印刷电子:“非一般”的印刷工艺

长春网 2019-07-22

长期以来,印刷技术一直以书刊印刷的模式介入普通人的生活,因而被忽略了其作为一种制造技术的本质。近年来,可浆化光电子材料特别是导电高分子材料的发现,使得更多电子器件以印刷方式廉价制备成为可能,因此通过印刷工艺制备电子产品及其元器件的制造技术也就成为印刷技术在制造业中的又一热点。

印刷电子是将印刷工艺应用于制作电子元的新兴工艺技术,具有多学科的交叉性、边缘性和综合性。从图1可以看出,印刷电子从功能型电子材料出发,将功能性油墨以卷到卷方式集成制造为功能性电子器件,充分体现了功能印刷的特征。

相对于传统印刷工艺,印刷电子技术对涉及的印刷制造技术提出了新的要求,而这些新的要求是伴随着目标电子器件的应用性能而提出的,其精度要求已经接近或超出了传统印刷工艺的极限。因此,通过印刷的方式制备电子器件并非是照搬传统印刷工艺,需要对传统印刷工艺进行优化、改进,使之适应印刷电子的需求。下文将介绍几种典型的印刷电子工艺。


       1. 气流喷印              

气流喷印,作为喷墨打印的一种针对性补充方案,而备受行业重视。气流喷印是与喷墨打印截然不同的喷墨印刷方法,具有分辨率高、墨水适用范围广等特点。

气流喷印首先需要对油墨进行雾化操作,使油墨分散成液相颗粒,与工作气体混合形成气溶胶。在气流喷印的工作过程中,油墨先是在存储墨盒中被雾化成直径为1~5μm的液相小颗粒,然后工作气流将这些气溶胶成分输送到喷头处。为保证所喷射的气溶胶态油墨最终会聚成稳定的细线,设备的喷头部分被设计成夹层结构,而在射出喷嘴的气溶胶细束外围还另有一圈环绕气流,以保证将气溶胶的主要落点控制在小于喷嘴直径的1/10的范围内。另外,由于喷出的油墨在距离喷嘴2~5mm处的粗细保持均匀,所以气流喷印可以在高低落差为一定范围内的承印物表面上打印,且保持线条粗细不变。

目前,气流喷印的应用,包括打印太阳能电池的顶部银电极,印刷全打印晶体管,以及生物传感器等。就未来的趋势而言,气流喷印所侧重的领域应该是高分辨率电路和新材料打印。

      2. 电流体动力学喷印          

根据电流体动力学原理,利用外加电场作用诱导油墨在喷嘴处发生变形,从而实现油墨的喷射,基于该方法的喷射打印工艺,通常称为电流体动力学喷印。相比传统的喷墨方法,该方法可以有效简化喷头结构,并在最小打印尺寸、油墨适用范围等方面拥有独特的优势。

普通的喷墨打印技术,喷嘴的直径减小到10μm以下时,即使没有固体颗粒堵塞喷嘴,墨水也会因为自身的黏度及表面张力而产生极大的喷射阻力,很难通过压电法喷出墨滴。以电流体动力学为工作原理微喷印技术则可以采用300nm甚至更小直径的喷嘴喷射出油墨,从而实现240nm左右的超高分辨率打印。在印刷电子领域,电流体力学喷印的应用主要集中在利用金属类油墨打印高分辨率的导电部件,但距离大规模推广尚有一段距离。

      3. 微接触印刷        

微接触印刷也称为软光刻,是一种使用柔性凸版的印刷方法。该方法通常使用富有弹性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为材料,可以在比较粗糙的表面上进行印刷,且分辨率可小于100nm。由于该方法分辨率高、适用范围广、操作简单易行,故在实验室中被广泛采用,属于微纳米加工中一种比较重要的复制技术。

微接触印刷的原理非常简单:首先在PDMS的凸版上沉积一层油墨薄膜,然后将带有薄膜的凸版与承印表面接触,凸出图文区域上的油墨,即部分转移到承印材料上,从而完成一次印刷。这个过程也被形象地称为盖章。所用的油墨可以是液态的,也可以是固态的,但在印刷时油墨薄膜应该已经失去流动性,以保证印刷图案不会因为油墨的自发运动而走形。

由于微接触印刷所得的图案通常很薄,所以多用来印刷自组装层(SAM),并在制备电子器件的过程中扮演表面改性、刻蚀模板等辅助角色。虽然微接触印刷不是商业化的印刷工艺,在标准化和对准精度上有所欠缺,但其易得、易用、高分辨率的特点还是吸引了不少研究者的兴趣。

      4. 凹版胶印        

将凹版印刷与间接式印刷工艺相结合的凹版胶印,在保留凹版印刷优势的基础上采用柔性的中间载体与承印材料接触,可在刚性物质或者表面粗糙甚至形状不规则的承印物上实现印刷,扩大了承印材料的范围。

凹版胶印的工作原理:在印刷过程中,油墨首先被填入凹版的网穴中,通过中间载体(橡胶、硅聚合物材料的橡皮布平板、滚筒)直接压印或滚压,将油墨从凹版网穴中提取,而后带有图案化油墨的中间载体再与承印物表面接触,油墨转移印刷到承印材料上。虽然凹版胶印在印刷电子制造中的应用不多,但将其直接用于印刷电子产品的研究早在1994年就有文献发表。此后这方面的研究一直继续,目前采用这种方法所获得的最小线条宽度已经达到20μm以下。

      5. 涂层后处理工艺          

印刷电子产品的印后处理是指为使印刷油墨获得理想电学性能所进行的后续加工工艺,例如干燥、退火、烧结、交联固化以及封装等。鉴于产品的电学性能对一些因素敏感,所以印刷电子产品对印后处理的要求远比传统的印刷品严格。理论和实践表明,后续处理工艺直接影响电学功能薄膜的形貌和微观结构,从而决定最终获得的电子器件的性能。

目前,绝大多数的涂层后处理工艺为加热的方式,这种方式利用金属纳米颗粒的低熔点特性,简单易行。除此之外,仍然有一些研究者探讨了其他后处理方式的可行性,诸如激光处理、微波处理、电处理等方法,以期望能够在高精度电子线路以及温度敏感的基材上发挥特定作用。