黑科技 | 柔性打印芯片究竟離我們還有多遠(yuǎn)？

黑科技 | 柔性打印芯片究竟離我們還有多遠(yuǎn)？

導(dǎo)讀：柔性打印技術(shù)與半導(dǎo)體的結(jié)合，看似是一種全新的嘗試。實(shí)際在我們的身邊，已經(jīng)有越來越多的成果預(yù)示著柔性打印芯片時(shí)代將至！
|　未來ICT技術(shù)發(fā)展的兩大基石
集成電路是信息產(chǎn)業(yè)的核心，也是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)。根據(jù)《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》，到 2020年集成電路產(chǎn)業(yè)與國際先進(jìn)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(chǎn)業(yè)鏈。
整整50年來，計(jì)算機(jī)的底層元件都遵從著“摩爾定律”：在價(jià)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(gè)月將增加一倍，計(jì)算成本呈指數(shù)型下降。摩爾定律成就了各種技術(shù)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(jìn)入了一個(gè)不確定的時(shí)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(dǎo)體制造工藝工序多且復(fù)雜，生產(chǎn)環(huán)境要求嚴(yán)苛。不僅要保證作業(yè)環(huán)境的高度清潔以避免雜質(zhì)玷污影響產(chǎn)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(chǎn)品終成型。在得到高回報(bào)的同時(shí)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(dǎo)體制造工藝
作為未來ICT產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的兩大重要基石，以硅基半導(dǎo)體為基礎(chǔ)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(jìn)；而以柔性印刷電子、納米材料為代表的微納智造領(lǐng)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(shù)有機(jī)結(jié)合、相得益彰，在ICT產(chǎn)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(shù)的“工業(yè)革命”
柔性印刷電子技術(shù)是基于印刷原理的電子制造技術(shù)。何為“印刷電子”？簡而言之即“印刷+電子”，是利用精密印刷技術(shù)來制作電子器件或電路。將表達(dá)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(shè)備中的集成電路芯片IC都是通過復(fù)雜的光刻、顯影、刻蝕等一系列加工步驟實(shí)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(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)集成電路芯片的加工方法要經(jīng)過從鍍膜到去膠等8個(gè)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(jié)工藝，將墨水材料燒結(jié)成固體材料，就形成了與傳統(tǒng)工藝需要8步才能實(shí)現(xiàn)的同樣的圖形結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，柔性印刷電子技術(shù)為集成電路及電子信息產(chǎn)業(yè)從業(yè)者，提供了一種全新的技術(shù)開發(fā)和智造方向！
柔性打印技術(shù)是柔性印刷電子實(shí)現(xiàn)工藝中較為成熟的一種，與我們現(xiàn)在已經(jīng)熟知的3D打印一樣，本質(zhì)上是一種增材制造技術(shù)。而傳統(tǒng)集成電路芯片加工或各種電子設(shè)備中常見的電路板制造技術(shù)，都是減材制造技術(shù)，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(jié)構(gòu)。集成電路芯片只能在硅基半導(dǎo)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(shù)具有以下幾個(gè)優(yōu)勢：
●簡化電子產(chǎn)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(chǎn)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(shí)現(xiàn)卷對(duì)卷生產(chǎn)，成本可大幅降低
●綠色生產(chǎn)（增材制造），有利環(huán)境保護(hù)
柔性印刷電子以其獨(dú)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(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景,如柔性電子顯示器、有機(jī)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(shù)有可能帶來一場電子技術(shù)革命,引起全世界的廣泛關(guān)注并得到了迅速發(fā)展。
柔性打印技術(shù)與半導(dǎo)體的結(jié)合，看似是一種全新的嘗試。實(shí)際在我們的身邊，已經(jīng)有越來越多的成果預(yù)示著柔性打印芯片時(shí)代將至！
|　柔性打印電子相關(guān)案例
美國半導(dǎo)體公司和空軍研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(luò)控制系統(tǒng)。這種智能的可穿戴設(shè)備成為了有史以來能夠生產(chǎn)出來的為復(fù)雜的柔性集成電路之一。AFRL材料與制造部門的研究科學(xué)家Dan Berrigan博士說：“當(dāng)我們考慮將這些類型的器件變成一種靈活的外形時(shí)，剛性對(duì)我們是不利的。與美國半導(dǎo)體公司合作，我們采用了硅集成電路芯片，并對(duì)其進(jìn)行了細(xì)化，直到它們變得靈活，但仍然能夠維持電路功能。現(xiàn)在，我們可以把微控制器 - 基本上是小型計(jì)算機(jī) - 放在我們以前不能的地方?！?br/>英國曼徹斯特大學(xué)研發(fā)出一種固態(tài)的柔性超級(jí)電容設(shè)備，它通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)，采用石墨烯氧化物導(dǎo)電油墨，直接將該設(shè)備打印在紡織品上。因?yàn)橛湍图徔椘芬r底之間具有強(qiáng)大的交互作用，這種印刷的電極具有卓越的機(jī)械穩(wěn)定性。這項(xiàng)研究巧妙地將石墨烯技術(shù)應(yīng)用于印刷電子設(shè)備，有效地促進(jìn)了可穿戴技術(shù)的發(fā)展。
愛爾蘭都柏林大學(xué)圣三一學(xué)院的科研人員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(chǎn)的技術(shù)，可打印例如太陽能電池、 LED等電子設(shè)備，應(yīng)用于智能食品、藥物標(biāo)簽、下一代紙幣、電子護(hù)照等產(chǎn)品。
Thin Film是一家生產(chǎn)玩具用一次性存儲(chǔ)介質(zhì)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(jì)算能力。這意味著該公司可以提供薄薄的一次性跟蹤標(biāo)簽，成本只有幾毛錢。Thin Film公司一直在生產(chǎn)薄膜存儲(chǔ)芯片，每個(gè)芯片大概可以提供20字節(jié)的存儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)室
看了這么多國外領(lǐng)先案例，您也許唏噓這樣的黑科技何時(shí)能夠到來?。窟@里答案是肯定的，基于本土知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微電子柔性打印技術(shù)，目前已經(jīng)可以實(shí)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(jī)等的快速打樣設(shè)計(jì)，不僅能夠解決絕大多數(shù)創(chuàng)新電子設(shè)計(jì)的快速打樣和設(shè)計(jì)驗(yàn)證，并且對(duì)于目前緊缺的集成電路設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)，可以形成了經(jīng)濟(jì)有效的設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺(tái)。
為了推進(jìn)柔性印刷電子產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用落地和技術(shù)提升，由PEIPC印刷電子與智能包裝產(chǎn)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(shí)驗(yàn)室”即將啟動(dòng)，特別針對(duì)研究機(jī)構(gòu)、高等院校及企業(yè)推出相應(yīng)的柔性打印快速打樣及設(shè)計(jì)驗(yàn)證服務(wù)，不僅能夠大大縮短設(shè)計(jì)開發(fā)的周期和成本，還可以短時(shí)間內(nèi)獲得大量標(biāo)準(zhǔn)器件單元庫和基礎(chǔ)技術(shù)授權(quán)，讓柔性打印芯片不再是夢！