印制電路板中加成法制備技術(shù)的研究進(jìn)展

周正勇，陳旭東，2

(1 西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400715；2 中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510275)

印制電路板中加成法制備技術(shù)的研究進(jìn)展

周正勇1，陳旭東1，2

(1 西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400715；2 中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510275)

自從1946年美國炮彈引信上使用銀漿印制陶瓷基印制板以來，印制電路板是電子器件最重要的組成部分之一，甚至稱為電子信息產(chǎn)業(yè)的心臟。該文基于加成法制備技術(shù)，分析目前主流及文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的制作工藝及其前景，更加全面地了解印制線路板領(lǐng)域及投資環(huán)境。

印制電路板，加成法，制備技術(shù)

1 前言

印制電路板(printed circuit board，PCB)作為電子元件的載體起到支撐和實(shí)現(xiàn)電氣連接的作用，是電子器件甚至整個(gè)電子信息產(chǎn)業(yè)中最重要的組成部分之一。同時(shí)中國與全球的印制電路板產(chǎn)值在2008年金融危機(jī)后穩(wěn)步上升，在全球產(chǎn)值中國內(nèi)產(chǎn)值百分比逐步提高，見表1[1]。

表1 國內(nèi)和全球印制電路板產(chǎn)值Table 1 Output of domestic and global printed circuit board

由表1可知印制電路板行業(yè)前景明朗，但如何制備高性價(jià)比的印制電路板，是目前研究者的工作目標(biāo)。因此研究者在材料和工藝步驟等方面進(jìn)行創(chuàng)新，使得制作工藝日新月異。按照印制電路板的制備技術(shù)，主要有減成法、半加成法和加成法三類，本文將基于加成法制備技術(shù)，分析目前主流及文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的制作工藝及其前景，更加全面地了解印制電路板領(lǐng)域及投資環(huán)境。

2 加成法制備技術(shù)

全加成法制備技術(shù)首先在基底上選定區(qū)域沉積金屬，不需整體金屬化，適合制作超精細(xì)線路(線寬線間距小于30μm/30μm)。研究者在現(xiàn)有技術(shù)條件下研發(fā)新材料或開發(fā)新工藝步驟，增強(qiáng)加成法的實(shí)用性，盡快地實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。目前制作技術(shù)中，根據(jù)新材料與新工藝步驟的不同，可將加成法制備技術(shù)分為傳統(tǒng)印刷電子技術(shù)、基底表面處理技術(shù)、3D打印技術(shù)、圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)、激光柔性布線技術(shù)及新材料研發(fā)。

2.1 基于加成法的傳統(tǒng)印刷電子技術(shù)

近年來基于加成法的印刷電子技術(shù)引起了越來越多的注意，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究者對(duì)該技術(shù)的工藝問題進(jìn)行了大量的研究。印刷電子技術(shù)是基于印刷原理的電子制造技術(shù)，通過將電子材料溶解在溶劑中，將其制成類油墨，借助傳統(tǒng)的印刷技術(shù)，將可導(dǎo)電油墨轉(zhuǎn)移到承印物上面，通過相應(yīng)的圖形化方案，形成導(dǎo)電圖形，用以制備電子元件或電子電路?？梢娖涑杀靖?，并且具有大量的新技術(shù)特性，更加靈活可定制，可以與多種類型以及不同表面結(jié)構(gòu)的承印物快速兼容。是一類更加廉價(jià)、更加便捷的電子電路技術(shù)。

按照轉(zhuǎn)移類油墨的方式不同，印刷電子技術(shù)可分為多種類型，如絲網(wǎng)印刷[2]、噴墨打印[3-4]、凹版印刷[5]、凸版印刷、膠頭移印[6-7]以及微接觸印刷[8]等等。這些印刷方式的區(qū)別不僅僅在于其轉(zhuǎn)移類油墨的方式，其所適配的油墨類型、印刷速度、印刷精度以及設(shè)備工作原理等都有各自的特點(diǎn)，用戶往往會(huì)根據(jù)不同的需求進(jìn)行選擇。

2.2 基于加成法制備技術(shù)的基底表面處理技術(shù)

利用傳統(tǒng)的印刷電子技術(shù)，主要是選取與類油墨兼容的承印物，其他不兼容的承印物表面無法吸附類油墨，很難與油墨粘結(jié)和結(jié)合，致使無法形成選定導(dǎo)電圖形。因此研究者對(duì)絕緣基底表面選定區(qū)域進(jìn)行改性，然后在改性后的區(qū)域沉積催化劑層，再經(jīng)活化，化學(xué)鍍?cè)诮^緣基底上形成導(dǎo)電的金屬圖案。改性方法主要有以下幾種：如光致共價(jià)接枝、X射線輻射接枝、電暈處理、等離子改性、物理化學(xué)粗化等。

2.3 基于加成法制備技術(shù)的3D打印技術(shù)

3D打印即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。由定義可知，3D打印技術(shù)本身就具有加成法特性，將各類導(dǎo)電金屬按指定圖案直接打印在基底表面上，形成導(dǎo)電圖案[9]。

2.4 基于加成法制備技術(shù)的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)

“線路轉(zhuǎn)移法”屬于“加成法”的范疇，但又不同于以往市場(chǎng)上各種加成法，它們都是考慮在基底上直接做出線路，而該方法是在導(dǎo)體上做出線路，然后轉(zhuǎn)移到一個(gè)中間的過渡體上，再用覆銅板的生產(chǎn)方法把線路粘合在基底上，形成印制電路板。其后加工工藝和現(xiàn)行印制電路板廠一致。

2.5 基于加成法制備技術(shù)的的激光柔性布線技術(shù)

圖1 激光柔性布線技術(shù)分類Fig.1 Classification of laser flexible wiring technology

激光技術(shù)自上個(gè)世紀(jì)發(fā)明以來，已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。之所以它能夠廣泛應(yīng)用，與其本身具有的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)是密不可分的。在線路板的激光柔性布線技術(shù)中，它具有如下明顯的特點(diǎn)：(1)制板精度高，激光束光斑小，易于控制，理論上可以使導(dǎo)線達(dá)到微米級(jí)；(2)靈活，適應(yīng)于多樣化和柔性化的場(chǎng)合，與計(jì)算機(jī)控制相結(jié)合，可以很方便地生成復(fù)雜圖案線路；(3)可進(jìn)行單件或小批量生產(chǎn)，可大大降低成本。正是這些特點(diǎn)，使得線路板的激光柔性布線技術(shù)蓬勃發(fā)展起來。其分類見圖1。

2.6 基于加成法制備技術(shù)的新材料研發(fā)

上述基于加成法的改進(jìn)型技術(shù)都是改變工藝中一步或多步工藝，解決印制電路板制作過程中的問題。與此同時(shí)研發(fā)者大力研發(fā)新材料，改進(jìn)、完善和開發(fā)新型加成法制備技術(shù)，以下介紹幾種新材料。

2.6.1 導(dǎo)電油墨

印刷油墨(漿料、墨水等)是印刷電子技術(shù)不可或缺的一部分，其通常是將功能材料溶液化(如無機(jī)材料、有機(jī)材料、半導(dǎo)體材料等)或者粉末化(金屬粉末、半導(dǎo)體材料粉末等)分散在一定的溶劑或者樹脂粘結(jié)劑中，制成具有一定黏度和流動(dòng)性的材料，可適用于印刷技術(shù)，印刷油墨的發(fā)展是印刷電子技術(shù)發(fā)展中最為重要的一環(huán)，事實(shí)上，正是對(duì)半導(dǎo)體材料的油墨化的研究推動(dòng)了印刷電子技術(shù)的發(fā)展[10]。

2.6.2 聚3，4-乙撐二氧噻吩(EDOT)溶液

將基底(聚酰亞胺膜)經(jīng)過氧化氫和氯化鐵溶液浸泡，可生成mmol/m2量級(jí)的氯化亞鐵和過氧基團(tuán)，浸入溶有EDOT的溶液中，與其反應(yīng)形成PEDOT膜，使PI的表面電阻降至400Ω，真空紫外線照射使PEDOT的導(dǎo)電性下降，可透過掩膜制作導(dǎo)電圖案。在電解池中導(dǎo)電PEDOT可傳遞電子使銅離子還原，沉積于導(dǎo)電PEDOT表面，形成針狀晶核，再生長成織晶、紡錘晶和連續(xù)銅箔，將導(dǎo)電圖案轉(zhuǎn)變?yōu)殂~線圖案。

2.6.3 新型高效沉積金屬的光敏聚合物

陳旭東課題組[11]合成新型光敏聚合物，將其制成自支撐或基底支撐的干膜。光敏聚合物干膜在365nm～436nm紫外光源發(fā)生光致變化，因此可通過光掩?；蚣す庵睂懙姆绞街苯悠毓?。曝光完成后，用含有化學(xué)鍍催化劑(鈀離子)的溶液顯影在25℃～60℃下浸泡10s～120s，沖洗，吹干，然后用含有化學(xué)還原劑的活化液浸泡或者加熱活化的方法對(duì)催化劑圖案層進(jìn)行活化處理，隨后浸入鍍液進(jìn)行化學(xué)鍍，由此在聚合物表面獲得金屬圖案。

由上述光敏聚合物材料可知，光敏聚合物經(jīng)曝光能夠吸附貴金屬離子，從而化學(xué)鍍銅形成導(dǎo)電圖案。同時(shí)也可將光敏聚合物溶解在溶劑中，制成類油墨，通過基于加成法制備技術(shù)的傳統(tǒng)印刷技術(shù)承印在兼容基底上，經(jīng)顯影、活化，進(jìn)而化學(xué)鍍，得到金屬圖案。

3 總結(jié)與展望

基于加成法制備技術(shù)，改進(jìn)工藝步驟或研發(fā)新材料以開發(fā)新的制作技術(shù)，并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)及市場(chǎng)前景。其優(yōu)點(diǎn)是：工藝流程短，加工簡(jiǎn)單，成本低，無污染；采用化學(xué)沉銅，鍍層分散能力好，適合多層板和小孔徑高密度板的生產(chǎn)。其缺點(diǎn)是：只采用化學(xué)鍍，速度慢；其次化學(xué)鍍與基材表面結(jié)合力很弱。因此，目前加成法制備技術(shù)還不成熟，可靠性水平有待進(jìn)一步提高，但也是最具前瞻性的精細(xì)線路制備技術(shù)之一。

我國印制電路板產(chǎn)值逐步上升，應(yīng)該抓住目前可穿戴電子和智能設(shè)備的小型化的發(fā)展趨勢(shì)及大規(guī)模集成電路產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的機(jī)遇，瞄準(zhǔn)印制線路板產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，開發(fā)相關(guān)材料及包括模型化及計(jì)算機(jī)模擬在內(nèi)的系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)技術(shù)，使我國的印制線路板產(chǎn)業(yè)躍上新臺(tái)階。

[1] 2015年全球印制電路板行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[EB/OL].http：∥www.chyxx.com.

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Research on Additive Preparation Technology of Printed Circuit Board

ZHOU Zheng-yong1，CHEN Xu-dong1，2

(1 Southwest University，Chongqing 400715，China；2 Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275，Guangdong，China)

Silver paste was used in printed circuit board (PCB) to make the fuses of US artillery since 1946. PCB is the most important part of electronic device，even called the heart of electronic industry. In the paper we had sequentially analyzed the production process of PCB and their prospect which is the currently mainstream and was reported in the literature based on additive process. It is beneficial to grasp the industry and invested environment of PCB across the board.

printed circuit board (PCB)，additive process，preparation technology

TB 33