印刷微電子

2021-06-15 04:39:40 字數 2682 閱讀 3168

印刷微電子就是基於印刷原理的電子學。傳統微電子學從單晶矽襯底材料的製備到在矽單晶體上形成電晶體與互連線所需要的薄膜沉積、光刻、刻蝕、封裝等,所涉及的工藝程式多達數百項。並且由於傳統微電子的加工裝置價值昂貴,傳統的微電子行業被一些大公司壟斷。反觀傳統的印刷行業工藝簡單,加工裝置便宜。加之pcb、tft、lcd、pdp等技術的成熟使用,更激發採用傳統印刷方式製作微電子的裝置的想法。

傳統微奈米工藝中對單晶矽的一系列操作對比與平面印刷中彩色的套印過程有極高的相似度。只不過是所處理的物件和採用的精度不同。傳統的微電子行業是對單晶矽上進行的光刻,腐蝕,在對襯底進行沉積.等於傳統彩色印刷中,通過cmyk四種色料的疊加。簡而言之,兩者都是對襯底的腐蝕與材料的疊加。

採用印刷的方式來製作微電子具有製作工藝簡單、生產成本低廉、選材的範圍廣泛、易於大面積批量製備、柔性化。但是印刷微電子相對於成熟的傳統微電子行業來說也具有一些劣勢。最重要的傳統的微電子行業已經可以到達奈米級別的加工工藝,但是採用印刷工藝最多只能達到微公尺級別的技術。

在印刷微電子技術中最難的地方就是印刷油墨的製備和微電子器件的成型。對印刷油墨必須具有良好的電學效能,又必須具備成膜性和一定的黏著性。目前國內外的研究的油墨大致分為兩種:一是通過對傳統導電材料的處理使之具有良好的電學效能又具備印刷所需的適應性要求。由於金屬銀具有的導電性好、化學性質穩定、**相對低廉的特點,逐漸成為金屬導電油墨的研究主流,在可溶性銀化合物和銀奈米顆粒兩大領域已經實現商業化銷售。另一是導電高分子材料油墨的研究。2023年日本科學家和美國科學家合作發現通過摻雜可以使聚乙炔薄膜成為良導體。使得導電成為乙個熱門研究領域。一般高分子的流動性和粘著性相對於金屬材料來的優良。由於要兼顧印刷適性,油墨的均勻與否、油墨中加入一些助劑,都會對最後形成油墨的電導率、載流子遷移率等形成影響[1]。

傳統印刷一般可以分為直接印刷和間接印刷兩種。由於間接印刷對油墨的粘著性要求比較高,所以印刷微電子偏好於直接印刷。間接印刷在光伏電池也得到很好的應用。傳統的噴墨列印是指在計算機控制下將 油墨噴射並構成點陣。雖然在傳統印刷中已經漸漸拋棄傳統的噴墨列印方式。由於噴墨列印技術與傳統的微電子技術有極高的相似。理論上各種電子元件都可以採用噴墨列印實現。且目前國內外已成功的利用噴墨技術研製出各種電子元器件:場效應電晶體、感測器、儲存器、電阻、電容、電感等。噴墨印刷除了對油墨的要求還對噴頭由很高的要求。因為噴墨印刷是非接觸印刷,油墨在噴頭與承印物易飛濺形成衛星點。且噴頭易堵塞。油墨乾燥過程還決定最終的成膜性[2]。

本文研究採用的是噴墨印表機。

由於印刷微電子的這些特性使得印刷微電子有區別於傳統的微電子工藝的很多特徵:

1.印製技術的匯入簡化電子產品製造工藝。任何電子裝置必定有相關元器件和零件組成,通常是由印製板(pcb)承擔了元器件的支撐和連線作用。印製電子產品兼有pcb作用,可代替pcb。印製電子製造是採用直接印製圖形的方法,與pcb及pcba(裝配)製造相比基本流程如圖,顯然印製電子比前者工序簡化約一半。

2.把電子電路與元器件集合在一起,連線可靠。通常的pcb僅是pwb(印製線路板), 成為電路功能的元件是後裝上去的,即由pcba完成。而印製電子是在基材上既有線路又有元件,都由印製完成,成為真正的電子電路。而且印製電子產品的元件與線路是完整一體,連線可靠性高。

3.產品輕薄、可撓曲,減少體積與重量,適合各種形狀要求。印製電子產品基材以有機薄膜為主, 具有可撓曲、輕薄的特點,其印製形成的元件是厚膜型的,相比pcb上安裝的元件要輕薄。因此印製電子具有撓性印製板(fpc)的優點,又勝過fpc。

4.省料省工,減少成本。印製電子用有機薄膜和各種油墨材料的成本,低於pcb用覆銅箔板和各種化工材料;印製電子加工過程也少於pcb和pcba,而且印製電子又可以成捲加工(r2r);由於加工過程簡單,印製電子用生產裝置投資也沒有pcb和pcba複雜;因此印製電子適合低成本要求。

5.綠色生產,有利環境保護。印製電子生產廢棄物極少,不需化學蝕刻和電鍍工序,幾何沒有廢水,是項清潔生產工藝技術。

基於以上的印刷微電子的種種特性使得印刷微電子具有廣大的前景。印刷電子技術目前還處於產業發展的初期,但是已顯現其市場規模具有很大的發展潛力。據調查資料顯示,印刷電子技術和產業涉及面很廣,包括能印製形成電路或者電子元器件的有機、無機或者合成材料,生成電晶體、顯示器、感測器、光電管、電池、照明器件、導體和半導體等器件,以及互連電路的工藝與產品[1]。按照idtechex、oe-a和台灣工研院的資料介紹,印刷電子產品的應用領域歸納為下表2.1:

表2.1 印刷微電子的應用領域

產品應用領域

印製電子產品

產品特點

半導體器件

薄膜電晶體(tft)

rfid系統

邏輯電路、儲存器

比矽基ic

重量輕、體積小,

適於撓曲和低溫裝配,

比矽基半導體成本低。

顯示有機光電顯示管(oled)

有機光電廣告屏

電子紙電泳顯示、電致變色顯示、

場致發光顯示、熱顯示等等

改善平板顯示器強度,

可設計成捲曲的新產品,

適於成捲高效生產。

照明有機發光二極體(oled)

消耗電量少節能,

可分散、捲曲排列燈光,

成本低 適於成捲生產。

電源薄膜太陽能電池

光伏新穎環保、低成本電源,

重量輕、體積小,可捲曲。

感測接觸壓力感應器

光電感應器

溫度感應器等

用於不同結構的訊號檢測,

重量輕、體積小、成本低,

能用於生物產品中,

能撓曲與纖維織物結合。

其它薄膜開關

重量輕、體積小、成本低

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