Posibilitatea de a utiliza procese de imprimare pentru fabricarea dispozitivelor electronice (fără fir, cum ar fi identificatorii de frecvență radio, componente de afișare, chips-uri) a studiat de la începutul acestui secol, in mai multe companii, organizații publice de cercetare, instituții de învățământ superior. Aceste procese pentru lumea electronicii sunt cu siguranță noi, iar tehnologiile de formare a componentelor diferă de cele tradiționale. Este adevărat că tehnologia de imprimare a imaginilor, gravarea și gravarea este deja utilizată pe scară largă în producția plăcilor de circuite imprimate. Utilizarea combinată a așa-numita cerneală nouă, funcțională (cu proprietățile conductoare, semiconductori și dielectrici) și platforme de imprimare moderne (gravare, flexo, imprimare cu jet de cerneală, gravură) va reduce în mod semnificativ costurile de produse electronice, pentru a crește eficiența producției lor, pentru a crea dispozitive flexibile cu îmbunătățite caracteristicile operaționale, creșterea fiabilității și siguranța mediului. Astăzi există mai mult de 3000 de organizații din lume specializate în domeniul tipăririi, electronicii, materialelor, ambalării, dezvoltării componentelor și dispozitivelor electronice imprimate și subțiri. Unele dintre aceste produse (cum ar fi convertizoarele de lumină sau energia solară în energie electrică) sunt deja pe piață, iar cererea pentru acestea este în continuă creștere. Altele, cum ar fi tranzistoarele tipărite, care sunt dezvoltate de mai mult de 500 de organizații din lume, apar doar pe piață. Ceea ce se realizează în domeniul electronicii imprimate, și ce obstacole stau în calea dezvoltării acestei noi industrii, care, potrivit multor experți, volumul de producție ar putea depăși industria de semiconductori?
Tehnologia imprimării componentelor electronice
Tehnologia de formare a dispozitivelor semiconductoare, bazată pe o varietate de metode sofisticate de imprimare, poate crește semnificativ productivitatea fabricării lor. Dar în timp ce tehnica de imprimare tradițională produce imagini bine percepute cu ochiul liber, în fabricarea de dispozitive electronice este necesară pentru a obține proprietățile lor electrice, mecanice și optice dorite. Indiferent de metoda de imprimare, cele mai avansate tehnologii și echipamente sunt necesare pentru fabricarea dispozitivelor electronice tipărite. Practic, orice tehnică de imprimare este potrivită pentru fabricarea electronicii tipărite, dar pentru diferitele tipuri de instrumente există metode și materiale preferate. Este posibil să combinați mai multe metode pentru a crea un instrument. Dar fiecare tehnică are avantajele și dezavantajele sale.
Imprimarea cu jet de cerneală este una dintre cele mai populare tehnologii pentru crearea de electronice tipărite. Deoarece aceasta este o tehnologie digitală, este suficient să aveți un fișier tipărit care să descrie designul său pentru a forma un dispozitiv electronic. Această tehnologie este promițătoare pentru producția rapidă de prototipuri și loturi de instrumente specializate, deși este potrivită pentru producția în masă a produselor electronice tipărite. Avantajele imprimării cu jet de cerneală includ o rezoluție suficient de ridicată (linii de 80-100 μm), flexibilitate, costuri relativ scăzute și compatibilitate cu aproape orice tip de substraturi. Este de așteptat ca îmbunătățirea echipamentului de imprimare cu jet de cerneală să permită formarea de elemente cu o rezoluție de 20 ¼m linii. Ca rezultat, imprimarea cu jet de cerneală va fi folosită din ce în ce mai mult pentru a crea electronică tipărită. Serigrafierea este o altă tehnologie populară folosită pentru a produce dispozitive electronice imprimate prin forțarea pastei printr-un șablon potrivit. Această tehnologie poate fi utilizată pentru a aplica filme de grosime relativ mare în diferite părți ale substratului într-o singură etapă. Dar nu permite obținerea de filme foarte subțiri. De mult timp sa crezut că rezoluția serigrafiei este mică, dar echipamentele moderne permit producerea de elemente de până la 40 μm. În același timp, muchiile liniilor sunt mai distincte decât cele ale liniilor formate prin imprimarea cu jet de cerneală.
Nanolitografia este o tehnologie relativ nouă bazată pe fotolitografia tradițională. Pe substrat prin acoperire centrifugare sau depunerea lichidului rezista este aplicat, care prin intermediul unei matrițe tridimensionale este format dintr-un model dorit de elemente (1a). Filmul rezistent se vindecă fie prin încălzire, fie prin radiație UV (figura 1b). După îndepărtarea vindecat rezista timbru își păstrează forma (1C), iar filmul rămas este corodat (ris.1g). Rezistența structurată poate fi utilizată fie ca șablon pentru desenarea unui model de straturi ulterioare ale dispozitivului, fie ca un strat funcțional al dispozitivului. Rezoluția acestei tehnologii este limitată numai de rezolvarea procesului de fabricare a ștampilei. Lățimea liniilor poate fi de 20 nm. Principala problemă este prezența materialelor rezistive cu proprietățile electrice și optice necesare.
Fig.1. Secvența operațiilor nanolitografice: crearea unui desen (a); rezistența la întărire (b); ștergerea ștampilei (in); sângerarea filmului rămas (d)
Fig.2. Utilizarea de diverse materiale pentru fabricarea elementelor de bază ale electronicii tipărite. Culoarea verde închis indică zonele cele mai promițătoare de aplicare a materialelor anorganice, soluții hibride verde - promițătoare, cu utilizarea
Acum, oamenii de stiinta nota Universitatea Cambridge masterizat tehnologie prima generație de aplicare a oxizilor de metal ale sistemelor electronice imprimate: formarea acoperiri conductive transparente în fabricarea matricei pasive LCD și celula solară (SC). În viitor, oxizii metalici vor găsi aplicații în fabricarea componentelor și sistemelor transparente (figura 4). Interesul deosebit al dezvoltatorilor de electronice tipărite este cauzat de oxidul de zinc, denumit uneori un compus semiconductor A2B6. Cu toate că acest material este considerat ca fiind un „nou siliciu“ timpuriu, posibilitatea utilizării sale pentru fabricarea tranzistoarelor imprimate și a componentelor nanocristaline piezoelectrice cu peliculă subțire sunt deja evidente.
Nu mai puține eforturi ale diferitelor companii și organizații
Figura 3. Raportul dintre caracteristicile de performanță și costul diverselor materiale destinate fabricării componentelor electronice
Figura 4. Perspectivele utilizării oxizilor metalici pentru a forma dispozitive electronice transparente
Figura 5. Materialele cele mai utilizate pe scară largă în electronica tipărită (săgețile galbene indică elementele utilizate în compuși și impurități în fabricarea acestor componente, săgeata roșie reprezintă elementele utilizate în fabricarea
28.98 miliarde. Dolari.) Din toate piața de electronice imprimate, egal cu SUA 57160000000 $ .. Astfel, importanța evidentă a materialelor anorganice pentru produse electronice și oportunitățile cu care se confruntă companiile pe care le dezvolta imprimate.
Materiale organice
Organice electronice tipărite prin aspectul său se datorează descoperirii în anii 1970 a ultimului secol al proprietăților semiconductoare ale polimerilor conjugați. Spre deosebire de filmele semiconductoare convenționale ale unor astfel de polimeri sunt un amestec de substanțe chimice cu conductivitatea și gaura de electroni a interfetei care sunt distribuite în întregul volum tridimensional al filmului. Materialele organice sunt mai ușoare, mai elastice și mai ieftine decât materialele anorganice. Pentru a forma dispozitive electronice utilizând imprimarea standard cu jet de cerneală la temperatura camerei și presiunea atmosferică, acestea pot fi transformate într-o stare lichidă. Acestea diferă flexibilitate mecanică, posibilitatea ajustării proprietăților dispozitivului (de exemplu, o modificare de culoare a emisiilor OLED-uri) prin modificarea compoziției chimice. Electronice organice - o secțiune promițătoare și inovatoare electronice, care permit în primul rând pentru a schimba fundamental proiectarea și fabricarea de dispozitive de afișare rapid și cu costuri minime, pentru a stabili producția de serie de lumină și display-uri flexibile. Materialele organice sunt promițătoare pentru producerea de multe noi dispozitive electronice imprimate care nu pot fi create folosind tehnici convenționale (de exemplu, e-hârtie, ferestre inteligente / flexibile, etc.) sau a căror funcționare nu satisface cerințele ridicate. Se așteaptă ca polimerii organici conducători să joace un rol important într-o știință modernă, cum ar fi tehnologia computerizată moleculară.
Astăzi, există o varietate de materiale organice imprimabile cu proprietăți conductive, semiconductoare și dielectrice. Cele mai utilizate pe scară largă în electronica tipărită sunt molecule mici, polimeri, oligomeri. Cel mai popular material, aparținând clasei de molecule mici, este pentacena, care se folosește la crearea OLED. Cu toate acestea, acest material este dificil de obținut sub formă de cerneală, ca urmare a faptului că mai mult de 90% din OLED-urile sunt fabricate prin depunere în vid a moleculelor mici.
Pe baza materialelor din clasa moleculelor mici, sunt de asemenea realizate tranzistoare cu efect organic de câmp, a căror mobilitate transportoare este de 5 cm2 / V; s.
Polimeri - materiale cu greutate moleculară mare - sunt compuse din lanțuri lungi de unități de macromolecule care oferă capabilități extinse de control ale proprietăților electronice și chimice ale materialului se repetă. Abilitatea de a tipări și versatilitatea acestor materiale determină promisiunea utilizării lor în electronica tipărită.
Polimerii dezavantaje sunt un ordin de mărime mai mică decât cea a moleculelor mici, mobilitatea purtătorilor de sarcină și dificultățile de purificare. Datorită controlului insuficient de perfect al proceselor de polimerizare, ele au deseori un catalizator rezidual de polimerizare sau impurități.
Cel mai adesea, polimerii sunt utilizați pentru a forma linii conductive, deși sunt aproape de semiconductori în termeni de conductivitate. Prin urmare, acestea sunt utilizate în principal în aplicații în care, pentru firele conductoare utilizate în mod tradițional polisiliciu, - senzori și tranzistori pentru conectarea panourilor de afișare și dispozitivele de identificare a frecvenței radio (RFID).
De interes este metoda dezvoltată de oamenii de știință de la Universitatea Princeton pentru a restabili conductivitatea polimerilor, care scade atunci când se prepară o soluție cu jet de cerneală. Prin tratarea cu jet obținut straturi speciale polimer de acid pierdut conexiunea internă restaurată, și recuperează astfel conductivitatea. Cu ajutorul tehnologiei dezvoltate, la Universitatea au fost create tranzistori din plastic cu structura contra-pieptene a regiunilor sursă și de drenaj.
Oligomerii sunt polimeri cu catenă scurtă cu caracteristici moleculare bune și greutate moleculară scăzută. Acest material este potrivit atât pentru imprimare, cât și pentru depunere în vid. Cu toate acestea, în timp ce oligomerii nu sunt utilizați pe scară largă în domeniul electronicii tipărite.
Materialele organice, în special polimeri, spre deosebire de anorganic, adecvat pentru formarea unei structuri foarte ordonată a straturilor și interfețe. Ca rezultat, conductivitatea și mobilitatea purtătorilor de sarcină imprimate semiconductor organic este mai mică decât în dispozitivele de pe materiale anorganice. În plus, în majoritatea materialelor semiconductoare organice, mobilitatea găurilor este mult mai mare decât cea a electronilor. Ca rezultat, până de curând, pe baza materialelor organice, s-au fabricat numai MOSFET-uri cu canale p.
Figura 6. Posibilități de utilizare a materialelor anorganice (stânga) și organice (dreapta) în electronica tipărită
Problema obținerii materialului organic cu o conductivitate de electroni și crearea de MOSFETs n-canal din primele companii capabile să rezolve Polyera (USA). Echipa de cercetare a companiei a obținut un polimer cu un lanț de molecule de bază foarte ordonat, care asigură transportul eficient al purtătorilor în structura polimerului. Mobilitatea electronilor unui tranzistor cu efect organic pe câmp bazat pe un nou polimer este de 3 cm2 / V; s. Polimerul interacționează bine cu un solvent organic, care permite să se obțină o substanță lichidă, care este potrivit pentru jet de cerneală și gravurii imprimarea componentelor organice pe un substrat de plastic, și chiar hârtia. Se caracterizează printr-o stabilitate ridicată în funcționare și nu este afectată de mediul înconjurător. Poate fi combinat cu alte materiale organice pentru a crea cipuri imprimate CMOS.
Figura 7. Distribuția companiilor din lume care lucrează în domeniul utilizării conductelor de carbon și a grafenului în domeniul produselor electronice tipărite
Figura 8. Procesul de producție al unui circuit semiconductor tipărit
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: