Drukowana elektronika

- Mar 23, 2017-

Drukowana elektronika to zestaw metod drukowania stosowanych do tworzenia urządzeń elektrycznych na różnych podłożach. Drukowanie zazwyczaj korzysta ze wspólnych urządzeń drukarskich odpowiednich do określania wzorów materiałów, takich jak sitodruk , fleksografia , wklęsłość , litografia offsetowa i druk atramentowy . Według standardów przemysłu elektronicznego, są to procesy niskich kosztach. Na podłożu są osadzane elektronicznie lub optycznie elektroniczne atramenty, tworzące aktywne lub pasywne urządzenia , takie jak tranzystory cienkowarstwowe ; Kondensatory; Zwoje; Rezystory . Drukowana elektronika ma ułatwić szeroką, bardzo tanią elektronikę o małej wydajności w zastosowaniach takich jak elastyczne wyświetlacze , etykiety inteligentne, dekoracyjne i animowane plakaty oraz odzież aktywna, która nie wymaga wysokiej wydajności. [1]

Określenie drukowana elektronika jest często związane z elektroniką organiczną lub plastikową elektroniką , w której jeden lub więcej tuszów składa się z związków opartych na węglu. Te inne określenia odnoszą się do materiału tuszu, który może być osadzony na bazie roztworów, na zasadzie próżniowej lub w innych procesach. Drukowana elektronika w przeciwieństwie do tego określa proces i, zależnie od konkretnych wymagań wybranego procesu drukowania, może wykorzystywać dowolne materiały oparte na rozwiązaniach. Obejmuje to organiczne półprzewodniki , nieorganiczne   Półprzewodniki , metaliczne przewody, nanocząstki , nanorurki itp.

Do przygotowania drukowanej elektroniki stosuje się prawie wszystkie metody druku przemysłowego. Podobnie jak w konwencjonalnych drukarkach, drukowana elektronika nakłada warstwy atramentu na jeden na drugim. [2] Dlatego spójny rozwój metod drukowania i materiałów atramentowych jest podstawowym zadaniem pola.

Najważniejszą zaletą drukowania jest niski koszt wytworzenia objętości. Niższe koszty umożliwiają zastosowanie w większych aplikacjach. [3] Przykładem są systemy RFID , które umożliwiają bezstykowe identyfikowanie w handlu i transporcie. W niektórych dziedzinach , takich jak emitowanie diod LED, nie wpływa na wydajność. [2] Drukowanie na elastycznych podłożach umożliwia umieszczenie elektroniki na zakrzywionych powierzchniach, na przykład umieszczenie ogniw słonecznych na dachach pojazdów. Bardziej typowo konwencjonalne półprzewodniki uzasadniają ich znacznie wyższe koszty, zapewniając znacznie wyższą wydajność.

Rozdzielczość, rejestracja, grubość, otwory, materiały [ edytuj ]

Maksymalna wymagana rozdzielczość struktur w tradycyjnym druku zależy od ludzkiego oka. Nie można wyróżnić rozmiarów elementów mniejszych niż około 20 μm przez ludzkie oko iw konsekwencji przekraczać możliwości konwencjonalnych procesów drukowania. [4] W przeciwieństwie do tego, duża rozdzielczość i mniejsze struktury są konieczne w wielu drukarkach elektronicznych, ponieważ mają bezpośredni wpływ na gęstość i funkcjonalność obwodów (zwłaszcza tranzystorów). Podobny wymóg dotyczy precyzji, z jaką warstwy są drukowane jedna na drugiej (rejestracja warstwy na warstwę).

Kontrola grubości, otworów i kompatybilności materiałów (zwilżanie, adhezja, solwacja) są istotne, ale mają znaczenie w konwencjonalnych drukowaniach tylko wtedy, gdy oka może ich wykryć. Natomiast wizualne wrażenie nie ma znaczenia dla drukowanej elektroniki. [5]

Technologie drukarskie [ edytuj ]

Atrakcyjność technologii drukarskiej do wytwarzania elektroniki wynika głównie z możliwości przygotowania stosów warstw mikrostrukturalnych (a tym samym urządzeń cienkowarstwowych) w znacznie prostszy i opłacalny sposób w porównaniu z konwencjonalną elektroniką. [6] Również zdolność do wprowadzania nowych lub udoskonalonych funkcji (np. Elastyczności mechanicznej) odgrywa rolę. Wybór stosowanej metody drukowania zależy od wymagań dotyczących drukowanych warstw, właściwości materiałów drukowanych oraz ekonomicznych i technicznych aspektów finalnych produktów drukowanych.

Technologie drukarskie dzielą się pomiędzy podejścia oparte na arkuszach i rolach. Druk atramentowy i sitodrukowy najlepiej nadają się do robót o małej pojemności, o wysokiej precyzji. Drukowanie grawimetryczne, offsetowe i fleksograficzne są częściej stosowane do produkcji o dużej pojemności, takich jak ogniwa słoneczne, osiągając 10 000 metrów kwadratowych na godzinę (m² / h). [ 6] Podczas drukowania offsetowego i druku fleksograficznego stosuje się głównie do przewodów nieorganicznych [7] [8] i organicznych [9] [10] (również tych dielektryków), [11] Wrażliwych warstw, takich jak półprzewodniki organiczne i półprzewodnikowe / dielektryczne w tranzystorach, z uwagi na wysoką jakość warstw. [11] Jeśli wymagana jest wysoka rozdzielczość, wklęsło jest również odpowiednie dla przewodów nieorganicznych [12] i organicznych [13] . Poliwęglowe tranzystory polowe i układy scalone mogą być przygotowywane w całości za pomocą metod druku masowego. [11]

Drukarki są elastyczne i uniwersalne i można je założyć przy stosunkowo niewielkim wysiłku. [14] Drukarki atramentowe oferują niższą przepustowość około 100 m 2 / h i niższą rozdzielczość (około 50 μm). [4] Dobrze nadaje się do materiałów o małej lepkości , rozpuszczalnych, takich jak organiczne półprzewodniki. Przy użyciu materiałów o wysokiej lepkości, takich jak organiczne dielektryki i zdyspergowane cząstki, takie jak nieorganiczne atramenty metalowe, pojawiają się trudności związane z zatkaniem dyszy. Ponieważ atrament jest osadzany przez kropelki, jednorodność warstwy i grubości jest zmniejszona. Wykorzystanie wielu dysków jednocześnie i wstępne ułożenie podłoża umożliwia odpowiednio poprawę wydajności i rozdzielczości. Jednakże w tym ostatnim przypadku należy zastosować metody nie drukujące dla rzeczywistego etapu wzorcowania. [15] Drukowanie atramentowe jest korzystne dla organicznych półprzewodników w tranzystorach polowych organicznych (OFET) i ekologicznych diodach elektroenergetycznych (OLED), ale także OFETs całkowicie przygotowane tą metodą. [16] i frontplany [18] z ekranów OLED, układy scalone, [19] organiczne ogniwa fotowoltaiczne (OPVC) [20] i inne urządzenia mogą być przygotowane z tuszami .

Sitodruk jest odpowiedni do wytwarzania elektrotechniki i elektroniki dzięki swojej zdolności do wytwarzania wzorzystych, grubych warstw z materiałów podobnych do pasty. Ta metoda może wytwarzać linie przewodzące z materiałów nieorganicznych (np. Płytek drukowanych i anten), ale także warstw izolacyjnych i pasywujących, dzięki czemu grubość warstwy jest ważniejsza niż wysoka rozdzielczość. Jego wydajność 50 m² / h i rozdzielczość 100 μm są podobne do drukarek. [4] Ta wszechstronna i stosunkowo prosta metoda jest stosowana głównie do warstw przewodzących i dielektrycznych, [21] [22], ale również można drukować półprzewodniki organiczne, np. Dla OPVC, [23], a nawet kompletne OFET [17] .

Drukarka aerozolowa (znana również jako maskowanie materiałów nieuszkodzonych lub M3D) [24] to inna technologia nanoszenia materiału dla drukowanej elektroniki. Proces rozpylania aerozolu rozpoczyna się rozpylaniem tuszu, który może być podgrzewany do 80 ° C, tworząc kropelki na zamówienie o średnicy od jednego do dwóch mikrometrów. Rozpylone kropelki są uwięzione w strumieniu gazu i dostarczane do głowicy drukującej. Wokół strumienia aerozolu wprowadza się pierścieniowy strumień czystego gazu, aby skupić krople na ściślejszej kolimacji wiązki materiału. Połączone strumienie gazu wychodzą z głowicy drukującej przez dyszę zbieżną, która ściska strumień aerozolu do średnicy zaledwie 10 μm. Kropelka kropelek wychodzi z głowicy drukującej z dużą prędkością (~ 50 metrów / sekundę) i uderza w podłoże. Elektryczne połączenia międzysystemowe, pasywne i aktywne składowe [25] są utworzone przez przesuwanie głowicy drukującej, wyposażonej w mechanizm mechaniczny / zacisk rozruchowy, względem podłoża. Otrzymane wzory mogą mieć właściwości o szerokości od 10 μm, o grubości warstwy od dziesiątek nanometrów do> 10 μm. [26] Szeroka głowica drukująca dyszy umożliwia skuteczne modelowanie elektronicznych elementów milimetrowych i zastosowań do powlekania powierzchni. Wszystkie drukowanie odbywa się bez użycia komór próżniowych lub ciśnieniowych oraz w temperaturze pokojowej. Wysoka prędkość wylotowa strumienia pozwala na stosunkowo dużą odległość między głowicą drukującą a podłożem, zazwyczaj 2-5 mm. Krople pozostają mocno skupione na tej odległości, co skutkuje możliwością drukowania wzorów konformacji na trzech wymiarowych podłożach. Mimo dużej prędkości proces drukowania jest łagodny; Uszkodzenie podłoża nie występuje i na ogół nie ma rozpryskiwania ani nadmiernego przekłucia z kropelek. [27] Po zakończeniu wzorcowania drukowany tusz wymaga zazwyczaj obróbki końcowej w celu osiągnięcia końcowych własności elektrycznych i mechanicznych. Obróbka po obróbce jest napędzana bardziej specyficzną kombinacją tuszu i podłoża niż w procesie drukowania. Szerokie spektrum materiałów zostało z powodzeniem zdeponowane w procesie napowietrzania aerozolu, w tym rozcieńczone pasty grubowarstwowe, polimery termoutwardzalne, takie jak epoksydy utwardzone światłem UV i polimery oparte na rozpuszczalnikach, takie jak poliuretan i poliimid, oraz materiały biologiczne. [28]

Drukowanie metodą odparowywania polega na połączeniu wysokiej precyzji sitodruku z odparowaniem materiału do funkcji drukowania do 5 μm . W tej metodzie wykorzystuje się takie techniki, jak termiczne, e-wiązkowe, rozpylające i inne tradycyjne technologie produkcyjne w celu osadzania materiałów za pomocą wysokiej precyzji maski (lub szablonu) zarejestrowanego na podłożu do lepszego niż 1 mikrometr. Poprzez układanie różnych wzorów maskujących i / lub dopasowywanie materiałów, niezawodne i opłacalne układy można budować dodatnio, bez użycia fotolitografii.

Inne metody mają podobieństwa do druku, w tym interesujące, drukowanie mikrotaktowe i litografia nano-nanosząca . [29] Tu, odpowiednio, warstwy μm i nm są przygotowywane metodami podobnymi do tłoczenia odpowiednio miękkimi i twardymi formami. Często faktyczne struktury są przygotowywane odejmująco, np. Przez osadzanie masek etchowych lub procesów odciągania. Na przykład mogą być przygotowane elektrody dla OFET. [30] [31] W podobny sposób jest używany druk padów sporadycznie . [32] Czasami tak zwane metody transferu, w których warstwy stałe są przenoszone z nośnika na podłoże, są uważane za drukowaną elektronikę. [33] Elektrofotografia nie jest obecnie stosowana w drukarkach elektronicznych.

Materiały [ edytuj ]

Do drukowania elektroniki stosuje się zarówno materiały organiczne, jak i nieorganiczne. Materiały atramentowe muszą być dostępne w postaci ciekłej, do roz- tworu, dyspersji lub zawieszenia. [34] Muszą funkcjonować jako przewody, półprzewodniki, dielektryki lub izolatory. Koszty materiałowe muszą być odpowiednie dla aplikacji.

Funkcjonalność elektroniczna i możliwość drukowania mogą kolidować ze sobą, co wymaga starannej optymalizacji. [5] Na przykład, większa masa cząsteczkowa w polimerach zwiększa przewodność, ale zmniejsza rozpuszczalność. Do drukowania, lepkości, napięcia powierzchniowego i stałej zawartości muszą być ściśle kontrolowane. Interakcje między warstwami, takie jak zwilżanie, przyczepność i rozpuszczalność, jak również procedury osadzania po wyschnięciu wpływają na wynik. Dodatki często stosowane w konwencjonalnych farbach drukarskich są niedostępne, ponieważ często łamią elektroniczną funkcjonalność.

Właściwości materiału w dużym stopniu determinują różnice między elektroniką drukowaną i konwencjonalną. Materiały drukowane dostarczają decydujących zalet obok możliwości drukowania, takich jak elastyczność mechaniczna i funkcjonalne dopasowanie poprzez modyfikacje chemiczne (np. Jasny kolor w OLEDach). [35]

Przewodniki drukowane zapewniają niższą przewodność i mobilność przewoźnika ładunków. [36]

Z nielicznymi wyjątkami, nieorganiczne materiały atramentowe to dyspersje metalicznych lub półprzewodnikowych mikro- i nanocząstek. Stosowanymi nanocząsteczkami półprzewodnikowymi są krzemowe [37] i półprzewodniki tlenkowe. [38] Silikon jest również drukowany jako organiczny prekursor [39], który jest następnie konwertowany przez pirolityczny i wyżarzany do krystalicznego krzemu.

PMOS, ale nie CMOS jest możliwe w drukowanej elektronice. [40]

Materiały organiczne [ edytuj ]

Elektroniczna drukarka organiczna integruje wiedzę i rozwój z drukarstwa, elektroniki, chemii i materiałów, szczególnie z chemii organicznej i polimerycznej. Materiały organiczne w części różnią się od konwencjonalnej elektroniki pod względem struktury, działania i funkcjonalności [41], co wpływa na projektowanie i optymalizację urządzeń i obwodów, a także metodę wytwarzania. [43]

Odkrycie sprzężonych polimerów [36] i ich rozwój w substancje rozpuszczalne dostarczały pierwszych organicznych materiałów tuszu. Materiały z tej klasy polimerów mają różne właściwości przewodzące , półprzewodnikowe , elektroluminescencyjne , fotowoltaiczne i inne. Inne polimery są stosowane głównie jako izolatory i dieletyki .

W większości materiałów organicznych korzystny jest transport dziury w transporcie elektronicznym. [43] Ostatnie badania wskazują, że jest to specyficzna cecha organicznych interfejsów półprzewodnikowych / dielektrycznych, które odgrywają główną rolę w OFET. [44] Dlatego też urządzenia typu p powinny dominować nad urządzeniami typu n. Trwałość (odporność na dyspersję) i żywotność jest mniejsza niż w konwencjonalnych materiałach. [40]

Organiczne półprzewodniki obejmują przewodzące polimery poli (3,4-etylenodioksofen), domieszkowane poli ( styrenem   Sulfonian ), ( PEDOT: PSS ) i poli ( aniliny ) (PANI). Obydwa polimery są dostępne w handlu w różnych preparatach i zostały wydrukowane przy użyciu drukarek strumieniowych do drukarek strumieniowych, [45] [21] i drukowania offsetowego [9] lub sitodruku, [21] flexo [10] i drukowania wklęsłego [13] .

Polimeryczne półprzewodniki są przetwarzane przy użyciu drukarek strumieniowych, takich jak poli (tiofen), jak poli (3-heksylotiofen) (P3HT) [46] i poli (9,9-dioctylofluorenogubiofen) (F8T2). [47] Ten ostatni materiał został również drukowany wklęsłodrukiem. [11] Różne polimery elektroluminescencyjne są stosowane z drukarką strumieniową [15], a także z aktywnymi materiałami fotowoltaicznymi (np. Mieszanki P3HT z pochodnymi fulerenu), [48], które częściowo mogą być osadzane przy użyciu sitodruku (na przykład mieszanek poli (Fenyleno-winylen) z pochodnymi fulerenu). [23]

Istnieją drukowane insuliny organiczne i nieorganiczne oraz dieletyki, które można przetwarzać różnymi metodami drukowania. [49]

Materiały nieorganiczne [ edytuj ]

Elektronika nieorganiczna zapewnia bardzo uporządkowane warstwy i interfejsy, których materiały organiczne i polimerowe nie mogą zapewnić.

Srebro nanocząsteczki są stosowane z flekso, [8] offsetem [50] i tuszem. [51] Cząstki złota są stosowane z tuszem. [52]

Wyświetlacze wielokolorowe elektroluminescencyjne ( AC ) mogą pokrywać wiele dziesiątków metrów kwadratowych lub być włączone do powierzchni czołowych zegarów i wyświetlaczy instrumentów. Obejmują one od sześciu do ośmiu drukowanych warstw nieorganicznych, w tym miedzianych domieszkowanych fosforu, na podłożu folii z tworzywa sztucznego. [53]

Komórki CIGS mogą być drukowane bezpośrednio na molibden   pokryty   Arkusze szkła .

Drukowana galwaniczna bateria słoneczna arsenku galu w żelazie wykazała 40,7% sprawności konwersji, ośmiokrotnie wyższa od najlepszych komórek organicznych, zbliżając się do najlepszej jakości krzemu krystalicznego. [53]

Substraty [ edytuj ]

Drukowana elektronika pozwala na stosowanie elastycznych podłoży, co obniża koszty produkcji i umożliwia wytwarzanie obwodów mechanicznie elastycznych. Podczas drukowania atramentowego i sitodruku zazwyczaj sztywne podłoża, takie jak szkło i krzem, masowe metody drukowania prawie wyłącznie wykorzystują elastyczną folię i papier. Poli (tereftalan etylenu) - płótno (PET) jest powszechnym wyborem ze względu na jego niską cenę i umiarkowanie wysoką stabilność temperatury. Poli (etylen naftalan) - (PEN) i poli (imid) - płótno (PI) to wyższa wydajność, wyższe alternatywy kosztowe. Niskie koszty papieru i różnorodne zastosowania sprawiają, że jest to atrakcyjne podłoże, jednakże jego duża chropowatość i duża absorpcja sprawiają, że problemy z elektroniką. [50]

Inne ważne kryteria podłoża to mała chropowatość i odpowiednia zwilżalność, które można dostroić do wstępnej obróbki przy użyciu powłoki lub wyładowania Corona . W przeciwieństwie do tradycyjnego drukowania, wysoka absorpcja jest zazwyczaj niekorzystna.

Aplikacje [ edytuj ]

Drukowana elektronika jest w użyciu lub rozważa dla:

Norweska firma ThinFilm z powodzeniem wykazała, że w 2009 r. Zilustrowano ekologiczną pamięć organiczną "roll-to-roll". [54 ] [56] [57]

Rozwój standardów i działania [ edytuj ]

Normy techniczne i inicjatywy dotyczące map drogowych mają na celu ułatwienie rozwoju łańcucha wartości (w celu wymiany specyfikacji produktu, standardów charakterystyki itp.) Ta strategia rozwoju wzorców odzwierciedla podejście używane przez elektronikę na bazie krzemu w ciągu ostatnich 50 lat. Inicjatywy obejmują:

Opublikował trzy standardy drukowanej elektroniki. Wszystkie trzy zostały opublikowane we współpracy z Japan Electronic Packaging and Circuits Association (JPCA):

  • IPC / JPCA-4921, Wymagania dotyczące materiałów z materiałów drukowanych w formie elektronicznej

  • IPC / JPCA-4591, Wymagania dotyczące materiałów eksploatacyjnych drukowanych materiałów elektronicznych

  • IPC / JPCA-2291, wytyczne dotyczące projektowania elektroniki drukowanej

Te standardy i inne w fazie rozwoju są częścią Inicjatywy Printed Electronics firmy IPC.


Para:Atrament przewodzący Następny:Zestaw do nanoszenia nanocząstek metalicznych do zrewolucjonizowania elektroniki