ВВЕДЕНИЕ В ПРОЦЕСС ПЕЧАТНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.
AN INTRODUCTION TO THE PROCESS OF PRINTED ELECTRONICS.

АННОТАЦИЯ

Печатная электроника (ПЭ) влияет почти на все отрасли промышленности. Печать механическим способом на гибкие подложки, такие как пластик, бумага и текстиль, с использованием традиционных методов печати, обеспечивает новые возможности применения для носимой и не жесткой электроники. Спонсируемые правительством консорциумы, университеты, контрактные типографии, стартапы и мировые производители разрабатывают процессы чтобы быстрее вывести эту технологию на рынок. За счет увеличения скорости внедрения технологий при лучшем анализе за индустриальной практикой, отраслевые исследователи стремятся создать процессы, которые увеличат масштабы производства простых схем и интегрированных проводящих структур.

Ключевые слова: Гибкая электроника, Печатная электроника, Разработка процессов, трафаретная печать.

ВВЕДЕНИЕ

Печатная электроника (ПЭ) (PE) — это новая технология, использующая различные методы печати для производства электроники. PE имеет значительный интерес к производству недорогих и гибких электронных устройств большой площади, использующие традиционные печатные процессы [1]. Прогнозируется, что в ближайшие два десятилетия область печатной электроники захватит значительную часть рынка благодаря своим преимуществам. Прогноз IDTechEx предсказывает, что рынок печатной электроники превысит 300 миллиардов долларов в течении следующих 20-ти лет [2]. PE имеет множество преимуществ, таких как высокая производительность, снижение объема используемых ресурсов, снижение напряжения производства и использование гораздо менее сложных процессов изготовления, чем традиционные кремниевые технологии, которые включают в себя генерацию высокого вакуума и высокой температуры, процессы осаждения и сложные фотолитографические техники нанесения рисунка [3]. PE использовалась для изготовления радиочастотных идентификационных меток (RFID) [4-5], дисплеев [6-7], органических тонкопленочных транзисторов [8-9] и датчиков [10], традиционно использующих струйную печать, методы глубокой, флексографической и трафаретной печати при производстве печатных плат на гибких подложках, таких как пластик, бумага и текстиль [11-13]. Однако научных исследований по адаптации традиционных методов печати на гибких подложках для электроники опубликовано лишь несколько.

ВИДЫ МЕТОДОВ ПЕЧАТИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В PE (ПЭ)

PE использует методы печати с высокой пропускной способностью, такие как рулонная глубокая печать (gravure printing), флексография, струйная и трафаретная печать, резистивные, полупроводниковые и диэлектрические чернила для послойного изготовления электронных датчиков, устройств и схем.

Глубокая печать.

Глубокая печать известна своим высоким качеством печати, высокой скоростью печати, допустимость переменной толщины пленки, использование жидкостей низкой вязкости (чернил) и простотой переноса чернил на подложку. Цилиндр глубокой печати (носитель изображения), стирающее лезвие, печатный прижимной валик и источник чернил являются основными компонентами типичного процесса глубокой печати, как показано на рис. 1. Прижимной валик изготовлен из резины. Сталь – это материал который используется для стирающего лезвия. Покрытая хромом и медью сталь используется при изготовлении цилиндров глубокой печати. Носитель изображения травится электромеханическим, химическим способом или с помощью лазера для формирования изображения, которое обычно состоит из мелких ячеек глубокой печати. Глубокая печать переносит большие количества чернил в области печати на высоких скоростях с минимальным искажением. Когда цилиндр вращается, он собирает чернила в мелкие ячейки и переносит их на подложку. Затем чистящее лезвие стирает излишки чернил, оставшиеся на цилиндре. Угол этого лезвия также играет ключевую роль в процессе печати. Переносу чернил из ячеек на подложку способствует прижимной валик [14].

Флексографическая печать.

Флексографическая печать известна тем, что она может наносить широкий спектр толщин с хорошим разрешением. В флексографической печати используется метод непрямой печати на пластину с одинаковым номинальным разрешением и валками с разными объемами клеток. Печатный цилиндр, прижимной валик, чистящий ракель и блок переноса краски являются основными частями аппарата флексографической печати показанного на рисунке 2. Материалом используемым для чистящего ракеля и прижимного валика, обычно является нержавеющая сталь. Флексографическая пластина изготавливается из фотополимера или резины. Область изображения приподнята относительно поверхности пластины. Валик переносит чернила из емкости с краской в область изображения с помощью печатного цилиндра. Переносу чернил с изображением на подложку способствует прижимной цилиндр [14].

Струйная печать.

Основным преимуществом процесса струйной печати является отсутствие потребности в физической маске или носителе изображения. Вместо этого струйная печать использует технику прямого нанесения и виртуального носителя изображения. Струйная печать использует метод переноса чернил, известна жидкими чернилами для печати и классифицируется на непрерывную струйную печать или струйную печать по требованию (drop-on-demand). Струйные принтеры drop-on-demand классифицируются как термоструйные и пьезоструйные . Рисунок 3а показывает непрерывную струйную печать, где непрерывный поток чернил отклоняется в сторону подложки, а ненанесенные чернила подаются обратно в картридж. Струйная печать по требованию наносит чернила по сигналам программы формирования изображения, используя либо термические (рис. 3 (б)) либо пьезоэлектрические (рис. 3 (в)) методы генерации капель [14].

Трафаретная печать.

В трафаретной печати используется сетчатый носитель изображения , что дает более густой слой чернил по сравнению с другими видами печати. Типичный процесс трафаретной печати показан на рисунке 4 (а). Ракель и пластина для трафаретной печати — это основные компоненты процесса трафаретной печати. Трафарет (рис. 4 (б)) состоит из трафаретной сетки , собственно трафарета и рамы. Материалы, используемые для сетки и трафарета различаются в зависимости от типа использованых растворителей и методов очистки. Полиуретан – обычный материал, используемый для ракеля. Чернила наносятся поверх сетки. Ракель используется для нанесения чернил на верхнюю часть трафарета под давлением. Чернила проходят через трафарет и переносится на подложку, которая обычно имеет форму листа [14].

Электронная промышленность оптимизировала технологию трафаретной печати на протяжении нескольких десятилетий. Сравнение SMT и трафаретной печати с точки зрения материалов, подложек и процесса показано в Таблице 1.

Таблица 1.

	SMT	Трафаретная печать
Материалы	Паяльная паста	Проводящие чернила
	Паяльный порошок	Металлические хлопья
	Размер частиц: 20 − 38 мкм (Тип 4 пудра)	~ 5–30 мкм
Подложки	Печатные платы	Тонкие гибкие пленки/стекло/ткань
Трафареты	Открытие апертур	Эмульсионное открытое пространство
	Толщина трафарета	Толщина эмульсии
	Фольга (нержавеющая сталь (SS))	Сетка (SS и полиэстер)
Печать	За один проход	Формирование рисунка / Печать
	Контактная печать	Формирование зазора
Ракели	Нержавеющая сталь	Полиуретан
Заливная планка	Нет данных	Нержавеющая сталь
Промышленные стандарты	Разработанные IPC стандарты	Стандарты IPC, находящиеся в разработке.

Сравнение технологий печати.

Сравнение наиболее распространенных методов печати. показано в таблице 2 [15].

Таблица 2.

	Глубокая печать	Печать чрез форсунку (струйная печать)	Флексография	Экран
Разрешение (мкм)	15	15	20	30
Скорость печати (м/мин)	8-100	0,02-5	5-180	0,6-100
Толщина пленки чернил (мкм)	0,02- 12	0,01-0,5	0,17-8	3-30
Носитель изображения	Гравировальный целиндр	Виртуальный носитель	Флексографическая пластина	Трафарет

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПЕЧАТНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Несмотря на то, что PE (ПЭ) обещает большие преимущества, существует необходимость определенного количества усилий, необходимых при её разработке. Выбор процесса печати с подходящими чернилами должен быть разработан таким образом, чтобы поддерживать общую совместимость материалов печатных слоев с обеспечением надежности печатных электронных структур. Связь между поверхностной энергией подложки и поверхностным натяжением чернил имеет решающее значение. Как правило, поверхностная энергия подложки должна быть не менее 10 дин/см. Угол контакта ракеля с подложкой должен быть меньше 90°, чтобы обеспечить достаточное смачивание. Неравномерное испарение растворителя, приводящее к эффекту «кофейного кольца», также является важным фактор, который следует учитывать. Лучше всего это можно решить, смешивая растворители с разной температурой кипения. Выбор подходящей подложки обычно определяется стоимостью, параметрами высыхания или отверждения чернил и требованиями конечного пользователя. Некоторые из важных свойств подложек включают в себя: термическую и механическую стабильность, гибкость, стойкость к растворителям, шероховатость поверхности, поверхностную энергию, возможность вторичного оплавления и устойчивость к влаге, газу и пару. Полимер, бумага и стекло типичные подложки, используемые в процессе. Полиэтилен терефталат (ПЭТ), полимид (ПИ) и поликарбонат (ПК) являются одними из наиболее часто используемых полимерных подложек. Каждая из этих полимерных подложек имеет свои преимущества. и недостатки. Выбор этих подложек обусловлен требованиям конечного пользователя. Например, ПЭТ и полиэтиленнафталат (ПЭН) широко используются для вариантов с низкими стоимостями. PI (ПИ) выбирают для высоко температурных условий эксплуатации (~300°С). ПК используется для залитой электроники. Из всех полимерных материалов ПЭТ является наиболее часто используемым в промышленности. Полиэтилен соединен с терафталатной группой в ПЭТ, которая более устойчива к влажности и имеет более высокую прочность на разрыв по сравнению с бумагой, а также дешевле по сравнению с PI и ПК. Обычно ПЭТ термически стабилизируется перед производством, чтобы снизить усадку при прессовании. Еще одним важным фактором, который следует учитывать при PE, является сложность состава чернил. Вязкость является одним из основных факторов, учитываемых в процессе печати. Например, трафаретная печать требует очень высоковязких чернил. Технологии ПЭ нужны чернила с очень низкой вязкостью (чернила на водной основе). Проводящие чернила созданы с использованием проводящих частиц, смолы и растворителя. Некоторые составы чернил включают добавки, улучшающие возможность нанесения чернил и их конечное использование. однако это может повлиять на электрические свойства чернил и, таким образом, влиять на общую эффективность напечатанных образцов. Параметры, используемые на печатной машине оказывают существенное влияние на качество печати. Общедоступные инструкции по процессу, взаимосвязь между параметрами процесса печати и их влияние на печатаемый результат, морфология слоев и результирующее электрическое значение является определенным ограничением, учитывая характер технологии и ноу-хау.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РАБОТА

В эту работу авторы включили информацию доступную о возможности печати для изучения эффекта влияния переменных процесса печати проводящими серебряными чернилами. Планирование экспериментов (DOE) было выполнено для выявления влияния параметров принтера и трафарета на осаждение чернил и их удельного сопротивления после высыхания проводников из серебряных чернил. Традиционная трафаретная печать на основе SMT и комплект оборудования использовался для печати серебряными чернилами на гибкие полиэфирные подложки. Серебряные чернила и полиэстерная подложка, использованные в этом исследовании, были коммерчески доступны от разных продавцов. Испытательный образец для трафаретной печати был разработан для изучения эффекта печати в направлениях параллельном, перпендикулярном и диагонально ходу ракеля. Размеры прямых и извилистых линий равны, нормализовано на заданное количество квадратов, т.е. отношение длины и ширины всех линий поддерживались постоянными. В данном исследовании ширина линий была выбрана от A до G. где G — большая ширина и длина по сравнению с A. На рис. 5 показано изображение спроектированного тестового образца.

Трафареты, содержащие изображение тестового образца, были изготовлены и собраны коммерческими поставщиками с использованием предопределенных параметров трафарета. Материал для сетки (угол плетения сетки и тип эмульсии) сохранялся постоянным для всех изготовленных трафаретов. Параметр трафарета и его особенности выбраны с учетом рекомендаций от поставщиков чернил. В таблице 3 кратко описаны процессы переменных, используемых в этом исследовании.

Таблица 3.

Переменные	Нижний предел	Верхний предел
Скорость печати	Скорость печати A	Скорость печати B
Давление печати	Давление печати A	Давление печати B
Зазор между печатью	Зазор между печатью A	Зазор между печатью B
Сетка	Сетка А	Сетка B
Толщина эмульсии	Толщина эмульсии А	Толщина эмульсии B
Ширина линии	Ширина линии A	Ширина линии G

Различные переменные печати в этом DOE были выбраны для изучения ограничений и эффектов трафаретного принтера SMT и взаимодействия по оплавлению печатной электроники. Как показано в Таблице 3, параметры печати, такие как скорость печати, давления печати и зазор печати были выбраны в качестве некоторых из переменных в DOE. Переменная B всегда больше переменной A, т. е. скорость печати B больше, чем скорость печати A. Эффект параметров сетки (толщины ячеек и эмульсии) также включены в качестве переменных для выполнения DOE. В этом случае, сетка B тоньше, чем сетка A, а толщина эмульсии B больше, чем толщина эмульсии А. Абсолютные значения были различны для разных наборов материалов и не могут быть опубликованы или раскрыты в связи с конфиденциальностью политики компании. Для печати использовался коммерчески доступный трафаретный принтер SMT.

Трафаретная печать серебряными красками на полиэстере.

Ракели поддерживались с постоянными параметрами на протяжении всего исследования. Отпечатанные слои сушились с помощью линейной конвекционной печи с воздушным потоком и инфракрасным (ИК) нагревом. Влияние параметров сушки на печать и электрические результаты изучались отдельно и оптимизировались для их лучшего исполнения. Проведен метрологический анализ напечатанных образцов с помощью высокоточной автоматизированной системы оптического контроля. Электрические измерения проводились с использованием 61/2-разрядного высокопроизводительного цифрового мультиметра.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Влияние переменных было впервые изучено при анализе средней высоты напечатанных образцов. Были записаны геометрические профили формы напечатанных следов с помощью системы оптического контроля и проанализированы в статистическом программном обеспечении Minitab®. На рисунке 6 показаны значения средней высоты проводников в зависимости от переменных трафарета.

Замечено, что при меньшем количестве ячеек будет более высокое среднее значение высота трассировки. Также это исследование показало толщина эмульсии прямо пропорциональна измеренной средней высоте проводников. Однако важно обратить внимание, что очень большая толщина эмульсии снижает среднее значение высоты, так как снижается возможность переноса чернил. Сопротивление печатных проводников ожидаемо уменьшается с увеличением средней высоты. Это было продемонстрировано путем измерения сопротивления проводников как функции параметров трафарета (показано на рисунке 7).

Различия в процессе нанесения чернил и стойкости проводников после высыхания затем изучалась как функция переменных процесса печати. Исследовались важные параметры, такие как интервал печати, скорость печати давление печати. Настройки полосы заливки, время отключения оставались постоянным на протяжении всего этого изучения. На рис. 8 показано влияние переменных процесса печати на среднюю высоту печатных проводников.

Из этих результатов было замечено, что средняя высота прямо пропорциональна зазору и скорости печати и обратно пропорциональна давлению печати. Такое поведение ожидаемо было вызвано сдвигом чернил. По мере увеличения скорости печати скорость сдвига чернил увеличивается, что, в свою очередь, уменьшает расход чернил и облегчает их поток через сетку. Этот явление очень сильно зависит от диапазона вязкости чернил. Например, всегда следует использовать чернила с низкой вязкостью для печати на более высоких скоростях, чтобы предотвратить стекание чернил с трафарета на подложку. Более высокое давление печати может привести к эффекту захвата чернил, который уменьшит общую среднюю высоту. Эффект захвата также зависит от скорости печати и направления ракеля. Более высокое давление в целом увеличивает износ трафарета и ракеля. Средняя высота напечатанных проводников также увеличивается с увеличением зазора печати, поскольку трафарет больше прогибается при большем зазоре печати, что приводит к большему переносу чернил. Эффекты переменных процесса печати также оценивались с учетом измерения значения сопротивления. Сопротивление ниже для более высоких толщин и наоборот, как показано на рисунке 9.

Влияние всех переменных процесса печати сильно зависит по ширине проводников. Хотя тенденции в результатах сопоставимы, некоторые параметры оказывают большее влияние, чем другие при печати тонких и широких следов. Например, более высокая скорость печати оказывает большее влияние на мелкие проводники по сравнению с более широкими. Окно процесса печати проводников следует выбирать так, чтобы минимизировать негативное влияние со стороны всех параметров процесса. Из статистического анализа данных для разной ширины проводников замечено, что параметры процесса будут иметь меньшее влияние на более широкие проводники по сравнению с тонкими. На рисунке 10 показано влияние ширины трассы на среднюю высоту для параметров данного трафарета. Это подчеркивает, что средняя высота имеет тенденцию быть квази постоянной при большей ширине по сравнению с тонкими проводниками.

Измеренное сопротивление проводников в зависимости от их ширины для заданного набора параметров трафарета показано на рисунке 11. Там показано, что как средняя высота проводников, так и их сопротивление постоянны за пределами определенной ширины проводников D. Для этого набора материалов и параметров трафарета и печати, существует довольно широкое рабочее окно для печати проводников, превышающих ширину D.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Это исследование было сосредоточено на трафаретной печати проводящими чернилами на полиэфирной основе. Переменные процесса трафаретной печати были оценены как функция нанесения пленки чернил и значения сопротивления проводника после их высыхания. Пределы для переменных процесса были определены на основе рекомендаций поставщика чернил, в сочетании с нанесением паяльной пастой и опыта графической печати. Для использования выбранного окна рабочего процесса определен набор материалов и параметров для массового производства печатной электроники. Ведется дальнейшее исследование по определению более точных технологических окон для другого набора материалов. Дальнейшее углубленное изучение материалов сетки и ракелей – это также часть будущего исследования.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы хотели бы поблагодарить Джину Клиффорд, менеджера по связям с общественностью за поддержку написание и рецензирование реферата и статьи.

---

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Э.Б. Секор, С. Лим, Х. Чжан, К.Д. Фрисби, Л.Ф. Фрэнсис, MC Херсам, «Глубокая печать графена для гибкой электроники большой площади», «Современные материалы», том. 26 стр. 4533–4538, 2014.
2. IDTechEx, Отчет об исследовании рынка печатной электроники. 2011.
3. Риз К., Робертс М., Линг М., Бао З. «Органические тонкие пленочные транзисторы», Materials Today (Материалы сегодня), том 7(9) стр. 20-27, 2004.
4. М. Реброс, Э. Грехорова, Б. Базуэн, М. Джойс, П.Д. Флеминг, А. Пекаровичова, « Печать RFID-антенны непосредственно на упаковочных материалах, 60-я ежегодная техническая конференция TAGA, Сан. Франциско, Калифорния, стр. 16–19, 2008 г.
5. К. Алиага, Б. Феррейра, М. Хорталь, М.А. Панкорбо, Ж.М. Лопес, Ф. Дж. Навас, «Влияние RFID-меток на возможность вторичной переработки пластиковой упаковки», «Управление отходами». Оксфорд, том. 31 стр. 1133–1138, 2011.
6. К. Ву, К.Ф. Джин, «Оптимизация проектирования и изготовления кольцевого полевого эмиттера для автоэмиссионной панели дисплея», Key Engineering Materials (Основные материалы для инжиниринга) , том. 467 стр. 1520–1523, 2011.
7. Р. Рамакришнан, Н. Саран, Р.Дж. Петцавич, Селективная струйная печать проводников для дисплеев и гибкой печатной электроники, Ж. Дисп. Технол. 7 (2011) 344-347.
8. К.Т. Лин, Ч.Х. Сюй, И.Р. Чен, Ч.Х. Ли, У. Дж. Ву, Повышение мобильности носителя при полностью струйной печати органических тонкопленочных транзисторов с использованием смеси поли(3- гексилтиофен) и углеродных наночастиц, (2011) 8008–8012.
9. Л. Цзян, Дж. Чжан, Д. Гамота, К.Г. Такоудис, Oрганические тонкопленочные транзисторы с новыми термически сшитыми диэлектрическими и печатными электродами на гибких подложках, Орг. Электрон. 11 (2010) 959-963.
10. Г. Читнис и Б. Зиае, «Водостойкая активная бумага для лазерного формирования поверхности магнитных наночастиц» ACS Прикладные материалы и интерфейсы том. 4, 4435-4439, 2012.
11. Х. Ватару, С. Харада, Т. Арье, С. Акита, К. Такей. «Носимые, интерактивные беспроводные устройства для мониторинга здоровья человека, изготовленные с помощью техники макропечати». Передовые функциональные материалы том. 24(22), стр. 3299-3304, 2014.
12. Эшкейти А., А.С.Г. Редди, С. Эмамян Б.Б. Наракату, М.Джойс, М.З. Аташбар, «Трафаретная печать многослойных гибридных печатных плат на различных подложках», IEEE Transactions на компоненты, корпуса и технологию производства, вып. 5 (3) стр. 415-421, 2015.
13. А.С.Г. Редди, Б.Б. Наракату, М.З. Аташбар, М. Реброс, Е. Ребросова, М. Джойс, Б.Дж. Базуэн, П.Д. Флеминг, А. Пекаровичова, «Печатные емкостные датчики влажности на гибких подложках», Датчики печати, том. 9 стр. 869–871, 2011.
14. С.Г.Р. Авуту, «Внедрение традиционной печати. Методы разработки гибкой печатной продукции.», Стипендиальные труды WMICH, 2015.
15. С. Хан, Л. Леандро, Р.С. Дахия. «Технологии для печати датчиков и электроники на больших гибких подложках: обзор». Журнал IEEE, том. 15 (6) стр. 3164-3185, 2015.