以曝光、顯影、蝕刻等減成法工藝為基礎制程的硅基微電子技術、覆銅電路板技術和大規模集成電路技術已經發展了50余年，集成電路加工的工藝越來越復雜，投資越來越大。集成電路工業已成為全球少數幾個跨國企業所壟斷的行業。

近年來，隨著對輕薄化、柔性化（可彎曲、可折疊以及可卷曲等）以及大面積、可穿戴等新型電子產品需求強烈， 同時，傳統工業污染、環境破壞已經嚴重威脅到地球家園的“生態平衡”和人類的“生命安全”。綠色環保、可持續發展成為國際社會的共同的任務，也提升為中國的國家發展戰略，因此，在這一背景下，催生了一大類非傳統硅基電子技術，包括印刷與柔性電子技術、有機電子技術、可穿戴電子技術透明電子技術、紙電子技術、。其中印刷電子技術是集傳統印刷技術與電子技術于一體，將傳統印刷技術應用于電子制造的一個新興技術與產業領域。與傳統傳統硅基微電子器件的加工制造技術相比較，印刷制造技術具有低耗能、節約材料、、無腐蝕工藝、綠色環保等特性而且適合輕薄、柔性、大面積電子產品的高效制造得到國家政策的大力扶持。

2011年10月，由中科院化學所、中科院蘇州納米所、天津大學、北京印刷學院、與等單位發起了全國印刷電子產業創新聯盟。2012年5月，中國應邀出席了首屆國際印刷電子標準工作委員會。2013年，印刷電子產業研究院在常州建立，這是中國第一個由地方發起建立的專注于印刷電子產業技術開發的研究機構。至此，我國的印刷電子行業才開始在世界的舞臺上亮相。

近日，新材料在線?拜訪中國科學院化學研究所綠色印刷院重點實驗室，專訪中科院化學所張興業 副研究員，他主導的“柔性電路綠色數字化智能制造”項目為印刷電子行業帶來了新商機。

　　他決心

　　只做對人類有貢獻的研究

中科院碩博連讀后，張興業就決定留下來繼續做科研，見過他的人都知道，認真地有些“偏執”，“專注于一個領域，希望做到五年十年后，別人想到這個領域就能想到我”、“如同向墻上敲釘子一樣，在一個領域不停的敲打，專注地敲上五年十年一定能敲出成果”， “我從事科研最大的動力來源于一種成就感，就是我的科研成果能夠給社會和自然環境帶來改變和提升的成就感。”在大多數人覺得“被碩士”、“被博士”、“被博士后”而浪費了大量寶貴時間后，學有所成之后，決定從事科研工作的他在QQ簽名上寫下“只做對當代人類有直接正面貢獻的研究”。

張興業，山東人，中科院化學所副研究員，國際印刷電子標準專家組成員

隨著世界電子電路行業的高速發展，中國在勞動力、土地、水電、資源和政策等方面擁有巨大的優勢，世界電子電路產業逐漸從發達國家轉移到中國。2006年中國已經取代了日本，成為全球產值最大的PCB生產基地，遠遠高于全球行業的增長速度。“中國電子工業的崛起，使得中國成為電路板制造大國。”張興業對新材料在線?說道，全世界約一半電路板在中國制造，華南地區已經成為全球最大的電路板制造基地。

但是，電路板的制造過程中的污染卻觸目驚心。張興業說：“除了重金屬污染，直接嚴重威脅人身安全和糧食安全，還伴隨著大量的水污染，包括脫膜顯影廢水、含氰廢水、含鎳廢水、絡合廢水、一般清洗廢水、有機廢水等等。對我國相關地區造成了短期無法恢復的土地污染。”

在嚴峻的環境污染背景下，2011年，張興業與團隊開始探索開發綠色環保的工藝制程來制造電路板，也是在這一背景下，中國科技部立項開展綠色印刷電路技術的基礎性研究，后來中科院先導專項重點扶持本項目的中試，加速產業化進程。

項目立項后，他便把自己的所有時間都投入到綠色印刷電路板的研究中來，他的決心遠不止說說而已。

　　為了解決噴頭難題

　　他吃飯、睡覺都在想著研究

綠色印刷電路技術項目為電子工業提供一種綠色環保的電路制造方案，解決電路板制造過程中的污染問題。張興業介紹：“項目以綠色3D打印電子電路的核心，即打印電路為切入點，突破各類電子墨水的制備、承印基底的規模化處理和印刷軟件及硬件的集成等各種關鍵技術，實現綠色3D打印制造電路產業化。”主要通過層層噴墨打印導電墨水的工藝實現電路的增材制造。

打印電路制程與傳統蝕刻法電路制程對比

“項目優勢在于第一是大幅縮短電路制造周期，無需模板，30分鐘完成一個周期，所印即所得。第二是實現電路綠色化生產，不僅無“三廢”，同時能耗也顯著降低；第三就是實現電路智能制造，可實現電路板產業數字設計、遠程控制和“無人化”管理，實現“一鍵式”電路制造，為電路板產業對接“工業4.0”和《中國制造2025》提供智能化解決方案。”張興業對新材料在線?說。同時，3D打印電子電路技術具有極強的保密性，避免電子設計圖的外流，在航天及軍工領域可獲得廣泛應用。

技術競爭優勢和核心指標

要實現綠色3D打印制造電路，一是印刷電子新材料的開發，二是印刷電子智能印刷裝備的制備，二者缺一不可。

印刷電子新材料方面，導電墨水是3D噴墨打印電路關鍵技術和核心材料。“為了能使打印出來的電路板保持高的通電率，導電墨水必須具備高銀含、低阻抗等特點。”張興業對新材料在線?說道。但不曾料到，高銀含量的導電墨水卻給張興業團隊帶來另一個重大的技術難題。

3D打印電路過程中導電墨水中的金屬顆粒就像采用石子鋪柏油馬路一樣鋪成電路。墨水中因為含有大量的金屬顆粒（約40wt%）,導致維持墨水的穩定性極其困難，顆粒容易沉降，而3D打印噴頭噴孔的尺寸約20微米，顆粒一旦沉降，就會堵塞噴頭。

早前，在開發初期，張興業團隊都是采用Epson辦公用的打印機，如Me70的噴頭。“這類噴頭從愛普生原裝機器上拆卸的，價格比較便宜，記得還不到400塊錢，用墨量較少，幾十毫升墨水就可以啟動打印。噴頭堵了、壞了，就重新更換一個，成本較低，也沒有什么維護。”張興業回憶道。

后來過渡到工業噴頭，難度成指數級增長。“像柯美1024系列或富士Samba一個噴頭大約3萬元，如果我們的墨水將客戶的噴頭堵塞了，我們是要賠償客戶的，不僅僅是噴頭費用，還有客戶安裝費、誤工費等。”張興業說道。同時，在原來的圖文打印，有一個或幾個噴孔堵塞了，不影響視覺識別，而打印電路屬于功能部分，一個噴孔堵了，可能這塊電路板就廢掉了。

工業噴頭采用循環墨水，對墨水的需求量大增，至少幾升的量才能夠循環起來，這就對導電墨水的質量、批次穩定性和生產能力提出了非常苛刻的要求。無數的難題接踵而至，張興業說：“作為項目的負責人，我壓力很大。那時候，吃飯、睡覺都在想著解決方案和可行性。”

時也運也。經過幾年中科院立項對納米戰略性先導專項的大力支持，張興業帶領團隊針對工業噴頭，不斷提升導電墨水生產能力、墨水質量和批次穩定性。

印刷電子技術

目前，張興業團隊目前已經完成了納米銀粉和導電墨水的規模化生產能力，可實現年產導電墨水10萬公斤，并可以采用到常見的像賽爾XAAR、富士Samba及柯美Konica Minolta等系列的工業噴頭；開發了基于工業噴頭的柔性電路數字化制造裝備，可實現柔性電路的大幅面、高精度、多層電路精密對位智能制造；同時已經重點開啟了在智能包裝領域卷到卷高速印刷生產無芯片RFID天線、智能手機電路、薄膜電路和印刷柔性顯示四個領域的應用。

　　“綠色”+“智造”

　　引變電子產業格局

如今，張興業團隊開發的綠色3D打印電子電路技術已經進入中試階段，正在進行產品正式投產前的試驗，對待市場，張興業很理性，也充滿信心。

根據HIS 2013 Printed Electronics Report顯示，印刷電子市場規模逐年增大，預計2020年印刷電子工業市值將達243億美元。從下游市場來看，技術產業轉化方向涵蓋智能包裝和智能物流用射頻天線，且基于消費品的低附加值，可與國內包裝企業開發了無芯片射頻標簽，大幅降低智能化包裝成本；其次是智能手機領域，如手機天線、手機揚聲器薄膜電路等，為智能手機提供電路數字化制造解決方案；張興業介紹：“該技術還可滿足電子產品的柔性化、輕薄化等，我們已經與國內知名顯示企業共同承擔了科技部印刷顯示重點專項，一旦印刷柔性顯示技術成熟，保證我們能夠在這個行業占領一席之地。”根據 Grand View Research報告顯示，柔性電子市場規模預期，2024年市場規模超250億美元。

十三五，我國著力發展印刷電子與3D打印為全球兩大顛覆性的產業， 已經將印刷電子、印刷顯示技術列入“十三五”國家科技創新規劃，并列為國家重點研發計劃，認為這是中國制造走向中國創造、中國智造的千載難逢的機會。

或許用不了多久，張興業用科研改變人類生活的夢想將得以實現，秉著“綠色”+“智造”的特性，綠色3D打印電子電路技術或將引變電子工業格局。

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