狭缝涂布中会遇到哪些问题?该如何处理呢?

狭缝涂布故障排除

狭缝缺陷（Slot Die Defects）

狭缝涂布是一个复杂的过程，获得稳定的薄膜涂层需要深入了解沉积技术背后的物理原理。可能发生两种类型的缺陷：

由于涂层珠弯月面的不稳定性而导致的缺陷，此时涂布过程离开了稳定涂布窗口。改变涂布参数将导致返回稳定涂布区域。

或者可以说是外部因素导致的缺陷，这些因素与流体的输送、基材的移动或溶液的粘弹性性质有关。这些缺陷通常需要更改涂布系统或流体才能克服。

以下部分将介绍这两类缺陷，并展示常见问题、这些缺陷的特征、它们产生的原因以及可用于消除这些缺陷的方法。

震颤（Chatter）

震颤是一种存在于整个涂层宽度上的缺陷。这种缺陷要么出现在涂层的同一位置，要么以规则的间隔出现。震颤的特征是：

一条线上厚度与涂层的其余部分不同。

一条线上缺陷比涂层的其余部分更明显。

以等距间隔或频率出现的缺陷。

该缺陷的根源在于：

流体输送系统存在压力或流速变化

基材辊筒/线性平台存在脉冲运动或辊筒上有缺陷

上游真空箱内的压力变化

流体输送系统（Fluid Delivery Systems） - 如果震颤缺陷是由流体输送系统引起的，原因通常是溶液的脉冲流。容积泵依赖于离散体积溶液的移动。这导致震颤缺陷的频率取决于这些离散单元被置换的速率。

对于旋转泵，这是系统转速（RPM）的函数。相反，对于基于线性电机（如注射泵）的其他容积泵，这取决于电机的步进速率。可以通过以更快的速率输送离散体积的溶液来缓解，要么通过更高的转速，要么通过更高的微步进速率。

也可以在溶液进料中添加脉冲阻尼元件以平滑容积泵的输出。金属管道可以替换为塑料管道，塑料管道在输送新液体时会膨胀和松弛——从而有效地平滑脉冲。

基材载台（Substrate Stage） - 载台震颤缺陷取决于所使用的系统类型。在使用辊筒的卷对卷工艺中，辊筒的形状或驱动辊筒的马达可能是缺陷的根源。通过检查缺陷之间的距离与辊筒的周长，可以确定缺陷是否由辊筒引起。

对于线性载台（通常用于片对片沉积），震颤可能取决于载台表面的缺陷或马达步进速率的问题。如果缺陷出现在基材的相同位置，问题很可能是由于载台表面的局部缺陷引起的。对于沿长度方向以规则间隔出现的缺陷，震颤很可能是由马达引起的。

真空箱（Vacuum Boxes） - 在一些系统中，真空箱被集成到狭缝头的上游唇口，以克服最小厚度限制。真空箱背景压力的变化会导致涂层珠的稳定性和位置发生变化。背景压力的变化可能是由以下问题引起的：

腔室泄漏

所用真空泵的问题

将涂层中缺陷的频率与真空压力的变化联系起来可能很困难，因为如果是泄漏引起的，这些变化可能不总是规则间隔的。

条纹（Ribbing）

条纹与震颤相似。然而，缺陷沿着涂层的长度方向出现，在涂层的宽度上间隔规则。条纹的特征是：

沿着涂层长度的线条，薄膜的厚度相对于薄膜的其余部分减少。

通常包括跨越整个涂层宽度的多条线。

一些条纹可能表现为单线缺陷。这些条纹的根源与多条条纹不同。

当上游弯月面向狭缝出口后退时会出现条纹。这可能是由于：

高剪切力，由于快速的基材速度将动态接触点向下游移动

狭缝出口处低压，由于低粘度或大的垫片厚度

基材和狭缝头之间间隙宽导致上游压力降低

涂布头或狭缝进料处的局部缺陷在流动中形成涡流

剪切力 vs 流动压力（Shear Force vs Flow Pressure） - 弯月面的位置最终取决于基材液体界面处的剪切力和流经狭窄通道的压力之间的平衡。通过平衡这两者，弯月面可以稳定下来。可以通过减少剪切力或增加流动压力，使涂层珠返回到稳定涂布窗口。这可以通过以下方式完成：

降低基材速度以减少剪切力。

增加溶液流速以增加流动压力。

减小上游唇口和基材之间的距离以增加流动压力。

如果无法更改上述参数，可以使用其他方法来减少条纹的存在。这些方法是：

减小垫片厚度以增加出口处的压力。

增加溶液粘度以增加流动压力。

添加真空箱以增加上游压力梯度。

由于这些方法需要停止涂布过程，因此应视为消除条纹缺陷的最后选择。

局部缺陷（Localised Defects） - 有时条纹的存在是由于狭缝头上的局部缺陷造成的——这些缺陷可能在唇口上，或在进料狭缝内——并可能导致局部涡流的形成，从而引起局部流速下降。这些缺陷可能由于处理不当损坏狭缝头、狭缝进料中材料聚集或狭缝头设计不良引起。狭缝头的损坏可以通过抛光表面去除划痕来修复。为了减少聚集，系统需要清洗，溶液需要重新配制。

颈缩（Neck-In）

颈缩缺陷出现在涂层的整个长度上，就在边缘处。颈缩缺陷的特征是：

薄膜涂层宽度沿着基材的移动长度逐渐减小。

薄膜边缘增厚，随着涂层宽度的减小，边缘处的厚度增加变得更加显著。

颈缩缺陷的根源在于：

从唇口和基材之间的受限溶液流向塞状流（plug flow）的转变导致流动动力学发生变化。

流速和基材速度不匹配导致流体加速和剪切力。

剪切力导致涂层珠向中心收缩，导致边缘流速更高。

流动动力学的变化（Changes in Flow Dynamics） - 从受限通道泊肃叶流向塞状流的转变发生在唇口和基材之间的间隙高度增加时。当溶液无法再与狭缝唇口形成弯月面时（当狭缝涂布转变为帘式涂布时）会发生这种情况。间隙越大，发生的颈缩程度越高——因此降低间隙高度可以减少颈缩缺陷的出现。

溶液加速（Solution Acceleration） - 溶液流速和涂层基材速度之间的差异会导致溶液沿着基材移动方向加速。这导致形成剪切力，使帘或珠的边缘向涂层中心后退，导致颈缩。降低涂布基材速度可以减少颈缩的出现（如果这是原因的话），此外，较小的垫片厚度会增加溶液离开间隙的速度，从而实现基材和溶液之间更好的速度匹配。

溶液收缩（Solution Contraction） - 这可能会受到溶液性质的影响。例如，具有高粘度和高表面张力的溶液通常会出现更高程度的颈缩。这些溶液类型的溶剂分子之间具有很强的相互作用。对于具有高表面张力的溶液，添加表面活性剂有助于减少这些相互作用。

边缘缺陷（Edge Defects）

边缘缺陷可能出现在涂层的所有边缘上。然而，在卷对卷系统中持续运行时，涂层的前缘和后缘不被视为问题。边缘缺陷的特征是：

涂层薄膜边缘处的厚度变化，通常表现为边缘区域增厚。

涂层边缘位置的变化。对于前沿和尾缘（leading and trailing edges），这些通常是弯曲的而不是直的；对于侧边缘，它们可以沿着涂层长度方向内外移动。

边缘缺陷的根源在于：

涂层开启和关闭之间的过渡是前沿和尾缘边缘缺陷的主要原因。

溶液的表面张力和粘弹性性质会导致沉积和干燥阶段湿膜的移动。

基材上不同区域的表面能差异会改变溶液在表面的润湿方式。

尾缘和前沿过渡（Trailing and Leading-Edge Transition） - 尾缘和前沿缺陷的主要原因是涂层珠稳定化和失稳化的速率。通过改变加工步骤以故意在末端失稳涂层珠，可以使该边缘清晰。这可以通过停止流向涂布头的溶液——或者甚至通过将溶液从涂层珠中抽回（drawing solution back）来实现。也可以提高基材速度以快速剪切涂层珠。对于更先进的系统，狭缝头可以从表面缩回以快速增加狭缝和基材之间的距离。结合所有这些方法可以得到非常清晰的涂层边缘——尤其是在处理间歇涂布时。

溶液性质（Solution Properties） - 在较低粘度下，溶液的表面张力主导这种边缘增厚。通过降低表面张力并改善溶液在基材上的润湿性，可以将边缘增厚保持在几毫米的区域内。对于高粘度溶液，表面张力对边缘缺陷的贡献很小，改变溶液的表面张力不太可能改善边缘质量。对于发生溶液压缩和膨胀的粘弹性材料，狭缝出口末端的压力下降会发生膨胀。这会导致涂层宽度和厚度的变化。

不幸的是，消除所有边缘缺陷极其困难，需要复杂的工程。一些方法示例：使用空气喷射去除涂层珠，使用刮刀剪切增厚区域，或在狭缝出口边缘引入溶剂以稀释涂层珠边缘的溶液。通常，可接受的涂层边缘缺陷尺寸在几毫米左右，许多基材通过在边缘设置牺牲涂层区域（可以去除）来解决这个问题。

表面处理（Surface Treatment） - 湿膜可以固定在特定位置以改善涂层边缘的清晰度。这可以通过在需要润湿薄膜的特定位置处理基材表面来实现。一种方法是使用 UV 臭氧处理以降低基材特定位置的表面能。这将导致在处理的区域优先润湿，从而获得清晰定义的涂层位置。

通常，边缘缺陷仅在处理大规模生产时才是一个主要问题。在小规模原型制作中，通常使用牺牲区域（以允许边缘缺陷存在）。然而，在卷对卷或片对片工艺（吞吐量高）中，较厚的区域干燥时间较慢，如果这些区域仍然湿润，可能会导致设备污染。在卷对卷系统中，较厚的区域可能导致卷材无法正确卷绕，并且如果在生产线更下游使用接触式印刷方法，涂层区域的中心可能无法像外边缘那样良好接触。

条痕（Streaks）

条痕是湿膜涂布技术中的常见特征，可能源于多种来源。条痕缺陷的特征是：

从某一点开始并向上游延伸的单个线缺陷——看起来类似于彗星。缺陷的下游面出现材料堆积，而上游则出现厚度减小的线条。

沿着涂层长度延伸的厚度减小的细长线条。

条痕缺陷的根源在于：

基材缺陷，例如灰尘或污垢颗粒阻碍了溶液流动，在污垢颗粒存在的位置形成条痕缺陷。

狭缝头内或唇口处的障碍物会导致厚度减小的延伸线条，甚至未涂布区域。这些障碍物要么是狭缝进料内的聚集体，要么是尺寸足以卡在唇口和基材之间的灰尘颗粒。

狭缝头的损坏会导致薄膜中出现条痕缺陷，这是由于该特定位置的涂层珠失稳造成的。

基材缺陷（Substrate Defects） - 基材表面存在灰尘和污垢是湿膜涂布技术不可避免的问题。清洁基材将去除污垢和灰尘。然而，空气中的灰尘颗粒会随着时间的推移重新污染基材。通过在洁净室环境中工作（灰尘颗粒的存在被最小化），可以减少这种情况发生的机会。在线工艺通常在基材到达狭缝涂布机之前集成高压空气喷射或橡胶刮刀，以吹走或推开表面的灰尘颗粒。

障碍物（Obstructions） - 在存在大灰尘颗粒且狭缝唇口和基材之间的间隙大致与这些颗粒尺寸相同的区域，可能会发生上游或下游唇口的阻塞。这导致涂层珠失稳并形成条痕。上述减少和去除基材上这些灰尘颗粒的步骤可以使用，但这些方法永远不会 100% 成功。其他方法（例如快速振荡狭缝头）可用于清除这些卡住的颗粒。

形成条痕缺陷的另一个障碍源是狭缝涂布机进料狭缝内的障碍物——那里的通道宽度很小。这里，溶液中形成的任何可能的聚集体都可能被卡住并扰乱下游的溶液流动。如果聚集体在您使用的溶液中成为显著问题，您可能需要重新配制墨水以减少聚集体的存在。减少这些障碍物机会的简单方法是增加通过涂布头的流速（以减少停留时间），或增加狭缝通道宽度。更先进的方法可以包括向狭缝头添加加热元件，或添加一个内部刮刀（wiper），可以快速扫过整个进料通道宽度以清除卡住的聚集体。

最后一种障碍源是在溶液到达狭缝头之前夹带的空气。这种夹带的空气导致形成气泡，这些气泡可能卡在进料狭缝以及唇口和基材之间。为了帮助防止这种情况，溶液在进入系统前应过滤和脱气。此外，应检查用于输送溶液的连接器和适配器是否有任何潜在的泄漏。

狭缝头损坏（Slot Die Head Damage） - 尽管狭缝头由坚固材料（如不锈钢）制成，但在关键区域（如狭缝唇口）可能会发生损坏。狭缝头应小心处理和存放，以减少任何损坏的机会——尤其是唇口和进料通道。如果发生任何损坏，小的划痕可以通过使用低粒度的研磨膜去除。对于涂布头中的大凹痕，可以铣削该区域以平滑损坏的区域——或者可能需要更换涂布头。

气泡（Bubbles）

气泡可能出现在涂布过程中薄膜的任何位置。气泡缺陷的特征是：

圆形或椭圆形的薄膜缺陷。这些缺陷的大小可以变化。

出现气泡缺陷处的薄膜厚度会显著变薄，或者可能根本不包含任何材料。

沿涂层宽度的缺陷位置是随机的。

气泡的根源在于：

原始溶液在进入泵送系统时夹带空气。

流体输送系统内泄漏导致空气夹带。

上游或下游弯月面失稳导致空气夹带。

空气夹带（Air Entrainment） - 空气夹带是指溶液在进入溶液计量系统之前夹带了空气。这可能发生在溶液制备过程中的几个原因，例如将溶液装入泵送储液罐，或溶液管线的设置和冲洗不正确。对于高粘度溶液，气泡的存在通常被放大，因为它们具有更长的寿命。此外，低表面张力会导致形成更多气泡——尤其是在使用表面活性剂产生这些低表面张力的情况下。

溶液在放入流体输送系统之前应进行脱气。如果存在气泡缺陷问题，在将溶液装入流体泵储液罐时应格外小心。溶液计量系统应保持低于狭缝组件的高度，并且应避免管道弯曲，以在最初冲洗管线时减少截留空气气泡的机会。

管线泄漏（Leaks in the Lines） - 管线可能发生泄漏，会在溶液进入狭缝头之前将气泡引入溶液中。这些泄漏最可能发生在使用连接器和适配器的地方。检查所有连接是否气密——使用 PTFE 胶带（用于密封螺纹）可以帮助保持紧密密封。

弯月面夹带（Meniscus Entrapment） - 当涂布过程离开稳定涂布区域时，上游和下游弯月面的位置都会向内移动。由于这些弯月面的位置相当动态，它们可能（在局部区域内）在稳定和不稳定之间振荡。这可能导致空气被截留在湿膜内，形成气泡缺陷。通过将涂布过程更深地移入稳定涂布窗口，可以显著减少弯月面位置的这些随机波动——从而减少气泡缺陷的存在。通常，为了将加工返回到稳定涂布窗口，应降低间隙厚度比（gap-to-thickness ratio）。这可以通过将狭缝涂布唇口移近基材、降低基材速度或增加溶液流速来实现。

首尾缺陷（Leads and Tails）

该过程也可能因首尾（Leads and Tails）缺陷的形成而复杂化。首部（Lead）是涂层开始处尚未达到稳定状态的区域。在此区域，涂层未达到正确厚度，这限制了适合测试器件的区域。尾部（Tail）出现在涂层末端，并存在类似问题。仔细的狭缝头引液（priming）以及合适的涂布条件可以消除这些问题。