Elettronica stampata

- Mar 23, 2017-

Elettronica stampataè un insieme distampametodi utilizzati per creare dispositivi elettrici su vari substrati. Stampa in genere utilizza apparecchiature di stampa comune adatta per la definizione di modelli sul materiale, comestampa dello schermo,flessografia,rotocalco,Litografia offset, ea getto d'inchiostro. Per gli standard di industria elettronica, questi sono processi di basso costi. Elettricamente funzionali inchiostri ottici o elettronici sono depositati sul substrato, creando dispositivi attivi o passivi, comeThin film transistor; condensatori; bobine;resistori. Elettronica stampata dovrebbe facilitare elettronica diffusa, molto a basso costo, prestazioni ridotte per le applicazioni comedisplay flessibili,etichette intelligenti, poster decorativi e animata e abbigliamento attivo che non richiedono prestazioni elevate.[1]

Il termineelettronica stampataè spesso correlata aelettronica organicaoelettronica di plastica, in cui uno o più inchiostri sono costituiti da composti a base di carbonio. Questi altri termini si riferiscono al materiale di inchiostro, che possono essere depositati dai processi di soluzione basato, vuoto- o altri. Elettronica stampata, al contrario, specifica il processo e, i requisiti specifici del processo di stampa selezionato, può utilizzare qualsiasi materiale a base di soluzione. Questo includesemiconduttori organici,inorganicisemiconduttori, conduttori metallici,nanoparticelle,nanotubi, ecc.

Per la preparazione di elettronica stampata sono impiegati quasi tutti i metodi di stampa industriali. Simile alla stampa convenzionale, elettronica stampata si applica strati di inchiostro uno sopra l'altro.[2]Così lo sviluppo coerente di metodi di stampa e materiali di inchiostro sono il campo e #39; s attività essenziali.

Il vantaggio più importante della stampa è fabbricazione di volume di basso costo. Il costo inferiore consente l'utilizzo in altre applicazioni.[3]Un esempio èRFID-i sistemi che permettono l'identificazione contactless in commercio e ai trasporti. In alcuni domini, comediodi emettitori di lucestampa non influire sulle prestazioni.[2]Stampa su substrati flessibili permette elettronica da collocare su superfici curve, ad esempio, mettendo le celle solari sul tetto del veicolo. Più tipicamente, semiconduttori convenzionali giustificano loro costi molto più elevati, fornendo prestazioni molto elevate.

Registrazione, risoluzione, materiali, spessore, fori[modifica]

La massima necessaria risoluzione delle strutture nella stampa convenzionale è determinata dall'occhio umano. Caratteristica di dimensioni inferiori a circa 20 µm non possono essere distinto dall'occhio umano e di conseguenza sono superiori alle capacità dei processi di stampa convenzionali.[4]Al contrario, maggiore risoluzione e strutture più piccole sono necessarie molta stampa elettronica, perché colpiscono direttamente la densità dei circuiti e funzionalità (soprattutto transistor). Un requisito analogo vale per la precisione con cui vengono stampati strati uno sopra l'altro (registrazione di strato per strato).

Controllo di spessore, fori e compatibilità con i materiali (bagnante, adesione, solvatazione) sono essenziali, ma importa in stampa convenzionale solo se l'occhio possa rilevarlo. Al contrario, l'impressione visiva è irrilevante per printed electronics.[5]

Tecnologie di stampa[modifica]

L'attrazione della tecnologia di stampa per la fabbricazione di elettronica dipende principalmente dalla possibilità di preparare pile di strati di micro-strutturati (e quindi a film sottile dispositivi) in un modo molto più semplice e conveniente rispetto all'elettronica convenzionale.[6]Inoltre, la possibilità di implementare funzionalità nuove o migliorate (ad es. flessibilità meccanica) svolge un ruolo. La selezione del metodo di stampa utilizzato è determinata dai requisiti riguardanti strati stampati, le proprietà dei materiali stampati, nonché considerazioni economiche e tecniche dei prodotti stampati finali.

Tecnologie di stampa dividono tra basati su foglio eroll-to--approcci basati. Basato su foglioa getto d'inchiostroe stampa dello schermo sono i migliori per il lavoro di basso volume, alta precisione.Rotocalco,offsetestampa flessograficaè il più comune per la produzione di volumi elevati, quali le celle solari, raggiungendo 10.000 metri quadrati all'ora (m ²/h).[4][6]Mentre offset e flessografica sono utilizzati principalmente per inorganici[7][8]e biologici[9][10]conduttori (quest'ultimi anche per dielettrici),[11]rotocalcola stampa è particolarmente adatta per i livelli di qualità sensibili come semiconduttori organici e semiconduttore/dielettrico-interfacce a transistor, a causa di qualità di alto livello.[11]Se è necessario ad alta risoluzione, rotocalco è anche adatto per inorganici[12]e biologici[13]direttori d'orchestra. Organicotransistor ad effetto di campoecircuiti integratipossono essere preparati completamente per mezzo di metodi di massa-stampa.[11]

Getto d'inchiostro è flessibile e versatile e può essere impostato con uno sforzo relativamente basso.[14]Tuttavia, getto d'inchiostro offerta velocità di trasmissione inferiore di circa 100m2/ h e una risoluzione inferiore (ca. 50 µm).[4]È adatta per basso-viscosità, materiali solubili come semiconduttori organici. Con materiali ad alta viscosità, come dielettrici organici e particelle disperse, come gli inchiostri metallici inorganici, si verificano difficoltà a causa di intasamento dell'ugello. Perché l'inchiostro si deposita tramite goccioline, omogeneità di spessore e la dispersione è ridotta. L'utilizzo simultaneo di molti ugelli e pre-strutturazione del substrato permette miglioramenti della produttività e ad alta risoluzione, rispettivamente. Tuttavia, in quest'ultimo caso non stampabili metodi devono essere impiegati per il passaggio effettivo patterning.[15]Stampa inkjet è preferibile per semiconduttori organici inorganici transistori di field - effect(OFETs) ediodi luminosi organici(OLED), ma inoltre sono stati dimostrati OFETs completamente preparato da questo metodo.[16]Frontplanes[17]ebackplane[18]di OLED-display, circuiti integrati,[19]celle fotovoltaiche organiche (OPVCs)[20]e altri dispositivi possono essere preparati con getto d'inchiostro.

La serigrafia è appropriata per la realizzazione di impianto elettrico ed elettronica a causa della sua capacità di produrre modellati, spessi strati da materiali pastosi. Questo metodo può produrre linee di direzione d'orchestra da materiali inorganici (ad es. per circuiti e antenne), ma anche isolanti e strati, per cui è più importante di alta risoluzione spessore dello strato di passivazione. Sua risoluzione 50 m ²/h di velocità effettiva e 100 µm sono simili a getto d'inchiostro.[4]Questo metodo relativamente semplice e versatile è usato principalmente per strati conduttivi e dielettrici,[21][22]ma anche semiconduttori organici, ad esempio per OPVCs,[23]e anche completare OFETs[17]può essere stampato.

Aerosol Jet stampa (noto anche come quelle della deposizione di materiali mesoscala o M3D)[24]è un'altra tecnologia di deposizione del materiale per printed electronics. Il processo di getto di Aerosol inizia con atomizzazione di un inchiostro, che può essere riscaldato fino a 80° C, producendo goccioline nell'ordine di uno o due micrometri di diametro. Le goccioline atomizzate sono trascinate in un flusso di gas e consegnate per la testina di stampa. Qui, un flusso anulare di gas pulito è stato introdotto intorno al flusso di aerosol di concentrare le goccioline in un fascio collimato strettamente di materiale. I flussi di gas combinato uscita la testina di stampa attraverso un ugello convergente che comprime il flusso di aerosol a un piccolo come 10 µm di diametro. Il getto di goccioline esce la testina di stampa ad alta velocità (~ 50 metri/secondo) e incide su substrato. Interconnessioni elettriche, componenti attivi e passivi[25]sono formate da spostare la testina di stampa, dotata di un otturatore meccanico start/stop, rispetto al substrato. I pattern risultanti possono avere caratteristiche che vanno da 10 µm di larghezza, con spessori di strato da decine di nanometri a andgt; 10 µm.[26]Una testina di stampa ugello più largo permette efficiente patterning di millimetro formato elettronico funzioni e applicazioni di rivestimento superficiale. Tutta la stampa si verifica senza l'uso delle camere a vuoto o sotto pressione e a temperatura ambiente. La velocità di uscita alta del getto consente una relativamente grande separazione tra la testina di stampa e il substrato, in genere 2 – 5mm. Le goccioline rimangono ben focalizzate su questa distanza, conseguente la possibilità di stampare modelli conformal dimensionale oltre tre substrati. Nonostante l'alta velocità, il processo di stampa è delicato; non danneggiare il substrato e non c'è generalmente nessun splatter o overspray da goccioline.[27]Una volta completato il modello, l'inchiostro stampato richiede tipicamente post-trattamento per raggiungere proprietà elettriche e meccaniche finali. Post-trattamento è guidato più della combinazione specifica di inchiostro e substrato rispetto dal processo di stampa. Una vasta gamma di materiali è stata depositata con successo con il processo di getto di Aerosol, inclusi film spesso diluito paste, polimeri termoindurenti come le resine epossidiche UV-curable e polimeri a base solvente come poliuretano polyimide e materiali biologici.[28]

Evaporazione stampa utilizza una combinazione di serigrafia di alta precisione con la vaporizzazione del materiale per stampare caratteristiche a 5µm. Questo metodo utilizza tecniche quali thermal, fascio elettronico, Polverizzi e altre tecnologie di produzione tradizionale per depositare materiali attraverso una maschera forata di alta precisione (o stencil) che si è registrata al substrato per meglio di 1 micrometro. Stratificazione disegni maschera diversa e/o materiali di regolazione, affidabili, convenienti circuiti possono essere costruiti additivo, senza l'uso di fotolitografia.

Altri metodi con le somiglianze alla stampa, fra lorostampa di microcontattoeLitografia di nano-Impressumsono di interesse.[29]Qui, µm e nm dimensioni strati, rispettivamente, vengono preparati con metodi simili a stampaggio con forme morbide e dure, rispettivamente. Spesso le strutture reali sono preparate subtractively, ad esempio mediante deposizione di etch maschere o processi di Lift-off. Ad esempio, elettrodi per OFETs possono essere preparati.[30][31]SporadicamenteTampografiaviene utilizzato in modo simile.[32]Metodi di cosiddetto trasferimento, dove livelli solidi vengono trasferiti da un vettore al substrato, sono considerati occasionalmente elettronica stampata.[33]ElettrofotografiaAttualmente non viene utilizzato in elettronica stampata.

Materiali[modifica]

Materiali organici e inorganici sono usati per printed electronics. Materiali di inchiostro devono essere disponibile in forma liquida, soluzione, dispersione o sospensione.[34]Essi devono funzionare come conduttori, semiconduttori, dielettrici o isolanti. Costi del materiale devono essere adatto per l'applicazione.

Stampabilità e funzionalità elettronica può interferire con a vicenda, incaricando attenta ottimizzazione.[5]Ad esempio, un più alto peso molecolare in polimeri migliora la conduttività, ma diminuisce la solubilità. Per la stampa, viscosità, tensione superficiale e contenuto solido deve essere strettamente controllati. Interazioni cross-layer come bagnante, adesione e solubilità, nonché procedure di essiccazione post-deposizione influenzano il risultato. Additivi spesso utilizzati negli inchiostri di stampa convenzionali non sono disponibili, perché spesso sconfitta funzionalità elettroniche.

Proprietà del materiale in gran parte determinano le differenze tra elettronica stampata e convenzionale. Materiali stampabili forniscono vantaggi decisivi al lato di stampabilità, quali flessibilità meccanica e funzionale regolazione per modificazione chimica (es. colore chiaro in OLED).[35]

Conduttori di stampati offrono la conducibilità più bassa e mobilità dei portatori di carica.[36]

Con poche eccezioni, i materiali inorganici inchiostro sono dispersioni di metalliche o semiconduttori micro - e nano-particelle. Nanoparticelle di semiconduttori utilizzate includono silicio[37]e ossidi semiconduttori.[38]Silicio viene anche stampato come precursore dell'organico[39]che viene poi convertito da pirolisi e ricottura in silicio cristallino.

PMOSma nonCMOSè possibile in elettronica stampata.[40]

Materiali organici[modifica]

Elettronica stampata organica integra conoscenza e sviluppi da stampa, elettronica, chimica e scienza dei materiali, soprattutto da agricoltura biologica e chimica dei polimeri. Materiali organici in parte differiscono da elettronica convenzionale in termini di struttura, funzionamento e funzionalità,[41]che influenza il dispositivo e circuito design e ottimizzazione così come metodo di fabbricazione.[42]

La scoperta dipolimeri coniugati[36]e loro sviluppo in materiali solubili fornito i primi materiali organici inchiostro. Materiali da questa classe di polimeri variamente possiedonolo svolgimento di,semiconduttori,elettroluminescente,fotovoltaicoe altre proprietà. Altri polimeri vengono utilizzati principalmente comeisolanti e dielettrici.

In materiali più organici, trasporto di foro è favorita sopra trasporto dell'elettrone.[43]Gli studi recenti indicano che questa è una caratteristica specifica di semiconduttore/dielettrico-interfacce organiche, che svolgono un ruolo importante nella OFETs.[44]Di conseguenza, p-tipo dispositivi dovrebbero dominare su dispositivi di tipo n. Durata (resistenza di dispersione) e la durata è minore rispetto ai materiali convenzionali.[40]

Semiconduttori organici includono il conduttivopolimeripoli (3,4-etilene dioxitiophene), drogato con poli (stirenesolfonato), (PEDOT:PSS) e poli (anilina) (PANI). Entrambi polimeri sono commercialmente disponibili in diverse formulazioni e sono state stampate utilizzando a getto d'inchiostro,[45]schermo[21]e stampa offset[9]o schermo,[21]Flexo[10]e rotocalco[13]stampa, rispettivamente.

Semiconduttori di polimero vengono elaborati utilizzando la stampa a getto d'inchiostro, comepoli (thiopene)come poly(3-hexylthiophene) (P3HT)[46]e poly (9,9-dioctylfluorene co-bithiophen) (F8T2).[47]Il materiale di quest'ultimo è stato anche stampato rotocalco.[11]Diversi polimeri elettroluminescenti sono utilizzati con la stampa a getto d'inchiostro,[15]così come per lo sviluppofotovoltaico(ad esempio miscele di P3HT confullerenederivati),[48]che in parte anche possono essere depositati mediante la stampa di schermo (ad esempio miscele dipoli (fenilene vinylene)con derivati del fullerene).[23]

Dielettrici e stampabili isolanti organici ed inorganici presenti, che possono essere elaborati con diversi metodi di stampa.[49]

Materiali inorganici[modifica]

Inorganico elettronica fornisce livelli altamente ordinate e interfacce che organico e materiali polimerici non possono fornire.

Argentole nanoparticelle sono utilizzate con flexo,[8]offset[50]e a getto d'inchiostro.[51]Orole particelle vengono utilizzate con getto d'inchiostro.[52]

L....elettroluminescenteDisplay multi-colore (EL) in grado di coprire molte decine di metri quadrati, o essere incorporato in Guarda faces e strumento Visualizza. Essi coinvolgono sei-otto strati inorganici stampate, compreso un rame fosforoso drogato, su un substrato di film plastico.[53]

Celle CIGSpuò essere stampato direttamente sulmolibdenorivestitolastre di vetro.

Una stampatacella solare di arseniuro di gallio germanioha dimostrato l'efficienza di conversione di 40,7%, otto volte quello dei migliori celle organiche, avvicinando le migliori prestazioni del silicio cristallino.[53]

Substrati[modifica]

Elettronica stampata consente l'utilizzo di substrati flessibili, che riduce i costi di produzione e permette la fabbricazione di circuiti flessibili meccanicamente. Mentre a getto d'inchiostro e stampa dello schermo in genere stampa substrati rigidi come vetro e silicone, massa-stampa metodi utilizzano quasi esclusivamente carta e foglio flessibile.Foglio di poli (etilene tereftalato)-lamina (PET) è una scelta comune, grazie alla sua stabilità di temperatura moderatamente alto e basso costo.Poli (etilene naftalato)-(Penna) ePoly(imide)-lamina (PI) sono prestazioni superiori, maggiore costo delle alternative.Cartae #39; s bassi costi e molteplici applicazioni rendono un substrato attraente, tuttavia, sua rugosità elevata e grande capacità di assorbimento rendono problematico per l'elettronica.[50]

Altri importanti criteri di substrato sono bassa rugosità e bagnabilità adatto, che può essere sintonizzato il pre-trattamento mediante uso dirivestimentooEffetto corona. In contrasto con stampa convenzionale, alta capacità di assorbimento è solitamente svantaggioso.

Applicazioni[modifica]

Elettronica stampata è in uso o in considerazione per:

Azienda norvegeseFilm sottileroll-to-roll con successo dimostrato stampato memoria organica nel 2009.[54][55][56][57]

Attività e sviluppo di standard[modifica]

Norme tecnichee roadmapping iniziative sono intese a facilitarecatena del valoresviluppo (per la condivisione delle specifiche di prodotto,caratterizzazionenorme, ecc.) Questa strategia di sviluppo di standard rispecchia l'approccio utilizzato da elettronica basata sul silicio negli ultimi 50 anni. Iniziative includono:

ha pubblicato tre norme per printed electronics. Tutti e tre sono stati pubblicati in collaborazione con il Packaging elettronico Giappone e circuiti Association (JPCA):

  • IPC/JPCA-4921, requisiti per i materiali di Base di elettronica stampata

  • IPC/JPCA-4591, requisiti per materiali conduttori funzionale Printed Electronics

  • IPC/JPCA-2291, linee guida di progettazione per Printed Electronics

Questi standard e altri in via di sviluppo, fanno parte dell'iniziativa di elettronica stampata di IPC.


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