印刷电子技术

August 26, 2019 Jane Zhang

       注意:上图是在一张撕开的纸上通电显示屏亮哦!

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       重要的事情说三遍。

       像打印一张图画一样,将电子电路打印出来?什么鬼?

       说到印刷,首先就会想到咱们伟大的四大发明之一,印刷术。

       公元1041——1048年,平民出身的毕升用胶泥制字,把胶泥做成四方长柱体,一面刻上单字,再用火烧硬,使之成为陶质,一个字为一个印。排版时先预备一块铁板,铁板上放松香、蜡、纸灰等的混合物,铁板四周围着一个铁框,在铁框内摆满要印的字印,摆满就是一版。然后用火烘烤,将混合物熔化,与活字块结为一体,趁热用平板在活字上压一下,使字面平整。便可进行印刷。

       元代的王祯还发明了活字排版工具,轮盘检字法。

       王祯(1271——368年)是在元成宗元贞元年(公元一二九五年),发明木活字印刷术的。那时王祯被派到安徽旌德当县尹,他设计了一套木活字。他先在一块木板上刻好字,再用小锯子把每个字锯开,使每个字成为单独一小块,再用刀四面修光,每一块都修得一样大小。排版的时候,把木活字一个个排到木盘里去,排了一行,就用削好的竹片隔开;一块排满了,又用削好的小木片把有空隙的地方塞紧,使木活字不能移动。这样,就可以印书了。

  王祯不但创造了木活字,还发明了转轮排字架。用木材做成两个直径约七尺的大轮盘,一个叫韵轮,一个叫杂字轮,轮盘里有一个个的格子。不常用的木活字,按韵分类,摆在韵轮的格子里;常用的字,摆在杂字轮的格子里。排版的时候,一个人按原稿念,一个人坐在两个轮架中间,转动韵轮或杂字轮拣字,非常方便。

       咱们老祖先的聪明智慧在后世不断得到发扬光大,特别是与电子技术相结合,简直一发不可收拾。后来可以进行电脑控制打印机轻轻松松进行打印。

       黑白的,彩色的五花八门,方便快捷。

       现在更不得了了。在我们的印象中电子电路都是长在电路板上的,硬硬的一块板,上面各种电子元器件,拿着很有质感的样子。然后它也可以像印刷一些文字,打印一个图片一样,直接打印在各种软质东东上:塑料,纸张,衣服,布料等等等等。这么神奇?

什么是印刷电子技术?

        早在上世纪80年代,当有机导体与半导体材料被发现时,人们看到了未来电子电路有可能通过印刷制造的希望。因为有机材料一般可以制备成溶液形态,使其具有印刷油墨的特征,因而可以通过印刷导体与半导体材料制备电子技术的最基本的单元器件——晶体管,通过晶体管再构筑复杂的电子系统。但有机电子材料中只有一大类有机小分子材料具有较好的电子学性能,而这些有机小分子材料必须通过真空蒸发来制备电子器件。适合印刷的高分子有机电子材料,其电荷输运性能(电荷迁移率)总是比有机小分子材料差一个数量级。

       印刷电子真正迅速发展起来是在近几年,其主要原因是无机纳米材料开始应用于印刷电子领域。无机纳米材料具有远远高于有机电子材料的电荷迁移率。而且无机纳米材料(纳米粒子、纳米线、纳米管等)可以较容易地制成墨水或油墨,然后用传统印刷方式制成图案。纳米材料本身的性质赋予了这些图案以电荷传输性能、介电性能或光电性能,从而形成各种半导体器件、光电与光伏器件。

       因此,简单说来,印刷电子技术(Printed Electronics),以下简称PE,就是将不同功能的纳米材料制备成印刷墨水,以打印的形式在基底上成型。PE技术将是纳米材料合成方向的福音,使很多材料的合成直接有了应用价值。

       下面先欣赏一组印刷电子技术的制造花絮。

印刷电子技术的优点

1. 成本低

        来源于简化的成型工艺和对材料的节省。传统光刻成型工艺,需要多步骤的涂胶,曝光,显影,蚀刻,期间涉及到大量真空工艺,耗时长,需要设备多,属于一种先沉积再去除不需要部分的技术。而PE基本属于一步法,不需要真空环境,哪里需要点哪里,极为节省材料。举个例子,对于生成铜的图案化技术,两种技术的对比可见下图。

2. 生产效率极高

        PE技术直接跟柔性电子和卷对卷技术对接,目标是像印报纸一样做半导体器件。这对传统意义上的电路板制造工艺来说不可想象。而且,其印刷的基材可以灵活选择,包括塑料,制造,布料之类的都可并行进行。大大提高了生产效率,简化生产流程,降低生产成本。

3. 可集成。可以将很多电子元器件与连接线集成印刷,比如传感器,电池,无源器件,有源器件,显示元件等等。

4. 可定制。如果用数字化打印,还可以按照自己的想法进行个性化定制设计。

5. 制造设备重量相对轻,又灵活。而且此技术由于简化的过程,对环境的污染也较小,属于绿色制造技术。

印刷电子技术的应用场合

        比如智能包装

        在产品的包装上,打印电子条形码,里面可以打印有传感器。我们可以触摸传感器,并与厂家服务器系统通信。或者扫码来查看其详细信息。

        电子实时标签,也非常有用。以非常廉价简便的方法来处理并交互巨大的信息量及工作量。比如超市管理系统对商品的标价,一个一个标价,然后遇到促销活动或者需要改变标价的时候,原来是需要人工再一个一个重新标价。现在有了印刷电子技术,将实时标签打印在包装上,即可方便智能实时呈现相应的信息。

        生命周期监控,可以做的事情更多。除了监控其正常的产品是否过期的状态之外,还可以放置传感器,真实检测并分析食品是否变质。比如有时候厂家标示的过期日到了,真实检测下来99%的情况下还是可以食用的。有时候我们就在扔掉还是舍不得之间来回犹豫。为了避免浪费,这种实时的监控系统就可以派上用场了。当然,检测下来确实不能食用的,还是要果断干湿垃圾分开来丢弃哦(此处要脑补垃圾分类知识)。

        因此,印刷电子可以做的事情很多。把它们印刷在包装纸上或塑料上,用智能手机连接云服务与之交互。如下图所示。

        比如印刷电子技术可以做电感耦合(Inductive Coupling),可以做印刷的电池(Printed Batteries)进行局部小系统供电,可以做简单的数字逻辑处理电路(Data Processor)进行数据处理,可以放置传感器进行数据采集。所以对物联网(IOT)终端应用也是极其广泛便捷。

      下面还有不同的印刷电子技术应用场合。

印刷电子技术发展需要哪些配合?

        作为改变传统方法和流程的新技术发展,一定需要与之相配套的相关技术的发展与支持。对于印刷电子技术的发展还需要哪些相应的更新呢?

  • 需要利用传统的现有设计流程,在此基础上支持印刷电子技术的设计。

  • 需要能实现高质量的各种所需图案的工具。

  • 需要支持印刷电子多层设计的处理方法。

  • ECAD-MCAD集成。因为我们的2D设计是要在3D的空间来实现和处理的。

  • 热成型仿真技术。如何保证您的印刷电子设计最后可以通过热量的考验。

  • 热塑性应变仿真技术。印刷电子设计在打印的时候,其热塑性应变情况实际是怎样的。

  • 需要强有力的EDA工具的支持。保证设计出来的作品经打印出来是想要的样子。

          那么对于具体到EDA工具,都需要哪些相应的支持和改变呢?

  • 设计规则(Design Rule)的支持。因为不像传统电路板那样顶层底层非常清楚,印刷电子的设计规则还需要考虑两根线的交叉时会导致短路的情况,需要增加对于电介质交叉的设计表示方法,以及相应的设计规则。

  • 3D布线。在设计中对于3D模型或者导入的3D体上面或周围布线。

  • 交叉技术。如何设计在印刷电子电路时互相交叉的导电连接。

  • 层叠技术。在印刷电子技术中没有传统的顶层底层的概念,如何进行复杂的印刷电子设计。

  • 材料库。如何选择导电材料和绝缘材料,如何选择导电油墨,如何根据导电性能以及温度要求等等来对各厂家材料进行比较和选用。

Altium Designer对印刷电子技术的支持

        非常令人高兴的是,Altium Designer 19版本就顺应潮流对印刷电子技术进行了支持。详情参考链接https://www.altium.com/documentation/19.0/display/ADES/((Printed+Electronics))_AD 。在AD19里,有对于印刷电子设计所需要的相应的规则设计,层叠设计,材料选择,具体布线等支持。这里选截几个图片展示一下。

   

层叠设置

材料选取

布线

        如果需要,可以增加布线厚度,例如,要实现诸如印刷天线的结构。 可通过在不同的导电层上将多条路线放置在彼此之上来实现。

设计规则检查

   

        如果想尝试最新的印刷电子技术,即时试用Altium Designer19哦。

参考资料及相关链接:

免费试用Altium Designer 最新版本

印刷电子技术的前世今生

国外印刷电子产业发展概述

Organic and printed electronics explained

Printed Electronic Systems: the Confluence of Printing and Semiconductors

DuPont printed electronics for displays, photovoltaics, automotive and more

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