详解印刷电子

您的位置: > 首页 > 详解印刷电子



一、定义

印刷电子学(Printed electronics),顾名思义,是基于印刷原理的电子学。更具体一些,是利用传统的印刷技术制造电子器件与系统的科学与技术。印刷电子制造技术中使用的“油墨”是具有导电、介电或半导体性质的材料。—《印刷电子学》


二、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图,显然印制电子比前者工序简化约一半。

2.把电子电路与元器件集合在一起,连接可靠 通常的PCB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,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。

三、应用领域

印刷电子技术是基于印刷原理的电子制造技术。在过去的50年中,硅基半导体微电子技术占据了电子技术的绝对主导地位。但由于硅基集成电路制造技术的日益复杂和所需要的巨大投资,硅基集成电路的制造完全垄断在全世界少数几家大公司手中。因此,在过去10多年中对溶液化有机与无机半导体材料的研究开发,催生了用传统印刷技术制造各种电子器件的探索研究。溶液化有机与无机半导体材料的最大特点是它们不依赖于基底材料的导体或半导体性质,可以以薄膜形态沉积到任何材料上。沉积的手段可以是蒸发、旋涂或印刷方式。

由此而产生了不同于硅基微电子学的一些新的电子学领域,例如有机电子学 (Organic electronics),因为有机半导体材料是最早开发出来的溶液化半导体材料,当然有机半导体材料还包括非溶液化的小分子材料等;塑料电子学或纸电子学 (Plastic electronics,Paper electronics),因为溶液化半导体材料可以制作在塑料薄膜或纸张上;柔性电子学 (Flexible electronics),因为基底材料的柔软性不影响这类电子器件的工作;透明电子学(Transparent electronics),因为许多有机或无机电子材料是透明或半透明的,做在玻璃或透明塑料基底材料上可以使整个电子学器件或显示屏透明化;印刷电子学 (Printed electronics),因为大面积或打阵列电子器件可以像传统报纸印刷那样大批量制作。而印刷电子学则可以涵盖其他这些特殊电子学领域。例如,印刷电子既可以印刷无机电子材料,也可以印刷有机电子材料(包含了有机电子学);既可以在硅、玻璃、不锈钢衬底上印刷,也可以在塑料或纸衬底上印刷(包含了塑料电子学、纸电子学或透明电子学);即可以在刚性衬底上印刷,也可以在柔性衬底上印刷(包含了柔性电子学)。

印刷电子产品的最大特点与优势是大面积、柔性化与低成本,与硅基微电子产品形成强烈对比。印刷制作电子器件所需设备投资极低,而且印刷电子器件可以制作在任何衬底材料上。尽管印刷制作的电子器件性能不如硅基微电子器件,但成本上的优势和大面积与柔性化特点使印刷电子技术仍有硅基微电子器件所不能胜任的大量应用领域。有关印刷电子学的详细介绍,参见《印刷电子学:材料、技术及其应用》(高教出版社,2012年3月出版)。


印刷电子(PE)与印制电路板(PCB)

目前的印制板多数是在电子设备中仅起电子元器件的支撑与连接作用,名符其实是印制线路板。而印制板的发展是包含电子元件,如多层板内埋置电阻、电容,以及埋置IC器件,这是名符其实的印制电路板。基板上含有电子元件和连接线路,即为电子电路。为了适应电子设备小型化、便携带,印制板的发展方向,就是高密度互连的埋置元件印制板、集成印制板与光电印制板。

产品

印制电路板

印制电子

产品结构

绝缘基板与导体线路

部分含原件电路

绝缘基板与导体线路、

电子元器件、保护层

电子元器件、保护层

支撑和连接电子元器件,

组装电子元器件后成为电子组件

直接成为电子组件

产品特点

分钢性与挠性两大类,易承载元器件,

体积重量较大

轻薄可卷曲,

不需要另装元器件

工艺技术

印制转移图形,化学蚀刻,电镀

与表面处理,钻孔与层压等

印制图形

主要材料

覆铜箔板,抗蚀剂,化学药剂

薄膜基材,功能油墨

设备条件

印制设备,湿处理设备,机加工设备

印制设备,适合R2R

生产成本


四、具体实例

印刷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,印刷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和台湾工研院的资料介绍,印刷电子产品的应用领域归纳为下表:

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

接触压力传感器

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

能用于生产物品中

能挠曲与纤维织物结合

其他

薄膜开关

重量轻,体积小,成本低




一、定义

印刷电子学(Printed electronics),顾名思义,是基于印刷原理的电子学。更具体一些,是利用传统的印刷技术制造电子器件与系统的科学与技术。印刷电子制造技术中使用的“油墨”是具有导电、介电或半导体性质的材料。—《印刷电子学》


二、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图,显然印制电子比前者工序简化约一半。

2.把电子电路与元器件集合在一起,连接可靠 通常的PCB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,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。

三、应用领域

印刷电子技术是基于印刷原理的电子制造技术。在过去的50年中,硅基半导体微电子技术占据了电子技术的绝对主导地位。但由于硅基集成电路制造技术的日益复杂和所需要的巨大投资,硅基集成电路的制造完全垄断在全世界少数几家大公司手中。因此,在过去10多年中对溶液化有机与无机半导体材料的研究开发,催生了用传统印刷技术制造各种电子器件的探索研究。溶液化有机与无机半导体材料的最大特点是它们不依赖于基底材料的导体或半导体性质,可以以薄膜形态沉积到任何材料上。沉积的手段可以是蒸发、旋涂或印刷方式。

由此而产生了不同于硅基微电子学的一些新的电子学领域,例如有机电子学 (Organic electronics),因为有机半导体材料是最早开发出来的溶液化半导体材料,当然有机半导体材料还包括非溶液化的小分子材料等;塑料电子学或纸电子学 (Plastic electronics,Paper electronics),因为溶液化半导体材料可以制作在塑料薄膜或纸张上;柔性电子学 (Flexible electronics),因为基底材料的柔软性不影响这类电子器件的工作;透明电子学(Transparent electronics),因为许多有机或无机电子材料是透明或半透明的,做在玻璃或透明塑料基底材料上可以使整个电子学器件或显示屏透明化;印刷电子学 (Printed electronics),因为大面积或打阵列电子器件可以像传统报纸印刷那样大批量制作。而印刷电子学则可以涵盖其他这些特殊电子学领域。例如,印刷电子既可以印刷无机电子材料,也可以印刷有机电子材料(包含了有机电子学);既可以在硅、玻璃、不锈钢衬底上印刷,也可以在塑料或纸衬底上印刷(包含了塑料电子学、纸电子学或透明电子学);即可以在刚性衬底上印刷,也可以在柔性衬底上印刷(包含了柔性电子学)。

印刷电子产品的最大特点与优势是大面积、柔性化与低成本,与硅基微电子产品形成强烈对比。印刷制作电子器件所需设备投资极低,而且印刷电子器件可以制作在任何衬底材料上。尽管印刷制作的电子器件性能不如硅基微电子器件,但成本上的优势和大面积与柔性化特点使印刷电子技术仍有硅基微电子器件所不能胜任的大量应用领域。有关印刷电子学的详细介绍,参见《印刷电子学:材料、技术及其应用》(高教出版社,2012年3月出版)。


印刷电子(PE)与印制电路板(PCB)

目前的印制板多数是在电子设备中仅起电子元器件的支撑与连接作用,名符其实是印制线路板。而印制板的发展是包含电子元件,如多层板内埋置电阻、电容,以及埋置IC器件,这是名符其实的印制电路板。基板上含有电子元件和连接线路,即为电子电路。为了适应电子设备小型化、便携带,印制板的发展方向,就是高密度互连的埋置元件印制板、集成印制板与光电印制板。

产品

          印制电路板

          印制电子

产品结构

          绝缘基板与导体线路

          部分含原件电路

          绝缘基板与导体线路、

          电子元器件、保护层

电子元器件、保护层

          支撑和连接电子元器件,

          组装电子元器件后成为电子组件

          直接成为电子组件

产品特点

          分钢性与挠性两大类,易承载元器件,

          体积重量较大

轻薄可卷曲,

          不需要另装元器件

工艺技术

          印制转移图形,化学蚀刻,电镀

          与表面处理,钻孔与层压等

          印制图形

主要材料

          覆铜箔板,抗蚀剂,化学药剂

          薄膜基材,功能油墨

设备条件

          印制设备,湿处理设备,机加工设备

          印制设备,适合R2R

生产成本

          

          


四、具体实例

印刷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,印刷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和台湾工研院的资料介绍,印刷电子产品的应用领域归纳为下表:

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

          接触压力传感器

          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

          能用于生产物品中

          能挠曲与纤维织物结合

其他

          薄膜开关

          重量轻,体积小,成本低



智能包装,指通过创新思维,在包装中加入了更多机械、电气、电子和化学性能的等新技术,使其既具有通用的包装功能,又具有一些特殊的性能,以满足商品的特殊要求和特殊的环境条件。智能包装应用在几乎所有的产品应用领域,包括电子产品、食品、饮料、医药、生活用品等。根据Technavio最新的报告预计,全球智能包装市场将以近8%的复合年增长率增长,到2019年超过310亿美元。智能包装正日益成为产品功能的延伸,并成为集成各种创新技术手段的载体,高新技术的浪潮将包装推向了更高的发展境界,智能包装即将成为物联网产业下一个风口!

http://www.peol.org/static/admin/kindeditor/attached/image/20170301/20170301225409_91653.jpg


近年来,随着材料科学、现代控制技术、计算机技术与人工智能等相关技术的进步,带动了智能包装的飞速的发展。第一代智能包装技术基于光学/视觉识别,侧重于通过光学特性解决防伪、追踪、防盗等问题,其特点是只利用一种技术;有别于第一代智能包装技术,第二代智能包装技术将融合印刷电子、RFID、柔性显示等新型技术,使商品及其包装对于人类更具有亲和力,使人机交互式沟通更为便捷,使得“智能”包装更加主动地呈现出物联网特性。

http://www.peol.org/static/admin/kindeditor/attached/image/20170301/20170301225511_32813.jpg

 据IDTechEx预测,10年内电子智能包装设备的全球需求额将迅速增长至14.5亿美元。电子包装(e-packaging)市场的主要服务对象仍将以拥有电子功能的包装消费品(CPG)为主,其10年内的总产品数量将增至145亿件。当前国外已有相当数量的成熟应用案例,并成立了相应的行业组织指导产业的发展,而国内目前智能包装产业尚处于起步阶段,然后对于用户需求和应用环境丝毫不亚于国外,在未来的2-3年,智能包装市场必将成为物联网产业新的蓝海。

http://www.peol.org/static/admin/kindeditor/attached/image/20170301/20170301225522_92474.jpg

智能包装分为功能性材料智能包装、结构性智能包装、信息型智能包装,其中又涉及到保鲜技术、水溶膜包装技术、二维码技术、包装性与结构创新技术、便携包装技术、纹理防伪技术、磁共振射频防伪识别技术、食品安全溯源方案技术等。而近些年来逐渐备受瞩目的印刷电子技术,更是将传统的印刷工艺应用于制造电子元器件和产品,其最大特点是它们不依赖于基底材料的导体或半导体性质,可以以薄膜形态沉积到任何材料上。在绝大多数的智能包装应用中,都可以通过整合印刷电子技术,实现更多“智能”属性,例如在仓储、运输、销售过程中的质量信息记录与表现等,并具备柔性、环保、低成本等优势。

http://www.peol.org/static/admin/kindeditor/attached/image/20170301/20170301225534_36222.jpg

智能包装在保护、服务、信息等方面的强大功能,使其在药品、食品、日用化学品、物流等领域运用越来越广泛。除了延长食品、饮料、药品和其他产品的保质期以外,这些智能包装还承担着提高产品可追溯性的重担。

1)食品智能包装:指示食品是否变质(TTI技术),延长保鲜期;

2)药物智能包装:保证药物质量,提高服药的准确性和方便性;

3)日化用品智能包装:化妆品;

4)其它智能包装应用:包括库存管理、购物导向和互动(产品深度介绍)、防伪及品牌保护、质量和安全、防止产品换包,以及附加新型的功能等。

http://www.peol.org/static/admin/kindeditor/attached/image/20170301/20170301225543_34400.jpg

Oculto啤酒采用了智能标签包装,其中标签采用印刷纸电池供电的两个发光二极管(LEDs),并利用物联网(IoT)连接。

http://www.peol.org/static/admin/kindeditor/attached/image/20170301/20170301225552_13796.jpg

EInk推出智能型药盒电子纸显示器模组,可用于用药提醒与自动化用药记录管理。EInk的电子纸显示器模组可将上一次用药时间记录显示于药盒上,并按照预设时间通过药盒上的显示器模组自动提示下次服药的时间。

http://www.peol.org/static/admin/kindeditor/attached/image/20170301/20170301225611_40790.jpg

美国国际造纸公司采用的一种超薄印刷柔性电池,用于一些消费产品的包装,这种新型电池可像油墨一样被“印刷”在产品的包装上,使之增加灯光、声音,以及其他一些特殊效果,可让制造商更有效地通过产品包装来吸引消费者。


作为物联网应用的细分市场,智能包装技术是集合了多元知识基础的新兴技术分支; 智能包装技术的出现,使商品及其包装对于人类更具有亲和力,使人机交互式沟通更为简捷;随着智能包装技术的发展,包装正日益成为产品功能的延伸,成为集成各种创新技术手段的载体;高新技术的浪潮将包装推向了更高的发展境界,发展智能化包装是必然趋势。

详解印刷电子

更多>>

印刷电子学(Printed electronics), 顾名思义,是基于印刷原理的电子学。更具体一些, 是利用传统的印刷技术制造电子器件与系统的科学与技术。 印刷电子制造技术中使用的“油墨”是 具有导电、介电或半导体性质的材料 ...[ 详细 ]