方鯤 彭睿 李玫 方錚 水谷昌弘 小田重夫 紹倉研史 小池哲夫

近年來，隨著醫(yī)療電子產(chǎn)品和可穿戴電子產(chǎn)品的發(fā)展，對于在追求輕薄而靈活的基礎(chǔ)上，加入各種柔性電子線路與部件的市場需求急速增長，以此需求形成的下一代產(chǎn)品，預計今后將在全世界范圍內(nèi)形成巨大的市場。如果將卷對卷（RTR）生產(chǎn)方式與印刷電子技術(shù)相結(jié)合的話，可以實現(xiàn)低成本的大批量生產(chǎn)，且有可能在市場上確立優(yōu)勢地位。

但是，在實際生產(chǎn)柔性設(shè)備中，實現(xiàn)全部RTR化制程并不容易，強行RTR化反而會導致生產(chǎn)能力的降低和成本的提高。為了在生產(chǎn)過程中有效利用RTR制程，需要合理的產(chǎn)品設(shè)計和較為平衡的工藝設(shè)計。

筆者與日本柔性覆銅板（FCCL）產(chǎn)業(yè)界的頂尖專家們廣泛進行了技術(shù)交流（見圖1），大家一致認為，日本技術(shù)領(lǐng)先，但在未來中國是全球FCCL最大制造生產(chǎn)國和應用市場，將超過150億美元的市場價值。

1 柔性印刷電子

柔性電子，是將有機或無機材料電子器件制作在柔性或可延展性基板上的新興電子技術(shù)，具有獨特的柔性、延展性以及高效能、低成本的制造工藝。在我們所期待的各種新型電子產(chǎn)品中，柔性電子產(chǎn)品的特點與優(yōu)勢尤為突出，一般具有柔性、可打印性、仿生性、聚合性和彈性等特點，使得其在國防、醫(yī)療、能源、信息等領(lǐng)域具有非常廣泛的應用前景（見圖2）。

印刷電子，是基于印刷原理的電子技術(shù)。更具體一些，是利用傳統(tǒng)的印刷技術(shù)制造電子器件與系統(tǒng)的科學與技術(shù)。印刷電子制造技術(shù)中使用的“油墨”是具有導電、介電或半導體性質(zhì)的材料[1]。印刷電子作為新型柔性電子產(chǎn)品的成型技術(shù)，是一個極其重要的要素，所謂柔性印刷電子產(chǎn)品，就是利用印刷技術(shù)形成的柔性電子產(chǎn)品。更加直觀地理解，柔性電子就是通過印刷技術(shù)來制作電子器件或電路，將原先在傳統(tǒng)印刷技術(shù)中使用的油墨換成電子油墨，把這些圖形印刷到可彎折延展的柔性基底上，使得印刷出來的圖形產(chǎn)生電子功能。相對于傳統(tǒng)電子，柔性電子具有更大的靈活性，能夠在一定程度上適應不同的工作環(huán)境，滿足設(shè)備的形變要求。

柔性電子和印刷電子與所有的電子產(chǎn)品息息相關(guān)。雖然在產(chǎn)品技術(shù)與功能上存在部分重疊與競爭，但通過組合可以創(chuàng)造出新的領(lǐng)域，打破硅和銅的電子學界限。印刷電子與柔性電子相輔相成，且RTR化成果相當豐富。印刷電子最早可以追溯到20世紀70年代的薄膜開關(guān)[2]，至今已經(jīng)擁有40多年的應用歷史。隨著印刷電子的技術(shù)不斷突破，可應用的范圍不斷拓寬，對于印刷電子的市場需求也日益增加，因此應當適時地在柔性印刷電子領(lǐng)域創(chuàng)造新的市場，例如消費類設(shè)備，各類價格低廉的大型設(shè)備，一次性醫(yī)用設(shè)備，以及在工業(yè)設(shè)備中的多種使用。在可穿戴設(shè)備、醫(yī)學設(shè)備等領(lǐng)域的新應用上，柔性基板已經(jīng)取得了巨大的成果。根據(jù)日本有關(guān)機構(gòu)的最新調(diào)查顯示，目前全世界已經(jīng)擁有約10萬億日元（約合人民幣5570億元）的市場，并且應用范圍仍在迅速擴大，尤其是在醫(yī)療保健領(lǐng)域，已經(jīng)顯示出強勁的發(fā)展勢頭（見圖3）。

柔性印刷電子實際應用的關(guān)鍵詞是“材料”。無論多么堅硬的材料，只要變薄就會變得靈活，任何材料只要變成油墨，就可以打印。以往的柔性基板只有簡單的彎曲，但是在新型柔性電子產(chǎn)品中，使用模式是多種多樣的，因此需要具備彈性、透明性、透氣性、吸濕性、壓電性、生物降解性、粘性、低過敏性、光反應性、溫度反應性和化學反應性等特性，才能更好地實現(xiàn)產(chǎn)品功能。需要強調(diào)的是，對于材料的應用而言，應當將利用材料的特點來滿足應用放在首位，而不是滿足材料的用途。傳統(tǒng)柔性電路材料要求高電導率、高絕緣電阻、低介電常數(shù)、低介電損耗、高尺寸穩(wěn)定性、高耐熱性、高阻燃性、高機械強度、高靈活性、高防潮性、高耐濕性、低吸濕性和高耐化學性等特性，但在新型柔性電子產(chǎn)品中，可能需要存在相互矛盾的特性。

例如超厚聚酰亞胺片材，最高可達225μm，可以形成厚厚的耐熱和阻燃塑料薄膜（見圖5）。MORDOHAR薄膜系列具有與傳統(tǒng)聚酰亞胺薄膜相同的分子結(jié)構(gòu)和性能，但厚度范圍寬，可達225μm（9mil，密耳：千分之一英寸）。這些薄膜具有出色的耐熱性，在高達500℉（260℃）的溫度下具有良好的電氣性能。作為傳統(tǒng)聚酰亞胺薄膜無法提供的電子設(shè)備和模塊的基板，它具有穩(wěn)定的剛度。它們均通過保險商實驗室（UL）認證為UL94V—0級阻燃劑。普通薄膜（PIF級）和膠涂薄膜（SPF級）可通過切割片材和卷材獲得。

彈性電子產(chǎn)品可以被認為是柔性電子產(chǎn)品的一部分。許多生物體都具有彈性，因而彈性電子產(chǎn)品擁有組成與身體具有親和力的電子設(shè)備的巨大潛力。近年來，基于PET的彈性透明電子產(chǎn)品已經(jīng)投入實際應用，透明和耐熱材料也已經(jīng)投入實際使用，并在光學設(shè)備上實現(xiàn)了新的應用。其他具有壓電性、熱電性、光活性等特性的彈性電子產(chǎn)品的應用也逐漸顯現(xiàn)。

2 柔性電子的RTR工藝應用

RTR是指撓性覆銅板通過成卷連續(xù)的方式進行柔性電路板（FPC）制作的工藝技術(shù)。采用RTR生產(chǎn)工藝，不僅能提高生產(chǎn)率，而更重要的是提高自動化程度。這種高自動化的生產(chǎn)明顯地減少了人為操作和管理因素，受環(huán)境條件（溫度、濕度潔凈度等）影響變化小，因而具有更均勻一致而穩(wěn)定的尺寸偏差，從而也易于進行修正和補償，所以它具有更高的產(chǎn)品合格率、質(zhì)量和可靠性[3]。

隨著自動化水平的不斷發(fā)展，應用于柔性電子的RTR化高速印刷已經(jīng)成為可能。RTR工藝使得輥子允許在更大的基板上印刷圖案，且印刷速度更快，但就目前在制造流程中的實際應用而言，對于RTR工藝的期望值與現(xiàn)實情況之間還存在明顯的差距。對于柔性電子產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)來說，RTR工藝是強有力的武器，但同時也伴隨著較大的風險，“工藝條件穩(wěn)定，產(chǎn)量高，生產(chǎn)率高”這種看法是一個很大的錯誤認知。事實上，許多制造商都投入了大量的精力來建立“穩(wěn)定、高產(chǎn)量的RTR生產(chǎn)線”，但實際的效果不盡人意，簡單或過于理想化的RTR化制程會導致生產(chǎn)出大量的次品，因而需要盡可能地設(shè)計出整體平衡的工藝流程。

根據(jù)用途，RTR線的設(shè)計將大不相同。專用生產(chǎn)線（生產(chǎn)單一產(chǎn)品）具有生產(chǎn)效率高、安裝空間小、可以串聯(lián)以及設(shè)備設(shè)計簡單等優(yōu)點，但工藝靈活性低，不能對應多品種小批量生產(chǎn)；通用生產(chǎn)線（用戶數(shù)量不特定，產(chǎn)品配置不同），支持多品種小批量生產(chǎn)，工藝靈活性高，但安裝空間往往很大，生產(chǎn)率相對較低，且串聯(lián)化存在許多問題。因而有必要從整體上考慮設(shè)計生產(chǎn)線，為實現(xiàn)RTR化去設(shè)計生產(chǎn)線是本末倒置的。

用于柔性電子的RTR工藝需要一個連續(xù)與步進的過程，連續(xù)工藝是現(xiàn)有技術(shù)的延伸。而在輸送機控制、工件固定、張力控制、對準控制與疊層控制等制程中，RTR化面臨的挑戰(zhàn)也是巨大的。一般來說，越是后期工程，自動化、RTR化越困難。作為現(xiàn)實的選擇，很多情況下制造商只能依靠人海戰(zhàn)術(shù)。

即使是細小的事情也極大地影響生產(chǎn)線的設(shè)計。為確保RTR工藝的實用性，構(gòu)建實用高效的制程，在確定應用RTR工藝前，還需至少明確以下幾個方面的問題：①生產(chǎn)線設(shè)計前需要決定的內(nèi)容；②使用的基材類型及其特性；③輥材輸送驅(qū)動系統(tǒng)；④RTR生產(chǎn)線的通用技術(shù)；⑤各種加工步驟和所用設(shè)備的RTR化方案，包括曝光裝置、蝕刻裝置、開孔裝置、厚膜電路印刷裝置等；⑥參考與總結(jié)RTR生產(chǎn)線的成功和失敗案例。

3 結(jié)語

根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2021—2025年柔性電子行業(yè)深度市場調(diào)研及投資策略建議報告》顯示，作為一個發(fā)展?jié)摿薮蟮男屡d產(chǎn)業(yè)，柔性電子市場規(guī)模呈現(xiàn)逐年增長態(tài)勢。具體來看，發(fā)展到2020年，全球柔性電子市場規(guī)模突破百億美元，達到105.3億美元，與2019年（約14.2億美元）相比增長了741%，預計在未來5年內(nèi)仍將維持著100%左右的增長速度，2024年將接近2 000億美元[4]。結(jié)合世界范圍來看，柔性電子產(chǎn)品市場穩(wěn)步增長，特別是在可穿戴設(shè)備、醫(yī)療領(lǐng)域，具有非常廣闊的前景（見圖6）。當前，醫(yī)療保健領(lǐng)域存在著一個普遍的趨勢，那就是日益數(shù)字化，柔性和印刷電子在原理上非常適合這類應用，可以為醫(yī)療器械組件提供柔性、可折疊、可拉伸、保形以及輕便的特性。這種協(xié)同增效的作用和方式非常適合與皮膚或其他組織接觸的產(chǎn)品，例如皮膚貼片、智能服裝以及其它遠程監(jiān)護或治療器械。為這些系統(tǒng)開發(fā)柔性、可延展和可拉伸等特性，可以將電子器件嵌入對柔性至關(guān)重要的廣泛應用和產(chǎn)品中。利用印刷電子等技術(shù)，可以開發(fā)出新的外形、尺寸以及全新的產(chǎn)品[5]。

關(guān)于柔性電子產(chǎn)品的制造，在實際使用中絲網(wǎng)印刷是有效的，凹版和柔版印刷適用于高速印刷，但材料才是柔性電子產(chǎn)品的關(guān)鍵。在設(shè)計RTR化生產(chǎn)線時，應從整體考慮生產(chǎn)線的兼容性與平衡性。RTR工藝對大規(guī)模生產(chǎn)有效，但是想要實現(xiàn)理想的RTR化制程，必須遵循合理的步驟，需要在實際應用前對其進行可靠的評估。成功的RTR化制程面臨許多挑戰(zhàn)，例如對于尺寸穩(wěn)定性的管理，材料伸縮、松弛和滑動的情況，能否形成可靠的薄膜，厚度管理，粘合強度與穩(wěn)定性，精度對準，尺寸變化，輥子尺寸是否合適，靈活性，串聯(lián)是否過于簡單，線路是否彼此同步等問題。

對于一個成功的RTR化制程來說，還應當達成以下幾個標準：①在應用RTR工藝之前，首先建立合理的流程條件；②建立在制程中進行檢查的機制；③建立單個流程后進行串聯(lián)；④使用穩(wěn)定的原材料，這樣可以盡可能地保證原材料均勻，批次間偏差小；⑤控制均勻的張力，引入EPC，實現(xiàn)生產(chǎn)線的同軸性；⑥生產(chǎn)線之間的同步，建立多道慢速工序；⑦不要忘記與后工序之間的平衡。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.01.014

參考文獻

[1] 崔崢.印刷電子學：材料技術(shù)及其應用[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2] 劉蘭蘭，徐亮.印刷電子的發(fā)展與現(xiàn)狀[Z].北京：北京中科納通電子技術(shù)有限公司，2021.

[3] 中國觸摸屏網(wǎng).卷對卷工藝使用在觸摸屏生產(chǎn)中，什么是Roll to Roll生產(chǎn)工藝[EB/OL].（2012—12—13）. http：// www.51touch.com/technology/touchpanel/201212/13-18826.html.

[4] 新思界.我國柔性電子市場仍處于初級階段，未來發(fā)展前景大好[EB/OL].（2021—03—22）. http：//www.newsijie.com/ chanye/dianzidianqi/jujiao/2021/0312/11278954.html.

[5] 麥姆斯咨詢.醫(yī)療柔性電子技術(shù)及市場趨勢（2020版）[R].2020.