臺灣博碩士論文加值系統

現今的電子裝置中，許多裝置仍搭配蝕刻或噴墨製程之電路板(Printed Circuit Board)，這些技術雖然經過不斷的改良，仍要面對製程多限制及解析度不足的問題。本研究擬使用新類型加法製程，氣溶膠噴塗印刷( Aerosol Jet Printing )之方式，作為一電路圖形之製造方式，同時具備高度相容性與精度。
針對材料與基板的相容性，印製型電路板的技術再度浮上檯面，在電子產品追求更高密度封裝的需求下，軟性、透明基板、耐高溫等眾多功能面向的新型基板與材料逐漸增加，而印製技術相較其他製程，更具有平行更換基板與即時更改材料的自由度。綜觀氣噴、噴墨( Ink-Jet Printing )兩種印製技術、與被大量使用之蝕刻製程，氣噴製程能使用之墨水材料最圍廣泛，霧化溶液的集束能力強，同時擁有靈活的應用範圍、良好的解析度、低廢棄低汙染與便於開發等優點，相比於噴墨技術解析度約高三倍，也沒有蝕刻製程中，大量的化學廢液產生與複雜的電路圖形轉移步驟，氣噴製程有著高度靈活運用的潛力。
本研究針對物聯應用平台之LED模組區進行電路圖形之印製，使用氣溶膠噴印之方式，搭配奈米銀墨水作為電性溶液，透過材料改質調整墨水之配方，找出合適熱處理溫度進行燒結，進而提升電路之導電性與貼覆力，達到電性良好且穩固之電路結構，進而製作電路圖形。
根據實驗之結果，氣溶膠噴印以改質過的墨水與最佳燒結的溫度，提供導入客製化電路製程之可能，驗證其氣溶膠噴印於電路圖形製作的製程性，提供出一具高解析度、低汙染性、便於開發之單道製程，為電路板之客製化電路圖形製程增加一新選擇。

Nowadays, the PCB boards manufactured by conventional etching or ink-jet printing process are still widely applied in many commercial electronic devices. But the low resolution and less substrate variety of the conventional PCB technology limit its advanced applications in electronics/semiconductor industry. This study intends to use Aerosol Jet Printing (AJP) to additive-manufacture the PCB board with high compatibility and accuracy. In contrast to ink-jet printing and etching process, AJP process can use the most extensive ink materials and has a flexible application range, good resolution, low waste and low pollution and easy to develop, etc. Due to the good focusing ability by sheath gas technique, AJP can reach the resolution as three times higher than the inkjet technology, and avoid a large number of chemical waste and complex circuit graphics transfer steps generated with etching process. AJP technology has strong potential in electronics prototyping and other application fields.
In this study, we designed the PCB board for the LED control module suitable for the AJP method. By tuning ink/co-solvent properties and printing parameters, we successfully optimized the electricity to 14.5 times bulk silver and reliability of the printed metallic patterns.

誌謝 I
摘要 IV
Abstract V
目錄 VI
圖目錄 IX
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 2
1.3 研究目的 3
1.4 研究方法與架構 4
1.5 論文架構 6
第二章 文獻回顧 8
說明 8
2.1 印刷技術介紹 8
2.1.1 印刷術與列印電子 8
2.1.2 印刷電路板上常見的印刷技術 9
2.1.3 氣溶膠噴印與噴墨技術比較 11
2.2 印刷電路板的發展現況 16
2.3 氣溶膠噴塗印刷技術之應用 18
2.3.1 有機光電裝置 18
2.3.2 有機發光二極體 19
2.3.3 奈米碳管摻雜奈米銀墨水 21
2.3.4 氣溶膠噴塗列印之沉積現象探討 22
小結 22
第三章 實驗設備與相關原理 23
說明 23
3.1 實驗設備 23
3.1.1 紫外光臭氧清洗機（UV-Ozone cleaner） 23
3.1.2 氣溶膠噴塗印刷機（Aerosol Jet Printer, AJP） 24
3.1.3 彩色三維雷射顯微鏡 28
3.1.4 電性量測系統（Agilent 4156C） 30
3.2 氣溶膠噴塗印刷原理 31
3.2.1 氣溶膠形成 31
3.2.2 氣溶膠集束 33
3.3 奈米金屬燒結 39
3.4 電性 41
第四章 研究方法與步驟 42
說明 42
4.1 試片製備 43
4.1.1 試片基板 43
4.1.2 基板清洗 45
4.1.3 表面改質 45
4.2 墨水製備 48
4.2.1 材料來源 48
4.2.2 墨水製備步驟 48
4.2.3 材料改質 50
4.3. 機台參數校調 51
4.3.1 機台參數種類 51
4.3.2 沉積狀態定義 52
小結 53
第五章 實驗結果分析與討論 54
說明 54
5.1 表面形貌觀察結果分析與討論 54
5.1.1 表面改質對列印品質之影響 54
5.2.1 墨水改質對列印電路之影響 55
5.2 燒結溫度條件分析與討論 56
5.2.1 電路表面形貌一致性與重複性結果 56
5.2.2 不同燒結溫度下之電路形貌量測結果 59
5.2.3 不同燒結溫度下之導電性結果 62
5.2.4 不同燒結溫度下之電阻重複性 67
5.3 墨水濃度條件分析與討論 71
5.3.1 不同墨水濃度下之電路形貌結果 71
5.3.2　不同墨水濃度下之導電性結果 74
5.3.3 不同墨水濃度下之貼附力結果 75
小結 78
第六章 結論與未來展望 79
6.1 結論 79
6.2 未來展望 81
參考文獻 82
作者簡歷 85

[ 1 ] 陳宇璿. (2007). 可撓式基板全噴墨有機電子元件與電路製作. 臺灣大學應用力學研究所學位論文, 1-101.
[ 2 ] Christenson, K. K., Paulsen, J. A., Renn, M. J., McDonald, K., & Bourassa, J. (2011, January). Direct printing of circuit boards using Aerosol Jet®. In NIP & Digital Fabrication Conference (Vol. 2011, No. 2, pp. 433-436). Society for Imaging Science and Technology.
[ 3 ] Hedges, M., & Marin, A. B. (2012, March). 3D Aerosol Jet® Printing-Adding Electronics Functionality to RP/RM. In DDMC 2012 conference (pp. 14-15).
[ 4 ] 陳忠輝. (2011). 印刷電子產業之趨勢及展望. 印刷科技第27卷第4期. 94-92
[ 5 ] 王凱駿. (2016). 從2016 LOPE-C、Finetech、及JPCA展覽看印刷技術之未來發展趨勢及應用. 402期. 15-36.
[ 6 ] Digital Print Preservation Portal, http://www.dp3project.org/
[ 7 ] Optomec, https://www.optomec.com/
[ 8 ] Salary, R. R., Lombardi, J. P., Tootooni, M. S., Donovan, R., Rao, P. K., & Poliks, M. D. (2016, June). In Situ Sensor-Based Monitoring and Computational Fluid Dynamics (CFD) Modeling of Aerosol Jet Printing (AJP) Process. In ASME 2016 11th International Manufacturing Science and Engineering Conference (pp. V002T04A049-V002T04A049). American Society of Mechanical Engineers.
[ 9 ] 薛長榮.(2016). 指向性無電鍍銅製程與R2R無電鍍設備. 機械工業雜誌402期. 55-62.
[ 10 ] Eckstein, R., Hernandez-Sosa, G., Lemmer, U., & Mechau, N. (2014). Aerosol jet printed top grids for organic optoelectronic devices. Organic electronics, 15(9), 2135-2140.
[ 11 ] Tait, J. G., Witkowska, E., Hirade, M., Ke, T. H., Malinowski, P. E., Steudel, S., ... & Heremans, P. (2015). Uniform Aerosol Jet printed polymer lines with 30μm width for 140ppi resolution RGB organic light emitting diodes. Organic Electronics, 22, 40-43.
[ 12 ] Zhao, D., Liu, T., Park, J. G., Zhang, M., Chen, J. M., & Wang, B. (2012). Conductivity enhancement of aerosol-jet printed electronics by using silver nanoparticles ink with carbon nanotubes. Microelectronic Engineering, 96, 71-75.
[ 13 ] Wadhwa, A. (2015). Run-time Ink Stability in Pneumatic Aerosol Jet Printing Using a Split Stream Solvent Add Back System. Rochester Institute of Technology.
[ 14 ] 黃致翰. (2013). 氣溶膠噴塗印刷技術應用於顯示器製程之研究. 交通大學顯示科技研究所學位論文, 1-88.
[ 15 ] Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/
[ 16 ] Akhatov, I. S., Hoey, J. M., Swenson, O. F., & Schulz, D. L. (2008). Aerosol focusing in micro-capillaries: Theory and experiment. Journal of aerosol science, 39(8), 691-709.
[ 17 ] Kang, H. W., Choi, D. Y., Lee, K. H., & Sung, H. J. (2009). Effects of Sheath gas geometry on aerosol jet patterning and coating. In International Conference on Flexible and Printed Electronics (pp. 11-13).
[ 18 ] Buffat, P., & Borel, J. P. (1976). Size effect on the melting temperature of gold particles. Physical review A, 13(6), 2287.
[ 19 ] Seifert, T., Sowade, E., Roscher, F., Wiemer, M., Gessner, T., & Baumann, R. R. (2015). Additive manufacturing technologies compared: morphology of deposits of silver ink using inkjet and aerosol jet printing. Industrial & Engineering Chemistry Research, 54(2), 769-779.
[ 20 ] Njobuenwu, D. O., Oboho, E. O., & Gumus, R. H. (2007). Determination of contact angle from contact area of liquid droplet spreading on solid substrate. Leonardo Electronic Journal of Practices and Technologies, 10, 29-38.
[ 21 ] Kuang, P., & Constant, K. (2015). Increased Wettability and Surface Free Energy of Polyurethane by Ultraviolet Ozone Treatment. In Wetting and Wettability. InTech. (2015)