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六大精密涂布制程技術詳解!

六大精密涂布制程技術詳解!

  • 分類:公司新聞
  • 作者:
  • 來源:
  • 發布時間:2019-01-30
  • 訪問量:0

【概要描述】一.成卷式精密涂布(Roll-to-RollPrecisionCoating)技術可應用于IC、PCB、光電、民生、醫療等多種產業,以3M為例,3M公司由涂布而衍生之產品就有數萬種之多,從一般產品(如文具膠帶)到醫療膠帶(美容、療傷)到電子(IC切割、PCB防焊),以及光電(LCD用光學膜)等,都是利用精密涂布技術平臺研發出的產品,3M每一次皆以高價值、高創新性的嶄新產品暢銷全世界。首先介紹涂布定

六大精密涂布制程技術詳解!

【概要描述】一.成卷式精密涂布(Roll-to-RollPrecisionCoating)技術可應用于IC、PCB、光電、民生、醫療等多種產業,以3M為例,3M公司由涂布而衍生之產品就有數萬種之多,從一般產品(如文具膠帶)到醫療膠帶(美容、療傷)到電子(IC切割、PCB防焊),以及光電(LCD用光學膜)等,都是利用精密涂布技術平臺研發出的產品,3M每一次皆以高價值、高創新性的嶄新產品暢銷全世界。首先介紹涂布定

  • 分類:公司新聞
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  • 發布時間:2019-01-30
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詳情

一、成卷式精密涂布(Roll-to-Roll Precision Coating)技術

可應用于IC、PCB、光電、民生、醫療等多種產業,以3M為例,3M公司由涂布而衍生之產品就有數萬種之多,從一般產品(如文具膠帶)到醫療膠帶(美容、療傷)到電子(IC切割、PCB防焊),以及光電(LCD用光學膜)等,都是利用精密涂布技術平臺研發出的產品,3M每一次皆以高價值、高創新性的嶄新產品暢銷全世界。

六大精密涂布制程技術詳解!

首先介紹涂布定義與產業結構,在此可發現技術之重要性,接著再介紹涂布機構的每個單元,簡述各單元的重點。

二、涂布定義與產業

首先必須定義涂布技術為何,所謂廣義的涂布定義以原文敘述如下: Replace a new material of the air on the substrate. 所以從定義來看,涂布涵蓋范圍甚廣,工研院材料所發展的涂布技術乃以成卷式涂布技術為主。

首先將一卷基材(如PP、PET、PI、銅箔等),經過涂布裝置將涂料披覆于基材上,再經過干燥過程將溶劑移除,最后收卷成卷,即為成品或半成品使用。最簡單的例子就是膠帶的制作,其制作過程是將感壓膠披覆在OPPPVC上,經過烘箱干燥后收卷,再經過分條包裝即可販賣,不過這種涂布技術較為簡單 (我們稱之為傳統涂布方法)。

國內膠帶廠及一些其他產業大都采用傳統涂布方法,如刮刀式涂布(Comma Coating)、或滾筒式涂布(Roll Coating)進行加工,因為這類方法構造簡單,操作容易,但只能制作低價值產品,單價每平方米皆小于10元,而且這類涂布方式屬于開放式操作模式,有溶劑揮發影響操作人員健康的問題,尤其環保意識愈來愈重視的今天,實有必要作適當的調整。

國外先進大廠如Du Pont、3M、Kodak、Nitto等皆以擠壓式涂布(Extrusion Coating)發展相關事業,此類技術所衍生的產品單價至少每平方米在50元以上,甚至有些可達每平方米3,000元以上,與傳統涂布產品相差甚大,不得不讓我們加以重視。

精密電子產品用基材透過涂布技術開發,其中涵蓋了非常多的技術,如果以技術關鍵來看,重要性如下:

? 質量,性能(Formulation) 25%

? 涂布技術(Coating 35%

? 調送技術(Know-how25%

? 設備技術(Equipment15%

雖然材料配方是重要的源頭(25%),但是其他加工與后制程必須解決的卻有75%之多,這邊所表達并不是制程重要性大于配方合成,其實配方還是一切產品開發的源頭,它支配了后面制程的開發,以材料所開發系統為例,材料合成開發體系是密不可分的,可利用圖二來表示兩者之間關聯性。

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建立精密涂布技術之技術平臺,再配合國人自行開發的各種高功能涂料,即能應用于各種產品開發上,可應用范圍甚廣,描述如下:

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由于涂布技術所涵蓋范圍甚廣,所以并沒有真正的涂布產值的預測趨勢發表,但是從上述產品關聯與技術關聯表可知,每一個單項如果都是成長上升趨勢,那整體產值將是非常驚人。

 

三、涂布制程技術

前段說明已顯示采用涂布加工生產的產品種類繁多,從民生用品到尖端高科技產品,處處可見。為追求高良率、高精密度的涂布產品,在制作過程中之各階段都需經過高質量之設計方可完成,以下就針對涂布制程之相關技術作一介紹分析。

 

1. 涂布方式

涂布技術包含種類極多,主要可分為兩大類,見圖五所示,第一類稱之為干式涂布(Dry Coating),如真空蒸鍍法(Vacuum Deposition)或化學蒸鍍法(Chemical Vapor Deposition)等;另一類稱之為濕式涂布(Wet Coating),即液態涂布物質經加工過程上到基材上,再經干燥固化成膜的過程。

濕式法依其流體力學差異,主要可分為兩大類型,分別為后計量式(Post-Metering)及預計量式(Pre-Metered)涂布方式,分述如下:

涂布技術分類

(a)后計量式涂布(Post-Metering Coating

此類型涂布方式的共同特色是涂膜厚度受涂液的流變性質及涂布條件所影響。其中工業界中最普遍使用的如浸沾式涂布(Dip Coating),其涂膜厚度隨涂布速度增加而變厚,但并不成正比關系,再增快速度,厚度將趨于定值或反而降低。其它如刮刀式、滾筒式涂布等都是屬于這類型涂布方式。

(b)預計量式涂布(Pre-Metered Coating

涂膜厚度僅由輸液系統所設定,不會因為涂液的流變性質或涂布速度改變而有所不同。這種類型的原理,系將涂料自穩定供料幫浦(Pump)輸送至精密設計的擠壓型模具(Extrusion Die),形成一寬廣且厚度均勻之薄膜,再涂布于基材上,如圖六所示。屬于這種涂布方式的有狹縫模具式(Slot-die Coating)、斜板式(Slide Coating) 、淋幕式涂布(Curtain Coating)及雕輪式(Gravure)涂布等。

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擠壓型涂布法示意圖

由于目前多數電子產品皆朝向輕薄短小之趨勢發展,涂布產品對精密度及均勻度的要求也逐漸提升,因此在最近幾年,國內相關涂布廠商也掀起投入精密涂布相關技術之研發,其中又以精密模具涂布方式為最熱門,應用如軟性印刷電路板、干膜光阻劑、IC用膠帶等等

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2. 涂料輸送系統

在輸送系統的應用類型上,溶液型涂料通常使用計量式幫浦(Metering Pump),而熱熔型涂料則使用熔融機(Melter)或押出機(Extruder);其中較常用的計量式幫浦包括有螺桿式幫浦(Screw Pump)及齒輪式幫浦(Gear Pump)兩種,其共同特色如下所示:

 

1.可以在幾乎無脈動之狀況連續輸送

2.由水狀液體到數十萬厘泊(cps)之高黏度液體皆能定量輸送

3.高精準度之吐出量,可信賴度高,吐出精準度在± 1%以內

4.使用可變速馬達變更流量范圍大

5.無須使用閥之構造設計,不會產生阻塞

6.強大的自吸能力,極高的吸入吐出壓力

7.能順暢運轉輸送且無震動與噪音

8.拆裝保養力求簡單

 

涂布厚度完全系由供料系統所決定,因此涂膜在機器行進方向(MD)之厚度均勻性完全視幫浦的穩定性而定,其供料流量之公式為:

 

幫浦供料流量=(涂幅寬度)x (濕膜厚度)x (涂布速度)

另外涂料輸送時需避免受到雜質的污染或氣泡的產生,以防止涂布加工上的缺陷發生,因此在輸送涂料過程中都會加裝過濾裝置及消泡機構,以確保涂布質量;此外設備也會裝上壓力表或數字壓力計進行在線監控,以防止濾壓過大而停工。一般涂料輸送系統之示意圖如圖七所示,其主要項目包括有消泡機構(De-Gassing)、過濾器(Filter)、靜態混合裝置(Static Mixer)、壓力傳感器(Pressure Sensor)等

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3. 精密模具設計

擠壓式模具(Extrusion Die)在高分子加工過程中扮演十分重要的角色,一般的模具,依其出口的形狀,可分為生產套管的環形模具(Annular Die),生產纖維、圓棒的圓形模具(Circular Die)、制作薄片(Sheet)及薄膜(Film)的狹縫式模具。除此之外,還可制造部分特殊形狀的產品的異形模具(Profile Die)等,可說是應用范圍相當廣泛。

 

涂布工業上所使用的衣架型模具(Coat-Hanger Die),乃屬于狹縫式模具的一種,其內部主要分為分流管(Manifold)與狹縫區(Slot Section)兩個部份;欲加工的流體由模具入口處流入,由于狹縫厚度極小,液體通過的阻力極大,所以高分子液體會先向截面積較大的分流管兩端流動,待在涂布的寬度方向上分配均勻后,再流入狹縫區且擠出形成均勻分布的薄膜。模具設計的最主要的目的在于如何設計分流管截面積的變化情形,使得不同流變性質的涂液或不同的加工條件下,能生產出在寬度方向上厚度均勻的涂布液膜。

 

整體上,模具設計應包括內部流道幾何形狀分布、內外部調整機構、加熱裝置、??趲缀涡螤钤O計、以及機械結構,其中又以內部流道設計影響均勻度最大。依分流管的形狀可分為截面固定的T型模具與截面隨位置變化的衣架型模具兩類,結構可見圖八所示,至于如何判斷使用何種模具,可參照表二所示,表中比較此兩種模具之差異性,以及基本特性比較。

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圖八 兩種常見模具對比

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4. 烘箱設計

在涂布工程中,干燥程序是決定涂膜質量重要步驟之一,不論干燥技術或設備的設計,對涂布產品性質優劣有顯著的影響,其重要性并不亞于涂布技術。

 

熱量的傳遞可借著傳導、對流及輻射的方式,將熱量由熱源傳送至被加熱物體上,傳導及對流均需有加熱介質,輻射是將熱量直接傳遞至被加熱體的表面,而不需加熱中間介質(如空氣),所以是能量效率最高的加熱方式。

 

在加熱干燥的過程中,同時有熱傳及質傳兩種現象在進行,熱傳乃是提高涂料的溫度,增加其水分或溶劑的流動性,并蒸發水分或溶劑,而質傳乃是促使內部的水分或溶劑向表面移動,以進行蒸發。

 

一般干燥的方式不受涂布方式的影響,但隨著涂液的種類而必須作調整,傳統的熱風干燥方式,乃是藉熱風加熱的方式使溶劑揮發而形成均勻的涂膜于物體表面上,由于此加熱方式需將大量的溶劑蒸發,不僅消耗能源,同時亦造成溶劑對環境的污染。

 

而最近發展的輻射型干燥方式,具有加熱快、熱效率高及大幅縮短干燥時間等諸多優點,較傳統的熱風干燥方式,既省能源且設備較不占空間,其中紅外線(Infrared)加熱、微波加熱、紫外線硬化(Ultra Violet Curing)及電子束硬化(Electron Beam Curing)等都是利用輻射能的方式達到干燥的目的。

 

其中微波加熱效率最高,紅外線與微波之不同在于微波能量高,能穿透物質的內部進行均勻加熱,而電子束硬化方式因需較高的成本,且在惰性氣體中進行,是其缺點。

 

為了近一步了解涂膜之干燥狀況,市面上出現了許多計算涂膜之干燥情形之軟件,今舉出兩種商品供為參考。其中之一為SuperDryer,是由美國 TNN Technology所開發出可以設計干燥系統以及計算烘箱干燥狀況的軟件,為可在微軟操作系統下的軟件包,其對于從事干燥設備設計、生產、研究以及開發的研發工程師而言是一個非常實用的軟件。此軟件的適用范圍是:

 

a).可應用于涂布及印刷工業

b).可以提供干燥系統制造商與用戶一個設計、修正以及評估的工具。

c).可以分析干燥系統的干燥狀況

 

另外一種則是Gutoff(精密涂布顧問)所發展出的仿真軟件,最主要的功能是針對現有的烘箱,預測及估計其干燥狀況,可以計算出:涂料的最終溫度、涂料最終溶劑含量以及干燥過程中熱風與涂料的溫度及溶劑含量隨干燥時間與烘箱位置的變化情形。其可模擬的范圍包括:

 

a).等速干燥期與下降速度干燥期

b).結合熱風與紅外線的干燥

c).可以模擬多節烘箱的干燥

 

5. 無塵室規格

無塵室系將一定空間范圍內之溫濕度、潔凈度、室內壓力、氣流速度與氣流分布、噪音震動、照明及靜電控制在某一需求范圍內,所給予特別設計之空間,其最主要的作用在于控制產品所接觸大氣的潔凈度與溫濕度,以便使產品在一個良好的環境空間中生產、制造,且其設計原理是以區間化設計,由外而內逐次提高潔凈度,以加強精密產品之要求。

 

在無塵室的維護管理上,除了需對進出無塵室的人員加以規范管理外,原物料與設備的進出也必須透過無塵室管理程序,方不至于影響無塵室的潔凈度,也唯有如此,才能達到精密涂布產品的規格要求。

 

6. 其他附屬設備

為了提高產品良率,建議可利用下列設備來改善生產問題。

a. 在線膜厚量測儀(On-line Thickness Gauge

膜厚穩定性常受模具之狹縫間隙、涂布間隙、供料幫浦、過濾壓力與傳動速度等因素之影響,因此可于在線裝設膜厚測量儀來監控膜厚之穩定性,藉此也可以減少生產上的問題發生,其中常用的儀器原理有紅外線、β-ray、γ-ray等方式。

 

b. 外觀檢查系統(Inspection System

可確保全天候之產品質量,并可實時監控生產機臺狀態與生產條件之穩定,可進行監控的項目包括表面缺陷,如刮痕、皺折、針孔與斑點等,并加以紀錄與標記,以維持外觀質量上的穩定。

 

c. 數據擷取系統(Data Acquisition System

舉凡制程參數如傳動速度、基材張力、烘箱溫度、烘箱內溶劑濃度、涂膜厚度與幫浦供給量等,都是影響產品之重要因素,因此都需利用數據擷取系統加以紀錄并分析,以掌握制程之穩定性。

 

d. 基材清潔裝置(Web Cleaner

可在涂布機上多處裝設黏塵輪或者超音波除塵裝置來消除外來異物、粉塵或纖維,以提高產品良率;其中可能發生異物來源包括有基材原物料、壓合輪或惰輪的不干凈或無塵室環境所造成。

 

e. 濃度偵測系統(Gas Detector

可在涂布機濃度較高處(如涂布區域、烘箱前段及廢氣排氣)安裝氣體濃度偵測系統,以預防因排氣不正常,導致濃度過高的危險。

 

 

薄膜濕式涂布加工長久以來即運用于各領域之中。

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                               涂布技術系統整合

而在電子領域中,應用在成長顯著的TFT∕LCD面板、以及未來前景看好的塑料LCD基材、近紅外線阻斷膜等光學組件、大容量積層型電容器等的表現尤為亮麗耀眼。尤其是越來越薄之高精細多層膜構造更是最近幾年的技術趨勢,不過這種濕式涂布薄膜加工技術本身蘊含著尖端科技與藝術氣息之專業素養,不能如以往一般經驗等閑視之。

 

總之,由于電子產品持續以“輕薄短小”為發展目標,電子材料需求日漸成長,隨著底材的高機能化與精密涂布技術的進展,成功實現薄膜的輕量化,并快速朝向薄型、大面積化發展。同時薄膜的機能性涂布加工更是無孔不入深入各種領域中,隨著薄膜的優異性,未來結合具有特殊性能的底材、涂料與新型的涂布技術,勢必會發展出越來越優異的薄膜材料。

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