大尺寸觸控面板用銅布線薄膜的制備

曾海軍

（北川天訊新材料有限公司，四川 綿陽 622750）

智能手機(jī)和平板電腦等便攜終端配備的10″以下靜電容量式觸摸面板一般都采用ITO(氧化銦錫)作為透明電極材料，但由于其薄膜電阻較大，因此難以應(yīng)用于尺寸超過20″的觸摸面板。比如，40″觸摸面板要求薄膜電阻(指方塊電阻，下同)為20 Ω，而在ITO 基板上采用樹脂膜的“ITO 薄膜”，其產(chǎn)品水平的薄膜電阻在150 Ω 左右，最低的也高達(dá)100 Ω。隨著一體電腦、大尺寸的筆記本電腦等設(shè)備上開始采用觸控UI(用戶界面)，科研人員努力尋求在大尺寸屏幕應(yīng)用中ITO 薄膜的替代材料。另外，由于ITO 上的銦屬稀土類金屬，供應(yīng)有限且價(jià)格昂貴，與此同時(shí)，觸控面板的價(jià)格正持續(xù)快速下滑，對光學(xué)特性的要求也較過去寬松許多。因此，各觸控面板相關(guān)企業(yè)在摸索規(guī)格與成本兼顧的方案。

圖1 給出了不同導(dǎo)電薄膜的電阻值與支持屏幕尺寸的關(guān)系。目前的靜電容量式觸摸面板必須要降低電阻，因此 ITO 的替代材料也必須能實(shí)現(xiàn)低電阻化。銀納米線/PET(聚對苯二甲酸乙二酯)若提高所含的銀納米線數(shù)量的話，能提高導(dǎo)電性，但透射率會(huì)降低。單獨(dú)的石墨烯薄膜有望實(shí)現(xiàn)高透射率，但將石墨烯膜設(shè)置在PET 薄膜上的話，透射率會(huì)降低10%左右。要想解決觸摸面板大型化造成的透明導(dǎo)電性薄膜的制造問題，在PET 薄膜上形成金屬網(wǎng)層的方法最合適。此法所制薄膜電阻值小，透射率也較高。另外，金屬材料易采購，成本低，易加工。于是企業(yè)開始嘗試在薄膜基板上布設(shè)肉眼無法看到的極細(xì)金屬絲。原來利用銀絲的嘗試較多，但近來越來越多地采用比銀便宜的銅材料。由圖2 可知，與其他觸摸面板用電極薄膜相比，采用銅布線的觸摸面板用電極薄膜，其薄膜電阻較小，支持40″～80″的大尺寸觸控，成本較低。

圖1 透明導(dǎo)電性薄膜的透射率與薄膜電阻值的關(guān)系[1]Figure 1 Relationship between light transmittance and electrical resistance of transparent conductive thin films

圖2 幾種觸摸面板用電極薄膜技術(shù)的對比[2]Figure 2 Comparison of several technologies for preparation of thin-film electrodes used in touch panel

筆者所在公司依托其成熟的高真空磁控濺射卷繞鍍膜和連續(xù)電鍍技術(shù)，以及長期制造高透光屏蔽膜的經(jīng)驗(yàn)，成功開發(fā)出高透光、低電阻的銅布線薄膜卷材。

1 工藝介紹

1.1 基材

選用175 μm 的PET 膜作為試驗(yàn)基材(一面已涂覆防劃層)。

1.2 工藝流程

低溫等離子體表面處理─磁控濺射中間過渡層(鎳鉻合金)和植晶層(銅)─電鍍銅─光刻。

1.2.1 低溫等離子體表面處理

PET 是極性高分子材料，其表面自由能較高，表面張力在40 dyn/cm(相當(dāng)于0.04 N/m)左右。但是為增強(qiáng)磁控濺射鍍層及電鍍層與PET 薄膜表面之間的結(jié)合力，還需要對PET 薄膜進(jìn)行表面處理，以進(jìn)一步提高其表面張力。采用輝光放電低溫等離子體來處理薄膜，可以在不影響材料性能的前提下，大幅提高材料的表面張力。真空輝光放電的視覺特征呈現(xiàn)均勻的霧狀放電，放電時(shí)功率密度大，處理薄膜類材料時(shí)不會(huì)出現(xiàn)擊穿和燃燒，并且處理溫度接近室溫，不會(huì)因?yàn)闇囟雀叨a(chǎn)生變形。但要控制好速度和功率的關(guān)系，以免增加膜的表面霧度，影響透光率。

1.2.2 磁控濺射工藝

磁控濺射屬于輝光放電范疇，利用陰極濺射原理進(jìn)行鍍膜。膜層粒子來源于輝光放電中氬離子對陰極靶材產(chǎn)生的陰極濺射作用。靶材原子被氬離子濺射下來后沉積到元件表面，形成所需膜層。磁控濺射不僅可以得到很高的濺射速率，而且在濺射金屬時(shí)可以避免二次電子轟擊而使基板保持接近冷態(tài)，這對單晶和塑料基板具有重要的意義。磁控濺射用直流(DC)放電工作，故能制備金屬膜。

等離子體表面處理完成后依次濺射Ni–Cr 過渡層和Cu 植晶層，所制膜層致密、針孔少、附著力強(qiáng)。

1.2.3 電鍍銅工藝

硫酸鹽鍍銅具有鍍液成分簡單、整平性好、電流效率高、沉積速率快、雜質(zhì)容忍度高，鍍層柔韌光亮且與其他金屬鍍層結(jié)合力強(qiáng)，不易產(chǎn)生針孔，內(nèi)應(yīng)力低，厚度均勻等特點(diǎn)。其配方及工藝條件為：

一般控制銅層厚度在1.5～3.0 μm，易于蝕刻微細(xì)的銅線。

1.2.4 網(wǎng)線蝕刻

采用濕法蝕刻的工藝，線寬最窄只能做到10～15 μm。要想獲得10 μm 以下的線寬，只能采用光刻的工藝。光刻工藝要經(jīng)歷清洗、烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測等工序。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整流程中的操作。采用掃描步進(jìn)投影曝光，可提高蝕刻精度。在潔凈度為100 級(jí)的環(huán)境下可光刻出0.6～0.8 μm 線條的圖案。

2 產(chǎn)品性能

一般ITO 膜的基本參數(shù)如下：表面霧度<2%，透過率≥80%，表面電阻(90 ± 15)Ω，面電阻均勻性<7%，熱收縮MD ≤1.3%、TD ≥1.3%。

本工藝所制備的銅布線導(dǎo)電膜的性能見表1，其特性、成本方面均超越了此前的ITO 膜。

3 問題與改進(jìn)

在初期銅線寬為10 μm 左右時(shí)，仔細(xì)觀察面板的話，有時(shí)會(huì)看到網(wǎng)格。但利用干式薄膜法，并改進(jìn)曝光，很有希望試制出線寬≤5 μm 的銅線，就很難裸眼看到銅線，實(shí)現(xiàn)“真正的”透明導(dǎo)電膜。銅網(wǎng)狀圖案方式的觸摸面板已經(jīng)可以應(yīng)用于大型面板，還可以用于無框平板終端的觸摸面板。

表1 銅布線導(dǎo)電膜的各項(xiàng)指標(biāo)Table 1 Properties of the copper wiring film

將網(wǎng)狀圖案重疊在液晶顯示器上時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生波紋。這是網(wǎng)狀圖案與顯示器的像素圖案因干擾而產(chǎn)生彩虹斑紋的現(xiàn)象。采用相對于像素圖案傾斜的圖案或者采用波狀圖案，可以防止波紋產(chǎn)生。

4 結(jié)語

目前ITO 仍然是觸控面板的主角，在金屬銦逐漸稀缺而越發(fā)昂貴的今天，開發(fā)其他材料形成的透明導(dǎo)電膜已是當(dāng)務(wù)之急。銅網(wǎng)狀圖案在特性、成本和耐久性方面均超越了此前的ITO 膜，在未來的觸控市場有可能嶄露頭角。

[1]中谷健司.如何利用廉價(jià)的銅布線實(shí)現(xiàn)大尺寸觸摸面板？[EB/OL].[2013–11–15]http://www.elecfans.com/tekan/201310_touch.html.

[2]河合基伸.松下成功試制支持70 英寸觸摸面板的銅布線薄膜[EB/OL].[2013–07–08]https://china.nikkeibp.com.cn/news/flat/66737-20130705.html.