线宽0.8μm新型印刷电子技术 可低温高速大面积制造

 日本在利用印刷方式制作电子元器件的技术方面取得了大幅进步。日本产业技术综合研究所、东京大学、山形大学和田中贵金属工业于2016年4月宣布，开发出了基于新原理的布线印刷技术“SuPR-NaP法”（Surface PhotoReactive Nanometal Printing，表面光反应纳米金属印刷法）。利用这项技术，可同时实现布线宽度等的微细化、大面积化和高速制造。

　　与过去常见的喷墨印刷、丝网印刷相比，SuPR-NaP法的布线宽度可以缩小到几十分之一，还能在大型柔性电路板上进行高速印刷。加工温度只要50～80℃，可以使用PET（聚对苯二甲酸乙二酯）等耐热温度较低的树脂作为基材。

　　田中贵金属将以使用该技术制作的透明导电膜为基础制作触摸面板传感器，计划从2017年1月开始供应样品。

　　超越以往的透明导电膜

　　采用新方法制作的透明导电膜在光透射率与薄膜电阻值两方面都超越了传统技术（图1）。这是因为布线变细，接近可见光的波长，所以反射率下降，而且布线的导电性高于以往的油墨布线。

图1：同时实现了高光透射率、低薄膜电阻值的均匀的布线

　　（a）SuPR-NaP法与现在的透明导电膜的光透射率、薄膜电阻值的比较。越靠近左上方，透明导电膜的性能越高。SuPR-NaP法在薄膜电阻率为20Ω/□时，光透射率高达93％。（b）使用以往的涂敷方法，会出现布线等的边缘较厚的“咖啡渍问题”。（c）用SuPR-NaP法加工任何布线宽度，布线的厚度都基本固定。 

　　布线导电性高是因为长度方向上厚度非常均匀，而且布线截面的厚度均匀，在宽度相同的情况下，布线的截面积比使用以往技术时更大。

　　这要归功于SuPR-NaP法解决了困扰涂敷布线的“咖啡渍”问题。这是一种涂敷不均问题，是因为无法控制布线的厚度，在想要增加厚度时，布线宽度变大的现象。而新技术能够在30～100nm的范围内控制布线的厚度。

　　兼顾微细化与大面积化

　　布线的微细化此前就已实现。产综研2002年开发出的“Super inkjet（SIJ）法”可以印刷宽度为1μm左右的布线。但这种方法是使用超微量的液滴，逐一绘制微细的布线，生产速度非常慢，不适合用来量产大面积器件。

　　与之相比，SuPR-NaP法是通过波长为172nm的紫外线（UV）曝光，统一绘制布线图案，涂敷油墨只需使用刮板扫过表面即可，微细化与大面积化并不矛盾，制作大面积器件时速度也很快（图2）。研究人员此次试制了8英寸（约200mm）的触摸面板传感器。波长172nm的UV曝光设备可以采用市面上用来清除液晶面板表面有机物的“UV处理器”，制造设备的采购成本也比较低。

图2：用刮板扫过表面即可完成印刷

　　SuPR-NaP法涂敷工艺的概要。首先，在PET和PEN等基材上涂敷含氟聚合物。从光掩模的上面照射UV，烧制布线图案。然后使用刮板涂敷银纳米油墨，只有布线图案上会留下银纳米油墨，形成布线。

　　利用保护基结合力的差别

　　新技术能够实现这一突破，是因为印刷时在以往的亲疏控制的基础上，采用了选择性化学吸附银墨水的技术，使墨水固定在绘制好布线图案的基材上（图3）。

图3：通过化学方法，将银纳米油墨固定在基材上

　　SuPR-NaP法使银纳米油墨附着在基材上的原理。向含氟聚合物照射UV后，表面会形成大量的羧基。以烷基胺为保护基的银纳米粒子与这里接触后，与银结合力更强的羧基将置换烷基胺，吸附住银。

　　亲疏控制是指使基材表面上有布线图案的部分亲水性高，没有图案的部分疏水性高的控制技术。过去的方法大多是只将油墨“放在”亲水性高的部分，在控制布线厚度、缩小布线宽度上存在限制。而且，银与基材之间的粘着性差，在弯曲和拉伸基材时，布线有可能从基材上剥落。

　　而新方法是先在基材上涂敷薄薄的一层含氟聚合物，然后通过UV曝光绘制图案。在经过曝光的含氟聚合物的表面，会出现大量的羧基。没有曝光的表面疏水性高，在经过曝光后，疏水性会略有下降。

　　采用的银墨水由山形大学的栗原正人教授开发，田中贵金属正在推进产品化，这种墨水在直径约为13nm的银纳米粒子外包裹了烷基胺保护基。保护基的作用是防止银纳米粒子凝集，过去的银墨水大多使用与银结合力强的羧基。但正因为结合力强，在涂敷银墨水之后，需要提高退火温度才能去除保护基。

　　而烷基胺与银纳米粒子的结合力弱，在涂敷后可以被含氟聚合物上的羧基置换，使银纳米粒子固定在基材上。主导本次技术开发的产综研柔性电子研究中心总研究主管、东京大学研究生院工学系研究科物理工程专业的教授长谷川达夫说：“固定的粘着力是大气压的50倍、即5MPa以上，即使以1mm的曲率半径弯曲100次也不会剥落。”

　　采用新技术后，“咖啡渍”不再产生。银纳米粒子之间的烷基胺会在加热到约50～80℃时脱落，而原来的退火温度要在100℃以上。