柔性打印芯片究竟离我们还有多远？

未来ICT技术发展的两大基石

集成电路是信息产业的核心，也是现代经济社会发展的战略性、基础性、先导性产业。根据《国家集成电路产业发展推进纲要》，到 2020年集成电路产业与国际先进水平的差距逐步缩小，全行业销售收入年均增速超过20%。尤其在近期的华为禁售事件影响下，使得国人的目光又再次聚集在集成电路产业链。

整整50年来，计算机的底层元件都遵从着“摩尔定律”：在价格不变的情况下，集成在芯片上的晶体管数量每隔18到24个月将增加一倍，计算成本呈指数型下降。摩尔定律成就了各种技术变革，例如互联网、基因组测序等等。然而现在，摩尔定律的趋势再一次放缓了，芯片行业进入了一个不确定的时代，在同样的投入下，收益变得越来越低。芯片的未来路在何方?

传统半导体制造工艺工序多且复杂，生产环境要求严苛。不仅要保证作业环境的高度清洁以避免杂质玷污影响产品，还有从薄膜、光阻、显影、蚀刻、光阻去除等一系列工艺数十次的不断循环才能使产品最终成型。在得到高回报的同时如何有效减少损耗、降低成本，成为越来越多IC企业所要克服的问题。

图：传统硅基半导体制造工艺

作为未来ICT产业技术发展的两大重要基石，以硅基半导体为基础的集成电路，其发展向更小工艺线宽、更高集成度、更低功耗的方向逐渐演进;而以柔性印刷电子、纳米材料为代表的微纳智造领域，则向着大面积、柔性化、柔型混合电子的方向发展，两大技术有机结合、相得益彰，在ICT产业发展之路上各自闪烁出耀眼的光芒!

柔性印刷电子 - 电子制造技术的“工业革命”

柔性印刷电子技术是基于印刷原理的电子制造技术。何为“印刷电子”?简而言之即“印刷+电子”，是利用精密印刷技术来制作电子器件或电路。将表达颜色的油墨换成具有电子功能的油墨，印刷出来的图形就具有了电子功能。日常生活中我们常见的各种电子设备中的集成电路芯片IC都是通过复杂的光刻、显影、刻蚀等一系列加工步骤实现的。同样是将一种功能材料在平面基底上制作成图形结构，传统集成电路芯片的加工方法要经过从镀膜到去胶等8个步骤，而印刷加工则只需要两步。印刷方法可以直接将功能材料以图形化方式沉积到基底表面，只需要额外的烧结工艺，将墨水材料烧结成固体材料，就形成了与传统工艺需要8步才能实现的同样的图形结构。与此同时，柔性印刷电子技术为集成电路及电子信息产业从业者，提供了一种全新的技术开发和智造方向!

柔性打印技术是柔性印刷电子实现工艺中较为成熟的一种，与我们现在已经熟知的3D打印一样，本质上是一种增材制造技术。而传统集成电路芯片加工或各种电子设备中常见的电路板制造技术，都是减材制造技术，即通过等离子刻蚀或酸液腐蚀将不需要的材料去除，形成功能材料的图形结构。集成电路芯片只能在硅基半导体晶圆上制备，平板显示中的液晶显示屏通常在玻璃基板上制备。而印刷可以在任何材料表面沉积功能材料。这就使得在塑料、纸张、布料等大量低成本柔性材料表面制造电子器件与电路成为可能。

图：微电子柔性打印制造流程

相比传统的芯片制造工艺，柔性印刷电子技术具有以下几个优势：

●简化电子产品制造工艺

●柔性化，可折叠弯曲

●把电子电路与元器件集合在一起，连接可靠

●产品轻薄、可挠曲，减少体积与重量，适合柔性表面

●各种形状要求可实现卷对卷生产，成本可大幅降低

●绿色生产(增材制造)，有利环境保护

柔性印刷电子以其独特的柔性/ 延展性以及高效、低成本制造工艺,在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景,如柔性电子显示器、有机发光二极管 OLED、印刷 RFID、薄膜太阳能电池板、电子用表面粘贴等。柔性印刷电子技术有可能带来一场电子技术革命,引起全世界的广泛关注并得到了迅速发展。

柔性打印技术与半导体的结合，看似是一种全新的尝试。实际在我们的身边，已经有越来越多的成果预示着柔性打印芯片时代将至!

柔性打印电子相关案例

美国半导体公司和空军研究实验室进行合作，在微芯片上开创性的搭载了物联网的网络控制系统。这种智能的可穿戴设备成为了有史以来能够生产出来的最为复杂的柔性集成电路之一。AFRL材料与制造部门的研究科学家Dan Berrigan博士说：“当我们考虑将这些类型的器件变成一种灵活的外形时，刚性对我们是不利的。与美国半导体公司合作，我们采用了硅集成电路芯片，并对其进行了细化，直到它们变得灵活，但仍然能够维持电路功能。现在，我们可以把微控制器 - 基本上是小型计算机 - 放在我们以前不能的地方。”

英国曼彻斯特大学研发出一种固态的柔性超级电容设备，它通过丝网印刷技术，采用石墨烯氧化物导电油墨，直接将该设备打印在纺织品上。因为油墨和纺织品衬底之间具有强大的交互作用，这种印刷的电极具有卓越的机械稳定性。这项研究巧妙地将石墨烯技术应用于印刷电子设备，有效地促进了可穿戴技术的发展。

爱尔兰都柏林大学圣三一学院的科研人员最近利用二维纳米材料，例如：石墨烯、氮化硼、二硒化钨纳米片制成的油墨，首次制造出了印刷而成的晶体管。这种低成本、可量产的技术，可打印例如太阳能电池、 LED等电子设备，应用于智能食品、药物标签、下一代纸币、电子护照等产品。

Thin Film是一家生产玩具用一次性存储介质的公司，他们刚刚联合施乐旗下的PARC开发了一种新工艺，可以为电路增加计算能力。这意味着该公司可以提供薄薄的一次性跟踪标签，成本只有几毛钱。Thin Film公司一直在生产薄膜存储芯片，每个芯片大概可以提供20字节的存储空间，用于玩具和游戏中。联手PARC之后，他们打算可以给芯片电路增加晶体管，让芯片变得足够智能，用来跟踪存货信息或通过传感器收集环境数据。

柔性打印微系统(芯片)创新实验室

看了这么多国外领先案例，您也许唏嘘这样的黑科技何时能够到来!?这里答案是肯定的，基于本土知识产权的微电子柔性打印技术，目前已经可以实现各类逻辑门电路、薄膜晶体管、发光器件、各类传感器乃至微系统单片机等的快速打样设计，不仅能够解决绝大多数创新电子设计的快速打样和设计验证，并且对于目前紧缺的集成电路设计人才培养，可以形成了经济有效的设计验证平台。

为了推进柔性印刷电子产业化应用落地和技术提升，由PEIPC印刷电子与智能包装产业联合体牵头筹建的“柔性打印微系统(芯片)创新实验室”即将启动，特别针对研究机构、高等院校及企业推出相应的柔性打印快速打样及设计验证服务，不仅能够大大缩短设计开发的周期和成本，还可以短时间内获得大量标准器件单元库和基础技术授权，让柔性打印芯片不再是梦!