В России выходит на серийное производство экспериментальный принтер для создания микроэлектроники, который работает без чернил, растворителей и связующих веществ. Разработку представила команда Центра испытаний функциональных материалов Института квантовых технологий МФТИ. Фактически речь идет о новой платформе аддитивного (печатного) производства микроэлектронных компонентов, которая использует принцип сухой аэрозольной печати.
Отказ от чернил: как работает новый принтер
В классических установках для печатной электроники применяются специальные чернила - суспензии наночастиц или растворы прекурсоров. В них входит растворитель, полимерные связующие и функциональные добавки, обеспечивающие нужную вязкость и стабильность. В новом принтере МФТИ от этой схемы отказались полностью.
Ключевая идея устройства - синтез наночастиц "на лету" прямо в процессе печати. Для этого используется импульсный газовый разряд: в рабочей камере формируется плазма, в которой из исходного материала образуются наночастицы. Эти частицы тут же подхватываются газовым потоком и направляются к подложке в виде сфокусированного аэрозольного пучка. Далее они осаждаются в заданной зоне и спекаются лазерным излучением, формируя проводящие или функциональные дорожки и элементы.
Таким образом, вместо жидких чернил - управляемый поток сухих наночастиц, а вместо длительной постобработки - локальное лазерное спекание прямо в момент формирования структуры.
Чем сухая аэрозольная печать отличается от обычной
Традиционные аддитивные методы в электронике (струйная, трафаретная, аэрозольная печать на чернилах) действительно снижают затраты по сравнению с фотолитографией, однако у них есть системные ограничения:
- необходимо разрабатывать и подбирать чернила для каждого материала;
- чернила должны быть строго однородными, устойчивыми к агрегации и иметь определенную вязкость;
- после нанесения требуется сушка для удаления растворителя;
- затем проводится высокотемпературный отжиг, чтобы убрать остатки полимеров и сплавить наночастицы в сплошную структуру.
Эти этапы занимают время и могут ухудшать свойства микроструктур. Продукты разложения связующих и добавок загрязняют материал, влияя на проводимость, адгезию, механическую прочность и долговечность.
В сухой аэрозольной печати от растворителей и полимеров отказываются в принципе. Наночастицы не хранятся в виде чернил, а получаются в ходе работы установки, транспортируются в газовой фазе и укладываются строго туда, где это нужно по проекту. Это снижает вероятность загрязнения и избавляет от ряда технологических операций.
Главная проблема: агломераты наночастиц и как с ними справились
Переход к сухим наночастицам не был простым решением. Исследователи признают, что первые попытки давали структуры с высокой пористостью. Наночастицы, образующиеся в газовом разряде, стремятся слипаться, формируя агломераты. При их осаждении получаются рыхлые проводящие дорожки с невысокой плотностью и, соответственно, низкой электропроводностью. Это существенно ограничивало область применения технологии.
Ключевой задачей стало разработать способ превратить агломераты в более компактные, близкие к сферическим наночастицы прямо в процессе печати, без дополнительной химической обработки. Команде МФТИ удалось реализовать эффективный метод термо- и газодинамической обработки частиц в потоке, который "разбивает" агломераты и приводит к формированию плотных, хорошо спекающихся структур. В сочетании с лазерным спеканием это позволило получать проводящие дорожки с характеристиками, сравнимыми с результатами традиционных технологий.
По словам разработчиков, именно внедрение этой стадии обработки наночастиц в реальном времени стало технологическим прорывом, сделавшим возможным переход от лабораторного прототипа к промышленно перспективной установке.
Альтернатива фотолитографии: экономия и гибкость
Фотолитография - базовая технология массового производства микросхем - остается крайне дорогой и сложной. Она требует:
- помещений с высокой степенью чистоты;
- вакуумного оборудования;
- большого количества масок и расходных материалов;
- применения агрессивных химических реагентов;
- многократного дублирования цикла "нанесение - экспонирование - травление - очистка".
Печатные методы, наоборот, позволяют наносить проводящие и функциональные структуры "по рисунку", управляя формой и толщиной слоя по цифровой модели. Новый принтер МФТИ усиливает это преимущество: он снижает материалоемкость, уменьшает число стадий производства и упрощает инфраструктуру, поскольку отпадает необходимость в складировании и контроле качества чернил, а также в ряде химических процессов.
При переходе к серийному производству это может дать заметное сокращение себестоимости и времени вывода новых устройств на рынок, особенно в тех сегментах, где критична гибкость и возможность быстрой перенастройки технологического процесса.
Чистые микроструктуры без постобработки
Отказ от растворителей и функциональных добавок имеет важное следствие - формируемые микроструктуры изначально чище на уровне химического состава. В них меньше посторонних примесей, которые обычно остаются после полимерных связующих и стабилизаторов.
Благодаря этому:
- улучшается электропроводность и стабильность проводящих дорожек;
- снижается вероятность деградации свойств со временем;
- повышается механическая прочность и адгезия к подложке;
- облегчается интеграция таких структур в более сложные устройства.
В ряде случаев это позволяет отказаться или минимально использовать высокотемпературный отжиг, что критично для печати на термочувствительных подложках - полимерах, композитах, гибких пленках.
Миниатюризация и сложная архитектура устройств
Развитие современной микроэлектроники идет сразу в двух направлениях: уменьшение размеров элементов и усложнение архитектуры. Требуются трехмерные, многослойные, интегрированные структуры с точным контролем геометрии и свойств на микро- и наноуровне.
Сухая аэрозольная печать, реализованная в новом принтере, потенциально дает:
- высокую точность укладки материала за счет сфокусированного аэрозольного пучка;
- возможность локального управления морфологией и плотностью структуры;
- совместимость с формированием сложных, в том числе 3D, микроархитектур;
- гибкость в сочетании различных материалов (проводников, резистивных и функциональных слоев).
Это открывает перспективы использования технологии не только для простых межсоединений, но и для создания интегрированных элементов сенсоров, микросистемной техники, элементов силовой электроники и систем управления.
От лабораторной разработки к серийному производству
Команда МФТИ заявляет, что технология уже доведена до стадии готовности к серийному производству принтеров. Это означает, что решены ключевые инженерные задачи:
- обеспечена повторяемость параметров печати;
- отработана система управления газовым разрядом и потоком наночастиц;
- интегрировано лазерное спекание в единый цикл;
- разработаны алгоритмы цифрового проектирования и контроля качества сформированных структур.
Работа исследователей опубликована в профильном научном журнале, а проект реализован при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Для российской микроэлектроники это важный шаг в сторону собственных технологических платформ, способных заменить зарубежные решения и открыть новые ниши на рынке печатной электроники.
Возможные области применения
Пионерные применения такой технологии могут появиться в нескольких направлениях:
1. Печатные платы нового поколения
Локальное формирование проводящих дорожек, в том числе на гибких и нестандартных подложках, позволяет создавать компактные устройства со сложной компоновкой.
2. Датчики и сенсорика
Высокая чистота и контролируемая структура наноматериалов дают возможность получать чувствительные элементы для газовых, биологических, оптических сенсоров.
3. Гибкая и носимая электроника
Отсутствие длительного высокотемпературного обжига делает возможной печать на тонких полимерных пленках и текстильных материалах для "умной" одежды и медицинских систем мониторинга.
4. Микросистемная техника и MEMS
Локальное осаждение функциональных материалов в сочетании с микромеханическими структурами открывает путь к новому классу миниатюрных устройств.
5. Быстрая разработка прототипов
Возможность оперативно напечатать набор вариаций схемы без изготовления дорогостоящих масок и оснастки ускоряет цикл "идея - прототип - испытания".
Преимущества с точки зрения экологии и безопасности
Новый подход имеет и важный экологический аспект. Устраняя растворители и многие химические процессы, технология:
- сокращает объем опасных отходов и сточных вод;
- уменьшает риски для персонала, связаныe с обращением агрессивных химикатов;
- снижает общую энергоемкость производства за счет сокращения числа стадий и длительных термообработок.
В условиях ужесточения экологических норм и перехода промышленности к более "зеленым" технологиям такие факторы становятся весомым конкурентным преимуществом.
Технологические вызовы и дальнейшее развитие
Несмотря на достигнутый прогресс, разработчикам предстоит решить еще ряд задач, чтобы в полной мере реализовать потенциал сухой аэрозольной печати:
- расширить набор материалов, с которыми может работать принтер (разные металлы, оксиды, полупроводники, функциональные нанокомпозиты);
- повысить разрешающую способность и стабильность процесса на больших площадях;
- интегрировать установку в существующие технологические линии микроэлектронных производств;
- разработать программное обеспечение для автоматизированного проектирования и оптимизации режимов печати под конкретные изделия.
В перспективе такие принтеры могут стать частью модульных производств, где один и тот же комплекс переоборудуется под выпуск различных типов электроники - от датчиков и модулей связи до элементов силовой и автомобильной электроники.
Значение для российской микроэлектроники
Появление готовой к серийному выпуску установки, основанной на оригинальной российской технологии, особенно актуально на фоне мирового дефицита электронных компонентов и ограничений на импорт. Собственные решения в области аддитивного производства:
- дают возможность снижать зависимость от зарубежного оборудования и материалов;
- позволяют быстрее реагировать на запросы промышленности и научных центров;
- создают задел для экспорта высокотехнологичного оборудования.
Сухая аэрозольная печать, предложенная МФТИ, сочетает преимущества печатной электроники с высокой чистотой и контролируемостью наноструктур. Это делает разработку заметным шагом к формированию нового поколения микроэлектронных производств, более гибких, экономичных и экологичных по сравнению с традиционными подходами.
