印刷微电子

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2 印刷微电子

2.1印刷微电子概述

印刷微电子就是基于印刷原理的电子学。传统微电子学从单晶硅衬底材料的制备到在硅单晶体上形成晶体管与互连线所需要的薄膜沉积、光刻、刻蚀、封装等，所涉及的工艺程序多达数百项。并且由于传统微电子的加工设备价值昂贵，传统的微电子行业被一些大公司垄断。反观传统的印刷行业工艺简单，加工设备便宜。加之PCB、TFT、LCD、PDP等技术的成熟使用，更激发采用传统印刷方式制作微电子的设备的想法。

传统微纳米工艺中对单晶硅的一系列操作对比与平面印刷中彩色的套印过程有极高的相似度。只不过是所处理的对象和采用的精度不同。传统的微电子行业是对单晶硅上进行的光刻,腐蚀,在对衬底进行沉积.等于传统彩色印刷中,通过CMYK四种色料的叠加。简而言之，两者都是对衬底的腐蚀与材料的叠加。

采用印刷的方式来制作微电子具有制作工艺简单、生产成本低廉、选材的范围广泛、易于大面积批量制备、柔性化。但是印刷微电子相对于成熟的传统微电子行业来说也具有一些劣势。最重要的传统的微电子行业已经可以到达纳米级别的加工工艺，但是采用印刷工艺最多只能达到微米级别的技术。

在印刷微电子技术中最难的地方就是印刷油墨的制备和微电子器件的成型。对印刷油墨必须具有良好的电学性能，又必须具备成膜性和一定的黏着性。目前国内外的研究的油墨大致分为两种：一是通过对传统导电材料的处理使之具有良好的电学性能又具备印刷所需的适应性要求。由于金属银具有的导电性好、化学性质稳定、价格相对低廉的特点，逐渐成为金属导电油墨的研究主流，在可溶性银化合物和银纳米颗粒两大领域已经实现商业化销售。另一是导电高分子材料油墨的研究。1977年日本科学家和美国科学家合作发现通过掺杂可以使聚乙炔薄膜成为良导体。使得导电成为一个热门研究领域。一般高分子的流动性和粘着性相对于金属材料来的优良。由于要兼顾印刷适性，油墨的均匀与否、油墨中加入一些助剂，都会对最后形成油墨的电导率、载流子迁移率等形成影响[1]。

传统印刷一般可以分为直接印刷和间接印刷两种。由于间接印刷对油墨的粘着性要求比较高，所以印刷微电子偏好于直接印刷。间接印刷在光伏电池也得到很好的应用。传统的喷墨打印是指在计算机控制下将 油墨喷射并构成点阵图片。虽然在传统印刷中已经渐渐抛弃传统的喷墨打印方式。由于喷墨打印技术与传统的微电子技术有极高的相似。理论上各种电子元件都可以采用喷墨打印实现。且目前国内外已成功的利用喷墨技术研制出各种电子元器件：场效应晶体管、传感器、存储器、电阻、电容、电感等。喷墨印刷除了对油墨的要求还对喷头由很高的要求。因为喷墨印刷是非接触印刷，油墨在喷头与承印物易飞溅形成卫星点。且喷头易堵塞。油墨干燥过程还决定最终的成膜性[2]。

本文研究采用的是喷墨打印机。

2.2印刷微电子的特点及应用

由于印刷微电子的这些特性使得印刷微电子有区别于传统的微电子工艺的很多特征：

1.印制技术的导入简化电子产品制造工艺。任何电子设备必定有相关元器件和零件组成，通常是由印制板（PCB）承担了元器件的支撑和连接作用。印制电子产品兼有PCB作用，可代替PCB。印制电子制造是采用直接印制图形的方法，与PCB及PCBA(装配)制造相比基本流程如图,显然印制电子比前者工序简化约一半。

2.把电子电路与元器件集合在一起，连接可靠。通常的PCB仅是PWB(印制线路板), 成为电路功能的元件是后装上去的，即由PCBA完成。而印制电子是在基材上既有线路又有元件，都由印制完成，成为真正的电子电路。而且印制电子产品的元件与线路是完整一体，连接可靠性高。

3.产品轻薄、可挠曲，减少体积与重量，适合各种形状要求。印制电子产品基材以有机薄膜为主, 具有可挠曲、轻薄的特点，其印制形成的元件是厚膜型的，相比PCB上安装的元件要轻薄。因此印制电子具有挠性印制板(FPC)的优点，又胜过FPC。

4.省料省工，减少成本。印制电子用有机薄膜和各种油墨材料的成本，低于PCB用覆铜箔板和各种化工材料；印制电子加工过程也少于PCB和PCBA，而且印制电子又可以成卷加工(R2R)；由于加工过程简单，印制电子用生产设备投资也没有PCB和PCBA复杂；因此印制电子适合低成本要求。

5.绿色生产，有利环境保护。印制电子生产废弃物极少，不需化学蚀刻和电镀工序，几何没有废水，是项清洁生产工艺技术。

基于以上的印刷微电子的种种特性使得印刷微电子具有广大的前景。印刷电子技术目前还处于产业发展的初期，但是已显现其市场规模具有很大的发展潜力。据调查数据显示，印刷电子技术和产业涉及面很广，包括能印制形成电路或者电子元器件的有机、无机或者合成材料，生成晶体管、显示器、传感器、光电管、电池、照明器件、导体和半导体等器件，以及互连电路的工艺与产品[1]。按照IDTechEx、OE-A和台湾工研院的资料介绍，印刷电子产品的应用领域归纳为下表2.1：

              表2.1 印刷微电子的应用领域

产品应用领域

印制电子产品

产品特点

半导体器件

薄膜晶体管(TFT)

RFID系统

逻辑电路、存储器

比硅基IC重量轻、体积小，

适于挠曲和低温装配，

比硅基半导体成本低。

显示

有机光电显示管(OLED)

有机光电广告屏

电子纸

电泳显示、电致变色显示、

场致发光显示、热显示等等

改善平板显示器强度,

可设计成卷曲的新产品,

适于成卷高效生产。

照明

有机发光二极管(OLED)

消耗电量少节能，

可分散、卷曲排列灯光，

成本低 适于成卷生产。

电源

薄膜太阳能电池

光伏

新颖环保、低成本电源，

重量轻、体积小，可卷曲。

传感

接触压力感应器

光电感应器

温度感应器等

用于不同结构的信号检测，

重量轻、体积小、成本低，

能用于生物产品中，

能挠曲与纤维织物结合。

其它

薄膜开关

重量轻、体积小、成本低