Аддитивные технологии производства устройств радиоэлектроники

Министерство науки и высшего образования  

Российской Федерации 

  

Томский государственный университет 
систем управления и радиоэлектроники 

 

 
 
 

 

В.И. Туев 

 
 
 
 
 

АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ  
ПРОИЗВОДСТВА УСТРОЙСТВ 

РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ 

 
 

Учебное пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Томск 
2020 

УДК 681.625(075.8) 
ББК 32.971.32-046.22я73 
 
Т816 

 

 

Рецензенты: 

Нисан А.В., канд. техн. наук; 
Демко А.И., канд. техн. наук 

 
 

 

 

Одобрено на заседании Совета радиоконструкторского факультета 

Томского государственного университета систем управления 

и радиоэлектроники, протокол № 151 от 28.01.20. 

 

 
 
 
 
Туев, Василий Иванович 

Т816 
Аддитивные технологии производства устройств радиоэлектро
ники: учеб. пособие / В.И. Туев. – Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2020. – 90 с. 

  
Приведены основы технологии получения тонких пленок печатными мето
дами. Дана классификация и краткое описание технологического оборудования 
для печати неорганическими и органическими растворами материалов (чернилами). Рассмотрены контактный способ нанесения чернил (плоттеры) и бесконтактные способы печати (капельный и аэрозольный принтеры). Описаны аддитивные технологии печати проводящих металлических слоев рисунка печатной 
платы, рассмотрены особенности печатных технологий изготовления устройств 
органической электроники.  

Для студентов уровней бакалавриата и магистратуры, обучающихся по 

направлению «Конструирование и технология электронных средств». Пособие 
может быть полезно для студентов других радиотехнических направлений подготовки. 

УДК 681.625(075.8) 
ББК  32.971.32-046.22я73 

 

 
 
  
© Туев В.И., 2020 

 
© Томск. гос. ун-т систем упр. 

 
    и радиоэлектроники, 2020 

Оглавление 

 

Введение .......................................................................................................... 4 

1 ПЕЧАТНЫЕ МЕТОДЫ НАНЕСЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ 

1.1 Основы печатных технологий ................................................................. 6 
1.2 Трафаретная печать в электронике ....................................................... 10 
1.3 Струйная печать ...................................................................................... 11 
1.4 Плоттерная печать .................................................................................. 12 
Вопросы для самоконтроля .......................................................................... 13 

2 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОВОДЯЩИХ ТОПОЛОГИЙ 

ПЕЧАТНЫМИ МЕТОДАМИ 
2.1 Материалы оснований для печати ........................................................ 14 
2.2 Подготовка оснований для печати проводников ................................. 16 
2.3 Растворы материалов для печати (чернила) ......................................... 18 
Вопросы для самоконтроля .......................................................................... 23 

3 ПРИМЕНЕНИЕ БЕСКОНТАКТНОЙ СТРУЙНОЙ ПЕЧАТИ  

ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ 
ЭЛЕКТРОНИКИ 
3.1 Устройства струйной печати ................................................................. 24 
3.2 Изготовление нитевидного излучающего элемента  
методом струйной печати ............................................................................ 38 
Вопросы для самоконтроля .......................................................................... 49 

4 ПРИМЕНЕНИЕ КОНТАКТНОЙ (ПЛОТТЕРНОЙ) ПЕЧАТИ  

ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ 
ЭЛЕКТРОНИКИ 
4.1 Устройство контактной (плоттерной) печати ...................................... 50 
4.2 Применение способа плоттерной печати для изготовления 
нитевидного  излучающего элемента ......................................................... 54 
4.3 Органические светоизлучающие диоды, изготовленные  
плоттерным способом печати ...................................................................... 61 
4.4 Печать проводящего (металлического) слоя ........................................ 73 
Вопросы для самоконтроля .......................................................................... 75 

5 АЭРОЗОЛЬНАЯ ПЕЧАТЬ 

5.1 Общие сведения ...................................................................................... 76 
5.2 Аэрозольный принтер для микроэлектроники .................................... 77 
5.3 Результаты применения аэрозольного способа  
для печати элементов функциональной микроэлектроники .................... 80 
Вопросы для самоконтроля .......................................................................... 84 
Заключение .................................................................................................... 85 
Литература ..................................................................................................... 86 

Введение 

 
Аддитивные технологии в машиностроении, электронике и 

других отраслях базируются на способе формирования изделия путем последовательного добавления материала к первому слою заготовки. Название происходит от английского термина аdd – добавлять, складывать, приплюсовывать. До недавнего времени более 
распространенными были субтрактивные технологии, при которых 
«лишний» материал удалялся с целью получения нужной формы 
детали.   

В настоящем издании приведены основы аддитивных техноло
гий в радиоэлектронике, уровень развития которых пока уступает 
уровню аддитивных технологий изготовления изделий из металлов 
и пластиков в машиностроении и приборостроении [1]. 

Развитие принтерной печати, появившейся как средство отоб
ражения текста и изображений на бумаге, в настоящее время идет 
по нескольким направлениям. Достаточно быстро по исторической 
шкале времени найдены новые области применения, что стимулировало разработку новых конструкций принтеров и технологий. От 
печатания полноцветных плоских 2D-изображений до создания реальных конструкций 3D – таков сегодняшний диапазон полезности 
принтерных технологий. Расширены также научно-технические, 
производственные и бытовые области применения принтерных методов решения разнообразных задач. Выделяя функциональное 
назначение как главный признак принтерных технологий, можно 
классифицировать их следующим образом: 

 отображение информации в статическом виде на различных 

основаниях (бумага, полимерные пленки, керамика, металлы и 
т.п.); 

 создание 3D-конструкций путем послойного «выращивания» 

изделия из наносимого материала; 

 нанесение функциональных элементов на подложки путем 

формирования наноразмерных пленок полупроводников, металлов, 
диэлектриков, 2D-печать. 

В настоящее время развитие всех трех видов принтерных тех
нологий базируется на достижениях в области нанотехнологий и 
наноматериалов [2–3]. Это направление находится в стадии дина

мичного развития, поэтому исследования и разработки в данной 
области нанотехнологий являются актуальной задачей.  

Исследования в области принтерных технологий функцио
нальной электроники осуществляют Томский государственный 
университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР), 
Национальный исследовательский Томский государственный университет (НИ ТГУ), ОАО «Научно-исследовательский институт 
полупроводниковых приборов» (НИИ ПП), ООО «АкКоЛаб», компания «Остек» и другие. 

Проблема создания материалов для функциональной электро
ники с возможностью применения принтерных методов нанесения 
электролюминесцентных пленок решается в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте высокомолекулярных соединений (ИВМС) Российской академии наук, Институте 
проблем химической физики (ИПХФ), Черноголовка.  

Цель учебного пособия – ознакомить студентов, обучающихся 

по радиотехническим и радиоконструкторским направлениям подготовки, с перспективными аддитивными технологиями производства радиоэлектронных средств. При подготовке пособия использованы апробированные на конференциях и опубликованные в 
рецензируемых изданиях научные материалы по научной специальности 05.12.04 «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», полученные при проведении исследований в  
Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники в течение последних десяти лет [4–7].  

Автор выражает благодарность аспирантам Шкарупо А.П., 

Юлаевой Ю.В. и Хомякову А.Ю., сотрудникам кафедры радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга и НИИ 
светодиодных технологий ТУСУРа за помощь в подготовке текста 
данного пособия. 
 

  

  

1 ПЕЧАТНЫЕ МЕТОДЫ НАНЕСЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ 

 

1.1 Основы печатных технологий 

 
В историческом плане печатные технологии получили разви
тие и применение в черчении, рисовании и полиграфии. Наиболее 
широко используемыми являются четыре способа полиграфической печати [8]. 

1. Высокая печать. Перенос чернил на основание осуществля
ется с печатной формы, на которой печатающие элементы расположены в одной плоскости и выше пробельных.   

2. Глубокая печать. Передача изображения на подложку вы
полняется с печатной формы, на которой пробельные элементы 
расположены в одной плоскости, образуя непрерывную сетку, и 
выше печатающих элементов. 

3. Плоская печать. Перенос растворов материалов на основа
ние осуществляется с печатной плоской формы, на которой печатающие и пробельные элементы расположены  в одной плоскости.  

4. Трафаретная печать. Печатающие элементы представлены в 

слое трафарета в виде ячеек (сетка). Раствор материала проталкивается сквозь сетку с помощью ракеля. Трафаретная печать осуществляется касанием трафарета к основанию (шелкография) или 
без касания (струйная печать). 

К полиграфическим способам печати можно добавить офисные 

и ручные, также предназначенные для нанесения тонких пленок 
красителя на основание, например шариковое дозирование, фотографии и профилограмма линии которого приведена на рисунке 1.1. 

Ширина линии имеет ориентировочное значение 150 мкм, а 

профиль повторяет окружность пишущего шарика. Значение толщины наносимого материала чернил имеет значение 1,3–1,4 мкм. 
Острые «пики» – это не более чем зрительный обман, обусловленный различием масштабов по вертикали и горизонтали в 20 раз.  

К полиграфическим способам печати относятся также плот
терные методы, широко использованные в двадцатом столетии для 

черчения конструкторской документации с применением рейсфедеров (рисунок 1.2) [9, 10]. 

   

 

а                                                                        б 

Рисунок 1.1 – Профилограмма (а) и фотография (б) линии,  

оставленной на бумаге шариковой ручкой 

 

 
 

а                                                                        б 
Рисунок 1.2 – Фотографии металлического (а)  

и стеклянных (б) рейсфедеров  

 
Пишущий кончик рейсфедера погружали в емкость с чернила
ми на глубину 1–2 мм. Чернила под действием капиллярных сил 
заполняли пространство внутри рейсфедера на высоту 3–5 мм. После извлечения рейсфедера из емкости с чернилами кончик осушали ватным тампоном или делали пробные штрихи по поверхности,  
переносили к месту начала черчения линии, опускали до соприкосновения с бумагой и, перемещая рейсфедер без потери контакта с 
основанием, проводили линию, пока чернила не заканчивались 

и линия не прерывалась. Искусство ручной технологии плоттерного нанесения заключалось в таком движении инструмента, при котором отсутствовали ненужные точки и расширения линии в момент первоначального соприкосновения рейсфедера с бумагой. 

В результате использования любого из вышеназванных спосо
бов на основании образовывалась тонкая пленка наносимого материала (чернил). 

Сходство полиграфической продукции и изделий микро- и  

наноэлектроники заключается в их слоистой структуре. Действительно, страница с текстом создается в принтере путем нанесения 
слоя пигмента на бумажное основание и, например, печатная плата 
функционального узла электронного устройства есть основание 
(пусть не бумажное, а текстолитовое) с опять же нанесенными токопроводящими дорожками. Внутренняя структура электронных 
приборов также представляет собой «слоеный пирог». Для примера 
рассмотрим упрощенную структуру полевого транзистора с изолированным затвором (рисунок 1.3) [11]. 

 

 

Рисунок 1.3 – Упрощенная структура  

полевого транзистора 

 
Принцип работы полевого транзистора заключается в измене
нии высоты проводящей части канала в подзатворной области  
полевого транзистора высотой h и длиной l при изменении потенциала затвора. Подзатворная область, слой диэлектрика, металли

ческий слой затвора – это тонкие пленки, что наводит на сравнение  
конструкции полевого транзистора с полиграфической продукцией.  

На рисунке 1.4 представлена конструкция органического све
тоизлучающего диода [12]. Устройство нижнего излучения содержит последовательность слоев 1, 2 (21–23), 3 (31–33) и 5 для излучения света 4 по меньшей мере через частично прозрачный нижний 
электрод 12 (121–124) и через частично прозрачный материалоснову 11. 

 

 

Рисунок 1.4 – Структура органического светоизлучающего диода   
 
Нижний электрод 12, верхний электрод 3 и пакет 2 органиче
ских слоев покрыты защитным элементом 5, чтобы предохранить 
пакет 2 органических слоев от воздействий окружающей среды 
и таким образом обеспечить достаточный срок службы. Пакет 2 состоит из одного или более органических слоев, содержащих по 
меньшей мере один слой, излучающий свет (4) на нижнюю сторону 
органического электролюминесцентного устройства. Помимо светоизлучающего слоя, пакет 2 органических слоев может содержать 
транспортный слой электронов между светоизлучающим слоем и 
катодом и/или транспортный слой дырок между светоизлучающим 
слоем и анодом. Пакет слоев 2 может также содержать несколько 
светоизлучающих слоев, каждый из которых имеет свой спектр испускания. Типичная толщина органических слоев находится в интервале от 20 до 500 нм, что опять подтверждает слоистые свойства 
полупроводникового прибора. 

Учитывая слоистые свойства как внутренней структуры  

электронных приборов, так и конструкции функциональных уз- 
лов, очень привлекательными представляются полиграфические 

способы нанесения материалов в виде последовательности тонких 
пленок и в области создания электронной продукции.  

Очевидно, что применение печатных технологий будет опре
деляться наличием материалов, которые можно наносить в жидком 
состоянии, и способами их нанесения, которые должны обеспечивать требуемую толщину и неравномерность толщины пленок. 

Ниже коротко рассмотрены технологии, пришедшие из обла
сти полиграфии и используемые в изготовлении электронных 
устройств. 

  

1.2 Трафаретная печать в электронике 

 
В производстве электронных изделий широкое применение 

получили способы трафаретной печати с касанием сетчатого или 
металлического трафарета к основанию. К технологическим операциям, осуществляемым с использованием шелкографии, относятся 
нанесение припойной пасты на контактные площадки компонентов 
поверхностного монтажа, формирование диэлектрических покрытий на поверхности электропроводящих материалов и проводниковых топологий на диэлектрических основаниях, нанесение позиционных обозначений элементов и т.д.  

Качественные особенности трафаретной печати: 
 сравнительно большая толщина слоя наносимого материала 

(10–50 мкм), определяемая толщиной материала трафаретного полотна;  

 сравнительно невысокая плотность создаваемого рисунка 

(разрешение печати), определяемая шагом сетки или жесткостью 
металлического трафарета; 

 сравнительно высокая вязкость раствора наносимого веще
ства, препятствующая затеканию под трафарет в процессе нанесения; 

 возможность печати на гибкие основания. 
  
 

1.3 Струйная печать  

 
Струйная печать – это технология получения пленки при по
мощи микроскопических капель материала, распыляемого печатающей головкой принтера на подложку. На рисунке 1.5 приведена 
схема, поясняющая способ струйной печати [13].  

В настоящее время наибольшее распространение получили три 

способа струйной печати: воздушно-пузырьковая, пьезоэлектрическая и термоструйная. Капли пико- и нанометровых объемов выталкиваются при соответствующем импульсе, генерируемом либо 
тепловыми, либо пьезоэлектрическими приводами, используемыми 
в головке струйной форсунки.  

 

 

Рисунок 1.5 – Схема устройства струйной печати 

 
Основные требования к чернилам для струйной печати – хи
мическая стабильность, растворимость в обычных растворителях и 
возможность низкотемпературной обработки. Разработка коллоидного раствора для правильного выброса капель на целевую область 
путем сохранения приемлемого качества печатных слоев является