印刷电子领域的高分辨导电布线技术综述Word下载.docx

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[1]作为一门新型的电子制造技术，它与传统的微电子加工相比具有三大显著特征：

大面积、柔性化、低成本。

[2-5]基于这些优点，印刷电子技术正逐步地被运用于太阳能电池[6,7]、柔性显示[8]、照明[9]、电子器件与电路[10]、集成智能系统[11]等前沿领域，为其提供高质量的导电布线。

所谓导电布线（简称布线），是指电子元器件间导线连接的布置。

而高分辨和高导电则是布线的永恒追求。

目前，布线的制备方法可分为减成法和加成法两大类。

其中减成法主要有光刻蚀以及电子束、离子束、激光刻蚀等方法[12]，它们具有分辨率高、电导率高等优势；

然而，这些“减成”的布线方法基本上是在薄膜工艺的基础上进行刻蚀，所以，不仅工艺复杂而且容易造成材料的浪费，这将降低生产效率、增加制造成本。

如果采用印刷等“加成”的方法，除了可以减少污染、降低材料耗损，还可以缩减工艺步骤，最终实现生产的低成本和高效率。

但是，印刷电子技术也具有其自身的缺陷：

采用印刷的方法所能达到的布线精细度还很难满足某些电子产品的特殊需求。

目前，有关新型方法印刷精细导线的文章较多，但对印刷电子领域的高分辨布线原理却少有系统探究。

所以，研究印刷电子领域的高分辨布线具有十分重要的意义。

本文仅对印刷电子领域中的高分辨问题进行探究，综述实现高分辨的有效途径，分析影响印刷分辨率的重要因素，为高分辨印刷布线提供理论依据。

可以预见，随着研究的不断深入，印刷电子技术的分辨率和布线密度还将进一步提高，印刷类电子产品将占据更广阔的市场空间。

1印刷分辨率

印刷分辨率是指以印刷作为技术手段，在承印材料上能够正确复制得到的最细线条和网点尺寸的能力。

[14]在印刷电子领域，分辨率是衡量印刷电子产品布线质量的重要指标之一，只有高的印刷分辨率才能获得精细的布线。

目前，常用的分辨率表征方法有两种：

一是使用线条的宽度（线宽）作为分辨率，如图1（a）所示，分辨率记作r；

二是为了更准确的描述布线的精细度，人们常常也会同时考虑线宽和线间距两个参数，如图1（b）所示，分辨率记作r/d。

图1：

分辨率的表征示意图

然而，这两种表示方法也存在一定联系，如果分辨率为r，常常默认为r/r，即线宽和线间距均为r。

对于早期（90年代初）的印刷类电子产品来说，其极限分辨率仅能达到125μm。

[13]而目前，通过常规的丝网印刷和喷墨打印技术已经能达到50-100μm的分辨率，改进的印刷方法甚至可达到20μm左右的高分辨率。

[1]但是，印刷电子技术所能达到的高分辨率还很难与硅集成工艺相媲美。

早在20世纪末，硅集成加工领域便进入了纳米时代，如果能将印刷电子技术的分辨率由高分辨推向超高分辨（1μm以下），印刷电子技术将会更加大有作为。

印刷电子制造工艺虽说是一门新型的电子生产技术，但它毕竟是传统印刷行业的拓展。

因此，无论是印刷电子领域还是传统印刷业，它们的技术实现都是依赖于印刷设备和油墨。

所以，提高印刷电子技术的分辨率需要从技术手段和材料性能两个方面着手。

本文以丝网印刷为例，对制造工艺以及油墨性能展开讨论，分析影响印刷分辨率的重要因素。

2丝网印刷布线成膜过程

丝网印刷属于孔板印刷中的一种，因为其技术成熟、设备简单、适印性强等优点，而被广泛地应用于印刷电子产品的大面积、低成本制造。

根据印刷方式的不同，丝网印刷可以分为平压平法、平压圆法以及圆压圆法。

不论是哪种方式，原理都十分简单：

油墨在刮刀的压力作用下透过印版的图像区域（网孔区域），渗透到承印物表面并形成所需的图形。

采取丝网印刷进行布线的物理冶金过程如图2（示意图）所示。

从流变学角度看，油墨从油墨罐到最终印刷在承印物上成膜需要经过三个阶段：

一是油墨从油墨罐中转移到丝网印刷网版的过程；

二是油墨在刮刀的压力作用通过网孔，将网版上的布线图形复制到承印物上；

三是印刷在承印物上的油墨在重力的作用下流平并成膜的过程。

根据不同的油墨种类，还将伴有干燥、烧结等不同的后续工艺。

只有清楚地掌握整个布线的制备过程，才能找出影响高分辨布线的因素。

图2丝网印刷过程示意图

3丝网模版与分辨率

分辨率是评估布线质量的重要参数之一。

传统的丝网印刷分辨率偏低，但目前已经得到了明显的改善，由过去的100多微米发展到现在的50-70μm，运用新型制版技术的丝网印刷已经可以制备出10多微米的金属导线。

[15]其中，丝网掩模版的制作质量是影响丝印图形分辨率和清晰度的主要因素，即使是同一种油墨，采用不同性能的模版，布线所能达到的分辨率也将有所不同。

3.1网版的目数与丝径

由丝网印刷的原理可知，印刷图案的成形过程实际就是网版图案的复制过程，所以，网版的分辨率将直接决定着印刷产品的布线分辨率。

网版的结构如图3所示，一般的网版主要由网孔纤维和模板材料组成，通过编织纤维的状况可以直接估算出网版的有效分辨率。

目前已查阅的资料表明，[1,14,17]复制的最细线条宽度（W）可以通过丝径（r）和网孔开口（d）的尺寸近似得到：

其中网版开口可以通过目数（单位长度上的丝线数目）和丝径直接换算得到。

以

图3：

网版的结构示意图：

（a）网版截面图，（b）编织纤维俯视图

400目/18μ（丝径18μm）的网版为例，可估算出其能到达的最小分辨率约为80μm。

因此，可以提出实现高分辨布线的方法：

（1）采用较高目数的网版；

（2）采用较小丝径的纤维制作网版。

目前，超高精细丝印网版都采用500目以上、18微米或者更细的不锈钢纤维。

[16]但是，使用这个途径却不能无限制的提高分辨率。

当目数过高时，丝网开口面积过小，不利于油墨透过，所以丝网设计时还要保证合适的开口，否则这将对油墨的性能提出很高的挑战。

而且过小的丝径可能导致网版力学性能下降，网版使用寿命缩减。

3.2感光乳剂

丝网印刷用的掩模常常是指乳胶掩模，主要分为直接法和间接法两种，如图3（a）所示。

不论直接法还是间接法，都将使用感光乳剂实现图案的成型。

由图3（a）可知，油墨需要透过丝网和乳胶模版才能到达基材表面，在不考虑丝网对油墨的阻挡的作用下，乳胶模版的分辨率将决定印刷线条的宽度。

所以，感光乳剂的性能将直接影响图案的精细程度，业内常以解像力（解像力是指光学摄影系统或元件对两个相邻线条分辨能力的测量值）和锐度（锐度是指成像边缘的平整度或者清晰度）来表征感光乳剂成像的精细程度。

即提高乳胶解像力和锐度有利于高分辨布线。

但是，解像力的提高并不一定能够达到更加精细的线条。

目前，市场上已有解像力为20μm的丝网感光乳剂问世，而商业丝网印刷的最佳分辨率也只能达到50μm左右。

这是因为，模版的分辨率由丝网分辨率和乳胶掩模分辨率共同决定，高的解像力必须要有与之匹配的丝网分辨能力。

这一点已有学者进行了实验验证，Harruyuki等[15]运用一种高分辨率的光刻胶制作出了特征尺寸为10μm的网版，这个网版印刷得到线宽13μm的电路。

3.3丝网张力

丝网绷制时，一般要求丝网具有均匀的张力，并且控制在一定的范围内，只有合适的丝网张力才能印刷出高质量的布线。

[18]首先，张力不能过大，过大的张力将造成丝网撕裂或者影响丝网触变性，也将对印刷工艺参数的要求变得苛刻。

其次，张力不能太小，张力过小使得模版图形容易褶皱变形，并且丝网和衬底容易粘连，图形容易模糊。

所以，一般要求丝网张力适当的高一些，较高的张力可以增加丝网的回弹速度，加快丝网与承印材料的分离，这都有助于提高图形的分辨能力。

目前高精细丝网印刷用的不锈钢网版其张力要求一般在24-30N/cm，精度要求±

1N/cm甚至更小。

4丝印参数与分辨率

根据目前资料显示，丝印参数对分辨率的影响主要表现在油墨漏印体积对导线宽度的改变。

漏印体积与线宽关系示意图如图4所示，随着漏印量的增加，导

图4：

油墨漏印体积与布线宽度示意图

表1：

丝印参数对布线质量的影响（↗代表增加，↘代表减小）

丝网参数

参数改变

漏印量

线宽

膜厚

脱离高度

↗

刮刀压力

刮刀速度

↘

刮刀硬度

刮刀角度

乳胶厚度

线的宽度增加。

漏印体积过小，膜层太薄，导线电阻大，并且容易造成断线、导线宽度小于设计值；

漏印体积太大，膜层较厚，虽然导线电阻减小，但是容易造成导线塌边，增加导线宽度。

所以，保证适当的漏印体积有利于得到精细线条。

影响印刷质量的参数很多，其中刮刀硬度、刮刀速度、刮刀角度、印刷力、分离高度等[19]参数影响较明显，具体影响见表1。

这里需要指出的是，表1只是定性地表示参数的增加与漏印量、线宽以及膜厚的关系，它们之间不一定成标准的线性相关。

5油墨性能与分辨率

印刷电子材料主要指用于印刷电子产品的浆料或者油墨。

印刷电子材料分为有机印刷电子材料和无机印刷电子材料，不论是有机还是无机印刷电子材料，油墨自身的物理化学性质将直接影响到印刷电子类产品的分辨率。

下面将分析油墨性质与分辨率的关系。

5.1表面张力

电子产品的印刷过程实际上就是浆料润湿基板的过程，所以浆料对基板的润湿作用将影响印刷分辨率。

而表面张力的大小对润湿性能起到决定性的作用，这种关系可以通过图5加以说明。

图5：

油墨的润湿现象示意图

如图5所示，这个体系的三相分界点为o点，在这些接触面上存在三种表面张力：

GL—油墨和空气间的表面张力；

GS—衬底和空气间的表面张力；

LS—油墨和衬底间的表面张力。

其中GS使油墨沿着衬底铺展，LS和GL使油墨收缩，这三个力相互作用直到达到平衡，即：

（为接触角）

GS>

LS+GL时，衬底和空气间的表面张力会使得油墨在衬底上铺张开，很显然这不利于高分辨。

GS<

LS+GL时，>

0，当墨滴体积一定时，越大，墨滴与衬底接触面积越小，分辨率越高，但又不能太大，太大的接触角会减小油墨对基材的附着力。

目前，利用这个原理提高分辨率只有两种途径：

（1）选择低表面张力GS的衬底或者改性衬底表面，例如：

国内一些科研工作者采用烷烃类处理液去润湿基板表面和丝网[13]；

（2）设计高表面张力LS的油墨。

5.2挥发性能

在印刷薄膜的形貌研究中，经常提到的问题就是“咖啡环”效应，[20]不论是烧结型还是热固性油墨，油墨在干燥过程中会出现四周高、中间低的现象，如

图6：

咖啡环形成机理示意图

图6所示。

由于该效应的存在，不利于墨滴在干燥过程中的体积收缩，这将直接影响到印刷电子产品的布线密度。

目前，对于“咖啡环”产生机理的解释很多，被普遍接受的解释为：

由于墨滴四周部分的弯曲弧度一般较大，比表面积相对中间更大，这使得四周溶剂挥发较快，导致其边缘流动性变差，墨滴四周被“钉”在原地无法移动；

同时，溶剂的减少使得四周表面能增大，墨滴将向四周收缩以减小总的表面能，最终形成四周高、中间低的结构。

通过机理分析，同样可以找到避免或者改善的方法：

（1）用不同沸点和表面张力的溶剂配制混合溶剂；

（2）增加墨滴与衬底的接触角；

（3）减小油墨的流动性等。

5.3粘度与触变性

在流动的液体中，如果由于某些外界原因使得流体各层流速不同时，则在两层接触面流动速度不同的液层之间，有作用力和反作用力的存在，这一对力称为液体的内摩擦力，一般液体都具有这种性质，称为液体的粘性。

度量流体粘性的物理量为粘度。

[21]对于一般的液体，在恒温恒压情况下，其粘度不会随时间和剪切速率的变化而变化；

然而，某些液体如导电油墨，它的粘度会随剪切作用时间的改变而改变，液体的这种特性被称为触变性。

在印刷电子领域中，油墨的粘度和触变性对印刷分辨率有着重要影响，只有合适的粘度和触变性才能印刷出精细的线路。

[22]

一般来说，高粘度的浆料转移到衬底上的不易出现扩展或者塌落，更适合于高分辨率布线。

[7]如果采用高粘度的油墨施印，新的问题随之产生，高粘度不利于（丝网印刷过程）油墨透过丝网。

因此要保证丝网印刷的高分辨率布线，油墨的触变性就变得相当重要。

具有优良触变性的浆料应该表现为如下特性：

当油墨被搅动和挤压，油墨粘度迅速变小而加速通过网孔；

当转移到衬底上后，因静止而粘度迅速增大，难于流动。

这样既能保证油墨漏印的体积，又能避免或者减小线条的宽化，以提高布线精度。

所以，提高布线分辨率可以对油墨提出以下要求：

（1）较高的粘度值，目前高精细丝印用油墨粘度一般在100Pas左右；

（2）高触变性，一般具有较大的触变指数（触变指数是指油墨在高低剪切速率作用下，其稳态下粘度大小的比值），由于每个公司采用的标准不同，具体大小很难有定量描述；

（3）与印刷参数匹配的结构恢复性能，一般采用流变仪来定性表征油墨的结构恢复性能，目前常用3ITT曲线来模拟丝印过程，即先对油墨进行高剪切力作用破坏内部结构，再比较特定时间内其粘度或者弹性模量数值大小的恢复比率。

5.4原料纳米化

印刷电子技术作为一本电子制造技术真正受到广泛关注和过去几十年里无机纳米技术的发展密不可分。

[23]众所周知，无机材料无论是电导率方面还是半导体载流子迁移率方面都远远胜于有机材料。

如果能将无机材料用于印刷电子领域，这不仅能提高印刷电子产品的电学性能，还能扩展印刷电子技术的制造领域。

目前，科学家们在纳米科学领域找到了解决方案，这些无机材料一旦具有纳米形态（纳米粒子、纳米管、纳米线等）就可以制备成墨水并通过印刷的方法制造电子元器件。

在纳米技术未被引入印刷电子领域以前，电子浆料的掺杂颗粒都集中在微米量级，也就说明印刷电子产品的最小特征尺寸不可能减小到1μm（超高分辨）以下。

所以，发展高分辨印刷电子技术的前提是制备出更小颗粒尺寸的油墨。

对于丝网印刷用油墨来说，原料纳米化将带来许多优点。

第一，分散相粒径减小，由原来的悬浮体变为胶体，油墨体系的稳定性增加，保质期延长。

第二，金属的纳米化使得熔点下降，烧成温度降低，对烧结型浆料十分有利。

第三，分散相粒径减小，油墨细度大大降低，油墨能漏过更细的网孔，印刷分辨率大大提高。

6小结

印刷电子技术作为一门新型的电子制造技术，它所面临的最大挑战是解决日益增长的分辨率需求。

虽然印刷电子技术面对诸多技术瓶颈，但是提高印刷分辨率还是有章可寻。

目前，科研工作者们通过对印刷工艺和印刷材料不断改进和创新，已经将印刷分辨率的研究由高分辨推向了超高分辨，这是印刷电子领域的一个大的飞跃。

随着科研工作的进一步深入，印刷电子技术的分辨率和布线密度还将进一步提高，那时候印刷电子领域将迎来更加光明的发展前景，印刷类电子产品将被运用于生活的方方面面。

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