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1、1印制电子综述上海美维科技有限公司 龚永林摘要：本文叙述了印制电子的概念、用途，印制电子的市场趋势和相关技术，特别论述了印制电子和印制电路板关系。关键词：印制电子，印制电子市场，印制电子技术，印制电子与印制板Printed Electronics Review Gong Yong-Lin Shanghai Meadville S&T Co. Ltd.Abstract：This paper describes concept and application and technology for printed electronics. Other describes the relation o
2、f printed electronics with printed circuit boards. Key words：Printed Electronics (PE)，Market of PE，Technology of PE，PE &PCB印制电子或印刷电子已是行业内热门话题，本人近两年来也一直关注着印制电子的动态与发展，现把自己积累的有关知识和认识作个综述，供感兴趣的同行们参考。1. 印制电子概要1.1 背景和驱动力人们追求享受生活，科技产品日新月异，现代化生活的重要部分是应用电子设备，如现在最流行的手机、随身听、电视等。生活中对电子设备的发展要求其性能高佳、轻小便携、安全可靠、节能环
3、保、价廉物美，电子产品的多功能化、轻薄小型化、环境友好化、低成本化是必然的发展特色。电子设备中手机的发展是科技产品日新月异的典范。在 1990 年代初出现手机（移动电话）时其功能仅是可移动通话的电话机，体积和重量大似砖块，价格超万元。十多年来发展，手机体积已小似名片盒，智慧型手机又有照相、随身听、电视、电脑等许多功能，这都有赖于电子元器件微小化，包括印制电路板的高密度化。名片盒似智慧型手机并非手机发展极限，会继续追求更轻薄化、低成本化和多功能化的手机，相应的就是追求轻薄微小和低成本的元器件产品。手机的视屏尺寸不能过分缩小，但可设法减薄和卷曲，就可变得更小巧实用；纸张印成的报纸和书籍都要装在提包
4、里携带，如用可卷曲薄膜状电子纸代替，体积似笔状可随身携带阅读。新颖电子设备的追求、享用，驱动了印制电子产品的产生与发展。1.2 名称与定义“印制电子”（Printed Electronics）是指利用各种印制技术，形成电子元器件和电路的电子产品。也有称为“可印制电子”（Printable Electronics），或称为“全印制电子”（All Printed Electronics）。这是从加工工艺的角度称谓。目前传统的电子产品是由硅等无机半导体材料为基础制作成元器件与以覆铜箔板为基板制作的印制电路板，互连结合而成，被称为“硅-铜电子技术”。因此，传统的电子电路技术被分为元器件技术、印制电路板
5、技术和连接安装技术，而印制电子技术是将它们合为一体了。“印制电子”产品和技术是近几年新兴的，类同的电子产品和技术在不同文献报道中有不同名称出现。本人所見有称为“有机电子”（Organic Electronics）、“塑料电子”（Plastic Electronics），指用有机(塑料)基材和或有机涂料为材料经印制形成的电子产2品；称为“薄膜电子”（Film Electronics），指用有机薄膜基材经印制形成的电子产品；“挠性电子”或“软性电子”（Flexible Electronics），指用薄膜基材形成的可卷曲的电子产品。甚至有“可穿戴电子”(wearable electronics)，指
6、把电子组件印制在穿戴的衣帽上。这些类同称谓的相关性如图 1-1 所示。 图 1-1 印制电子类同称谓的相关性这些不同的称谓只是从不同的角度突出产品特点，分别从工艺角度、基材角度、状态角度来表述名称，其实它们是基本相同或类同事物。本文则以“印制电子”（Printed Electronics）称之。对于“Printed Electronics”的中文名称还是值得考虑的。在印制电路行业的术语标准规定“Printed Circuit Board”为“印制电路板”，而非“印刷电路板”。相应的“Printed Electronics”的中文名称就应为“印制电子 ”，而非“印刷电子”。事实上“Printed
7、 Electronics”所用技术并非仅有通常的印刷技术，还有喷墨、溅射等技术，因此本人认为称“印制电子”更确切，但现在所见“印刷电子”较多，值得商榷。1.3 印制电子特点1）印制技术的导入简化电子产品制造工艺任何电子设备必定有相关元器件和零件组成，通常是由印制板（PCB ）承担了元器件的支撑和连接作用。印制电子产品兼有 PCB 作用，可代替 PCB。印制电子制造是采用直接印制图形的方法，与PCB 及 PCBA(装配) 制造相比基本流程如下图 1-2，显然印制电子比前者工序简化约一半。图 1-2 常规 PCB 与印制电子基本制造流程比较2）把电子电路与元器件集合在一起，连接可靠通常的 PCB
8、仅是 PWB(印制线路板 ), 成为电路功能的元件是后装上去的，即由 PCBA完成。而印制电子是在基材上既有线路又有元件，都由印制完成，成为真正的电子电路。而且印制电子产品的元件与线路是完整一体，连接可靠性高。3）产品轻薄、可挠曲，减少体积与重量，适合各种形状要求印制电子产品基材以有机薄膜为主, 具有可挠曲、轻薄的特点，其印制形成的元件是厚膜型的，相比 PCB 上安装的元件要轻薄。因此 印制电子具有挠性印制板(FPC)的优点，3又胜过 FPC。4）省料省工，减少成本印制电子用有机薄膜和各种油墨材料的成本，低于 PCB 用覆铜箔板和各种化工材料；印制电子加工过程也少于 PCB 和 PCBA，而且
9、印制电子又可以成卷加工(R2R)；由于加工过程简单，印制电子用生产设备投资也没有 PCB 和 PCBA 复杂；因此印制电子适合低成本要求。5）绿色生产，有利环境保护印制电子生产废弃物极少，不需化学蚀刻和电镀工序，几何没有废水，是项清洁生产工艺技术。2. 印制电子的应用2.1 应用领域 印制电子技术目前还处于产业发展的初期，但是已显现其市场规模具有很大的发展潜力。据调查数据显示，印制电子技术和产业涉及面很广，包括能印制形成电路或者电子元器件的有机、无机或者合成材料，生成晶体管、显示器、传感器、光电管、电池、照明器件、导体和半导体等器件，以及互连电路的工艺与产品。按照 IDTechEx、OE-A
10、和台湾工研院的资料介绍，印制电子产品的应用领域归纳为表 2-1。表 2-1 印制电子产品应用领域与特点产品应用领域 印制电子产品 产品特点半导体器件 薄膜晶体管(TFT)RFID 系统逻辑电路、存储器比硅基 IC 重量轻、体积小，适于挠曲和低温装配，比硅基半导体成本低。显示 有机光电显示管(OLED)有机光电广告屏电子纸电泳显示、电致变色显示、场致发光显示、热显示等等改善平板显示器强度,可设计成卷曲的新产品, 适于成卷高效生产。照明 有机发光二极管(OLED) 消耗电量少节能，可分散、卷曲排列灯光，成本低 适于成卷生产。电源 薄膜太阳能电池光伏新颖环保、低成本电源，重量轻、体积小，可卷曲。传感
11、 接触压力感应器光电感应器温度感应器等 用于不同结构的信号检测，重量轻、体积小、成本低，能用于生物产品中，能挠曲与纤维织物结合。其它 薄膜开关 重量轻、体积小、成本低 2.2 应用例 42.2.1 薄膜开关薄膜开关 (Membrane Switch), 也有称触摸开关，是利用聚酯薄膜为基体 , 网版印刷方法将导电油墨印刷在薄膜上，构成导电线路和按键触点(开关 )，如图 2-1 所示。这类薄膜开关也是印制电子产品，20 年前就已有之。现在薄膜开关已被广泛应用于计算机键盘、自动化仪表和自动化电子设备的触摸式控制盘等。当然，随着印制电子技术发展，薄膜开关的结构、功能更深入，用途更大。 薄膜开关对于印
12、制电路行业是早已熟知的是产品，不再多述。而其也可归入印制电子产品。图 2-1 薄膜开关 2.2.2 半导体器件薄膜晶体管(TFT：Thin Film Transistor)是采用印制技术在薄膜基材上形成晶体管，这是构成集成电路的基本单元，按一定的阵列排列与互连就构成功能性集成电路，如逻辑电路、存储器等。根据印制晶体管的半导体材料有无机和有机之分，如无机硅油墨经喷墨印制出薄膜晶体管(TFT)；而用有机半导体油墨也能喷墨印制出薄膜晶体管，称为有机薄膜晶体管(OTFT)。 OTFT 在塑料基材上可以挠曲、重量更轻，如图 2-2 所示。印制电子的重点在 OTFT，OTFT 代表了半导体产品在今后十年内
13、所发展的一个方向。如日本产业技术综合研究所成功实现塑料薄膜上印刷有机 TFT，这是一项高精细、大面积印刷技术，在直径 6 英寸(152.4mm)面积，印刷L/S=1m/1m 的图形。可挠曲的塑料薄膜基上印刷有机半导体聚合物构成 TFT，用纳米银粒子导电膏印刷电接点或线路。美国 Kovio 公司取得了印刷纳米硅晶体管技术, 比印刷聚合物晶体管尺寸更小、性能更好, 并降低成本。这项完全的印刷硅晶体管技术能完成电路功能, 甚至能印刷硅芯片。另外, 日本 Seiko Epson 公司也有类产品 , 喷墨印制含有硅的聚合物(有机硅 )。这类硅元件被用于显示器、太阳能电池等电路中。图 2-2 OTFT 电
14、路大量晶体管按一定的阵列排列与互连就构成功能性集成电路，如逻辑电路、存储器等。因此 OTFT 的集成得到有机存储器(O-Memory)，如图 2-3 所示。目前这类有机存储器已大量应用于游戏卡中, 如图 2-4 所示。印制出有机存贮器可能是印制电子取得整体成功的重要因素。射频识别(RFID)系统包括信息存储、读取、识别， 是一种非接触式的自动识别技术。最普通的应是商品防伪标签，如图 2-5 所示。Kovio 公司用硅油墨印刷元件开始应用于RIFD 标签，在 1 个 RIFD 标签载有 1000 个晶体管, 并达到量产化。图 2-3 印制有机存储器 图 2-4 应用有机存储器的 游戏卡5图 2-
15、5 印制 RFID 标签及应用2.2.3 显示器平板显示器的诞生改变了人们使用显示器的习惯，由于其轻薄的特性，除了对既有市场产生替代效应外，新的应用领域亦应运而生，包括可携式产品、信息产品及视讯产品等都是平板显示器的市场，其代表是液晶显示器(LCD)和等离子体显示器。然而在迈入 21 世纪后，开始思考第三代显示器的技术开发，期望相关产品能够有另一个更轻更薄的明星产品，这就是可印制挠性显示器。可印制挠性显示器的代表为电子纸显示器(EPD),EPD 属反射型显示器、耗电量可较玻璃基板 LCD 显示器减少 90%，且电子纸若导入塑料基板、厚度仅约 0.3mm、为 LCD 显示器厚度( 含背光模块)的
16、 10%，故具更轻、更薄、可卷曲和省电的特性。除此之外，再由于采用薄膜材料和印制工艺而降低产品成本。因电子纸如一般纸张适合阅读、眼睛不易疲劳等优势，因此 EPD 成为新一代具成长潜力的显示器。从应用的角度分析，具备纸张画质特性的电子纸显示器可以用于更为广泛的领域。应用范围有户外广告和告示看板，卖场的价格卷标, 手机和手提电脑等移动装置，电子图书和报纸等相关产品。有关 EPD 应用图例见图 2-6、图 2-7 和图 2-8。如台湾工研院在前年就展出可弯曲的挠性彩色液晶显示器，利用两个厚度比目前玻璃基板研磨最薄的 0.2mm 还薄的塑料基板作为上下显示器基板材质，以具轻薄化特性塑料基板研发出可弯曲的彩色液晶显示器，可应用于高阶轻薄型手机与 PDA 等，以满足特殊手机的设计需求。日本 Fujitsu Ltd.的子公司推出一种新颖电子纸器件，能显示彩色的电子书和电子报纸。电子报纸的阅读不需要特别的背光或照射灯光，普通光照下就可阅看。单个电池可连续用50 小时，远比 LCD 显示器节电。该
