繆燦鋒，翟榮安，儲(chǔ)成智，汝長(zhǎng)海,

（1.江蘇省先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州納米科學(xué)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215123）

【工藝開(kāi)發(fā)】

基于超聲噴涂法的柔性印刷電路制備

繆燦鋒1，翟榮安1，儲(chǔ)成智1，汝長(zhǎng)海1,2,*

（1.江蘇省先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州納米科學(xué)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215123）

介紹了一種基于超聲噴涂的電路印刷方法，適用于各種柔性材質(zhì)的基體，可以更高效、更環(huán)保地完成柔性印刷電路(FPC)的制造。其主要思想是：納米銀導(dǎo)電油墨通過(guò)超聲噴頭霧化，進(jìn)而噴涂在覆蓋有金屬掩膜版的聚酰亞胺(PI)膜基體上，低溫?zé)Y(jié)(125 °C × 20 min)之后就得到柔性電路。測(cè)試結(jié)果表明，圖案化的導(dǎo)電線路(寬度為500 μm)經(jīng)過(guò)多次彎曲后仍能保持良好的導(dǎo)電性，其表面方阻隨噴涂層數(shù)的增多而穩(wěn)定地減小，8層涂覆所得線路的方阻為(21 ± 2) mΩ/sq。掃描電鏡觀察表明，導(dǎo)電線路平整光滑，毛邊誤差在50 μm以內(nèi)。

電路；柔性印刷；聚酰亞胺薄膜；納米銀；導(dǎo)電油墨；超聲噴涂；方阻

First-author’s address:Jiangsu Provincial Key Laboratory of Advanced Robotics, Soochow University, Suzhou 215021, China

在信息時(shí)代，人們每天都會(huì)通過(guò)各種電子產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸、處理，作為承載媒介的印刷電路板(PCB)的需求量也與日俱增[1-3]。柔性電路板(FPC)擁有配線密度高、輕薄、彎折性好等特點(diǎn)，因而在印刷電路板中占據(jù)的比例逐年提高[4]。FPC通常是指以柔性塑料薄膜為基材制成的印刷電路板，它能夠直接應(yīng)用于三維的工作環(huán)境中，加快生物醫(yī)療、人-機(jī)信息交換等領(lǐng)域的發(fā)展，也進(jìn)一步拓寬了目前電子產(chǎn)品的使用領(lǐng)域[5-7]。

在1898年發(fā)表的某英國(guó)專利中記載了石蠟紙基板中制作的扁平導(dǎo)體電路，這是最早出現(xiàn)的FPC技術(shù)，但是直到20世紀(jì)后期，F(xiàn)PC用于汽車儀表盤、儀器、手機(jī)、OLED(有機(jī)發(fā)光二極管)柔性屏幕等現(xiàn)代消費(fèi)類電子產(chǎn)品后才開(kāi)始日益得到國(guó)內(nèi)外的廣泛研究。

柔性單面板是目前使用量最多的 FPC種類，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)此種印刷板的方式主要有片到片和卷到卷(Roll-to-Roll)兩種[8]。片到片式生產(chǎn)要先將柔性基材裁切成單塊，以片為單位進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，其優(yōu)點(diǎn)是投入小，生產(chǎn)的產(chǎn)品靈活多變，但效率低。卷到卷式是將產(chǎn)品編聯(lián)成卷，通過(guò)卷邊的定位孔來(lái)驅(qū)動(dòng)以連續(xù)作業(yè)，歐洲的Flex-o-Fab項(xiàng)目就利用卷到卷工藝生產(chǎn)出柔性O(shè)LED原型。此方式自動(dòng)化程度高，適合大批量生產(chǎn)，但是生產(chǎn)設(shè)備投入大，產(chǎn)品的品種變化不靈活[9]。雖然生產(chǎn)柔性單面板的方式有兩種，但其生產(chǎn)流程基本相同，運(yùn)用最多的是印制和蝕刻加工法，其工藝包括貼膜、曝光、顯影和蝕刻。其中的蝕刻工藝不僅會(huì)對(duì)資源造成浪費(fèi)，而且會(huì)對(duì)環(huán)境有一定的破壞。因此，找到一種能夠有效解決以上矛盾的方法顯得尤為重要。

本文提出一種使用超聲霧化噴涂的方法將導(dǎo)電層涂覆在柔性基材上的設(shè)計(jì)，在柔性基材上載有金屬掩膜版，根據(jù)設(shè)計(jì)要求制作出需要的導(dǎo)電線路及電極。利用超聲霧化的原理將導(dǎo)電油墨霧化成納米級(jí)的顆粒，通過(guò)氣流引導(dǎo)后按一定的路徑進(jìn)行涂覆作業(yè)。運(yùn)用這種方法做出的涂層厚度可達(dá)納米級(jí)別，從而可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，方便地控制涂層厚度。超聲噴涂法可以靈活地改變產(chǎn)品的種類，設(shè)備全自動(dòng)化控制，生產(chǎn)效率可以得到保證，且多余的油墨可回收利用，浪費(fèi)率低，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生破壞。將超聲噴涂的方法引入柔性印刷電路的制造中會(huì)有良好的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與原理

超聲噴涂設(shè)備主要由供液系統(tǒng)、超聲霧化系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖 1所示。具體包括超聲電源盒，霧化噴頭，噴頭架及噴頭架運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，觸摸屏控制模塊，吸附加熱平臺(tái)，等等。

超聲霧化系統(tǒng)是超聲噴涂設(shè)備的關(guān)鍵，其主要由超聲波發(fā)生器和換能振動(dòng)系統(tǒng)(包括超聲霧化壓電換能器和變幅桿)兩部分構(gòu)成，超聲波發(fā)生器用于產(chǎn)生超聲霧化壓電換能器工作所需要的電信號(hào)，超聲霧化壓電換能器則利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)。由于壓電換能器受自身材料、力學(xué)性能等因素的約束，致使其輸出端的機(jī)械振動(dòng)幅度只有幾微米，無(wú)法達(dá)到加工負(fù)載的要求，因此在壓電換能器輸出端加裝變幅桿把換能器機(jī)械振動(dòng)放大，放大后的機(jī)械振動(dòng)幅值可達(dá)幾十微米，可以讓超聲振動(dòng)很好地對(duì)聲負(fù)載進(jìn)行作用。對(duì)于本文而言，聲負(fù)載就是要霧化的納米銀導(dǎo)電油墨。

制備FPC的具體實(shí)現(xiàn)方式為：在基材放置平臺(tái)上依次放置基材(PI膜)、金屬掩膜版(見(jiàn)圖2，整體尺寸為30 mm × 30 mm，最小導(dǎo)電線路寬度為500 μm)。根據(jù)所需噴涂范圍以及噴涂的導(dǎo)電油墨性質(zhì)在觸摸屏上設(shè)置好相關(guān)工藝參數(shù)，對(duì)導(dǎo)電油墨進(jìn)行超聲霧化，通過(guò)噴頭架的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)噴頭在覆蓋有掩膜版的基材上印制精密電路。待結(jié)束涂覆后，對(duì)PI膜進(jìn)行125 °C × 20 min的燒結(jié)，完成FPC的制備，原理如圖3所示。

圖2 金屬掩膜版Figure 2 Metal mask

圖3 實(shí)驗(yàn)原理Figure 3 Experimental principle

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

2. 1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

納米銀導(dǎo)電油墨因具有燒結(jié)溫度低、導(dǎo)電性良好等優(yōu)點(diǎn)而作為噴涂材料使用[10-11]。溶液選用韓國(guó)PARU公司的PG 007系列產(chǎn)品，其銀含量為70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，黏度2 000 mPa·s，表面張力53 mN/m。為了讓涂層有較好的均勻性，實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有直接使用納米銀溶液進(jìn)行噴涂，而是將其與無(wú)水乙醇按照1∶5的體積比稀釋，經(jīng)過(guò)稀釋的納米銀溶液的黏度變得更低，有利于提高霧化的效果。因?yàn)闊o(wú)水乙醇具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)很快揮發(fā)而不會(huì)附著于表面，所以涂覆在PI膜上的納米銀涂層會(huì)很薄，從而滿足不同厚度要求的印刷。

經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，加熱平臺(tái)調(diào)節(jié)至60 °C左右時(shí)可以幫助印刷電路在噴頭經(jīng)過(guò)后的區(qū)域快速干燥，即有效地防止了液體的滲漏。溶液的進(jìn)給量對(duì)霧化效果也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)溶液進(jìn)給較少時(shí)會(huì)導(dǎo)致供液不足，噴頭霧化會(huì)出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的情況，而當(dāng)溶液進(jìn)給量超過(guò)一定值時(shí)，換能器可能會(huì)來(lái)不及霧化，致使液體出現(xiàn)滴漏的狀況。此外，超聲發(fā)生器的功率調(diào)節(jié)也需同步進(jìn)行，以選擇出適合當(dāng)前液體霧化的最佳狀態(tài)。經(jīng)過(guò)一系列的調(diào)節(jié)，最后得出在進(jìn)給量0.15 mL/min、功率1 W時(shí)達(dá)到最佳的霧化效果。經(jīng)過(guò)霧化的小液滴會(huì)在壓縮氣體的導(dǎo)流下運(yùn)動(dòng)。觀察對(duì)比后發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣壓在6 kPa左右時(shí)，小液滴分布情況最為均勻。

按以上所得各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)燒結(jié)處理后的納米銀顆粒呈現(xiàn)出白色(見(jiàn)圖4)。圖5展示出印刷電路的彎曲狀態(tài)，可見(jiàn)所需的電路圖案成功地附著在PI膜上，并且具有較好的柔性、連續(xù)性和均勻性，在經(jīng)過(guò)多次彎曲測(cè)試的情況下仍能夠保持原有的形狀，線路的轉(zhuǎn)角以及邊緣處也能表現(xiàn)出其應(yīng)有的形狀。取燒結(jié)過(guò)的PI膜測(cè)量方塊電阻(用四探針?lè)阶鑳x)，并用EMPYREAN型X射線衍射儀（XRD）和MERLIN Compact型掃描電鏡(SEM)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)及表面形貌進(jìn)行表征。

圖4 燒結(jié)處理后的印刷電路(正面)Figure 4 Front view of printed circuits after sintering

圖5 印刷電路反面彎曲Figure 5 Back view of printed circuits after blending

2. 2 導(dǎo)電性測(cè)試與分析

通過(guò)測(cè)量不同噴涂層數(shù)時(shí)導(dǎo)電線路的方塊電阻來(lái)判斷電路的導(dǎo)電性。為了確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，在對(duì)單個(gè)樣品檢測(cè)時(shí)，都隨機(jī)抽選出5個(gè)點(diǎn)來(lái)測(cè)試，然后求出其平均值以及誤差范圍。從表1中可以看出不同噴涂層數(shù)(每層噴涂均是在溶液進(jìn)給量0.15 mL/min、噴頭移動(dòng)速率20 mm/s的條件下進(jìn)行)對(duì)電路方塊電阻的影響。隨著噴涂層數(shù)的增加，方塊電阻穩(wěn)定地減小，相應(yīng)誤差也在縮小。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，一般認(rèn)為方塊電阻小于100 mΩ/sq已經(jīng)是很不錯(cuò)的導(dǎo)電效果，所以在本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)噴涂層數(shù)達(dá)到6層及以上時(shí)就可以獲得優(yōu)異的導(dǎo)電性能。

表1 表面方塊電阻及誤差范圍隨噴涂層數(shù)的變化Table 1 Variation of surface sheet resistance and its error range with the number of layers deposited

2. 3 宏觀形貌和毛邊粗糙度

根據(jù)導(dǎo)電性測(cè)試的結(jié)果，選取噴涂6 ～ 8層的電路進(jìn)行接下來(lái)的相關(guān)測(cè)試。在顯微鏡下觀察8層噴涂的線路邊緣形貌。圖6a是在放大30倍的情況下電路的形貌特征，轉(zhuǎn)角處能清晰地表現(xiàn)出來(lái)；隨機(jī)截取部分毛邊的圖片(見(jiàn)圖6b)并按比例算出相應(yīng)的粗糙程度，發(fā)現(xiàn)毛邊誤差可控制在0.05 mm(50 μm)以內(nèi)，說(shuō)明所得線路光滑平整。

圖6 導(dǎo)電線路邊緣形貌Figure 6 Edge morphology of the conductive circuit

2. 4 XRD和SEM表征

圖7為6層噴涂樣品的X射線衍射譜圖，發(fā)現(xiàn)在38°、44°、64°附近有明顯波峰存在，而這些正好符合銀的衍射角。由于未去除基體PI膜衍射的影響，故存在一定的雜波干擾，但足以證明基體上的導(dǎo)線由純銀組成。

圖7 噴涂銀導(dǎo)線的X射線衍射譜圖Figure 7 X-ray diffraction pattern of sprayed silver circuit

通過(guò)SEM觀察銀導(dǎo)線表面的微觀形貌，結(jié)果如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)線路的微觀形貌均勻平整，超聲噴涂法的高精密特性由此可以得到驗(yàn)證。

圖8 噴涂銀導(dǎo)線的表面形貌Figure 8 Surface morphology of sprayed silver circuit

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有的FPC生產(chǎn)方式很難兼?zhèn)涓咝院挽`活性，而且蝕刻的生產(chǎn)工藝過(guò)程也會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞。本文提出的通過(guò)超聲噴涂法來(lái)制備FPC，可以有效解決現(xiàn)有技術(shù)存在的矛盾，為FPC的生產(chǎn)提供一種新的思路。采用該方法噴涂8層銀導(dǎo)電油墨形成的線路的方塊電阻均值達(dá)到21 mΩ/sq，誤差在2 mΩ/sq以內(nèi)，且 500 μm寬度的導(dǎo)電線路的毛邊誤差在50 μm之內(nèi)?？梢?jiàn)此方法做出的印刷線路擁有較好的市場(chǎng)前景，可以根據(jù)不同企業(yè)的要求柔性地調(diào)整導(dǎo)電性，而且不受基體的限制，可以在柔性薄膜基材上實(shí)現(xiàn)不同電路圖案的印制，這也進(jìn)一步拓寬了該方法的應(yīng)用范圍。

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[ 編輯：溫靖邦 ]

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Fabrication of flexible printed circuit by ultrasonic spray coating

MIAO Can-feng, ZHAI Rong-an, CHU Cheng-zhi,

RU Chang-hai*

A ultrasonic spray coating method suitable for printing circuits on different kind of flexible substrates was introduced. The fabrication of flexible printed circuit (FPC) via this method is highly efficient and more environmentally friendly. The main principle is that the nano-silver conductive ink is atomized by the ultrasonic nozzle and then sprayed on the polyimide (PI) film which is covered with a metal mask. After patterning on PI film, the ink is sintered at 125 °C for 20 min and the flexible circuit is achieved. The test results showed that the patterned circuit with a width of 500 μm maintains good conductivity after repeatedly bending for several times. The surface sheet resistance of the inkjet-printed silver layer on PI film is steadily decreased with the increasing of the number of silver layers deposited. In the case of eight prints, the sheet resistance is 21±2 mΩ/sq. The observation by scanning electron microscope showed that the morphology of the circuit is level and smooth, and the average error of burr is within 50 μm.

circuit; flexible printing; polyimide film; nanometer silver; conductive ink; ultrasonic spraying; sheet resistance

TM205.1

A

1004 - 227X (2016) 17 - 0917 - 05

2016-06-23

2016-08-04

國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)（61327811）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61174087，61233010）；江蘇省杰出青年基金項(xiàng)目（BK2012005）。

繆燦鋒（1991-），男，江蘇靖江人，在讀碩士研究生，研究超聲噴涂裝置及應(yīng)用。

汝長(zhǎng)海，教授，(E-mail) rzh@suda.edu.cn。