觸控屏網版印刷型光刻膠

文 劉永慶

隨著觸控屏幕在MP4、手機、平板計算機、一體機等科技產品中應用的增加，觸控技術進入人們的視野中并逐漸占據主要的地位。觸控操作作為一種全新的人機交流方式，有著生動直觀的操作接口且符合人體的使用習慣，能讓娛樂辦公變得更加生動和放松。自從蘋果公司推出采用電容式多手指觸控面板的iphone、ipod Touch，接著Google Phone、RIM的黑莓機都紛紛采用多手指觸控面板，微軟也發表支持多指觸控的新操作系統Windows 8，以及蘋果2010年推出的iPad，多手指觸控面板的熱潮將會延伸應用到中大尺寸的觸控屏幕，成為消費性電子業的一股新潮流，觸醒了長期沉睡的UI（用口接口）市場。觸控技術的應用范圍迅速擴大，使觸控這場革命正式拉開了序幕。

觸控技術的種類相當多，電容式觸控傳感技術越來越多地應用于便攜式電子產品、IP電話、大型家用電器、個人醫療設備和安全產品。觸控式人機接口正朝著更具高靈敏度顯示接口的方向發展。投射式電容技術已經成功地吸引了眾多廠商的投入。預計投射式電容式觸控面板產量將超出電阻式面板，成為觸控式面板的主流。

投射電容式觸控屏的結構

自從iPhone采用投射電容式觸控屏以來，在較短的時間里就出現大量結構設計的方案。投射電容式觸控屏的特點是：感應器在觸控表面以下，外覆有保護玻璃。一些正在開發的新產品采用了單面設計，即所有的感應層都設計在單一基板的一面上。在這個目前最薄的投射電容設計中，每一層采用積層濺射工藝。基于兩層透明導電層的投射電容的基本原理，設計上可以作各種變化。例如，用超微細（10μm）導線可以替代某層，從而少濺射一層ITO。目前市面上絕大多數手機和簽名采集板在不同PET層上鍍有ITO。此外，常見的觸控屏也是使用雙面鍍層或兩層基板上單面鍍層的ITO鍍層玻璃。

<<< 觸控屏導體

方塊電阻是指導電材料單位厚度單位面積上的電阻值。通常采用方塊電阻為150Ω的ITO涂層玻璃加工之后，要形成線寬20μm的圖樣，需要用光蝕刻技術完成，如在LCD面板制造工藝上使用的光刻消融劑。ITO越厚，電阻越小，信噪比越好，但透光率差；反之，ITO越薄，透光率越好，但信噪比較差。用PET（透明塑料）作基板時，線寬通常是100～200μm，可以使用絲網印刷、光蝕刻或激光切割。在PET上制作線寬30～50μm的網紋圖樣的工藝還在研究中，實際應用中最下面還有第3層ITO，用作屏蔽層以隔絕LCD的干擾。屏蔽層通常采用方塊電阻為150～300Ω的導電材料。觸控屏邊框上的信號線采用的材料為銅-鋁-銅，采用真空磁控濺射工藝在ITO濺鍍之后鍍上的。

<<< 膜層圖樣

在投射電容式觸控屏中，ITO膜可以設計蝕刻成各式各樣，目前大部分投射電容屏都采用菱形圖樣。

<<< 邊框

投射電容式觸控展設計中很重要一個成本因素是觸控屏邊框。與傳統模擬電阻式觸控屏只有4根或5根信號線不同，投射電容式觸控屏有40根甚至更多的連接引線。采用多次濺射和蝕刻，在邊框上形成多層布線，該工藝增加了生產成本。采用50～100μm線寬和間距的精細絲網印刷印制，相比多層濺射會降低成本。

網版印刷光刻膠

在觸控屏制造技術中，首先需要制作一個高精細的網版，通常用500目不繡鋼絲網，絲徑為18μm，用這塊精細絲網空版，放置于ITO玻璃上進行滿版印刷網版型光刻膠。印刷環境應該是在十分潔凈的操作室內進行（室溫在22℃左右，濕度為55～60%），在黃或紅燈安全條件進行。

網版印刷型光刻膠簡稱光刻膠，又稱光阻液或光致抗蝕耐酸油墨等。光刻膠一般由感光劑、增感劑和溶劑組成。感光劑是一種對光敏感的高分子化合物，當它受到適當光波長的光照射時能吸收一定波長的光能量，使之發生交聯、聚合或分解等光化學反應，使光刻膠改變性能。光刻膠是光刻工藝中最為重要的抗蝕刻材料。目前光刻膠種類有很多，根據光刻膠曝光前后溶解特性的變化，可將光刻膠分為正性膠和負性膠兩大類。光刻膠受光照的區域發生化學變化，使其性質（溶解性）不同于未曝光區域。對于正性的光刻膠來說，未曝光前是不溶或難溶的，曝光后則變成易溶了，這樣，當在特定溶劑中顯影時，曝光部分被洗去，未曝光部分保留下來。負性光刻膠則相反，曝光導致其從易溶變成不溶或難溶，顯影后保留了曝光部分區域。

正性光刻膠與負性光刻膠

在光刻技術中，掩膜的作用是根據設計線路的要求，允許特定圖案的光線通過，而把其余部分阻隔。當進行曝光時，被掩膜阻擋而光線無法透過，而其他部分因曝露而曝光，在涂覆光刻膠的表面上形成與掩膜相應的圖案，光亮區域的光刻膠因曝光而發生變化，而暗區（圖案）的光刻膠則保持原來狀態。曝光后當進行顯影時，光亮區域被沖洗而除去，剩下沒有曝光的暗區域，則這種光刻膠被稱之為正性光刻膠。反之，如果顯影后如果曝光部分保留下來，而暗區的光刻膠被洗去，則稱之為負性光刻膠。在高精細觸控屏光刻膠網版印刷制造工藝中，首先要制作高精細的網版，除用極高的解像力的感光膠之外，還要有高耐極性溶劑的能力以及與不銹鋼絲網具有極優的黏合力，只有這樣網版才能應對印刷光刻膠（光致抗蝕刻油墨）。

光刻工藝

光刻工藝就是要在透明導電玻璃上制作出顯示性的圖來，電極光刻是一種圖形復印和化學腐蝕相結合，綜合性的精密表面加工技術。光刻的目的就是按照產品設計要求，在導電玻璃上涂覆感光膠進行曝光，然后利用光刻膠保護作用，對ITO導電層進行選擇性化學腐蝕，從而在ITO導電玻璃上得到與掩膜版完全對應的圖形。目前在生產中普遍采用的光刻方法是接觸曝光法。光刻工藝流程圖如下：

光刻過程示意圖

<<< 光刻膠的配制

必須根據不同的光刻對象和要求，選用不同的光刻膠配比。配比的原則是：既要使光刻膠具有良好的抗蝕能力，又要有較高的分辨率。由于光刻膠中溶劑用量的多少決定著光刻膠的稀稠，從而影響光刻膠的厚薄，所以需要根據蝕刻圖形的大小，來選配光刻膠的稀稠，當蝕刻細小圖形時，為了提高分辨率，就要采用較稀一些的膠體，會使光刻膠膠膜薄一些。使照射光的散射和衍射作用的影響變弱一些，光刻出來的圖形不僅邊緣整齊而且清晰。若刻蝕ITO層較厚時，腐蝕的時間就要加長，為了滿足抗蝕能力的要求，需要使用較稠的光刻膠。

光刻膠的配制方法：配制地點應在清潔的暗室中進行，為了操作方便室內應設置在紅燈或黃燈條件進行，按照選定配制數量，用潔凈的量筒按照比例將原光刻膠及溶劑分別測量好，再將溶劑倒入原膠中，并用玻璃棒進行充分地攪拌使其配制混合均勻。為了改善膠膜和掩膜版的接觸以減少膠膜層中針孔和提高分辨率，必須將配制好的光刻膠中未充分溶解的固態雜質微粒濾除。一般采用加壓法、吸引法或自然下滴法，如果用自然沉淀法或高速離心沉淀法就需要采用一些過濾設備。過濾好的光刻膠要裝入暗色（茶色）玻璃瓶中保存在陰涼和干燥的暗箱中。

<<< 涂膠前處理

涂膠前的ITO玻璃表面狀況對涂布光刻膠與ITO層表面黏附質量影響很大，在生產中為保證ITO膜與光刻膠之間有良好的接觸和黏附力，要對玻璃進行清洗，其方法是利用各種化學洗潔劑或甲苯、丙酮、乙醇等有機溶劑與吸附在玻璃表面上的雜質及油污發生化學反應和溶解作用，隨后用烘干法、甩干法或有機溶劑脫水法和風筒吹干法，使其雜質脫離玻璃表面，然后用大量純凈的熱、冷離子水沖洗，從而獲得潔凈的玻璃表面（用有機物清洗注意明火，以防燃燒）。

<<< 網版印刷光刻膠

利用繃好洗凈的空版絲網版（前邊已介紹過）放置于ITO玻璃上面，然后版面上加入光刻膠，進行全版滿版刮印光刻膠，刮膠時涂層厚度要均勻，涂層表面狀態要優良，網印涂膠效果控制好壞是直接影響光刻膠質量的。

<<< 前烘

利用網版均勻涂布光刻膠后，要進行前烘，其目的是促使膠膜內溶劑得到充分揮發，使膠膜干燥以增強膠膜與ITO表面的黏附性和膠膜的耐磨性。曝光時，掩膜版與光刻膠即使有些觸碰也不會損傷光刻膠膜或玷污掩膜版，另一原因是只有光刻膠具有一定干燥度，才會在曝光時充分發生光化反應。前烘的方法是用紅外爐烘干為主，影響前烘質量的是溫度和時間兩個因素，兩因素過低膠膜內溶劑未充分揮發掉影響顯影。如果兩因素過高會導致膠膜翹曲硬化，顯影時會不出圖形或留有底膜。

<<< 曝光

曝光就是在已經涂布好光刻膠的ITO玻璃表面上覆蓋上掩膜版，然后通過紫外光進行選擇性的照射，使受紫外光照射部位的光刻膠發生化學反應，改變這部分膠膜在顯影液中的溶解度。顯影后光刻膠顯現出與膜版相對應的圖形。為了使曝光操作不出現問題，要特別注意如下的一些要求：①掩膜版在曝光前要認真檢查，查看版面是否有什么缺陷，版面是否清潔，無污染，無劃痕等。②曝光定位要準確，重疊要準確無誤，否則后序工作將無法進行。③操作中不論對版還是玻璃移動都要輕拿輕放。④涂布光刻膠的玻璃放置時間不可過久，曝光前不可漏光，如果漏光膠膜就會失效而無法用做正品，應返工處理。

<<< 顯影

顯影就是將涂布的光刻膠進行曝光，將感光部分的光刻膠溶解去掉，而留下未感光部分的膠膜從而顯示所需要的圖形。顯影操作過程就是將曝光后的ITO玻璃放進顯影槽中，顯影液是通過一種可搖擺的噴頭噴灑在玻璃的光刻膠面上，過一定時間就會顯現出圖形后，再將玻璃取出，用水沖洗，使上面的顯影液沖掉。顯影液有與光刻膠相配套的專用濕影液和一定濃度的堿液（KOH、NaOH）兩種，后邊這種是使用普遍的，此種堿液配制方法如下：在專用的調制槽中進行，先在槽中注進一定量的高純凈水，根據要配溶液濃度稱量的堿放入槽中，為快速溶解要不停攪拌，將配制好的溶液注入槽中。顯影的溫度和時間直接影響顯影速度和質量，若顯影時間不足或溫度過低，會造成感光部位的光刻膠不能完全溶解，會留有一層光刻膠，在刻蝕時，這層膠會對ITO膜起保護作用，使應該刻蝕掉的ITO層被保護下來。若是顯影時間過長或溫度過高，顯影時未被曝光的光刻膠就會從邊緣處向里邊滲溶，使圖形邊緣不整齊，更嚴重時會使光刻膠大片地脫落下來。

<<< 堅膜

經過前邊顯影時，對光刻膠膜進行了水洗等過程，膠膜會發生軟化、膨脹，影響膠膜的抗蝕能力，為此顯影后必須用適當溫度對玻璃進行烘烤以除去其中的水分，增強膠膜與玻璃的黏附性能。

<<< 刻蝕

刻蝕就是用一定比例的酸溶液把玻璃上未受光刻膠保護的ITO上的膜浸蝕掉，而將有光刻膠保護的ITO膜保存下來，最終在ITO上形成圖形。選用浸蝕液必須是能將ITO膠膜腐蝕掉而又不會損害玻璃表面和光刻膠，通常選用一定比例的HCl、HNO3和水混合液。刻蝕的溫度和時間對刻蝕效果有顯著影響，兩者的變化都影響到刻蝕速度。速度太快，使操作難以控制，容易產生過刻蝕；若速度太慢，需要時間過長，則光刻膠抵抗蝕能力會下降，容易出現溶膠現象。一般恒定刻蝕溫度后，用時間來調整刻蝕效果，刻蝕時間應如何控制，應由刻蝕速度和ITO膜層厚度來確定，ITO膜越厚刻蝕時間也就越長。

<<< 去膜和清洗

去膜是指把刻蝕后ITO玻璃上剩余的光刻膠剝離除去，去膜液是用堿液配制而成的，一般采用3%的NaOH（氫氧化鈉）水溶液，在該水溶液中剝除光刻膠，它的堿濃度要高于顯影濃度。去膜的是在一定溫度條件下進行，剝離液溫變為40℃，時間為10～30s，或者20℃條件下，時間為20～80s。用堿液沖洗并用滾刷擦洗玻璃以保證將玻璃上的殘膠去除干凈；清洗是用高純度水中洗玻璃上殘留的堿液，同時也是沖洗殘膠。

<<< 最后檢查

觸控屏網印光刻膠工藝就此告一段落，對上述各段工藝操作還要進行詳細的檢查，查找上述各段工藝過程是否有什么毛病，若經檢查合格后可繼續進行其他工序。

觸控屏在國民生產、生活中的廣泛應用，直接刺激著觸控屏技術的研發和產品產量的提升，如今觸控屏已經滲透到了幾乎每一個可以想象得到的應用領域。不久地將來觸控屏還要走進每一個家庭。

《參考資料》

①周志敏 紀愛華 編著

觸控屏實用技術與工程應用

人民郵電出版社 北京 2011年11月