6427

Печатная электроника для дешевых электронных систем. Состояние технологии и развитие оборудования.

Научная статья

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Печатная электроника для дешевых электронных систем. Состояние технологии и развитие оборудования. Аннотация. В последние годы печать стала сильно интересна как метод получения дешевых и массовых электронных систем. Печать допускает использование це...

Русский

2013-01-04

21.59 KB

8 чел.

Печатная электроника для дешевых электронных систем. Состояние технологии и развитие оборудования.

Аннотация. В последние годы печать стала сильно интересна как метод получения дешевых и массовых электронных систем. Печать допускает использование целиком аддитивных процессов, тем самым снижая сложность процесса и расход материала. В сочетании с использованием недорогих подложек, таких как пластик, металлические фольги и так далее, это прогнозирует что печатная электроника позволит реализовать широкий спектр легкоразвертываемых электронных систем, в том числе дисплеев, сенсоров и RFID (Radio Frequency IDentification - радиочастотная идентификация) меток. Мы рассматриваем нашу работу по развитию технологии и оборудования для печатной электроники. Благодаря комбинированию синтетически полученных неорганических наночастиц и органических материалов, мы реализовали ряд «чернил» для печатной электроники, и используем их для демонстрации печати пассивных компонентов, многослойных соединений, диодов, транзисторов, блоков памяти (накопителей), батарей и различных газоанализаторов и биосенсоров. Используя возможности печати можно дешево обеспечить интеграцию различных функциональных возможностей и материалов на одной подложке, поэтому возможно реализовать печатные системы, которые используют преимущества печати, обходя недостатки таковой.

Введение. В последние годы наблюдается значительный уровень заинтересованности в использовании печати как технологии для реализации недорогой и массовой электроники. Печать, как ожидается, позволит реализовывать электронику на гибких, относительно бюджетных подложках, таких как пластик и металичская фольга. Анализ затрат и возможностей производства основанной на печатни микроэлектроники предполагает, что печать может потенциально дать возможность реализовать электронные системы на пластике, цена которых значительно ниже по сравнению с обычными базирующимися на литографии на единицу площади. С другой стороны, затраты на функционирование ожидаются более высокими, базируясь на худшем разрешении печатной электроники. Как следствие, различные потенциальные применения для печатной электроники предлагаются: встроенные дисплеи [1,2], различные типы сенсоров [3,4,5] и RFID [6,7,8,9]. Для реализации этих систем требуется, конечно, развивать необходимые «чернила», которыми можно печатать индуктивности, емкости, батареи, трассы (соединители), резисторы, транзисторы, диоды, блоки памяти, чувствительные элементы и дисплеи. Кроме того так же требуется разработка соответствующих  технологий печати, включающих технологии выполнения необходимых тонких слоёв однородными, контроля границ и совмещения слоёв. Таким образом, в этой работе мы анализируем современное состояние и перспективы для печатной электроники. Во-первых, изучается жизнеспособность  печати как технологии для реализации печатной электроники. Далее, мы рассмотрим классы печатных материалов, которые мы разработали для печатной электроники. И наконец, мы рассмотрим состояние дел в устройствах печатной электроники и оценим потребности для реализации жизнеспособных устройств для печатной электроники.

Печатные технологии для электроники

Интерес к печати, как к средству реализации электронных систем, традиционно в первую очередь исходит из того факта, что печать как ожидается, будет недорогой технологией для реализации электронных систем. Чтобы проверить это утверждение, стоит сравнить технологии производства на основе печати с традиционными технологиями производства микроэлектроники высокого класса. Во-первых, печать требует, по сравнению с литографией, меньшие капитальные вложения. Что интересно, это неверно для ширины проводников > 1 мкм, т.к. сильно уменьшает стоимость литографических инструментов доступных в этих режимах; кроме того, для достижения высокого аптайма, низкая дефективность инструментов печати потребует разработки нового оборудования для печатной электроники, добавляя к капиталу расходы на это. Таким образом, не очевидно, что печать позволит снизить изначальные расходы на оборудование. Во-вторых, печать обещает снижение общей сложности процесса, так как она может позволить использование целиком и полностью аддитивных процессов, вместо необходимых для использования литографии ещё и субтрактивных процессов. Это огромное преимущество, т.к. это уменьшает общее количество операций, затраты на материалы, и общую стоимость оборудования, поэтому сокращает капитальные вложения и увеличивает пропускную способность всего потока. В-третьих, печать может потенциально использовать дешевую обработку подложки и автоматизацию производства, т.к. она позволяет использовать недорогие технологии рулонной подачи «roll-to-roll» или  полистную подачи базового материала «sheet-feed». Хотя это, скорее всего, верно в долгосрочной перспективе, разработка инструментов высокой точности для совмещения до сих пор находится не закончена, но результаты в конечном счёте остаются неясными. Учитывая материальные затраты, затраты на подложки, оценки капитальных затрат и оценки производительности, можно сделать вывод об экономической жизнеспособности печатной электроники. Этот анализ показывает, что печать должна быть дешевле на единицу площади, чем обычная электроника; фактическая стоимость зависит от используемых конкретных технологический решений, но ценовые преимущества в >10Х раз вполне реальны. С другой стороны, стоимость одного транзистора в печатной электронике на несколько порядков выше, чем стоимость одного кремниевого транзистора, в связи с худшей шириной дорожки (лучшая достижимая ширина дорожки в высокоскоростной печати на сегодня меньше чем 10 мкм). Как следствие, экономическая эффективность  может быть суммирована очень просто – печатная электроника экономически выгодна в приложениях, которые ограничены по площади, между тем она экономически не выгодна в приложениях, которые функционально ограничены по плотности.

Различные методы печати доступны для использования в производстве электроники. Поэтому целесообразно суммировать преимущества и недостатки каждого из широких классов методов печати. Методы печати, которые здесь рассматриваются – это трафаретная печать (шелкография), струйная печать, штамповка(тиснение)/наноимпринтинг (метод вдавливания шаблона с наноразмерными элементами в слой материала) и глубокая печать (интаглио). Другие методы печати существуют, но как правило не применяются при изготовлении печатной электроники.  

Шелкография является, пожалуй, самой зрелой технологией для изготовления печатной электроники. Трафаретная печать применяет для производства печатных плат на протяжении десятилетий. В трафаретной печати вязкие чернила «вжимаются» через трафарет с помощью штапеля. Изображение на трафарете, как правило, формируется с помощью светочувствительного покрытия. Трафаретная печать широко используется в электронике, т.к. она используется для шаблона трас проводников (как правило, используют серебряные пасты), сопротивлений (используются углеродные пленки), конденсаторов (используют полиимидные диэлектрики) и т.д., при производстве печатных плат. Разрешающая способность коммерческого высокоскоростного оборудования для трафаретной печати обычно хуже >50 мкм, хотя в исследованиях шелкография была применена для реализации печати в диапазоне менее <10 мкм. К основным недостаткам трафаретной печати относится вязкость чернил. Поскольку краска продавливается через трафарет и поэтому неконтролируема, когда попадает на подложку, необходимы чернила с относительно высокой вязкостью (как правило, более >1000сП (сантипуаз)) для предотвращения чрезмерного размазывания и излишек связующего. Это проблематично для некоторых материалов в печатной электронике. Высокая вязкость краски обычно реализуется добавлением полимерных связующих в чернила. И хотя это не серьезная проблема для полиграфии, это может стать серьезной проблемой для печатной электроники, поскольку такие связующие могут уничтожить функциональность полупроводников, вносить чрезмерные утечки и потери в диэлектриках или ухудшать проводимость проводников. В результате, использования трафаретной печати, как правило, ограничивается изделиями, где связующие могут быть добавлены без критичных потерь в производительности. Например, связующие с серебряной пастой, обычно используют в трафаретной печати. В то время как проводимость снижается по отношению к чистому слою серебра, она всё ещё приемлема для заданных изделий (например, тонкий слой мембранных переключателей, автомобильных клавиатур и т.д.). Трафаретная печать была применена в некоторых ограниченных приложениях для печатной электроники, таких как печать проводников и т.д.

Наиболее широко используемая технология для печати активных электрических схем на сегодня – это струйная печать. Струйная печать позволяет использовать чернила низкой вязкости (1-20сП); это чрезвычайно важно, т.к. позволяет разрабатывать чернила, которые содержат только активное вещество и растворитель, без связующего. В сочетании с цифровым вводом данных, который позволяет на лету изменять проект, струйная печать доминирует в исследованиях печатных транзисторов и т.д. С другой стороны, производство жизнеспособной струйной печати пока не определено. Во-первых, струйная печать, будучи drop-by-drop (капля за каплей) техникой, это головка со строго пиксельным испусканием, в котором явление сушки объединена в комплекс с каплями, может производить разнообразные варианты печатаемого рисунка. Этот вопрос будет обсуждаться ниже. Во-вторых, струйная печать, как правило, медленна, и высокая пропускная способность достигается только с помощью большого числа головок, работающих параллельно. Это, в свою очередь, представляет проблему для производительности, связанную с выходом из строя отдельных головок при печати рисунка. В-третьих, имеется «конус неопределённости», зависящий от угла выброса капли из сопла; это обычно 10 мкм, результат ±3σ разброса в размещении при падении с высоты. Это, в свою очередь, вносит линию шероховатости края и лимиты на размещение в проектные правила масштабирования.

Явления сушки, связанные со струйной печатью, особенно важны, т.к. гладкие, тонкие слои с низкой шероховатостью края очень важны для реализации печатных устройств. Неотъемлемой частью сушки капель является так называемый «coffee ring» эффект. В этом эффекте, сушки капель, наблюдается сильная миграция материала от центра капли к краям капли из-за сильных конвективных сил, связанных с испарением растворителя из капли. В зависимости от относительного испарения и конвективных потоков, капля сохнет, и это дает возможность образоваться кольцевой форме финального слоя в результате, как показано на рисунке 1. Это, очевидно, серьезная проблема для печатной электроники, т.к. большое изменение толщины, присущее наличию в переходных отверстиях, и острые кромки, вносят свой вклад в неприемлемость формы слоя. Влияние сушки на линии формирования отчетливо видны на рисунке 2, который показывает изменения в морфологии (наука о форме и строении) линии в зависимости от расстояния между каплями в печатаемой линии. Все остальные параметры держаться одинаково. Очевидно, просто изменение одного параметра оказывает большое влияние на морфологии напечатанной линии, опять же из-за сильных конвективных сил, связанных с сушкой капли.

Происхождение изменений в напечатанной линии легко понять, рассматривая конвективные силы связанные с сушкой (рисунок 3). Когда капля добавляется в конец уже сформированной линии, конвективные силы вызывают перенос жидкости капли по направлению к соединительной точке с линией. Если интервал между каплями слишком велик, то это соединение слишком мало, чтобы поддержать перенос, и в результате капли высыхают до сплошной линии как показано на рисунке 2.1. Если расстояние чуть ближе, то тот же материалы вытягивается в линию, но ограниченное соединение мешает переносу, в результате высыхания/гелеобразования капли вместо гладкой боковины образуется зубчатая линия (рисунок 2.2). Если интервал между каплями снижать дальше, то могут быть сформированы на самом деле гладкие непрерывные края линии (рисунок 2.3). Однако, если уменьшать интервал между каплями ещё дальше, то точка соединения линии и капли становится слишком большой и чрезмерное количество материала из капли переносится в линию. Линия не может выдержать перенесенное количество и, следовательно, переполняясь, становится выпуклой. Увеличение сечения выпуклости позволяет дальнейший перенос жидкости, и таким образом, перешеек отступает снова, только увеличиваясь, когда сопротивление для переноса жидкости падает. Это приводит к формированию периодических выпуклостей на линии (рисунок 2.4). Теперь понятно, почему морфологией линии сложно управлять, и технологический процесс по этой же причине сложный, но интересный. Решение задачи, которое обычно принята многими авторами включает в себя «быструю сушку» линии, такую чтобы капли сохли очень быстро при касании подложки. Этой формы линии состоят из перекрывающих друг друга индивидуально высушенных капель (рисунок 2.5.). К сожалению, такие линии страдают от плохой однородности толщины пленки и ограниченности в масштабируемости размеров элементов.

Пиксельная природа струйной печати, низкая производительность и проблемы при производстве вызвали интерес к альтернативным технологиям печати.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5688. Психологічні особливості спілкування і діяльності людини 308.03 KB
  Психологічні особливості спілкування і діяльності людини Значення спілкування у житті та діяльності людини. Функції та види спілкування. Засоби спілкування. Поняття про групи та колектив. Діяльність та ї...
5689. Психологічні основи навчання та виховання 222.47 KB
  Психологічні основи навчання та виховання Загальні поняття про навчання та виховання. Сутність і види навчання. Принципи навчання. Психологічні особливості виховання особистості...
5690. Унификация методов количественного определения лекарственных средств 139 KB
  Унификация методов количественного определения лекарственных средств Количественное определение - это заключительный этап фармацевтического анализа. Выбор оптимального метода количественного определения зависит от возможности оценить лекарствен...
5691. Генетика вирусов. Структурная организация генома клетки 138.5 KB
  Величайшие достижения середины XX века - открытие дискретных единиц наследственности (генов), разработка хромосомной теории наследственности, развитие биохимической генетики микроорганизмов и установление принципа один ген...
5692. Россия на пути суверенного развития (1991-2001 гг.) 59.64 KB
  Россия на пути суверенного развития (1991-2001 гг.) Переход к рыночным реформам. - Политический кризис 1993 г. Принятие Конституции РФ. Первая Чеченская война. Второй срок президентства Б. Ельцина и углубление кризиса. Вторая Чеченская война. И...
5693. Ответственность за нарушение экологического законодательства 155.5 KB
  Введение. Понятие и состав экологического правонарушения. Понятие и состав экологического преступления. Административная и гражданско-правовая ответственность за экологическое правонарушения. Заключение. Цель лекции: ознакомить сту...
5694. Организация производства мясных полуфабрикатов и мясоперерабатывающего цеха 747.55 KB
  Тема данной курсовой работы в настоящее время является актуальной, так как в России на долю пищевой и перерабатывающей промышленности приходится более половины продовольственного товарооборота страны. В состав этой отрасли входит более 30 подотраслей...
5695. Организация технологического процесса по приготовлению блюд Азу по-татарски и Сочни с творогом 484.94 KB
  Организация технологического процесса по приготовлению блюд Азу по-татарски и Сочни с творогом Общая характеристика кулинарии как науки Известно ли вам, что есть на свете две профессии, которые мы знаем с самого детства? Не просто знаем, а сразу...
5696. Технология татарской кухни и ее изучение в средней общеобразовательной школе 514.84 KB
  В настоящее время наряду с традиционными кухнями люди используют в своей жизнедеятельности достижения национальных кухонь. Многочисленные путешественники называли татарскую национальную кухню сытной и вкусной,простой и изысканной...