基于大規(guī)模銅增材制造的印刷電子越來越接近現(xiàn)實(shí)

銅在電子行業(yè)有著悠久的應(yīng)用歷史，但現(xiàn)在，它有望成為可持續(xù)印刷電子產(chǎn)品的新標(biāo)準(zhǔn)。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，加拿大一支由學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究人員組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)證明，與當(dāng)前的PCB技術(shù)相比，銅基印刷電路有望減少化學(xué)品消耗，滿足可靠性標(biāo)準(zhǔn)，并降低整體印刷制造成本。

銅基印刷電路因其重量輕、成本低以及更好的環(huán)境效益而備受青睞

這項(xiàng)研究由加拿大最大的微電子研發(fā)中心C2MI和加拿大研究型大學(xué)加拿大魁北克大學(xué)高等技術(shù)學(xué)院（école de technologie supérieure，ETS）合作進(jìn)行。C2MI印刷電子和微電子組裝工藝開發(fā)工程師Christophe Sansregret表示，這項(xiàng)研究可以追溯到2019年，是開發(fā)更可持續(xù)PCB制造技術(shù)的一部分（如今的工藝不夠環(huán)保）。

“半導(dǎo)體領(lǐng)域正在大力推動可持續(xù)發(fā)展和整體業(yè)務(wù)的綠色化。”Sansregret說，“材料浪費(fèi)是其中有待解決的重要部分。”

如今，半導(dǎo)體行業(yè)大多都在使用銀進(jìn)行印刷，這存在可靠性問題。Sansregret解釋稱，銀與空氣和空氣中的水分發(fā)生反應(yīng)，形成小枝晶。如果沒有機(jī)械屏障，就有可能產(chǎn)生短路。他說，銀的這種電遷移問題已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)十年，為了尋找可行的替代品，對銅增材制造展開了研究。

當(dāng)然，銅也有其自身的缺點(diǎn)。此次合作研究的目的就是找到一種兩全其美的解決方案——利用增材制造技術(shù)進(jìn)行銅打印，以防止銅浪費(fèi)，并實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)PCB技術(shù)一樣可靠的化學(xué)特性。Sansregret表示，目前在傳統(tǒng)PCB制造中使用銅，會導(dǎo)致80%的銅被浪費(fèi)。

更少的材料浪費(fèi)可以降低成本，同時(shí)對環(huán)境更友好。與銀油墨相比，研究人員能夠?qū)⑹褂勉~的油墨成本降低50%以上，同時(shí)與當(dāng)前PCB技術(shù)的減材制造工藝相比，還減少了化學(xué)品消耗。C2MI/ETS的解決方案包括了電路的直接打印。

可持續(xù)發(fā)展推動了銅打印

對銅的研究是開發(fā)更可持續(xù)微電子制造方法的重要部分。

渥太華卡爾頓大學(xué)（Carleton University）電子工程系副教授Ravi Prakash所在的研究實(shí)驗(yàn)室專注于有機(jī)傳感器及器件的研究，包括推動可持續(xù)生物電子學(xué)、下一代生物傳感器以及柔性電子器件。

Ravi Prakash表示，這包括用于印刷電子產(chǎn)品的基材，銅預(yù)計(jì)將發(fā)揮更大的作用。銅作為一種具有長期前景的材料受到了廣泛研究。電動汽車的增長以及消費(fèi)電子產(chǎn)品的激增在一定程度上推動了對銅打印的研究。

他說，半導(dǎo)體行業(yè)一直看好銅，它是目前IT行業(yè)中最常用的金屬，但在銅打印方面，可擴(kuò)展性一直是需要克服的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

卡爾頓大學(xué)的研究一直在尋找采用新方法或新工藝的銅沉積解決方案，但實(shí)驗(yàn)研究還有很長的路要走。Ravi Prakash表示：“現(xiàn)在，我們可以使用更可持續(xù)的工藝來整合高密度銅打印互連?！?/p>

NextFlex技術(shù)中心晶圓廠運(yùn)營總監(jiān)Art Wall表示，銅打印的一個(gè)主要障礙是防止銅在油墨固化時(shí)過度氧化。他說，業(yè)界正在尋找一種盡可能接近塊體銅解決方案——塊體半導(dǎo)體材料通?？梢酝ㄟ^簡單的化學(xué)沉淀獲得。

Wall說，有些廠商有解決氧化問題的解決方案，但這些解決方案并不能普及——標(biāo)準(zhǔn)在半導(dǎo)體行業(yè)至關(guān)重要。他說：“我們需要非?？煽?、可重復(fù)且非常標(biāo)準(zhǔn)化的東西?！?/p>

銅打印能夠降低重量和成本

銅打印的回報(bào)方式很多，其中最重要的是減少了蝕刻和圖案化造成的浪費(fèi)。除了環(huán)境效益，在減少傳統(tǒng)光刻和蝕刻帶來的資本支出方面，銅打印的經(jīng)濟(jì)效益也很顯著。

NextFlex是一家專注于增材制造的柔性混合電子制造機(jī)構(gòu)，對基建設(shè)備的需求相對較小，而且，現(xiàn)在可用的打印機(jī)“便宜得離譜”。

Wall說，銅打印對于設(shè)備重量是重要考量因素的行業(yè)非常有意義，例如航空航天和汽車應(yīng)用等，因?yàn)闇p輕重量可以降低成本。其它對銅打印感興趣的領(lǐng)域還包括醫(yī)療器械，以及可穿戴設(shè)備。

Wall表示，制造更輕的電子產(chǎn)品是破解銅密碼的巨大動力，尺寸、重量、性能和成本都將受益于可擴(kuò)展的銅打印。噴墨打印的進(jìn)步推動了銅打印的發(fā)展，由于材料的創(chuàng)新，噴墨打印正變得價(jià)格合理且無處不在。

審核編輯：劉清