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印刷電子:“非一般”的印刷工藝

時間:2019-01-17 17:58:59 來源:遠見印務

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   長期以來,印刷技術一直以書刊印刷的模式介入普通人的生活,因而被忽略了其作為一種制造技術的本質。近年來,可漿化光電子材料特別是導電高分子材料的發現,使得更多電子器件以印刷方式廉價制備成為可能,因此通過印刷工藝制備電子產品及其元器件的制造技術也就成為印刷技術在制造業中的又一熱點。

  印刷電子是將印刷工藝應用于制作電子元的新興工藝技術,具有多學科的交叉性、邊緣性和綜合性。從圖1可以看出,印刷電子從功能型電子材料出發,將功能性油墨以卷到卷方式集成制造為功能性電子器件,充分體現了功能印刷的特征。

  相對于傳統印刷工藝,印刷電子技術對涉及的印刷制造技術提出了新的要求,而這些新的要求是伴隨著目標電子器件的應用性能而提出的,其精度要求已經接近或超出了傳統印刷工藝的極限。因此,通過印刷的方式制備電子器件并非是照搬傳統印刷工藝,需要對傳統印刷工藝進行優化、改進,使之適應印刷電子的需求。下文將介紹幾種典型的印刷電子工藝。

  1. 氣流噴印

  氣流噴印,作為噴墨打印的一種針對性補充方案,而備受行業重視。氣流噴印是與噴墨打印截然不同的噴墨印刷方法,具有分辨率高、墨水適用范圍廣等特點。

  氣流噴印首先需要對油墨進行霧化操作,使油墨分散成液相顆粒,與工作氣體混合形成氣溶膠。在氣流噴印的工作過程中,油墨先是在存儲墨盒中被霧化成直徑為1~5μm的液相小顆粒,然后工作氣流將這些氣溶膠成分輸送到噴頭處。為保證所噴射的氣溶膠態油墨最終會聚成穩定的細線,設備的噴頭部分被設計成夾層結構,而在射出噴嘴的氣溶膠細束外圍還另有一圈環繞氣流,以保證將氣溶膠的主要落點控制在小于噴嘴直徑的1/10的范圍內。另外,由于噴出的油墨在距離噴嘴2~5mm處的粗細保持均勻,所以氣流噴印可以在高低落差為一定范圍內的承印物表面上打印,且保持線條粗細不變。

  目前,氣流噴印的應用,包括打印太陽能電池的頂部銀電極,印刷全打印晶體管,以及生物傳感器等。就未來的趨勢而言,氣流噴印所側重的領域應該是高分辨率電路和新材料打印。

  2. 電流體動力學噴印

  根據電流體動力學原理,利用外加電場作用誘導油墨在噴嘴處發生變形,從而實現油墨的噴射,基于該方法的噴射打印工藝,通常稱為電流體動力學噴印。相比傳統的噴墨方法,該方法可以有效簡化噴頭結構,并在最小打印尺寸、油墨適用范圍等方面擁有獨特的優勢。

  普通的噴墨打印技術,噴嘴的直徑減小到10μm以下時,即使沒有固體顆粒堵塞噴嘴,墨水也會因為自身的黏度及表面張力而產生極大的噴射阻力,很難通過壓電法噴出墨滴。以電流體動力學為工作原理微噴印技術則可以采用300nm甚至更小直徑的噴嘴噴射出油墨,從而實現240nm左右的超高分辨率打印。在印刷電子領域,電流體力學噴印的應用主要集中在利用金屬類油墨打印高分辨率的導電部件,但距離大規模推廣尚有一段距離。

  3. 微接觸印刷

  微接觸印刷也稱為軟光刻,是一種使用柔性凸版的印刷方法。該方法通常使用富有彈性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為材料,可以在比較粗糙的表面上進行印刷,且分辨率可小于100nm。由于該方法分辨率高、適用范圍廣、操作簡單易行,故在實驗室中被廣泛采用,屬于微納米加工中一種比較重要的復制技術。

  微接觸印刷的原理非常簡單:首先在PDMS的凸版上沉積一層油墨薄膜,然后將帶有薄膜的凸版與承印表面接觸,凸出圖文區域上的油墨,即部分轉移到承印材料上,從而完成一次印刷。這個過程也被形象地稱為蓋章。所用的油墨可以是液態的,也可以是固態的,但在印刷時油墨薄膜應該已經失去流動性,以保證印刷圖案不會因為油墨的自發運動而走形。

  由于微接觸印刷所得的圖案通常很薄,所以多用來印刷自組裝層(SAM),并在制備電子器件的過程中扮演表面改性、刻蝕模板等輔助角色。雖然微接觸印刷不是商業化的印刷工藝,在標準化和對準精度上有所欠缺,但其易得、易用、高分辨率的特點還是吸引了不少研究者的興趣。

  4. 凹版膠印

  將凹版印刷與間接式印刷工藝相結合的凹版膠印,在保留凹版印刷優勢的基礎上采用柔性的中間載體與承印材料接觸,可在剛性物質或者表面粗糙甚至形狀不規則的承印物上實現印刷,擴大了承印材料的范圍。

  凹版膠印的工作原理:在印刷過程中,油墨首先被填入凹版的網穴中,通過中間載體(橡膠、硅聚合物材料的橡皮布平板、滾筒)直接壓印或滾壓,將油墨從凹版網穴中提取,而后帶有圖案化油墨的中間載體再與承印物表面接觸,油墨轉移印刷到承印材料上。雖然凹版膠印在印刷電子制造中的應用不多,但將其直接用于印刷電子產品的研究早在1994年就有文獻發表。此后這方面的研究一直繼續,目前采用這種方法所獲得的最小線條寬度已經達到20μm以下。

  5. 涂層后處理工藝

  印刷電子產品的印后處理是指為使印刷油墨獲得理想電學性能所進行的后續加工工藝,例如干燥、退火、燒結、交聯固化以及封裝等。鑒于產品的電學性能對一些因素敏感,所以印刷電子產品對印后處理的要求遠比傳統的印刷品嚴格。理論和實踐表明,后續處理工藝直接影響電學功能薄膜的形貌和微觀結構,從而決定最終獲得的電子器件的性能。

  目前,絕大多數的涂層后處理工藝為加熱的方式,這種方式利用金屬納米顆粒的低熔點特性,簡單易行。除此之外,仍然有一些研究者探討了其他后處理方式的可行性,諸如激光處理、微波處理、電處理等方法,以期望能夠在高精度電子線路以及溫度敏感的基材上發揮特定作用。

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