基於電子產品趨向輕薄短小型態及未來功能整合趨勢，自2006年第一組商品化印刷電子產品出現，至2007年第一組以紙為載體之印刷式整合線路基板量產，因此形成世界各大廠商紛紛積極往有機材料電子產品開發及佈局。根據市場調查公司IDTechEx 2006年市場報告指出，全球整體軟性電子市場規模預估2010年可達47.5億美元，2015年可達300億美元，而2025年更可達2500億美元。軟性電子技術具有高產品型態設計彈性、產品重量輕、產品成本低廉及可快速製造等優勢，為符合上述產品特性之要求，對材料本質上之特性，需更嚴謹看待，致使材料技術之開發上更具挑戰性。如圖一所示，在軟性電子技術依據元件之功能性大致分為：主動元件、包含Transistor, Memory(半導體材料)等；被動元件、傳統之RLC(resistor, inductance, capacitor)及電極部分(無機、有機及金屬材料)等、封裝材料、基板及功能材料等(高分子材料、高分子無機複合材料、紙類)。軟性電子技術最大之特色為其可撓性，基板之選擇上多為軟質性基材，相對應之材料皆須具有可撓性之特性。對於部分高導電性金屬材料而言，因金屬本具有延展性，應用於軟性電子技術上應不成問題，但考慮各軟性主被動元件及基板可承受之製程溫度，高導電金屬導體之應用製程條件，遂成為重要的考慮因素之一。另外，合併軟性電子部品低價化及快速化之製程要求，故可於低溫度製程及可印刷式高導電金屬油墨遂成為軟性電子材料發展技術核心之一。
圖一、可印式電子產品應用發展藍圖
資料來源：Nikkei electronics/工業材料雜誌第252期
印刷製程的優勢
傳統金屬電子線路Pattern之成型可依其製程方式區分為：傳統顯影蝕刻技術(Conventional lithographic process)，利用曝光顯影技術，先行塗佈光阻再蝕刻出所需之線路空間，再以物理、化學沈積法或電鍍等製作所需之金屬線路圖騰，或於大面積金屬面積上，沈積光阻再蝕刻出所需之線路。其製程如圖二所示。另一種為直接印刷成型法(Direct deposition by printing)，應用直接塗佈技術，將金屬導電油墨依據所需之線路圖騰直接印刷於基板上，再藉由加熱或照光等方式形成金屬線路，其製程如圖三所示。由於傳統曝光顯影技術及金屬鍍膜技術在線路成型速度上有其一定之限制，加上物理蒸鍍或濺鍍技術皆須於真空下進行，使得其於連續式生產上，有其先天上之弱勢。而直接印刷成型法，猶如傳統快速印刷製程，藉由導電金屬油墨以直接印刷製程將線路圖騰直接印製於基板上，再藉由加熱、UV照射等各種固化(Curing)技術，將線路圖騰固化成型，此一製程技術符合軟性電子產業快速製程與低價化之需求。而對於複雜化及細微化之線路圖騰，更可應用直接塗佈技術，如Ink-jet Printing技術等，直接噴塗印製於所需之基板上。有鑑於快速印刷製程技術大規模應用於軟性電子產業上，直接印刷金屬線路圖騰成型法更具顯著開發價值，而此技術之重點之一，即為可印式導電金屬油墨之開發。
圖二、傳統曝光顯影方式製作導電線路示意圖
圖三、直接印刷成型製作導電線路示意圖
傳統金屬導電油墨的缺點
傳統金屬導電油墨可分為兩類型，第一類如圖四所示，主要以金屬顆粒、玻璃添加物、有機黏結劑及溶劑等物質所組成，藉由有機黏結劑及溶劑使油墨具有可印刷行為，於操作溫度下由金屬顆粒之燒結形成連續相之金屬晶粒來提供其極佳之導電性質，應用玻璃添加物之高溫軟化行為，於基板界面形成高附著性並藉由與金屬顆粒之潤濕性來增進金屬導電膜層本體之強度。有機黏結劑與溶劑則經脫脂過程去除。此導電油墨一般需經高溫燒結過程，常用於陶瓷為主之硬質基板，如積層陶瓷電容器(MLCC)、低溫共燒陶瓷(LTCC)及多晶模組表面模組化元件(MCM)等元組件之應用。
圖四、含玻璃之高溫型導電油墨燒結後微結構組織示意圖
另一類型如圖五所示之導電金屬油墨主要組成為高分子樹脂、導電金屬顆粒及有機溶劑等所組成，其藉由高固含量之金屬顆粒接觸堆積來達到其所需求之導電率，並藉由加熱或UV照光方式使高分子樹脂固化(Curing)來形成導電金屬膜層。此類型之金屬導電油墨之操作溫度取決於高分子樹脂之固化溫度或條件，而導線之電阻率則依據其所添加之金屬顆粒形狀、粒徑與固含量來決定。因高分子樹脂具有一定程度之柔軟性與低溫固化之特點，且與軟性高分子基材具有高附著能力，故應用上常見於軟性電路板(PI film)、塑膠基板(PC、PEN)及較低承受溫度之軟性基材(PET、Paper)上之應用。但由於高分子樹脂固化所需之溫度不足以驅使金屬顆粒產生燒結行為，其導電特性依據金屬顆粒以不規則(Random)及非連續式(Discontinuous)之接觸來形成導電路徑，而金屬若以接觸方式達成導電特性，易於金屬顆粒界面產生接觸電阻，故此一類型之金屬導電油墨一般電阻率較高。另外，由於憑藉高分子樹脂固化成型，故金屬導電膜對環境之可靠度因此受限，對於高嚴苛環境硬化下，高分子樹脂容易脆化與劣化，且此一類型導電金屬油墨大多需存放於低溫條件，不易長時間儲存。
圖五、以樹脂作為固化作用之導電油墨固化後微結構組織示意圖
導電金屬油墨開發設計要素
導電金屬油墨開發上需要注意幾個要點，其設計概念如圖六所示：思考上可依導電金屬油墨組成與油墨印刷製程因素進行區別。在導電金屬油墨組成上，主要考量其機能性，其著重於油墨之導電特性與其機械特性，故必須針對油墨本身之導電機制與反應機制進行探討與設計。故必須考量組成內部金屬顆粒之粒徑分佈、形狀與對油墨之固含量，另需考慮導電金屬粒子於油墨內之分散行為及黏結劑或固化劑等之操作溫度等。故必須針對油墨之高分子材料添加調控、導電粒子添加量調控及分散材料添加量調控進行設計，若為低溫化導電金屬油墨則必須再增加低溫燒付行為機制之設計等。
若增加印刷條件之設計，則必須在油墨之流變黏彈性上進行設計，為避免印刷後產生斷線、暈開及不平坦等特性，在油墨之黏度、回覆性及彈性係數上必須有所調控。另外、對於基板與油墨之介面行為必須有所考量，因為油墨於基板之潤濕行為大大影響整體油墨最終之塗佈行為，適當之基板表面改質與油墨介面行為調控設計是必須的。而在導電金屬油墨製作上，所需要之製程設備並不複雜，但會依據所需之功能而有所變化。常見之製程方式需先配置油墨之黏結劑部分，依據需求可導入分散劑、塑化劑及流變調整劑等，而後再將導電金屬粒子導入混合，常見之混合方法為球磨混合與高速攪拌混合等；最後以三軸滾輪進行混練，意於將油墨中凝團部分分散，增加整體油墨之均勻性。
圖六、印刷用油墨相關項目設計一覽圖
資料來源：工研院材化所/工業材料雜誌第252期
國內外目前發展現況
國內外對於可印式金屬導電油墨相關開發歷程相當長久，在高溫燒結部分如知名大廠DuPont、Ferro及VIOX等世界級大廠皆有不同種類之商品推出，也有部分由終端使用者自行調配使用。而以樹脂作為固化劑之導電金屬油墨，生產單位及公司眾多，依據不同使用性質會有不同產品推出。相同的是也有部分終端使用者自行調配使用。另外，依據不同應用環境所開發之金屬導電油墨之性質需求與特性皆有很大差異，生產與開發單位亦有所不同。目前較前瞻之開發屬於低溫高導電金屬油墨之開發，Parelec Inc.,目前推出ParmodTM之純金屬低溫高導電金屬油墨，可於烘烤溫度130-180℃下達到電阻率5-15μΩ．cm；日本藤蒼化成公司對於低溫高導電金屬油墨投入甚多，目前開發出可於150~180℃下燒結之高導電~10μΩ．Cm之金屬油墨；而國內工研院材化所於低溫高導電金屬油墨開發上投入相當多之能量，目前對於Ink-Jet Printing 應用上之金屬導電油墨之開發、奈米金屬粒子之開發與低溫可印式高導電金屬油墨開發上具有一定成果，並對於應用於RFID Tag天線用之導電金屬油墨，針對其電磁特性與印刷特性建有良善之評價機制。現有之開發進度可於150~200℃短時間烘烤條件下，達到5-15μΩ．cm電阻率及可印刷之成果展現。
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