博士畢業(yè)留在中科院研究3D打印電路板，他說只做對當(dāng)代人類有貢獻的研究

來源：新材料在線

以曝光、顯影、蝕刻等減成法工藝為基礎(chǔ)制程的硅基微電子技術(shù)、覆銅電路板技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了50余年，集成電路加工的工藝越來越復(fù)雜，投資越來越大。集成電路工業(yè)已成為全球少數(shù)幾個跨國企業(yè)所壟斷的行業(yè)。

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(chǎn)品需求強烈， 同時，傳統(tǒng)工業(yè)污染、環(huán)境破壞已經(jīng)嚴重威脅到地球家園的“生態(tài)平衡”和人類的“生命安全”。綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展成為國際社會的共同的任務(wù)，也提升為中國的國家發(fā)展戰(zhàn)略，因此，在這一背景下，催生了一大類非傳統(tǒng)硅基電子技術(shù)，包括印刷與柔性電子技術(shù)、有機電子技術(shù)、可穿戴電子技術(shù)透明電子技術(shù)、紙電子技術(shù)、。其中印刷電子技術(shù)是集傳統(tǒng)印刷技術(shù)與電子技術(shù)于一體，將傳統(tǒng)印刷技術(shù)應(yīng)用于電子制造的一個新興技術(shù)與產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)傳統(tǒng)硅基微電子器件的加工制造技術(shù)相比較，印刷制造技術(shù)具有低耗能、節(jié)約材料、、無腐蝕工藝、綠色環(huán)保等特性而且適合輕薄、柔性、大面積電子產(chǎn)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(xué)所、中科院蘇州納米所、天津大學(xué)、北京印刷學(xué)院、與等單位發(fā)起了全國印刷電子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟。2012年5月，中國應(yīng)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(chǎn)業(yè)研究院在常州建立，這是中國第一個由地方發(fā)起建立的專注于印刷電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)的研究機構(gòu)。至此，我國的印刷電子行業(yè)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(xué)院化學(xué)研究所綠色印刷院重點實驗室，專訪中科院化學(xué)所張興業(yè) 副研究員，他主導(dǎo)的“柔性電路綠色數(shù)字化智能制造”項目為印刷電子行業(yè)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(yè)就決定留下來繼續(xù)做科研，見過他的人都知道，認真地有些“偏執(zhí)”，“專注于一個領(lǐng)域，希望做到五年十年后，別人想到這個領(lǐng)域就能想到我”、“如同向墻上敲釘子一樣，在一個領(lǐng)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(huán)境帶來改變和提升的成就感�！痹诖蠖鄶�(shù)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(xué)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(dāng)代人類有直接正面貢獻的研究”。

張興業(yè)，山東人，中科院化學(xué)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(yè)的高速發(fā)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(yōu)勢，世界電子電路產(chǎn)業(yè)逐漸從發(fā)達國家轉(zhuǎn)移到中國。2006年中國已經(jīng)取代了日本，成為全球產(chǎn)值最大的PCB生產(chǎn)基地，遠遠高于全球行業(yè)的增長速度�！爸袊�電子工業(yè)的崛起，使得中國成為電路板制造大國�！睆埮d業(yè)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(qū)已經(jīng)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(yè)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(luò)合廢水、一般清洗廢水、有機廢水等等。對我國相關(guān)地區(qū)造成了短期無法恢復(fù)的土地污染。”

在嚴峻的環(huán)境污染背景下，2011年，張興業(yè)與團隊開始探索開發(fā)綠色環(huán)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(shù)的基礎(chǔ)性研究，后來中科院先導(dǎo)專項重點扶持本項目的中試，加速產(chǎn)業(yè)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(shù)項目為電子工業(yè)提供一種綠色環(huán)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(yè)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(guī)模化處理和印刷軟件及硬件的集成等各種關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)綠色3D打印制造電路產(chǎn)業(yè)化。”主要通過層層噴墨打印導(dǎo)電墨水的工藝實現(xiàn)電路的增材制造。

打印電路制程與傳統(tǒng)蝕刻法電路制程對比

“項目優(yōu)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(xiàn)電路綠色化生產(chǎn)，不僅無“三廢”，同時能耗也顯著降低；第三就是實現(xiàn)電路智能制造，可實現(xiàn)電路板產(chǎn)業(yè)數(shù)字設(shè)計、遠程控制和“無人化”管理，實現(xiàn)“一鍵式”電路制造，為電路板產(chǎn)業(yè)對接“工業(yè)4.0”和《中國制造2025》提供智能化解決方案�！睆埮d業(yè)對新材料在線®說。同時，3D打印電子電路技術(shù)具有極強的保密性，避免電子設(shè)計圖的外流，在航天及軍工領(lǐng)域可獲得廣泛應(yīng)用。

技術(shù)競爭優(yōu)勢和核心指標

要實現(xiàn)綠色3D打印制造電路，一是印刷電子新材料的開發(fā)，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(dǎo)電墨水是3D噴墨打印電路關(guān)鍵技術(shù)和核心材料�！盀榱四苁勾蛴〕鰜淼碾娐钒灞３指叩耐�電率，導(dǎo)電墨水必須具備高銀含、低阻抗等特點�！睆埮d業(yè)對新材料在線®說道。但不曾料到，高銀含量的導(dǎo)電墨水卻給張興業(yè)團隊帶來另一個重大的技術(shù)難題。

3D打印電路過程中導(dǎo)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(dǎo)致維持墨水的穩(wěn)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(fā)初期，張興業(yè)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�！睆埮d業(yè)回憶道。

后來過渡到工業(yè)噴頭，難度成指數(shù)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�！睆埮d業(yè)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(yè)噴頭采用循環(huán)墨水，對墨水的需求量大增，至少幾升的量才能夠循環(huán)起來，這就對導(dǎo)電墨水的質(zhì)量、批次穩(wěn)定性和生產(chǎn)能力提出了非�？量痰囊�求。無數(shù)的難題接踵而至，張興業(yè)說：“作為項目的負責(zé)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(jīng)過幾年中科院立項對納米戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項的大力支持，張興業(yè)帶領(lǐng)團隊針對工業(yè)噴頭，不斷提升導(dǎo)電墨水生產(chǎn)能力、墨水質(zhì)量和批次穩(wěn)定性。

印刷電子技術(shù)

目前，張興業(yè)團隊目前已經(jīng)完成了納米銀粉和導(dǎo)電墨水的規(guī)模化生產(chǎn)能力，可實現(xiàn)年產(chǎn)導(dǎo)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(yè)噴頭；開發(fā)了基于工業(yè)噴頭的柔性電路數(shù)字化制造裝備，可實現(xiàn)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(jīng)重點開啟了在智能包裝領(lǐng)域卷到卷高速印刷生產(chǎn)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(lǐng)域的應(yīng)用。

“綠色”+“智造”引變電子產(chǎn)業(yè)格局
如今，張興業(yè)團隊開發(fā)的綠色3D打印電子電路技術(shù)已經(jīng)進入中試階段，正在進行產(chǎn)品正式投產(chǎn)前的試驗，對待市場，張興業(yè)很理性，也充滿信心。

根據(jù)HIS 2013 Printed Electronics Report顯示，印刷電子市場規(guī)模逐年增大，預(yù)計2020年印刷電子工業(yè)市值將達243億美元。從下游市場來看，技術(shù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)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(nèi)包裝企業(yè)開發(fā)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(lǐng)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(shù)字化制造解決方案；張興業(yè)介紹：“該技術(shù)還可滿足電子產(chǎn)品的柔性化、輕薄化等，我們已經(jīng)與國內(nèi)知名顯示企業(yè)共同承擔(dān)了科技部印刷顯示重點專項，一旦印刷柔性顯示技術(shù)成熟，保證我們能夠在這個行業(yè)占領(lǐng)一席之地�！备鶕�(jù) Grand View Research報告顯示，柔性電子市場規(guī)模預(yù)期，2024年市場規(guī)模超250億美元。

十三五，我國著力發(fā)展印刷電子與3D打印為全球兩大顛覆性的產(chǎn)業(yè)， 已經(jīng)將印刷電子、印刷顯示技術(shù)列入“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃，并列為國家重點研發(fā)計劃，認為這是中國制造走向中國創(chuàng)造、中國智造的千載難逢的機會。

或許用不了多久，張興業(yè)用科研改變?nèi)祟惿�活的夢想將得以實現(xiàn)，秉著“綠色”+“智造”的特性，綠色3D打印電子電路技術(shù)或?qū)⒁�變電子工業(yè)格局。