喷墨打印在微电子领域的应用及其效果

很多在喷墨打印的导电特性产生方面的研究，无论是铜^[13]、金^[4]还是银^[6，15]，沉积技术已经是一种很常用的方法。然而，尽管体积分数为50%的银具有很高的电导率并且已经可以获得了^[16，17]，但是这种导电轨迹的生产还只是具有学术价值而已。对于喷墨打印来说，最大的限制因素是打印分辨率^[18]。

Miettinen等人^[19]已经研究出通过多层喷墨打印的连接器，使用环氧树脂材料作为基板，集成功能性系统，即系统封装。当纳米银颗粒墨水（Harima化学试剂）连续喷墨打印后，在220℃下烧结1h。为了改善烧结过程，在印制和烧结前需要对基板进行预热，直到烧结完成。因此，基板需要在250℃下加热60min纳米粒子的实际喷墨打印过程是在60℃下完成的，使用这种方法得到的电阻率比不进行预热时要小一个数量级。环氧基介电材料也被用于喷墨打印，独立的布线层也是通过一次喷墨打印导电和介电材料产生。喷墨打印连接器的图片如图21.1所示。

在有机发光二极管（OLED）方面的应用，Jabbour等人^[3]通过在PEDOT：PSS阳极上喷墨打印过氧化氢墨水去改变PEDOT：PSS的氧化状态，由此增加PEDOT：PSS的电导率。这种方法有两个优点：①相比于传统的技术能够减少工艺的程序；②对打印机盒内部的连接器产生最小的损伤。然而，最令人激动的发现是他们首次展示喷墨可以被用在电子灰度成像中，这种方法可以把数字照片转化为点致发光的图像，如图21.2所示。

图21.1 a）在包装喷墨打印系统（16mm×16mm）中，所有的接触和互连的喷墨来自银纳米颗粒墨水打印；b）喷墨打印互连的近距离观察和断的电容触点

（引用自参考文献[19]，©2011，Elsevier Science）

图21.2 a）通过PEDOT：PSS喷墨打印制造OLED；b）使用软件包仙人掌标志设计； c）对应的OLED图像。设备尺寸：3.3cm×3.8cm

（引用自参考文献[3]，©2011，Wiley-VCH Verlag GmbH＆Co.KGaA）

Magdassi和他的同事^[20]最近发表了用喷墨打印制备OLED器件的报告，提出了一种在室温下获得凝聚并烧结的纳米银颗粒。他们已经把带相反电荷的聚电解质与被纳米粒子包裹的封端剂进行反应，随后纳米银颗粒发生自发凝聚现象，导致大颗粒银的电导率提升20%，烧结的纳米银颗粒被用作柔性电极的顶层，透明的PET（聚对苯二甲酸乙二酯）基的电致发光器件（见图21.3）。该器件由两部分构成：①一个四层（PET：ITO：ZnS：BaTiO₃）的电致发光器件，在其顶层的BaTiO₃层上涂覆一层聚电解质，并在室温干燥；②把含分散银粒子的墨水喷墨打印到聚电解质层，就产生了一种可弯曲的电致发光器件。

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图21.3 a）电致发光装置的示意图以及印刷过程；b）工作中的电致发光器件

（引用自参考文献[20]，©2011，美国化学学会）

按照作者所说，这种新的方法能够在像纸或者PET等温度敏感基板上得到预定的导电图案，并在室温下制备这种导电特性器件。结果，这项发明将为柔性电子和塑料电子，包括OLED和太阳能电池等光电器材开拓一种新的应用方式。

作为第四个例子，Mager等人^[21]报道了通过在柔性聚酰亚胺（PI）薄片上喷墨打印导电纳米颗粒制备共振射频薄膜。这种由导电环和一系列电容器组成的线圈，形成了一个用于磁共振成像（MRI）的接收器电路的一部分，谐振电路是有选择性的在400MHz的预定频率，所需包括电阻器、电容器和电感器等电气元件通过喷墨打印制造。被连接到一个网络分析仪和在MRI硬件之前的喷墨打印电路是与一个小的调谐和匹配板相连接的（见图21.4a）。在400MHz时与38dB进行匹配，得到的结果可以与那些从标准的印制电路板（PCB）技术的结果相比较。用于接收MRI的喷墨打印部件的性能图像显影和完整猕猴桃图像去检验，这种方式甚至可以与标准MRI设备媲美（见图21.4b）。

图21.4 a）附连到调谐和匹配电路的聚酰亚胺箔的喷墨印制线圈； b）一个喷墨打印线圈拍摄的猕猴桃闪烁序列图像

（引用自参考文献[21]，©2011，IEEE出版社）

实际上，在喷墨打印过程中允许创建任意形二维线圈，这是由于材料是通过喷墨打印按需放置的，这些特性可以在非平面或者弯曲的基板上很容易地实现控制。因此，作者认为，喷墨打印线圈和谐振电路能够为MRI的三维线圈的R2R生产方式提供新的可能性。

最后，一种制备传导特性的相对较新的技术是反应性喷墨打印，两种可反应的组分被喷墨打印到基板上，随后在原位发生反应形成导电材料。反应性喷墨印刷技术已经被应用于导电铜、镍线的制备^[22]。