淺析印刷電子技術

文 孫加振 魏先福 黃蓓青

科技的發展讓人們愈發享受到便捷的生活，科學的進步讓人們不斷更加清晰的認識生活中的事物。隨著人們對生活品質的無限追求，使得科技產品變得日新月異，應用電子設備成為現代生活的重要一部分，如手機、電腦、液晶電視等。現在人們對電子設備的要求主要集中在功能強大、產品安全、環保節能、舒適美觀等方面，因此，電子產品的多功能化、環境友好、小型輕薄、低成本化是其發展的必然。當今電子產品更是涵蓋了通信、物流、展會、顯示、照明、廣告、包裝、汽車、醫療、保健、出版、時裝、軍事及一次性用途的各種電子產品，尤其是物聯網用電子產品的智能包裝等。因此，電子技術毫無疑問是當前人們享受科技進步帶來的便捷生活的一個極為廣泛的需求，因此，相關的科學問題也就不斷的被相關科研工作者們提出、解決、應用。本文結合印刷電子工藝技術特點的角度介紹了印刷電子技術相關發展應用狀況，為相關科技工作者了解印刷電子技術方面的知識以及認識印刷電子的發展意義提供技術資料，從而更好的發展印刷電子技術。

印刷電子的概念

印刷技術在制造電子產品中以其快速、大面積、精確可控等優點，成為制備電子產品的一個極為重要的手段。其中作為四大印刷之一的絲網印刷技術，更是以其可控的油墨墨層實現圖像原稿再現，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點，在印刷電子領域更是發揮了重要作用。印刷電子技術是印刷技術與電子技術相結合而形成的一門新興的綜合性前沿技術，自上世紀90年代以來，人們一直在探索是否可以像印刷報紙那樣大批量地印制各種電子元器件和電子線路，因為只有這樣，電子產品的制造成本才能大幅下降，從而實現普及化。

正在快速發展中的印刷電子技術（Printed Electronics Technology）顯然已經形成為一個新興的產業，逐步引發了一場電子技術的革命。印刷電子技術的推進應用與材料科技、電子科技以及制造科技緊密相關，從而近些年電子電氣和化學材料領域的相關國際知名公司如西門子（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）等紛紛拆巨資開展印刷電子技術方面的研究。

歐盟早在第5、第6、第7框架計劃下已持續投入了數十億歐元進行了研發，美國、日本、韓國等工業發達國家也是如此。相關企業技術研發都致力于通過研究開發、集成制造不同功能的低成本印刷電子產品，來滿足日常生活的各種用途。一些知名咨詢公司如英國IDTechEx、德國PolyIC、美國NanoMarkets分析認為未來20年新興的印刷電子產業可以達到3000億美元，市場規模將會逐步比硅電子產業還要大。印刷電子技術不僅會影響電子業、封裝業、硅芯片業和顯示業，而且對印刷電路板（PCB）和傳統印刷業等產業結構調整、升級都會造成巨大的影響。

印刷電子與傳統制造電子的比較

目前傳統的微電子集成電路技術發展已經十分成熟，這是一種以半導體單晶硅為襯底材料的微電子集成電路技術，硅基集成電路制造工藝包括薄膜沉積、高溫燒結、光刻、腐蝕、封裝等，這種傳統制造電子所采用的蝕刻制備方法稱為“減法生產”。傳統集成電路制造技術的優點在于精度高、性能好，缺點則是成本高，而且蝕刻環節產生大量重金屬廢液，造成環境污染。另外，電子制造工藝中的高溫燒結環節對襯底材料有一定要求，柔性襯底材料，比如塑料薄膜、紙張、纖維等上面很難實現電子的制造。

然而，印刷電子技術是將具有導電、介電或半導體性能的電子材料配成可以流暢印刷的功能油墨，按照所需電子線路設計印刷圖案，通過印刷的方式將這些特殊油墨印刷到襯底材料上。通過印刷方法將功能油墨層層疊加制備，完成對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”。印刷加成制造技術工藝簡單，成本低，可實現大面積、大批量生產；免于蝕刻處理，沒有原材料浪費，環保無污染。雖然目前在產品精度和性能上還無法與傳統制作技術抗衡，但它對襯底材料沒有耐高溫、硬度等要求，因而應用范圍更廣。

很顯然，印刷電子制造技術獨特的優勢與長處，可以補齊傳統電子制造技術中的“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品都能通過印刷的方式進行制造。因此，可以預測印刷電子技術并不能完全取代傳統的電子制造技術。隨著先進功能材料研究研發和工藝技術上的不斷發展，印刷電子技術在產品精度等方面的性能已有很大的突破和提升。雖然，現在印刷電子與傳統的電子制造技術相比稍顯稚嫩，但是，印刷電子技術由于在“大面積、低成本、柔性化、環保”諸多方面的優勢，在以后的發展中探索、找準適合自身的應用與市場化發展空間將會獲得巨大的發展潛力。

印刷電子技術特點

印刷電子的制備工藝不單單是將印刷技術簡單的在電子制造中的重復，因此，在實際應用印刷電子技術進行電子制造過程中不要把印刷電子與傳統印刷完全等同對待。傳統印刷品如書刊、雜志、報紙的功能是用來看的，至于包裝印刷品其功能往往是用于運輸、保護、展示或者其他，而印刷電子產品，根據其實際用途主要在于做導體、半導體、絕緣體方面，無疑要求具備突出的電學方面功能。

除了認識到產品形態與功能方面的區分，印刷電子與傳統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看，印刷電子油墨與傳統印刷油墨顯然不是為了類似的需求進行制備的。目前，油墨要求在傳統印刷中大多強調流變性與印刷方式的匹配，分散性與印刷效果的完美再現等方面，在印刷電子的應用中，印刷材料還要與電子產品所需要的導電性能、透明度等相適應。例如，目前為了實現電子產品的高精度、高分辨率，現有的材料已經很難滿足其要求，使得用到的原材料必須納米化。這也使得把近幾年來研究較多的納米材料應用技術與操作簡單、成本低廉的印刷電子技術聯系起來成為可能。

毫不夸張地說，印刷電子材料的發展決定著印刷電子的發展，材料研發的問題目前國內諸多科研院所都在進行相關研究研發工作。例如，中科院化學所噴墨打印制備金屬納米顆粒導電透明膜的研究、中科院蘇州納米所柔性大面積印刷透明導電膜技術、北京印刷學院納米銀制備技術等。因此，印刷電子產業化工作與全面的了解、研究印刷電子材料是緊密相連的。傳統印刷設備不能簡單的直接用于印刷電子領域，要經過適當的改造。在產品的印前和印后處理等環節，印刷電子也會有一些不同于傳統印刷的要求。

印刷電子制備工藝

隨著印刷電子制備工藝的不斷發展，根據不同的印刷電子需求絲網印刷、凹版印刷、凸版印刷、膠版印刷、噴墨印刷等幾大印刷方式結合自身工藝特點在印刷電子技術領域都實現了應用。目前在印刷電子領域的應用最為廣泛的是絲網印刷電子技術，絲網印刷電子具有以下優點：（1）設備制備成本低，制版操作比較簡單；（2）對基材和油墨的適應性較強，不同基材或者不同的表面均可以印刷，油墨無論是親油型還是親水型只要可從網孔中漏印下來均可實現印刷；（3）印刷至基材表面得到薄膜的膜厚較厚，可達到幾十微米，遠遠厚于其他印刷方式，這可在一定程度上提升電子器件的電學性能。另外，凹版印刷、凸版印刷、膠版印刷等傳統印刷工藝技術分別因其高速、含揮發性溶劑、接觸印刷、高精度等方面的突出優勢也在印刷電子領域獲得了應用。目前，噴墨打印技術的推廣以及其優越的非接觸印刷工藝特點，在印刷電子領域具有巨大的應用價值。噴墨打印技術可以實現非接觸多點打印，制備多功能印刷電子，在電子產品制造、科學研究研發等方面實現了諸多應用。

總之，可以預測印刷電子技術的發展隨著電子產品應用領域的不斷廣泛、印刷方式在電子產品制造中的技術優勢及印刷材料與印刷工藝不斷創新發展，印刷電子技術將越來越多的在電子產品制造中發揮作用。因此，從了解、認識、創新印刷電子技術出發，發展我國電子產品制造創新能力，得到自主研發的先進功能印刷電子產品，對發展國家先進科研技術、制造技術提高國家科技技術核心競爭力等方面具有重大意義。