Waiting
Login processing...

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

Engineering

העברה קדימה-induced לייזר של Ag 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

במהלך העשור האחרון, חלה התפתחות רבה של שיטות שאינן ליתוגרפיות 1-3 להדפסת דיו מתכתי או חומרים תפקודיים אחרים. רבים מהתהליכים הללו כגון הזרקת דיו 3 ו-induced לייזר קדימה העברה (LIFT) 4 הפכו יותר ויותר פופולריים כמו עניין אלקטרוניקה מודפסת דפוסים Maskless גדלה. אלה תוסף תהליכי ייצור זולים, ידידותיים לסביבה, ומתאים במיוחד אב טיפוס ודגמים, בהשוואה לטכניקות עיבוד המוליכים למחצה מסורתיות יותר. בעוד שרוב תהליכי ישיר לכתוב מתוחמים דו מימדי מבנים לא יכול להתמודד עם חומרים בעלי צמיגות גבוהה (במיוחד הזרקת דיו), LIFT יכול להתעלות גם אילוצים אם ביצע כראוי. העברת חופף של שלושה פיקסלים ממדיים (ווקסלים שנקראו), המכונים גם העברת מדבקת ליזר (LDT) 5-9, הודגמה לאחרונה עם טכניקת LIFT באמצעות nanopast Ag הצמיג מאודes לפברק חיבורים בודדים, צורות voxel מורכבות, ומבנים גבוה יחס רוחב-גובה. במאמר זה, אנחנו מדגימים תהליך פשוט אך תכליתי עבור בודה מגוון של מבנים Ag מיקרו macroscale. מבנים כוללים צורות פשוטות עבור patterning מגעים חשמליים, גישור ומבנים שלוחים, מבנים גבוה יחס רוחב-גובה, ו יחיד ירה, העברות שטח גדולות באמצעות מכשיר micromirror דיגיטלי מסחרי (DMD) שבב.

Introduction

תוסף טכניקות הדפסה הן בעלות עניין רב עבור הדפוסים של חומרים תפקודיים על מגוון מצעים. "ישיר לכתוב" אלה כביכול תהליכים, כולל micropen 10, הרכבה ישיר לכתוב 11, הזרקת דיו 12, ולהרים 4, מתאימים גם עבור ייצור של מגוון רחב של גדלים תכונה החל מיקרון משנה macroscale 1,2 . היתרונות העיקריים של טכניקות אלה הן בעלות נמוכה, ידידותיות לסביבה, וכן אספקה ​​מהירה משלב הרעיון ועד אב טיפוס. ואכן, אב טיפוס ודגמים הוא שימוש עיקרי עבור תהליכים כאלה. החומרים נוצלו על ידי תהליכים אלה מכילים בדרך כלל השעית ננו-חלקיקים בתוך ממס, ובדרך כלל דורשים תנור ריפוי צעד אחרי בתצהיר כדי לממש נכסי הפעילות שלהן. למרות micropen והרכבה ישיר לכתוב הם פשוט יחסית ליישום, שניהם מסתמכים על איש קשר רציף נימה עם המצע המקבלבמהלך מחלק. למרות הזרקת דיו היא שיטה ישירה לכתוב פשוט, ללא מגע, זה בדרך כלל מוגבל העברת צמיגות נמוכה, השעיות nanoparticle שפיר כימי כדי למנוע סתימה ו / או קורוזיה של חרירים מהחלק. בנוסף, דפוסי הדפסה עם תכונות ומוגדרות על ידי הזרקת דיו הוא מאוד קשה בהתחשב ההתנהגות המשתנה של נוזלים על משטחים שונים וחוסר היציבות וכתוצאה מכך שלהם בשל תופעות הרטבת 13. בכל מקרה, דיו נהנה את עיקר תשומת הלב של חוקרים עד כה.

LIFT, ומצד שני, הוא תהליך כתוסף ללא מגע, זרבובית-חופשית שהוא מסוגל להעביר להדביק גבוה צמיג עם קצוות מוגדרים היטב. בתהליך זה, כמויות מבוקרות של חומרים מורכבים מועברות מצע תורם (או "סרט") על מצע המקבל באמצעות פולסים ליזר 4 כמוצג באופן סכמטי באיור 1. בעת שימוש הדבק צמיגות גבוהה, זה possible עבור voxel מודפס כדי להתאים את הגודל והצורה של חתך הדופק לייזר האירוע 5. תהליך זה כבר המכונה העברת מדבקת ליזר (LDT), ומציע גישה ייחודית בכתב-ישיר שבה צורת voxel וגודל הם בקלות פרמטרים לשליטה, המאפשר הדור הלא ליתוגרפיות של מבנים עבור מגוון רחב של יישומים, כגון מעגל תיקון 14, metamaterials 7, חיבורים 8, ומבנים שעמד חופשי 15. היכולת להפקיד צורות מורכבות בשלב העברה חד מקטינה באופן משמעותי את זמן העיבוד ונמנעה בעיות הקשורות למיזוג של ווקסלים מרובים, בעיה נפוצה טכניקות הדפסה הדיגיטליות ביותר. היכולת להתאים את פרופיל המרחבים דינמי של פעימות ליזר פרט 17 משמשת כדי להגדיל את מהירות הכתיבה של LDT לעומת כתיבה ישירה ליזר אחר טכניקות (LDW). כתוצאה מכך יתרונות עיבוד אלה, אנו מתייחסים לתהליך LDT כעל"Parallelized חלקית", מפני שהוא מאפשר שילוב של צעדים בכתב סדרה מרובים לתוך אחד מקביל יחיד. מידת הטעינה במקביל בסופו של דבר תלויה ביכולת לשנות את פרופיל חתך לייזר במהירות, ולכן צורת voxel כתוצאה, ועל המהירות שבה את הסרט ואת המצע יכול להיות מתורגם.

כדי לעזור להמחיש את התהליך, את ההתנהגות של חומר בתהליך LIFT מתואר באופן סכמטי איורי 2A, 2C, ו 2E במשך שלוש צמיגויות רסק שונות. עבור דיו צמיגות נמוכה (איור 2 א) 9, תהליך ההעברה כדלקמן jetting התנהגות, וכתוצאה מכך ההיווצרות של ווקסלים מעוגלים, חצי כדור (תרשים 2B) 18. איור 2 ג מתאר את ההעברה עבור השעיות צמיגות גבוהות מאוד, שבו voxel נפלט חווה פיצול דומה למה הוא ציין עם LIFT של כךמכסה קרמיקה שכבות 19. איור 2E מתאר את העברת LDT של nanopaste עם צמיגות מתאימה, ביניים, שבה voxel שוחרר אינו כפוף בצורת דפורמציה בשל השטח תופעות המתח מגיע המצע המקבל ללא פגע. השפעת הצמיגות על הצורה של ווקסלים הועבר מוצגת במיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) תמונות איורי 2B, 2D, ו 2F. כפי שניתן לראות בתרשים 2F מדגים, אפשר להשיג חדה, מוגדרת היטב ווקסלים עבור בטווח המתאים של צמיגויות, בדרך כלל ~ 100 Pa · שניות Ag nanopaste 5.

בסך הכל, ויש כבר כמה דיווחים על שיטות המשלבות הדפסה ללא מגע עם פוטנציאל מבנים 3D ברזולוציה מיקרון. שיטת LDT מציעה תהליך חופשי מסוגל בודת חיבורים עם יכולות מליטות מגרש אולטרה בסדר. מספר היישומים, כולל מכשירים אלקטרוניים עדינים, אלקטרוניקה אורגנית, ו מערכות מיקרו (MEMS) יכולים להפיק תועלת בתהליך כזה. כאן אנו מדגימים תהליך מגע עישון, תלת מימדי והדפסה וכן יחיד לייזר-shot, הדפסה שטח גדול (באמצעות שבב DMD) של nanopaste גבוהה צמיגות Ag.

Protocol

1. ביצוע מצעים תורמים

  1. מסך את הקצוות של זכוכית שקופית עם קלטת השארת אזור מרכזי של זכוכית מכוסית.
  2. להטביע את השקופית שנאגרו HF (6: 1 יחס של 40% NH 4 F במים עד 48% HF במים) במשך 3-15 דקות. הערה: זה יהיה לחרוט במרכז השקופית שהוא ללא מסיכה, יצירה היטב. עומק הבאר צריך להיות בין 1 ל 5 מיקרומטר, אשר ניתן לקבוע באמצעות חרט profilometer או AFM באמצעות הוראות היצרן.
  3. הסר את מסכת הקלטת.

2. יצירת סרט הדיו

  1. מורחים כמות קטנה של רסק Ag בשעה צד אחד של הבאר. ודא שיש מספיק כדי למלא את הבאר, בערך בטווח 10 מ"ג. אין צורך למדוד את הכמות ראשונה, עם זאת.
  2. בתוקף לגרור להב מתכת ישר הבאר, להפיץ שכבה דקה של משחה ברחבי בשלמותו. באופן אחיד להפיץ את הדבק ללא כתמים דקים. התוצר הסופי של תיתהליך s - דיו Ag קטן היטב המכיל - נקרא "סרט".
  3. נקה את כל דבק כי התפשט אל מחוץ לבאר עם מעבדת לנגב.

3. ייבוש הכלים

  1. מניחים את הפנים כלפי מעלה סרט בסביבה נמוכה לחות. תיבת מלאים בחנקן יבש עובדת הכי טובה.
  2. השאר את הסרט לפחות שעה 2 ב RT. בשלב זה, צמיגות הדיו צריך להיות גבוה מספיק כדי להדפיס.
    הערה: לאחר ייבוש מספיק, סרטי דיו יכולים להיות מאוחסנים במשך בערך חודש על ידי צבת עם הפנים כלפי מטה גם על זכוכית שקופית אחרת ואחסונו בסביבה יבש-חנקן. לאחר מאוחסן בדרך זו, זה בסדר לעזוב את הסרטים דיו ייעשה בו שימוש במשך תקופות זמן ארוכות.

4. ווקסלים הדפסה

  1. צרף מצע המקלט אל במת translational XY באמצעות צ'אק ואקום או דבק דו-צדדי. הערה: מצע המקלט חייב להיות שטוח, אבל אין מגבלות אחרות. פרוסות סיליקון, GLמגלשות תחת, או 200 ° C תואמים פולימרים הם כל מצעי המקלט המקובלים.
  2. מניח את הפנים כלפי מטה סרט דיו על מצע המקלט.
  3. פוקוס ההתקנה האופטית דרך החלק האחורי של המצע התורם, על פני השטח האחוריים של הדיו בתוך הבאר.
    הערה: ישנן דרכים רבות כדי לארגן את אופטיקה לתהליך הזה, אבל את הפעולות הבאות / רכיבים הכרחיים:
    1. השתמש ליזר UV פעם עם קרן בעל לחלוקת כוח מרחבית "מלמעלה כובע" (להבדיל גאוס). השתמש לייזר מסוגל לשגר פולסים בודדים מבוקר, אשר עשויים לדרוש אפנן acousto אופטיים. אפנן אופטי acousto מאפשר למשתמש לשלוט על ירי פולסים בודדים.
    2. לעבור את הקורה דרך צוהר, בעיצוב החתך של הקרן לצורה הרצויה. ראוי לציין, כי הצורה של הצמצם קובע את הצורה של voxel. כלומר, את הצמצם הוא צלם למעשה על גבי המצע התורם, מקביל Masהקרנת k.
    3. השתמש מטרה מיקרוסקופית כדי להקטין את הגודל של החלק וקורה ביניהם, אשר קובע את גודל voxel מודפס. לדוגמא, אם ווקסלים מרובעים 10X תשואות מטרה עם 50 מיקרומטר ממדים לרוחב, אז מטרת 50X ידפיסו אותו (מרובעת) צורה ווקסלים עם 10 מיקרומטר ממדים לרוחב.
    4. מניח מצלמת וידאו בתור (באמצעות קרן splitter) במטרה המיקרוסקופית. זה מאפשר ניטור פעיל של סרט הדיו.
  4. אש דופק לייזר יחיד על גבי המצע התורם. ערך התחלה סבירה עבור השטף לייזר הוא בטווח של 40-60 mJ / 2 ס"מ. ודא כי יש חור גלוי בצורת חתך קרן הלייזר שבו voxel נפלט. אם החור אינו נראה לעין, יש מספר סיבות אפשריות:
    1. לא ממוקד.
      1. התאם את גובה מטרת ההתמקדות. זה עשוי להביא את החור אל המוקד.
    2. אנרגיה נמוכה.
      1. לאט increase האנרגיה של הלייזר עד השטף של 60-80 mJ / 2 ס"מ. סרטים דיו סמיכים עשויים לדרוש ערכי שטף גבוהים.
    3. צמיגות דיו נמוכה מדי.
      1. אם voxel ייפלט אבל חור סרט הדיו מייד ממלא, אז צמיגויות הדיו היא עדיין נמוכות מדי, ולכן לייבש את הסרט עבור 30 דקות אחרות זה על פי הוראות בשלב 3 ולאחר מכן להתחיל בשלב 4 שוב.
  5. הזז את הבמה translational XY לאורך צירי X ו- Y. למקום חדש.
  6. אש דופקת ליזר יחיד על גבי המצע התורם שוב, הוצאת voxel ומשאיר חור מוגדר בחדות שבו voxel נפלט מן סרט הדיו.

5. מבנים מורכבים הדפסה

  1. צור שורות על ידי קישור יחד ווקסלים סמוכים באופן הבא:
    1. העברת voxel כמתואר 4.1-4.4.
    2. הזז את אורך אחד voxel translational הבמה XY לאורך X או Y כיוון.
    3. העברת voxel כמתואר 4.1-4.4.
    4. חזור על תהליך זה עד שורה ארוכה מספיק מתקבלת.
  2. צור לגישור או שלוחה מבנים באופן הבא:
    1. יישר את הקורה כך voxel הנפלט יהיה לגשר על פער גיאומטרי על פני המצע התורם או כך שחלק של voxel יהיה תלוי מעל פני הקצה של פער גיאומטרי.
    2. העברת voxel כמתואר 4.1-4.4. הערה: אם צמיגות הדבק היא נמוכה מדי, voxel יכול להתאים את התכונות מתחתיה במקום ליצור גשר או שלוחה.
  3. צור מבני יחס ממדים גבוהים באופן הבא:
    1. העברת voxel כמתואר 4.1-4.4.
    2. מבלי להזיז את מצע המקלט, להזיז את המצע תורם למקום טרי על סרט הדיו.
    3. העברת voxel כמתואר 4.1-4.4.
    4. חזור על שלבים 5.3.2 ו 5.3.3 עד תכונה של Hei מספיקght מתקבל. אם המבנה בנוי גבוה ~ 3-5 מיקרומטר, הכנס מפרידי מעת לעת בין המצע התורם והמקבל כדי ליישר את הערימה voxel וסרט הדיו לא באים במגע ישיר. ראוי לציין, כי אופטיקה יהיה צורך ומיקד כמפורט בסעיף 4.4.1 כדי להביא בחשבון את השינוי בגובה המצע התורם.

6. תמונות מורכבות הדפסה באמצעות DMD צ'יפ

  1. צייר או להעלות תמונה של צורת voxel רצויה. ודא בפורמט של קובץ התמונה הוא מפה סיבית. הערה: זה חיוני כדי להשתמש גורם demagnification של המערכת האופטית לטפס על הציור לגודל של voxel שיודפס. DMD בעצם מחליף את הצמצם, אז במקום הדמיה הקורה עם מה הוא בעצם מסכה הקרנה, מערך של micromirrors משמש לעצב את הקורה.
  2. בחר לייזר (UV או ירוק) המתאים.
  3. הפעל DMD ולפתוח תוכנת DMD.
    1. לחץ על "פתח תמונה" ו patte מפת סיביות עומסrn. בחר לטעון איפוס.
    2. לחץ על "הוסף". שם קובץ מפה סיבי אמורים להופיע בחלונית הימנית.
    3. לחץ על "הפעלה חד-פעמי". דפוס Bitmap נטען כעת על DMD.
  4. מסדר את המצעים התורמים ומקבל כפי שמתואר צעדים 4.1 עד 4.3. העבר דיו כפי שמתואר צעדים 4.4 כדי 4.6.
  5. לאחר העברות מצליחות, חזור על שלבי 6.3 כדי 6.4 במידת צורך; לאחר מכן עבור לשלב 7.

7. תנור

לאחר כל ווקסלים מודפסים, לרפא אותם בכבשן.

  1. מניח את הפנים כלפי מעלה מצע מקלט בכבשן.
  2. השאר לרפא ב 180 מעלות צלזיוס למשך 2 שעות.

Representative Results

איור 3 מציג מצע תורם נציג עם באר מים במרכזו. שקופית זכוכית רגילה שמשה המצע התורם, ואת עומק הבאר במקרה זה הוא 1 מיקרומטר. שים לב כל nanopaste Ag הוא מרותק הבאר מלבני ושאר המצע נקי. כמו כן, חשוב לציין כי הצבע הוא אחיד, המציין בערך עובי הדבק אחיד. אזורים עם צבע בהיר יותר מצביעים כתמים דקים, אשר נמנעו הטובה ביותר. איור 4 מראה תמונה אופטית 20X של המצע התורם לאחר מערך 6x6 של 20 מיקרומטר x 20 מיקרומטר ווקסלים כיכר כבר נפלט. במקרה האידיאלי הזה, אין שאריות הדביקו את הפערים וכל ווקסלים סולקו לחלוטין מן הסרט. אם האנרגיה אינה מספיקה או אם יש נקודות חמות משמעותיות פרופיל הקורה, ווקסלים יהיה חלקי בלבד לניתק נשאר תקוע לצד האחורי של הסרט.

ווקסלים נפלטו מן הרשותSTES עם ניתן למצוא צמיגויות שונות באיור 5 9. כאשר צמיגות הדבק היא נמוכה, כלומר, לא כבר יבש מספיק, מתח פנים יגרמו ווקסלים להיות מעוגל יותר, לאבד את צורתו המקורית שלהם (כפי שניתן לראות באיור 5 א 'וב' ). שים לב איך את הצורות של ווקסלים באיור 5B שונות מן צורות הקרן (מוצג ההבלעה של איור 5 ב). מצד קיצוני, כאשר צמיגות הדבק היא גבוהה, כלומר, כבר מעל המיובש, יש ווקסלים נטייה שברה כאשר נפלט כפי שניתן לראות באיור 5 ג ו-ד '. לפיכך, קיים מגוון צמיגות ביניים המאפשר העברה ווקסלים unfractured כי לשמור על הצורה של פרופיל הקרן כפי שניתן לראות באיור 5E ו F. אנו מדגימים שני סוגים של שרשרות voxel המהווים קווים מוליכי ארוכים. הראשונה הייתה שרשרת מקצה לקצה פשוט which 40 x 60 מיקרומטר 2 ווקסלים הועברו סמוכים זה לזה (איור 6 א 'וב') 20. באופן כללי, שיטת קישור זה הייתה לא אמין במקצת, עם ממשקים שבורים באופן חלקי או מוחלט להופיע לאחר תרופה רכה ב 100 מעלות צלזיוס (כפי שניתן לראות באיור 6 ב). השיטה השנייה השתמשה מחורצים, שלובים ווקסלים העבירו מקצה לקצה (איור 6 ג ו-ד). הקווים המקווקווים באיור 6C לשרטט את הצורה המקורית של ווקסלים, כמו האיכות הגבוהה של הממשק מקשה ויזואלית לפתור את צורות פרט. השפעה זו היא ברורה מאוד באיור 6D, שם בתפר שבין ווקסלים הוא כמעט בלתי נראה. הגיאומטריה מחורצים הייתה יותר אמינה יותר מאשר בסוף לקצה פשוט, עם כמעט כל ממשקים הנותרים רציפים אחרי תרופת C 100 °. איור 7 מדגי גיאומטריות ערמה שונות, דפוסי ההיבט ratios. בודדvoxel חוצה 100 מיקרומטר תעלת Si רחבה ניתן למצוא באיור 7 א. קבלת הצמיגות הנכונה היא בעלת החשיבות העליונה לגישור או יישומים בודדים כדי למנוע voxel מ נפל או עומדות הגיאומטריה של מצע המקלט. ניתן לראות קומפלקס, מבנים רב שכבתיים באיור 7B-D, כולל שתי פירמידות מוערמים עמודי מיקרו יחס גבוה היבט. גיאומטריות אלה חשובות עבור יישומים הדורשים חיבורים אנכיים פורשים. לבסוף, איור 8A מראה התקנה אופטית חלופית אשר משתמשת בשבב DMD מסחרי, המכונה "מכשיר מראה דיגיטלי" בתרשים. כפי שתואר בשלב 6, גדול, ניתן לטעון תמונות מורכבות למחשב והועברו עם דופק לייזר יחיד. לוגו NRL מודפס בהצלחה ניתן למצוא באיור 8B. נציין כי עם ירייה אחת, אנחנו יכולים להעביר מבנה רסק עם אורך של 1 מ"מ ו תכונה resolution של ~ 20 מיקרומטר.

איור 1
איור 1. תרשים סכמטי של התקנת LDT. ראוי לציין, כי צורת voxel נקבעת על ידי צורת הקרן חתכה רק עבור דיו גבוה צמיג. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2. פליטה voxel סכמטי בתרשים. דיאגרמות להמחיש האבולוציה של העברה (א) צמיגות נמוכה, (C) צמיגות גבוהה, ו (ה) צמיגות ביניים. מגרשי AFM של ווקסלים כתוצאה ניתנים (B), (ד) ו- (ו), בהתאמה. דמות זו שונתה מ [9]. נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
תמונת איור 3. של מצע תורם Ag nanopaste. המצע עצמו הוא זכוכית שקופית עם מיקרומטר 1 עמוק גומה במרכז. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4. 20X תמונה אופטית של שכבת הממרח על הסרט (המצע התורם) לאחר העברת voxel. שארפ, קצוות מוגדרים היטב וחוסר השאריות מצביעים ייבוש דבק מספיק העברה מלאה של חומר מהסרט. jove.com/files/ftp_upload/53728/53728fig4large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5. במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) תמונות של כמה ווקסלים שונים. פרופילים Beam מתוארים הבלעה (ב). שלוש צורות voxel שונות הודפסו מן הצמיגות נמוכה (A, B), צמיגות גבוהה (C, D), ואת צמיגות ביניים (E, F). שים לב צמיגות נמוכה מובילה לאובדן של חדות צורת voxel בעוד צמיגות גבוהה מובילה שביר voxel. נתון זה יש הבדל בין [9]. נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

ther.within-page = "1"> איור 6
. איור 6. תמונות SEM של רשתות voxel סיאמיות שתי גיאומטריות מקשרות מתוארות: פשוט מקצה לקצה (A, B) ו מחורצים-שלובים (C, D). באופן כללי, מחורצים-שלובים גיאומטריים נמצאים להיות אמין יותר בעוד מקצה לקצה פשוט יש נטייה להיסדק עקב הצטמקות במהלך שלבי התנור. נתון זה יש הבדל בין [20]. נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7
. תמונות איור 7. SEM של מבני voxel מורכבים מרובים גיאומטריות כוללות: voxel מלבני מגשר על פני 100 מיקרומטר תעלה רחבה (א), של multilayer caffold (B), פירמידת יחס ממדים גבוהים (C), וכמה עמודי מייקרו יחס גבוה היבט (D). נתון זה יש הבדל בין [8]. נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

הספרה 8
איור 8. דיאגרמת ותוצאות סכמטי של LDT באמצעות שבב DMD. בתרשים סכמטי (א), את הצמצם לייזר הוחלף עם שבב DMD, שהוא בראש אסיפה גדולה של מראות מיקרו. דפוס מקובץ תמונה ניתן הדמיה בנאמנות על גבי המצע התורם, ולהוציא העתק מדויק של הדפוס של ווקסלים ב ירייה אחת. כדוגמא, לוגו NRL (B) הועבר על ידי זריקת ליזר יחידה.ig8large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

במאמר זה, אנו הוכחנו תהליך ללא מגע, הדפסה תלת מימדית וכן יחיד ליזר-shot, הדפסת שטח גדולה (באמצעות שבב DMD) של nanopaste Ag גבוהה הצמיג. שלא כמו טכניקות ישירות לכתוב אחרות, כגון הזרקת דיו, טכניקת LDT המתוארת כאן מאפשרת ההדפסה של צורות voxel מורכבות עם דופק ליזר אחד, כלומר, באמצעות שלב אחד בלבד. בעוד היבטים רבים של ההליך עשויים נראה פשוט, ישנם צעדים רבים הדורשים בדיקה איטרטיבי על מנת לייעל. ראשית, יובש דבק וצמיגות הם הגורמים החשובים ביותר עבור העברה מוצלחת. למרות נקודות אלה כבר כבר הודגשו שוב ושוב בטקסט, אנו חוזרים על הנקודה כאן כדי להדגיש את החשיבות. אם צמיגויות הדיו נמוכות מדי, אז זה יהיה בלתי אפשרי להדפיס חדה, צורות voxel מוגדרות היטב. סימן לכך צמיגות הדיו נמוכה מדי מתרחש כאשר מנסה כדי להוציא voxel. כאשר הדופק לייזר הוא ירה, אתvoxel יופיע להוציא לרגע, אבל הדיו ימלא מהר בחזרה לתוך החור שנותר המצע התורם. במקרה זה, המשתמש צריך להפסיק את ירי הלייזר והדיו ומחייב וזאת בהתאם לאמור ב צעדים 3.1 ו -3.2. אם צמיגויות הדיו היא גבוהות מדי, תהליך העברת voxel יופיע מוצלח על הסרט. עם זאת, כאשר בוחנים את ווקסלים על פני מצע המקלט, יהיה קריעה משמעותית, שביר, או פסולת. במקרה זה, המשתמש צריך להשליך את הסרט הנוכחי ולעשות סרט חדש כפי שמתואר אופטימיזציה סעיף 2. של צמיגות דיו ואת משך זמן ייבוש צריכה להתבצע על ידי הערכת איכות ניסיונות העברת voxel. אנחנו לא ממליצים מנסים למדוד את הצמיגות של הרסק בכל נקודה. שנית, שטף הליזר הוא חשוב כמעט כמו צמיגות דיו שינויים קטנים מאוד שטף יכול להיות השפעה משמעותית על התהליך. זה צריך להיות מאוד ברור מתי האנרגיה נמוכה מדי - voxelלא יהיה להוציא מן המצע התורם. מומלץ להתחיל עם מגוון השטף הציע בשלב 4.4, ולאחר מכן באופן הדרגתי מאוד להגדיל את הערך. האנרגיה הנמוכה ביותר שתוצאתו חילופים מלאים נקראת "שטף הסף". זה בדרך כלל טוב ביותר לפעול או בסמוך שטף הסף בגלל ערכי שטף גבוהים יטו שבר או לקרוע את ווקסלים. לבסוף, בהתאם לזן של לייזר המשמשים בתהליך, יכול להיות שיש נקודות חמות בפרופיל לייזר. זה עשוי לדרוש התאמה של הצמצם לדגום באזור הומוגנית יותר של הקורה. אם את הצורה של voxel נפלט הוא מעווה או גרוע תואמת את הצורה של סעיף קורה הרוחבי, נקודות חמות ליזר או עובי שכבת דיו או אחידות יכולות להיות אחראיות.

מעבר לפתרון בעיות, יש כמה מגבלות על הטכניקה. צעד ריפוי תנור הסופי עושה את זה קשה או בלתי אפשרי להשיג ווקסלים עם תכונות פעילות הרצוי על הלא-גבוה-temperature מצעים תואמים. באופן כללי, nanopaste Ag להשתמש בכתב היד הזה דורש טמפרטורת ריפוי של C ° 150 לפחות על מנת לקבל ערכי מוליכות סבירים. הייצור של שכבת הדיו על פני המצע התורם צריך להיות מותאם יותר כדי לשפר את אחידות עובי, כיסוי אזורי וזמן עיבוד. עובי שכבת הדיו יש השפעה דרמטית על שטף הסף והעביר איכות, ועובי הומוגניות יכול להפוך את תהליך ההעברה קשה, במיוחד בעת העברת ווקסלים קטן מ -20 מיקרומטר x 20 מיקרומטר. העיצוב הנוכחי עבור המצע התורם מקשה ליצור סרטים גדולים יותר 10s של סנטימטר, אשר מגביל את תפוקת שטח גדול. לפיכך, הפיתוח של עיצובי מצע תורמים חלופיים, כגון סליל ל-סליל או סיבוב דיסק, יידרש לאוטומציה משופרת ועיבוד שטח גדול יותר.

כוחו של טכניקת LDT טמון היכולת להעביר נוזלים עם גבוהצמיגויות שטכניקות טיפה על פי דרישה אחרות לא יכולות להתמודד. היתרונות של LDT ניתן להפריד לשני מצבים שבהם ראשית, רסק צמיגות גבוהה הדפסה מציע שיפור איכות או להאיץ מעל הדפסת רסק צמיגות נמוכה ושנית, במצבים שבם הדפסה עם רסק צמיגות גבוה מאפשרת מבנים שאינם נגישים להדפסת צמיגות נמוכה . דוגמאות של יתרונות בקטגוריה הראשונה הן: השתנות voxel מינימאליות מתופעות הרטבה, רמה הגבוהה של שליטה על צורת voxel וגודל, התכווצות מינימאלית במהלך הריפוי, ואנרגית ליזר נמוך בהשוואה לתהליכי LIFT אחרים (ובכך מהירות העברה נמוכה). דוגמאות בקטגוריה השנייה הן: הדפסה של מבנים גבוה יחס רוחב-גובה, מבני גישור, cantilevers, וכל מבנה אחר הדורש החזקת voxel-במצב טוב. על ידי שילוב של תהליך LDT עם שבב DMD, הדפסה מקבילה של צורות ודגמים מורכבים מופעלת, אשר מאוד מזרזת את התהליך הכולל. יתר על כן, לאהוא להשתמש של DMD לעצב את ווקסלים מאפשר עיצובים להתעדכן בין פעימות לייזר, המאפשר הדפסה מהירה של ווקסלים reconfigurable דינמי. באופן כללי, את קצב הרענון של DMD (33 קילוהרץ) היא מעט איטית יותר מאשר שיעור החזרה מקסימלית של הלייזר (100 kHz ומעלה), אך שיעור גורם מגביל עבור מהירות ההדפסה הוא תרגום הבמה.

השדרות העיקריות לקידום עם מערכת LDT הן בפיתוח המתמיד של מוצרים נוספים, שיפור תהליך ייצור הסרט, וממשיך סולם את התהליך באמצעות שילוב עיבוד אור דיגיטלית (DLP) טכנולוגיה כגון שבב DMD. למרות חומרים מתכתיים בידוד הועברו בהצלחה את התהליך הזה, כמה חומרים פעילים פותחו. היכולת להדפיס חומרים פיזואלקטריים, מגנטיים, או אופטו עם תהליך LDT יכול לפתוח אפשרויות טכנולוגיות עצומות. כפי שהיא עומדת, את הגיאומטריה של subst התורםמדרגיות גבולות שיעור. התפתחות סליל ל-סליל או מסתובבים מצעים תורמים דיסק תהיה לייעל את התהליכים באופן משמעותי. לבסוף, שילוב של LDT עם טכנולוגיית DLP הוא פיתוח הרסני בפוטנציה לתחום ייצור דיגיטלי, הפיכת תהליך סדרתי בעבר לתוך תהליך מקביל מאוד. אתגר מרכזי לקראת מטרה זו הוא היכולת להדפיס ווקסלים עם רזולוצית תכונה טובה בקני מידה מרובות. כלומר, ווקסלים עם ממדים לרוחב בסדר גודל של 10 שניות או 100 שניות של תכונות המכיל מיקרומטר בסדר גודל של 1-5 מיקרומטר. יחדיו, התפתחויות אלה מציעים הזדמנויות משמעותיות לייצור תוסף שטח גדול של רכיבים אלקטרוניים.

Disclosures

החוקרים אין לי מה לחשוף.

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

הנדסה גיליון 109 פיזיקה LIFT ישיר לכתוב חיבורים nanopaste Ag ייצור כתוסף הדפסה
העברה קדימה-induced לייזר של Ag 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