浅析印刷电子技术

文 孙加振 魏先福 黄蓓青

科技的发展让人们愈发享受到便捷的生活，科学的进步让人们不断更加清晰的认识生活中的事物。随着人们对生活品质的无限追求，使得科技产品变得日新月异，应用电子设备成为现代生活的重要一部分，如手机、电脑、液晶电视等。现在人们对电子设备的要求主要集中在功能强大、产品安全、环保节能、舒适美观等方面，因此，电子产品的多功能化、环境友好、小型轻薄、低成本化是其发展的必然。当今电子产品更是涵盖了通信、物流、展会、显示、照明、广告、包装、汽车、医疗、保健、出版、时装、军事及一次性用途的各种电子产品，尤其是物联网用电子产品的智能包装等。因此，电子技术毫无疑问是当前人们享受科技进步带来的便捷生活的一个极为广泛的需求，因此，相关的科学问题也就不断的被相关科研工作者们提出、解决、应用。本文结合印刷电子工艺技术特点的角度介绍了印刷电子技术相关发展应用状况，为相关科技工作者了解印刷电子技术方面的知识以及认识印刷电子的发展意义提供技术资料，从而更好的发展印刷电子技术。

印刷电子的概念

印刷技术在制造电子产品中以其快速、大面积、精确可控等优点，成为制备电子产品的一个极为重要的手段。其中作为四大印刷之一的丝网印刷技术，更是以其可控的油墨墨层实现图像原稿再现，墨层厚度范围可从1μm到300μm，承印尺寸范围可在几微米到几平方米之间，承印物范围广泛，甚至承印材料呈液体或悬浮于液体中等优点，在印刷电子领域更是发挥了重要作用。印刷电子技术是印刷技术与电子技术相结合而形成的一门新兴的综合性前沿技术，自上世纪90年代以来，人们一直在探索是否可以像印刷报纸那样大批量地印制各种电子元器件和电子线路，因为只有这样，电子产品的制造成本才能大幅下降，从而实现普及化。

正在快速发展中的印刷电子技术（Printed Electronics Technology）显然已经形成为一个新兴的产业，逐步引发了一场电子技术的革命。印刷电子技术的推进应用与材料科技、电子科技以及制造科技紧密相关，从而近些年电子电气和化学材料领域的相关国际知名公司如西门子（Siemens）、因特尔（Intel）、摩托罗拉（Motorola）、东芝（Toshiba）、索尼（Sony）、飞利浦（Phillips）、三星（Samsung），乐金（LG）、惠普（HP）、通用（GE）、霍尼威尔（Honeywell）及巴斯夫（BASF）、杜邦（DuPont）、拜尔（Bayer）、默克（Merck）等纷纷拆巨资开展印刷电子技术方面的研究。

欧盟早在第5、第6、第7框架计划下已持续投入了数十亿欧元进行了研发，美国、日本、韩国等工业发达国家也是如此。相关企业技术研发都致力于通过研究开发、集成制造不同功能的低成本印刷电子产品，来满足日常生活的各种用途。一些知名咨询公司如英国IDTechEx、德国PolyIC、美国NanoMarkets分析认为未来20年新兴的印刷电子产业可以达到3000亿美元，市场规模将会逐步比硅电子产业还要大。印刷电子技术不仅会影响电子业、封装业、硅芯片业和显示业，而且对印刷电路板（PCB）和传统印刷业等产业结构调整、升级都会造成巨大的影响。

印刷电子与传统制造电子的比较

目前传统的微电子集成电路技术发展已经十分成熟，这是一种以半导体单晶硅为衬底材料的微电子集成电路技术，硅基集成电路制造工艺包括薄膜沉积、高温烧结、光刻、腐蚀、封装等，这种传统制造电子所采用的蚀刻制备方法称为“减法生产”。传统集成电路制造技术的优点在于精度高、性能好，缺点则是成本高，而且蚀刻环节产生大量重金属废液，造成环境污染。另外，电子制造工艺中的高温烧结环节对衬底材料有一定要求，柔性衬底材料，比如塑料薄膜、纸张、纤维等上面很难实现电子的制造。

然而，印刷电子技术是将具有导电、介电或半导体性能的电子材料配成可以流畅印刷的功能油墨，按照所需电子线路设计印刷图案，通过印刷的方式将这些特殊油墨印刷到衬底材料上。通过印刷方法将功能油墨层层叠加制备，完成对集成电路的各组成部件的制造，这种用印刷的方式制造集成电路的方式是一种“加成法”。印刷加成制造技术工艺简单，成本低，可实现大面积、大批量生产；免于蚀刻处理，没有原材料浪费，环保无污染。虽然目前在产品精度和性能上还无法与传统制作技术抗衡，但它对衬底材料没有耐高温、硬度等要求，因而应用范围更广。

很显然，印刷电子制造技术独特的优势与长处，可以补齐传统电子制造技术中的“短板”，但它也有自身存在的缺陷与局限，并非所有的电子器件和产品都能通过印刷的方式进行制造。因此，可以预测印刷电子技术并不能完全取代传统的电子制造技术。随着先进功能材料研究研发和工艺技术上的不断发展，印刷电子技术在产品精度等方面的性能已有很大的突破和提升。虽然，现在印刷电子与传统的电子制造技术相比稍显稚嫩，但是，印刷电子技术由于在“大面积、低成本、柔性化、环保”诸多方面的优势，在以后的发展中探索、找准适合自身的应用与市场化发展空间将会获得巨大的发展潜力。

印刷电子技术特点

印刷电子的制备工艺不单单是将印刷技术简单的在电子制造中的重复，因此，在实际应用印刷电子技术进行电子制造过程中不要把印刷电子与传统印刷完全等同对待。传统印刷品如书刊、杂志、报纸的功能是用来看的，至于包装印刷品其功能往往是用于运输、保护、展示或者其他，而印刷电子产品，根据其实际用途主要在于做导体、半导体、绝缘体方面，无疑要求具备突出的电学方面功能。

除了认识到产品形态与功能方面的区分，印刷电子与传统印刷在制造工艺上也不能等尔视之。首先，从印刷材料的角度来看，印刷电子油墨与传统印刷油墨显然不是为了类似的需求进行制备的。目前，油墨要求在传统印刷中大多强调流变性与印刷方式的匹配，分散性与印刷效果的完美再现等方面，在印刷电子的应用中，印刷材料还要与电子产品所需要的导电性能、透明度等相适应。例如，目前为了实现电子产品的高精度、高分辨率，现有的材料已经很难满足其要求，使得用到的原材料必须纳米化。这也使得把近几年来研究较多的纳米材料应用技术与操作简单、成本低廉的印刷电子技术联系起来成为可能。

毫不夸张地说，印刷电子材料的发展决定着印刷电子的发展，材料研发的问题目前国内诸多科研院所都在进行相关研究研发工作。例如，中科院化学所喷墨打印制备金属纳米颗粒导电透明膜的研究、中科院苏州纳米所柔性大面积印刷透明导电膜技术、北京印刷学院纳米银制备技术等。因此，印刷电子产业化工作与全面的了解、研究印刷电子材料是紧密相连的。传统印刷设备不能简单的直接用于印刷电子领域，要经过适当的改造。在产品的印前和印后处理等环节，印刷电子也会有一些不同于传统印刷的要求。

印刷电子制备工艺

随着印刷电子制备工艺的不断发展，根据不同的印刷电子需求丝网印刷、凹版印刷、凸版印刷、胶版印刷、喷墨印刷等几大印刷方式结合自身工艺特点在印刷电子技术领域都实现了应用。目前在印刷电子领域的应用最为广泛的是丝网印刷电子技术，丝网印刷电子具有以下优点：（1）设备制备成本低，制版操作比较简单；（2）对基材和油墨的适应性较强，不同基材或者不同的表面均可以印刷，油墨无论是亲油型还是亲水型只要可从网孔中漏印下来均可实现印刷；（3）印刷至基材表面得到薄膜的膜厚较厚，可达到几十微米，远远厚于其他印刷方式，这可在一定程度上提升电子器件的电学性能。另外，凹版印刷、凸版印刷、胶版印刷等传统印刷工艺技术分别因其高速、含挥发性溶剂、接触印刷、高精度等方面的突出优势也在印刷电子领域获得了应用。目前，喷墨打印技术的推广以及其优越的非接触印刷工艺特点，在印刷电子领域具有巨大的应用价值。喷墨打印技术可以实现非接触多点打印，制备多功能印刷电子，在电子产品制造、科学研究研发等方面实现了诸多应用。

总之，可以预测印刷电子技术的发展随着电子产品应用领域的不断广泛、印刷方式在电子产品制造中的技术优势及印刷材料与印刷工艺不断创新发展，印刷电子技术将越来越多的在电子产品制造中发挥作用。因此，从了解、认识、创新印刷电子技术出发，发展我国电子产品制造创新能力，得到自主研发的先进功能印刷电子产品，对发展国家先进科研技术、制造技术提高国家科技技术核心竞争力等方面具有重大意义。