大尺寸触控面板用铜布线薄膜的制备

曾海军

（北川天讯新材料有限公司，四川 绵阳 622750）

智能手机和平板电脑等便携终端配备的10″以下静电容量式触摸面板一般都采用ITO(氧化铟锡)作为透明电极材料，但由于其薄膜电阻较大，因此难以应用于尺寸超过20″的触摸面板。比如，40″触摸面板要求薄膜电阻(指方块电阻，下同)为20 Ω，而在ITO 基板上采用树脂膜的“ITO 薄膜”，其产品水平的薄膜电阻在150 Ω 左右，最低的也高达100 Ω。随着一体电脑、大尺寸的笔记本电脑等设备上开始采用触控UI(用户界面)，科研人员努力寻求在大尺寸屏幕应用中ITO 薄膜的替代材料。另外，由于ITO 上的铟属稀土类金属，供应有限且价格昂贵，与此同时，触控面板的价格正持续快速下滑，对光学特性的要求也较过去宽松许多。因此，各触控面板相关企业在摸索规格与成本兼顾的方案。

图1 给出了不同导电薄膜的电阻值与支持屏幕尺寸的关系。目前的静电容量式触摸面板必须要降低电阻，因此 ITO 的替代材料也必须能实现低电阻化。银纳米线/PET(聚对苯二甲酸乙二酯)若提高所含的银纳米线数量的话，能提高导电性，但透射率会降低。单独的石墨烯薄膜有望实现高透射率，但将石墨烯膜设置在PET 薄膜上的话，透射率会降低10%左右。要想解决触摸面板大型化造成的透明导电性薄膜的制造问题，在PET 薄膜上形成金属网层的方法最合适。此法所制薄膜电阻值小，透射率也较高。另外，金属材料易采购，成本低，易加工。于是企业开始尝试在薄膜基板上布设肉眼无法看到的极细金属丝。原来利用银丝的尝试较多，但近来越来越多地采用比银便宜的铜材料。由图2 可知，与其他触摸面板用电极薄膜相比，采用铜布线的触摸面板用电极薄膜，其薄膜电阻较小，支持40″～80″的大尺寸触控，成本较低。

图1 透明导电性薄膜的透射率与薄膜电阻值的关系[1]Figure 1 Relationship between light transmittance and electrical resistance of transparent conductive thin films

图2 几种触摸面板用电极薄膜技术的对比[2]Figure 2 Comparison of several technologies for preparation of thin-film electrodes used in touch panel

笔者所在公司依托其成熟的高真空磁控溅射卷绕镀膜和连续电镀技术，以及长期制造高透光屏蔽膜的经验，成功开发出高透光、低电阻的铜布线薄膜卷材。

1 工艺介绍

1.1 基材

选用175 μm 的PET 膜作为试验基材(一面已涂覆防划层)。

1.2 工艺流程

低温等离子体表面处理─磁控溅射中间过渡层(镍铬合金)和植晶层(铜)─电镀铜─光刻。

1.2.1 低温等离子体表面处理

PET 是极性高分子材料，其表面自由能较高，表面张力在40 dyn/cm(相当于0.04 N/m)左右。但是为增强磁控溅射镀层及电镀层与PET 薄膜表面之间的结合力，还需要对PET 薄膜进行表面处理，以进一步提高其表面张力。采用辉光放电低温等离子体来处理薄膜，可以在不影响材料性能的前提下，大幅提高材料的表面张力。真空辉光放电的视觉特征呈现均匀的雾状放电，放电时功率密度大，处理薄膜类材料时不会出现击穿和燃烧，并且处理温度接近室温，不会因为温度高而产生变形。但要控制好速度和功率的关系，以免增加膜的表面雾度，影响透光率。

1.2.2 磁控溅射工艺

磁控溅射属于辉光放电范畴，利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电中氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。靶材原子被氩离子溅射下来后沉积到元件表面，形成所需膜层。磁控溅射不仅可以得到很高的溅射速率，而且在溅射金属时可以避免二次电子轰击而使基板保持接近冷态，这对单晶和塑料基板具有重要的意义。磁控溅射用直流(DC)放电工作，故能制备金属膜。

等离子体表面处理完成后依次溅射Ni–Cr 过渡层和Cu 植晶层，所制膜层致密、针孔少、附着力强。

1.2.3 电镀铜工艺

硫酸盐镀铜具有镀液成分简单、整平性好、电流效率高、沉积速率快、杂质容忍度高，镀层柔韧光亮且与其他金属镀层结合力强，不易产生针孔，内应力低，厚度均匀等特点。其配方及工艺条件为：

一般控制铜层厚度在1.5～3.0 μm，易于蚀刻微细的铜线。

1.2.4 网线蚀刻

采用湿法蚀刻的工艺，线宽最窄只能做到10～15 μm。要想获得10 μm 以下的线宽，只能采用光刻的工艺。光刻工艺要经历清洗、烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。应根据实际情况调整流程中的操作。采用扫描步进投影曝光，可提高蚀刻精度。在洁净度为100 级的环境下可光刻出0.6～0.8 μm 线条的图案。

2 产品性能

一般ITO 膜的基本参数如下：表面雾度<2%，透过率≥80%，表面电阻(90 ± 15)Ω，面电阻均匀性<7%，热收缩MD ≤1.3%、TD ≥1.3%。

本工艺所制备的铜布线导电膜的性能见表1，其特性、成本方面均超越了此前的ITO 膜。

3 问题与改进

在初期铜线宽为10 μm 左右时，仔细观察面板的话，有时会看到网格。但利用干式薄膜法，并改进曝光，很有希望试制出线宽≤5 μm 的铜线，就很难裸眼看到铜线，实现“真正的”透明导电膜。铜网状图案方式的触摸面板已经可以应用于大型面板，还可以用于无框平板终端的触摸面板。

表1 铜布线导电膜的各项指标Table 1 Properties of the copper wiring film

将网状图案重叠在液晶显示器上时，有时会产生波纹。这是网状图案与显示器的像素图案因干扰而产生彩虹斑纹的现象。采用相对于像素图案倾斜的图案或者采用波状图案，可以防止波纹产生。

4 结语

目前ITO 仍然是触控面板的主角，在金属铟逐渐稀缺而越发昂贵的今天，开发其他材料形成的透明导电膜已是当务之急。铜网状图案在特性、成本和耐久性方面均超越了此前的ITO 膜，在未来的触控市场有可能崭露头角。

[1]中谷健司.如何利用廉价的铜布线实现大尺寸触摸面板？[EB/OL].[2013–11–15]http://www.elecfans.com/tekan/201310_touch.html.

[2]河合基伸.松下成功试制支持70 英寸触摸面板的铜布线薄膜[EB/OL].[2013–07–08]https://china.nikkeibp.com.cn/news/flat/66737-20130705.html.