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文檔簡(jiǎn)介
1、印刷電子領(lǐng)域的高分辨導(dǎo)電布線技術(shù)車龍,堵永國(guó)(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),長(zhǎng)沙 410073)摘要:本文綜述了印刷電子領(lǐng)域的高分辨導(dǎo)電布線的研究現(xiàn)狀,具體分析了目前印刷電子領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)高分辨導(dǎo)電布線的有效途徑以及影響印刷分辨率的重要因素。關(guān)鍵詞:印刷電子;高分辨;導(dǎo)電布線;絲網(wǎng)印刷;油墨Electrical Wiring Technology for High-resolution of Printed ElectronicsCHE Long, DU Yong-guo(National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)Abs
2、tract: The development of high-resolution electrical wiring by printing is reviewed. And the methods realizing wiring for high-resolution and the important factors influencing printed resolution are concretely analyzed. Key words: printed electronics; high-resolution; electrical wiring; screen print
3、ing; ink印刷電子學(xué)是利用傳統(tǒng)印刷技術(shù)制造電子器件與系統(tǒng)的科學(xué)與技術(shù)。1作為一門新型的電子制造技術(shù),它與傳統(tǒng)的微電子加工相比具有三大顯著特征:大面積、柔性化、低成本。2-5基于這些優(yōu)點(diǎn),印刷電子技術(shù)正逐步地被運(yùn)用于太陽(yáng)能電池6,7、柔性顯示8、照明9、電子器件與電路10、集成智能系統(tǒng)11等前沿領(lǐng)域,為其提供高質(zhì)量的導(dǎo)電布線。所謂導(dǎo)電布線(簡(jiǎn)稱布線),是指電子元器件間導(dǎo)線連接的布置。而高分辨和高導(dǎo)電則是布線的永恒追求。目前,布線的制備方法可分為減成法和加成法兩大類。其中減成法主要有光刻蝕以及電子束、離子束、激光刻蝕等方法 12,它們具有分辨率高、電導(dǎo)率高等優(yōu)勢(shì);然而,這些“減成”的布線方法
4、基本上是在薄膜工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行刻蝕,所以,不僅工藝復(fù)雜而且容易造成材料的浪費(fèi),這將降低生產(chǎn)效率、增加制造成本。如果采用印刷等“加成”的方法,除了可以減少污染、降低材料耗損,還可以縮減工藝步驟,最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的低成本和高效率。但是,印刷電子技術(shù)也具有其自身的缺陷:采用印刷的方法所能達(dá)到的布線精細(xì)度還很難滿足某些電子產(chǎn)品的特殊需求。目前,有關(guān)新型方法印刷精細(xì)導(dǎo)線的文章較多,但對(duì)印刷電子領(lǐng)域的高分辨布線原理卻少有系統(tǒng)探究。所以,研究印刷電子領(lǐng)域的高分辨布線具有十分重要的意義。本文僅對(duì)印刷電子領(lǐng)域中的高分辨問(wèn)題進(jìn)行探究,綜述實(shí)現(xiàn)高分辨的有效途徑,分析影響印刷分辨率的重要因素,為高分辨印刷布線提供理論依據(jù)
5、??梢灶A(yù)見(jiàn),隨著研究的不斷深入,印刷電子技術(shù)的分辨率和布線密度還將進(jìn)一步提高,印刷類電子產(chǎn)品將占據(jù)更廣闊的市場(chǎng)空間。1 印刷分辨率印刷分辨率是指以印刷作為技術(shù)手段,在承印材料上能夠正確復(fù)制得到的最細(xì)線條和網(wǎng)點(diǎn)尺寸的能力。14在印刷電子領(lǐng)域,分辨率是衡量印刷電子產(chǎn)品布線質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,只有高的印刷分辨率才能獲得精細(xì)的布線。目前,常用的分辨率表征方法有兩種:一是使用線條的寬度(線寬)作為分辨率,如圖1(a)所示,分辨率記作r;二是為了更準(zhǔn)確的描述布線的精細(xì)度,人們常常也會(huì)同時(shí)考慮線寬和線間距兩個(gè)參數(shù),如圖1(b)所示,分辨率記作r/d。圖1:分辨率的表征示意圖然而,這兩種表示方法也存在一定聯(lián)系
6、,如果分辨率為r,常常默認(rèn)為r/r,即線寬和線間距均為r。對(duì)于早期(90年代初)的印刷類電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō),其極限分辨率僅能達(dá)到125m。13而目前,通過(guò)常規(guī)的絲網(wǎng)印刷和噴墨打印技術(shù)已經(jīng)能達(dá)到50-100m的分辨率,改進(jìn)的印刷方法甚至可達(dá)到20m左右的高分辨率。1但是,印刷電子技術(shù)所能達(dá)到的高分辨率還很難與硅集成工藝相媲美。早在20世紀(jì)末,硅集成加工領(lǐng)域便進(jìn)入了納米時(shí)代,如果能將印刷電子技術(shù)的分辨率由高分辨推向超高分辨(1m以下),印刷電子技術(shù)將會(huì)更加大有作為。印刷電子制造工藝雖說(shuō)是一門新型的電子生產(chǎn)技術(shù),但它畢竟是傳統(tǒng)印刷行業(yè)的拓展。因此,無(wú)論是印刷電子領(lǐng)域還是傳統(tǒng)印刷業(yè),它們的技術(shù)實(shí)現(xiàn)都是依賴于
7、印刷設(shè)備和油墨。所以,提高印刷電子技術(shù)的分辨率需要從技術(shù)手段和材料性能兩個(gè)方面著手。本文以絲網(wǎng)印刷為例,對(duì)制造工藝以及油墨性能展開(kāi)討論,分析影響印刷分辨率的重要因素。2 絲網(wǎng)印刷布線成膜過(guò)程絲網(wǎng)印刷屬于孔板印刷中的一種,因?yàn)槠浼夹g(shù)成熟、設(shè)備簡(jiǎn)單、適印性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),而被廣泛地應(yīng)用于印刷電子產(chǎn)品的大面積、低成本制造。根據(jù)印刷方式的不同,絲網(wǎng)印刷可以分為平壓平法、平壓圓法以及圓壓圓法。不論是哪種方式,原理都十分簡(jiǎn)單:油墨在刮刀的壓力作用下透過(guò)印版的圖像區(qū)域(網(wǎng)孔區(qū)域),滲透到承印物表面并形成所需的圖形。采取絲網(wǎng)印刷進(jìn)行布線的物理冶金過(guò)程如圖2(示意圖)所示。從流變學(xué)角度看,油墨從油墨罐到最終印刷在承印
8、物上成膜需要經(jīng)過(guò)三個(gè)階段:一是油墨從油墨罐中轉(zhuǎn)移到絲網(wǎng)印刷網(wǎng)版的過(guò)程;二是油墨在刮刀的壓力作用通過(guò)網(wǎng)孔,將網(wǎng)版上的布線圖形復(fù)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過(guò)程。根據(jù)不同的油墨種類,還將伴有干燥、燒結(jié)等不同的后續(xù)工藝。只有清楚地掌握整個(gè)布線的制備過(guò)程,才能找出影響高分辨布線的因素。圖2 絲網(wǎng)印刷過(guò)程示意圖3 絲網(wǎng)模版與分辨率分辨率是評(píng)估布線質(zhì)量的重要參數(shù)之一。傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷分辨率偏低,但目前已經(jīng)得到了明顯的改善,由過(guò)去的100多微米發(fā)展到現(xiàn)在的50-70m,運(yùn)用新型制版技術(shù)的絲網(wǎng)印刷已經(jīng)可以制備出10多微米的金屬導(dǎo)線。15其中,絲網(wǎng)掩模版的制作質(zhì)量是影響絲印圖形
9、分辨率和清晰度的主要因素,即使是同一種油墨,采用不同性能的模版,布線所能達(dá)到的分辨率也將有所不同。3.1網(wǎng)版的目數(shù)與絲徑由絲網(wǎng)印刷的原理可知,印刷圖案的成形過(guò)程實(shí)際就是網(wǎng)版圖案的復(fù)制過(guò)程,所以,網(wǎng)版的分辨率將直接決定著印刷產(chǎn)品的布線分辨率。網(wǎng)版的結(jié)構(gòu)如圖3所示,一般的網(wǎng)版主要由網(wǎng)孔纖維和模板材料組成,通過(guò)編織纖維的狀況可以直接估算出網(wǎng)版的有效分辨率。目前已查閱的資料表明,1, 14, 17復(fù)制的最細(xì)線條寬度(W)可以通過(guò)絲徑(r)和網(wǎng)孔開(kāi)口(d)的尺寸近似得到:其中網(wǎng)版開(kāi)口可以通過(guò)目數(shù)(單位長(zhǎng)度上的絲線數(shù)目)和絲徑直接換算得到。以圖3:網(wǎng)版的結(jié)構(gòu)示意圖:(a)網(wǎng)版截面圖,(b)編織纖維俯視圖4
10、00目/18(絲徑18m)的網(wǎng)版為例,可估算出其能到達(dá)的最小分辨率約為80 m。因此,可以提出實(shí)現(xiàn)高分辨布線的方法:(1)采用較高目數(shù)的網(wǎng)版;(2)采用較小絲徑的纖維制作網(wǎng)版。目前,超高精細(xì)絲印網(wǎng)版都采用500目以上、18微米或者更細(xì)的不銹鋼纖維。16但是,使用這個(gè)途徑卻不能無(wú)限制的提高分辨率。當(dāng)目數(shù)過(guò)高時(shí),絲網(wǎng)開(kāi)口面積過(guò)小,不利于油墨透過(guò),所以絲網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)還要保證合適的開(kāi)口,否則這將對(duì)油墨的性能提出很高的挑戰(zhàn)。而且過(guò)小的絲徑可能導(dǎo)致網(wǎng)版力學(xué)性能下降,網(wǎng)版使用壽命縮減。3.2感光乳劑絲網(wǎng)印刷用的掩模常常是指乳膠掩模,主要分為直接法和間接法兩種,如圖3(a)所示。不論直接法還是間接法,都將使用感光
11、乳劑實(shí)現(xiàn)圖案的成型。由圖3(a)可知,油墨需要透過(guò)絲網(wǎng)和乳膠模版才能到達(dá)基材表面,在不考慮絲網(wǎng)對(duì)油墨的阻擋的作用下,乳膠模版的分辨率將決定印刷線條的寬度。所以,感光乳劑的性能將直接影響圖案的精細(xì)程度,業(yè)內(nèi)常以解像力(解像力是指光學(xué)攝影系統(tǒng)或元件對(duì)兩個(gè)相鄰線條分辨能力的測(cè)量值)和銳度(銳度是指成像邊緣的平整度或者清晰度)來(lái)表征感光乳劑成像的精細(xì)程度。即提高乳膠解像力和銳度有利于高分辨布線。但是,解像力的提高并不一定能夠達(dá)到更加精細(xì)的線條。目前,市場(chǎng)上已有解像力為20m 的絲網(wǎng)感光乳劑問(wèn)世,而商業(yè)絲網(wǎng)印刷的最佳分辨率也只能達(dá)到50m左右。這是因?yàn)?,模版的分辨率由絲網(wǎng)分辨率和乳膠掩模分辨率共同決定,
12、高的解像力必須要有與之匹配的絲網(wǎng)分辨能力。這一點(diǎn)已有學(xué)者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,Harruyuki等15運(yùn)用一種高分辨率的光刻膠制作出了特征尺寸為10m的網(wǎng)版,這個(gè)網(wǎng)版印刷得到線寬13m的電路。3.3絲網(wǎng)張力絲網(wǎng)繃制時(shí),一般要求絲網(wǎng)具有均勻的張力,并且控制在一定的范圍內(nèi),只有合適的絲網(wǎng)張力才能印刷出高質(zhì)量的布線。18首先,張力不能過(guò)大,過(guò)大的張力將造成絲網(wǎng)撕裂或者影響絲網(wǎng)觸變性,也將對(duì)印刷工藝參數(shù)的要求變得苛刻。其次,張力不能太小,張力過(guò)小使得模版圖形容易褶皺變形,并且絲網(wǎng)和襯底容易粘連,圖形容易模糊。所以,一般要求絲網(wǎng)張力適當(dāng)?shù)母咭恍^高的張力可以增加絲網(wǎng)的回彈速度,加快絲網(wǎng)與承印材料的分離,這都
13、有助于提高圖形的分辨能力。目前高精細(xì)絲網(wǎng)印刷用的不銹鋼網(wǎng)版其張力要求一般在24-30 N/cm,精度要求±1 N/cm甚至更小。4 絲印參數(shù)與分辨率根據(jù)目前資料顯示,絲印參數(shù)對(duì)分辨率的影響主要表現(xiàn)在油墨漏印體積對(duì)導(dǎo)線寬度的改變。漏印體積與線寬關(guān)系示意圖如圖4所示,隨著漏印量的增加,導(dǎo)圖4:油墨漏印體積與布線寬度示意圖表1:絲印參數(shù)對(duì)布線質(zhì)量的影響(代表增加,代表減?。┙z網(wǎng)參數(shù)參數(shù)改變漏印量線寬膜厚脫離高度刮刀壓力刮刀速度刮刀硬度刮刀角度乳膠厚度線的寬度增加。漏印體積過(guò)小,膜層太薄,導(dǎo)線電阻大,并且容易造成斷線、導(dǎo)線寬度小于設(shè)計(jì)值;漏印體積太大,膜層較厚,雖然導(dǎo)線電阻減小,但是容易造成
14、導(dǎo)線塌邊,增加導(dǎo)線寬度。所以,保證適當(dāng)?shù)穆┯◇w積有利于得到精細(xì)線條。影響印刷質(zhì)量的參數(shù)很多,其中刮刀硬度、刮刀速度、刮刀角度、印刷力、分離高度等19參數(shù)影響較明顯,具體影響見(jiàn)表1。這里需要指出的是,表1只是定性地表示參數(shù)的增加與漏印量、線寬以及膜厚的關(guān)系,它們之間不一定成標(biāo)準(zhǔn)的線性相關(guān)。5 油墨性能與分辨率 印刷電子材料主要指用于印刷電子產(chǎn)品的漿料或者油墨。印刷電子材料分為有機(jī)印刷電子材料和無(wú)機(jī)印刷電子材料,不論是有機(jī)還是無(wú)機(jī)印刷電子材料,油墨自身的物理化學(xué)性質(zhì)將直接影響到印刷電子類產(chǎn)品的分辨率。下面將分析油墨性質(zhì)與分辨率的關(guān)系。5.1 表面張力電子產(chǎn)品的印刷過(guò)程實(shí)際上就是漿料潤(rùn)濕基板的過(guò)程,
15、所以漿料對(duì)基板的潤(rùn)濕作用將影響印刷分辨率。而表面張力的大小對(duì)潤(rùn)濕性能起到?jīng)Q定性的作用,這種關(guān)系可以通過(guò)圖5加以說(shuō)明。圖5:油墨的潤(rùn)濕現(xiàn)象示意圖如圖5所示,這個(gè)體系的三相分界點(diǎn)為o點(diǎn),在這些接觸面上存在三種表面張力:gGL油墨和空氣間的表面張力; gGS襯底和空氣間的表面張力; gLS油墨和襯底間的表面張力。其中g(shù)GS使油墨沿著襯底鋪展,gLS和gGL使油墨收縮,這三個(gè)力相互作用直到達(dá)到平衡,即: (q為接觸角)gGS>gLS+gGL時(shí),襯底和空氣間的表面張力會(huì)使得油墨在襯底上鋪張開(kāi),很顯然這不利于高分辨。gGS<gLS+gGL時(shí),q>0,當(dāng)墨滴體積一定時(shí),q越大,墨滴與襯底接
16、觸面積越小,分辨率越高,但q又不能太大,太大的接觸角會(huì)減小油墨對(duì)基材的附著力。目前,利用這個(gè)原理提高分辨率只有兩種途徑:(1)選擇低表面張力gGS的襯底或者改性襯底表面,例如:國(guó)內(nèi)一些科研工作者采用烷烴類處理液去潤(rùn)濕基板表面和絲網(wǎng)13;(2)設(shè)計(jì)高表面張力gLS的油墨。5.2 揮發(fā)性能在印刷薄膜的形貌研究中,經(jīng)常提到的問(wèn)題就是“咖啡環(huán)”效應(yīng),20不論是燒結(jié)型還是熱固性油墨,油墨在干燥過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)四周高、中間低的現(xiàn)象,如圖6: 咖啡環(huán)形成機(jī)理示意圖圖6所示。由于該效應(yīng)的存在,不利于墨滴在干燥過(guò)程中的體積收縮,這將直接影響到印刷電子產(chǎn)品的布線密度。目前,對(duì)于“咖啡環(huán)”產(chǎn)生機(jī)理的解釋很多,被普遍接受
17、的解釋為:由于墨滴四周部分的彎曲弧度一般較大,比表面積相對(duì)中間更大,這使得四周溶劑揮發(fā)較快,導(dǎo)致其邊緣流動(dòng)性變差,墨滴四周被“釘”在原地?zé)o法移動(dòng);同時(shí),溶劑的減少使得四周表面能增大,墨滴將向四周收縮以減小總的表面能,最終形成四周高、中間低的結(jié)構(gòu)。通過(guò)機(jī)理分析,同樣可以找到避免或者改善的方法:(1)用不同沸點(diǎn)和表面張力的溶劑配制混合溶劑;(2)增加墨滴與襯底的接觸角;(3)減小油墨的流動(dòng)性等。5.3 粘度與觸變性在流動(dòng)的液體中,如果由于某些外界原因使得流體各層流速不同時(shí),則在兩層接觸面流動(dòng)速度不同的液層之間,有作用力和反作用力的存在,這一對(duì)力稱為液體的內(nèi)摩擦力,一般液體都具有這種性質(zhì),稱為液體的
18、粘性。度量流體粘性的物理量為粘度。21對(duì)于一般的液體,在恒溫恒壓情況下,其粘度不會(huì)隨時(shí)間和剪切速率的變化而變化;然而,某些液體如導(dǎo)電油墨,它的粘度會(huì)隨剪切作用時(shí)間的改變而改變,液體的這種特性被稱為觸變性。在印刷電子領(lǐng)域中,油墨的粘度和觸變性對(duì)印刷分辨率有著重要影響,只有合適的粘度和觸變性才能印刷出精細(xì)的線路。22一般來(lái)說(shuō),高粘度的漿料轉(zhuǎn)移到襯底上的不易出現(xiàn)擴(kuò)展或者塌落,更適合于高分辨率布線。7如果采用高粘度的油墨施印,新的問(wèn)題隨之產(chǎn)生,高粘度不利于(絲網(wǎng)印刷過(guò)程)油墨透過(guò)絲網(wǎng)。因此要保證絲網(wǎng)印刷的高分辨率布線,油墨的觸變性就變得相當(dāng)重要。具有優(yōu)良觸變性的漿料應(yīng)該表現(xiàn)為如下特性:當(dāng)油墨被攪動(dòng)和擠
19、壓,油墨粘度迅速變小而加速通過(guò)網(wǎng)孔;當(dāng)轉(zhuǎn)移到襯底上后,因靜止而粘度迅速增大,難于流動(dòng)。這樣既能保證油墨漏印的體積,又能避免或者減小線條的寬化,以提高布線精度。所以,提高布線分辨率可以對(duì)油墨提出以下要求:(1)較高的粘度值,目前高精細(xì)絲印用油墨粘度一般在100Pa·s左右;(2)高觸變性,一般具有較大的觸變指數(shù)(觸變指數(shù)是指油墨在高低剪切速率作用下,其穩(wěn)態(tài)下粘度大小的比值),由于每個(gè)公司采用的標(biāo)準(zhǔn)不同,具體大小很難有定量描述; (3)與印刷參數(shù)匹配的結(jié)構(gòu)恢復(fù)性能,一般采用流變儀來(lái)定性表征油墨的結(jié)構(gòu)恢復(fù)性能,目前常用3ITT曲線來(lái)模擬絲印過(guò)程,即先對(duì)油墨進(jìn)行高剪切力作用破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu),再比
20、較特定時(shí)間內(nèi)其粘度或者彈性模量數(shù)值大小的恢復(fù)比率。5.4 原料納米化印刷電子技術(shù)作為一本電子制造技術(shù)真正受到廣泛關(guān)注和過(guò)去幾十年里無(wú)機(jī)納米技術(shù)的發(fā)展密不可分。23眾所周知,無(wú)機(jī)材料無(wú)論是電導(dǎo)率方面還是半導(dǎo)體載流子遷移率方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝于有機(jī)材料。如果能將無(wú)機(jī)材料用于印刷電子領(lǐng)域,這不僅能提高印刷電子產(chǎn)品的電學(xué)性能,還能擴(kuò)展印刷電子技術(shù)的制造領(lǐng)域。目前,科學(xué)家們?cè)诩{米科學(xué)領(lǐng)域找到了解決方案,這些無(wú)機(jī)材料一旦具有納米形態(tài)(納米粒子、納米管、納米線等)就可以制備成墨水并通過(guò)印刷的方法制造電子元器件。在納米技術(shù)未被引入印刷電子領(lǐng)域以前,電子漿料的摻雜顆粒都集中在微米量級(jí),也就說(shuō)明印刷電子產(chǎn)品的最小特征尺寸
21、不可能減小到1m(超高分辨)以下。所以,發(fā)展高分辨印刷電子技術(shù)的前提是制備出更小顆粒尺寸的油墨。對(duì)于絲網(wǎng)印刷用油墨來(lái)說(shuō),原料納米化將帶來(lái)許多優(yōu)點(diǎn)。第一,分散相粒徑減小,由原來(lái)的懸浮體變?yōu)槟z體,油墨體系的穩(wěn)定性增加,保質(zhì)期延長(zhǎng)。第二,金屬的納米化使得熔點(diǎn)下降,燒成溫度降低,對(duì)燒結(jié)型漿料十分有利。第三,分散相粒徑減小,油墨細(xì)度大大降低,油墨能漏過(guò)更細(xì)的網(wǎng)孔,印刷分辨率大大提高。6 小結(jié)印刷電子技術(shù)作為一門新型的電子制造技術(shù),它所面臨的最大挑戰(zhàn)是解決日益增長(zhǎng)的分辨率需求。雖然印刷電子技術(shù)面對(duì)諸多技術(shù)瓶頸,但是提高印刷分辨率還是有章可尋。目前,科研工作者們通過(guò)對(duì)印刷工藝和印刷材料不斷改進(jìn)和創(chuàng)新,已經(jīng)將
22、印刷分辨率的研究由高分辨推向了超高分辨,這是印刷電子領(lǐng)域的一個(gè)大的飛躍。隨著科研工作的進(jìn)一步深入,印刷電子技術(shù)的分辨率和布線密度還將進(jìn)一步提高,那時(shí)候印刷電子領(lǐng)域?qū)⒂瓉?lái)更加光明的發(fā)展前景,印刷類電子產(chǎn)品將被運(yùn)用于生活的方方面面。參考文獻(xiàn):1崔錚, 邱松, 等. 印刷電子學(xué)-材料、技術(shù)及其運(yùn)用M. 高等教育出版社,2012, 3.2Kwon K, Kim W. A waveform design method for high-speed inkjet printing based on self-sensing measurementJ. Sens. Actuators, A, 2007, 1
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