印刷复杂的电子电路的制作方法【专利说明】印刷复杂的电子电路[0001]相关串请案的交叉参考[0002]本申请案是基于由威廉.约翰史东.雷(WilliamJohnstoneRay)等人于2013年3月14日申请的第61/785，292号美国临时申请案，所述申请案被让渡给本受让人且以引用的方式并入本文中。
技术领域：
[0003]本发明涉及在衬底上以单独群组印刷预成形微观半导体装置，例如晶体管及二极管，其中每一群组中的随机分布装置经并联连接，且本发明涉及使群组互连以产生更复杂电路，例如逻辑电路。【
背景技术：
】[0004]通过本受让人自身的工作已了解如何以适当定向在导电衬底上形成及印刷微观两端垂直发光二极管(LED)及将LED并联连接以形成光板。可于标题为“制造二极管的可印刷液体或胶体悬浮合成物的方法(MethodofManufacturingaPrintableComposit1nofLiquidorGelSuspens1nofD1des)”的美国申请公开案US2012/0164796中找到此类LED印刷的细节，所述案被让渡给本受让人且以引用的方式并入本文中。[0005]图1是可使用下列工艺印刷的LED16的层的横截面图。每一LED16包含标准半导体GaN层，包含η层及活性层以及ρ层。[0006]LED晶片(含有数千个垂直LED)经制作使得每一LED16的底部金属阴极电极18包含反射层。每一LED16的顶部金属阳极电极20为小的以允许几乎所有LED光逸出阳极侦U。通过粘着层接合到LED晶片的“顶部”表面的载体晶片可用于接达到LED的两侧以进行金属化。随后，例如通过围绕每一LED向下蚀刻沟槽到粘着层及溶解暴露的粘着层或通过薄化载体晶片而切分LED16。[0007]随后，将微观LED均匀浸泡于包含粘度改质聚合物树脂的溶剂中，以形成用于印刷(例如丝网印刷或胶版印刷)的LED墨水。[0008]如果需在印刷后使阳极电极20定向在与衬底22相反的方向上，那么使电极20较高以使得LED16在安定在衬底表面上时通过流体压力而在溶剂中旋转。LED16旋转到最小电阻的定向。已实现超过90%的类似定向。[0009]在图1中，提供起始衬底22。如果衬底22本身不导电，那么例如通过印刷在衬底22上沉积反射导体层24(例如，铝)。衬底22可为薄的且柔性。[0010]随后，例如通过胶版印刷在导体层24上印刷LED16，其中辊板上的图案确定了卷带式工艺的沉积，或通过使用适当网进行丝网印刷以允许LED穿过并控制层的厚度而在导体层24上印刷LED16。由于相对较低浓度，LED16将被印刷为单层，且相当均匀地分布在导体层24上方。[0011]随后，使用例如红外线炉使溶剂热蒸发。在固化后，LED16保持附接到下伏导体层24，其中溶解在LED墨水中的少量残余树脂作为粘度改质剂。树脂的粘着性质及在固化期间LED16下方的树脂的量的减小会将底部LED电极18压抵在下伏导体24上，从而与其进行欧姆接触。[0012]随后，在表面上方印刷电介质层26以囊封LED16且进一步将其固定在适当位置中。[0013]随后，在电介质层26上方印刷顶部透明导体层28以电接触电极20且在适于所使用的透明导体类型的炉中固化顶部透明导体层28。[0014]如果需要散布电流，那么随后沿着导体层24及28的相反边沿印刷金属汇流条30至IJ33，且金属汇流条30到33分别电终接在阳极及阴极引线(未展示)用于供电给LED16。汇流条30到33最终将连接到正或负驱动电压。[0015]图2是图1的俯视图。图2的横截面是图3的水平对分。LED16在经印刷层中的位置是随机的。[0016]如果将适当电压差施加到阳极及阴极引线，那么具有适当定向的所有LED16将被照明。图1展示光线38。[0017]上述工艺严格结合具有顶部电极及底部电极的两端装置使用，这是因为LED在衬底上的位置是随机的，且仅可通过将LED夹置于任何厚度的两个导电层之间而互连LED。此夕卜，上述工艺严格用于形成用于产生光的LED阵列。所述LED不旨在执行任何类型的逻辑功能，这是因为并联连接的LED的阵列只形成单个二极管。[0018]将期望调适上述印刷/固化工艺以产生涉及三端晶体管、二极管及可能的额外类型的组件的复杂印刷电路以执行逻辑功能。【
发明内容】[0019]本发明大体上涉及在衬底(例如柔性电路)上以小的单独群组印刷预成形微观(例如，介于10微米到200微米之间的尺寸)电子装置，包含晶体管及二极管。每一群组可含有例如大约10个装置。每一群组中的装置是使用经印刷导体层并联连接。[0020]每一群组充当单个装置(例如，单个晶体管或单个二极管)，这是因为相同装置在每一群组中并联连接。在形成群组后的任何时间，群组随后经互连(编程)以形成自定义电路，例如用于执行指定功能的逻辑电路。[0021]在一个实施例中，所印刷装置是晶体管或二极管，且编程步骤形成多个逻辑门。在另一实施例中，衬底最初经处理以从群组形成逻辑门的阵列，且后续“编程”步骤通过使门互连以形成复杂的逻辑电路而自定义衬底。因此，经印刷衬底可形成可编程门阵列。[0022]在一个实施例中，“编程”以形成电路是通过以下步骤执行:在衬底上形成疏水掩模；界定互连图案；及随后沉积导电材料以在衬底上形成互连金属迹线。在另一实施例中，互连迹线通过胶版印刷或丝网印刷直接印刷在衬底上。[0023]装置的群组可均为相同装置(例如，晶体管)或为多种装置(例如，晶体管及二极管)。电路可为除逻辑电路以外的电路，例如控制电路、切换电路、模拟电路等。[0024]许多类型的电组件使用三个端子，例如MOSFET、双极晶体管、JFET、晶闸管、硅控整流器等。此类组件中的常规组件通常针对横向装置在顶部上具有三个端子，或针对垂直装置在顶部上具有两个端子且在底部上具有一个端子。已知通过在衬底上方印刷各种晶体管层而形成薄膜晶体管，但是此类经印刷晶体管的性能归因于印刷单晶体的困难而不良。如果晶体管(或其它三端装置)可更常规地形成在半导体晶片中且随后经切分以产生作为墨水印刷的微观装置，那么装置的质量可为第一流的。然而，迄今为止，尚不知道如何设计此类装置或在印刷后使此类三端微观装置互连以执行复杂的功能。[0025]在一个实施例中，形成三端装置(例如晶体管)的半导体(例如，硅)晶片。晶体管经形成在晶片中以具有底部电极、顶部电极及定位于装置的顶部与底部之间某处的架子上的中间电极。起始晶片最终通过粘着剂贴附到载体晶片以在制作晶体管时可接达到所述晶体管的两个表面。[0026]通过围绕每一晶体管形成沟槽而将晶体管切分为个别晶体管，例如以形成六边形装置。沟槽向下延伸到粘着层且粘着层溶解在溶液中，从而从载体晶片释放所有晶体管。[0027]随后，将晶体管均匀混合到溶液中以形成墨水。晶体管的形状导致其大多数以所需定向印刷在衬底上。[0028]随后，印刷晶体管以在衬底上方的相关联第一导体层部分上形成晶体管的群组的阵列，且使墨水固化(加热及蒸发)，使得每一晶体管的底部电极欧姆接触到此类第一导体层部分。归因于溶液中的晶体管的相对低密度，晶体管将被印刷为松散单层。产品中的任何层的印刷可通过胶版印刷(尤其适于卷带式工艺)、丝网印刷(在形成平板时尤其适用)或其它类型的印刷。[0029]随后，在第一导体层部分上方印刷第一电介质层。第一电介质层未覆盖中间电极。随后，印刷与第一导体层部分对准的第二导体层部分，第二导体层部分接触中间电极但未覆盖顶部电极。各种薄的经印刷层通过强表面张力而自平坦化，使得层未覆盖“高于”层的厚度的任何特征。或者，层可在固化后经毯覆式蚀刻以暴露任何电极。[0030]随后，在第二导体层部分上方印刷第二电介质层，但未覆盖顶部电极。随后，印刷顶部(第三)导体层部分以接触每一群组中的晶体管的顶部电极。[0031]因此，晶体管的顶部电极并联连接，底部电极并联连接，且中间电极(或其子集)并联连接，以传导广泛范围的电流。[0032]如上所述，随后可在编程步骤中使群组互连以形成逻辑门或更复杂电路。[0033]可印刷微观垂直二极管来代替晶体管，且只需两个导体层以使每一群组中的二极管并联连接。[0034]对于简单无源装置(例如电阻器)，电阻材料本身(而非印刷含有个别电阻器的墨水)可被印刷在小区域中，且通过导体沿着电阻器长度在何处接触电阻器来确定电阻。[0035]衬底的不同区域可印刷有不同装置或相同装置，且每一区域中的装置被并联连接。因此，每一区域本质上是单个装置。导体层终接在衬底上紧邻每一区域的连接器区域中。[0036]在一个实施例中，衬底可具有指定“贴片(patch)”区域，其中制成群组或门的互连。此简化经编程互连的设计，这是因为贴片区域可针对编程步骤而优化。[0037]装置经形成使得在群组中的一些装置经倒置印刷或形成不良连接的情况下，对群组中的适当定向当前第1页1 2 3 4