柔性基金屬互聯線路的卷對卷制備工藝

程思元，程 攀，肖 寬，馮哲圣

(電子科技大學 材料與能源學院，四川 成都 6110054)

隨著可穿戴電子設備的發展，柔性電子作為可穿戴電子產品的核心已成為研究熱點[1-2]。柔性電子技術作為當今最有前景的信息技術之一，所使用的基底材料具有可彎曲或可延展的特點。將電子元器件安置在具有以上特點的基底上，并且確保制備成的柔性電子產品在彎曲、壓縮以及拉升的環境下仍可以正常運行[3]。金屬互聯線路是在柔性電路中把互相隔離的元器件按一定要求聯結成所需電路，在柔性電子中起著至關重要的作用。金屬互聯線路需要電阻率低，且與電子元器件電極形成良好的低歐姆接觸以及與基底之間具有良好的附著。

常用的柔性基底材料包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate，PET)[4-6]、聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Naphthalate Two Formic Acid Glycol Ester，PEN)[7-9]、聚酰亞胺(Polyimide，PI)[10-11]和紙基等[12]。目前業界最成熟的金屬互聯線路的制備方法是蝕刻法[13]。雖然這種制造金屬線路的方法具有一些優異的特性，包括制備出的導體線路具有高精度、低電阻率和良好的耐候性等特點，但是由于刻蝕液具有高pH值，該工藝對基底材料的有著嚴格的限制，而且刻蝕掉的廢棄金屬是對資源的浪費和對環境的污染[14]。為了解決蝕刻工藝具有的這些問題，研究人員提出利用印刷電子技術[15]在柔性基底表面印制出設計好的互聯線路的方法。盡管目前噴墨印刷[16-19]受到越來越多的關注，但是噴墨印刷由于機理所限制，在打印的時候會有墨滴濺射，難以用來制備高精度的導體。此外，噴墨印刷由于容易堵塞噴頭，故對油墨的要求很高。目前使用的印刷電子技術都需要高溫固化，但很多材料例如塑料和紙基等柔性基底材料的耐熱性較差。

本文中提出了一種簡單、快速、高效的卷對卷印刷與化學沉積相結合的方案，可用于制造性能卓越的金屬互聯線路，且無需高溫或復雜的設備。首先利用卷對卷柔版印刷機在基底材料表面印刷出設計好的互聯線路圖案；然后使用紫外固化技術將基底表面上的墨膜快速的充分干燥；最后將干燥后的樣品通過化學沉積得到金屬互聯電路。各項測試的結果表明，本文提出的工藝所制備的金屬互聯線路金屬層具有致密、結晶度高、電阻率低、附著力好以及機械性能良好等優點。更為重要的是，本文提出的工藝不僅具有工業化大規模應用的前景，并且在射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)標簽天線等其他電子器件的制備上也具有一定的應用前景。

1 實驗材料及流程

1.1 實驗儀器與實驗藥品

實驗儀器：電子天平、卷對卷柔板印刷機、化學鍍槽、紫外固化設備。

實驗藥品：氯化鈀、乙醇、環氧樹脂(購自于成都科龍化工廠，分析純)、去離子水(實驗室自制)、光引發劑。

1.2 實驗工藝流程

卷對卷柔印油墨的配方如表1所示，先將 0.5 g 氯化鈀加到 50 mL的水溶液中出現沉淀；其次向溶液中逐滴加入氨水，在沉淀消失后停止滴加；然后向溶液中加入環氧樹脂并添加氨水調節pH值為8.5～9.0；最后向溶液加入光引發劑充分攪拌3 h，攪拌過程及油墨配置好后需將油墨避光保存。

表1 油墨配方表

在溫度為25 ℃時，油墨的粘度為500 mPa·s，表面張力為29.6 mN·m-2，并且避光存儲30天后油墨的參數維持穩定，印刷適性良好。

將配置好的油墨加入到卷對卷柔版印刷機上；然后在Teslin紙基底上印刷互聯線路；最后經過紫外固化后放置于化學沉積液中沉積金屬互聯線路。

1.3 分析與測試

四探針被用來測試電路金屬層的方阻；掃描顯微鏡與能譜儀被用來測試電路金屬層的表面形貌及不同樣品的元素組成；X射線衍射儀測試電路金屬層的結晶度。使用膠帶來測試電路金屬層和基底之間的附著力[20]。

2 結果與分析

2.1 柔性金屬互聯線路卷對卷制備工藝

圖1所示為本文提出的柔性金屬互聯線路的制備工藝。該工藝使用Teslin紙作為柔性基板。Teslin紙和傳統的紙相比具有更高的強度、抗水性以及環境友好等特點。該工藝使用一種具有催化活性的油墨，通過使用卷對卷柔板印刷的方式在紙基上印刷出預先設計好的互聯線路圖案；然后使用紫外固化將紙基表面上的油墨進行固化；最后通過20～30 min的化學沉積就可以制得性能優良的金屬互聯線路。

圖1 柔性金屬互聯線路制備工藝流程圖

2.2 卷對卷柔板印刷

本文通過一種印刷技術來制備柔性金屬互聯線路，所使用的印刷技術是卷對卷柔版印刷。圖2(a)為卷對卷柔版印刷機(柔印機)的示意圖。該柔印機由一個300 mL墨槽、吸墨滾輪、陶瓷網紋輥、柔版粘貼滾輪、壓力滾輪(這4個滾輪的長度和周長均分別為22 cm和24 cm)和刮墨刀組成。該柔印機印刷速度的可調節范圍為15～50 m·min-1。為了便于不同形狀的互聯線路以及如標簽天線等其他類型電子器件的印刷，柔版粘貼滾輪上的印版可以拆卸和替換。圖2(b)所示為柔性印版，制備過程為：首先將已經設計好的標簽天線按照印版滾輪尺寸排版布局；然后使用樹脂材料通過3D打印技術做出相應的天線柔性凸版印版；最后使用3M雙面膠將做好的印版平整的粘在印版輥上。這樣便可滿足互聯電路不同需求情況下的制備。

圖2 卷對卷柔版印刷設備

卷對卷柔版印刷機的具體參數如表1所示。

表2 卷對卷柔版印刷設備技術參數

該卷對卷印刷機適用的承印物的寬度不超過22 cm。從圖2(b)中的標簽天線為例，其可達到142個/m的密度，在最佳情況下每分鐘能夠印刷7 000個天線，而使用噴墨印制每分鐘僅能印刷100個天線。由此可見卷對卷工藝能夠有效提高制造效率。此外，相比于噴墨印刷的方式，卷對卷柔印機工藝不僅具有較高的制備效率，還可以避免噴墨印刷而產生的墨滴飛濺的問題(圖3)，提高了金屬導體邊界的陡直性。

圖3 使用噴墨印刷制備的銅導體

2.3 紫外固化技術

對于經過卷對卷印刷后的紙基基底，其表面上有一層液態的墨膜，此時還不能直接進行化學沉積，否則在沉積完成后的金屬層邊界會發生擴散。考慮到天線對精度的要求要高于金屬互聯線路，本文以RFID標簽天線為例，如圖4所示是經過15 min化學沉積制備出的天線。可以看到僅經過15 min的化學沉積，金屬銅天線的邊界發生了嚴重的擴散。

圖4 紫外固化示意圖

由上述結果可知，必須對印刷完成后的紙基進行固化。目前，最常用的固化工藝是熱固化。以RFID標簽天線為例，本文使用烘箱在60 ℃的恒溫環境對經過印刷后的紙基烘干1 h，但是結果很不理想。如圖5(a)所示，可以看到天線的金屬導體之間還是存在大量的粘連。因為烘干的時長無法再增加，所以這會導致生產效率的大幅度降低。此外，烘干溫度也是無法再進行升高的，因為柔性材料的耐熱性一般都比較差，升高溫度會使紙基基底發生形變。

圖5 不同固化方法制得的RFID天線

針對上述問題，本文使用了一種紫外固化技術，該工藝可以僅用2 s便可有效固化紙基上的墨膜。圖5(b)所示是經過紫外固化后的紙基通過25 min化學沉積得到的天線，可以明顯看到天線邊界具有良好的陡直性，且具有明顯的金屬光澤。

紫外固化也叫做UV固化，其原理是當用紫外線照射油墨時，油墨當中的光引發劑被激發產生一些自由基，自由基和預聚物發生交聯固化反應，從而在基材表面形成墨膜。這種技術的優勢是低揮發性有機物(Volatile Organic Compounds，VOC)排放，且對環境友好，固化效率也較高。

2.4 金屬層的測試

本文采用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)對經過25 min化學沉積得到的金屬銅薄膜的表面形貌進行研究。如圖6(a)所示，可以明顯地看到金屬銅層晶粒均勻分布且排列緊密，整體上銅層的表面形貌較為平整。本文使用X射線能譜分析儀(EDS)來分析金屬銅薄膜的元素組成。其測試結果如圖6(b)所示，從圖中可以分析到經過化學沉積得到的金屬銅薄膜中只有Cu元素，沒有其他雜質元素，且銅的純度很高約為100%。此外，本文還使用X射線衍射儀(XRD)來測試金屬銅薄膜的晶格參數。分析結果如圖6(c)所示，從圖譜中可以看出，在43.4°、50.8°和74.6°這3個位置出現了尖銳的特征峰，分別是銅的面心立方晶格的(111)、(200)和(220)晶面，這與JCPDS 04-0836中金屬銅的數據一致。除此之外，在圖譜中未檢測到雜質相，這表明銅薄膜中沒有氧化銅等雜質存在。

圖6 金屬銅層測試結果

隨著化學沉積過程的進行，基底表面上的銅在不斷地生長，因此設計了以下實驗來研究隨著化學沉積的進行，金屬銅層電阻率的變化。取在同一批次經過卷對卷印刷并紫外固化得到的樣品，將其置于化學沉積液中(50 ℃)，放置時間為5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min、40 min、50 min、60 min，最后使用四探針測試沉積銅之后的方阻，結果如圖6(d)所示。首先，可以看到隨著化學沉積的進行銅層的方阻在不斷的降低，并且在前20 min內的下降速率較大，但是下降速率也在明顯降低；其次，當沉積時間達到25 min之后，樣品方阻的降低速率減緩，并且在40 min時基本趨于穩定。本文選定的鍍銅時間為25 min，這是由于在25 min時樣品的方阻降低速率趨于0，并且超過30 min的化學沉積會使基底發生形變。

金屬互聯線路對于金屬導體和柔性基底之間具有很好的附著。本文設計了如下的實驗，以已經制備好的RFID標簽天線為例，使用膠帶(透明膠帶610；3M公司，圣保羅，美國明尼蘇達州)進行剝離實驗[19]。首先，如圖7(a)所示，將膠帶牢固地壓在天線上并靜置1 min；然后分別用手以緩慢和快速(1 s)兩種方式將膠帶剝離。圖7(b)所示是緩慢剝離膠帶后的天線，可以看到天線和左邊沒有剝離的天線相比沒有發生任何變化。如圖7(c)所示是快速剝離膠帶后的天線圖，可以看到僅有少量的金屬被剝離，由此可見該天線金屬銅層與基材之間具有良好的附著力。

圖7 附著力測試

2.5 金屬層穩定性測試

柔性金屬互聯線路的最大特點是以其為基礎的柔性電子產品在彎曲甚至卷曲的使用環境下仍能正常運行，所以對于柔性金屬互聯線路的另一個重要測試就是其彎曲穩定性。以已經制備好的標簽天線為例，設計實驗來測試金屬天線的彎曲性能，將經過25 min化學沉積制備的銅導體以同樣的曲率半徑分別向內和向外彎曲。然后測試分別經過了200、400、600、800和1 000次彎曲后讀寫距離(Dmeas)和未彎曲時初始的讀寫距離(D0)之比。從測試結果圖8中可以看出，即使彎曲半徑為8 mm，經過1 000次壓縮和，天線讀寫的距離也僅發生輕微的改變。而當彎曲半徑為2 mm時，在經過200次彎曲后Dmeas/D0就已經小于彎曲半徑為8 mm時經過1 000次彎曲后的值。由此可見隨著彎曲半徑的降低，天線的讀寫距離也會降低。除此之外，在同樣彎曲次數和彎曲半徑下，向內彎曲相比于向外彎曲具有更長的讀寫距離。隨著彎曲次數的增加，不論是何種彎曲半徑和彎曲方向，標簽的讀取距離都會降低。綜上所述，彎曲半徑的降低和彎曲測試次數的增加會對天線的金屬銅薄膜產生損傷，并會導致天線讀寫距離的降低。

圖8 彎曲次數和讀取距離的關系

3 結束語

本文提出一種制備柔性金屬互聯線路的工藝，該工藝使用卷對卷柔版印刷在基底上印刷出互聯線路圖案；然后使用紫外固化技術對基底上的墨膜進行固化；最后通過化學沉積在基底表面得到金屬互聯線路。本文使用的柔性基底材料是一種具有較好機械強度和抗水性的Teslin紙。本文所使用的卷對卷印刷具有很快的印刷速率，以本文制備RFID標簽天線為例，每分鐘可以印制出7 000個天線圖案，并且使用紫外固化技術可以快速(2 s)地將油墨有效地干燥。該固化技術的溫度較低，適用于多種柔性基底。經過25 min化學沉積制得的金屬互聯線路和天線都具有結晶度高、附著力好、電阻率低(2.62×10-8Ω·cm)且彎曲性能良好等優點。此外本文提出的技術路線也可以用于天線以及射頻識別標簽(RFID)天線的制備。

未來的研究方向有以下幾點：(1)目前使用氯化鈀作為催化活性材料雖然相比于銀和銅等具有更好的催化效率，但是成本偏高，因此需要尋找成本更低的催化活性材料；(2)嘗試天線的制備，并進行相關的表征來驗證所制備出天線的性能；(3)嘗試除紙基之外其他金屬互聯電路的制備。