柔性打印芯片究竟離我們還有多遠？

未來ICT技術發(fā)展的兩大基石

集成電路是信息產業(yè)的核心，也是現(xiàn)代經濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎性、先導性產業(yè)。根據(jù)《國家集成電路產業(yè)發(fā)展推進綱要》，到 2020年集成電路產業(yè)與國際先進水平的差距逐步縮小，全行業(yè)銷售收入年均增速超過20%。尤其在近期的華為禁售事件影響下，使得國人的目光又再次聚集在集成電路產業(yè)鏈。

整整50年來，計算機的底層元件都遵從著“摩爾定律”：在價格不變的情況下，集成在芯片上的晶體管數(shù)量每隔18到24個月將增加一倍，計算成本呈指數(shù)型下降。摩爾定律成就了各種技術變革，例如互聯(lián)網(wǎng)、基因組測序等等。然而現(xiàn)在，摩爾定律的趨勢再一次放緩了，芯片行業(yè)進入了一個不確定的時代，在同樣的投入下，收益變得越來越低。芯片的未來路在何方?

傳統(tǒng)半導體制造工藝工序多且復雜，生產環(huán)境要求嚴苛。不僅要保證作業(yè)環(huán)境的高度清潔以避免雜質玷污影響產品，還有從薄膜、光阻、顯影、蝕刻、光阻去除等一系列工藝數(shù)十次的不斷循環(huán)才能使產品最終成型。在得到高回報的同時如何有效減少損耗、降低成本，成為越來越多IC企業(yè)所要克服的問題。

圖：傳統(tǒng)硅基半導體制造工藝

作為未來ICT產業(yè)技術發(fā)展的兩大重要基石，以硅基半導體為基礎的集成電路，其發(fā)展向更小工藝線寬、更高集成度、更低功耗的方向逐漸演進;而以柔性印刷電子、納米材料為代表的微納智造領域，則向著大面積、柔性化、柔型混合電子的方向發(fā)展，兩大技術有機結合、相得益彰，在ICT產業(yè)發(fā)展之路上各自閃爍出耀眼的光芒!

柔性印刷電子 - 電子制造技術的“工業(yè)革命”

柔性印刷電子技術是基于印刷原理的電子制造技術。何為“印刷電子”?簡而言之即“印刷+電子”，是利用精密印刷技術來制作電子器件或電路。將表達顏色的油墨換成具有電子功能的油墨，印刷出來的圖形就具有了電子功能。日常生活中我們常見的各種電子設備中的集成電路芯片IC都是通過復雜的光刻、顯影、刻蝕等一系列加工步驟實現(xiàn)的。同樣是將一種功能材料在平面基底上制作成圖形結構，傳統(tǒng)集成電路芯片的加工方法要經過從鍍膜到去膠等8個步驟，而印刷加工則只需要兩步。印刷方法可以直接將功能材料以圖形化方式沉積到基底表面，只需要額外的燒結工藝，將墨水材料燒結成固體材料，就形成了與傳統(tǒng)工藝需要8步才能實現(xiàn)的同樣的圖形結構。與此同時，柔性印刷電子技術為集成電路及電子信息產業(yè)從業(yè)者，提供了一種全新的技術開發(fā)和智造方向!

柔性打印技術是柔性印刷電子實現(xiàn)工藝中較為成熟的一種，與我們現(xiàn)在已經熟知的3D打印一樣，本質上是一種增材制造技術。而傳統(tǒng)集成電路芯片加工或各種電子設備中常見的電路板制造技術，都是減材制造技術，即通過等離子刻蝕或酸液腐蝕將不需要的材料去除，形成功能材料的圖形結構。集成電路芯片只能在硅基半導體晶圓上制備，平板顯示中的液晶顯示屏通常在玻璃基板上制備。而印刷可以在任何材料表面沉積功能材料。這就使得在塑料、紙張、布料等大量低成本柔性材料表面制造電子器件與電路成為可能。

圖：微電子柔性打印制造流程

相比傳統(tǒng)的芯片制造工藝，柔性印刷電子技術具有以下幾個優(yōu)勢：

●簡化電子產品制造工藝

●柔性化，可折疊彎曲

●把電子電路與元器件集合在一起，連接可靠

●產品輕薄、可撓曲，減少體積與重量，適合柔性表面

●各種形狀要求可實現(xiàn)卷對卷生產，成本可大幅降低

●綠色生產(增材制造)，有利環(huán)境保護

柔性印刷電子以其獨特的柔性/ 延展性以及高效、低成本制造工藝,在信息、能源、醫(yī)療、國防等領域具有廣泛應用前景,如柔性電子顯示器、有機發(fā)光二極管 OLED、印刷 RFID、薄膜太陽能電池板、電子用表面粘貼等。柔性印刷電子技術有可能帶來一場電子技術革命,引起全世界的廣泛關注并得到了迅速發(fā)展。

柔性打印技術與半導體的結合，看似是一種全新的嘗試。實際在我們的身邊，已經有越來越多的成果預示著柔性打印芯片時代將至!

柔性打印電子相關案例

美國半導體公司和空軍研究實驗室進行合作，在微芯片上開創(chuàng)性的搭載了物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。這種智能的可穿戴設備成為了有史以來能夠生產出來的最為復雜的柔性集成電路之一。AFRL材料與制造部門的研究科學家Dan Berrigan博士說：“當我們考慮將這些類型的器件變成一種靈活的外形時，剛性對我們是不利的。與美國半導體公司合作，我們采用了硅集成電路芯片，并對其進行了細化，直到它們變得靈活，但仍然能夠維持電路功能?，F(xiàn)在，我們可以把微控制器 - 基本上是小型計算機 - 放在我們以前不能的地方?！?/p>

英國曼徹斯特大學研發(fā)出一種固態(tài)的柔性超級電容設備，它通過絲網(wǎng)印刷技術，采用石墨烯氧化物導電油墨，直接將該設備打印在紡織品上。因為油墨和紡織品襯底之間具有強大的交互作用，這種印刷的電極具有卓越的機械穩(wěn)定性。這項研究巧妙地將石墨烯技術應用于印刷電子設備，有效地促進了可穿戴技術的發(fā)展。

愛爾蘭都柏林大學圣三一學院的科研人員最近利用二維納米材料，例如：石墨烯、氮化硼、二硒化鎢納米片制成的油墨，首次制造出了印刷而成的晶體管。這種低成本、可量產的技術，可打印例如太陽能電池、 LED等電子設備，應用于智能食品、藥物標簽、下一代紙幣、電子護照等產品。

Thin Film是一家生產玩具用一次性存儲介質的公司，他們剛剛聯(lián)合施樂旗下的PARC開發(fā)了一種新工藝，可以為電路增加計算能力。這意味著該公司可以提供薄薄的一次性跟蹤標簽，成本只有幾毛錢。Thin Film公司一直在生產薄膜存儲芯片，每個芯片大概可以提供20字節(jié)的存儲空間，用于玩具和游戲中。聯(lián)手PARC之后，他們打算可以給芯片電路增加晶體管，讓芯片變得足夠智能，用來跟蹤存貨信息或通過傳感器收集環(huán)境數(shù)據(jù)。

柔性打印微系統(tǒng)(芯片)創(chuàng)新實驗室

看了這么多國外領先案例，您也許唏噓這樣的黑科技何時能夠到來!?這里答案是肯定的，基于本土知識產權的微電子柔性打印技術，目前已經可以實現(xiàn)各類邏輯門電路、薄膜晶體管、發(fā)光器件、各類傳感器乃至微系統(tǒng)單片機等的快速打樣設計，不僅能夠解決絕大多數(shù)創(chuàng)新電子設計的快速打樣和設計驗證，并且對于目前緊缺的集成電路設計人才培養(yǎng)，可以形成了經濟有效的設計驗證平臺。

為了推進柔性印刷電子產業(yè)化應用落地和技術提升，由PEIPC印刷電子與智能包裝產業(yè)聯(lián)合體牽頭籌建的“柔性打印微系統(tǒng)(芯片)創(chuàng)新實驗室”即將啟動，特別針對研究機構、高等院校及企業(yè)推出相應的柔性打印快速打樣及設計驗證服務，不僅能夠大大縮短設計開發(fā)的周期和成本，還可以短時間內獲得大量標準器件單元庫和基礎技術授權，讓柔性打印芯片不再是夢!