｜精密凹板轉印製程技術於電子產品之應用

摘要：印刷電子製程技術具有快速製造、可連續生產、低生產成本及低汙染等特點，被視為下世代電子產品之先進製造技術。目前印刷電子製程所製作之產品在市場上仍處「開發」及「試探」階段，尚無法取代傳統黃光製程，其主要原因有二：一為線路解析差。黃光微影製程線路解析度可達10 µm以下，印刷製程約20~30 µm間；二為印刷線路功能性不足。黃光製程可在基板表面形成連續緻密層，印刷製程結構則較為鬆散導致功能性下降，如電性等。本文將介紹工研院機械所開發之凹板轉印生產整合製程技術之發展現況及其應用於電子產品之可行性說明。

Abstract: Printed electronics manufacturing process provides a fast and continuous production with low production cost and pollution to print a functional thin film or a patterned circuit on a substrate. This technology is considered as the advanced manufacturing technology for next generation electronic products. Currently, the production process for printed electronic products on the market is still in the phase of "development" and "exploration", and can't replace traditional lithography process yet; this is due to two main reasons, namely, the lower resolution and electrical property decay of circuits. The capability of photolithography process can reach 10 μm or less in linewidth. However, the printing process can only meet 20 μm to 30 μm roughly. Besides, for the insufficient functionality of printed circuits, lithography process is able to form a continuously dense layer on the surface of the substrate. However, the printing process produces looser structure with declined functionality, such as, electrical properties. This article will introduce the status of "gravure and offset printing integrated process" developed at MSL/ITRI and the feasibility for applications in electronic products.

關鍵詞：凹版轉印技術、印刷電子、細微線路

Keywords：Gravure offset printing technology, Printed electronics, Fine line

前言
根據IDTechEX在Printed. Organic & Flexible Electronics Forecasts, Players & Opportunities 2012-2022報告中指出，印刷電子技術之定義為利用印刷技術形成一圖案化薄膜並應用於電子產品中。IDTechEX預估全球印刷電子產品之產值可由2012年之90億美金成長至2022年的630億美金。基於印刷電子製程具有可快速連續製造及低生產成本等兩項特點；該機構大膽預測2032年之印刷電子產品市場規模將可達3,000億美金，應用產品包括：有機發光二極體顯示器、太陽能面板、邏輯記憶體及有機發光照明元件等。印刷電子製程是以加法製程（additive manufacture）將塗料在基板表面進行圖案化線路製作，相較傳統黃光製程（減法製程）具有可減少製程數、材料耗損量、廢棄物產生及耗電量等優勢，但其線路解析度及印刷線路功能性仍劣於黃光微影製程所製作線路，因此，如何提升印刷線路之解析度及功能性將決定印刷電子製程是否能擴大使用於電子產品或元件之重要關鍵。

目前全球廠商在光電產品之製造上仍以黃光製程為主流；該製程主要是利用光阻先定義出所需線路寬度及圖案化樣式，再以蝕刻或蒸鍍製程製作出功能層（如：金屬、半導體、絕緣材料等），如圖1所示。利用黃光製程技術具有高解析度及量產特性，且其鍍膜具高緻密性。近年來世界各國對於節能減碳及汙染廢棄物管制要求提高，黃光製程中所需的有機溶劑、毒性氣體、高耗水及高耗能等成為詬病之處；而高設備成本及材料成本也使得產品逐漸失去競爭力。根據低生產成本及節能減碳兩項議題讓印刷製程技術於近來被重新檢視，並被視為下世代電子產品之先進製造技術。

IBM公司於1960年代最早將印刷技術用於電子產業，由於其具備可快速且連續生產、降低材料成本、低能源消耗及低污染等優點，因此被廣泛應用各種產業，包括：太陽能電池、顯示器、RFID、感測器及發光元件等製作[1]。目前電子產業因應電子產品進入輕、薄、短、小及具可彎曲性，對於線路寬度之需求也從原本數個釐米下降數十微米，甚至10 µm以下。因應不同電子產業需求，各種不同印刷製程技術也相對油然而生，如表1所示。目前線寬可小於1 µm之技術僅有黃光微影（Lithography）及奈米壓印（Nanoimprinting）兩種技術；奈米壓印之線寬或結構尺寸雖可降至50 nm，甚至達幾奈米，但其模具製作昂貴且製程繁複，在大面積生產時也具備一定之困難度，因此大都應用在光子晶體或特殊表面結構等小尺寸元件製作。凹版印刷（Gravure printing）及凸版印刷（Relief printing）技術雖具備了連續式量產、低材料耗損及低耗能等優點，但其最小線寬極限約為75 µm，無法滿足目前產業對於線寬小於30 µm之需求。噴墨印刷（Inkjet printing）技術之最小線寬可達20~30 µm之間，但其生產速度慢且大面積噴印設備維護困難，因此並未被產業界所廣泛使用。

此外，亞洲電材股份有限公司在2013年日本國際迴路產業展覽（2013 JPCA show）中針對不同印刷技術之解析度及產能進行分析[2]。由圖2顯示，目前光電產業所普遍使用之黃光製程具有最佳解析度，但其產能最差。凹版印刷、凸板印刷及凹板轉印等三個技術在解析度相近於黃光製程，但產能高於黃光製程約1000倍以上。特別在凹板轉印製程技術之解析度可透過製程整合及製程參數優化等進到10 µm以下，具有取代黃光微影製程之潛力。