區(qū)別于其它競(jìng)爭(zhēng)者的競(jìng)爭(zhēng)力所在。另外，作為一個(gè)工業(yè)產(chǎn)品，要盡量降低成本，以最少的消耗達(dá)到最大的生產(chǎn)效率。

滾筒式絲網(wǎng)印刷技術(shù)

平網(wǎng)絲網(wǎng)印刷只需一張平臺(tái)，一個(gè)網(wǎng)版就可以進(jìn)行手工操作，印刷方式非常靈活，可用于實(shí)驗(yàn)研究和小規(guī)模生產(chǎn)。但是面對(duì)印刷電子的大幅面，高質(zhì)量的需求時(shí)，成本與質(zhì)量的矛盾就很凸顯。滾筒式絲網(wǎng)印刷技術(shù)出現(xiàn)，較好的解決了上述矛盾，滾筒式絲網(wǎng)印刷是櫻井集團(tuán)公司根據(jù)印刷電子的需求，應(yīng)用在全自動(dòng)MS80SD滾筒式絲網(wǎng)印刷機(jī)上的新技術(shù)，在Drupa 2012上已經(jīng)亮相，十分引人矚目。

與平網(wǎng)絲網(wǎng)印刷電子方式比較而言，滾筒式絲網(wǎng)印刷在軟性承印物上印刷時(shí)，能在更大幅面上實(shí)現(xiàn)高速度，且較高質(zhì)量印刷，可廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)產(chǎn)品。比如：薄膜開關(guān)、座椅加熱器、座位感應(yīng)器、血糖測(cè)試儀、RFID天線、家用控制面板、手機(jī)殼裝飾、LCD背光散射涂層、3D微透鏡、轉(zhuǎn)移紙、現(xiàn)金磁卡等等。

滾筒式絲網(wǎng)印刷工作原理如圖4所示，與刮板在絲網(wǎng)平臺(tái)上相比，柔性材料可以裹在滾筒表面，刮板從上面刮過，承印材料同時(shí)隨著滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)也沿著水平方向移動(dòng)。

采用平網(wǎng)絲網(wǎng)進(jìn)行印刷時(shí)，需要手動(dòng)的更換承印材料，而采用滾筒絲印的方法，印刷的同時(shí)，承印物也同時(shí)被取走，同時(shí)，下一張承印物已經(jīng)傳遞到滾筒，在上一張印刷的同時(shí)做好定位工作，準(zhǔn)備印刷。這種方式，可以大幅度減少手工更換承印物的時(shí)間。在印刷過程中，承印物夾在壓印滾筒上的，漿料是轉(zhuǎn)移到彎曲的承印物上，在網(wǎng)版與承印物分離時(shí)，角度是固定的，因此能夠在印刷起始處和終點(diǎn)處都獲得一致的印刷質(zhì)量。另外，這種方式能提高刮板的移動(dòng)速度，滾筒式絲網(wǎng)印刷機(jī)能滿足印刷電子中印刷大面積及生產(chǎn)效率的需求。

滾筒式絲網(wǎng)印刷技術(shù)一個(gè)顯著特點(diǎn)是印刷過程中不需要繃網(wǎng)。在常規(guī)的絲網(wǎng)印刷中，不管是采用滾筒型還是平板型，網(wǎng)版與承印物都是有間隙的，在印刷過程中都要進(jìn)行繃網(wǎng)。但是在滾筒式絲網(wǎng)印刷方式中，由于絲網(wǎng)是與彎曲的承印物線接觸，在垂直方向可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)的零變形。在這種情況下，網(wǎng)版沒有必要是柔軟的，因?yàn)樗恍枰嚲W(wǎng)。這樣就非常接近印刷工藝中的理想的網(wǎng)版，網(wǎng)版是堅(jiān)硬的且?guī)缀醪粫?huì)變形。下面是介紹滾筒式絲網(wǎng)印刷如何實(shí)現(xiàn)在不需要繃網(wǎng)的情況下，實(shí)現(xiàn)高精度印刷的。

網(wǎng)版與承印物間極小的間隙

印刷滾筒上利用咬牙來固定承印物的前端，然后將承印材料隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，附在滾筒表面。滾筒的咬牙比滾筒的表面略高幾個(gè)毫米。當(dāng)咬牙咬住承印物時(shí)，滾筒就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，此時(shí)咬牙不會(huì)和網(wǎng)版接觸。當(dāng)咬牙與網(wǎng)版分開時(shí)，網(wǎng)版高度就開始降低，此時(shí)開始印刷，網(wǎng)版與承印物之間的間距已經(jīng)幾乎為零了。

使用低彎曲及高彈性的絲網(wǎng)

即使網(wǎng)版和承印材料之間的間隙減少，但如果絲網(wǎng)是柔軟的，很容易拉伸，比如標(biāo)準(zhǔn)的合成纖維網(wǎng)版，刮板在刮刷的時(shí)候也容易導(dǎo)致網(wǎng)版在平面的方向上變形。因此，為了減少這種非線性變形，在制作網(wǎng)版的時(shí)候，網(wǎng)版最好盡可能采用低彎曲高彈性的材料，不容易扭曲變形。

網(wǎng)版伸長(zhǎng)校準(zhǔn)功能

即使采用堅(jiān)硬的網(wǎng)版材料，但在刮板刮的方向出現(xiàn)變形不可避免。絲網(wǎng)的在平面中拉伸變形，在MS-SD系列中，壓印滾筒和版夾是由獨(dú)立的伺服電機(jī)控制的。因此，印刷拉伸校正功能可以通過略微提高滾筒的相對(duì)于網(wǎng)版的速度，來彌補(bǔ)印刷過程中，網(wǎng)版在平面上的拉伸變形。

數(shù)字圖像校準(zhǔn)功能

在絲網(wǎng)印刷機(jī)的輸送板的邊緣上裝有圖像處理單元，在滾筒上咬牙咬住承印物前，攝像裝置先讀取承印物上的標(biāo)記，根據(jù)標(biāo)記來迅速調(diào)整承印物的位置，這樣能產(chǎn)生更高的印刷精度。

滾筒式絲印印刷樣品分析

用880mm2的不銹鋼金屬網(wǎng)框印刷300mm2，網(wǎng)線數(shù)是500目，印刷采用的是TOYOCHEM公司的“RAFS058”銀導(dǎo)電漿料，印刷線條寬度是70～90μ m，分別在有孔的圖層上和未做涂覆處理PET薄膜上進(jìn)行印刷。對(duì)于平網(wǎng)絲印而言，線條的邊緣出現(xiàn)漿料的流延，邊緣不光滑不能實(shí)現(xiàn)很高的清晰度。但采用滾筒式絲印，沒有在線條邊緣出現(xiàn)流延的現(xiàn)象，線條邊緣光滑，具有很高的清晰度。

圖5是在未做涂覆處理PET薄膜上印刷1mm左右的圓點(diǎn)的印刷效果圖。如果采用平網(wǎng)絲印，印刷這樣的圓點(diǎn)時(shí)，容易出現(xiàn)變形；但采用滾筒式絲印方式，由于網(wǎng)版與承印物之間的間距幾乎為零，網(wǎng)版變形極小，因此圓點(diǎn)幾乎沒有失真變形。從整個(gè)印刷版面起始點(diǎn)到結(jié)束點(diǎn)，都具有很高的一致性。從圖中可以看到，印刷出來的平均直徑為997±10μ m，印刷精度極高。

滾筒式絲網(wǎng)印刷應(yīng)用前景

在不久的將來，可以預(yù)見一個(gè)大規(guī)模，柔性的價(jià)格便宜的印刷電子產(chǎn)品市場(chǎng)就要來臨。目前，已經(jīng)有一些產(chǎn)品已經(jīng)商業(yè)化了，但是還很不成熟，全世界的很多國(guó)家都在快速發(fā)展印刷電子材料及技術(shù)，占領(lǐng)這個(gè)新興市場(chǎng)的制高點(diǎn)。對(duì)于制造工業(yè)而言，都要面對(duì)產(chǎn)品成本和附加值的競(jìng)爭(zhēng)，滾筒式絲網(wǎng)在大面積的網(wǎng)版印刷中具有巨大的潛在優(yōu)勢(shì)。在未來，可以通過優(yōu)化網(wǎng)版的制版過程，利用壓印滾筒來改變印刷條件，進(jìn)一步提高印刷速度和整個(gè)版面一致性及尺寸的精準(zhǔn)度，可以實(shí)現(xiàn)更高清晰度和精細(xì)度的絲網(wǎng)印刷。通過這些提高，這項(xiàng)技術(shù)可以用在現(xiàn)有的電子器件印刷上，比如：觸摸板的電極線、多層線路板、柔性印刷電子材料、各向異性的傳感器、大面積觸摸板的輔助電極、電磁屏蔽器、微機(jī)電系統(tǒng)、壓力傳感器、多層陶瓷電容、固態(tài)鋰電池、紙電池、染色敏化的太陽能電池、電子紙、以及OLED顯示材料等等。滾筒式絲網(wǎng)印刷技術(shù)具有大幅面印刷、效率高、印刷精度高等優(yōu)點(diǎn)，在未來的印刷電子領(lǐng)域?qū)⒕哂兄卮蟮膽?yīng)用前景。