基于超聲噴涂法的柔性印刷電路制備

繆燦鋒，翟榮安，儲成智，汝長海,

（1.江蘇省先進機器人技術(shù)重點實驗室，蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州納米科學(xué)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215123）

【工藝開發(fā)】

基于超聲噴涂法的柔性印刷電路制備

繆燦鋒1，翟榮安1，儲成智1，汝長海1,2,*

（1.江蘇省先進機器人技術(shù)重點實驗室，蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州納米科學(xué)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215123）

介紹了一種基于超聲噴涂的電路印刷方法，適用于各種柔性材質(zhì)的基體，可以更高效、更環(huán)保地完成柔性印刷電路(FPC)的制造。其主要思想是：納米銀導(dǎo)電油墨通過超聲噴頭霧化，進而噴涂在覆蓋有金屬掩膜版的聚酰亞胺(PI)膜基體上，低溫?zé)Y(jié)(125 °C × 20 min)之后就得到柔性電路。測試結(jié)果表明，圖案化的導(dǎo)電線路(寬度為500 μm)經(jīng)過多次彎曲后仍能保持良好的導(dǎo)電性，其表面方阻隨噴涂層數(shù)的增多而穩(wěn)定地減小，8層涂覆所得線路的方阻為(21 ± 2) mΩ/sq。掃描電鏡觀察表明，導(dǎo)電線路平整光滑，毛邊誤差在50 μm以內(nèi)。

電路；柔性印刷；聚酰亞胺薄膜；納米銀；導(dǎo)電油墨；超聲噴涂；方阻

First-author’s address:Jiangsu Provincial Key Laboratory of Advanced Robotics, Soochow University, Suzhou 215021, China

在信息時代，人們每天都會通過各種電子產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)的傳輸、處理，作為承載媒介的印刷電路板(PCB)的需求量也與日俱增[1-3]。柔性電路板(FPC)擁有配線密度高、輕薄、彎折性好等特點，因而在印刷電路板中占據(jù)的比例逐年提高[4]。FPC通常是指以柔性塑料薄膜為基材制成的印刷電路板，它能夠直接應(yīng)用于三維的工作環(huán)境中，加快生物醫(yī)療、人-機信息交換等領(lǐng)域的發(fā)展，也進一步拓寬了目前電子產(chǎn)品的使用領(lǐng)域[5-7]。

在1898年發(fā)表的某英國專利中記載了石蠟紙基板中制作的扁平導(dǎo)體電路，這是最早出現(xiàn)的FPC技術(shù)，但是直到20世紀(jì)后期，F(xiàn)PC用于汽車儀表盤、儀器、手機、OLED(有機發(fā)光二極管)柔性屏幕等現(xiàn)代消費類電子產(chǎn)品后才開始日益得到國內(nèi)外的廣泛研究。

柔性單面板是目前使用量最多的 FPC種類，國內(nèi)外生產(chǎn)此種印刷板的方式主要有片到片和卷到卷(Roll-to-Roll)兩種[8]。片到片式生產(chǎn)要先將柔性基材裁切成單塊，以片為單位進行生產(chǎn)作業(yè)，其優(yōu)點是投入小，生產(chǎn)的產(chǎn)品靈活多變，但效率低。卷到卷式是將產(chǎn)品編聯(lián)成卷，通過卷邊的定位孔來驅(qū)動以連續(xù)作業(yè)，歐洲的Flex-o-Fab項目就利用卷到卷工藝生產(chǎn)出柔性O(shè)LED原型。此方式自動化程度高，適合大批量生產(chǎn)，但是生產(chǎn)設(shè)備投入大，產(chǎn)品的品種變化不靈活[9]。雖然生產(chǎn)柔性單面板的方式有兩種，但其生產(chǎn)流程基本相同，運用最多的是印制和蝕刻加工法，其工藝包括貼膜、曝光、顯影和蝕刻。其中的蝕刻工藝不僅會對資源造成浪費，而且會對環(huán)境有一定的破壞。因此，找到一種能夠有效解決以上矛盾的方法顯得尤為重要。

本文提出一種使用超聲霧化噴涂的方法將導(dǎo)電層涂覆在柔性基材上的設(shè)計，在柔性基材上載有金屬掩膜版，根據(jù)設(shè)計要求制作出需要的導(dǎo)電線路及電極。利用超聲霧化的原理將導(dǎo)電油墨霧化成納米級的顆粒，通過氣流引導(dǎo)后按一定的路徑進行涂覆作業(yè)。運用這種方法做出的涂層厚度可達納米級別，從而可以根據(jù)實際生產(chǎn)需求，方便地控制涂層厚度。超聲噴涂法可以靈活地改變產(chǎn)品的種類，設(shè)備全自動化控制，生產(chǎn)效率可以得到保證，且多余的油墨可回收利用，浪費率低，不會對環(huán)境產(chǎn)生破壞。將超聲噴涂的方法引入柔性印刷電路的制造中會有良好的應(yīng)用前景。

1 實驗平臺與原理

超聲噴涂設(shè)備主要由供液系統(tǒng)、超聲霧化系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、機械系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖 1所示。具體包括超聲電源盒，霧化噴頭，噴頭架及噴頭架運動控制系統(tǒng)，觸摸屏控制模塊，吸附加熱平臺，等等。

超聲霧化系統(tǒng)是超聲噴涂設(shè)備的關(guān)鍵，其主要由超聲波發(fā)生器和換能振動系統(tǒng)(包括超聲霧化壓電換能器和變幅桿)兩部分構(gòu)成，超聲波發(fā)生器用于產(chǎn)生超聲霧化壓電換能器工作所需要的電信號，超聲霧化壓電換能器則利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)將電信號轉(zhuǎn)化為機械振動。由于壓電換能器受自身材料、力學(xué)性能等因素的約束，致使其輸出端的機械振動幅度只有幾微米，無法達到加工負載的要求，因此在壓電換能器輸出端加裝變幅桿把換能器機械振動放大，放大后的機械振動幅值可達幾十微米，可以讓超聲振動很好地對聲負載進行作用。對于本文而言，聲負載就是要霧化的納米銀導(dǎo)電油墨。

制備FPC的具體實現(xiàn)方式為：在基材放置平臺上依次放置基材(PI膜)、金屬掩膜版(見圖2，整體尺寸為30 mm × 30 mm，最小導(dǎo)電線路寬度為500 μm)。根據(jù)所需噴涂范圍以及噴涂的導(dǎo)電油墨性質(zhì)在觸摸屏上設(shè)置好相關(guān)工藝參數(shù)，對導(dǎo)電油墨進行超聲霧化，通過噴頭架的運動帶動噴頭在覆蓋有掩膜版的基材上印制精密電路。待結(jié)束涂覆后，對PI膜進行125 °C × 20 min的燒結(jié)，完成FPC的制備，原理如圖3所示。

圖2 金屬掩膜版Figure 2 Metal mask

圖3 實驗原理Figure 3 Experimental principle

2 實驗與結(jié)果

2. 1 實驗過程

納米銀導(dǎo)電油墨因具有燒結(jié)溫度低、導(dǎo)電性良好等優(yōu)點而作為噴涂材料使用[10-11]。溶液選用韓國PARU公司的PG 007系列產(chǎn)品，其銀含量為70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，黏度2 000 mPa·s，表面張力53 mN/m。為了讓涂層有較好的均勻性，實驗中沒有直接使用納米銀溶液進行噴涂，而是將其與無水乙醇按照1∶5的體積比稀釋，經(jīng)過稀釋的納米銀溶液的黏度變得更低，有利于提高霧化的效果。因為無水乙醇具有較強的揮發(fā)性，在實驗過程中會很快揮發(fā)而不會附著于表面，所以涂覆在PI膜上的納米銀涂層會很薄，從而滿足不同厚度要求的印刷。

經(jīng)過反復(fù)實驗對比，加熱平臺調(diào)節(jié)至60 °C左右時可以幫助印刷電路在噴頭經(jīng)過后的區(qū)域快速干燥，即有效地防止了液體的滲漏。溶液的進給量對霧化效果也會產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)溶液進給較少時會導(dǎo)致供液不足，噴頭霧化會出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的情況，而當(dāng)溶液進給量超過一定值時，換能器可能會來不及霧化，致使液體出現(xiàn)滴漏的狀況。此外，超聲發(fā)生器的功率調(diào)節(jié)也需同步進行，以選擇出適合當(dāng)前液體霧化的最佳狀態(tài)。經(jīng)過一系列的調(diào)節(jié)，最后得出在進給量0.15 mL/min、功率1 W時達到最佳的霧化效果。經(jīng)過霧化的小液滴會在壓縮氣體的導(dǎo)流下運動。觀察對比后發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣壓在6 kPa左右時，小液滴分布情況最為均勻。

按以上所得各項參數(shù)進行實驗，經(jīng)過燒結(jié)處理后的納米銀顆粒呈現(xiàn)出白色(見圖4)。圖5展示出印刷電路的彎曲狀態(tài)，可見所需的電路圖案成功地附著在PI膜上，并且具有較好的柔性、連續(xù)性和均勻性，在經(jīng)過多次彎曲測試的情況下仍能夠保持原有的形狀，線路的轉(zhuǎn)角以及邊緣處也能表現(xiàn)出其應(yīng)有的形狀。取燒結(jié)過的PI膜測量方塊電阻(用四探針方阻儀)，并用EMPYREAN型X射線衍射儀（XRD）和MERLIN Compact型掃描電鏡(SEM)對其微觀結(jié)構(gòu)及表面形貌進行表征。

圖4 燒結(jié)處理后的印刷電路(正面)Figure 4 Front view of printed circuits after sintering

圖5 印刷電路反面彎曲Figure 5 Back view of printed circuits after blending

2. 2 導(dǎo)電性測試與分析

通過測量不同噴涂層數(shù)時導(dǎo)電線路的方塊電阻來判斷電路的導(dǎo)電性。為了確保實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實性，在對單個樣品檢測時，都隨機抽選出5個點來測試，然后求出其平均值以及誤差范圍。從表1中可以看出不同噴涂層數(shù)(每層噴涂均是在溶液進給量0.15 mL/min、噴頭移動速率20 mm/s的條件下進行)對電路方塊電阻的影響。隨著噴涂層數(shù)的增加，方塊電阻穩(wěn)定地減小，相應(yīng)誤差也在縮小。在實際工業(yè)生產(chǎn)中，一般認為方塊電阻小于100 mΩ/sq已經(jīng)是很不錯的導(dǎo)電效果，所以在本實驗條件下，當(dāng)噴涂層數(shù)達到6層及以上時就可以獲得優(yōu)異的導(dǎo)電性能。

表1 表面方塊電阻及誤差范圍隨噴涂層數(shù)的變化Table 1 Variation of surface sheet resistance and its error range with the number of layers deposited

2. 3 宏觀形貌和毛邊粗糙度

根據(jù)導(dǎo)電性測試的結(jié)果，選取噴涂6 ～ 8層的電路進行接下來的相關(guān)測試。在顯微鏡下觀察8層噴涂的線路邊緣形貌。圖6a是在放大30倍的情況下電路的形貌特征，轉(zhuǎn)角處能清晰地表現(xiàn)出來；隨機截取部分毛邊的圖片(見圖6b)并按比例算出相應(yīng)的粗糙程度，發(fā)現(xiàn)毛邊誤差可控制在0.05 mm(50 μm)以內(nèi)，說明所得線路光滑平整。

圖6 導(dǎo)電線路邊緣形貌Figure 6 Edge morphology of the conductive circuit

2. 4 XRD和SEM表征

圖7為6層噴涂樣品的X射線衍射譜圖，發(fā)現(xiàn)在38°、44°、64°附近有明顯波峰存在，而這些正好符合銀的衍射角。由于未去除基體PI膜衍射的影響，故存在一定的雜波干擾，但足以證明基體上的導(dǎo)線由純銀組成。

圖7 噴涂銀導(dǎo)線的X射線衍射譜圖Figure 7 X-ray diffraction pattern of sprayed silver circuit

通過SEM觀察銀導(dǎo)線表面的微觀形貌，結(jié)果如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)線路的微觀形貌均勻平整，超聲噴涂法的高精密特性由此可以得到驗證。

圖8 噴涂銀導(dǎo)線的表面形貌Figure 8 Surface morphology of sprayed silver circuit

3 結(jié)語

現(xiàn)有的FPC生產(chǎn)方式很難兼?zhèn)涓咝院挽`活性，而且蝕刻的生產(chǎn)工藝過程也會對環(huán)境造成破壞。本文提出的通過超聲噴涂法來制備FPC，可以有效解決現(xiàn)有技術(shù)存在的矛盾，為FPC的生產(chǎn)提供一種新的思路。采用該方法噴涂8層銀導(dǎo)電油墨形成的線路的方塊電阻均值達到21 mΩ/sq，誤差在2 mΩ/sq以內(nèi)，且 500 μm寬度的導(dǎo)電線路的毛邊誤差在50 μm之內(nèi)。可見此方法做出的印刷線路擁有較好的市場前景，可以根據(jù)不同企業(yè)的要求柔性地調(diào)整導(dǎo)電性，而且不受基體的限制，可以在柔性薄膜基材上實現(xiàn)不同電路圖案的印制，這也進一步拓寬了該方法的應(yīng)用范圍。

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[ 編輯：溫靖邦 ]

廣東紅日星實業(yè)有限公司招聘啟事

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Fabrication of flexible printed circuit by ultrasonic spray coating

MIAO Can-feng, ZHAI Rong-an, CHU Cheng-zhi,

RU Chang-hai*

A ultrasonic spray coating method suitable for printing circuits on different kind of flexible substrates was introduced. The fabrication of flexible printed circuit (FPC) via this method is highly efficient and more environmentally friendly. The main principle is that the nano-silver conductive ink is atomized by the ultrasonic nozzle and then sprayed on the polyimide (PI) film which is covered with a metal mask. After patterning on PI film, the ink is sintered at 125 °C for 20 min and the flexible circuit is achieved. The test results showed that the patterned circuit with a width of 500 μm maintains good conductivity after repeatedly bending for several times. The surface sheet resistance of the inkjet-printed silver layer on PI film is steadily decreased with the increasing of the number of silver layers deposited. In the case of eight prints, the sheet resistance is 21±2 mΩ/sq. The observation by scanning electron microscope showed that the morphology of the circuit is level and smooth, and the average error of burr is within 50 μm.

circuit; flexible printing; polyimide film; nanometer silver; conductive ink; ultrasonic spraying; sheet resistance

TM205.1

A

1004 - 227X (2016) 17 - 0917 - 05

2016-06-23

2016-08-04

國家重大科研儀器設(shè)備研制專項（61327811）；國家自然科學(xué)基金項目（61174087，61233010）；江蘇省杰出青年基金項目（BK2012005）。

繆燦鋒（1991-），男，江蘇靖江人，在讀碩士研究生，研究超聲噴涂裝置及應(yīng)用。

汝長海，教授，(E-mail) rzh@suda.edu.cn。