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(xiàn)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(gè)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(qiáng)烈,， 同時(shí)，傳統(tǒng)工業(yè)污染,、環(huán)境破壞已經(jīng)嚴(yán)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(jī)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(jī)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目為印刷電子行業(yè)帶來了新商機(jī),。

他決心
只做對人類有貢獻(xiàn)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(rèn)真地有些“偏執(zhí)”,，“專注于一個(gè)領(lǐng)域，希望做到五年十年后,，別人想到這個(gè)領(lǐng)域就能想到我”,、“如同向墻上敲釘子一樣，在一個(gè)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(fèi)了大量寶貴時(shí)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(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yán)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(jī)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(yán)峻的環(huán)境污染背景下，2011年,，張興業(yè)與團(tuán)隊(duì)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(xiàng)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(xiàng)重點(diǎn)扶持本項(xiàng)目的中試,，加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

項(xiàng)目立項(xiàng)后,，他便把自己的所有時(shí)間都投入到綠色印刷電路板的研究中來,，他的決心遠(yuǎn)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(xiàng)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(xiàng)目以綠色3D打印電子電路的核心，即打印電路為切入點(diǎn),，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(shí)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(shí)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(xiàng)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(gè)周期,，所印即所得,。第二是實(shí)現(xiàn)電路綠色化生產(chǎn)，不僅無“三廢”,，同時(shí)能耗也顯著降低,；第三就是實(shí)現(xiàn)電路智能制造，可實(shí)現(xiàn)電路板產(chǎn)業(yè)數(shù)字設(shè)計(jì),、遠(yuǎn)程控制和“無人化”管理,，實(shí)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(shí),，3D打印電子電路技術(shù)具有極強(qiáng)的保密性，避免電子設(shè)計(jì)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(biāo)

要實(shí)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,。“為了能使打印出來的電路板保持高的通電率,，導(dǎo)電墨水必須具備高銀含,、低阻抗等特點(diǎn),。”張興業(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(tuán)隊(duì)帶來另一個(gè)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?yàn)楹�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(tuán)隊(duì)都是采用Epson辦公用的打印機(jī)，如Me70的噴頭,�,！斑@類噴頭從愛普生原裝機(jī)器上拆卸的，價(jià)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(gè),，成本較低,，也沒有什么維護(hù)�,！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,�,！跋窨旅�1024系列或富士Samba一個(gè)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(fèi)用，還有客戶安裝費(fèi),、誤工費(fèi)等,。”張興業(yè)說道。同時(shí),，在原來的圖文打印,，有一個(gè)或幾個(gè)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(gè)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)能力提出了非常苛刻的要求,。無數(shù)的難題接踵而至,，張興業(yè)說：“作為項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，我壓力很大,。那時(shí)候,，吃飯、睡覺都在想著解決方案和可行性,�,！�

時(shí)也運(yùn)也。經(jīng)過幾年中科院立項(xiàng)對納米戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)的大力支持,，張興業(yè)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(shí)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(shí)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(shí)已經(jīng)重點(diǎn)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(jī)電路,、薄膜電路和印刷柔性顯示四個(gè)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(tuán)隊(duì)開發(fā)的綠色3D打印電子電路技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入中試階段,，正在進(jìn)行產(chǎn)品正式投產(chǎn)前的試驗(yàn),，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(jì)2020年印刷電子工業(yè)市值將達(dá)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(fèi)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(biāo)簽，大幅降低智能化包裝成本,；其次是智能手機(jī)領(lǐng)域,，如手機(jī)天線、手機(jī)揚(yáng)聲器薄膜電路等,，為智能手機(jī)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(diǎn)專項(xiàng),，一旦印刷柔性顯示技術(shù)成熟，保證我們能夠在這個(gè)行業(yè)占領(lǐng)一席之地,�,！备鶕�(jù) Grand View Research報(bào)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,，認(rèn)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(jī)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�?shí)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,。