一种透明基材上金属导线印迹形貌特征的检测和表征方法

摘要

本发明涉及一种透明基材上金属导线印迹的形貌特征检测和表征方法，包括（1）从透明基材的金属导线印迹样品的背面，沿与样品表面垂直方向照射样品，光源为白光，且为平行光；在透明基材的金属导线印迹样品的正面沿样品表面垂直方向设置CCD成像系统；（2）对CCD成像系统进行光透过率的标定；（3）拍摄得到透明基材上金属导线印迹的灰度数字影像；（4）利用标定关系，对灰度数字影像进行数值转换，形成印迹样品的光透过率数字影像；（5）任意选取金属导线印迹中的一段，通过数字图像处理的方法得到金属导线印迹的表面形貌、面粗糙度，以及印迹线宽度和线边缘粗糙度等形貌特征。本发明利用透射光信息得到了金属导电印迹的定量化形貌参量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种透明基材上金属导线印迹形貌特征的检测和表征方法，用于检 测和表征透明基材上通过印刷/打印方式形成的纳米金属导线的形貌特征，分析纳米 金属墨水通过印刷/打印技术形成导线印迹的形貌质量，属于印刷电子技术领域。

背景技术

印刷电子技术，是采用印刷工艺制造电子产品部件的生产技术。其核心思想就 是将电子材料配成流动性的“油墨/墨水”并印刷/打印成膜，从而用较低的生产成本和 原料消耗来获得电子产品。印刷电子技术种类繁多，但一般满足以下特征：

●所制成的薄膜具有特定的图案，而不是简单的整体涂覆；

●产生图案的主要途径是在承印物上增加物质，而没有再去除的过程，即所谓 的“加成法”；

●属于一种大规模的复制过程，而不是个性化的创作过程；

●所获得的导电图案（线路板上的导线、RFID天线线圈等）或器件具有电子方 面的功能。

相比于传统的加工工艺，印刷电子技术中电子产品的“加成法”制造过程，省去 了涂胶、光刻、刻蚀、溅射、真空沉积等高成本的工序，大幅简化了生产过程，具 有节约原料、降低成本、绿色环保（所产生的工业废液少）等优势。另外，印刷电 子技术在制造大面积器件和柔性器件方面有着得天独厚的优势，有利于满足电子产 业扩大市场的需求。

但在这种加成法的印刷过程中，由于使用的是液体状态的导电油墨，其与基材 间常因润湿铺展性能的不同而形成在基材上几何尺寸的变形及一些特有的形貌缺 陷。如金属墨滴常出现咖啡环形状，所形成的导线边缘粗糙、表面不平整等。这种 形貌上与设计的偏离又往往造成导线及组成器件电性能的降低或偏差。而若避免或 减少这些不足，首先需要有恰当、快捷的分析和表征方法，以指导研发、控制质量。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种印刷/打印导线印迹形貌特征的检测和表征 方法，可用于分析其形貌质量，以指导材料的开发和工艺过程的改进，形成符合设 计要求的导线类电子产品。

基于上述目的，本发明建立的透明基材上导电印迹形貌特征的检测和表征方 法，建立在CCD成像系统对印迹样品的成像及图像处理技术之上，使用的硬件主 要包括照射光源和高分辨率CCD成像系统。

一种透明基材上金属导线印迹形貌特征的检测和表征方法，包括如下步骤：

（1）从透明基材（基底）金属导线印迹样品的背面，沿与样品表面（或透明 基材）垂直（法线）方向照射样品，光源为白光，且为平行光；在透明基材的金属 导线印迹样品的正面也沿样品表面（或透明基材）垂直（法线）方向设置CCD成 像系统，拍摄形成金属导线印迹的数字影像，CCD成像系统对金属导线印迹的分辨 力应满足金属导线印迹宽度计算的精度要求；

（2）对CCD成像系统进行光透过率的标定；

（3）按步骤（1）中光路布局采用CCD成像系统拍摄得到透明基材上金属导 线印迹的灰度数字影像；

（4）利用步骤（2）中得到的光透过率的标定关系，对得到的样品的灰度数字 影像进行数值转换，形成印迹样品的光透过率数字影像；

（5）针对步骤（4）得到的光透过率数字影像，任意选取金属导线印迹中某一 长度的一段，通过数字图像处理的方法得到导线印迹的表面形貌、面粗糙度，以及 印迹线宽度和线边缘粗糙度等形貌特征量。

步骤（1）中，照明白光的光谱能量分布较为均匀，其色温在5000K～6500K之 间。

CCD成像系统对金属导线印迹的分辨力应满足金属导线印迹宽度计算的精度 要求，成像分辨率在4000dpi以上。

CCD成像系统的最大响应密度需在4.0以上，CCD成像系统的成像参数与照明 白光的光强相互匹配，对印迹样品的透明基材响应值接近255而不达255，可优选 240～254之间，对所检测印迹样品的最大密度响应值大于0。

步骤（2）中，膜材的光透过率与其厚度有一定的对应关系，因此，本发明选 用（1-光透过率）间接表征导线印迹的膜厚特征。

CCD系统透过率响应的标定，即是得到印迹的光透过率与其CCD响应灰度值 之间的对应关系。

对CCD成像系统进行光透过率的标定，包括如下步骤：

1）由所用导电油墨/墨水以数个不同的墨量印刷/打印大面积墨块，经后处理后 形成数个不同光透过率的面元印迹；

2）由透射密度计测试各面元印迹中部的光透射密度D，并按（1）式换算为光 透过率τ：

τ=10^-D   （1）

3）由CCD成像系统对各面元印迹成像，对各面元印迹数字图像的中部求取响 应灰度值的平均值；

4）由数学方法建立2）、3）中所有面元印迹的光透过率与其CCD响应灰度值 间的对应关系，即为该CCD成像系统的光透过率标定关系。

步骤（3）中，拍摄导线印迹样品，得到的透明基材上金属导线印迹的灰度数 字影像的分辨率不低于4000dpi。

对步骤（4）得到的印迹样品的光透过率数字影像，任意选择印迹影像中的一 段导线直线，如≥2mm的一段导线直线，经数字图像处理，得到导线表面形貌、面 粗糙度及印迹宽度、边缘粗糙度参量，数字图像处理的过程和步骤包括：

一、对光透过率影像进行降噪处理；可采用小波降噪的方法；

二、对降噪后的影像，根据其中的线条线段进行自动方位校正，将线条方向校 正为垂直或水平方向；

三、获得导线段印迹的（1-光透过率）数值，印迹线段每一垂线上的（1-光透 过率）轨迹，所有印迹垂线上的平均（1-光透过率）轨迹，进一步得到每一线条垂 线上的（1-光透过率）轨迹与线条平均（1-光透过率）轨迹间的偏离方差，以及所 有垂线上偏离方差的均值，以此方差均值表征印迹表面的面粗糙度；确定导线印迹 线两侧的边界线，对边界线进行直线拟合，计算线迹两侧边界拟合直线间的距离， 得到线宽；计算线迹两侧各自每个边界点与其同一线迹垂线上拟合边界直线点间的 距离，求取其方差得到线粗糙度。

导线段印迹的（1-光透过率）数值可反映印迹的表面形貌，印迹线段每一垂线 上的（1-光透过率）轨迹构成了其表面“厚度”高低变化的特征，所有印迹垂线上 的平均（1-光透过率）轨迹构成了导线印迹表面沿其垂线方向上平均的“厚度”高 低变化特征；可计算得到每一线条垂线上（1-光透过率）厚度特征轨迹与线条平均 （1-光透过率）特征轨迹间的偏离方差，并由所有垂线上偏离方差的均值表征线条 印迹表面的面粗糙度。

此外，确定导线印迹两侧的边界线，对边界进行直线拟合，计算线迹两侧边界 拟合直线间的距离得到线宽；计算线迹两侧各自每个边界点与其同一线迹垂线上拟 合边界直线点间的距离，求取其方差得到线粗糙度。

本发明用透射光对导电金属印迹成像，可以避免反射光成像时金属印迹上常有 的高反光对成像质量的不利影响，以及后续图像处理中对高光部位的误读。采用白 光利用全光谱信息分析金属导电印迹的透光特性，提高了分辨力。采用高分辨率的 CCD成像系统，可保证分析指标的精度。

附图说明

图1为本发明的印迹透射影像捕获光路结构示意图。

主要附图标记：

1  印迹样品  4  CCD成像器件

2  入射光    5  计算机及控制软件

3  透射光

图2(a)、图2(b)、图2(c)和图2(d)为线条印迹影像的方位校正过程示意图，其 中，图2(a)是线条印迹影像，图2(b)是线条印迹影像上、下两个半段的平均积累（1- 光透过率）曲线，图2(c)是线条印迹影像方位校正所需旋转的角度，图2(d)是旋转 校正后的影像。

图3(a)是线条印迹影像方位校正及边缘裁切后的影像，图3(b)是表征线条印迹 膜厚特征的（1-光透过率）变化曲线图，图3(c)是图3(b)中虚线所围部分的放大图 像。

图4为线条印迹边缘曲线及线宽示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并 参照附图，对本发明进一步详细说明。

参照图1，为本发明的导线印迹样品透射影像拍摄光路及主要部件单元示意图。 包括印迹样品1、照明白光光路形成的垂直入射光2、透过印迹样品后形成的透射 光3、CCD成像器件4，以及CCD器件连接的计算机及控制软件（计算机控制系统） 5。

图1所示系统金属导线印迹形貌特征的检测和表征的具体要求和过程如下：

照明白光的光谱能量分布要比较均衡，色温在5000K～6500K之间；照明的入 射光2沿样品1背面的表面法线方向入射，同时，在样品的透射光一侧，CCD成像 器件4也沿样品表面的法线方向接收透射光3；计算机及控制软件5连接CCD成 像器件4以控制其成像参数和样品影像的捕获和处理。

CCD成像器件4要求有较高的动态响应范围，最大响应密度达4.0以上，以能 响应导线印迹中很弱的透射光3，增强导线印迹的分析能力；此外，应用中CCD成 像器件4的成像参数还要与照明白光的光强相互匹配，以对印迹样品1的透明基材 响应值接近255而不达255，可选择240～254之间，对所检测印迹的最大密度响应 值大于0（否则，该样品印迹太厚，不适宜该方法）。此外，要求CCD成像有足够 高的分辨率，保证捕获的印迹数字图像分辨率不低于4000dpi。

本实施例中采用5000K的标准白光；CCD成像系统的分辨率为4800dpi，最大 响应密度为4.2；样品为在PVC透明基材上喷墨打印金属墨水的导线印迹。

对CCD成像器件进行光透过率标定，实现过程如下：

1）由所用导电墨水以数个不同的墨量打印大面积墨块，经后处理后形成数个 个不同光透过率均匀的面元印迹，本实施例中采用了21个不同透光率的面元印迹。

2）由透射密度计测试各面元印迹中部的光透射密度D，并按（1）式换算为光 透过率τ：

τ=10^-D   （1）

3）由CCD成像系统对各面元印迹成像，对各面元数字图像的中部求取响应灰 度值的平均值；

4）由数学方法如多项式拟合、一维查找表等方法建立2）、3）中所有面元的光 透过率τ与其相应响应灰度值V之间的对应关系，即为该CCD系统的光透过率标 定关系。

本实施例采用3阶多项式，得到的关系式如（2）式所示：

τ=-0.3583v³+0.2316v²+1.2705v+0.0134   （2）

式中v为归一化灰度值，v=V/255。21个点的光透过率平均拟合误差为0.0001，达 到应用要求。

其后，拍摄导线印迹样品。对拍摄的印迹影像，进行如下预处理：

1）依照CCD成像器件的光透过率标定关系，将印迹影像灰度值转换为光透过 率影像；

2）对印迹的光透过率影像进行降噪处理。根据噪声与线条的线度特性，采用了 具有紧支撑性、近似对称的正交小波SymN和CoifN，阶数N分别为5和3，分解 层数均为3或4，该小波变换对线条影像具有相对最优的降噪效果，同时能够保证 线条信息的可靠性。

3）选择影像中一段5mm预分析的印迹线条，对该段线条进行自动方位校准， 按照其与水平和竖直方向的接近程度，调整为最接近的水平或竖直方向。

方位校正采用的自校正方法如图2所示，具体过程为：将线条影像分为相等的 两段，如图2(a)中灰色水平线分割所示；分别求取上、下两个半段平均的积累（1-τ） 曲线，如图2(b)中的实线和虚线所示；再分别求取这两个积累曲线半高处的水平位 置中心点，如图2(b)中P1和P2点所示，并计算出它们在原影像中对应的位置，如 图2(a)中的P1和P2点所示；最后，求取图2(a)中P1和P2两点连线与竖直方向的 夹角θ，如图2(c)所示，θ角即为线条影像方位校正所需旋转的角度，本实施例中为 顺时针方向2.014度；旋转校正后的影像如图2(d)所示。应用表明，这一方法简单、 快捷，且精度可靠。

对上述预处理后的线条印迹光透过率影像，进行形貌和特征参量的计算。具体 内容如下：

1）对如图2(d)所示的线条影像，裁切掉周围的黑色部分，得到方位校正后的影 像，如图3(a)影像所示。其中，对线条任一垂线上的（1-τ）信息，以图3(a)中水平 线标出的位置为例，可得到如图3(b)中细实线所示的变化曲线，间接地表征该线条 垂线上的印迹膜厚变化特征；将所有垂线上的该曲线求取平均值，则可得到如图3(b) 中的粗实线所示曲线，表征整体上看沿线条印迹垂直方向上线条印迹的膜厚变化特 征；每一线条垂线上的（1-τ）曲线除去边缘部分与其平均（1-τ）相应部分曲线有 偏离。在本实施例中由图3(b)中虚线所围部分的放大图像图3(c)所示，图3(a)中直 线位置的印迹（1-τ）与平均的印迹（1-τ）除去边缘部分差异的方差为0.0032，所 有垂线上两者间偏离方差的平均值即为面粗糙度，本实施例中为0.0038，占线条中 部（1-τ）值0.9770的比重为0.39%。

2）针对线迹两侧的边缘，分别以选定的（1-τ）阈值确定每一线条垂线上的线 迹边界，可构成线迹边界曲线，设定该（1-τ）阈值为线迹平均（1-τ）最大值的一 半；进一步，求取该两侧各自曲线的拟合直线，该两条直线间的距离即为该线条印 迹的宽度，为导电墨水在基材上形成印迹的实际宽度，本实施例中为1223微米。 由于实际导线印迹的边缘很锐利，该印迹边界曲线和拟合直线图不易观看，所以， 以非导电墨水的普通黑色墨水情况为例，由如图4中线条两边缘处的白色曲线和黑 色直线示意所述的边界线和其拟合直线。对线迹的每侧边缘，白色曲线所示的所有 线边界点与其对应的同一垂线上的拟合直线点间距离的方差即为印迹边缘的线粗 糙度，本实施例中为12.4微米。

本实施例中，由图3(b)及图3(c)的（1-τ）轨迹曲线看到，线段印迹横截面上的 边缘形貌呈现出线的边缘处隆起、线的中间部位弧线状凸起的现象。边缘的隆起即 是通常的纳米金属墨水与透明基材间相互作用引起的咖啡环效应的结果，需改善导 电墨水与基材间的润湿铺展性能及加热后处理工艺加以消除；中部凸起的弧线形状 也与导电墨水与基材间的相互作用及后处理过程有关。这种线迹厚度的形貌特征表 明，所用导电墨水与所用透明基材间的相互作用，以及后处理工艺尚未使印迹有着 理想的厚度均匀特征，需改善墨水、基材的性能及后处理工艺加以调整。

此外，本实施例中，所有垂线上偏离方差的均值所决定的面粗糙度为0.0038， 占线条中心处（1-τ）0.9770的比重为0.39%。这一数据给出了从光透过率的角度 看，线迹薄膜表面“高度”起伏（方差）的程度。实用中，印迹表面越粗糙，其对 导线导电性能的不利影响就越大，因而，要求印迹的面粗糙度越小越好。可以此表 征进行深入研究，根据其影响规律和不同的质量要求，制定该面粗糙度的质量控制 指标。

印迹线宽表征了导线的实际宽度。本实施例中的印迹线宽为1223微米，而这 个导线宽度在设计上却是1058微米，印迹的宽度较设计宽度增加了165微米，增 加达15.6%。表明打印到基材上的导线印迹，因墨水的扩展等作用，宽度会有所增 加，各种设计宽度的情况都有这一特点。本实施例中这个增加比例是不容忽视的， 已对设计的导线图案输出造成了较大的形状偏差。因此，实际印刷/打印输出时，可 根据该测量方法得到的印迹宽度增加规律，对导线宽度的设计进行调整。

线粗糙度体现了导线印迹边缘的光滑程度。本实施例中导线印迹两侧线边缘的 平均粗糙度为24.8微米，约占其宽度1223微米的2%。实用中，导线印迹的边缘越 粗糙，其占宽度的比重越大，则对导线的导电性能造成的不利影响就越大。可根据 该测量进行深入研究，探求其对导线导电性能的影响规律，制定印迹线边缘粗糙度 的质量控制指标。

本发明中所建立的以线迹横截面上的光透过率轨迹、面粗糙度、线宽和线边缘 粗糙度等指标测量和表征印刷导电线迹形貌特征的方法，可为导电墨水材料、墨水 与基材的相互作用，以及后处理工艺等对印刷导线印迹的形貌质量及其对导线导电 性能的影响等研究提供一个简单、快捷的分析方法。