滾筒式絲印在印刷電子中應用前景探析

文 宋詞

滾筒式絲印在印刷電子中應用前景探析

文 宋詞

印刷電子技術是一種基于印刷原理的電子制造技術，將是繼半導體與平板顯示產業之后的一個新興戰略產業。印刷電子技術將是柔性顯示、薄膜光伏、有機照明、智能標簽與智能包裝等領域的關鍵產業技術。過去10多年中，有機電子與納米材料的發展已經在實驗室水平上證明了柔性與印刷電子技術的可行性。英國技術市場研究咨詢公司IDTechEx預測，今后20年印刷電子產品將形成價值約3000億美元/年的市場，是目前硅產業的2倍。目前，各個國家都在大力投入印刷電子這一新興領域，比如韓國知識經濟部國家研發戰略辦公室的官員Young-Sup J oo宣布，2012～2018年6年間，韓國政府與工業界將聯手投資1725億韓元，大力發展韓國的印刷電子技術與產業。2011年10月26日，天津大學、中科院蘇州納米所、中科院化學所、中科院微電子所和北京綠色印刷包裝產業技術研究院、中國包裝總公司、北京北印中源科技有限公司等21家單位成立了“全國印刷電子產業技術創新聯盟”，致力推動印刷電子技術產業化。種種跡象都表明，印刷電子產業在全世界正處于產業化前夜。

絲印是目前電子印刷的主要方式。傳統的平網絲印，在印刷中由于網版變形在很大程度上制約了印刷電子圖像精度的進一步提高。本文首先對傳統光刻技術、印刷電子技術進行對比，分析絲網印刷優點及存在的問題。針對市場上新推出的滾筒式絲網印刷方式，對其大幅面、高印刷精度、高印刷效率特點進行技術分析，同時對它的應用前景做一些展望。

傳統的光刻技術，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，通過對光照區進行控制，使表面得到所需圖像的一種方法。目前，光刻技術在電子工業中被廣泛利用，如集成電路及電子元器件制造等。但該技術工藝過程繁雜，且在顯影、抗蝕膜去除過程中，都伴隨大量的污染物排放，嚴重污染環境。印刷電子只需兩個工藝過程：轉移及熱固化，極大的精簡工藝過程，降低成本。印刷電子產品的最大特點及優勢是大面積、柔性化與低成本，與硅基微電子產品形成強烈對比。印刷制作電子器件所需設備投資極低，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，但成本上的優勢和大面積與柔性化特點使印刷電子技術仍有硅基微電子器件所不能勝任的大量應用領域。

平網絲網印刷電子技術

目前，一般在電子領域應用的是平網絲網技術，主要應用在堅硬的承印物上，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，平網絲網印刷是用一層篩板材料，上面有平行排列的網孔，網孔上表面涂有感光乳液。橡皮刮板將油墨或者漿料，從絲網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。網版與承印物的接觸時間直接影響油墨或漿料的轉移率，同時也影響印刷圖像邊緣清晰度。因此，平版絲網印刷的網版和承印物之間的間隙一般控制在2～10mm。

當刮板在刮刷時，要滿足刮板與網版表面、承印物是垂直的。當漿料粘附在承印物上時，絲網靠粘彈性實現網版和承印物分離。如果減少與承印物接觸時間，可以減少漿料在承印物表面的流延。由于絲網是按照垂直方向拉伸的，絲網會發生變形，會降低尺寸的精度。特別是越大的絲網，存在變形量越大，如圖2所示。

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

在實際印刷企業中，網版、漿料通過不斷改變印刷條件來達到一個相對質量和生產效率都滿足的過程，這是一個公司區別于其它競爭者的競爭力所在。另外，作為一個工業產品，要盡量降低成本，以最少的消耗達到最大的生產效率。

滾筒式絲網印刷技術

平網絲網印刷只需一張平臺，一個網版就可以進行手工操作，印刷方式非常靈活，可用于實驗研究和小規模生產。但是面對印刷電子的大幅面，高質量的需求時，成本與質量的矛盾就很凸顯。滾筒式絲網印刷技術出現，較好的解決了上述矛盾，滾筒式絲網印刷是櫻井集團公司根據印刷電子的需求，應用在全自動MS80SD滾筒式絲網印刷機上的新技術，在Drupa 2012上已經亮相，十分引人矚目。

與平網絲網印刷電子方式比較而言，滾筒式絲網印刷在軟性承印物上印刷時，能在更大幅面上實現高速度，且較高質量印刷，可廣泛應用于電子工業產品。比如：薄膜開關、座椅加熱器、座位感應器、血糖測試儀、RFID天線、家用控制面板、手機殼裝飾、LCD背光散射涂層、3D微透鏡、轉移紙、現金磁卡等等。

滾筒式絲網印刷工作原理如圖4所示，與刮板在絲網平臺上相比，柔性材料可以裹在滾筒表面，刮板從上面刮過，承印材料同時隨著滾筒的轉動也沿著水平方向移動。

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

滾筒式絲網印刷技術一個顯著特點是印刷過程中不需要繃網。在常規的絲網印刷中，不管是采用滾筒型還是平板型，網版與承印物都是有間隙的，在印刷過程中都要進行繃網。但是在滾筒式絲網印刷方式中，由于絲網是與彎曲的承印物線接觸，在垂直方向可以實現網的零變形。在這種情況下，網版沒有必要是柔軟的，因為它不需要繃網。這樣就非常接近印刷工藝中的理想的網版，網版是堅硬的且幾乎不會變形。下面是介紹滾筒式絲網印刷如何實現在不需要繃網的情況下，實現高精度印刷的。

網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動，附在滾筒表面。滾筒的咬牙比滾筒的表面略高幾個毫米。當咬牙咬住承印物時，滾筒就轉動一個角度，此時咬牙不會和網版接觸。當咬牙與網版分開時，網版高度就開始降低，此時開始印刷，網版與承印物之間的間距已經幾乎為零了。

使用低彎曲及高彈性的絲網

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

網版伸長校準功能

即使采用堅硬的網版材料，但在刮板刮的方向出現變形不可避免。絲網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立的伺服電機控制的。因此，印刷拉伸校正功能可以通過略微提高滾筒的相對于網版的速度，來彌補印刷過程中，網版在平面上的拉伸變形。

數字圖像校準功能

在絲網印刷機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記，根據標記來迅速調整承印物的位置，這樣能產生更高的印刷精度。

滾筒式絲印印刷樣品分析

用880mm2的不銹鋼金屬網框印刷300mm2，網線數是500目，印刷采用的是TOYOCHEM公司的“RAFS058”銀導電漿料，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薄膜上進行印刷。對于平網絲印而言，線條的邊緣出現漿料的流延，邊緣不光滑不能實現很高的清晰度。但采用滾筒式絲印，沒有在線條邊緣出現流延的現象，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左右的圓點的印刷效果圖。如果采用平網絲印，印刷這樣的圓點時，容易出現變形；但采用滾筒式絲印方式，由于網版與承印物之間的間距幾乎為零，網版變形極小，因此圓點幾乎沒有失真變形。從整個印刷版面起始點到結束點，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。

滾筒式絲網印刷應用前景

在不久的將來，可以預見一個大規模，柔性的價格便宜的印刷電子產品市場就要來臨。目前，已經有一些產品已經商業化了，但是還很不成熟，全世界的很多國家都在快速發展印刷電子材料及技術，占領這個新興市場的制高點。對于制造工業而言，都要面對產品成本和附加值的競爭，滾筒式絲網在大面積的網版印刷中具有巨大的潛在優勢。在未來，可以通過優化網版的制版過程，利用壓印滾筒來改變印刷條件，進一步提高印刷速度和整個版面一致性及尺寸的精準度，可以實現更高清晰度和精細度的絲網印刷。通過這些提高，這項技術可以用在現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、微機電系統、壓力傳感器、多層陶瓷電容、固態鋰電池、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。滾筒式絲網印刷技術具有大幅面印刷、效率高、印刷精度高等優點，在未來的印刷電子領域將具有重大的應用前景。