Войти
Глубокая печать электронных структур на бумаге Печатная электроника - это набор методов печати, используемых для создания электрических устройств на различных подложках. Для печати обычно используется обычное печатное оборудование, подходящее для определения узоров на материале, такое как трафаретная печать, флексография, глубокая печать, офсетная литография и струйный. По стандартам электронной промышленности это недорогие процессы. На подложку наносятся электрически функциональные электронные или оптические чернила, образуя активные или пассивные устройства, такие как тонкопленочные транзисторы ; конденсаторы; катушки; резисторы. Ожидается, что печатная электроника будет способствовать распространению очень недорогой и низкопроизводительной электроники для таких приложений, как гибкие дисплеи, смарт-этикетки, декоративные и анимированные плакаты и активная одежда, которая не требуется высокая производительность.
Термин «печатная электроника» часто связан с органической электроникой или пластиковой электроникой, в которой одна или несколько чернил состоят из соединений на основе углерода. Эти другие термины относятся к чернильному материалу, который можно наносить с помощью растворов, вакуума или других процессов. Печатная электроника, напротив, определяет процесс и, в зависимости от конкретных требований выбранного процесса печати, может использовать любой материал на основе раствора. Сюда входят органические полупроводники, неорганические полупроводники, металлические проводники, наночастицы и нанотрубки.
Для подготовки печатных электроника почти все методы промышленной печати. Подобно традиционной печати, печатная электроника наносит слои краски один на другой. Таким образом, последовательная разработка методов печати и чернильных материалов - важнейшие задачи отрасли.
Самым важным преимуществом печати является дешевое серийное производство. Более низкая стоимость позволяет использовать больше приложений. Примером могут служить RFID -системы, позволяющие бесконтактную идентификацию в торговле и на транспорте. В некоторых областях, таких как светодиоды, печать не влияет на производительность. Печать на гибких подложках позволяет размещать электронику на изогнутых поверхностях, например, печатать солнечные элементы на крышах транспортных средств. Обычно обычные полупроводники оправдывают свою гораздо более высокую стоимость, обеспечивая гораздо более высокие характеристики.
Печатная и обычная электроника как дополнительные технологии. Максимально необходимое разрешение структуры в обычной печати определяется человеческим глазом. Элементы размером менее приблизительно 20 мкм не могут быть различимы человеческим глазом и, следовательно, превышают возможности традиционных процессов печати. Напротив, более высокое разрешение и меньшие структуры необходимы при печати большого количества электроники, потому что они напрямую влияют на плотность и функциональность схем (особенно транзисторов). Аналогичное требование относится к точности, с которой слои печатаются друг над другом (совмещение слоев).
Контроль толщины, отверстий и совместимости материалов (смачивание, адгезия, растворимость) важен, но имеет значение при традиционной печати только в том случае, если глаз может их обнаружить. И наоборот, визуальное впечатление не имеет значения для печатной электроники.
Привлечение технологии печати для изготовления электроники в основном связано с возможностью подготовки стопок микроструктурированных слоев (и Таким образом, тонкопленочные устройства) намного проще и экономичнее по сравнению с традиционной электроникой. Также важную роль играет возможность реализации новых или улучшенных функций (например, механической гибкости). Выбор используемого метода печати определяется требованиями к напечатанным слоям, свойствами печатных материалов, а также экономическими и техническими соображениями конечной печатной продукции.
Технологии печати делятся на подходы на основе листов и рулонов. Листовая струйная и трафаретная печать лучше всего подходят для небольших объемов высокоточных работ. Глубокая, офсетная и флексографская печать более распространены для крупносерийного производства, такого как солнечные элементы, достигая 10 000 квадратных метров в час (м² / ч). В то время как офсетная и флексографическая печать в основном используются для неорганических и органических проводников (последние также для диэлектриков), глубокая печать особенно подходит для чувствительных к качеству слоев, таких как органические полупроводники и интерфейсы полупроводник / диэлектрик в транзисторах. на высокое качество слоя. Если требуется высокое разрешение, глубокая печать также подходит для неорганических и органических проводников. Органические полевые транзисторы и интегральные схемы могут быть полностью изготовлены с помощью методов массовой печати.
Струйная печать гибка и универсален и может быть установлен с относительно небольшими усилиями. Однако струйные принтеры обеспечивают более низкую производительность - около 100 м / ч и более низкое разрешение (около 50 мкм). Он хорошо подходит для растворимых материалов с низкой вязкостью, таких как органические полупроводники. С материалами с высокой вязкостью, такими как органические диэлектрики, и дисперсными частицами, такими как неорганические металлические чернила, возникают трудности из-за засорения сопел. Поскольку чернила наносятся в виде капель, толщина и однородность дисперсии уменьшаются. Использование нескольких сопел одновременно и предварительное структурирование подложки позволяет повысить производительность и разрешение соответственно. Однако в последнем случае на этапе фактического формирования рисунка необходимо использовать методы без печати. Струйная печать предпочтительна для органических полупроводников в органических полевых транзисторах (OFET) и органических светодиодах (OLED), но также были продемонстрированы OFET, полностью изготовленные этим методом. Передние панели и объединительные панели OLED-дисплеев, интегральных схем, органических фотоэлектрических элементов (OPVC) и других устройств могут быть изготовлены с помощью струйных принтеров.
Трафаретная печать подходит для изготовления электрики и электроники из-за ее способности создавать узорчатые толстые слои из пастообразных материалов. Этот метод позволяет производить проводящие линии из неорганических материалов (например, для печатных плат и антенн), а также изолирующие и пассивирующие слои, при этом толщина слоя более важна, чем высокое разрешение. Его пропускная способность 50 м² / ч и разрешение 100 мкм аналогичны струйным. Этот универсальный и сравнительно простой метод используется в основном для проводящих и диэлектрических слоев, а также для органических полупроводников, например для OPVC и даже полные OFET могут быть напечатаны.
Аэрозольная струйная печать (также известная как осаждение мезомасштабных материалов без маски или M3D) - еще одна технология нанесения материалов для печатной электроники. Процесс аэрозольной струи начинается с распыления чернил с помощью ультразвуковых или пневматических средств, в результате чего образуются капли диаметром от одного до двух микрометров. Затем капли проходят через виртуальный ударный элемент, который отклоняет капли с меньшим импульсом от потока. Этот шаг помогает поддерживать плотное распределение капель по размеру. Капли уносятся потоком газа и доставляются к печатающей головке. Здесь кольцевой поток чистого газа вводится вокруг потока аэрозоля для фокусировки капель в плотно сколлимированный пучок материала. Объединенные газовые потоки выходят из печатающей головки через сужающееся сопло, которое сжимает поток аэрозоля до диаметра всего 10 мкм. Струя капель выходит из печатающей головки с высокой скоростью (~ 50 метров в секунду) и падает на подложку.
Электрические межсоединения, пассивные и активные компоненты образуются путем перемещения печатающей головки, снабженной механической заслонкой остановки / запуска, относительно подложки. Получаемые в результате рисунки могут иметь элементы шириной от 10 мкм с толщиной слоя от десятков нанометров до>10 мкм. Печатающая головка с широким соплом позволяет эффективно наносить рисунок на электронные элементы миллиметрового размера и наносить покрытия на поверхности. Вся печать происходит без использования вакуумных или барокамер. Высокая скорость выхода струи обеспечивает относительно большое расстояние между печатающей головкой и подложкой, обычно 2–5 мм. Капли остаются плотно сфокусированными на этом расстоянии, что дает возможность печатать конформные узоры на трехмерных подложках.
Несмотря на высокую скорость, процесс печати щадящий; Повреждения подложки не происходит, и обычно наблюдается минимальное разбрызгивание или чрезмерное распыление капель. После завершения формирования рисунка печатная краска обычно требует дополнительной обработки для достижения окончательных электрических и механических свойств. Последующая обработка в большей степени зависит от конкретной комбинации краски и подложки, чем от процесса печати. Широкий спектр материалов был успешно нанесен с помощью процесса аэрозольной струи, включая разбавленные толстопленочные пасты, чернила с наночастицами, термореактивные полимеры, такие как УФ-отверждаемые эпоксидные смолы, и полимеры на основе растворителей, такие как полиуретан и полиимид, и биологические материалы.
Недавно было предложено использовать бумагу для печати в качестве основы для печати. На складываемой и доступной офисной бумаге для печати можно печатать высокопроводящие (близкие к объемной меди) следы с высоким разрешением при температуре отверждения 80 ° C и времени отверждения 40 минут.
Печать с испарением использует комбинацию высокоточной трафаретной печати с испарением материала для печати элементов размером 5 мкм. В этом методе используются такие методы, как термическое, электронно-лучевое, распыление и другие традиционные производственные технологии для нанесения материалов через высокоточную теневую маску (или трафарет), которая регистрируется на подложке с точностью более 1 микрометра. Посредством наслоения различных конструкций масок и / или корректировки материалов надежные и экономичные схемы могут быть созданы аддитивно без использования фотолитографии.
Представляют интерес другие методы, похожие на печать, среди которых микроконтактная печать и литография с нано-отпечатком. Здесь слои размером мкм и нм соответственно получают методами, аналогичными штамповке с мягкими и твердыми формами соответственно. Часто фактические структуры готовятся субтрактивно, например нанесением масок травления или процессами снятия. Например, могут быть изготовлены электроды для OFET. Спорадически тампонная печать используется аналогичным образом. Иногда так называемые методы переноса, когда твердые слои переносятся с носителя на основу, считаются печатной электроникой. Электрофотография в настоящее время не используется в печатной электронике.
В печатной электронике используются как органические, так и неорганические материалы. Чернила должны быть доступны в жидкой форме, в виде раствора, дисперсии или суспензии. Они должны функционировать как проводники, полупроводники, диэлектрики или изоляторы. Затраты на материалы должны соответствовать применению.
Электронные функции и возможности печати могут мешать друг другу, требуя тщательной оптимизации. Например, более высокая молекулярная масса полимеров увеличивает проводимость, но снижает растворимость. Для печати необходимо строго контролировать вязкость, поверхностное натяжение и твердое содержание. Межслойные взаимодействия, такие как смачивание, адгезия и растворимость, а также процедуры сушки после осаждения влияют на результат. Присадки, часто используемые в обычных типографских красках, недоступны, потому что они часто нарушают электронные функции.
Свойства материалов во многом определяют различия между печатной и обычной электроникой. Материалы для печати обеспечивают решающие преимущества помимо возможности печати, такие как механическая гибкость и функциональная регулировка путем химической модификации (например, светлый цвет в OLED).
Печатные проводники обеспечивают более низкую проводимость и подвижность носителей заряда.
С За немногими исключениями, неорганические чернила представляют собой дисперсии металлических или полупроводниковых микро- и наночастиц. Используемые полупроводниковые наночастицы включают кремний и оксидные полупроводники. Кремний также печатается как органический предшественник, который затем путем пиролиза и отжига превращается в кристаллический кремний.
PMOS, но не CMOS возможны в печатной электронике.
Органическая печатная электроника объединяет знания и разработки из полиграфии, электроники, химии, и материаловедение, особенно органическая химия и химия полимеров. Органические материалы частично отличаются от обычной электроники с точки зрения структуры, работы и функциональности, что влияет на конструкцию и оптимизацию устройства и схемы, а также на метод производства.
Открытие сопряженных полимеров и их разработка растворимых материалов дала первые органические чернила. Материалы из этого класса полимеров по-разному обладают проводящими, полупроводниковыми, электролюминесцентными, фотоэлектрическими и другими свойствами. Другие полимеры используются в основном в качестве изоляторов и диэлектриков.
В большинстве органических материалов перенос дырок предпочтительнее транспорта электронов. Недавние исследования показывают, что это особенность границ раздела органических полупроводников и диэлектриков, которые играют важную роль в OFET. Следовательно, устройства p-типа должны преобладать над устройствами n-типа. Прочность (стойкость к диспергированию) и срок службы меньше, чем у обычных материалов.
Органические полупроводники включают проводящие полимеры поли (3,4-этилендиокситиофен), легированные поли (стиролом сульфонат ), (PEDOT: PSS ) и поли (анилин ) (PANI). Оба полимера коммерчески доступны в различных составах и напечатаны с использованием струйной, трафаретной и офсетной печати или трафаретной, флексографской и глубокой печати соответственно.
Полимерные полупроводники обрабатываются с использованием струйной печати, такие как поли (тиопен) s подобный поли (3-гексилтиофен) (P3HT) и сополимер 9,9-диоктилфлуоренобитиофена) ( F8T2). Последний материал также был напечатан глубокой печатью. При струйной печати используются различные электролюминесцентные полимеры, а также активные материалы для фотогальваники (например, смеси P3HT с производными фуллерена ), которые частично также могут быть нанесены с помощью трафаретной печати (например, смеси поли (фениленвинилена) с производными фуллерена).
Существуют пригодные для печати органические и неорганические изоляторы и диэлектрики, которые можно обрабатывать различными методами печати.
Неорганическая электроника предоставляет высокоупорядоченные слои и интерфейсы, которые не могут обеспечить органические и полимерные материалы.
Наночастицы серебра используются во флексографской, офсетной и струйной печати. Частицы золота используются в струйной печати.
A.C. электролюминесцентные (EL) многоцветные дисплеи могут занимать многие десятки квадратных метров или могут быть встроены в циферблаты и дисплеи приборов. Они включают от шести до восьми напечатанных неорганических слоев, включая люминофор, легированный медью, на подложке из пластиковой пленки.
Ячейки CIGS могут быть напечатаны непосредственно на молибденовом покрытом листы стекла.
Напечатанные солнечные элементы из арсенида галлия и германия продемонстрировали эффективность преобразования 40,7%, что в восемь раз больше, чем у лучших органических элементов, приближаясь к лучшим характеристикам кристаллического кремния.
Печатная электроника позволяет использовать гибкие подложки, что снижает производственные затраты и позволяет изготавливать механически гибкие схемы. В то время как струйная и трафаретная печать обычно печатают на жестких подложках, таких как стекло и кремний, в методах массовой печати почти исключительно используются гибкая фольга и бумага. Поли (этилентерефталат) -фольга (ПЭТ) является обычным выбором из-за ее низкой стоимости и умеренно высокой температурной стабильности. Поли (этиленнафталат) - (PEN) и поли (имид) -фольга (PI) - это более эффективные и более дорогие альтернативы. Низкая стоимость бумаги и широкое применение делают ее привлекательной подложкой, однако ее высокая шероховатость и высокая смачиваемость традиционно делали ее проблематичной для электроники. Однако это активная область исследований, и были продемонстрированы совместимые с печатью методы осаждения металла, которые адаптируются к грубой трехмерной геометрии поверхности бумаги.
Другими важными критериями подложки являются низкая шероховатость и подходящая смачиваемость, которую можно регулировать перед предварительной обработкой с помощью покрытия или коронного разряда. В отличие от обычной печати высокая впитывающая способность обычно невыгодна.
Альберт Хансон, немец по происхождению, считается автором концепции печатной электроники. в 1903 году он заполнил патент на «Печатные провода», и так родилась печатная электроника. Хэнсон предложил формировать рисунок печатной платы на медной фольге путем вырезания или штамповки. Нарисованные элементы приклеивались к диэлектрику, в данном случае к парафинированной бумаге. Первая печатная схема была изготовлена в 1936 году Полом Эйслером, и этот процесс использовался для крупномасштабного производства радиоприемников в США во время Второй мировой войны. Технология печатных схем была выпущена для коммерческого использования в США в 1948 году (Printed Circuits Handbook, 1995). За более чем полвека с момента своего создания печатная электроника прошла путь от производства печатных плат (ПП) через повседневное использование мембранных переключателей до сегодняшних RFID, фотоэлектрических и электролюминесцентных технологий. Сегодня практически невозможно оглянуться вокруг современного американского дома и не увидеть устройств, в которых используются печатные электронные компоненты или которые являются прямым результатом использования печатных электронных технологий. Широкое производство печатной электроники для домашнего использования началось в 1960-х годах, когда печатные платы стали основой всей бытовой электроники. С тех пор печатная электроника стала краеугольным камнем во многих новых коммерческих продуктах.
Самая большая тенденция в новейшей истории, когда дело касается печатной электроники, - это широкое использование ее в солнечных элементах. В 2011 году исследователи из Массачусетского технологического института с помощью струйной печати на обычной бумаге создали гибкий солнечный элемент. В 2018 году исследователи из Университета Райса разработали органические солнечные элементы, которые можно наносить на поверхность краской или печатать. Эти солнечные элементы показали максимальную эффективность пятнадцати процентов. Konarka Technologies, ныне несуществующая компания в США, была пионером в производстве струйных солнечных элементов. Сегодня более пятидесяти компаний в разных странах производят печатные солнечные элементы.
Несмотря на то, что печатная электроника существует с 1960-х годов, ожидается, что она будет иметь большой бум общих доходов. По состоянию на 2011 год общая выручка от печатной электронной продукции составила 12,385 млрд долларов США. В отчете IDTechEx прогнозируется, что к 2027 году рынок полиэтилена достигнет 330 (миллиардов) долларов. Основной причиной такого увеличения доходов является внедрение печатной электроники в мобильные телефоны. Nokia была одной из компаний, первопроходцев идеи создания телефона «Морф» с использованием печатной электроники. С тех пор Apple внедрила эту технологию в свои устройства iPhone XS, XS Max и XR. Печатная электроника может использоваться для изготовления всех следующих компонентов мобильного телефона: 3D-антенна, GPS-антенна, накопитель энергии, 3D-соединения, многослойная печатная плата, краевые цепи, перемычки ITO, герметичные уплотнения, упаковка светодиодов и тактильная обратная связь.
Благодаря революционным открытиям и преимуществам, которые печатная электроника дает компаниям, многие крупные компании недавно инвестировали в эту технологию. В 2007 году Soligie Inc. и Thinfilm Electronics заключили соглашение об объединении IP-адресов для материалов с растворимой памятью и печати функциональных материалов для разработки печатной памяти в коммерческих объемах. LG объявляет о значительных инвестициях, потенциально в размере 8,71 миллиарда долларов в OLED на пластике. Sharp (Foxconn) инвестирует 570 млн долларов в пилотную линию для OLED-дисплеев. Банк Англии объявляет о потенциальном выпуске гибкой AMOLED-фабрики на сумму 6,8 млрд долларов. Heliatek получил 80 млн евро дополнительного финансирования для производства ОПВ в Дрездене. PragmatIC привлек ~ 20 млн евро от инвесторов, включая Эйвери Деннисон. Thinfilm инвестирует в новую производственную площадку в Кремниевой долине (ранее принадлежавшей Qualcomm). Cambrios снова в бизнесе после приобретения TPK.
Печатная электроника используется или рассматривается для:
Норвежская компания ThinFilm продемонстрировала органическую память с рулонной печатью в 2009.
Технические стандарты и инициативы по составлению дорожных карт предназначены для содействия развитию цепочки создания стоимости (для обмена спецификациями продуктов, характеристика стандарты и т. Д.) Эта стратегия разработки стандартов отражает подход, который использовался кремниевой электроникой в течение последних 50 лет. Инициативы включают:
IPC - Association Connecting Electronics Industries опубликовала три стандарта для печатной продукции. электроника. Все три были опубликованы в сотрудничестве с Японской ассоциацией электронных блоков и схем (JPCA):
Эти и другие разрабатываемые стандарты являются частью инициативы IPC по печатной электронике.
Портал электроники 