吳茂謙,王儀明

(北京印刷學(xué)院,北京 102600)

印刷電子是利用傳統(tǒng)印刷(或涂布)技術(shù)制造電子器件與系統(tǒng)的科學(xué)技術(shù),具有大面積、柔性化、個性化、低成本、綠色環(huán)保等優(yōu)點[1]。目前,主流電子產(chǎn)品的制造仍以硅基半導(dǎo)體刻蝕等工藝為主,但在過去的十余年中,印刷電子技術(shù)快速發(fā)展,穩(wěn)步提高的生產(chǎn)速度和逐漸縮小的生產(chǎn)成本讓印刷電子擁有巨大的市場潛力,印刷電子可以在柔性基底材料直接印刷出電子產(chǎn)品的特點使其成為近幾年的熱門研究領(lǐng)域。印刷電子涵蓋的技術(shù)領(lǐng)域呈現(xiàn)出多方面快速發(fā)展,包括印刷過程的精密化,印刷油墨與基底材料的多元化,印刷設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化,印刷控制系統(tǒng)的集成化的趨勢[2]。

1 選擇凹版印刷電子的可行性及優(yōu)勢

在傳統(tǒng)印刷方式中,膠版印刷油墨厚度較薄且對于電子產(chǎn)品來說,使用兩種類型的流體(膠版印刷采用水墨不相容原理)來印刷一種圖案會限制印刷油墨的選擇,難以解決交叉污染的問題,并且由于印刷電子產(chǎn)品的基底很多是不親水的,所以傳統(tǒng)膠版印刷很難用于印刷電子;目前關(guān)于凸版印刷制備柔性電子器件的報道相對較少,這是由于柔版印刷的設(shè)備復(fù)雜、材料最低。需求量大、柔性印版耐印力比較差,大批量生產(chǎn)時需要經(jīng)常更換印版等原因,限制了相關(guān)科研機構(gòu)對柔版印刷柔性電子技術(shù)的研究;絲網(wǎng)印刷具有綠色環(huán)保,可實現(xiàn)一步式印刷,不含侵蝕性材料,印刷設(shè)備價格較低等優(yōu)勢,可以在各種承印材料上印刷,并且可以印制交叉線路,但印刷精度相較其他印刷方式會低很多;噴墨印刷速度受限于噴嘴的數(shù)量,且印刷精度取決于噴嘴口的大小,精度越高,噴嘴口越小,并且高精度的噴嘴油墨更容易堵塞噴嘴。

表1 傳統(tǒng)印刷方式的特征比較表

凹版印刷可達(dá)到100～1000m/min的高印刷速度,是一種可以采用的非常有前途的印刷電子技術(shù),并已經(jīng)應(yīng)用于電子器件的制造。凹版印刷與印刷電子的印刷精度要求更接近,在實際印刷電路生產(chǎn)中,墨層厚度的要求一般在8～12μm[3],凹版印刷的最后形成的油膜厚度適合多種印刷電子產(chǎn)品的要求。凹版電子印刷可采用卷對卷(R2R)方式印刷制造,能提高生產(chǎn)效率[4]。

凹印電子工藝過程如圖1所示:將油墨從墨斗中填充到凹版版輥的網(wǎng)穴中→用刮墨刀將版輥多余部分的油墨刮掉→版輥將油墨轉(zhuǎn)移到基材上→油墨在基材上鋪展。凹印電子制造過程中存在機械本體、凹印版輥、刮墨刀、基材、油墨等多種變量的作用[5]。

圖1 凹版印刷電子圖形轉(zhuǎn)移工藝流程圖

在刮墨過程中,刮墨刀必須把非圖文部分的油墨去除干凈,但實際印刷時會出現(xiàn)油墨殘留在網(wǎng)穴中、拖尾等問題。刮墨刀的結(jié)構(gòu),刮墨刀使用時的各項參數(shù)(壓力,角度,位置,刀片伸出量等等),版輥的表面粗糙度,硬度和網(wǎng)穴的均勻性等均會對刮墨質(zhì)量產(chǎn)生影響[7]。

2 刮墨刀參數(shù)對印刷電子工藝的影響

2.1 印刷刮刀的參數(shù)與建模

刮墨刀對版輥的壓力,刮墨刀與版輥的角度,版輥以及刮墨刀在工作時產(chǎn)生的質(zhì)量問題是傳統(tǒng)印刷中最為重要的問題。優(yōu)化刮墨刀印刷壓力和角度等工藝參數(shù),實現(xiàn)對刮墨刀從定性認(rèn)識到定量控制。凹版印刷的刮墨刀一般為彈性的鋼片,生產(chǎn)中厚度一般為0.15mm。刮墨刀的角度即過接觸線做版輥的切線與墨刀之間的夾角,刮墨刀的壓力和角度對油墨的轉(zhuǎn)移有很大的影響。在印刷工廠中,刮墨刀的壓力和角度范圍非常大,操作工人會根據(jù)工況的不同進(jìn)行調(diào)整,即刮墨刀的各項參數(shù)設(shè)定很大程度上依賴優(yōu)秀工人的經(jīng)驗而不是標(biāo)準(zhǔn),而印刷電子是更為精密的印刷,所以對刮墨刀印刷壓力和角度的標(biāo)準(zhǔn)化十分重要[6]。

如圖2所示的刮墨刀建模圖,刀架上安裝襯刀(又稱“副刀”)和刮墨刀。刮墨刀的初始角度主要由蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié),刮墨刀與襯刀的位置由刀架結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié),刮墨刀的壓力由氣缸提供,大小由調(diào)壓閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 采用氣缸加壓的刮墨刀結(jié)構(gòu)建模圖

用Ansys Workbench對凹版印刷的刮墨刀和版輥建模仿真,以探究刮墨刀的實際受力變形情況與刮墨刀角度和氣缸壓力的關(guān)系,仿真采用目前市場上常用的梯形(薄板式)刮墨刀(圖3),長1050mm,使用不銹鋼材質(zhì),仿真刀設(shè)定襯刀伸出刀架10mm,刮墨刀伸出襯刀外5mm(圖4)。版輥的直徑為300mm。

圖3 梯形(薄板式)刮墨刀截面圖

圖4 刮墨刀安裝尺寸示意圖

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 邊界條件加載

首先,刮墨刀與版輥之間的接觸屬于單邊約束,如果刮墨刀與版輥之間出現(xiàn)法向分離,壓力就會變?yōu)?。此外,刮墨刀與版輥之間可能出現(xiàn)間隙,在載荷(氣缸)施加力過程中接觸面積可能會發(fā)生改變,因此在刮墨刀和版輥之間選擇有摩擦的接觸。在不同的角度和不同的載荷下求得刮墨刀的應(yīng)力應(yīng)變。一般凹版印刷機工作時,刮墨刀的初始角度一般在55°～65°[8],氣缸施加的力在10000～25000N左右,連接氣缸與刮墨刀中心的桿的長度在35mm左右。所以實際施加的力偶在3500～8000N·m。

2.2.2 刮墨刀應(yīng)力分析

以初始刮墨刀角度為60°,氣缸施加的力矩為5000N·m 為例,圖5為仿真應(yīng)力云圖。

圖5 刮墨刀與版輥應(yīng)力云圖

刮墨刀的應(yīng)力分布不均勻,應(yīng)力分布呈現(xiàn)出兩端與中間部分較大,其他部分較小的特點。如圖6所示,印刷壓力的增大,刮墨刀整體的應(yīng)力也會增大。刮墨刀應(yīng)力較大的地方,刮墨刀的磨損也會越嚴(yán)重,越容易出現(xiàn)塌陷和凹痕,在刮墨過程中在保證印刷質(zhì)量的情況下要求應(yīng)力平均化、最小化,以減小磨損[5],刮墨刀的竄動機構(gòu)可以明顯改善其應(yīng)力分布情況。

圖6 不同壓力下刮墨刀應(yīng)力分布圖(60°)

2.2.3 刮墨刀變形分析

在刮刀的總變形方面,由仿真結(jié)果可知,在刮墨刀受到壓力整體變形量很大,刮墨刀中間部位的變形量比兩端變形量稍低。版輥相對于刮墨刀的變形量可忽略不計。

圖7 刮墨刀與版輥總變形分布圖(60° 5000N·m)

下面探究刮墨刀受到的壓力、刮墨刀與版輥之間的初始角度與刮墨刀總變形量的關(guān)系,分別在角度不變的情況下改變其壓力,在壓力不變的情況下改變其角度,并繪制位置-變形量。

如圖8所示,橫坐標(biāo)代表刮墨刀刃在長度方向上的位置,縱坐標(biāo)代表刮墨刀的總變形量在印刷壓力不變的情況下,不斷增加壓力,刮墨刀中間部分總變形量變化不明顯,兩端的變形量卻不斷增加。刮墨刀變得很不均勻。如圖9所示,在初始印刷壓力不變的情況下,提高初始印刷角度可以大幅度地提高刮墨刀受到氣缸的壓力時中間部分的變形量。在實際印刷中若出現(xiàn)墨痕,大多出現(xiàn)在刮墨刀的1/2～1/3處(墨痕出現(xiàn)的原因很多),這與上文仿真中刮墨刀變形量相對較小的位置吻合。刮墨刀的壓力和角度相互配合調(diào)節(jié)可以改善刮墨刀的均勻性。

圖8 刮墨刀在不同壓力下的總變形量分布圖(初始角度為60°)

圖9 刮墨刀在不同角度下的總變形量分布圖(5000N·m)

刮墨刀的壓力必須達(dá)到一定的要求,首先壓力要能夠使刮墨刀穿透油墨的油膜,壓力過小時,油墨不能完全從非圖文部分刮掉,會出現(xiàn)拖尾等問題。其次在刮墨過程中油墨這一流體的壓力作用,刮墨刀有被抬離版輥的趨勢。還有刮墨刀是需要保證一定的壓力保持變形,這能保證版輥轉(zhuǎn)動出現(xiàn)小幅度跳動時,刮墨刀依然能夠貼合在版輥上[9]。但是無前提地增大印刷壓力不能夠保證壓印線(刮墨刀與版輥實際的接觸線)是均勻的。壓力過大時,會使刮墨刀磨損嚴(yán)重,并且會使刮墨刀兩端的總變形量過大,導(dǎo)致其出現(xiàn)波浪紋(與刮墨刀不平整產(chǎn)生的波浪紋不同),影響刮墨刀的刮墨性能。

當(dāng)刮墨刀壓力達(dá)到一定的值后,刮墨刀的總變形增大會減小實際的刮墨角度,并會讓刮墨刀與版輥之間的接觸面積增大,油墨轉(zhuǎn)移率降低,所以也不能讓刮墨刀變形量過大。

在印刷過程中,不能根據(jù)經(jīng)驗一味地改變一個參數(shù)。根據(jù)不同的印刷需求準(zhǔn)確調(diào)節(jié)氣缸給的壓力以及角度等參數(shù)。凹版印刷電子是更為精密的印刷工藝,墨痕和拖尾等傳統(tǒng)凹版印刷質(zhì)量問題在印刷電子中會表現(xiàn)為斷路以及短路等現(xiàn)象,要建立印刷壓力標(biāo)準(zhǔn)體系,精確地控制刮墨刀在工作時的狀態(tài),防止尺度效應(yīng)帶來的影響[10]。

3 版輥圖形結(jié)構(gòu)對印刷電子工藝的影響

3.1 印刷電子工藝版輥圖形結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方式

傳統(tǒng)印刷以圖案質(zhì)量為衡量標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)印刷并不是將圖案像印章一樣刻在版輥上進(jìn)行印刷,如圖10(a)將圖案連續(xù)刻在版輥上,這種線雕制版可以使印刷的線條邊緣更平滑,但很難控制印刷時油墨的流動,刮墨刀刮到圖案面積比較大的部分的地方時會因為沒有支撐而產(chǎn)生偏斜,降低刮墨刀的穩(wěn)定性,此外圖案面積過大內(nèi)部的油墨會在鋪展過程中無序自由運動。無法得到很均勻的圖案。所以圖10(a)的線雕制版方式不適用傳統(tǒng)印刷,在實際傳統(tǒng)凹版印刷中,要將圖形在版輥上離散化成一個個網(wǎng)點,在版輥上就是實現(xiàn)一個個網(wǎng)穴,以形成均勻的圖案(如圖10(b))。網(wǎng)穴結(jié)構(gòu)提高了凹版印刷產(chǎn)品的質(zhì)量。通過改變網(wǎng)穴的寬度和深度,可以較大范圍地改變著墨量,油墨量可以按單個網(wǎng)穴的大小和網(wǎng)穴的數(shù)量來計算。圖案可以在印刷后保證相對均勻的墨層厚度。

圖10 版輥兩種不同的圖案生成方式示意圖

印刷電子是以電子性能為核心指標(biāo)的功能印刷,以印制電路板和印刷紙電池為例,其核心印刷圖案為線,印刷油墨轉(zhuǎn)移到基材時呈現(xiàn)的線必許是連續(xù)的,干燥后的墨層不能產(chǎn)生斷裂,要求線條邊緣光滑無毛刺,網(wǎng)穴化的版輥印刷的圖案沿著線條方向的邊緣粗糙度很大。在印刷電子領(lǐng)域如印刷導(dǎo)電細(xì)線、電極溝道等圖案時,問題會十分突出,采用線雕的版輥來印刷上述圖形時,線條會光滑許多。在一個版輥上可以結(jié)合圖10(a)、(b)兩種方式的優(yōu)勢以更好地應(yīng)用在印刷電子工藝上[11]。

3.2 凹版版輥的制版方式對印刷電子工藝的影響

凹版的制版方式目前主要以電子雕刻與激光蝕刻為主,電子雕刻使用鉆石雕刻刀在版輥的銅層切出網(wǎng)穴,下圖11展現(xiàn)了網(wǎng)穴雕刻的過程[12]。雕刻刀的形狀決定網(wǎng)穴是倒金字塔形的。在雕刻過程中,雕刻刀上下移動配合凹版版輥轉(zhuǎn)動著來切割網(wǎng)穴,其中雕刻刀的進(jìn)給量決定網(wǎng)穴的寬度,雕刻刀的角度決定了深度和寬度的關(guān)系,雕刻的深度是根據(jù)印刷所需的墨量所決定,雕刻刀的頻率與版輥的轉(zhuǎn)速調(diào)整共同決定網(wǎng)穴形狀。電子雕刻法網(wǎng)穴形狀分為三種,菱形網(wǎng)穴、方形網(wǎng)穴和扁菱形網(wǎng)穴[13]。下圖以菱型網(wǎng)穴(也稱為延伸型網(wǎng)穴)為例,其網(wǎng)穴角度呈60°角(見圖 12)。

圖11 凹版版輥電子雕刻過程示意圖

圖12 電子雕刻凹版版輥上的網(wǎng)穴分布示意圖

圖13 為傳統(tǒng)凹印版輥的光學(xué)顯微鏡照片,網(wǎng)穴距離通常在50—200μm,其中網(wǎng)墻的作用:支撐起刮墨時的刮墨刀。通溝的作用:凹版因為網(wǎng)墻存在沒有絕對100%覆蓋的網(wǎng)點,為了增大油墨的容量,在比較大的網(wǎng)點之間往往要做出通溝以加大暗調(diào)的油墨轉(zhuǎn)移量,對提高實地密度很有好處。印刷電子工藝使用這種結(jié)構(gòu)可使印制電路線的油墨連通不斷。

圖13 凹版版輥菱形網(wǎng)穴的光學(xué)顯微鏡照片

激光蝕刻制版工藝,是在版輥表面上涂覆一層激光膠,通過激光雕刻機按照待印的圖形將部分激光膠燒蝕,使版輥相應(yīng)的圖形部分暴露出來,非圖文部分仍然被激光膠覆蓋,隨后通過腐蝕液對版輥進(jìn)行腐蝕,輥體暴露出來的部分被腐蝕形成與需要印制圖形一致的凹穴如圖14(a),印刷電子工藝需要網(wǎng)點的寬度大于網(wǎng)距的寬度,使用圖14(b)的網(wǎng)穴結(jié)構(gòu)可使印制的電路線連通不斷[10]。

圖14 激光蝕刻凹版版輥上的網(wǎng)穴分布示意圖

3.3 版輥質(zhì)量對刮墨工藝的影響

凹版版輥本體需要動平衡,即轉(zhuǎn)動時各個部分的重量相相對均勻,離心力能保證平衡,同時,版輥的同心度,版輥表面的粗糙度等各參數(shù)在印刷電子工藝中都有著更高的要求。

4 結(jié)語

本文探究了凹版印刷電子工藝中刮墨過程對印刷電子的影響,著重討論刮墨刀壓力、角度,版輥的圖形結(jié)構(gòu)以及質(zhì)量的影響,實際過程中還有多種參數(shù)的影響,所以建立更加準(zhǔn)確的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)是掌握凹版印刷電子技術(shù)的基礎(chǔ)。作為具有高分辨率和高印刷速度的電子印刷技術(shù),凹版印刷在大規(guī)模電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展[14-15]。對凹版印刷電子的工藝過程即網(wǎng)穴填充、刮刀刮涂、油墨轉(zhuǎn)移和油墨鋪展的物理原理和運動機理都有更近一步的研究,才能使得凹版印刷電子得到更進(jìn)一步的發(fā)展與應(yīng)用。