Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

نقل الليزر التي يسببها إلى الأمام من حج Nanopaste

Published: March 31, 2016 doi: 10.3791/53728
Automatic Translation
1, 2, 2, 2
1National Research Council Research Associates Program, Naval Research Laboratory, 2Materials Science and Technology Division, Naval Research Laboratory

Abstract

على مدى العقد الماضي، كان هناك الكثير من التنمية من طرق غير معدني 1-3 لأحبار الطباعة المعدنية أو المواد الفنية الأخرى. أصبحت العديد من هذه العمليات مثل النافثة للحبر 3 والليزر التي يسببها نقل إلى الأمام (ليفت) 4 شعبية متزايدة كفائدة في مجال الالكترونيات للطباعة والزخرفة maskless نمت. هذه مضافة عمليات التصنيع هي رخيصة وصديقة للبيئة، ومناسبة تماما لالنماذج الأولية السريعة، بالمقارنة مع أكثر تقنيات معالجة أشباه الموصلات التقليدية. في حين تقتصر معظم عمليات المباشر والكتابة إلى الهياكل ثنائية الأبعاد، ولا يمكن التعامل مع المواد ذات اللزوجة العالية (خاصة النافثة للحبر)، ويمكن LIFT تجاوز معوقات إذا أجريت بشكل صحيح. نقل المنسجمة من ثلاثة بكسل الأبعاد (وتسمى voxels)، كما يشار إلى نقل مائي ليزر (LDT) 5-9 في الآونة الأخيرة أظهرت، مع تقنية LIFT باستخدام شديدة اللزوجة حج nanopastوفاق لافتعال قائما بذاته يربط والأشكال فوكسل معقدة، والهياكل المرتفعة التي تبلغ نسبة أبعادها. في هذه الورقة، ونحن لشرح عملية بعد تنوعا بسيطة لافتعال مجموعة متنوعة من هياكل حج الصغرى وmacroscale. وتشمل الهياكل والأشكال البسيطة للالزخرفة الاتصالات الكهربائية، سد والهياكل ناتئ، والهياكل المرتفعة التي تبلغ نسبة أبعادها، وطلقة واحدة، والتحويلات مساحة واسعة باستخدام رقاقة التجاري جهاز micromirror الرقمية (DMD).

Introduction

المضافات تقنيات الطباعة ذات أهمية كبيرة للالزخرفة من المواد الفنية على مجموعة متنوعة من ركائز. هذه ما يسمى عمليات "مباشر والكتابة"، بما في ذلك micropen 10، والتجمع المباشر والكتابة 11، النافثة للحبر 12، وLIFT 4، مناسبة تماما لتصنيع مجموعة متنوعة من أحجام ميزة تتراوح بين شبه ميكرون إلى macroscale 1،2 . المزايا الأساسية لهذه التقنيات منخفضة التكلفة، والحفاظ على البيئة، والتحول السريع من مفهوم النموذج الأولي. في الواقع، النماذج الأولية السريعة هو الاستخدام الرئيسي لهذه العمليات. تتكون المواد التي تستخدمها هذه العمليات عادة من تعليق جسيمات متناهية الصغر داخل المذيب، وتتطلب عموما فرن علاج خطوة بعد ترسب من أجل تحقيق الخصائص الوظيفية. على الرغم من أن micropen والتجمع المباشر والكتابة هي بسيطة نسبيا لتنفيذ، على حد سواء تعتمد على اتصال مستمر مع خيوط الركيزة المستقبلةخلال الاستغناء. على الرغم من أن النافثة للحبر هو بسيط، وعدم الاتصال المباشر طريقة الكتابة، فإنه عادة ما تقتصر على نقل اللزوجة المنخفضة، تعليق جسيمات متناهية الصغر حميدة كيميائيا لتفادي انسداد و / أو تآكل فتحات صرف. وبالإضافة إلى ذلك، وأنماط الطباعة مع ميزات حافة محددة جيدا من قبل النافثة للحبر هي صعبة للغاية نظرا لسلوك متغير من السوائل على الأسطح المختلفة وما ينتج عنه من عدم الاستقرار بسبب التبول الآثار 13. بغض النظر، تمتعت النافثة للحبر بأكبر قدر من الاهتمام من الباحثين حتى الآن.

LIFT، من ناحية أخرى، هو عدم الاتصال، عملية مضافة خالية من فوهة التي هي قادرة على نقل عجينة عالية اللزوجة مع حواف محددة جيدا. في هذه العملية، يتم نقل كميات محددة من المواد المعقدة من ركيزة المانحة (أو "الشريط") إلى الركيزة المتلقي باستخدام نبضات الليزر 4 كما هو مبين تخطيطي في الشكل 1. عند استخدام معجون اللزوجة العالية، فمن POSSible لفوكسل المطبوعة لتتناسب مع حجم وشكل ليزر الحادث قسم نبض عبر 5. وقد أحيلت هذه العملية باسم نقل مائي ليزر (LDT)، وتقدم نهجا فريدا إلى الكتابة المباشرة التي شكل فوكسل وحجم وبسهولة المعلمات السيطرة عليها، والسماح للجيل غير معدني هياكل لمجموعة واسعة من التطبيقات مثل إصلاح الدائرة 14، ارء 7، يربط 8، وهياكل قائمة بذاتها 15. القدرة على إيداع الأشكال المعقدة في خطوة نقل واحد يقلل كثيرا من الوقت اللازم لتجهيز والابتعاد عن المشاكل المتعلقة بدمج voxels متعددة، وهي مشكلة شائعة في معظم تقنيات الطباعة الرقمية. القدرة على ضبط التعريف المكاني من نبضات الليزر الفردية 17 حيوي يعمل على زيادة سرعة الكتابة من LDT بالمقارنة مع الكتابة مباشرة تقنيات الليزر الأخرى (لدو). ونتيجة لهذه المزايا معالجة، فإننا نشير إلى عملية LDT بأنها"بشكل متوازي جزئيا" لأنه يتيح الجمع بين عدة خطوات الكتابة التسلسلية إلى واحد مواز واحد. درجة الموازاة يعتمد في النهاية على القدرة على تغيير بسرعة الليزر المقطع العرضي الشخصي، وبالتالي شكل فوكسل الناتجة، وعلى السرعة التي الشريط والركيزة يمكن ترجمتها.

للمساعدة في تصور عملية، وصفت سلوك المواد خلال عملية LIFT تخطيطي في أرقام 2A، 2C، و2E لمدة ثلاثة اللزوجة عجينة مختلفة. للأحبار اللزوجة المنخفضة (الشكل 2A) 9، وعملية نقل يلي النفث السلوك، مما أدى إلى تشكيل مدورة، voxels نصف كروية الشكل (2B) 18. الشكل 2C يصور نقل عن تعليق اللزوجة العالية جدا، التي فوكسل طرد الخبرات تجزئة على غرار ما هو لاحظ مع LIFT من ذلكغطاء طبقات السيراميك 19. 2E الشكل يصور نقل LDT من nanopaste مع مناسبة، اللزوجة المتوسطة، حيث فوكسل صدر لا يخضع لتشكيل تشوه يرجع إلى السطح آثار التوتر ويصل الركيزة المتلقي سليمة. ويظهر تأثير اللزوجة على شكل voxels المنقولة في صور القوة الذرية المجهر (AFM) في أرقام 2B، 2D، و2F. كما يوضح الشكل 2F، فمن الممكن الحصول على حادة، voxels واضحة المعالم لمجموعة مناسبة من اللزوجة، وعادة ~ 100 با · ثانية لحج nanopaste 5.

وعموما، كانت هناك تقارير قليلة من الأساليب التي تجمع بين الطباعة عدم الاتصال مع إمكانية هياكل 3D قرار ميكرون. يوفر طريقة LDT عملية حر قادرة على افتعال يربط مع قدرات الملعب الترابط غاية في الدقة. وهناك عدد من التطبيقات بما في ذلك الأجهزة الإلكترونية الدقيقة والإلكترونيات العضوية، وأنظمة إلكترونية صغيرة (MEMS) يمكن أن تستفيد من هذه العملية. نحن هنا لشرح عملية لعدم الاتصال والطباعة ثلاثية الأبعاد وكذلك واحد من الليزر شوت والطباعة مساحة كبيرة (عن طريق رقاقة DMD) من اللزوجة العالية حج nanopaste.

Protocol

1. جعل ركائز المانحة

  1. قناع حواف شريحة زجاجية مع الشريط ترك المنطقة الوسطى من الزجاج المغطى.
  2. غمر الشريحة في التخزين المؤقت HF (6: 1 نسبة من 40٪ NH 4 F في المياه إلى 48٪ HF في الماء) لمدة 3-15 دقائق. ملاحظة: هذا حفر في وسط الشريحة التي هي غير المقنعة، وخلق جيدا. يجب أن يكون عمق البئر بين 1 و 5 ميكرون، والذي يمكن تحديده من خلال profilometer القلم أو AFM باستخدام تعليمات الشركة الصانعة.
  3. إزالة القناع الشريط.

2. إنشاء الشريط الحبر

  1. نشر كمية صغيرة من معجون حج في جانب واحد من البئر. ضمان وجود ما يكفي لملء البئر، تقريبا في حدود 10 ملغ. وليس من الضروري لقياس كمية لأول مرة، ولكن.
  2. سحب بحزم شفرة معدنية على التوالي في جميع أنحاء البئر، ونشر طبقة رقيقة من معجون عبر مجملها. موحد توزيع معجون دون أي بقع رقيقة. المنتج النهائي من ثيويسمى "الشريط" - الصورة العملية - وهو صغير يحتوي أيضا الحبر حج.
  3. امسحي أي معجون التي تنتشر خارج البئر مع مختبر مسح.

3. تجفيف الشريط

  1. وضع الشريط وجها حتى في بيئة منخفضة الرطوبة. مربع مليئة النيتروجين الجاف يعمل على نحو أفضل.
  2. مغادرة الشريط لا يقل عن 2 ساعة على RT. عند هذه النقطة، يجب أن يكون لزوجة الحبر عالية بما فيه الكفاية للطباعة.
    ملاحظة: بعد تجفيف كافية، وأشرطة الحبر يمكن تخزينها لمدة شهر تقريبا عن طريق وضع جيد وجها لأسفل على شريحة زجاجية أخرى وتخزينها في بيئة جافة النيتروجين. مرة واحدة المخزنة بهذه الطريقة، فإنه لا بأس أن يترك أشرطة الحبر غير المراقب لفترات طويلة من الزمن.

4. Voxels الطباعة

  1. إرفاق الركيزة المتلقي لمرحلة متعدية XY باستخدام تشوك فراغ أو الشريط على الوجهين. ملاحظة: الركيزة المتلقي يجب أن تكون مسطحة، ولكن ليس هناك أي قيود أخرى. رقائق السليكون، GLالشرائح الحمار، أو 200 درجة مئوية البوليمرات متوافقة كلها ركائز استقبال مقبولة.
  2. وضع الحبر الشريط وجها لأسفل على الركيزة المتلقي.
  3. التركيز على الإعداد البصرية من خلال الجزء الخلفي من الركيزة المانحة، على سطح الخلفي من الحبر داخل البئر.
    ملاحظة: هناك العديد من الطرق لترتيب البصريات لهذه العملية، ولكن الخطوات التالية / مكونات ضرورية:
    1. استخدام الليزر الأشعة فوق البنفسجية نابض مع شعاع لها "أعلى قبعة" توزيع الطاقة المكانية (على العكس من التمويه). استخدام الليزر قادرة على إطلاق نبضات الفردية، والتي قد تتطلب المغير صوتية البصرية controllably. المغير صوتية البصرية يتيح للمستخدم التحكم في إطلاق النار من البقول الفردية.
    2. تمرير شعاع من خلال فتحة، وتشكيل المقطع العرضي للشعاع في الشكل المطلوب. لاحظ أن شكل فتحة يحدد شكل فوكسل. وهذا هو القول، وتصوير الفتحة أساسا على الركيزة المانحة، مماثلة لماسك الإسقاط.
    3. استخدام الهدف المجهري للحد من حجم القسم شعاع الصليب، والذي يحدد حجم فوكسل المطبوعة. على سبيل المثال، إذا كان 10X عوائد موضوعية voxels مربع مع 50 ميكرون أبعاد الجانبية، ثم هدف 50X وطباعة نفس الشكل (مربع) voxels مع 10 ميكرون أبعاد الجانبية.
    4. وضع كاميرا فيديو في خط (عن طريق شعاع الخائن) بهدف المجهري. وهذا يسمح الرصد النشط للشريط الحبر.
  4. إطلاق نبضة ليزر واحد على الركيزة المانحة. قيمة انطلاق معقولة للفلوينس الليزر هو في حدود 40-60 ميغا جول / سم 2. تأكد من وجود حفرة مرئية في شكل المقطع العرضي شعاع الليزر حيث تم إخراج فوكسل. إذا كان الثقب هو غير مرئي، وهناك عدة أسباب محتملة:
    1. خارج تركيزي.
      1. ضبط ارتفاع الهدف التركيز. وهذا قد جعل ثقب في التركيز.
    2. باستهلاك منخفض للطاقة.
      1. المؤتمر الوطني العراقي ببطءrease طاقة الليزر تصل إلى فلوينس من 60-80 ميغا جول / سم 2. قد تتطلب أكثر سمكا وأشرطة الحبر القيم فلوينس عالية.
    3. اللزوجة الحبر منخفضة جدا.
      1. إذا تم إخراجه من فوكسل لكن ثقب في شريط الحبر الغيارات على الفور، ثم لزوجة الحبر لا تزال منخفضة للغاية، وبالتالي تجفيف الشريط لمدة 30 دقيقة أخرى بناء على تعليمات في الخطوة 3 ثم تبدأ الخطوة 4 مرة أخرى.
  5. نقل المرحلة متعدية XY على طول X و Y محاور إلى بقعة جديدة.
  6. إطلاق نبضة ليزر واحد على الركيزة المانحة مرة أخرى، وينبعث عنها فوكسل وترك حفرة محددة بشكل حاد، حيث تم إخراج فوكسل من شريط الحبر.

5. الهياكل المعقدة الطباعة

  1. إنشاء خطوط من خلال ربط معا voxels المجاورة على النحو التالي:
    1. نقل فوكسل كما هو موضح في 4،1-4،4.
    2. نقل XY المرحلة متعدية طول فوكسل واحد على طول X أو Y الاتجاه.
    3. نقل فوكسل كما هو موضح في 4،1-4،4.
    4. كرر هذه العملية حتى يتم الحصول على خط طويل بما فيه الكفاية.
  2. إنشاء سد أو ناتئ الهياكل على النحو التالي:
    1. محاذاة شعاع بحيث فوكسل طرد من شأنها سد فجوة هندسية على الركيزة المانحة أو مثل أن جزءا من فوكسل سوف عبء الماضي حافة فجوة الهندسية.
    2. نقل فوكسل كما هو موضح في 4،1-4،4. ملاحظة: إذا كانت اللزوجة عجينة منخفضة جدا، فوكسل قد تتفق مع ميزات تحتها بدلا من إنشاء جسر أو ناتئ.
  3. إنشاء هياكل نسبة الارتفاع عالية على النحو التالي:
    1. نقل فوكسل كما هو موضح في 4،1-4،4.
    2. دون تحريك الركيزة المتلقي، نقل الركيزة المانحة إلى بقعة جديدة على شريط الحبر.
    3. نقل فوكسل كما هو موضح في 4،1-4،4.
    4. كرر الخطوات من 5.3.2 و 5.3.3 حتى سمة من سمات التعليم العالي كافيةيتم الحصول على GHT. إذا تم بناء هيكل أطول من ~ 3-5 ميكرومتر، دوري إدراج الفواصل بين المتبرع والمتلقي الركيزة بحيث كومة فوكسل وشريط الحبر لا تتلامس مباشرة. لاحظ أن البصريات سوف تحتاج إلى تركيز كما هو موضح في القسم 4.4.1 لحساب التغير في الارتفاع الركيزة المانحة.

6. طباعة الصور المعقدة عبر نائب العضو المنتدب للرقاقة

  1. رسم أو تحميل صورة من شكل فوكسل المطلوب. تأكد من أن شكل ملف صورة نقطية. ملاحظة: من المهم جدا لاستخدام عامل demagnification من النظام البصري لتوسيع نطاق الرسم إلى حجم فوكسل التي سيتم طباعتها. ونائب العضو المنتدب للمحل أساسا على الفتحة، وذلك بدلا من تصوير شعاع مع ما هو في الأساس قناع الإسقاط، يتم استخدام مجموعة من micromirrors لتشكيل شعاع.
  2. اختيار الليزر المناسب (الأشعة فوق البنفسجية أو الأخضر).
  3. بدوره على DMD وفتح برنامج DMD.
    1. انقر على "فتح صورة" وتحميل الصور النقطية patteآر. اختر تحميل وإعادة تعيين.
    2. انقر على "أضف". يجب أن يظهر اسم ملف الصورة النقطية في اللوحة اليمنى.
    3. انقر على "تشغيل مرة واحدة". يتم تحميل نمط نقطية الآن على DMD.
  4. ترتيب المانحة والمتلقي ركائز على النحو المبين في الخطوات 4،1-4،3. نقل الحبر على النحو المبين في الخطوات 4،4-4،6.
  5. مرة نقل ناجحة، كرر الخطوات من 6،3-6،4 إذا لزم الأمر. ثم انتقل إلى الخطوة 7.

7. فرن

مرة واحدة تطبع كل voxels، وعلاج لهم في الفرن.

  1. وضع المتلقي الركيزة وجها حتى في الفرن.
  2. ترك لعلاج على حرارة 180 درجة مئوية لمدة 2 ساعة.

Representative Results

ويبين الشكل 3 ركيزة المانحة تمثيلية مع بئر في وسطها. تم استخدام شريحة زجاجية قياسية لالركيزة المانحة، وعمق البئر في هذه الحالة هو 1 ميكرون. لاحظ أن كل من nanopaste حج يقتصر على البئر مستطيلة وبقية الركيزة نظيفة. ومن المهم أيضا أن نلاحظ أن التلون هو موحد، مشيرا موحد تقريبا سماكة عجينة. المناطق مع تلوين أخف وزنا وتشير البقع رقيقة، والتي من الأفضل تجنبها. ويبين الشكل 4 صورة 20X البصرية الركيزة المانحة بعد مجموعة 6X6 من 20 ميكرون تم طرد × 20 ميكرون voxels مربع. في هذه الحالة المثالية، ليس هناك بقايا معجون الثغرات وكانت كل voxels طرد بالكامل من الشريط. إذا كانت الطاقة غير كافية أو إذا كان هناك بؤر كبيرة في ملف شعاع، سوف voxels فقط تنفصل جزئيا وتبقى عالقة على مساعدات من الشريط.

طرد Voxels من السلطة الفلسطينيةالمؤسسات التجارية الحكومية مع اللزوجة المختلفة يمكن العثور عليها في الشكل 5 9. عندما اللزوجة عجينة منخفضة، أي لم المجففة بما فيه الكفاية، التوتر السطحي سوف تتسبب في voxels لتصبح أكثر تنوعا، وفقدان شكلها الأصلي (كما رأينا في الشكل 5A وباء ). لاحظ كيف الأشكال من voxels في الشكل 5B تختلف عن الأشكال شعاع (عرض في أقحم في الشكل 5B). على الطرف الآخر، عندما اللزوجة عجينة عالية، أي كان على المجفف، voxels لديهم ميل للكسر عندما طرد كما رأينا في الشكل 5C والتطوير. وبالتالي، هناك مجموعة واللزوجة المتوسطة والتي تسمح بنقل voxels unfractured التي أبقت على شكل ملف شعاع كما رأينا في الشكل 5E وF. علينا أن نظهر نوعين من السلاسل فوكسل التي تشكل خطوط الموصلة طويلة. كان أول بسيطة نهاية إلى نهاية سلسلة في حركتيح تم نقل 40 × 60 ميكرون 2 voxels المجاورة لبعضها البعض (الشكل 6A و B) 20. عموما، كان هذا أسلوب الربط لا يمكن الاعتماد عليها إلى حد ما، مع واجهات كسر جزئيا أو كليا الظهور بعد العلاج لينة عند 100 درجة مئوية (كما رأينا في الشكل 6B). الطريقة الثانية المستخدمة حقق، المتشابكة voxels نقل نهاية إلى نهاية (الشكل 6C وD). الخطوط المنقطة في الشكل 6C توضح الشكل الأصلي للvoxels، وجودة عالية واجهة يجعل من الصعب حل بصريا الأشكال الفردية. هذا التأثير واضح جدا في الشكل 6D، حيث التماس بين voxels غير مرئية تقريبا. وكانت هندسة حقق أكثر موثوقية من نهاية نهاية إلى بسيطة، مع كل ما يقرب اجهات المتبقية مستمرة بعد 100 درجة مئوية علاج الشكل 7 يوضح مختلف هندستها التراص، وأنماط ونسب. أعزبفوكسل عبور 100 ميكرون سي خندق واسعة يمكن العثور عليها في الشكل 7A. الحصول على اللزوجة الحق هو من أهمية قصوى بالنسبة سد أو تطبيقات قائما بذاته من أجل منع فوكسل من الترهل أو مطابقة للهندسة الركيزة المتلقي. ويمكن رؤية الهياكل المعقدة، متعدد الطبقات في الشكل 7B-D، من بينهم اثنان من الأهرامات مكدسة وأعمدة نسبة صغيرة الجانب عالية. هذه هندستها مهمة للتطبيقات التي تتطلب الوصلات الرأسية وتمتد. وأخيرا، الشكل 8A يدل على الإعداد البصرية البديل الذي يستخدم رقاقة DMD التجاري، ويشار إلى "جهاز المرآة الرقمية" في الرسم البياني. كما هو موضح في الخطوة 6، كبيرة والصور المعقدة يمكن تحميلها على جهاز الكمبيوتر ونقل مع نبضة ليزر واحد. وهناك شعار المختبر الوطني المرجعي المطبوعة بنجاح يمكن العثور عليها في الشكل 8B. ونلاحظ أنه مع طلقة واحدة، ونحن يمكن نقل هيكل معجون بطول 1 مم وص ميزةesolution من ~ 20 ميكرون.

الشكل 1
الشكل 1. رسم تخطيطي من الإعداد LDT. لاحظ أن شكل فوكسل يتحدد شكل شعاع مستعرضة فقط للحبر عالية اللزوجة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2. الرسم التخطيطي فوكسل طرد. توضيح رسم تخطيطي لتطور نقل ل(A) اللزوجة المنخفضة، (C) اللزوجة العالية، و (E) اللزوجة المتوسطة. يتم توفير قطع AFM من voxels الناتجة في (ب)، (د)، و (F)، على التوالي. تم تعديل هذا الرقم من [9]. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. صور من حج الركيزة nanopaste المانحة. الركيزة نفسها هي شريحة زجاجية مع ميكرون 1 بئر عميقة في المركز. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (4)
الرقم 4. 20X الصورة البصرية للطبقة العجينة على الشريط (الركيزة المانحة) بعد نقل فوكسل. شارب، وحواف محددة جيدا وعدم وجود بقايا تشير يكفي تجفيف عجينة ونقل كامل من المواد في الشريط. jove.com/files/ftp_upload/53728/53728fig4large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5
وصفت ملامح شعاع الشكل 5. المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وصور من عدة voxels مختلفة. في أقحم (B). وطبعت ثلاثة أشكال مختلفة من فوكسل اللزوجة المنخفضة (A، B)، عالية اللزوجة (C، D)، واللزوجة المتوسطة (E، F). لاحظ أن اللزوجة المنخفضة تؤدي إلى فقدان الشكل وفوكسل الحدة بينما اللزوجة العالية تؤدي إلى انقسام فوكسل. تم تعديل هذا الرقم من [9]. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

ther.within الصفحات = "1"> الشكل (6)
وصفت الشكل 6. الصور SEM من سلاسل فوكسل الملتصقة اثنين من هندستها ربط: بسيطة نهاية إلى نهاية (A، B) وحقق المتشابكة (C، D). بشكل عام، حقق المتشابكة تم العثور على هندستها لتكون أكثر موثوقية في حين بسيطة من النهاية إلى النهاية لديهم ميل للقضاء بسبب انكماش خلال الخطوات الفرن. تم تعديل هذا الرقم من [20]. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 7
. الرقم 7. الصور ووزارة شؤون المرأة من عدة هياكل فوكسل معقدة هندستها وتشمل: أ فوكسل مستطيلة سد 100 ميكرون خندق واسع (A)، ليالي متعدد الطبقات caffold (B)، جانبا ارتفاع نسبة الهرم (C)، والعديد من أعمدة نسبة صغيرة الجانب عالية (D). تم تعديل هذا الرقم من [8]. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 8
الرقم 8. رسم تخطيطي ونتائج LDT عبر رقاقة DMD. في الرسم التخطيطي (A)، وقد تم استبدال فتحة الليزر مع رقاقة DMD، وهو تجمع كبير من المرايا الصغيرة. نمط من ملف صورة يمكن تصوير بإخلاص على الركيزة المانحة، إخراج نسخة طبق الأصل من نمط voxels في طلقة واحدة. وكمثال على ذلك، تم تحويل شعار المختبر الوطني المرجعي (ب) عن طريق تسديدة ليزر واحد.ig8large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

في هذه الورقة، ونحن أثبتنا عملية لعدم الاتصال والطباعة ثلاثية الأبعاد وكذلك واحد من الليزر شوت والطباعة مساحة كبيرة (عن طريق رقاقة DMD) من اللزوجة العالية حج nanopaste. وخلافا للتقنيات المباشر والكتابة الأخرى، مثل النافثة للحبر، وتقنية LDT الموصوفة هنا تسمح لطباعة الأشكال فوكسل معقدة مع نبضة ليزر واحد، أي في خطوة واحدة. بينما العديد من جوانب الإجراء قد تبدو واضحة، وهناك خطوات متعددة تتطلب اختبار تكرارية من أجل تحسين. أولا، معجون جفاف واللزوجة هي أهم العوامل لنجاح نقل. وعلى الرغم من سبق أن أكدت هذه النقاط مرارا وتكرارا في النص، ونكرر نقطة هنا أن أؤكد على أهمية. إذا كان الحبر اللزوجة منخفضة جدا، فإنه سيكون من المستحيل لطباعة الحادة والأشكال فوكسل واضحة المعالم. وهناك علامة منبهة إلى أن الحبر اللزوجة منخفضة جدا يحدث عند محاولة إخراج فوكسل. عندما يتم تشغيل نبضة ليزر، وسوف تظهر فوكسل لإخراج حظات، ولكن الحبر ملء مرة أخرى بسرعة في حفرة اليسار في الركيزة المانحة. في هذه الحالة، يجب على المستخدم وقف اطلاق النار ليزر وحبر ينبغي مواصلة معاملة على النحو المبين في الخطوات 3.1 و 3.2. إذا كان الحبر اللزوجة عالية جدا، وسوف تظهر عملية نقل فوكسل الناجح على الشريط. ومع ذلك، عند النظر في voxels على الركيزة المتلقي، سوف يكون هناك تمزق كبير، كسر، أو الحطام. في هذه الحالة، يحتاج المستخدم للتخلص من الشريط الحالي وجعل الشريط الجديد على النحو المبين في القسم 2. تحسين اللزوجة الحبر ووقت التجفيف يجب أن يتحقق من خلال تقييم نوعية محاولات نقل فوكسل. نحن لا ننصح محاولة لقياس اللزوجة من عجينة في أي لحظة. ثانيا، فلوينس الليزر هو تقريبا بنفس أهمية اللزوجة الحبر والتغيرات الصغيرة جدا في فلوينس يمكن أن يكون لها تأثير كبير على هذه العملية. يجب أن يكون واضحا جدا عندما الطاقة منخفضة جدا - فوكسللن أخرج من الركيزة المانحة. فمن المستحسن أن تبدأ مع مجموعة فلوينس اقترح في الخطوة 4.4، ثم تدريجيا جدا زيادة قيمة. ويطلق على أدنى طاقة أن يؤدي إلى نقل كامل لل"فلوينس عتبة". غالبا ما يكون من الأفضل أن تعمل في أو بالقرب من فلوينس عتبة لأن القيم فلوينس أعلى سوف تميل إلى كسر أو تمزق voxels. وأخيرا، اعتمادا على مجموعة متنوعة من الليزر المستخدمة لهذه العملية، يمكن أن يكون هناك بؤر التوتر في الملف الشخصي ليزر. وهذا قد يتطلب تعديل فتحة لأخذ عينات المنطقة أكثر تجانسا من الحزم. إذا كان شكل فوكسل طرد هو مشوه أو يطابق شكل من قسم شعاع عبر سيئة، يمكن أن النقاط الساخنة ليزر أو حبر سماكة طبقة أو التوحيد مسؤولا.

ما وراء المشاكل، هناك عدد قليل من القيود المفروضة على هذه التقنية. الخطوة فرن المعالجة النهائية يجعل من الصعب أو من المستحيل تحقيق voxels مع الخصائص الوظيفية المطلوبة على غير عالية تيemperature ركائز متوافقة. عموما، وnanopaste حج المستخدمة في هذه المخطوطة يتطلب درجة حرارة شفاء لا يقل عن 150 درجة مئوية من أجل الحصول على قيم الموصلية معقولة. تصنيع طبقة الحبر على الركيزة المانحة يحتاج إلى مزيد من الأمثل لتحسين التوحيد سمك، والتغطية المساحية ووقت المعالجة. سمك طبقة الحبر له تأثير كبير على فلوينس عتبة وجودة نقل، وسمك غير متجانس يمكن أن تجعل عملية النقل أمرا صعبا، خصوصا عند نقل voxels أصغر من 20 ميكرومتر × 20 ميكرون. التصميم الحالي للالركيزة المانحة يجعل من الصعب إنشاء أشرطة أكبر من 10S من سم، الأمر الذي يحد من الإنتاجية منطقة واسعة. وهكذا، ووضع البديل التصاميم الركيزة المانحة، مثل بكرة لبكرة أو الدورية القرص، وسوف تكون هناك حاجة لتعزيز الأتمتة وتجهيز منطقة أكبر.

قوة تقنية LDT تكمن في القدرة على نقل السوائل مع ارتفاعاللزوجة التي لا يمكن التعامل مع التقنيات الأخرى انخفاض في الطلب. مزايا LDT يمكن فصلها إلى قسمين الحالات التي يكون فيها أولا، عجينة الطباعة عالية اللزوجة يوفر تحسنا في جودة أو سرعة فوق طباعة منخفضة لصق اللزوجة وثانيا، في الحالات التي يكون فيها الطباعة مع ارتفاع معجون اللزوجة تمكن الهياكل التي لا يمكن الوصول إلى الطباعة اللزوجة المنخفضة . أمثلة من المزايا في الفئة الأولى هي: الحد الأدنى فوكسل تقلب من ترطيب الآثار، ودرجة عالية من السيطرة على شكل فوكسل والحجم، والحد الأدنى من الانكماش خلال المعالجة، والطاقة الليزر منخفض بالمقارنة مع عمليات LIFT أخرى (وبالتالي انخفاض سرعة نقل). الأمثلة في الفئة الثانية هي: الطباعة من الهياكل العالية التي تبلغ نسبة أبعادها، وهياكل سد، الكابولي، وأي بنية أخرى يتطلب حسن فوكسل الشكل-الاحتفاظ. من خلال الجمع بين عملية LDT مع رقاقة DMD، يتم تمكين الطباعة المتوازية من الأشكال المعقدة والأنماط، التي تسرع كثيرا من العملية الشاملة. وعلاوة على ذلك، رانه استخدام لنائب العضو المنتدب لتشكيل voxels يسمح التصاميم ليتم تحديثه بين نبضات الليزر، مما يتيح الطباعة السريعة من voxels إعادة التشكيل حيوي. وعموما، فإن معدل التحديث من DMD (33 كيلو هرتز) أبطأ قليلا من معدل تكرار ماكس ليزر (100 كيلو هرتز أو أعلى)، ولكن معدل الحد من عامل لسرعة الطباعة والترجمة المرحلة.

السبل الأساسية للنهوض بنظام LDT هي التطوير المستمر للمواد الإضافية، وتحسين عملية صنع الشريط، والاستمرار في توسيع نطاق العملية من خلال دمج تجهيز ضوء التكنولوجيا الرقمية (DLP) مثل رقاقة DMD. على الرغم من أن المواد المعدنية والعزل تم نقل بنجاح من خلال هذه العملية، وقد وضعت بعض المواد الفعالة. القدرة على طباعة المواد كهرضغطية، والمغناطيسية، أو الضوئية مع عملية LDT يمكن أن تفتح آفاقا التكنولوجية الهائلة. كما هو عليه، وهندسة SUBST المانحةحدود معدل تطويره. ان تطوير بكرة لبكرة أو الدورية ركائز القرص المانحة تبسيط العمليات إلى حد كبير. وأخيرا، مجموعة من LDT مع تقنية DLP هو تطور يحتمل أن تكون مدمرة للمجال تصنيع الرقمي، وتحول عملية تسلسلية مسبقا في عملية موازية للغاية. ويكمن التحدي الرئيسي لتحقيق هذا الهدف هو القدرة على طباعة voxels مع قرار ميزة جيدة في مستويات متعددة. وهذا يعني، voxels مع أبعاد الجانبية بناء على أمر من 10 ثانية أو 100 ثانية من الميزات ميكرون تحتوي على أمر من 1-5 ميكرون. مجتمعة، هذه التطورات فرصا كبيرة لصناعة المضافات في منطقة كبيرة من المكونات الإلكترونية.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Silver Nano-paste for Screen Printing Harima Chemicals Group, http://www.harima.co.jp/en/ NPS Type HP Store at 10 °C, do not allow to freeze; before using, wait 1 hour for paste to reach room temperature.
Buffered HF Solution http://transene.com/sio2/ BUFFER HF IMPROVED Etch rate may vary depending on material structure

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Park, J. U., et al. High-resolution electrohydrodynamic jet printing. Nature Mater. 6, 782-789 (2007).
  2. Hon, K. K. B., Li, L., Hutchings, I. M. Direct writing technology - Advances and developments. CIRP Ann. 57, 601-620 (2008).
  3. Calvert, P. Inkjet Printing for Materials and Devices. Chem. Mater. 13, 3299-3305 (2001).
  4. Arnold, C. B., Serra, P., Piqué, A. Laser direct-write techniques for printing of complex materials. MRS Bulletin. 32, 23-31 (2007).
  5. Park, J. U., et al. High-resolution electrohydrodynamic jet printing. Nature Mater. 6, 782-789 (2007).
  6. Hon, K. K. B., Li, L., Hutchings, I. M. Direct writing technology - Advances and developments. CIRP Ann. 57, 601-620 (2008).
  7. Calvert, P. Inkjet Printing for Materials and Devices. Chem. Mater. 13, 3299-3305 (2001).
  8. Arnold, C. B., Serra, P., Piqué, A. Laser direct-write techniques for printing of complex materials. MRS Bulletin. 32, 23-31 (2007).
  9. Piqué, A., Auyeung, R. C. Y., Kim, H. K., Metkus, M., Mathews, S. A. Digital microfabrication by laser decal transfer. J. Laser. Micro. Nanoeng. 3, 163-168 (2008).
  10. Auyeung, R. C. Y., Kim, H., Birnbaum, A. J., Zalalutdinov, M., Mathews, S. A., Piqué, A. Laser decal transfer of freestanding microcantilevers and microbridges. Appl. Phys. A. 97, 513-519 (2009).
  11. Kim, H., Melinger, J. S., Khachatrian, A., Charipar, N. A., Auyeung, R. C. Y., Piqué, A. Fabrication of terahertz metamaterials by laser printing. Opt. Lett. 35, 4039-4041 (2010).
  12. Wang, J., Auyeung, R. C. Y., Kim, H., Charipar, N. A., Piqué, A. Three-dimensional printing of interconnects by laser direct-write of silver nanopastes. Adv. Mater. 22, 4462-4466 (2010).
  13. Mathews, S. A., Auyeung, R. C. Y., Kim, H., Charipar, N. A., Piqué, A. High-speed video study of laser-induced forward transfer of silver nano-suspensions. J. Appl. Phys. 114, 064910 (2013).
  14. King, B. H., Dimos, D., Yang, P., Morissette, S. L. Direct-write fabrication of integrated, multilayer ceramic components. J. Electroceram. 3, 173-178 (1999).
  15. Lewis, J. A. Direct ink writing of 3D functional materials. Adv. Funct. Mater. 16, 2193-2204 (2006).
  16. Calvert, P. Inkjet printing for materials and devices. Chem. Mater. 13, 3299-3305 (2001).
  17. Kang, H., Soltman, D., Subramanian, V. Hydrostatic Optimization of Inkjet-Printed Films. Langmuir. 26, 11568-11573 (2010).
  18. Piqué, A., et al. Laser decal transfer of electronic materials with thin film characteristics. Proc. SPIE. 6879, 687911 (2008).
  19. Auyeung, R. C. Y., Kim, H., Birnbaum, A. J., Zalalutdinov, M., Mathews, S. A., Piqué, A. Laser decal transfer of freestanding microcantilevers and microbridges. Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 97, 513-519 (2009).
  20. Soltman, D., Smith, V., Kang, H., Morris, S. J. S., Subramanian, V. Methodology for inkjet printing of partially wetting films. Langmuir. 26, 15686-15693 (2010).
  21. Auyeung, R. C. Y., Kim, H., Charipar, N., Birnbaum, A., Mathews, S., Piqué, A. Laser forward transfer based on a spatial light modulator. Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 102, 21-26 (2011).
  22. Duocastella, M., Fernandez-Pradas, J. M., Serra, P., Morenza, J. L. Jet formation in the laser forward transfer of liquids. Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 93, 453-456 (2008).
  23. Feinaueugle, M., Alloncle, A. P., Delaporte, P., Sones, C. L., Eason, R. W. Time-resolved shadowgraph imaging of femtosecond laser-induced forward transfer of solid materials. Appl. Surf. Science. 258, 8475-8483 (2012).
  24. Breckenfeld, E., Kim, H., Auyeung, R. C. Y., Charipar, N., Serra, P., Piqué, A. Laser-induced forward transfer of silver nanopaste for microwave interconnects, A. Appl. Surf. Science. 331, 254-261 (2015).

Tags

الهندسة، العدد 109، الفيزياء، LIFT، المباشر والكتابة، يربط، حج nanopaste والتصنيع مضافة، والطباعة
نقل الليزر التي يسببها إلى الأمام من حج Nanopaste
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Breckenfeld, E., Kim, H., Auyeung,… More

Breckenfeld, E., Kim, H., Auyeung, R. C. Y., Piqué, A. Laser-induced Forward Transfer of Ag Nanopaste. J. Vis. Exp. (109), e53728, doi:10.3791/53728 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter