滚筒式丝印在印刷电子中应用前景探析

文 宋词

滚筒式丝印在印刷电子中应用前景探析

文 宋词

印刷电子技术是一种基于印刷原理的电子制造技术，将是继半导体与平板显示产业之后的一个新兴战略产业。印刷电子技术将是柔性显示、薄膜光伏、有机照明、智能标签与智能包装等领域的关键产业技术。过去10多年中，有机电子与纳米材料的发展已经在实验室水平上证明了柔性与印刷电子技术的可行性。英国技术市场研究咨询公司IDTechEx预测，今后20年印刷电子产品将形成价值约3000亿美元/年的市场，是目前硅产业的2倍。目前，各个国家都在大力投入印刷电子这一新兴领域，比如韩国知识经济部国家研发战略办公室的官员Young-Sup J oo宣布，2012～2018年6年间，韩国政府与工业界将联手投资1725亿韩元，大力发展韩国的印刷电子技术与产业。2011年10月26日，天津大学、中科院苏州纳米所、中科院化学所、中科院微电子所和北京绿色印刷包装产业技术研究院、中国包装总公司、北京北印中源科技有限公司等21家单位成立了“全国印刷电子产业技术创新联盟”，致力推动印刷电子技术产业化。种种迹象都表明，印刷电子产业在全世界正处于产业化前夜。

丝印是目前电子印刷的主要方式。传统的平网丝印，在印刷中由于网版变形在很大程度上制约了印刷电子图像精度的进一步提高。本文首先对传统光刻技术、印刷电子技术进行对比，分析丝网印刷优点及存在的问题。针对市场上新推出的滚筒式丝网印刷方式，对其大幅面、高印刷精度、高印刷效率特点进行技术分析，同时对它的应用前景做一些展望。

传统的光刻技术，是首先在器件表面涂以感光树脂、增感剂、抗蚀剂等，利用光照后树脂溶解性的显著变化，通过对光照区进行控制，使表面得到所需图像的一种方法。目前，光刻技术在电子工业中被广泛利用，如集成电路及电子元器件制造等。但该技术工艺过程繁杂，且在显影、抗蚀膜去除过程中，都伴随大量的污染物排放，严重污染环境。印刷电子只需两个工艺过程：转移及热固化，极大的精简工艺过程，降低成本。印刷电子产品的最大特点及优势是大面积、柔性化与低成本，与硅基微电子产品形成强烈对比。印刷制作电子器件所需设备投资极低，而且印刷电子器件可以制作在任何衬底材料上。尽管印刷制作的电子器件目前性能上不如硅基微电子器件，但成本上的优势和大面积与柔性化特点使印刷电子技术仍有硅基微电子器件所不能胜任的大量应用领域。

平网丝网印刷电子技术

目前，一般在电子领域应用的是平网丝网技术，主要应用在坚硬的承印物上，如印刷线路板、玻璃、晶体硅表面，印刷方法如图1所示。

从图1中可以看到，平网丝网印刷是用一层筛板材料，上面有平行排列的网孔，网孔上表面涂有感光乳液。橡皮刮板将油墨或者浆料，从丝网的一边表面挤压到孔板的另一边，将油墨或浆料粘附在承印物上。网版与承印物的接触时间直接影响油墨或浆料的转移率，同时也影响印刷图像边缘清晰度。因此，平版丝网印刷的网版和承印物之间的间隙一般控制在2～10mm。

当刮板在刮刷时，要满足刮板与网版表面、承印物是垂直的。当浆料粘附在承印物上时，丝网靠粘弹性实现网版和承印物分离。如果减少与承印物接触时间，可以减少浆料在承印物表面的流延。由于丝网是按照垂直方向拉伸的，丝网会发生变形，会降低尺寸的精度。特别是越大的丝网，存在变形量越大，如图2所示。

不同的丝网的作用力，会形成不同的分离角度。刮板在边缘和中间的不同的角度，会在平面上形成不同的浆料厚度。比如，利用丝网印刷来印刷银浆料，在平板上形成100μ m厚的触摸板的电极。为了达到更高的清晰度，减少浆料扩展时间，就必须提高浆料粘度。有时浆料粘度达到100pa·s，这个时候粘度就和花生酱差不多了。印刷电子浆料就像是一个网版和承印物之间的压敏胶，不同的分离时间和接触角度不同都会影响最后印刷线路图形的形貌。不合适的丝网印刷压力及角度都会导致膜层厚度不均一和线条的边缘扩大。因此，增加网版和承印物之间的距离，可以增大网版分离的角度，获得更高的图像清晰度。但是这些会增大网版拉伸量，导致丝网的拉伸变形严重。原本拥有上万次的耐印率的不锈钢丝网，由于过大的网版与承印物之间的间隙，会使耐印率降到1000次左右，这会影响生产效率，增大印刷成本。因此，平版丝网印刷由于丝网的垂直方向变形，存在一个成本与印刷质量的矛盾。如图3所示。

在实际印刷企业中，网版、浆料通过不断改变印刷条件来达到一个相对质量和生产效率都满足的过程，这是一个公司区别于其它竞争者的竞争力所在。另外，作为一个工业产品，要尽量降低成本，以最少的消耗达到最大的生产效率。

滚筒式丝网印刷技术

平网丝网印刷只需一张平台，一个网版就可以进行手工操作，印刷方式非常灵活，可用于实验研究和小规模生产。但是面对印刷电子的大幅面，高质量的需求时，成本与质量的矛盾就很凸显。滚筒式丝网印刷技术出现，较好的解决了上述矛盾，滚筒式丝网印刷是樱井集团公司根据印刷电子的需求，应用在全自动MS80SD滚筒式丝网印刷机上的新技术，在Drupa 2012上已经亮相，十分引人瞩目。

与平网丝网印刷电子方式比较而言，滚筒式丝网印刷在软性承印物上印刷时，能在更大幅面上实现高速度，且较高质量印刷，可广泛应用于电子工业产品。比如：薄膜开关、座椅加热器、座位感应器、血糖测试仪、RFID天线、家用控制面板、手机壳装饰、LCD背光散射涂层、3D微透镜、转移纸、现金磁卡等等。

滚筒式丝网印刷工作原理如图4所示，与刮板在丝网平台上相比，柔性材料可以裹在滚筒表面，刮板从上面刮过，承印材料同时随着滚筒的转动也沿着水平方向移动。

采用平网丝网进行印刷时，需要手动的更换承印材料，而采用滚筒丝印的方法，印刷的同时，承印物也同时被取走，同时，下一张承印物已经传递到滚筒，在上一张印刷的同时做好定位工作，准备印刷。这种方式，可以大幅度减少手工更换承印物的时间。在印刷过程中，承印物夹在压印滚筒上的，浆料是转移到弯曲的承印物上，在网版与承印物分离时，角度是固定的，因此能够在印刷起始处和终点处都获得一致的印刷质量。另外，这种方式能提高刮板的移动速度，滚筒式丝网印刷机能满足印刷电子中印刷大面积及生产效率的需求。

滚筒式丝网印刷技术一个显著特点是印刷过程中不需要绷网。在常规的丝网印刷中，不管是采用滚筒型还是平板型，网版与承印物都是有间隙的，在印刷过程中都要进行绷网。但是在滚筒式丝网印刷方式中，由于丝网是与弯曲的承印物线接触，在垂直方向可以实现网的零变形。在这种情况下，网版没有必要是柔软的，因为它不需要绷网。这样就非常接近印刷工艺中的理想的网版，网版是坚硬的且几乎不会变形。下面是介绍滚筒式丝网印刷如何实现在不需要绷网的情况下，实现高精度印刷的。

网版与承印物间极小的间隙

印刷滚筒上利用咬牙来固定承印物的前端，然后将承印材料随滚筒转动，附在滚筒表面。滚筒的咬牙比滚筒的表面略高几个毫米。当咬牙咬住承印物时，滚筒就转动一个角度，此时咬牙不会和网版接触。当咬牙与网版分开时，网版高度就开始降低，此时开始印刷，网版与承印物之间的间距已经几乎为零了。

使用低弯曲及高弹性的丝网

即使网版和承印材料之间的间隙减少，但如果丝网是柔软的，很容易拉伸，比如标准的合成纤维网版，刮板在刮刷的时候也容易导致网版在平面的方向上变形。因此，为了减少这种非线性变形，在制作网版的时候，网版最好尽可能采用低弯曲高弹性的材料，不容易扭曲变形。

网版伸长校准功能

即使采用坚硬的网版材料，但在刮板刮的方向出现变形不可避免。丝网的在平面中拉伸变形，在MS-SD系列中，压印滚筒和版夹是由独立的伺服电机控制的。因此，印刷拉伸校正功能可以通过略微提高滚筒的相对于网版的速度，来弥补印刷过程中，网版在平面上的拉伸变形。

数字图像校准功能

在丝网印刷机的输送板的边缘上装有图像处理单元，在滚筒上咬牙咬住承印物前，摄像装置先读取承印物上的标记，根据标记来迅速调整承印物的位置，这样能产生更高的印刷精度。

滚筒式丝印印刷样品分析

用880mm2的不锈钢金属网框印刷300mm2，网线数是500目，印刷采用的是TOYOCHEM公司的“RAFS058”银导电浆料，印刷线条宽度是70～90μ m，分别在有孔的图层上和未做涂覆处理PET薄膜上进行印刷。对于平网丝印而言，线条的边缘出现浆料的流延，边缘不光滑不能实现很高的清晰度。但采用滚筒式丝印，没有在线条边缘出现流延的现象，线条边缘光滑，具有很高的清晰度。

图5是在未做涂覆处理PET薄膜上印刷1mm左右的圆点的印刷效果图。如果采用平网丝印，印刷这样的圆点时，容易出现变形；但采用滚筒式丝印方式，由于网版与承印物之间的间距几乎为零，网版变形极小，因此圆点几乎没有失真变形。从整个印刷版面起始点到结束点，都具有很高的一致性。从图中可以看到，印刷出来的平均直径为997±10μ m，印刷精度极高。

滚筒式丝网印刷应用前景

在不久的将来，可以预见一个大规模，柔性的价格便宜的印刷电子产品市场就要来临。目前，已经有一些产品已经商业化了，但是还很不成熟，全世界的很多国家都在快速发展印刷电子材料及技术，占领这个新兴市场的制高点。对于制造工业而言，都要面对产品成本和附加值的竞争，滚筒式丝网在大面积的网版印刷中具有巨大的潜在优势。在未来，可以通过优化网版的制版过程，利用压印滚筒来改变印刷条件，进一步提高印刷速度和整个版面一致性及尺寸的精准度，可以实现更高清晰度和精细度的丝网印刷。通过这些提高，这项技术可以用在现有的电子器件印刷上，比如：触摸板的电极线、多层线路板、柔性印刷电子材料、各向异性的传感器、大面积触摸板的辅助电极、电磁屏蔽器、微机电系统、压力传感器、多层陶瓷电容、固态锂电池、纸电池、染色敏化的太阳能电池、电子纸、以及OLED显示材料等等。滚筒式丝网印刷技术具有大幅面印刷、效率高、印刷精度高等优点，在未来的印刷电子领域将具有重大的应用前景。