基于大规模铜增材制造的印刷电子越来越接近现实
2023-12-05 09:31:00   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

铜在电子行业有着悠久的应用历史，但现在，它有望成为可持续印刷电子产品的新标准。

据麦姆斯咨询介绍，加拿大一支由学术界和工业界研究人员组成的联合团队证明，与当前的PCB技术相比，铜基印刷电路有望减少化学品消耗，满足可靠性标准，并降低整体印刷制造成本。

铜基印刷电路因其重量轻、成本低以及更好的环境效益而备受青睐（来源：C2MI）

这项研究由加拿大最大的微电子研发中心C2MI和加拿大研究型大学加拿大魁北克大学高等技术学院（École de technologie supérieure，ETS）合作进行。C2MI印刷电子和微电子组装工艺开发工程师Christophe Sansregret表示，这项研究可以追溯到2019年，是开发更可持续PCB制造技术的一部分（如今的工艺不够环保）。

“半导体领域正在大力推动可持续发展和整体业务的绿色化。”Sansregret说，“材料浪费是其中有待解决的重要部分。”

铜基柔性PCB（来源：C2MI）

如今，半导体行业大多都在使用银进行印刷，这存在可靠性问题。Sansregret解释称，银与空气和空气中的水分发生反应，形成小枝晶。如果没有机械屏障，就有可能产生短路。他说，银的这种电迁移问题已经发现了数十年，为了寻找可行的替代品，对铜增材制造展开了研究。

当然，铜也有其自身的缺点。此次合作研究的目的就是找到一种两全其美的解决方案——利用增材制造技术进行铜打印，以防止铜浪费，并实现与传统PCB技术一样可靠的化学特性。Sansregret表示，目前在传统PCB制造中使用铜，会导致80%的铜被浪费。

更少的材料浪费可以降低成本，同时对环境更友好。与银油墨相比，研究人员能够将使用铜的油墨成本降低50%以上，同时与当前PCB技术的减材制造工艺相比，还减少了化学品消耗。C2MI/ETS的解决方案包括了电路的直接打印。

可持续发展推动了铜打印

对铜的研究是开发更可持续微电子制造方法的重要部分。

渥太华卡尔顿大学（Carleton University）电子工程系副教授Ravi Prakash所在的研究实验室专注于有机传感器及器件的研究，包括推动可持续生物电子学、下一代生物传感器以及柔性电子器件。

Ravi Prakash表示，这包括用于印刷电子产品的基材，铜预计将发挥更大的作用。铜作为一种具有长期前景的材料受到了广泛研究。电动汽车的增长以及消费电子产品的激增在一定程度上推动了对铜打印的研究。

他说，半导体行业一直看好铜，它是目前IT行业中最常用的金属，但在铜打印方面，可扩展性一直是需要克服的关键挑战之一。

卡尔顿大学的研究一直在寻找采用新方法或新工艺的铜沉积解决方案，但实验研究还有很长的路要走。Ravi Prakash表示：“现在，我们可以使用更可持续的工艺来整合高密度铜打印互连。”

NextFlex技术中心晶圆厂运营总监Art Wall表示，铜打印的一个主要障碍是防止铜在油墨固化时过度氧化。他说，业界正在寻找一种尽可能接近块体铜解决方案——块体半导体材料通常可以通过简单的化学沉淀获得。

Wall说，有些厂商有解决氧化问题的解决方案，但这些解决方案并不能普及——标准在半导体行业至关重要。他说：“我们需要非常可靠、可重复且非常标准化的东西。”

铜打印能够降低重量和成本

铜打印的回报方式很多，其中最重要的是减少了蚀刻和图案化造成的浪费。除了环境效益，在减少传统光刻和蚀刻带来的资本支出方面，铜打印的经济效益也很显著。

NextFlex是一家专注于增材制造的柔性混合电子制造机构，对基建设备的需求相对较小，而且，现在可用的打印机“便宜得离谱”。

Wall说，铜打印对于设备重量是重要考量因素的行业非常有意义，例如航空航天和汽车应用等，因为减轻重量可以降低成本。其它对铜打印感兴趣的领域还包括医疗器械，以及可穿戴设备。

Wall表示，制造更轻的电子产品是破解铜密码的巨大动力，尺寸、重量、性能和成本都将受益于可扩展的铜打印。喷墨打印的进步推动了铜打印的发展，由于材料的创新，喷墨打印正变得价格合理且无处不在。

延伸阅读：

《3D打印和增材制造技术及市场-2022版》