SiPV印刷、ストレッチャー基板、自律型印刷、Low-Tインク
ローリングナノリソグラフィー、強光ハンダリフロー、Si PVの前面メタライゼーション動向とロードマップ、高温SMT対応ストレッチャブルサブトレート、自律塗布・印刷、低温銀NPインクなど、アディティブエレクトロニクス界の多様な技術について解説する。
ぜひ、ご参加ください。 2022年6月24日開催のイノヴェイションズフェスティバル（オンライン） にて、これらの技術やその他多くの興味深い技術が発表される予定です。また、アイントホーフェン（2022年10月12日～13日）で開催されるオンサイトに参加し、グローバルなコミュニティと直接交流することも可能です。詳しくはこちら
ローリングナノリソグラフィー。ミクロン、サブミクロンのフィーチャーサイズを作成する工業用R2Rプロセス
ローリングナノリソグラフィーは、R2Rリソグラフィーの線幅解像度を1um以下にすることができます。Meta社（Meta Materials Inc）のこの技術は、ローラーにマスクを巻き付け、その中にUVライトを設置するものです。ラップアロウドマスク自体は、電子ビームリソグラフィで製造されているため、非常に微細な形状をしています。そのため、ナノインプリント技術と同様に、ナノメートル単位の微細な形状に対応することができます。ただし、UV露光を行うため、500nmや1umの領域が限界となる可能性があります。
現在のウェブサイズは300mmですが、メタ社ではウェブ幅1200mmまで拡大する技術を開発中です。この場合、ステップアンドリピートプロセスを使用して、より大きなローリングマスクを作成することができます（注：100um幅の不連続性があるため、完全にシームレスではない可能性がありますが、これに対する回避策があります）。
単層超微細配線の実現には、まずフォトレジストを蒸着し、ローリングUVマスクでパターニングする。次に、薄い金属層（AIやAgなど）をR2R蒸着し、R2Rリフトオフプロセスで最終パターンを作成する。優れたアスペクト比（300nm/100nm）の超微細形状を実現することができます。
1.2m幅のウェブに数ミクロンからサブミクロンのフィーチャーを6kmの長さで、2-10m/min程度の印刷速度で印刷できるワイドウェブ産業用R2R/R2Sプロセスです。
スライドに製品の例を示しました。スライド2には、銀ナノワイヤーと同じような微細なフィーチャーサイズを実現した例が示されています。スライド3では、L/Sが500nm/30umのAlとAgの金属メッシュで、透明度96%で3.5-5Ω/□rを達成したデモをご覧いただけます。ベヒマークチャートは、このナノウェブ技術が、低いシート抵抗と高い透明性という点で、他のすべての選択肢を凌駕することができることを示しています。
太陽電池のメタライゼーション。実用化の現状、技術の現状、業界のロードマップ
シリコン太陽電池は、プリンテッドエレクトロニクスにとって世界的に最も重要な市場の一つである。これは、焼成したスクリーン印刷の銀ペーストをウェーハ1枚に少量ずつ搭載しているためだ。実際、世界最大の市場である。
下の図は、IndistryのロードマップITRPV 2022から、シリコン太陽電池の種類（モノフェーシャルp型、TOPCON n型、HJT n型など）に応じて、1ワットあたりのウェーハ（表裏とも）に使用される銀メタライズの量を示したものです。HJT n型では1GWあたり約25〜30トン、モノフェイシャルやバイフェイシャルでは約12〜14トンが使用されていることがわかる。PVの市場規模を考えると、100トン/年以上の市場規模に相当する。
下のグラフに示すように、他の技術がこの分野に少しでも食い込もうと長期的に試みているにもかかわらず、スクリーン印刷は依然としてメタライゼーションの主流技術となっています。長期的には、シード層へのメッキや孔版印刷など、他の技術もわずかながら足場を固めることが予想されますが、この話はもう何度も聞いたことがあるような気がします。
スクリーン印刷には様々な技術がある。シングルプリントとデュアルプリント（フィンガーとバスバーを2回に分けて印刷する）が一般的です。また、ダブルプリント（既に印刷されたスクリーン上に2層目を印刷し、アスペクト比を良くする）も人気があります。二重印刷の利点は、フィンガーとバスバーに異なる種類のペーストを使用することができ、最適な結果を得られることです。
もちろん、高アスペクト比、高オーミックコンタクト、高導電性を維持しながら、スクリーン印刷の線幅を狭くする傾向も常にある。これは長年にわたる開発の方向性であった。現在、生産現場では、スクリーン印刷の線幅は34～35μm程度が一般的です。この線幅は、スクリーン印刷としては非常に狭いもので、技術の進歩につながります。
下のスライドでは、Fraunhofer ISE（2019年）が、線幅と高さがそれぞれ19umと18umのスクリーン印刷された指を実演している例を見ることができます。これは、私の考えでは、最先端の技術であり、ステンレスメッシュのメーカーから、ペーストや粒子のメーカー、乳剤のメーカーなど、関係者の密接な連携が必要です。
プリンテッドエレクトロニクス産業にとって、非常に重要な市場です。中国以外の主なパーティクルメーカーは、DOWA、エイムズ・ゴールドスミス、メタロー、テクニックの4社です。ペーストメーカーもヘレウス、デュポンなど多数あります。もちろん、市場が中国にある以上、サプライチェーンも中国に移行しており、中国のサプライヤーは技術力だけでなく、市場シェアも上がってきている。実際、彼らの粉体やペーストは、もはや最先端技術に大きく劣るものではない。
市場シェアを守るために、他社は粒子・粉体・ペーストの技術を進化させ、効率を落とさずに印刷線幅を狭くするロードマップを維持する必要がある。これが、技術開発を方向付ける指針の一つです。
最後に、フラウンホーファーISEは、世界の太陽光発電産業の状況について、非常に詳細で優れた年次報告書を発行しています。以下に示すように、世界の生産量はすでに140GW/年以上であり、その82%はアジアで生産されているという驚異的な数字となっています。
この産業規模を支えるためには、どのようなメタライゼーション技術であっても優れたスループットが要求されます。ITRPV 2022ロードマップでは、バックエンドのステップのスループットについても概説しています。それによると、現在のスクリーン印刷機は1時間当たり7000枚程度のウェーハ（180 x 182 mm2）を処理しています。これが10年後には、1時間あたり9000枚以上になると予想されています。これは、インクジェットのような非接触技術を含む代替プロセスが直面している課題の規模を示すために、ここに記載しました。
インテンシブパルスライト。PETとFR4への高速・低エネルギーはんだ付け
フレキシブル基板へのはんだ付けは、標準的なビスマス系低温はんだでも、PETや熱安定化PETのように高温に耐えられない基板には対応できないため、困難な課題となっていた。
この課題を克服するために、多くの人が導電性接着剤を使用しています。これは良い解決策ですが、いくつかの欠点があります。（1）SMTプロセスの必須機能であるはんだの自動セルフアライメント機能が使えない、（2）導電性接着剤は全体の抵抗率に寄与し、フレキシブルハイブリッド電子部品は標準のPIベースFPCB技術よりさらに難しくなる（バルク銅に比べてプリントインクの導電率は低く、標準はんだに比べて導電性接着剤の相互接続は低い）、（3）狭いピッチサイズには対応が難しくなる、などが挙げられます。
パルスフォージ社（ノバセントリックス社から分離独立）が開発したデジタルサーマルプロセッシングは、その解決策を提供します。下図に示すように、高速の光パルスにより基板表面の温度を高速に上昇させ、基板自体は比較的低温のまま、PETや紙などの低温の材料にインクを焼結させることができるのである。
この特性は、印刷インクに広く利用されている。信じられないことに、最近、はんだにも使えることが実証されました。2番目のスライドは、パルスフォージ技術が標準的なSAC305はんだを1秒以内にリフローし、良好な接合部を形成し、はんだの自動再調整機能の恩恵を受けている様子を示しています。
次のスライドは、PET基板上のAlにはんだ付けするために、PulseForgeの技術がどのように展開され、例えば、AlメタライズPET基板上のLEDフォイルのR2R生産が可能になるかを示しています。
興味深いことに、この技術はFR4基板にも適用することができます。この場合、2つの重要な利点があります。(1)わずか数秒（1-3秒）の高速リフローで時間を節約できる（標準的なリフロー工程は、例えば235℃で120秒）、(2)標準的なリフロー炉の必要エネルギーの10%の低エネルギーリフローで、「環境に優しい」工程になる。
下のスライドは、高強度パルスライト技術と標準的なリフロー炉技術で作られたはんだ接合部のせん断強度が同等であることを示しています。次のスライドは、接合部のボイドが非常に少なく高品質であることと、パルスライトリフロー後に良好な金属間層がはんだ付けされていることを示しています。
直視できない場所でのはんだ付けは可能か？QFNなど、接合部が直接見えないパッケージでの実績から、可能であることがわかりますが、かなりの最適化が必要になると思われます。
実際、高強度パルスライトはんだ付けを実現するためには、はんだ、基板、パッケージに応じて露光条件を最適化する必要があり、非標準のSMTリフロー技術であるため、作業者のノウハウが必要になると推測され、新しい学習曲線となります。
なお、パルスフォージ装置のインラインバージョンは、幅300mの基板を扱うことができます。これらは素晴らしい結果です。このツールは、フレキシブルハイブリッドエレクトロニクスにおける重要な問題を解決するものです。また、FR4のような標準的な基板を用いた一般的なSMTビジネスにおいても、その高速性と低エネルギー性から、確実に有意義な影響を与えることができます。特に、多様なICや接合部を含む複雑な大型基板のすべてのはんだを処理できる、定評ある既存のリフローのドロップイン代替プロセスとなることを望むのであれば、この技術は標準プロセスになるためにさらに証明し開発しなければならないため、SMTの世界でのインパクトは一夜にして得られるものではありません。
SMTプロセスに対応し、高温でのインク硬化を可能にする伸縮自在のフレキシブル基板。
現在の基板技術は、ストレッチャブルまたはフレキシブルなハイブリッド電子機器の可能性に厳しい制限を課しています。これは、(a)導電性インクの硬化温度が制限されることが多く、導電レベルがバルク金属よりはるかに低く制限されること、(b)はんだリフローのような標準のSMTプロセスおよび材料との互換性が排除されること、が理由です。
下の表は、一般的なフレキシブル基板とストレッチャブル基板の比較です。最も一般的な「フレキシブル」基板はPETで、低コストで耐薬品性があり、インクの印刷に適した表面エネルギーを持っています。しかし、耐熱性に劣るため、一般にSMTプロセスとの互換性がなく、インクの硬化に温度制約があるため、達成できる導電性レベルが制限される可能性がある。
最も一般的な「伸縮性」基材はTPUで、優れた伸縮性と印刷に適した表面を提供しますが、熱や湿度に非常に弱く、インクやはんだ・導電性接着剤の処理温度にはPETよりもさらに厳しい制約が課されることになります。
そのため、柔軟で伸縮性があり、SMDや高温プロセスにも対応できる基材が求められています。パナソニックは、新規特許の完全架橋型熱硬化性ポリマーシステムをベースに、このような製品を開発している。
この新しい熱硬化性基材は、TPUとは異なり、100%の伸縮サイクルでも変形することなく、耐久性があることがわかります。次のスライドでは、PETやTPUが完全に損傷しているのに対し、この基板ははんだフロート動作（1m@260℃）に耐えられることがわかります。これは、標準的なSMTプロセスとの互換性がより高いことを明確に示しています。次に、このフィルムの熱安定性ですが、1000回の熱サイクル（-55℃から125℃）後も、伸びと引っ張りの特性が維持されていることがわかります。
さらに、230℃で焼成することで高導電性銅インクを作製し、その応用例を紹介した。また、伸縮するAgインクと一緒に伸縮するLEDフォイルもデモした。
もちろん、これは比較的早い段階である。ペーストメーカーは、この基板で良好な印刷ができるようにペーストの配合を調整する必要があるでしょうし、印刷会社はこの基板での加工方法を学ぶ必要があります。
しかし、この基板は、より導電性の高いペーストとSMTプロセスを可能にするものであり、有望である。問題解決のためのソリューションではなく、明らかに市場ニーズに応えるものです。
塗布・印刷機の自律化に向けて？
Coatema Coating Machinery GmbH Coatema 社は、今後 10 年程度で自律的に自己最適化する塗布・印刷機への道筋を示す、エキサイティングな開発成果を示しました。
下図に示すように、コアテマは、R2Rスロットダイコーティング、インクジェット印刷、乾燥、レーザー加工、強光度焼結、巻取り/巻戻しなどをインラインで統合したマルチステーション印刷・コーティング装置を開発しています。下記は、茨城県つくば市に設置された例です。 OET - Organic Electronic Technologies P.C. をギリシャで開催しました。
もちろん、印刷やコーティングは、大きなマルチパラメーター・ペースを持つ複雑な技術である。以下に、その一部を紹介します。特に多層デバイスや構造物の印刷、ラボから工場への移行においては、このような複雑なマルチステップシステムにおいて最適な印刷、コーティング、乾燥、焼結条件を見つけるだけでなく維持することが重要な課題であるため、製品開発およびラボから工場への移行には時間がかかり、困難が伴う場合があります。
Coatemaは現在、複数の測定ポイントを機械内にインラインで統合しています（下図参照）。その結果、1分間に数百万のデータポイントが出力され、プロセスの各段階における洞察を得ることができます。
これらすべてのデータポイントの意味を理解するために、CoatemaはパートナーのPandaと共同でAIアルゴリズムを開発しており、例えば、コーティングまたは印刷された表面の異常の位置を自動的に特定することを可能にしています。このAIによる異常の自動検出は、時系列でも可能で、異常のあるコーティングや印刷のステップの位置やタイムスタンプを特定することができるようになります。下図のように、このアルゴリズムは、マルチステーションの完全統合型印刷機とコーティング機から出力されるデータを常時解析しています。
Coatemaのこれらの開発は、印刷・コーティング機械の将来の進化を示すものです。このレベルの洞察力により、製品開発、最適化、ラボから工場への移行が加速され、また、大規模な生産印刷において優れた均一な品質維持が可能になります。
また、長期的な視点に立つと、人間の手をほとんど加えることなく最適な印刷条件を見つけ出し、それを維持する自律的な自己最適化印刷機の基礎作りを始めることができるのです。
Agナノ粒子インク。より低い硬化時間と温度で、より高い導電性を実現する。
銀ナノ粒子インクは毎年改良されています。これらの改良は多くの場合、漸進的なものですが、非常に重要です。開発の方向性の一つは、低い硬化温度と短い硬化時間で、これまで以上に高い導電性レベルを実現するインクを目指すことである。これは、基板の選択肢を増やし、時間を節約し、エネルギー消費コストを削減するため、非常に重要なメリットとなる数字だ。
ここでは、溶剤系と水系、スクリーン印刷とインクジェット印刷（IJ）のAgナノ粒子（NP）インクを提供するアグファの進歩に焦点を当てます。下の最初のスライドは、溶剤ベースのIJ印刷用Ag NPインクの硬化時間と温度の進捗を示したものです。左の写真は、右の写真を拡大したものです。2種類の溶剤型IJ Ag NPインクの特性を比較したものです。SPS201とSPS210を異なる温度（110℃、130℃、150℃）で焼成したものである。
ある温度で焼成した場合、SPS210はSPS201に比べて短時間で低い抵抗率レベルに到達しており、Ag NPインク技術の段階的な、しかし重要な進歩を明確に示していることが分かります。次のスライドにあるように、SP2010 Ag NP IJ インクは、わずか 130℃、10 分間の焼結で 3mOhm/sqr/mill を達成することができます。これは素晴らしい結果です。
このように、Ag NP IJPインクの用途が広がりつつあります。最後のスライドは、薄膜太陽電池のメタライズラインとして印刷されたAg NPライン（70um）です（注：Si PVのスクリーン印刷ラインは現在34um）。その隣には、透明ヒーターのアプリケーションを見ることができます。
ここでは、モータースポーツバイザー用のフォトクロミックラミネートを応用しています。バイザーは、さまざまな屋外光量で良好な視認性を維持するために、光学的透過率を変えることができます。フォトクロミックラミネートの限界は、透明度をゆっくりしか変化させられないことです。これは、ドライバーがトンネルなどに入り、強い日差しから素早く暗闇に移行する際に課題となる。そこで、積層体を加熱することで、透明度の変化を加速させることができる。このため、CNTやITOを使用したソリューションが開発されました。結果は良好ですが、均一な加熱にはまだ時間がかかりすぎます（40秒またはそれ以上）。
この限界を克服するために、線幅70μm、ピッチ2mmの金属メッシュをAg NPインク（SPS211）でインクジェット印刷しました。下のスライドにあるように、11Ωまで抵抗値を下げることができ、わずか20秒で要求を満たす均一加熱を実現しています。 [This is automatically translated from English]