線寬0.8μm新型印刷電子技術 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方面取得了大幅進步。日本產業技術綜合研究所、東京大學、山形大學和田中貴金屬工業于2016年4月宣布，開發出了基于新原理的布線印刷技術“SuPR-NaP法”（Surface PhotoReactive Nanometal Printing，表面光反應納米金屬印刷法）。利用這項技術，可同時實現布線寬度等的微細化、大面積化和高速制造。

　　與過去常見的噴墨印刷、絲網印刷相比，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行高速印刷。加工溫度只要50～80℃，可以使用PET（聚對苯二甲酸乙二酯）等耐熱溫度較低的樹脂作為基材。

　　田中貴金屬將以使用該技術制作的透明導電膜為基礎制作觸摸面板傳感器，計劃從2017年1月開始供應樣品。

　　超越以往的透明導電膜

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

圖1：同時實現了高光透射率、低薄膜電阻值的均勻的布線

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

　　布線導電性高是因為長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時更大。

　　這要歸功于SuPR-NaP法解決了困擾涂敷布線的“咖啡漬”問題。這是一種涂敷不均問題，是因為無法控制布線的厚度，在想要增加厚度時，布線寬度變大的現象。而新技術能夠在30～100nm的范圍內控制布線的厚度。

　　兼顧微細化與大面積化

　　布線的微細化此前就已實現。產綜研2002年開發出的“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，逐一繪制微細的布線，生產速度非常慢，不適合用來量產大面積器件。

　　與之相比，SuPR-NaP法是通過波長為172nm的紫外線（UV）曝光，統一繪制布線圖案，涂敷油墨只需使用刮板掃過表面即可，微細化與大面積化并不矛盾，制作大面積器件時速度也很快（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172nm的UV曝光設備可以采用市面上用來清除液晶面板表面有機物的“UV處理器”，制造設備的采購成本也比較低。

圖2：用刮板掃過表面即可完成印刷

　　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，只有布線圖案上會留下銀納米油墨，形成布線。

　　利用保護基結合力的差別

　　新技術能夠實現這一突破，是因為印刷時在以往的親疏控制的基礎上，采用了選擇性化學吸附銀墨水的技術，使墨水固定在繪制好布線圖案的基材上（圖3）。

圖3：通過化學方法，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，表面會形成大量的羧基。以烷基胺為保護基的銀納米粒子與這里接觸后，與銀結合力更強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，沒有圖案的部分疏水性高的控制技術。過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，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UV曝光繪制圖案。在經過曝光的含氟聚合物的表面，會出現大量的羧基。沒有曝光的表面疏水性高，在經過曝光后，疏水性會略有下降。

　　采用的銀墨水由山形大學的栗原正人教授開發，田中貴金屬正在推進產品化，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基。保護基的作用是防止銀納米粒子凝集，過去的銀墨水大多使用與銀結合力強的羧基。但正因為結合力強，在涂敷銀墨水之后，需要提高退火溫度才能去除保護基。

　　而烷基胺與銀納米粒子的結合力弱，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。主導本次技術開發的產綜研柔性電子研究中心總研究主管、東京大學研究生院工學系研究科物理工程專業的教授長谷川達夫說：“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次也不會剝落。”

　　采用新技術后，“咖啡漬”不再產生。銀納米粒子之間的烷基胺會在加熱到約50～80℃時脫落，而原來的退火溫度要在100℃以上。