線寬0.8μm新型印刷電子技術(shù) 可低溫高速大面積制造

 日本在利用印刷方式制作電子元器件的技術(shù)方面取得了大幅進(jìn)步。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、東京大學(xué)、山形大學(xué)和田中貴金屬工業(yè)于2016年4月宣布，開(kāi)發(fā)出了基于新原理的布線印刷技術(shù)“SuPR-NaP法”（Surface PhotoReactive Nanometal Printing，表面光反應(yīng)納米金屬印刷法）。利用這項(xiàng)技術(shù)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)布線寬度等的微細(xì)化、大面積化和高速制造。

　　與過(guò)去常見(jiàn)的噴墨印刷、絲網(wǎng)印刷相比，SuPR-NaP法的布線寬度可以縮小到幾十分之一，還能在大型柔性電路板上進(jìn)行高速印刷。加工溫度只要50～80℃，可以使用PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二酯）等耐熱溫度較低的樹(shù)脂作為基材。

　　田中貴金屬將以使用該技術(shù)制作的透明導(dǎo)電膜為基礎(chǔ)制作觸摸面板傳感器，計(jì)劃從2017年1月開(kāi)始供應(yīng)樣品。

　　超越以往的透明導(dǎo)電膜

　　采用新方法制作的透明導(dǎo)電膜在光透射率與薄膜電阻值兩方面都超越了傳統(tǒng)技術(shù)（圖1）。這是因?yàn)椴季€變細(xì)，接近可見(jiàn)光的波長(zhǎng)，所以反射率下降，而且布線的導(dǎo)電性高于以往的油墨布線。

圖1：同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高光透射率、低薄膜電阻值的均勻的布線

　?。╝）SuPR-NaP法與現(xiàn)在的透明導(dǎo)電膜的光透射率、薄膜電阻值的比較。越靠近左上方，透明導(dǎo)電膜的性能越高。SuPR-NaP法在薄膜電阻率為20Ω/□時(shí)，光透射率高達(dá)93％。（b）使用以往的涂敷方法，會(huì)出現(xiàn)布線等的邊緣較厚的“咖啡漬問(wèn)題”。（c）用SuPR-NaP法加工任何布線寬度，布線的厚度都基本固定。 

　　布線導(dǎo)電性高是因?yàn)殚L(zhǎng)度方向上厚度非常均勻，而且布線截面的厚度均勻，在寬度相同的情況下，布線的截面積比使用以往技術(shù)時(shí)更大。

　　這要?dú)w功于SuPR-NaP法解決了困擾涂敷布線的“咖啡漬”問(wèn)題。這是一種涂敷不均問(wèn)題，是因?yàn)闊o(wú)法控制布線的厚度，在想要增加厚度時(shí)，布線寬度變大的現(xiàn)象。而新技術(shù)能夠在30～100nm的范圍內(nèi)控制布線的厚度。

　　兼顧微細(xì)化與大面積化

　　布線的微細(xì)化此前就已實(shí)現(xiàn)。產(chǎn)綜研2002年開(kāi)發(fā)出的“Super inkjet（SIJ）法”可以印刷寬度為1μm左右的布線。但這種方法是使用超微量的液滴，逐一繪制微細(xì)的布線，生產(chǎn)速度非常慢，不適合用來(lái)量產(chǎn)大面積器件。

　　與之相比，SuPR-NaP法是通過(guò)波長(zhǎng)為172nm的紫外線（UV）曝光，統(tǒng)一繪制布線圖案，涂敷油墨只需使用刮板掃過(guò)表面即可，微細(xì)化與大面積化并不矛盾，制作大面積器件時(shí)速度也很快（圖2）。研究人員此次試制了8英寸（約200mm）的觸摸面板傳感器。波長(zhǎng)172nm的UV曝光設(shè)備可以采用市面上用來(lái)清除液晶面板表面有機(jī)物的“UV處理器”，制造設(shè)備的采購(gòu)成本也比較低。

圖2：用刮板掃過(guò)表面即可完成印刷

　　SuPR-NaP法涂敷工藝的概要。首先，在PET和PEN等基材上涂敷含氟聚合物。從光掩模的上面照射UV，燒制布線圖案。然后使用刮板涂敷銀納米油墨，只有布線圖案上會(huì)留下銀納米油墨，形成布線。

　　利用保護(hù)基結(jié)合力的差別

　　新技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這一突破，是因?yàn)橛∷r(shí)在以往的親疏控制的基礎(chǔ)上，采用了選擇性化學(xué)吸附銀墨水的技術(shù)，使墨水固定在繪制好布線圖案的基材上（圖3）。

圖3：通過(guò)化學(xué)方法，將銀納米油墨固定在基材上

　　SuPR-NaP法使銀納米油墨附著在基材上的原理。向含氟聚合物照射UV后，表面會(huì)形成大量的羧基。以烷基胺為保護(hù)基的銀納米粒子與這里接觸后，與銀結(jié)合力更強(qiáng)的羧基將置換烷基胺，吸附住銀。

　　親疏控制是指使基材表面上有布線圖案的部分親水性高，沒(méi)有圖案的部分疏水性高的控制技術(shù)。過(guò)去的方法大多是只將油墨“放在”親水性高的部分，在控制布線厚度、縮小布線寬度上存在限制。而且，銀與基材之間的粘著性差，在彎曲和拉伸基材時(shí)，布線有可能從基材上剝落。

　　而新方法是先在基材上涂敷薄薄的一層含氟聚合物，然后通過(guò)UV曝光繪制圖案。在經(jīng)過(guò)曝光的含氟聚合物的表面，會(huì)出現(xiàn)大量的羧基。沒(méi)有曝光的表面疏水性高，在經(jīng)過(guò)曝光后，疏水性會(huì)略有下降。

　　采用的銀墨水由山形大學(xué)的栗原正人教授開(kāi)發(fā)，田中貴金屬正在推進(jìn)產(chǎn)品化，這種墨水在直徑約為13nm的銀納米粒子外包裹了烷基胺保護(hù)基。保護(hù)基的作用是防止銀納米粒子凝集，過(guò)去的銀墨水大多使用與銀結(jié)合力強(qiáng)的羧基。但正因?yàn)榻Y(jié)合力強(qiáng)，在涂敷銀墨水之后，需要提高退火溫度才能去除保護(hù)基。

　　而烷基胺與銀納米粒子的結(jié)合力弱，在涂敷后可以被含氟聚合物上的羧基置換，使銀納米粒子固定在基材上。主導(dǎo)本次技術(shù)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)綜研柔性電子研究中心總研究主管、東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科物理工程專業(yè)的教授長(zhǎng)谷川達(dá)夫說(shuō)：“固定的粘著力是大氣壓的50倍、即5MPa以上，即使以1mm的曲率半徑彎曲100次也不會(huì)剝落。”

　　采用新技術(shù)后，“咖啡漬”不再產(chǎn)生。銀納米粒子之間的烷基胺會(huì)在加熱到約50～80℃時(shí)脫落，而原來(lái)的退火溫度要在100℃以上。