淺析印刷電子技術(shù)

文 孫加振 魏先福 黃蓓青

科技的發(fā)展讓人們愈發(fā)享受到便捷的生活，科學(xué)的進(jìn)步讓人們不斷更加清晰的認(rèn)識(shí)生活中的事物。隨著人們對(duì)生活品質(zhì)的無(wú)限追求，使得科技產(chǎn)品變得日新月異，應(yīng)用電子設(shè)備成為現(xiàn)代生活的重要一部分，如手機(jī)、電腦、液晶電視等?，F(xiàn)在人們對(duì)電子設(shè)備的要求主要集中在功能強(qiáng)大、產(chǎn)品安全、環(huán)保節(jié)能、舒適美觀(guān)等方面，因此，電子產(chǎn)品的多功能化、環(huán)境友好、小型輕薄、低成本化是其發(fā)展的必然。當(dāng)今電子產(chǎn)品更是涵蓋了通信、物流、展會(huì)、顯示、照明、廣告、包裝、汽車(chē)、醫(yī)療、保健、出版、時(shí)裝、軍事及一次性用途的各種電子產(chǎn)品，尤其是物聯(lián)網(wǎng)用電子產(chǎn)品的智能包裝等。因此，電子技術(shù)毫無(wú)疑問(wèn)是當(dāng)前人們享受科技進(jìn)步帶來(lái)的便捷生活的一個(gè)極為廣泛的需求，因此，相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題也就不斷的被相關(guān)科研工作者們提出、解決、應(yīng)用。本文結(jié)合印刷電子工藝技術(shù)特點(diǎn)的角度介紹了印刷電子技術(shù)相關(guān)發(fā)展應(yīng)用狀況，為相關(guān)科技工作者了解印刷電子技術(shù)方面的知識(shí)以及認(rèn)識(shí)印刷電子的發(fā)展意義提供技術(shù)資料，從而更好的發(fā)展印刷電子技術(shù)。

印刷電子的概念

印刷技術(shù)在制造電子產(chǎn)品中以其快速、大面積、精確可控等優(yōu)點(diǎn)，成為制備電子產(chǎn)品的一個(gè)極為重要的手段。其中作為四大印刷之一的絲網(wǎng)印刷技術(shù)，更是以其可控的油墨墨層實(shí)現(xiàn)圖像原稿再現(xiàn)，墨層厚度范圍可從1μm到300μm，承印尺寸范圍可在幾微米到幾平方米之間，承印物范圍廣泛，甚至承印材料呈液體或懸浮于液體中等優(yōu)點(diǎn)，在印刷電子領(lǐng)域更是發(fā)揮了重要作用。印刷電子技術(shù)是印刷技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合而形成的一門(mén)新興的綜合性前沿技術(shù)，自上世紀(jì)90年代以來(lái)，人們一直在探索是否可以像印刷報(bào)紙那樣大批量地印制各種電子元器件和電子線(xiàn)路，因?yàn)橹挥羞@樣，電子產(chǎn)品的制造成本才能大幅下降，從而實(shí)現(xiàn)普及化。

正在快速發(fā)展中的印刷電子技術(shù)（Printed Electronics Technology）顯然已經(jīng)形成為一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)，逐步引發(fā)了一場(chǎng)電子技術(shù)的革命。印刷電子技術(shù)的推進(jìn)應(yīng)用與材料科技、電子科技以及制造科技緊密相關(guān)，從而近些年電子電氣和化學(xué)材料領(lǐng)域的相關(guān)國(guó)際知名公司如西門(mén)子（Siemens）、因特爾（Intel）、摩托羅拉（Motorola）、東芝（Toshiba）、索尼（Sony）、飛利浦（Phillips）、三星（Samsung），樂(lè)金（LG）、惠普（HP）、通用（GE）、霍尼威爾（Honeywell）及巴斯夫（BASF）、杜邦（DuPont）、拜爾（Bayer）、默克（Merck）等紛紛拆巨資開(kāi)展印刷電子技術(shù)方面的研究。

歐盟早在第5、第6、第7框架計(jì)劃下已持續(xù)投入了數(shù)十億歐元進(jìn)行了研發(fā)，美國(guó)、日本、韓國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家也是如此。相關(guān)企業(yè)技術(shù)研發(fā)都致力于通過(guò)研究開(kāi)發(fā)、集成制造不同功能的低成本印刷電子產(chǎn)品，來(lái)滿(mǎn)足日常生活的各種用途。一些知名咨詢(xún)公司如英國(guó)IDTechEx、德國(guó)PolyIC、美國(guó)NanoMarkets分析認(rèn)為未來(lái)20年新興的印刷電子產(chǎn)業(yè)可以達(dá)到3000億美元，市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)逐步比硅電子產(chǎn)業(yè)還要大。印刷電子技術(shù)不僅會(huì)影響電子業(yè)、封裝業(yè)、硅芯片業(yè)和顯示業(yè)，而且對(duì)印刷電路板（PCB）和傳統(tǒng)印刷業(yè)等產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、升級(jí)都會(huì)造成巨大的影響。

印刷電子與傳統(tǒng)制造電子的比較

目前傳統(tǒng)的微電子集成電路技術(shù)發(fā)展已經(jīng)十分成熟，這是一種以半導(dǎo)體單晶硅為襯底材料的微電子集成電路技術(shù)，硅基集成電路制造工藝包括薄膜沉積、高溫?zé)Y(jié)、光刻、腐蝕、封裝等，這種傳統(tǒng)制造電子所采用的蝕刻制備方法稱(chēng)為“減法生產(chǎn)”。傳統(tǒng)集成電路制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于精度高、性能好，缺點(diǎn)則是成本高，而且蝕刻環(huán)節(jié)產(chǎn)生大量重金屬?gòu)U液，造成環(huán)境污染。另外，電子制造工藝中的高溫?zé)Y(jié)環(huán)節(jié)對(duì)襯底材料有一定要求，柔性襯底材料，比如塑料薄膜、紙張、纖維等上面很難實(shí)現(xiàn)電子的制造。

然而，印刷電子技術(shù)是將具有導(dǎo)電、介電或半導(dǎo)體性能的電子材料配成可以流暢印刷的功能油墨，按照所需電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)印刷圖案，通過(guò)印刷的方式將這些特殊油墨印刷到襯底材料上。通過(guò)印刷方法將功能油墨層層疊加制備，完成對(duì)集成電路的各組成部件的制造，這種用印刷的方式制造集成電路的方式是一種“加成法”。印刷加成制造技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，成本低，可實(shí)現(xiàn)大面積、大批量生產(chǎn)；免于蝕刻處理，沒(méi)有原材料浪費(fèi)，環(huán)保無(wú)污染。雖然目前在產(chǎn)品精度和性能上還無(wú)法與傳統(tǒng)制作技術(shù)抗衡，但它對(duì)襯底材料沒(méi)有耐高溫、硬度等要求，因而應(yīng)用范圍更廣。

很顯然，印刷電子制造技術(shù)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與長(zhǎng)處，可以補(bǔ)齊傳統(tǒng)電子制造技術(shù)中的“短板”，但它也有自身存在的缺陷與局限，并非所有的電子器件和產(chǎn)品都能通過(guò)印刷的方式進(jìn)行制造。因此，可以預(yù)測(cè)印刷電子技術(shù)并不能完全取代傳統(tǒng)的電子制造技術(shù)。隨著先進(jìn)功能材料研究研發(fā)和工藝技術(shù)上的不斷發(fā)展，印刷電子技術(shù)在產(chǎn)品精度等方面的性能已有很大的突破和提升。雖然，現(xiàn)在印刷電子與傳統(tǒng)的電子制造技術(shù)相比稍顯稚嫩，但是，印刷電子技術(shù)由于在“大面積、低成本、柔性化、環(huán)?！敝T多方面的優(yōu)勢(shì)，在以后的發(fā)展中探索、找準(zhǔn)適合自身的應(yīng)用與市場(chǎng)化發(fā)展空間將會(huì)獲得巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

印刷電子技術(shù)特點(diǎn)

印刷電子的制備工藝不單單是將印刷技術(shù)簡(jiǎn)單的在電子制造中的重復(fù)，因此，在實(shí)際應(yīng)用印刷電子技術(shù)進(jìn)行電子制造過(guò)程中不要把印刷電子與傳統(tǒng)印刷完全等同對(duì)待。傳統(tǒng)印刷品如書(shū)刊、雜志、報(bào)紙的功能是用來(lái)看的，至于包裝印刷品其功能往往是用于運(yùn)輸、保護(hù)、展示或者其他，而印刷電子產(chǎn)品，根據(jù)其實(shí)際用途主要在于做導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體方面，無(wú)疑要求具備突出的電學(xué)方面功能。

除了認(rèn)識(shí)到產(chǎn)品形態(tài)與功能方面的區(qū)分，印刷電子與傳統(tǒng)印刷在制造工藝上也不能等爾視之。首先，從印刷材料的角度來(lái)看，印刷電子油墨與傳統(tǒng)印刷油墨顯然不是為了類(lèi)似的需求進(jìn)行制備的。目前，油墨要求在傳統(tǒng)印刷中大多強(qiáng)調(diào)流變性與印刷方式的匹配，分散性與印刷效果的完美再現(xiàn)等方面，在印刷電子的應(yīng)用中，印刷材料還要與電子產(chǎn)品所需要的導(dǎo)電性能、透明度等相適應(yīng)。例如，目前為了實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的高精度、高分辨率，現(xiàn)有的材料已經(jīng)很難滿(mǎn)足其要求，使得用到的原材料必須納米化。這也使得把近幾年來(lái)研究較多的納米材料應(yīng)用技術(shù)與操作簡(jiǎn)單、成本低廉的印刷電子技術(shù)聯(lián)系起來(lái)成為可能。

毫不夸張地說(shuō)，印刷電子材料的發(fā)展決定著印刷電子的發(fā)展，材料研發(fā)的問(wèn)題目前國(guó)內(nèi)諸多科研院所都在進(jìn)行相關(guān)研究研發(fā)工作。例如，中科院化學(xué)所噴墨打印制備金屬納米顆粒導(dǎo)電透明膜的研究、中科院蘇州納米所柔性大面積印刷透明導(dǎo)電膜技術(shù)、北京印刷學(xué)院納米銀制備技術(shù)等。因此，印刷電子產(chǎn)業(yè)化工作與全面的了解、研究印刷電子材料是緊密相連的。傳統(tǒng)印刷設(shè)備不能簡(jiǎn)單的直接用于印刷電子領(lǐng)域，要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母脑?。在產(chǎn)品的印前和印后處理等環(huán)節(jié)，印刷電子也會(huì)有一些不同于傳統(tǒng)印刷的要求。

印刷電子制備工藝

隨著印刷電子制備工藝的不斷發(fā)展，根據(jù)不同的印刷電子需求絲網(wǎng)印刷、凹版印刷、凸版印刷、膠版印刷、噴墨印刷等幾大印刷方式結(jié)合自身工藝特點(diǎn)在印刷電子技術(shù)領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。目前在印刷電子領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛的是絲網(wǎng)印刷電子技術(shù)，絲網(wǎng)印刷電子具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）設(shè)備制備成本低，制版操作比較簡(jiǎn)單；（2）對(duì)基材和油墨的適應(yīng)性較強(qiáng)，不同基材或者不同的表面均可以印刷，油墨無(wú)論是親油型還是親水型只要可從網(wǎng)孔中漏印下來(lái)均可實(shí)現(xiàn)印刷；（3）印刷至基材表面得到薄膜的膜厚較厚，可達(dá)到幾十微米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)厚于其他印刷方式，這可在一定程度上提升電子器件的電學(xué)性能。另外，凹版印刷、凸版印刷、膠版印刷等傳統(tǒng)印刷工藝技術(shù)分別因其高速、含揮發(fā)性溶劑、接觸印刷、高精度等方面的突出優(yōu)勢(shì)也在印刷電子領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。目前，噴墨打印技術(shù)的推廣以及其優(yōu)越的非接觸印刷工藝特點(diǎn)，在印刷電子領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。噴墨打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)非接觸多點(diǎn)打印，制備多功能印刷電子，在電子產(chǎn)品制造、科學(xué)研究研發(fā)等方面實(shí)現(xiàn)了諸多應(yīng)用。

總之，可以預(yù)測(cè)印刷電子技術(shù)的發(fā)展隨著電子產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的不斷廣泛、印刷方式在電子產(chǎn)品制造中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及印刷材料與印刷工藝不斷創(chuàng)新發(fā)展，印刷電子技術(shù)將越來(lái)越多的在電子產(chǎn)品制造中發(fā)揮作用。因此，從了解、認(rèn)識(shí)、創(chuàng)新印刷電子技術(shù)出發(fā)，發(fā)展我國(guó)電子產(chǎn)品制造創(chuàng)新能力，得到自主研發(fā)的先進(jìn)功能印刷電子產(chǎn)品，對(duì)發(fā)展國(guó)家先進(jìn)科研技術(shù)、制造技術(shù)提高國(guó)家科技技術(shù)核心競(jìng)爭(zhēng)力等方面具有重大意義。