Наталья Разумнева, руководитель направления Печатная электроника компании «Диполь»
razumneva@dipaul.ru
Миниатюризация и улучшение функциональности изделий электроники сопровождается усложнением способов их изготовления. Появление технологий и материалов, которые позволяют создавать сложную электронику проще, быстрее, с меньшим использованием вредных химических веществ, не может остаться незамеченным.
Печатная электроника — что это такое?
Несмотря на то, что слово «печатная» традиционно применяется в электронике для обозначения класса электрических схем на жестких и гибких подложках, печатные платы, изготовленные по традиционной технологии, не принято относить к изделиям печатной электроники.
Сейчас трудно проследить, кому и когда именно пришла идея выделить направление электроники с таким названием. Направление столь молодое, что даже его определения, данные разными организациями, немного различаются. Кроме того, одна и те же инновационные технологии или изделия часто могут быть отнесены сразу к нескольким новым направлениям электроники. В той или иной степени проблемами нового направления печатной электроники занимается множество организаций, в том числе:
• COLAE (Europe). Проект «Коммерциализация органической электроники и электроники большой площади» (Commercialization of Organic and Large Area Electronics) нацелен на ускорение коммерциализации решений в области органической электроники путем создания индустриальных кластеров.
• The FlexTech Alliance (USA). Деятельность альянса The FlexTech Alliance посвящена стимулированию развития гибкой и печатной электроники.
• OE-A (USA). Основной целью международной Ассоциации органической и печатной электроники является создание дорожной карты (road-map) развития органической и печатной электроники и способствование коммерциализации решений в этой области.
• OES (Europe). «Органическая электроника в Саксонии» объединяет семь компаний и три исследовательских института Саксонии. Является региональным кластером, но претендует на глобальную роль в области развития органической электроники, неразрывно связанной с достижениями печатной электроники.
• EPIC (Europe). «Европейский индустриальный консорциум по фотонике» продвигает и поддерживает развитие европейских организаций, работающих в данной области.
Вклад этих и других организаций в развитие печатной электроники не подвергается сомнению, но основным авторитетом для изготовителей электронных изделий является международная ассоциация IPC, объединяющая участников электронной промышленности, практиков, которые из результатов лабораторных исследований создают воспроизводимые управляемые технологии серийного производства.
Ассоциация IPC, признав значимыми и перспективными новые исследования и разработки в области применения традиционных для полиграфии способов печати в электронике, учредило специальный комитет по печатной электронике — D-60. В 2013 году комитет D-60 совместно с Японской ассоциацией по печатным схемам (Japan Printed Circuit Association — JPCA) выпустил четыре стандарта, предназначенных для нового направления. В частности, в этих стандартах однозначно даются определения изделий, материалов и процессов, относящихся к печатной электронике.
Для профессионалов в области производства электроники соблюдение требований стандартов IPC является эквивалентом признания их социальной ответственности перед потребителем и обществом в целом. Логично считать, что именно положения и определения IPC должны стать основой профессионального представления об изделиях печатной электроники, о том, что к ним относится и какие требования должны к ним предъявляться.
Официальной русскоязычной версии данного стандарта пока нет, далее приводится рабочий вариант перевода некоторых ключевых определений.
Изделие печатной электроники — однослойная или многослойная структура, изготовленная с использованием материалов печатной электроники и процессов печатной электроники. Структура может быть как активной (полевой транзистор, микроэлектромеханическая система и т. п.), так и пассивной (емкость, индуктивность, сопротивление и т. д.)
Материал печатной электроники — материал, который можно обработать методами печати или имеющий реологию, позволяющую наносить материал процессами печатной электроники (примеры материалов печатной электроники: функциональный проводящий материал, функциональный биологически активный материал, функциональный химически активный материал и т. п.).
Процесс печатной электроники — процесс печати, который применяется для формирования рисунка структуры с определенными размерами при обычных условиях окружающей среды (то есть без использования высоких температур или глубокого вакуума) и который считается ниже по себестоимости. Примеры процессов печатной электроники: трафаретная печать, флексографическая печать, глубокая печать, экструзионное нанесение покрытий, мелкодисперсное нанесение покрытий разбрызгиванием, печать микродиспенсером, струйная печать и т. п.
Стандарт IPC/JPCA-2291 (Design Guideline For Printed Electronics) предусматривает два класса изделий печатной электроники: полностью напечатанные и гибридные.
Согласно определению IPC, основным критерием для классификации изделия как изделия печатной электроники служит применение печати материалов. Второй критерий — уменьшение себестоимости. То есть технологии печатной электроники могут быть успешно применены и для изготовления изделий традиционного функционального назначения и конструкции. Это означает, что традиционная жесткая или гибкая печатная плата, если на ней напечатаны резисторы (не все, а хотя бы одного номинала), попадает в сферу рассмотрения печатной электроники. И если, например, на интегральной схеме печатью проводящего материала усилены контактные площадки, она также становится объектом внимания печатной электроники. Нельзя отрицать и высокую вероятность того, что по мере развития технологий и материалов печатной электроники плату или интегральную схему можно будет напечатать слой за слоем. Другими словами, по мере развития и достижения зрелости, методы печатной электроники все больше будут распространяться в традиционных изделиях электроники.
В то же время печатная электроника создает условия для производства некоторых типов изделий, чье изготовление традиционными методами стало бы очень дорогим или даже невозможным. Это, в частности, дешевые гибкие дисплеи, сворачиваемые в рулон; гибкие световые панели из органических светодиодов, наклеиваемые на стену; напечатанные на бумаге и дешевые датчики температуры, давления и содержания некоторых газов.
Печать функциональных материалов согласно рисунку, заданному в СAM/CAD-файле, на свернутую в рулон гибкую пленку позволяет, кроме всего прочего, достичь невиданной ранее производительности, а исключение фотолитографических операций и минимизация процессов травления через маску разрешает в ряде случаев почти полностью отказаться от использования вредных химических реактивов.
На рис. 1 дано схематичное пояснение, что технологии печатной электроники, имея огромный потенциал по замещению некоторых технологий традиционной микроэлектроники, производства и монтажа печатных плат, изделий оптоэлектроники, предоставляют возможность массово и дешево выпускать изделия с совершенно новыми потребительскими качествами, особенно в области органической электроники (органическая электроника — электронные компоненты, основой для создания которых являются полимеры).
Разработка изделий с совершенно новыми потребительскими качествами связана в том числе с развитием органических полупроводников. Предполагается, что именно при совместном использовании достижений и печатной, и органической электроники появятся потребительские изделия, способные если не взорвать, то существенно изменить рынок освещения и дисплеев.
Развитию печатной электроники большое внимание уделяет Ассоциация органической и печатной электроники (OE-A, Organic and Printed Electronics Association). На рис. 2 представлен прогноз развития изделий печатной и органической электроники. OE-A определило пять основных применений органической и печатной электроники:
• органические солнечные элементы (OPV);
• гибкие дисплеи;
• светодиоды, освещение органическими светодиодами (OLED);
• электроника и компоненты (напечатанная память и батареи, активные и пассивные элементы электрической схемы);
• интегрированные «умные» системы.
Как печатать?
Практически все способы печати, используемые в полиграфии, применимы и для печатной электроники. Основные из них (рис. 3), которые прорабатываются в рамках направления, это:
• флексографическая печать;
• ротогравюрная печать;
• трафаретная печать;
• струйная печать;
• офсетная печать.
И хотя все перечисленные способы пришли из полиграфии, однако трафаретная печать давно и широко применяется в электронике при изготовлении печатных плат (маркировка), в толстопленочной технологии гибридных ИС (резисторы, проводящие дорожки, диэлектрики) и при поверхностном монтаже компонентов (нанесение паяльной пасты).
Очевидно, что, кроме струйной печати, остальные методы требуют некоторой предварительной подготовки — изготовления трафаретов для трафаретной печати, формы высокой печати для флексографии, формы глубокой печати для гравюрной печати. Струйная печать может быть выполнена без предварительной подготовки трафаретов и позволяет реализовать принцип прямой печати (DIRECT PRINT) функционального материала только на основе управляющей информации в электронном виде (CAD/CAM). Струйную печать можно осуществлять как для отдельной платы (sheet to sheet), так и для гибкой пленки в рулоне (roll to roll). Струйная печать для средних и малых объемов производства настолько привлекательна, что к настоящему моменту уже разработано несколько десятков типов принтеров, как для лабораторных исследований печати функциональных материалов, так и образцов для проработки промышленного применения.
Но основной технической проблемой, сдерживающей широкое внедрение печатных технологий в серийное производство, остается не принтер, а материал, который можно наносить печатью, — «чернила». В данной статье мы рассмотрим современное состояние разработки проводящих чернил, поскольку именно проводник является обязательным строительным блоком любого изделия электроники.
Общие принципы работы с проводящими чернилами
Проводящие чернила — наиболее значимый функциональный материал для печати. Русскоязычный термин «проводящие чернила» представляет собой дословный перевод англоязычного термина conductive inks. Несмотря на неблагозвучность, он точно и коротко передает суть: проводящие чернила загружаются в картридж принтера для последующего нанесения материала на запечатываемую поверхность. Для описания процессов трафаретной печати, как правило, добавляется слово «паста» — проводящие чернила/паста.
Проводник присутствует в любом изделии электроники как минимум в виде контактной площадки. Поэтому успехи в создании проводящих чернил определяют в конечном итоге успех всего направления печатной электроники. Рассмотрим комплекс технических проблем, возникающих в ходе использования проводящих чернил.
Поскольку чернила наносятся печатью, они всегда находятся в жидком состоянии, но должны иметь разную вязкость для различных способов печати. Для струйной печати, например, важно, чтобы вязкость чернил была согласована с конструкцией печатающей головки принтера для стабильной генерации капель.
Поскольку чернила наносятся в жидком состоянии, присутствие жидкого наполнителя обязательно. Соответственно, необходим последующий этап, связанный фактически с выпариванием наполнителя или изменением его структуры. При этом остатки органических соединений, заполняющих промежутки между частицами, создают паразитные сопротивления (рис. 4).
Отдельная техническая проблема — взаимодействие жидких чернил и запечатываемой поверхности. К адгезии предъявляются жесткие требования, однако в жидком состоянии с хорошей адгезией к поверхности чернила растекаются, рисунок искажается. Это значит, что в реальном производственном процессе растекание должно быть контролируемым. Огромное значение имеет поверхностная энергия запечатываемого материала. Поэтому процесс подготовки поверхности запечатываемого материала должен быть управляемым. Таким образом, серийный процесс создания проводящего рисунка, например струйной печатью, будет включать несколько операций:
1. Подготовка поверхности (как минимум контроль состояния поверхности на соответствие определенным значениям поверхностной энергии).
2. Контроль вязкости чернил.
3. Печать чернил в соответствии с рисунком, заданным в управляющем файле формата CAD/CAM.
4. Термообработка.
5. Контроль сопротивления и геометрии тестовых проводников на соответствие конструкторской документации.
6. 100%-ный контроль топологии (электрический + оптический).
Для глубокого понимания физики процесса и действия факторов, управляющих процессом, также важно знать, что все типы проводящих чернил содержат частицы проводящего материала. Чернила отличаются материалом и структурой проводящей частицы, характеристиками и составом жидкого наполнителя. Идеальные чернила имеют удельное сопротивление того металла, частицы которого включают. Поэтому при описании результатов экспериментов или даже в спецификации на партии проводящих чернил исследователи часто указывают коэффициент превышения удельного сопротивления чистого металла.
Как отмечалось ранее, трафаретная печать давно распространена в электронике. Проводящие пасты для производства гибридных схем на керамике Ceramic Thick Film (СTF) имеют достаточно солидную историю. Время и температура отжига проводящих чернил, описанных далее и использующихся в печатной электронике, значительно ниже по сравнению с температурными режимами отжига проводящих паст традиционной толстопленочной гибридной технологии на керамике. Обращаем внимание разработчиков аппаратуры, что этот факт позволяет применять печать проводящими чернилами не только на керамике, выдерживающей температуру 800 °С, но и на бумаге, лавсане, пластиках, полиамидах и других материалах, а некоторые виды чернил могут выполнять печать даже на стеклотекстолите марки FR4.
Далее мы будем рассматривать только новые типы проводящих чернил, позволяющие эффективно встроить прямую печать проводников в технологический цикл современных изделий электроники. Классификация чернил еще окончательно не сложилась, но чаще всего проводящие чернила делят на два класса по размеру проводящей частицы - синтезированные наночастицы с размерами, измеряемыми в нанометрах, или обычная частица с размерами микронного диапазона:
Как уже говорилось, все чернила жидкие и должны после нанесения пройти термообработку. Принципиальное отличие частиц, полученных фильтрацией, от синтезированных в том, что они имеют различную регулярность формы и размер. В свою очередь, именно регулярность формы и размер частицы влияет на плотность и структуру упаковки проводящих частиц после термообработки, а значит, и на эффективную площадь проводящего сечения и паразитные сопротивления на границе «частица — остатки наполнителя». На рис. 5 наглядно продемонстрировано, почему частицы малых размеров и регулярной формы предпочтительнее. Кроме того, размер частицы влияет на температуру отжига для образования проводящего слоя: чем меньше размер частиц, тем при меньших температурах достигается спекание.
Необходимо отметить, что синтез наночастиц с концентрацией для промышленного применения всегда сопровождается мерами по стабилизации их поверхности, иначе наночастицы агломерируют и укрупняются. Очевидно, что при отработке режимов отжига следует учитывать и этот фактор.
Для того чтобы наглядно продемонстрировать основные технические проблемы, которые решаются при подборе вида и режима термообработки нанесенных чернил, на рис. 6 в качестве примера приведены результаты термогравиметрического анализа медных чернил/пасты. Первый участок уменьшения веса объясняется выпариванием наполнителя. После участка уменьшения веса пасты за счет выпаривания наполнителя следует восходящий участок, характеризующий начало процесса окисления. Очевидно, что для обеспечения низкого удельного сопротивления формируемого проводника окисление необходимо предотвратить, для чего проводят отжиг в инертной атмосфере. В данном примере при достижении температуры ~300 C вес медной пасты исследуемого состава начинает уменьшаться в связи с началом процесса декомпозиции слоя.
Перед создателями процессов термообработки стоит противоречивая задача. С одной стороны, температура отжига должна быть достаточной, чтобы сформировалась плотная структура проводящего слоя, между частицами образовалось надежное спекание/соединение для обеспечения минимального сопротивления формируемого проводника. С другой стороны, температура не может быть выше температуры начала окисления и не может быть выше предельно допустимой для используемой запечатываемой поверхности. Поэтому режим и способ термообработки, свойства запечатываемой поверхности оказывают огромное влияние на удельное сопротивление проводящего слоя, формируемого печатью.
Для термообработки нанесенных чернил применяют два основных вида отжига чернил:
• объемный отжиг — термообработка в конвекционной печи;
• поверхностный отжиг — лучевой нагрев поверхности, на которой напечатан рисунок, за счет обработки инфракрасным, лазерным, световым пучком.
Фотонный отжиг более эффективен. Кроме того, для увеличения эффективности отжига применяются импульсные режимы термообработки. При импульсном режиме материал проводящих чернил и запечатываемой подложки выдерживает большие температуры, отжиг становится эффективнее с минимизацией негативного воздействия температуры. Некоторые производители выпускают специальное оборудование для облучения c длиной волны в инфракрасном диапазоне, ориентированное на печатную электронику.
Достигнутые значения удельного сопротивления проводящих чернил для трафаретной печати
В таблице 1 приведены данные некоторых производителей чернил для трафаретной печати.
Достигнутые значения удельного сопротивления проводников для струйной печати
По сравнению с пастами для трафаретной печати создание проводящих чернил для струйной печати является более сложной задачей. Кроме того, именно струйная печать, как уже отмечалось, позволяет организовать максимально гибкое производство с минимизацией вредных веществ, отходов и без трафаретов.
В таблице 2 приведены данные некоторых производителей проводящих чернил для струйной печати (по состоянию на ноябрь 2014 года):
Для того чтобы понять, насколько применимы проводящие чернила с вышеприведенными значениями в реальных приборах, сравним их с удельным сопротивлением металлов:
На текущий момент лучшее достижение удельного сопротивления напечатанных проводников на основе медных чернил примерно в 2 раза выше удельного сопротивления объемной меди.
На рис. 7 приведены данные по удельному сопротивлению чернил на основе различных материалов. Рисунок отражает состояние текущих разработок. Примечательно, что самые многообещающие материалы для печати — графен, углеродные нанотрубки, органические проводники, о которых так много пишут и говорят в последние годы, пока показывают самые худшие экспериментальные результаты по удельному сопротивлению.
Как мы видим, на сегодняшний день наночастицы серебра дают лучший результат, но серебро слишком дорогой материал для массового производства.
Структура мирового рынка проводящих чернил
Прежде всего, необходимо осознать, что рынок проводящих чернил уже сформирован и продолжает развиваться. По данным IDTechEX, проводящие чернила для трафаретной печати занимают 95% сложившегося на конец 2014 года рынка всех проводящих чернил, и только 5% мирового рынка пока отведено чернилам для остальных методов печати. То есть трафаретная печать — самая распространенная технология печати проводящих чернил/пасты. Поскольку она достаточно давно освоена в электронике, трудно говорить об инновационности процесса, скорее вести речь надо об инновационности материала и применения. Вероятно, и далее трафаретная печать сохранит лидерство в использовании для формирования проводящих дорожек. Однако известно, что если существует разработанный материал и оборудование, струйная печать с успехом вытесняет трафаретную печать (пример печати маркировки в производстве печатных плат и печати паяльной пасты в поверхностном монтаже). Возможно, более медленное внедрение методов струйной печати для формирования проводников связано, прежде всего, с тем, что разработка оборудования и материалов для струйной печати требует больших инвестиций и является более сложной для реализации технической задачей, чем трафаретная печать. Тем не менее успешные примеры внедрения есть, и их количество постепенно растет.
По прогнозу IDTechEX, объемы реализации проводящих чернил в мире будут постоянно расти и к 2025 году достигнут $3 млрд. Ниже (рис. 8) приведен график с учетом распределения емкости рынка проводящих чернил по применениям.
Основная доля проводящих чернил сейчас используется в производстве солнечных элементов (рис. 9) и сенсорных экранов (рис. 10), и, по мнению аналитиков IdTechEx, эта пропорция будет сохраняться до 2025 года.
В 2014 году для солнечных элементов и сенсорных экранов реализовано проводящих чернил на $1,6 млрд. Рынок с таким объемом, безусловно, заслуживает внимания. Хотя есть вероятность, что аналитики IdTechEx недооценили некоторые применения печати проводников. Например, применение печати для автомобильной электроники, возможно, фактически окажется больше.
Заключение
Мы наблюдаем два основных тренда в области распространения проводящих чернил:
• Для некоторых типов изделий (дисплеи, солнечные элементы, RFID, датчики и др.) широко применяются технологии печати, рынок проводящих чернил растет.
• Для традиционной электроники (печатные платы, микроэлектроника) печатные технологии (особенно в отношении проводящих чернил) фактически не используются.
Незначительное число практических реализаций печатных технологий для изделий традиционной электроники может быть объяснено тем, что это новая и малоизученная технология (наиболее вероятная причина), а также и любым из ниже перечисленных факторов:
• Данные о конкретных реализациях не проходят на рынок. Применение инновационных технологий печати настолько экономически эффективно и обеспечивает такие конкурентные преимущества, что описания промышленного применения могут быть закрыты для технического сообщества.
• Проводящие чернила пока не обеспечивают точно такую же проводимость, как гальванический металл (согласно опубликованным данным, лучшим достижением по удельному сопротивлению медных чернил является значение 3,4 Ом×см ,что в 1,95 раза больше удельного сопротивления объемной меди).
• Внедрение технологии в серийное производство, в существующую технологию серийно выпускаемого изделия фактически является НИОКР. Далеко не все компании имеют бюджеты на проработку инновационных технологий.
• Вопросы надежности малоизучены, поэтому ограничено применение в изделиях традиционной электроники, особенно в изделиях, к которым предъявляются очень жесткие требования по надежности.
• Мало информации о возможностях новой технологии для разработчиков изделий, которые, вероятно, с удовольствием попробовали бы более эффективные технологии, если информация о них была бы более доступной.
Несмотря на то, что успехи применения методов печатной электроники главным образом справедливы для производства дисплеев, органических светодиодов, RFID-меток, сенсоров, возможно применение печати и для более традиционных изделий электроники как более эффективная замена существующим операциям. Для этого, вероятно, необходимо совместное с производителем чернил опробование новых формул. Задача реальная, поскольку количество компаний, занимающихся производством проводящих чернил, постоянно растет. Специалисты компании «Диполь» готовы оказать необходимые консультации и помощь при определении требуемых типов лабораторного оборудования и материалов.
Может оказаться более эффективным заказ постановки конкретного процесса зарубежным компаниям, имеющим многолетний опыт разработок процессов печатной электроники для производства конкретного изделия. Грамотный выбор исполнителя способен обеспечить постановку процессов печати функциональных материалов и их интеграцию в существующие производства. Если есть уверенность, что внедрять наукоемкую инновационную технологию по мере ее зрелости целесообразно, недальновидно откладывать ее практическое освоение, ведь лабораторные исследования можно начать уже сейчас.
Возможно справедливое замечание, что сейчас проводящие чернила в основном используются для создания солнечных элементов, производство которых еще долго не будет актуально в России, и для сенсорных дисплеев, чье изготовление у нас практически отсутствует. Означает ли это, что изучение и освоение печатных технологий может быть проигнорировано? Принять правильное решение по данному вопросу невозможно без осознания факта, что современным драйвером рынка мировой электроники является в значительной степени успех нового поколения персональных компьютеров и смартфонов, то есть потребительской электроники. Конкуренция здесь огромная, бюджеты лидеров рынка на проработку инновационных технологий сравнимы с военными бюджетами. Поэтому именно сейчас закономерно появление прогрессивных эффективных технологий в первую очередь в производстве потребительской электроники. Это значит, что дающие преимущество технические инновации приходят в стратегические отрасли уже не только из закрытых лабораторий, но и из публичных компаний. Вот почему необходимо внимательно следить за развитием печатных технологий, несмотря на то, что они пока применяются не для самых актуальных в России направлений.
razumneva@dipaul.ru
Миниатюризация и улучшение функциональности изделий электроники сопровождается усложнением способов их изготовления. Появление технологий и материалов, которые позволяют создавать сложную электронику проще, быстрее, с меньшим использованием вредных химических веществ, не может остаться незамеченным.
Печатная электроника — что это такое?
Несмотря на то, что слово «печатная» традиционно применяется в электронике для обозначения класса электрических схем на жестких и гибких подложках, печатные платы, изготовленные по традиционной технологии, не принято относить к изделиям печатной электроники.
Сейчас трудно проследить, кому и когда именно пришла идея выделить направление электроники с таким названием. Направление столь молодое, что даже его определения, данные разными организациями, немного различаются. Кроме того, одна и те же инновационные технологии или изделия часто могут быть отнесены сразу к нескольким новым направлениям электроники. В той или иной степени проблемами нового направления печатной электроники занимается множество организаций, в том числе:
• COLAE (Europe). Проект «Коммерциализация органической электроники и электроники большой площади» (Commercialization of Organic and Large Area Electronics) нацелен на ускорение коммерциализации решений в области органической электроники путем создания индустриальных кластеров.
• The FlexTech Alliance (USA). Деятельность альянса The FlexTech Alliance посвящена стимулированию развития гибкой и печатной электроники.
• OE-A (USA). Основной целью международной Ассоциации органической и печатной электроники является создание дорожной карты (road-map) развития органической и печатной электроники и способствование коммерциализации решений в этой области.
• OES (Europe). «Органическая электроника в Саксонии» объединяет семь компаний и три исследовательских института Саксонии. Является региональным кластером, но претендует на глобальную роль в области развития органической электроники, неразрывно связанной с достижениями печатной электроники.
• EPIC (Europe). «Европейский индустриальный консорциум по фотонике» продвигает и поддерживает развитие европейских организаций, работающих в данной области.
Вклад этих и других организаций в развитие печатной электроники не подвергается сомнению, но основным авторитетом для изготовителей электронных изделий является международная ассоциация IPC, объединяющая участников электронной промышленности, практиков, которые из результатов лабораторных исследований создают воспроизводимые управляемые технологии серийного производства.
Ассоциация IPC, признав значимыми и перспективными новые исследования и разработки в области применения традиционных для полиграфии способов печати в электронике, учредило специальный комитет по печатной электронике — D-60. В 2013 году комитет D-60 совместно с Японской ассоциацией по печатным схемам (Japan Printed Circuit Association — JPCA) выпустил четыре стандарта, предназначенных для нового направления. В частности, в этих стандартах однозначно даются определения изделий, материалов и процессов, относящихся к печатной электронике.
Для профессионалов в области производства электроники соблюдение требований стандартов IPC является эквивалентом признания их социальной ответственности перед потребителем и обществом в целом. Логично считать, что именно положения и определения IPC должны стать основой профессионального представления об изделиях печатной электроники, о том, что к ним относится и какие требования должны к ним предъявляться.
Официальной русскоязычной версии данного стандарта пока нет, далее приводится рабочий вариант перевода некоторых ключевых определений.
Изделие печатной электроники — однослойная или многослойная структура, изготовленная с использованием материалов печатной электроники и процессов печатной электроники. Структура может быть как активной (полевой транзистор, микроэлектромеханическая система и т. п.), так и пассивной (емкость, индуктивность, сопротивление и т. д.)
Материал печатной электроники — материал, который можно обработать методами печати или имеющий реологию, позволяющую наносить материал процессами печатной электроники (примеры материалов печатной электроники: функциональный проводящий материал, функциональный биологически активный материал, функциональный химически активный материал и т. п.).
Процесс печатной электроники — процесс печати, который применяется для формирования рисунка структуры с определенными размерами при обычных условиях окружающей среды (то есть без использования высоких температур или глубокого вакуума) и который считается ниже по себестоимости. Примеры процессов печатной электроники: трафаретная печать, флексографическая печать, глубокая печать, экструзионное нанесение покрытий, мелкодисперсное нанесение покрытий разбрызгиванием, печать микродиспенсером, струйная печать и т. п.
Стандарт IPC/JPCA-2291 (Design Guideline For Printed Electronics) предусматривает два класса изделий печатной электроники: полностью напечатанные и гибридные.
Согласно определению IPC, основным критерием для классификации изделия как изделия печатной электроники служит применение печати материалов. Второй критерий — уменьшение себестоимости. То есть технологии печатной электроники могут быть успешно применены и для изготовления изделий традиционного функционального назначения и конструкции. Это означает, что традиционная жесткая или гибкая печатная плата, если на ней напечатаны резисторы (не все, а хотя бы одного номинала), попадает в сферу рассмотрения печатной электроники. И если, например, на интегральной схеме печатью проводящего материала усилены контактные площадки, она также становится объектом внимания печатной электроники. Нельзя отрицать и высокую вероятность того, что по мере развития технологий и материалов печатной электроники плату или интегральную схему можно будет напечатать слой за слоем. Другими словами, по мере развития и достижения зрелости, методы печатной электроники все больше будут распространяться в традиционных изделиях электроники.
В то же время печатная электроника создает условия для производства некоторых типов изделий, чье изготовление традиционными методами стало бы очень дорогим или даже невозможным. Это, в частности, дешевые гибкие дисплеи, сворачиваемые в рулон; гибкие световые панели из органических светодиодов, наклеиваемые на стену; напечатанные на бумаге и дешевые датчики температуры, давления и содержания некоторых газов.
Печать функциональных материалов согласно рисунку, заданному в СAM/CAD-файле, на свернутую в рулон гибкую пленку позволяет, кроме всего прочего, достичь невиданной ранее производительности, а исключение фотолитографических операций и минимизация процессов травления через маску разрешает в ряде случаев почти полностью отказаться от использования вредных химических реактивов.
На рис. 1 дано схематичное пояснение, что технологии печатной электроники, имея огромный потенциал по замещению некоторых технологий традиционной микроэлектроники, производства и монтажа печатных плат, изделий оптоэлектроники, предоставляют возможность массово и дешево выпускать изделия с совершенно новыми потребительскими качествами, особенно в области органической электроники (органическая электроника — электронные компоненты, основой для создания которых являются полимеры).
Разработка изделий с совершенно новыми потребительскими качествами связана в том числе с развитием органических полупроводников. Предполагается, что именно при совместном использовании достижений и печатной, и органической электроники появятся потребительские изделия, способные если не взорвать, то существенно изменить рынок освещения и дисплеев.
Развитию печатной электроники большое внимание уделяет Ассоциация органической и печатной электроники (OE-A, Organic and Printed Electronics Association). На рис. 2 представлен прогноз развития изделий печатной и органической электроники. OE-A определило пять основных применений органической и печатной электроники:
• органические солнечные элементы (OPV);
• гибкие дисплеи;
• светодиоды, освещение органическими светодиодами (OLED);
• электроника и компоненты (напечатанная память и батареи, активные и пассивные элементы электрической схемы);
• интегрированные «умные» системы.
Как печатать?
Практически все способы печати, используемые в полиграфии, применимы и для печатной электроники. Основные из них (рис. 3), которые прорабатываются в рамках направления, это:
• флексографическая печать;
• ротогравюрная печать;
• трафаретная печать;
• струйная печать;
• офсетная печать.
И хотя все перечисленные способы пришли из полиграфии, однако трафаретная печать давно и широко применяется в электронике при изготовлении печатных плат (маркировка), в толстопленочной технологии гибридных ИС (резисторы, проводящие дорожки, диэлектрики) и при поверхностном монтаже компонентов (нанесение паяльной пасты).
Очевидно, что, кроме струйной печати, остальные методы требуют некоторой предварительной подготовки — изготовления трафаретов для трафаретной печати, формы высокой печати для флексографии, формы глубокой печати для гравюрной печати. Струйная печать может быть выполнена без предварительной подготовки трафаретов и позволяет реализовать принцип прямой печати (DIRECT PRINT) функционального материала только на основе управляющей информации в электронном виде (CAD/CAM). Струйную печать можно осуществлять как для отдельной платы (sheet to sheet), так и для гибкой пленки в рулоне (roll to roll). Струйная печать для средних и малых объемов производства настолько привлекательна, что к настоящему моменту уже разработано несколько десятков типов принтеров, как для лабораторных исследований печати функциональных материалов, так и образцов для проработки промышленного применения.
Но основной технической проблемой, сдерживающей широкое внедрение печатных технологий в серийное производство, остается не принтер, а материал, который можно наносить печатью, — «чернила». В данной статье мы рассмотрим современное состояние разработки проводящих чернил, поскольку именно проводник является обязательным строительным блоком любого изделия электроники.
Общие принципы работы с проводящими чернилами
Проводящие чернила — наиболее значимый функциональный материал для печати. Русскоязычный термин «проводящие чернила» представляет собой дословный перевод англоязычного термина conductive inks. Несмотря на неблагозвучность, он точно и коротко передает суть: проводящие чернила загружаются в картридж принтера для последующего нанесения материала на запечатываемую поверхность. Для описания процессов трафаретной печати, как правило, добавляется слово «паста» — проводящие чернила/паста.
Проводник присутствует в любом изделии электроники как минимум в виде контактной площадки. Поэтому успехи в создании проводящих чернил определяют в конечном итоге успех всего направления печатной электроники. Рассмотрим комплекс технических проблем, возникающих в ходе использования проводящих чернил.
Поскольку чернила наносятся печатью, они всегда находятся в жидком состоянии, но должны иметь разную вязкость для различных способов печати. Для струйной печати, например, важно, чтобы вязкость чернил была согласована с конструкцией печатающей головки принтера для стабильной генерации капель.
Поскольку чернила наносятся в жидком состоянии, присутствие жидкого наполнителя обязательно. Соответственно, необходим последующий этап, связанный фактически с выпариванием наполнителя или изменением его структуры. При этом остатки органических соединений, заполняющих промежутки между частицами, создают паразитные сопротивления (рис. 4).
Отдельная техническая проблема — взаимодействие жидких чернил и запечатываемой поверхности. К адгезии предъявляются жесткие требования, однако в жидком состоянии с хорошей адгезией к поверхности чернила растекаются, рисунок искажается. Это значит, что в реальном производственном процессе растекание должно быть контролируемым. Огромное значение имеет поверхностная энергия запечатываемого материала. Поэтому процесс подготовки поверхности запечатываемого материала должен быть управляемым. Таким образом, серийный процесс создания проводящего рисунка, например струйной печатью, будет включать несколько операций:
1. Подготовка поверхности (как минимум контроль состояния поверхности на соответствие определенным значениям поверхностной энергии).
2. Контроль вязкости чернил.
3. Печать чернил в соответствии с рисунком, заданным в управляющем файле формата CAD/CAM.
4. Термообработка.
5. Контроль сопротивления и геометрии тестовых проводников на соответствие конструкторской документации.
6. 100%-ный контроль топологии (электрический + оптический).
Для глубокого понимания физики процесса и действия факторов, управляющих процессом, также важно знать, что все типы проводящих чернил содержат частицы проводящего материала. Чернила отличаются материалом и структурой проводящей частицы, характеристиками и составом жидкого наполнителя. Идеальные чернила имеют удельное сопротивление того металла, частицы которого включают. Поэтому при описании результатов экспериментов или даже в спецификации на партии проводящих чернил исследователи часто указывают коэффициент превышения удельного сопротивления чистого металла.
Как отмечалось ранее, трафаретная печать давно распространена в электронике. Проводящие пасты для производства гибридных схем на керамике Ceramic Thick Film (СTF) имеют достаточно солидную историю. Время и температура отжига проводящих чернил, описанных далее и использующихся в печатной электронике, значительно ниже по сравнению с температурными режимами отжига проводящих паст традиционной толстопленочной гибридной технологии на керамике. Обращаем внимание разработчиков аппаратуры, что этот факт позволяет применять печать проводящими чернилами не только на керамике, выдерживающей температуру 800 °С, но и на бумаге, лавсане, пластиках, полиамидах и других материалах, а некоторые виды чернил могут выполнять печать даже на стеклотекстолите марки FR4.
Далее мы будем рассматривать только новые типы проводящих чернил, позволяющие эффективно встроить прямую печать проводников в технологический цикл современных изделий электроники. Классификация чернил еще окончательно не сложилась, но чаще всего проводящие чернила делят на два класса по размеру проводящей частицы - синтезированные наночастицы с размерами, измеряемыми в нанометрах, или обычная частица с размерами микронного диапазона:
Как уже говорилось, все чернила жидкие и должны после нанесения пройти термообработку. Принципиальное отличие частиц, полученных фильтрацией, от синтезированных в том, что они имеют различную регулярность формы и размер. В свою очередь, именно регулярность формы и размер частицы влияет на плотность и структуру упаковки проводящих частиц после термообработки, а значит, и на эффективную площадь проводящего сечения и паразитные сопротивления на границе «частица — остатки наполнителя». На рис. 5 наглядно продемонстрировано, почему частицы малых размеров и регулярной формы предпочтительнее. Кроме того, размер частицы влияет на температуру отжига для образования проводящего слоя: чем меньше размер частиц, тем при меньших температурах достигается спекание.
Необходимо отметить, что синтез наночастиц с концентрацией для промышленного применения всегда сопровождается мерами по стабилизации их поверхности, иначе наночастицы агломерируют и укрупняются. Очевидно, что при отработке режимов отжига следует учитывать и этот фактор.
Для того чтобы наглядно продемонстрировать основные технические проблемы, которые решаются при подборе вида и режима термообработки нанесенных чернил, на рис. 6 в качестве примера приведены результаты термогравиметрического анализа медных чернил/пасты. Первый участок уменьшения веса объясняется выпариванием наполнителя. После участка уменьшения веса пасты за счет выпаривания наполнителя следует восходящий участок, характеризующий начало процесса окисления. Очевидно, что для обеспечения низкого удельного сопротивления формируемого проводника окисление необходимо предотвратить, для чего проводят отжиг в инертной атмосфере. В данном примере при достижении температуры ~300 C вес медной пасты исследуемого состава начинает уменьшаться в связи с началом процесса декомпозиции слоя.
Перед создателями процессов термообработки стоит противоречивая задача. С одной стороны, температура отжига должна быть достаточной, чтобы сформировалась плотная структура проводящего слоя, между частицами образовалось надежное спекание/соединение для обеспечения минимального сопротивления формируемого проводника. С другой стороны, температура не может быть выше температуры начала окисления и не может быть выше предельно допустимой для используемой запечатываемой поверхности. Поэтому режим и способ термообработки, свойства запечатываемой поверхности оказывают огромное влияние на удельное сопротивление проводящего слоя, формируемого печатью.
Для термообработки нанесенных чернил применяют два основных вида отжига чернил:
• объемный отжиг — термообработка в конвекционной печи;
• поверхностный отжиг — лучевой нагрев поверхности, на которой напечатан рисунок, за счет обработки инфракрасным, лазерным, световым пучком.
Фотонный отжиг более эффективен. Кроме того, для увеличения эффективности отжига применяются импульсные режимы термообработки. При импульсном режиме материал проводящих чернил и запечатываемой подложки выдерживает большие температуры, отжиг становится эффективнее с минимизацией негативного воздействия температуры. Некоторые производители выпускают специальное оборудование для облучения c длиной волны в инфракрасном диапазоне, ориентированное на печатную электронику.
Достигнутые значения удельного сопротивления проводящих чернил для трафаретной печати
В таблице 1 приведены данные некоторых производителей чернил для трафаретной печати.
Достигнутые значения удельного сопротивления проводников для струйной печати
По сравнению с пастами для трафаретной печати создание проводящих чернил для струйной печати является более сложной задачей. Кроме того, именно струйная печать, как уже отмечалось, позволяет организовать максимально гибкое производство с минимизацией вредных веществ, отходов и без трафаретов.
В таблице 2 приведены данные некоторых производителей проводящих чернил для струйной печати (по состоянию на ноябрь 2014 года):
Для того чтобы понять, насколько применимы проводящие чернила с вышеприведенными значениями в реальных приборах, сравним их с удельным сопротивлением металлов:
Cеребро 1,58×* 10-6 [Ом×см]
Медь 1,75×10-6 [Ом×см]
Алюминий 2,70×10-6 [Ом×см]
Железо 10,0×10-6 [Ом×см]
На текущий момент лучшее достижение удельного сопротивления напечатанных проводников на основе медных чернил примерно в 2 раза выше удельного сопротивления объемной меди.
На рис. 7 приведены данные по удельному сопротивлению чернил на основе различных материалов. Рисунок отражает состояние текущих разработок. Примечательно, что самые многообещающие материалы для печати — графен, углеродные нанотрубки, органические проводники, о которых так много пишут и говорят в последние годы, пока показывают самые худшие экспериментальные результаты по удельному сопротивлению.
Как мы видим, на сегодняшний день наночастицы серебра дают лучший результат, но серебро слишком дорогой материал для массового производства.
Структура мирового рынка проводящих чернил
Прежде всего, необходимо осознать, что рынок проводящих чернил уже сформирован и продолжает развиваться. По данным IDTechEX, проводящие чернила для трафаретной печати занимают 95% сложившегося на конец 2014 года рынка всех проводящих чернил, и только 5% мирового рынка пока отведено чернилам для остальных методов печати. То есть трафаретная печать — самая распространенная технология печати проводящих чернил/пасты. Поскольку она достаточно давно освоена в электронике, трудно говорить об инновационности процесса, скорее вести речь надо об инновационности материала и применения. Вероятно, и далее трафаретная печать сохранит лидерство в использовании для формирования проводящих дорожек. Однако известно, что если существует разработанный материал и оборудование, струйная печать с успехом вытесняет трафаретную печать (пример печати маркировки в производстве печатных плат и печати паяльной пасты в поверхностном монтаже). Возможно, более медленное внедрение методов струйной печати для формирования проводников связано, прежде всего, с тем, что разработка оборудования и материалов для струйной печати требует больших инвестиций и является более сложной для реализации технической задачей, чем трафаретная печать. Тем не менее успешные примеры внедрения есть, и их количество постепенно растет.
По прогнозу IDTechEX, объемы реализации проводящих чернил в мире будут постоянно расти и к 2025 году достигнут $3 млрд. Ниже (рис. 8) приведен график с учетом распределения емкости рынка проводящих чернил по применениям.
Основная доля проводящих чернил сейчас используется в производстве солнечных элементов (рис. 9) и сенсорных экранов (рис. 10), и, по мнению аналитиков IdTechEx, эта пропорция будет сохраняться до 2025 года.
В 2014 году для солнечных элементов и сенсорных экранов реализовано проводящих чернил на $1,6 млрд. Рынок с таким объемом, безусловно, заслуживает внимания. Хотя есть вероятность, что аналитики IdTechEx недооценили некоторые применения печати проводников. Например, применение печати для автомобильной электроники, возможно, фактически окажется больше.
Заключение
Мы наблюдаем два основных тренда в области распространения проводящих чернил:
• Для некоторых типов изделий (дисплеи, солнечные элементы, RFID, датчики и др.) широко применяются технологии печати, рынок проводящих чернил растет.
• Для традиционной электроники (печатные платы, микроэлектроника) печатные технологии (особенно в отношении проводящих чернил) фактически не используются.
Незначительное число практических реализаций печатных технологий для изделий традиционной электроники может быть объяснено тем, что это новая и малоизученная технология (наиболее вероятная причина), а также и любым из ниже перечисленных факторов:
• Данные о конкретных реализациях не проходят на рынок. Применение инновационных технологий печати настолько экономически эффективно и обеспечивает такие конкурентные преимущества, что описания промышленного применения могут быть закрыты для технического сообщества.
• Проводящие чернила пока не обеспечивают точно такую же проводимость, как гальванический металл (согласно опубликованным данным, лучшим достижением по удельному сопротивлению медных чернил является значение 3,4 Ом×см ,что в 1,95 раза больше удельного сопротивления объемной меди).
• Внедрение технологии в серийное производство, в существующую технологию серийно выпускаемого изделия фактически является НИОКР. Далеко не все компании имеют бюджеты на проработку инновационных технологий.
• Вопросы надежности малоизучены, поэтому ограничено применение в изделиях традиционной электроники, особенно в изделиях, к которым предъявляются очень жесткие требования по надежности.
• Мало информации о возможностях новой технологии для разработчиков изделий, которые, вероятно, с удовольствием попробовали бы более эффективные технологии, если информация о них была бы более доступной.
Несмотря на то, что успехи применения методов печатной электроники главным образом справедливы для производства дисплеев, органических светодиодов, RFID-меток, сенсоров, возможно применение печати и для более традиционных изделий электроники как более эффективная замена существующим операциям. Для этого, вероятно, необходимо совместное с производителем чернил опробование новых формул. Задача реальная, поскольку количество компаний, занимающихся производством проводящих чернил, постоянно растет. Специалисты компании «Диполь» готовы оказать необходимые консультации и помощь при определении требуемых типов лабораторного оборудования и материалов.
Может оказаться более эффективным заказ постановки конкретного процесса зарубежным компаниям, имеющим многолетний опыт разработок процессов печатной электроники для производства конкретного изделия. Грамотный выбор исполнителя способен обеспечить постановку процессов печати функциональных материалов и их интеграцию в существующие производства. Если есть уверенность, что внедрять наукоемкую инновационную технологию по мере ее зрелости целесообразно, недальновидно откладывать ее практическое освоение, ведь лабораторные исследования можно начать уже сейчас.
Возможно справедливое замечание, что сейчас проводящие чернила в основном используются для создания солнечных элементов, производство которых еще долго не будет актуально в России, и для сенсорных дисплеев, чье изготовление у нас практически отсутствует. Означает ли это, что изучение и освоение печатных технологий может быть проигнорировано? Принять правильное решение по данному вопросу невозможно без осознания факта, что современным драйвером рынка мировой электроники является в значительной степени успех нового поколения персональных компьютеров и смартфонов, то есть потребительской электроники. Конкуренция здесь огромная, бюджеты лидеров рынка на проработку инновационных технологий сравнимы с военными бюджетами. Поэтому именно сейчас закономерно появление прогрессивных эффективных технологий в первую очередь в производстве потребительской электроники. Это значит, что дающие преимущество технические инновации приходят в стратегические отрасли уже не только из закрытых лабораторий, но и из публичных компаний. Вот почему необходимо внимательно следить за развитием печатных технологий, несмотря на то, что они пока применяются не для самых актуальных в России направлений.
