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、包裝品、紡織印花延伸到電子、汽車、醫(yī)療等產(chǎn)業(yè)。
隨著新型光電子器件的開發(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，逐漸被應(yīng)用于傳感器、加熱器、射頻識別標(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，并對圖案的線寬、套印精度及性能提出了更高要求。本文針對網(wǎng)版印刷在太陽能電池面板、3C 產(chǎn)品、汽車電子、電子陶瓷等電子領(lǐng)域中的應(yīng)用展開介紹，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
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，不適用于印刷質(zhì)量較高的網(wǎng)印產(chǎn)品。而不銹鋼網(wǎng)具有線徑細且均勻、網(wǎng)紗厚度一致、拉伸度小、過墨性好等特征，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.硅太陽能電池
硅太陽能電池是能夠吸收太陽光輻射并將太陽光轉(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、無污染的特性，其結(jié)構(gòu)如圖 1a 所示。
硅太陽能電池的生產(chǎn)過程中極為關(guān)鍵的步驟之一是通過多次印刷在硅片的兩面制造精細電路獲得正銀、背銀電極，用于將光產(chǎn)生的電子導(dǎo)出電池。位于太陽能電池正面的電極柵線，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。正面的電極柵線又可分為主柵線、副柵線。主柵線是直接接到電池外部引線的較粗部分，副柵線是為了將電流收集起來傳遞到主柵線的較細部分。由于柵線的線電阻是由電流通道上的最細處所決定，如果柵線高度和寬度不平整，振幅很大，勢必造成銀用量的浪費。
在同等用銀量的情況下，如果柵線比較均勻，可以降低線電阻，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，為了提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)盡量減少電極柵線對太陽光的遮蔽，要求柵線越窄越好。因此，在同等銀用量或成本的前提下，印刷后的電極副柵線需要盡量 窄而高（如圖 1b 所示），且主柵線厚度均勻、波動小。
對于硅太陽能電池背銀和背鋁的印刷，由于實際印刷圖形不復(fù)雜，對絲網(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)即可滿足要求。對于正銀副柵線印刷，圖案精細度高（≤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，開口越小，漿料通過性越差。隨著副柵線印刷用的網(wǎng)版開口變窄，網(wǎng)結(jié)會阻擋漿料透過網(wǎng)孔（如圖 2a 所示），印刷線型均勻性差，會影響電池片的效率。
網(wǎng)結(jié)的遮擋會增強副柵線開口進一步變窄的趨勢，所以光伏產(chǎn)品逐漸使用無網(wǎng)結(jié)網(wǎng)版。無網(wǎng)結(jié)網(wǎng)版就是在副柵線開口區(qū)域不存在網(wǎng)結(jié)（如圖 2b 所示），只有垂直于副柵線的鋼絲。通常采用兩種技術(shù)路線實現(xiàn)：一種是采用正繃網(wǎng)，通過抽絲和比網(wǎng)格技術(shù)，將副柵線開口正好置于兩個相鄰經(jīng)紗線之間，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。
采用無網(wǎng)結(jié)網(wǎng)版印刷導(dǎo)電銀漿后再燒結(jié)制備副柵線，柵線電極的線寬比傳統(tǒng)網(wǎng)版制備的低約20%，高度提升約 15%，高寬比提升25%左右，可以實現(xiàn)30μm以下線寬印刷并且線條平整度及線型更好，有效改善了斷柵、虛印等問題，使電池片轉(zhuǎn)換效率比傳統(tǒng)網(wǎng)版提升了0.2% 左右。但無網(wǎng)結(jié)技術(shù)對漿料的導(dǎo)電能力與銀漿外擴提出了更高的要求，漿料需具有較好的流平性、過墨性和塑性，而且根據(jù)網(wǎng)版設(shè)計漿料需維持較好的濕重水平，以及避免細柵印刷的節(jié)點發(fā)生。
2.觸摸屏
觸摸屏作為手機、平板等應(yīng)用終端的關(guān)鍵零部件，市場需求和產(chǎn)業(yè)規(guī)模都在不斷增長。它是以觸摸方式實現(xiàn)人機交互的人機界面，可以使機器的配線簡單化、標(biāo)準(zhǔn)化。
智能手機、平板電腦上畫面的外側(cè)為觸摸屏邊框，寬度一般為1 ～ 10mm，布有為實現(xiàn)觸控機能的電極配線，如圖 3 所示。如果采用 ITO 直接作為邊框?qū)Ь€，會由于電阻過大導(dǎo)致靈敏度過低而無法達到感應(yīng)芯片的驅(qū)動電流強度，所以需要通過印刷低電阻的導(dǎo)電銀漿來作為電極線，將觸控過程中產(chǎn)生的電流傳遞到芯片，通過測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的過程如下：首先通過網(wǎng)版印刷將觸控銀漿印刷在基材上形成 100μm 寬的線路，然后通過加熱烘道使溶劑揮發(fā)并燒結(jié)銀，最后通過激光刻蝕將部分銀漿去除，得到 20μm 甚至 16μm 的線寬、間距，從而縮小了邊框的寬度，滿足全面屏對窄邊框的要求。
3.電子陶瓷產(chǎn)品
在電子陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，網(wǎng)版印刷已成為一項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)體線條和線間距越來越小、分辨率越來越高，來提升電子封裝的集成度和封裝密度。
在制備LTCC時，利用網(wǎng)版印刷技術(shù)，按照電路設(shè)計要求將導(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)膜片以錯位的方式疊合起來，形成多個電容器并聯(lián)，經(jīng)過一次性高溫?zé)Y(jié)形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層（外電極），從而形成一個類似獨石的結(jié)構(gòu)體的電容（如圖4所示）。從結(jié)構(gòu)上看，內(nèi)部電極通過一層層疊起來，來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)品的容量就會越高。同時，要求電極邊緣清晰度高、無毛刺、墨層無漏白（如圖5所示），需對印刷網(wǎng)版及印刷工藝、漿料流變特性進行深入研究。
MLCC被稱為“工業(yè)大米”，廣泛應(yīng)用于消費類電子、家用電器、電源、照明、通信和汽車電子等領(lǐng)域。
4.汽車電子
電子技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到汽車所有的系統(tǒng)，從而延伸出“汽車電子”的概念。網(wǎng)版印刷已用于座椅加熱墊、汽車玻璃加熱線、汽車內(nèi)飾和汽車人機界面，特別是在汽車內(nèi)飾表面結(jié)合功能性可實現(xiàn)智能表面，體現(xiàn)更多的設(shè)計感、人機交互，比如在內(nèi)飾塑膠表面上印刷導(dǎo)電電路實現(xiàn)觸控功能。觸控開關(guān)在空間、使用與設(shè)計等多方面有著極大的優(yōu)勢，包括輕量化、節(jié)約空間、設(shè)計自由度高、操作便捷、防水防塵、穩(wěn)定性好。未來汽車內(nèi)的門飾板、儀表板、方向盤、天窗模塊、照明系統(tǒng)的表面都可以實現(xiàn)智能表面。
采用模內(nèi)電子技術(shù)來設(shè)計和生產(chǎn)智能表面，包括 3D 注射成型設(shè)計中的電路、觸摸控制和照明，可解決復(fù)雜表面印刷的問題。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)電子可實現(xiàn)將相對簡單的電子元件與結(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。但是需要專為模內(nèi)電子而設(shè)計油墨，要求在熱成型和注射成型過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)電粉末和有機載體經(jīng)過研磨混合均勻的膏狀物，印刷后經(jīng)燒結(jié)起到導(dǎo)線的作用。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主要參數(shù)包括粘度和觸變性表示，其對印刷質(zhì)量的保證至關(guān)重要。通過調(diào)節(jié)有機載體中的樹脂配比和其在銀漿中的含量來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)模式來研究表觀粘度與剪切速率之間關(guān)系。
在印刷過程中，具有高剪切應(yīng)力的刮刀將銀漿推過絲網(wǎng)的網(wǎng)孔 時，由于銀漿的觸變性，銀漿粘度降低后透過絲網(wǎng)網(wǎng)孔。刮刀作用過后銀漿快速恢復(fù)到原始的高粘度狀態(tài)，保持形狀清晰且擴散盡可能少。通過 3ITT 觸變性測試表征導(dǎo)電銀漿在網(wǎng)印過程中的結(jié)構(gòu)破壞和恢復(fù)過程，圖 8 所示為測試不同的剪切速 率持續(xù)一定時間時油墨的粘度。第一個間隔剪切速率為 0.1s-1并持續(xù)30s，模擬靜止?fàn)顟B(tài)；第二個間隔剪切速率增加到200 s-1保持30s，對應(yīng)刮刀擠壓過程，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時保持110s，對應(yīng)基材上油墨隨時間流平、結(jié)構(gòu)恢復(fù)的過程，粘度隨著時間恢復(fù)?；謴?fù)速率決定流平時間，最終可決定圖案印刷質(zhì)量，過短的恢復(fù)時間不適合油墨流平。
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，網(wǎng)版印刷在電子領(lǐng)域?qū)懈鼜V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 顧靈雅 辛智青
