基于超声喷涂法的柔性印刷电路制备

缪灿锋，翟荣安，储成智，汝长海,

（1.江苏省先进机器人技术重点实验室，苏州大学，江苏 苏州 215021；2.苏州纳米科学技术协同创新中心，苏州大学，江苏 苏州 215123）

【工艺开发】

基于超声喷涂法的柔性印刷电路制备

缪灿锋1，翟荣安1，储成智1，汝长海1,2,*

（1.江苏省先进机器人技术重点实验室，苏州大学，江苏 苏州 215021；2.苏州纳米科学技术协同创新中心，苏州大学，江苏 苏州 215123）

介绍了一种基于超声喷涂的电路印刷方法，适用于各种柔性材质的基体，可以更高效、更环保地完成柔性印刷电路(FPC)的制造。其主要思想是：纳米银导电油墨通过超声喷头雾化，进而喷涂在覆盖有金属掩膜版的聚酰亚胺(PI)膜基体上，低温烧结(125 °C × 20 min)之后就得到柔性电路。测试结果表明，图案化的导电线路(宽度为500 μm)经过多次弯曲后仍能保持良好的导电性，其表面方阻随喷涂层数的增多而稳定地减小，8层涂覆所得线路的方阻为(21 ± 2) mΩ/sq。扫描电镜观察表明，导电线路平整光滑，毛边误差在50 μm以内。

电路；柔性印刷；聚酰亚胺薄膜；纳米银；导电油墨；超声喷涂；方阻

First-author’s address:Jiangsu Provincial Key Laboratory of Advanced Robotics, Soochow University, Suzhou 215021, China

在信息时代，人们每天都会通过各种电子产品进行数据的传输、处理，作为承载媒介的印刷电路板(PCB)的需求量也与日俱增[1-3]。柔性电路板(FPC)拥有配线密度高、轻薄、弯折性好等特点，因而在印刷电路板中占据的比例逐年提高[4]。FPC通常是指以柔性塑料薄膜为基材制成的印刷电路板，它能够直接应用于三维的工作环境中，加快生物医疗、人-机信息交换等领域的发展，也进一步拓宽了目前电子产品的使用领域[5-7]。

在1898年发表的某英国专利中记载了石蜡纸基板中制作的扁平导体电路，这是最早出现的FPC技术，但是直到20世纪后期，FPC用于汽车仪表盘、仪器、手机、OLED(有机发光二极管)柔性屏幕等现代消费类电子产品后才开始日益得到国内外的广泛研究。

柔性单面板是目前使用量最多的 FPC种类，国内外生产此种印刷板的方式主要有片到片和卷到卷(Roll-to-Roll)两种[8]。片到片式生产要先将柔性基材裁切成单块，以片为单位进行生产作业，其优点是投入小，生产的产品灵活多变，但效率低。卷到卷式是将产品编联成卷，通过卷边的定位孔来驱动以连续作业，欧洲的Flex-o-Fab项目就利用卷到卷工艺生产出柔性OLED原型。此方式自动化程度高，适合大批量生产，但是生产设备投入大，产品的品种变化不灵活[9]。虽然生产柔性单面板的方式有两种，但其生产流程基本相同，运用最多的是印制和蚀刻加工法，其工艺包括贴膜、曝光、显影和蚀刻。其中的蚀刻工艺不仅会对资源造成浪费，而且会对环境有一定的破坏。因此，找到一种能够有效解决以上矛盾的方法显得尤为重要。

本文提出一种使用超声雾化喷涂的方法将导电层涂覆在柔性基材上的设计，在柔性基材上载有金属掩膜版，根据设计要求制作出需要的导电线路及电极。利用超声雾化的原理将导电油墨雾化成纳米级的颗粒，通过气流引导后按一定的路径进行涂覆作业。运用这种方法做出的涂层厚度可达纳米级别，从而可以根据实际生产需求，方便地控制涂层厚度。超声喷涂法可以灵活地改变产品的种类，设备全自动化控制，生产效率可以得到保证，且多余的油墨可回收利用，浪费率低，不会对环境产生破坏。将超声喷涂的方法引入柔性印刷电路的制造中会有良好的应用前景。

1 实验平台与原理

超声喷涂设备主要由供液系统、超声雾化系统、运动控制系统、机械系统等构成，如图 1所示。具体包括超声电源盒，雾化喷头，喷头架及喷头架运动控制系统，触摸屏控制模块，吸附加热平台，等等。

超声雾化系统是超声喷涂设备的关键，其主要由超声波发生器和换能振动系统(包括超声雾化压电换能器和变幅杆)两部分构成，超声波发生器用于产生超声雾化压电换能器工作所需要的电信号，超声雾化压电换能器则利用压电陶瓷的逆压电效应将电信号转化为机械振动。由于压电换能器受自身材料、力学性能等因素的约束，致使其输出端的机械振动幅度只有几微米，无法达到加工负载的要求，因此在压电换能器输出端加装变幅杆把换能器机械振动放大，放大后的机械振动幅值可达几十微米，可以让超声振动很好地对声负载进行作用。对于本文而言，声负载就是要雾化的纳米银导电油墨。

制备FPC的具体实现方式为：在基材放置平台上依次放置基材(PI膜)、金属掩膜版(见图2，整体尺寸为30 mm × 30 mm，最小导电线路宽度为500 μm)。根据所需喷涂范围以及喷涂的导电油墨性质在触摸屏上设置好相关工艺参数，对导电油墨进行超声雾化，通过喷头架的运动带动喷头在覆盖有掩膜版的基材上印制精密电路。待结束涂覆后，对PI膜进行125 °C × 20 min的烧结，完成FPC的制备，原理如图3所示。

图2 金属掩膜版Figure 2 Metal mask

图3 实验原理Figure 3 Experimental principle

2 实验与结果

2. 1 实验过程

纳米银导电油墨因具有烧结温度低、导电性良好等优点而作为喷涂材料使用[10-11]。溶液选用韩国PARU公司的PG 007系列产品，其银含量为70%(质量分数)，黏度2 000 mPa·s，表面张力53 mN/m。为了让涂层有较好的均匀性，实验中没有直接使用纳米银溶液进行喷涂，而是将其与无水乙醇按照1∶5的体积比稀释，经过稀释的纳米银溶液的黏度变得更低，有利于提高雾化的效果。因为无水乙醇具有较强的挥发性，在实验过程中会很快挥发而不会附着于表面，所以涂覆在PI膜上的纳米银涂层会很薄，从而满足不同厚度要求的印刷。

经过反复实验对比，加热平台调节至60 °C左右时可以帮助印刷电路在喷头经过后的区域快速干燥，即有效地防止了液体的渗漏。溶液的进给量对雾化效果也会产生一定的影响，当溶液进给较少时会导致供液不足，喷头雾化会出现断断续续的情况，而当溶液进给量超过一定值时，换能器可能会来不及雾化，致使液体出现滴漏的状况。此外，超声发生器的功率调节也需同步进行，以选择出适合当前液体雾化的最佳状态。经过一系列的调节，最后得出在进给量0.15 mL/min、功率1 W时达到最佳的雾化效果。经过雾化的小液滴会在压缩气体的导流下运动。观察对比后发现当气压在6 kPa左右时，小液滴分布情况最为均匀。

按以上所得各项参数进行实验，经过烧结处理后的纳米银颗粒呈现出白色(见图4)。图5展示出印刷电路的弯曲状态，可见所需的电路图案成功地附着在PI膜上，并且具有较好的柔性、连续性和均匀性，在经过多次弯曲测试的情况下仍能够保持原有的形状，线路的转角以及边缘处也能表现出其应有的形状。取烧结过的PI膜测量方块电阻(用四探针方阻仪)，并用EMPYREAN型X射线衍射仪（XRD）和MERLIN Compact型扫描电镜(SEM)对其微观结构及表面形貌进行表征。

图4 烧结处理后的印刷电路(正面)Figure 4 Front view of printed circuits after sintering

图5 印刷电路反面弯曲Figure 5 Back view of printed circuits after blending

2. 2 导电性测试与分析

通过测量不同喷涂层数时导电线路的方块电阻来判断电路的导电性。为了确保实验数据的准确性和真实性，在对单个样品检测时，都随机抽选出5个点来测试，然后求出其平均值以及误差范围。从表1中可以看出不同喷涂层数(每层喷涂均是在溶液进给量0.15 mL/min、喷头移动速率20 mm/s的条件下进行)对电路方块电阻的影响。随着喷涂层数的增加，方块电阻稳定地减小，相应误差也在缩小。在实际工业生产中，一般认为方块电阻小于100 mΩ/sq已经是很不错的导电效果，所以在本实验条件下，当喷涂层数达到6层及以上时就可以获得优异的导电性能。

表1 表面方块电阻及误差范围随喷涂层数的变化Table 1 Variation of surface sheet resistance and its error range with the number of layers deposited

2. 3 宏观形貌和毛边粗糙度

根据导电性测试的结果，选取喷涂6 ～ 8层的电路进行接下来的相关测试。在显微镜下观察8层喷涂的线路边缘形貌。图6a是在放大30倍的情况下电路的形貌特征，转角处能清晰地表现出来；随机截取部分毛边的图片(见图6b)并按比例算出相应的粗糙程度，发现毛边误差可控制在0.05 mm(50 μm)以内，说明所得线路光滑平整。

图6 导电线路边缘形貌Figure 6 Edge morphology of the conductive circuit

2. 4 XRD和SEM表征

图7为6层喷涂样品的X射线衍射谱图，发现在38°、44°、64°附近有明显波峰存在，而这些正好符合银的衍射角。由于未去除基体PI膜衍射的影响，故存在一定的杂波干扰，但足以证明基体上的导线由纯银组成。

图7 喷涂银导线的X射线衍射谱图Figure 7 X-ray diffraction pattern of sprayed silver circuit

通过SEM观察银导线表面的微观形貌，结果如图8所示。可以发现线路的微观形貌均匀平整，超声喷涂法的高精密特性由此可以得到验证。

图8 喷涂银导线的表面形貌Figure 8 Surface morphology of sprayed silver circuit

3 结语

现有的FPC生产方式很难兼备高效性和灵活性，而且蚀刻的生产工艺过程也会对环境造成破坏。本文提出的通过超声喷涂法来制备FPC，可以有效解决现有技术存在的矛盾，为FPC的生产提供一种新的思路。采用该方法喷涂8层银导电油墨形成的线路的方块电阻均值达到21 mΩ/sq，误差在2 mΩ/sq以内，且 500 μm宽度的导电线路的毛边误差在50 μm之内。可见此方法做出的印刷线路拥有较好的市场前景，可以根据不同企业的要求柔性地调整导电性，而且不受基体的限制，可以在柔性薄膜基材上实现不同电路图案的印制，这也进一步拓宽了该方法的应用范围。

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[ 编辑：温靖邦 ]

广东红日星实业有限公司招聘启事

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Fabrication of flexible printed circuit by ultrasonic spray coating

MIAO Can-feng, ZHAI Rong-an, CHU Cheng-zhi,

RU Chang-hai*

A ultrasonic spray coating method suitable for printing circuits on different kind of flexible substrates was introduced. The fabrication of flexible printed circuit (FPC) via this method is highly efficient and more environmentally friendly. The main principle is that the nano-silver conductive ink is atomized by the ultrasonic nozzle and then sprayed on the polyimide (PI) film which is covered with a metal mask. After patterning on PI film, the ink is sintered at 125 °C for 20 min and the flexible circuit is achieved. The test results showed that the patterned circuit with a width of 500 μm maintains good conductivity after repeatedly bending for several times. The surface sheet resistance of the inkjet-printed silver layer on PI film is steadily decreased with the increasing of the number of silver layers deposited. In the case of eight prints, the sheet resistance is 21±2 mΩ/sq. The observation by scanning electron microscope showed that the morphology of the circuit is level and smooth, and the average error of burr is within 50 μm.

circuit; flexible printing; polyimide film; nanometer silver; conductive ink; ultrasonic spraying; sheet resistance

TM205.1

A

1004 - 227X (2016) 17 - 0917 - 05

2016-06-23

2016-08-04

国家重大科研仪器设备研制专项（61327811）；国家自然科学基金项目（61174087，61233010）；江苏省杰出青年基金项目（BK2012005）。

缪灿锋（1991-），男，江苏靖江人，在读硕士研究生，研究超声喷涂装置及应用。

汝长海，教授，(E-mail) rzh@suda.edu.cn。