Печатная электроника - Printed electronics

Не путать с печатной платой .
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, например трафаретная печать , флексография , глубокая печать , офсетная литография и струйная печать . По стандартам электронной промышленности это недорогие процессы. Электрически функциональные электронные или оптические чернила наносятся на подложку, создавая активные или пассивные устройства, такие как тонкопленочные транзисторы ; конденсаторы; катушки; резисторы . Некоторые исследователи ожидают, что печатная электроника облегчит широко распространенную, очень дешевую и низкопроизводительную электронику для таких приложений, как гибкие дисплеи , смарт-этикетки , декоративные и анимированные плакаты и активная одежда, не требующая высоких характеристик.

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 изготовления печатной электроники используются 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 является важнейшими задачами отрасли.

Самым важным преимуществом печати является дешевизна производства. Более низкая стоимость позволяет использовать в большем количестве приложений. Примером могут служить RFID- системы, позволяющие осуществлять бесконтактную идентификацию в торговле и на транспорте. В некоторых областях, например, печать на светодиодах , не влияет на производительность. Печать на гибких подложках позволяет размещать электронику на изогнутых поверхностях, например: печать солнечных элементов на крышах транспортных средств. Обычно обычные полупроводники оправдывают свою гораздо более высокую стоимость, обеспечивая гораздо более высокие характеристики.

Печатная и обычная электроника как взаимодополняющие технологии.

Разрешение, совмещение, толщина, отверстия, материалы

Максимально необходимое разрешение структур при 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 на друге (совмещение слоев).

Контроль толщины, отверстий и совместимости материалов (смачивание, адгезия, растворимость) важен, но имеет значение в традиционной печати только в том случае, если глаз может их обнаружить. И наоборот, для печатной электроники визуальное впечатление не имеет значения.

Технологии печати

Привлечение технологии печати для изготовления электроники в основном связано с возможностью изготовления стопок микроструктурированных слоев (и, следовательно, тонкопленочных устройств) гораздо более простым и экономичным способом по сравнению с традиционной электроникой. Также играет роль возможность реализовать новые или улучшенные функции (например, механическую гибкость). Выбор используемого метода печати определяется требованиями к напечатанным слоям, свойствами печатных материалов, а также экономическими и техническими соображениями конечной печатной продукции.

Технологии печати разделяют подходы на листовую и рулонную . Листовая струйная и трафаретная печать лучше всего подходят для малых объемов высокоточных работ. Глубокая , офсетная и флексографская печать более распространены для крупносерийного производства, такого как солнечные батареи, достигая 10 000 квадратных метров в час (м 2 / ч). В то время как офсетная и флексографская 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, благодаря высокому качеству слоев. Если требуется высокое разрешение, глубокая печать также подходит для неорганических и органических проводников. Органические полевые транзисторы и интегральные схемы можно полностью изготовить методами массовой печати.

Струйная печать

Струйные принтеры гибки и универсальны, и их можно настроить с относительно небольшими усилиями. Однако струйные принтеры обеспечивают меньшую пропускную способность - около 100 м 2 / ч и более низкое разрешение (около 50 мкм). Он хорошо подходит для маловязких растворимых материалов, таких как органические полупроводники. При использовании материалов с высокой вязкостью, таких как органические диэлектрики, и дисперсных частиц, таких как неорганические металлические чернила, возникают трудности из-за засорения сопел. Поскольку чернила наносятся в виде капель, уменьшается их толщина и однородность дисперсии. Использование нескольких сопел одновременно и предварительное структурирование подложки позволяет соответственно повысить производительность и разрешение. 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 и объединительные панели OLED-дисплеев, интегральных схем, органических фотоэлектрических элементов (OPVC) и других устройств могут быть изготовлены с помощью струйных принтеров .

Снимок экрана

Трафаретная печать подходит для изготовления электрики и электроники из-за ее способности создавать узорчатые толстые слои из пастообразных материалов. С помощью этого метода можно изготавливать 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 м 2 / час и разрешение 100 мкм аналогичны струйным. Этот универсальный и сравнительно простой метод используется в основном для проводящих и диэлектрических слоев, но также можно печатать на органических полупроводниках, например, для OPVC, и даже для полных OFET.

Аэрозольная печать

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 ударяется о подложку.

Электрические межсоединения, пассивные и активные компоненты образуются путем перемещения печатающей головки, оснащенной механической заслонкой для остановки / запуска, относительно подложки. Полученные в результате узоры 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; Повреждение подложки не происходит, и, как правило, брызги или разбрызгивание минимальны. 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 чернил и подложки, чем от процесса печати. Широкий спектр материалов был успешно нанесен с помощью процесса аэрозольной струи, включая разбавленные толстопленочные пасты, проводящие полимерные краски, термореактивные полимеры, такие как УФ-отверждаемые эпоксидные смолы, и полимеры на основе растворителей, такие как полиуретан и полиимид, а также биологические материалы.

Недавно в качестве основы для печати было предложено использовать бумагу 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 испарением

Печать с испарением использует комбинацию высокоточной трафаретной печати с испарением материала для печати деталей размером до 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 мкм. Посредством наслоения различных конструкций масок и / или корректировки материалов надежные и экономичные схемы могут быть построены аддитивно, без использования фотолитографии.

Другие методы

Интересны и другие методы, похожие на печать, в том числе микроконтактная печать и литография нано-отпечатков . Здесь слои размером мкм и нм соответственно получают методами, аналогичными штамповке с мягкими и твердыми формами соответственно. Часто фактические структуры подготавливаются субтрактивным методом, например, путем нанесения масок травления или процессов отрыва. Например, могут быть изготовлены электроды для OFET. Иногда аналогичным образом используется тампонная печать . Иногда так называемые методы переноса, когда твердые слои переносятся с носителя на подложку, считаются печатной электроникой. Электрофотография в настоящее время не используется в печатной электронике.

Материалы

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 работать как проводники, полупроводники, диэлектрики или изоляторы. Затраты на материалы должны соответствовать области применения.

Электронная функциональность и возможность 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 органических светодиодах).

Печатные проводники обладают меньшей проводимостью и более низкой подвижностью носителей заряда.

За некоторыми 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.

В печатной электронике возможны PMOS, но не CMOS .

Органические материалы

Органическая печатная электроника объединяет знания и разработки из полиграфии, электроники, химии и материаловедения, особенно из химии органических и полимерных материалов. Органические материалы частично отличаются от традиционной электроники с точки зрения структуры, работы и функциональности, что влияет на конструкцию и оптимизацию устройства и схемы, а также на метод изготовления.

Открытие сопряженных полимеров и их превращение в растворимые материалы обеспечили первые органические чернильные материалы. Материалы из этого класса полимеров по-разному обладают проводящими , полупроводниковыми , электролюминесцентными , фотовольтаическими и другими свойствами. Другие полимеры используются в основном в качестве изоляторов и диэлектриков .

В большинстве органических материалов перенос дырок предпочтительнее переноса 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-этилен dioxitiophene), легированный поли ( стирол - сульфонат ), ( ПЭДОТ: PSS ) и поли ( анилин ) (PANI). Оба полимера коммерчески доступны в различных составах и были напечатаны с использованием струйной, трафаретной и офсетной печати или трафаретной, флексографской и глубокой печати соответственно.

Полимерные полупроводники обрабатываются с помощью струйной печати, такие как поли (тиопены), такие как 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 фотоэлектрических систем (например, смеси P3HT с производными фуллерена ), которые частично также можно наносить 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.

Неорганические материалы

Неорганическая электроника обеспечивает высокоупорядоченные слои и интерфейсы, которые не могут обеспечить органические и полимерные материалы.

Наночастицы серебра используются во флексографской, офсетной и струйной печати. Частицы золота используются для струйной печати.

Электролюминесцентные (EL) многоцветные дисплеи переменного тока могут занимать многие десятки квадратных метров или быть встроенными 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 можно печатать непосредственно на листах стекла с молибденовым покрытием .

Печатный солнечный элемент из арсенида галлия и германия продемонстрировал эффективность преобразования 40,7%, что в восемь раз больше, чем у лучших органических элементов, приближаясь к лучшим характеристикам кристаллического кремния.

Субстраты

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 силикон, 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 разнообразие областей применения 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 шероховатой трехмерной геометрии поверхности бумаги.

Другими важными критериями подложки являются низкая шероховатость и подходящая смачиваемость, которую можно регулировать предварительной обработкой с помощью покрытия или коронного разряда . В отличие от обычной печати высокая впитывающая способность обычно невыгодна.

История

Считается, что Альберт Хансон, немец по происхождению, ввел концепцию 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 эволюционировала 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 устройства, в которых используются печатные электронные компоненты или которые являются прямым результатом использования печатных электронных технологий. Широкое распространение 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 многих новых коммерческих продуктов.

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 краской или печатать на поверхности. 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.

Хотя печатная электроника существует с 1960-х годов, по прогнозам, она будет иметь большой бум общей выручки. По данным на 2011 год, общий доход от печатных электронных документов составил 12,385 (миллиардов) долларов. В отчете IDTechEx прогнозируется, что рынок полиэтилена в 2027 году 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 «Morph» 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 ТПК.

Приложения

Печатная электроника используется или рассматривается для:

Норвежская компания ThinFilm продемонстрировала органическую память с рулонной печатью в 2009 году.

Разработка стандартов и деятельность

Технические стандарты и инициативы по составлению дорожных карт предназначены для облегчения развития цепочки создания стоимости (для обмена спецификациями продуктов, стандартами характеристик и т. Д.). Эта стратегия разработки стандартов отражает подход, используемый электроникой на основе кремния в течение последних 50 лет. Инициативы включают:

IPC - Association Connecting Electronics Industries опубликовала три стандарта для печатной электроники. Все три были опубликованы в сотрудничестве с Японской ассоциацией электронных блоков и схем (JPCA):

  • IPC / JPCA-4921, Требования к базовым материалам для печатной электроники
  • IPC / JPCA-4591, Требования к функциональным проводящим материалам печатной электроники
  • IPC / JPCA-2291, Руководство по проектированию печатной электроники

Эти и другие разрабатываемые стандарты являются частью инициативы IPC в области печатной электроники.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Печатная органическая и молекулярная электроника , под редакцией Д. Гамоты, П. Бразиса, К. Кальянасундарама и Дж. Чжана (Kluwer Academic Publishers: New York, 2004). ISBN  1-4020-7707-6

внешние ссылки