網(wǎng)版印刷在新型電子領(lǐng)域中的應(yīng)用
平印、凸印、凹印、孔版印刷是常見(jiàn)的四大印刷方法。在孔版印刷中，應(yīng)用最為廣泛的是網(wǎng)版印刷，并從傳統(tǒng)的廣告標(biāo)識(shí)、包裝品、紡織印花延伸到電子、汽車(chē)、醫(yī)療等產(chǎn)業(yè)。
隨著新型光電子器件的開(kāi)發(fā)和其他新興領(lǐng)域的發(fā)展，網(wǎng)版印刷因其可提供更有效的導(dǎo)電圖案制作方法，并具有成本效益高、油墨墨層厚和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被應(yīng)用于傳感器、加熱器、射頻識(shí)別標(biāo)簽、混合集成電路、光電顯示器件等的制造中。這些應(yīng)用需要將導(dǎo)電、介電和半導(dǎo)體材料制備成漿料或油墨精確沉積到各種柔性基底上，并對(duì)圖案的線(xiàn)寬、套印精度及性能提出了更高要求。本文針對(duì)網(wǎng)版印刷在太陽(yáng)能電池面板、3C 產(chǎn)品、汽車(chē)電子、電子陶瓷等電子領(lǐng)域中的應(yīng)用展開(kāi)介紹，并分析了網(wǎng)版印刷用導(dǎo)電銀漿的流變性能。
網(wǎng)紗材料分類(lèi)
用于網(wǎng)印產(chǎn)品的網(wǎng)紗材料主要有尼龍、聚酯纖維、不銹鋼、鎳等。
尼龍、聚酯纖維容易變形且有印刷圖形精度差、厚度均勻性較難控制等特點(diǎn)，不適用于印刷質(zhì)量較高的網(wǎng)印產(chǎn)品。而不銹鋼網(wǎng)具有線(xiàn)徑細(xì)且均勻、網(wǎng)紗厚度一致、拉伸度小、過(guò)墨性好等特征，印刷的圖形質(zhì)量較高，適合于電子行業(yè)的高精度圖案的印制。但是不銹鋼價(jià)格昂貴，通常僅用于高附加值產(chǎn)品的制造中。
網(wǎng)版印刷在新型電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用
1.硅太陽(yáng)能電池
硅太陽(yáng)能電池是能夠吸收太陽(yáng)光輻射并將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體電子器件，廣泛應(yīng)用于發(fā)電及照明系統(tǒng)，具有可再生、無(wú)污染的特性，其結(jié)構(gòu)如圖 1a 所示。
硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)過(guò)程中極為關(guān)鍵的步驟之一是通過(guò)多次印刷在硅片的兩面制造精細(xì)電路獲得正銀、背銀電極，用于將光產(chǎn)生的電子導(dǎo)出電池。位于太陽(yáng)能電池正面的電極柵線(xiàn)，起收集與傳輸電流的作用，電阻越小，電流越大，電池發(fā)電效率就越高。正面的電極柵線(xiàn)又可分為主柵線(xiàn)、副柵線(xiàn)。主柵線(xiàn)是直接接到電池外部引線(xiàn)的較粗部分，副柵線(xiàn)是為了將電流收集起來(lái)傳遞到主柵線(xiàn)的較細(xì)部分。由于柵線(xiàn)的線(xiàn)電阻是由電流通道上的最細(xì)處所決定，如果柵線(xiàn)高度和寬度不平整，振幅很大，勢(shì)必造成銀用量的浪費(fèi)。
在同等用銀量的情況下，如果柵線(xiàn)比較均勻，可以降低線(xiàn)電阻，使同樣用量的銀漿發(fā)揮出更大的電性能，從而提升電極銀漿的使用效率。此外，為了提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)盡量減少電極柵線(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的遮蔽，要求柵線(xiàn)越窄越好。因此，在同等銀用量或成本的前提下，印刷后的電極副柵線(xiàn)需要盡量 窄而高（如圖 1b 所示），且主柵線(xiàn)厚度均勻、波動(dòng)小。
對(duì)于硅太陽(yáng)能電池背銀和背鋁的印刷，由于實(shí)際印刷圖形不復(fù)雜，對(duì)絲網(wǎng)的材料和參數(shù)要求不高，主要考慮印刷厚度即可，一般選用250 ～ 280 目的常規(guī)絲網(wǎng)即可滿(mǎn)足要求。對(duì)于正銀副柵線(xiàn)印刷，圖案精細(xì)度高（≤50μm）、寬度誤差?。ā?μm），需要采用高目數(shù)、窄絲徑的鎢鋼材質(zhì)金屬絲網(wǎng)，常用的有 430/13 和 380/14 兩種規(guī)格。但目數(shù)越高，絲網(wǎng)越密，開(kāi)口越小，漿料通過(guò)性越差。隨著副柵線(xiàn)印刷用的網(wǎng)版開(kāi)口變窄，網(wǎng)結(jié)會(huì)阻擋漿料透過(guò)網(wǎng)孔（如圖 2a 所示），印刷線(xiàn)型均勻性差，會(huì)影響電池片的效率。
網(wǎng)結(jié)的遮擋會(huì)增強(qiáng)副柵線(xiàn)開(kāi)口進(jìn)一步變窄的趨勢(shì)，所以光伏產(chǎn)品逐漸使用無(wú)網(wǎng)結(jié)網(wǎng)版。無(wú)網(wǎng)結(jié)網(wǎng)版就是在副柵線(xiàn)開(kāi)口區(qū)域不存在網(wǎng)結(jié)（如圖 2b 所示），只有垂直于副柵線(xiàn)的鋼絲。通常采用兩種技術(shù)路線(xiàn)實(shí)現(xiàn)：一種是采用正繃網(wǎng)，通過(guò)抽絲和比網(wǎng)格技術(shù)，將副柵線(xiàn)開(kāi)口正好置于兩個(gè)相鄰經(jīng)紗線(xiàn)之間，從而消除網(wǎng)結(jié)；另一種是基于電鑄網(wǎng)版或鋼板網(wǎng)作為網(wǎng)版材料。
采用無(wú)網(wǎng)結(jié)網(wǎng)版印刷導(dǎo)電銀漿后再燒結(jié)制備副柵線(xiàn)，柵線(xiàn)電極的線(xiàn)寬比傳統(tǒng)網(wǎng)版制備的低約20%，高度提升約 15%，高寬比提升25%左右，可以實(shí)現(xiàn)30μm以下線(xiàn)寬印刷并且線(xiàn)條平整度及線(xiàn)型更好，有效改善了斷柵、虛印等問(wèn)題，使電池片轉(zhuǎn)換效率比傳統(tǒng)網(wǎng)版提升了0.2% 左右。但無(wú)網(wǎng)結(jié)技術(shù)對(duì)漿料的導(dǎo)電能力與銀漿外擴(kuò)提出了更高的要求，漿料需具有較好的流平性、過(guò)墨性和塑性，而且根據(jù)網(wǎng)版設(shè)計(jì)漿料需維持較好的濕重水平，以及避免細(xì)柵印刷的節(jié)點(diǎn)發(fā)生。
2.觸摸屏
觸摸屏作為手機(jī)、平板等應(yīng)用終端的關(guān)鍵零部件，市場(chǎng)需求和產(chǎn)業(yè)規(guī)模都在不斷增長(zhǎng)。它是以觸摸方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的人機(jī)界面，可以使機(jī)器的配線(xiàn)簡(jiǎn)單化、標(biāo)準(zhǔn)化。
智能手機(jī)、平板電腦上畫(huà)面的外側(cè)為觸摸屏邊框，寬度一般為1 ～ 10mm，布有為實(shí)現(xiàn)觸控機(jī)能的電極配線(xiàn)，如圖 3 所示。如果采用 ITO 直接作為邊框?qū)Ь€(xiàn)，會(huì)由于電阻過(guò)大導(dǎo)致靈敏度過(guò)低而無(wú)法達(dá)到感應(yīng)芯片的驅(qū)動(dòng)電流強(qiáng)度，所以需要通過(guò)印刷低電阻的導(dǎo)電銀漿來(lái)作為電極線(xiàn)，將觸控過(guò)程中產(chǎn)生的電流傳遞到芯片，通過(guò)測(cè)量電流的變化可以確定感觸手指位置。
網(wǎng)版印刷技術(shù)制造觸摸屏邊框上的印刷電極配線(xiàn)的過(guò)程如下：首先通過(guò)網(wǎng)版印刷將觸控銀漿印刷在基材上形成 100μm 寬的線(xiàn)路，然后通過(guò)加熱烘道使溶劑揮發(fā)并燒結(jié)銀，最后通過(guò)激光刻蝕將部分銀漿去除，得到 20μm 甚至 16μm 的線(xiàn)寬、間距，從而縮小了邊框的寬度，滿(mǎn)足全面屏對(duì)窄邊框的要求。
3.電子陶瓷產(chǎn)品
在電子陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中，網(wǎng)版印刷已成為一項(xiàng)極為重要的工藝手段，例如厚膜陶瓷（TFC）、低溫共燒陶瓷（LTCC）、高溫共燒陶瓷（HTCC）、片式多層瓷介電容器（MLCC）等，都采用了網(wǎng)版印刷工藝，并要求電路中導(dǎo)體線(xiàn)條和線(xiàn)間距越來(lái)越小、分辨率越來(lái)越高，來(lái)提升電子封裝的集成度和封裝密度。
在制備LTCC時(shí)，利用網(wǎng)版印刷技術(shù)，按照電路設(shè)計(jì)要求將導(dǎo)電銀漿轉(zhuǎn)移到生瓷料帶上形成電路層或互連通孔柱，采用復(fù)合鋼絲網(wǎng)版作為網(wǎng)版。
MLCC 是由印好的金屬電極（內(nèi)電極）與絕緣的陶瓷介質(zhì)膜片以錯(cuò)位的方式疊合起來(lái)，形成多個(gè)電容器并聯(lián)，經(jīng)過(guò)一次性高溫?zé)Y(jié)形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層（外電極），從而形成一個(gè)類(lèi)似獨(dú)石的結(jié)構(gòu)體的電容（如圖4所示）。從結(jié)構(gòu)上看，內(nèi)部電極通過(guò)一層層疊起來(lái)，來(lái)增大電容兩極板的面 積，從而增大電容量。MLCC中的內(nèi)電極可采用網(wǎng)版印刷鎳漿的 方式制作，將鎳電極漿料以一定規(guī)則印刷到流延后的陶瓷薄膜上。在確保電極覆蓋率正常的前提下，電極層厚度越薄越好，這樣單位高度內(nèi)能堆疊的層數(shù)越多，產(chǎn)品的容量就會(huì)越高。同時(shí)，要求電極邊緣清晰度高、無(wú)毛刺、墨層無(wú)漏白（如圖5所示），需對(duì)印刷網(wǎng)版及印刷工藝、漿料流變特性進(jìn)行深入研究。
MLCC被稱(chēng)為“工業(yè)大米”，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類(lèi)電子、家用電器、電源、照明、通信和汽車(chē)電子等領(lǐng)域。
4.汽車(chē)電子
電子技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到汽車(chē)所有的系統(tǒng)，從而延伸出“汽車(chē)電子”的概念。網(wǎng)版印刷已用于座椅加熱墊、汽車(chē)玻璃加熱線(xiàn)、汽車(chē)內(nèi)飾和汽車(chē)人機(jī)界面，特別是在汽車(chē)內(nèi)飾表面結(jié)合功能性可實(shí)現(xiàn)智能表面，體現(xiàn)更多的設(shè)計(jì)感、人機(jī)交互，比如在內(nèi)飾塑膠表面上印刷導(dǎo)電電路實(shí)現(xiàn)觸控功能。觸控開(kāi)關(guān)在空間、使用與設(shè)計(jì)等多方面有著極大的優(yōu)勢(shì)，包括輕量化、節(jié)約空間、設(shè)計(jì)自由度高、操作便捷、防水防塵、穩(wěn)定性好。未來(lái)汽車(chē)內(nèi)的門(mén)飾板、儀表板、方向盤(pán)、天窗模塊、照明系統(tǒng)的表面都可以實(shí)現(xiàn)智能表面。
采用模內(nèi)電子技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)智能表面，包括 3D 注射成型設(shè)計(jì)中的電路、觸摸控制和照明，可解決復(fù)雜表面印刷的問(wèn)題。模內(nèi)電子是將電路印刷到平面的塑料板上，然后放入模具內(nèi)進(jìn)行熱成型和注塑成型，使觸摸控制或照明等功能直接嵌入塑料部件內(nèi)部，并形成所需的形狀。模內(nèi)電子可實(shí)現(xiàn)將相對(duì)簡(jiǎn)單的電子元件與結(jié)構(gòu)部件整合，不僅可以降低成本、節(jié)省空間，還可以提高內(nèi)飾產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性，如圖 6 所示。但是需要專(zhuān)為模內(nèi)電子而設(shè)計(jì)油墨，要求在熱成型和注射成型過(guò)程中具有良好的附著力和相容性，在劇烈的拉伸和高溫下能夠保持導(dǎo)電功能。
網(wǎng)版印刷電子漿料的流變特性
為了取得良好的金屬化效果滿(mǎn)足電子產(chǎn)品的要求，需要考慮漿料、繃網(wǎng)張力、印刷網(wǎng)距等幾大要素。這里我們只關(guān)注對(duì)漿料流變特性的要求。電子漿料是制造厚膜元件的基礎(chǔ)材料，是一種由固體導(dǎo)電粉末和有機(jī)載體經(jīng)過(guò)研磨混合均勻的膏狀物，印刷后經(jīng)燒結(jié)起到導(dǎo)線(xiàn)的作用。用于電子行業(yè)的漿料主要為導(dǎo)電銀漿，其流變特性直接影響銀漿在印刷過(guò)程中的轉(zhuǎn)移行為，是獲得良好印刷品質(zhì)的關(guān)鍵。流變性能可以用兩個(gè)主要參數(shù)包括粘度和觸變性表示，其對(duì)印刷質(zhì)量的保證至關(guān)重要。通過(guò)調(diào)節(jié)有機(jī)載體中的樹(shù)脂配比和其在銀漿中的含量來(lái)控制銀漿的粘度和觸變性，使銀漿具有良好的網(wǎng)版印刷性能。
網(wǎng)印導(dǎo)電銀漿屬于非牛頓流體，具有剪切變稀行為，如圖 7 所示，這是由于剪切力使導(dǎo)電顆粒之間的相互作用力變小。通常采用穩(wěn)態(tài)模式來(lái)研究表觀粘度與剪切速率之間關(guān)系。
在印刷過(guò)程中，具有高剪切應(yīng)力的刮刀將銀漿推過(guò)絲網(wǎng)的網(wǎng)孔 時(shí)，由于銀漿的觸變性，銀漿粘度降低后透過(guò)絲網(wǎng)網(wǎng)孔。刮刀作用過(guò)后銀漿快速恢復(fù)到原始的高粘度狀態(tài)，保持形狀清晰且擴(kuò)散盡可能少。通過(guò) 3ITT 觸變性測(cè)試表征導(dǎo)電銀漿在網(wǎng)印過(guò)程中的結(jié)構(gòu)破壞和恢復(fù)過(guò)程，圖 8 所示為測(cè)試不同的剪切速 率持續(xù)一定時(shí)間時(shí)油墨的粘度。第一個(gè)間隔剪切速率為 0.1s-1并持續(xù)30s，模擬靜止?fàn)顟B(tài)；第二個(gè)間隔剪切速率增加到200 s-1保持30s，對(duì)應(yīng)刮刀擠壓過(guò)程，高的剪切速率促使油墨粘度迅速下降；在第三間隔剪切速率恢復(fù)到0.1 s-1時(shí)保持110s，對(duì)應(yīng)基材上油墨隨時(shí)間流平、結(jié)構(gòu)恢復(fù)的過(guò)程，粘度隨著時(shí)間恢復(fù)。恢復(fù)速率決定流平時(shí)間，最終可決定圖案印刷質(zhì)量，過(guò)短的恢復(fù)時(shí)間不適合油墨流平。
為了賦予油墨觸變性，需要在體系中加入少量的纖維素作為增稠劑，包括羥丙基甲基纖維素、乙基纖維素，利用其分子之間形成的氫鍵提高體系的粘度、觸變性，受到高速剪切時(shí)分子間的作用力被破壞的影響，使粘度下降。
由于網(wǎng)版印刷的厚膜技術(shù)會(huì)產(chǎn)生更有效的高精度導(dǎo)電圖案的制作方法，網(wǎng)版印刷往往也成為印刷電子制造的首選方案。電子工業(yè)是一個(gè)變化較快、要求較高的行業(yè)，不斷地給網(wǎng)印從業(yè)者帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)，網(wǎng)版印刷在電子領(lǐng)域?qū)?huì)有更廣泛的應(yīng)用。
本文為《印刷工業(yè)》原創(chuàng)文章
作者：
貴州省仁懷市申仁包裝印務(wù)有限責(zé)任公司 王永生
北京印刷學(xué)院、北京市印刷電子工程技術(shù)研究中心 晏子強(qiáng) 顧靈雅 辛智青
