印制电子的研究现状、技术特征及产业化前景
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综述与评论Summarization&Comment 印制电路信息2010 No.1 印制电子的研究现状 技术特征 及产业化前景 杨振国 (复旦大学材料系,上海200433) 摘 要 文章就印制电子产生的历史背景和现状、印制电子的技术特征和工艺、国际印制电子会议和组织以及印 制电子产业化的进程和效果作了概要的介绍、分析和评述。同时,进一步扼要论述了欧盟在第6、第7框架计划(FP6、 FP7)下资助印制电子的项目情况、推动其产业化过程采取的措施以及所建立的协作研发架构。根据欧洲有机电子协会 (OEA)制定的印制电子的路线图,可以乐观地认为若干年后它将发展成为与硅基电子相当的新兴产业,并对我们日常 生活的质量和水平产生广泛和深远的影响。 关键词 印制电子;技术特征;产业化;路线图;发展前景 中图分类号:TN41 文献标识码:A 文章编号:1009—0096(2010)1—0008—05 Research Status.Technical Characteristic and Ind lncI Ustriall‘… zati0n ros ect ol rlnted lectronics ‘Prt pect —Printed Electrt "YANGZhen-guo Abstract In this paper,the historical background and current status of printed electronics arising,the technical characteristic and process of the printed electronics,the international printed electronics conference and host organization as well as progress and effect of he prtinted electronics industrialization were briefly introduced, analyzed and reviewed.In addition,some information on the printed electronics projcots funded by European Union under the 6th and 7th framework program,measures adopted for driving industrialized process of the printed electronics and the established collaborative R&D framework were further summarily outlined.Based on appication roadmap of the printed electronics formulated by European Organic Electronics Association(OEA),it is optimistically predicted that the printed electronics will become a new emerging industry equivalent to the market scale of silicon-based electronics in a couple of years and will also bring about wide and profound effect on the quality and standard of our living. Key words prospect printed electronics;technical characteristic;industrialization;roadmap;development 印制电子(Printed Electronics)是近年来在微 电子领域里出现的一种性的先进制造技术, 引起国际材料界、电子界、制造界及相关业界的 广泛关注和研究。目前,一些印制电子的原型样 8. 品进入市场的试应用阶段,有些产品如有机太阳 能电池(OPV)、发光显示器(Flexible Display, OLED)、电子标签(RFID)等已获得了市场的应 用。国际电子制造商联合会(iNEMI)在2007年就 一印制电路信息2010 No.1 综述与评论Summarization&Comment 制定了印制电子的技术路线图(Roadmap),欧洲 寻一种更有效、更经济的制造技术,以解决电子产 有机电子协会(OEA)在2009年公布了经第3次修 品普及推广时遇到的这些瓶颈现象。对此,国际集 订的9大系列的印制电子产品的应用路线图,这表明 成电路界(IC)近10年来依据“More than Moore” 印制电子开始走向了技术上的成熟。根据其发展趋 的理念,一方面向电子产品的多功能化方向发展, 势,印制电子不仅可以代替部分硅基电子产品,更 另一方面对大面积、低成本和柔性衬底的电子产品 可以开拓硅基电子还没有实现的许多新的应用。国 的制造技术极为关注,而印制电子属于一种非摩尔 际一些知名公司如英国IDTechEx、德国PolylC、美 定律(Non.Moore)的应用范畴,正好对硅基电子 国NanoMarkets等均认为,未来20年新兴的印制电子 起到了互补和开拓的作用,并解决硅基电子难于实 产业将达到3 000亿美元,市场规模与硅基电子产业 施的许多新领域。因此,国际上许多从事电子电 相当,甚至更大。它不仅影响到现今产值为13 000亿 气、化学化工等行业的知名公司 ̄OSiemens、Intel、 美元的电子业、4 300亿美元的封装业、2500亿美元 Motorola、Toshiba、Sony、Phillips、Samsung, 的硅芯片业和1050亿美元的显示业,而且对印制电 GE、HP、Honeywell及BASF、DuPont、Bayer、 路板(PCB)制造业和传统印刷业等产业结构的调整 Merck等目前均涉足了这一新领域,纷纷拆巨资研 和技术提升都会产生很大的影响。对此,作者曾于 发。欧盟早在第5、第6框架计划(FP5、FP6)和正 2008年9月在《印制电路信息》杂志第9期和同年6月 在执行的第7框架计划(FP7)下就持续投入了十几 18日在《中国电子报》上,就印制电子在PCB中的应 亿欧元给予资助。美国、日本、韩国等工业发达国 用、特点及相关情况作过专门的介绍。本文在此基 家也是如此。据不完全的统计,世界上现从事印制 础上进一步论述用于微电子的印制电子及其进展, 电子研发的公司已有2200多家,增长数大致是每18 着重介绍印制电子产生的历史背景、印制电子的技 个月翻一番,增长规律有点类似于准Moore定律。 术特征及工艺、国际印制电子会议及其相关资讯、 它们通过开发、集成具有不同功能的印制电子产 欧盟有关印制电子研究的资助情况、以及印制电子 品,以满足人们日常生活的基本需求并占领新兴的 的产业化进程等,目的旨在抛砖引玉,引起国内同 电子市场,如出版、时装、汽车、显示、照明、广 仁和相关管理部门人士的重视和参与,共同促进印 告、包装、展会、物流、保健、医疗、军事和一次 制电子在我国的研发,加速推动其在我国实现产业 性电子用品等。因而,印制电子前景光明,市场商 化,并在世界这一高速发展的新兴产业中占有一席 机无限。 之地。 2 印制电子的技术特征和工艺 1 印制电子产生的历史背景 从发展历史来看,印制电子的概念可以追溯到 可以这么说,印制电子完全是为了满足人们的 上世纪80年代,当时是以有机电子的名称出现的。 基本愿望和市场需求而应运而生的。当今日常生活 它涉及到与电子元器件相关的材料、化学、工艺及 中的各类电子产品诸如电子标签、平面显示、发光 设备等,具有多学科的交叉性、边缘性和综合性。 器件、光伏电池、广告标牌、智能包装、医疗检测 虽然印制电子的含义十分丰富,涉及面很广, 和一次性用途的电子产品等到处可见,用量巨大, 但其本质上是指:采用印制工艺,把功能化的油墨 无时无刻不在影响着我们的生活质量和水平,人们 /桨料快速地印制在有机/无机基材上,形成电子元 自然要求它们价廉物美,价格进一步下降,这也是 器件/电子线路。因此,印制电子既是一种关于电 电子产品普及化的必要前提。然而,现在的电子产 子产品制造的技术通称,也是电子学学科的一个新 品都是采用硅工艺制造的,其蚀刻减成法工艺导致 分支。它主要包含了5g ̄类型的电子产品的制造, 工艺流程复杂、生产周期长和材料浪费大,从而生 即柔性电子(薄膜电子)、有机电子(小分子电 产成本高,一块集成度低的芯片价格的下降空问基 子)、塑料电子(聚合物电子/高分子电子)、大面 本上达到了极限。此外,硅工艺的制造技术也难以 积电子和可印制电子。其研究内容涉及到与电子产 实现电子产品的多功能化及低成本的制造,尤其是 品制造有关的材料、设计、化学、工艺、器件、设 柔性电子和大面积电子更是如此。这促使人们去探 备,以及产品的检测、分析和可靠性评价等,但核 综述与评论Summarization&Comment 印制电路信息2010 No.1 心内容是关于一类密度小、质量轻、功能化的有机 图1是Intel公司在制造无机硅芯片时采用的蚀刻 减成法工艺。 它的基本特点是: 小分子材料和聚合物材料的合成和制备,也包括了 一些金属纳米材料、无机纳米材料及纳米复合材料 的合成和制备。从制造工艺上看,印制电子是一种 (1)由于需要对硅芯片进行氧化和光刻,制造 过程长而复杂,而且是一种非连续的生产方式,生 产过程还产生许多废液、废气; 、 加成法工艺,具有环保节能、绿色生产的特点,它 涵盖了包括喷印(Inkiet Printing)、凹印(Gravure (2)加工条件苟刻,必须在高真空、高温等极 Printing)、柔印(Flexographic Printing)、丝印 端气氛下进行制作; (Screen Printing)、压印(Nano Imprint)、凸印 (3)生产方式单一,产品固定不变。 (LeRerpress Printing)胶印(Offset Lithography)及 图2是PolylC公司制造有机芯片时采用的印制加 喷涂(Spray Coating)等8种印制工艺。最具代表性 成法工艺,它的工艺特点是: 的印制方式就是在柔性的有机薄膜基材上,高容量 (1)生产过程是连续的、大面积的,并且生产 地印制出电子元器件/电子线路,实现卷对卷(RTR/ 过程不会对环境产生污染; R2R)的这种卷进卷出的高速连续印制。因而,印制 (2)加工条件温和,在环境温度、压力下就可 电子的主要技术特征是电子产品制造的低成本化、 制作; 结构大面积化和外形柔性化。此外,它还能方便地 (3)制造灵活多样,可方便地应用于不同电子 印制出各种标记字符、阻焊层、蚀刻剂、钎焊料及 产品的生产。 其它功能化涂层,实现电子元器件的表面贴装和互 由此可见,两者的制造工艺和过程差别很大, 连,完成电子产品的组装和封装。 加成法工艺比减成法工艺明显优越,主要体现在制 为清楚起见,现比较一下无机芯片和有机芯片 造工艺简单、设备投资少、材料浪费小、单位能耗 制造时的工艺差别,如图l、图2所示。 低、生产速度快,灵活性强且无环境污染。据业内 专家估算,印制加成法工艺的生产成本仅是蚀刻减 成法工艺的几分之一,因而电子产品的价格将大大 下降,这就是为什么印制电子日益受到人们的广泛 重视和研究的关键所在。 3 印制电子会议及相关资讯 印制电子这一新名词是从2003年召开的“首届 有机半导体会议”上被国际学术界所确任的。这个 会议当初是由英国的半导体咨讯公司Cintellig主办 的,后来它与OEA合作,每年在德国举办一次。目 图1 Intel公司的减成法制造工艺 前,国际上每年有3种不同类型的、有重要影响的印 制电子会议及其展览会是由3个不同机构分别主办 的,它们是OEA、IDTechEx和Pira International。 OEA是印制电子研究最具影响力的国际性行 业协会。它是欧盟于2004年l2月在德国工程联合会 下创立的。除欧盟国外,美国、日本、韩国、中国 等一些发达国家及地区所属的公司或组织也加 入了该协会。该协会提供了有关印制电子的技术进 展、信息交流及协作攻关的平台框架,强调印制 电子的基础理论、应用技术和产品开发相结合的 一体化研究,学术气氛和产品开发均浓厚。它曾 图2 PolylC公司的加成法制造工艺 与Cintelliq合作过,每年在德国举办名为“Organic 一10 印制电路信息2010 No.1 综述与评论Summarization&Comment Semiconductor and Printed Electronics Conference”。 说明了印制电子已成为国际学术界共同关注的研究热 点。除了国际印制电子会议之外,国际上一些知名公 司 ̄fJIDTechEx、PolylC、Pira、BASF、Plastic Logic 但从2009年起,由于双方的合作理念存在差异, OEA与Cintelliq分道扬镳了。于是,OEA在2009年6月 23一一25日在德国Frankfurt单独主办了名为“Large.area Organic&Prinmd Electronics Convention”,以后每年 及PCB Design 007等,通过建立自己的专业网站, 都会报道印制电子的最新进展。IDTechEx还建立了 一6月在同一地点举行。这次参会人数盛况空前,超过 个面向全球的“Printed Electronics World”专业网 1000人,创列届印制电子会议出席人数之最。Cintelliq 站,及时报道了与印制电子进展有关的商业新闻和 则移师回英国,恢复了2003年的会议名称“Organic 市场开拓及其应用情况。Pira于2008年9月率先创刊 Semiconductor Conference”,于2009年9月28~30目在 了第一本名为“+Plastic Electronics”的专业杂志, London主办了“Organic Semicondu【ctor Conference& 每2个月出版一期,同时还发行“Organic and Printed Exhibition”,并打算以后每年举行一次。 Electronics Newsletter”的快报。欧盟信息通讯技术 IDTechEx原是英国一家以电子标签(RFID) 部从2008年8月起定期发行了“Organic and Large Area 市场调研为主的咨讯公司,自2004年起每年在美国 Electronics Newsletter”的研究快报,每季发行一期。 主办名为“Printed Electronics Conference and Trade iNEMI于2007年在其路线图中新增了“Organic and Show”。它注重印制电子的技术进展、商业投资和 Printed Electronics”一章,具体规划了在柔性电子媒 市场应用,每年对印制电子的应用状况和市场规模 体、电子包装和标签、数字纸张和指示牌、显示器及 进行预测预报,目前还编著了10多本有关印制电子 可穿戴电子等印制电子产品的技术开发。OEA每年 在不同电子产品领域中的应用状况及其市场规模的 公布修订的印制电子应用的路线图。需要提及的是, 年鉴,每年再版一次。同时,它还把印制电子会议 2009年6月在德国举行的“Large.raea Organic&Printed 与某个印制电子产品结合起来一起办,商业气氛更 Electronics Convention”上,欧盟的FP7框架计划下器 为浓厚。它在美国已主办了5届,今年是第6届,定 件与系统部主任Mr.Thierry Van Der Pyl应邀作了有关 于2009年I2月1~4日在美国加州的San Jose举行。此 有机电子和大面积电子项目进展的大会报告。他特 外,它每年还分别在欧洲德国、亚洲日本和北美洲 别指出印制电子是跨学科、跨行业、跨专业的,任 美国等地分别举行洲际印制电子会议。IDTechEx在 何单位难以独家胜任,需要利益相关方合作起来, 世界印制电子界享有很高的声誉,在行业内有很大 通过协作攻关解决关键技术问题。他还介绍了欧盟 的影响力和权威性。 近10年在FP7、FP6、FP5框架计划下资助与有机电 Pira International是国际印刷工业研究协会 子和印制电子有关的~些项目信息。近3年仅在印制 (Printing Industry Research Association)和塑料电 电子主题下资助的项目主要有:2007年~2008年财政 子基金会(Plastic Electronics Foundation)的下属 年度在“有机与大面积电子、可视化和显示系统” 公司。它每年只在欧洲、亚洲这两个大洲各举办 (Organic and Large rAea Electronics,Visualization and 一次名为“Global Plastic Electronics Conference and Display System)主题下资助经费140 000 000欧元; Showcase”。它更侧重于塑料电子产品的技术进展 2009~20l0年财政年度在“柔性、有机和大面积电 及产品展览会,在欧洲已主办了4届,今年是第5 子” (Flexible,Organic and Large rAea Electronics) 届,定于2009年l0月27~29日在德国Dresden举行。在 主题下资助经费60 000 000欧元和在“有机光电子 亚洲,它已主办了2届;第2届会议于2009年6月6~8 和其他突破性光电子技术”(Organic Photonics and 日在中国台北举行,下届会议将于2010年6月29日~7 Other Disruptive Photonics Technologies)主题下资助 月1日在日本Osaka举行。 经费30 000 000欧元。此外,欧盟委员会为了加强欧 此外,国际上其他一些学会在举行不定期的专 盟国不同行业之间的交流和协作,还拔专款成立了4 题学术研讨会时,也会涉及印制电子的主题,类似的 个合作平台。它们分别是: 专题会议每年有十几个,这里不再细述。近5年来, (1)有机/塑料电子研究联盟(Organic/Plastic 每年召开印制电子会议的次数和规模之密之大、参 Elecrtonics ResearchAlliance,资助经费l 050 000欧元; 会人数之多、涵盖内容之广都是前所未有的,充分 (2)开发有机电子和大面积电子的卓越网 综述与评论Summarization&Comment (Network of Excellence for the Exploitation of Organic 印制电路信息2010 No.1 工界巨头BASF公司于2006年12月在亚洲新加坡投资 了400万美元,筹建了“亚洲印制电子研发中心”, 分三年持续投资了1600万美元用于该中心的建设。 英国于2009年8月投资2000万英镑、在英格兰东北部 andLargeAreaElectronics),资助经费3 300000欧元; (3)聚合物电子和印制电子用的制造生产设 备和系统(Manufacture and Production Equipment& System for Polymer and Printed Electronics),资助经 费750000欧元; (4)有机电子材料和工艺的技术路线图 (Technology Roadmap of Process and Materials for 筹建了“可印制电子技术中心(PETEC)”。芬兰 国家研究中心(VTT)在2007年也整合资源、调集力 量,在短短两年内就形成一个由上百名研究人员组 成的“印制智能研究中心”。 欧盟在印制电子的产业化方面迈出了坚实的一 步,率先拉开了批量生产印制电子产品的帷幕。英国 Organic Electronics),资助经费600 000欧元。欧盟 通过对这些平台的资助和管理,有效地整合了区域 内的人力资源,共享技术信息和资讯,并集中优势 联合攻关,加速推进印制电子的产业化进程,为确 Plastic Logic Ltd于2008年9月展示了一种商务用的、 A4纸大小的、可弯折的塑料电子阅读器的实物样品 保其在新兴的印制电子领域处于技术领先地位、扩 大在全球的影响力以及建立创新型欧洲的知识经济 作出了重要贡献。欧盟的这些倡议和举措非常值得 我国有关管理部门的学习和借鉴。 即电子纸,厚度仅0.25 mm,并宣布在德国Dresden 投资1亿欧元建立印制有机电子显示器的生产工厂; 2009年7月美国AT&T公司宣布将向其生产的电子纸、 电子书和电子阅读器提供3G网络服务。德国PolylC 公司于2009年9月宣布,建立一家卷对卷印制有机存 储器的生产厂,之前它于2007年在德国Fuerth就批 4印制电子的产业化进程 由于印制电子的潜在市场巨大,一些面向印制 量生产了有机电子标签及电子标牌,开发的电子产 品得到了市场的应用。美国Konarka公司在2006年开 发成功了卷对卷印制有机薄膜太阳能电池的小试样 品,2007年达到中试规模的放大生产,2008年下半 年实现规模化生产,2009年下半年将批量生产和销 售,商品名为“Power Plastic”,其发展速度之快令 人惊叹。此外,OEA在2009年6月再次公布了经第3 电子应用的、以纳米材料为主业的高科技公司近年 来如雨后春笋般地破土而出,争前恐后地加强对用 于印制电子的纳米金属材料、纳米无机材料、专用 油墨桨料及纳米复合材料等的研发,寻求在光伏电 池、显示、发光、存储、电子标签、电子纸、传感 器、柔性电池、智能物品和智能纺织品等方面取得 新的突破。德国为生产有机RFID在2003年11月成立 了著名的PolylC公司。它是一家Siemens和Leonhard Kurz的合资公司,现是OEA的理事长单位。德国化 次修订的印制电子应用的路线图,见表1。它根据产 业化进程分短期(2009 ̄2012年)、中期(2013 ̄20l7 年)、长期(2018年后)3个阶段实施,预报可以 表1印制电子应用的路线图 (下转第55页) .12. 印制电路信息2010 No.1 4展望 [P】.CN1110205.1995—10 l8. [8]张呜玲.免清洗无铅焊料助焊剂[P]_CN1562554A. 随着电子类产品向高性能、多引线、多元化 2005—1.12. 和窄间距化方向发展,随着社会环保意识的增强, [9]王伟科.焊膏用免清洗助焊剂的制备与研究[J]. 对热风整平、波峰焊和SMT提出了更高的要求,助 电子工艺技术,2006,27(1):8-13. 焊剂也随之由传统的松香型、含卤素助焊剂向无卤 [1O]向杰等.低固免清洗助焊剂的研究与制备[J].广 无松香或低松香型的免清洗无VOC型助焊剂方向发 东化工,2007,34(12):25-27. 展。在减少助焊剂腐蚀性方面、提高助焊剂活性方 [11]揭元萍.NCSF一1新型免清洗助焊剂的研究[J].化 工时刊,1997,11(9):32—34. 面、在无挥发物的低固含量真正免清洗助焊剂研制 [12]李伟浩.无铅热风整平助焊剂的研制[J].印制电 方面、可固化助焊剂方面等都值得进一步研究。团 路信息,2007,6:28.29. 参考文献 [13】F・J・贾斯基.可升华的助焊剂组合物[P].CN1 1 [1】李兵.晶体管引线热浸锡用助焊剂[P】.CN1337294 01 598A.1 995.4—1 9. A.2002.2.27. [14]林金堵.无铅化热风整平的焊料与选择[J].印制 [2]薛志纯.锡铅焊助焊剂一内芯剂[P].CN1041125A. 电路信息,2009,7:41.45. 1990,4一l1. [15]刘兴军.一种可抑制焊点界面化合物生长的免清 [3】陈昕等.电子封装用无卤素免清洗助焊剂的研制 洗水基型助焊剂[P].CN101104231A.2008.1.16. [J].山东化工,2008,37(3):17—20. 【16]陈其垠.免洗助焊 ̄I]MNCT的研制[J].电子工艺技 [4]张银雪.电子工业用高效助焊剂的研究[J].黎明 术,1999,2O(6):245—246. 化工,1996,6:30—33. [17】仁科努.焊料组合物[P].CN1543385A,2004.11.3. [5]木原博.焊接用胺基盐酸盐助焊剂的作用机理[J]. 八月朔日猛.可固化助焊剂等[e1.CN143335 1A. 国外锡工业,1993,2l(1):55.60. [1 8]2003—7-30. 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