We demonstrate the use of the Laser-induced forward transfer technique (LIFT) for the printing of high-viscosity Ag paste. This technique offers a simple, low temperature, robust process for non-lithographically printing microscale 2D and 3D structures.
पिछले दशक के दौरान, वहाँ धातु स्याही या अन्य कार्यात्मक सामग्री के मुद्रण के लिए गैर-पत्थर के छापे तरीकों 1-3 से ज्यादा विकास किया गया है। ऐसे इंकजेट 3 और लेजर प्रेरित आगे हस्तांतरण (लिफ्ट) 4 के रूप में इन प्रक्रियाओं से कई मुद्रण योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स और maskless patterning में ब्याज के रूप में तेजी से लोकप्रिय हो गया है बन गए हैं। ये additive विनिर्माण प्रक्रियाओं, सस्ती पर्यावरण के अनुकूल है, और अच्छी तरह से रैपिड प्रोटोटाइप के लिए अनुकूल हैं, जब और अधिक परंपरागत अर्धचालक प्रसंस्करण तकनीकों की तुलना में। सबसे सीधा-लिखने की प्रक्रियाओं दो आयामी संरचना तक ही सीमित हैं और उच्च चिपचिपापन (विशेष रूप से इंकजेट) के साथ सामग्री नहीं संभाल सकता है, लिफ्ट अगर ठीक से प्रदर्शन दोनों की कमी पार कर सकते हैं। तीन आयामी पिक्सल (बुलाया voxels), भी लेजर decal हस्तांतरण (LDT) 5-9 के रूप में करने के लिए भेजा के अनुकूल हस्तांतरण, हाल ही में लिफ्ट तकनीक अत्यधिक चिपचिपा एजी nanopast उपयोग कर के साथ प्रदर्शन किया गया हैतों freestanding interconnects, जटिल voxel आकार, और उच्च पहलू अनुपात संरचनाओं के निर्माण के लिए। इस पत्र में, हम सूक्ष्म और macroscale एजी संरचनाओं की एक किस्म fabricating के लिए एक सरल अभी तक बहुमुखी प्रक्रिया प्रदर्शित करता है। संरचनाएं बिजली के संपर्क patterning के लिए साधारण आकार, को पूरा करने और ब्रैकट संरचनाओं, उच्च पहलू अनुपात संरचनाओं, और एकल शॉट, बड़े क्षेत्र स्थानान्तरण एक वाणिज्यिक डिजिटल micromirror डिवाइस (डीएमडी) चिप का उपयोग शामिल है।
Additive मुद्रण तकनीक substrates की एक किस्म पर कार्यात्मक सामग्री के patterning के लिए काफी रुचि के हैं। सहित micropen 10, प्रत्यक्ष लिखने विधानसभा 11, इंकजेट 12, और लिफ्ट 4 ये तथाकथित "प्रत्यक्ष लिखने" प्रक्रियाओं, अच्छी तरह से सुविधा आकार उप माइक्रोन से macroscale 1,2 को लेकर की एक किस्म के निर्माण के लिए उपयुक्त हैं । इन तकनीकों का प्राथमिक लाभ कम लागत, पर्यावरण मित्रता, और अवधारणा प्रोटोटाइप करने से तेजी से बदलाव कर रहे हैं। दरअसल, रैपिड प्रोटोटाइप ऐसी प्रक्रियाओं के लिए एक प्राथमिक इस्तेमाल होता है। सामग्री इन प्रक्रियाओं द्वारा उपयोग आम तौर पर एक विलायक के भीतर एक nanoparticle निलंबन से मिलकर बनता है, और आम तौर पर एक भट्ठी के क्रम में उनकी कार्यात्मक संपत्तियों का एहसास करने के बयान के बाद कदम के इलाज की आवश्यकता होती है। हालांकि micropen और प्रत्यक्ष लिखने विधानसभा को लागू करने के लिए अपेक्षाकृत आसान है, दोनों प्राप्त सब्सट्रेट के साथ एक सतत रेशा संपर्क पर भरोसावितरण के दौरान। हालांकि इंकजेट एक सरल, गैर संपर्क प्रत्यक्ष लिखने विधि है, यह आमतौर पर आदेश clogging और / या वितरण नलिका की जंग से बचने के लिए कम चिपचिपापन, रासायनिक सौम्य nanoparticle निलंबन के हस्तांतरण के लिए सीमित है। इसके अलावा, इंकजेट द्वारा अच्छी तरह से परिभाषित बढ़त सुविधाओं के साथ मुद्रण पैटर्न गीला प्रभाव 13 के कारण विभिन्न सतहों और उनके परिणामस्वरूप अस्थिरता पर तरल पदार्थ की चर व्यवहार को देखते हुए बहुत मुश्किल है। भले ही, इंकजेट इस प्रकार अब तक शोधकर्ताओं से सबसे ज्यादा ध्यान का आनंद लिया है।
लिफ्ट, दूसरे हाथ पर, एक गैर संपर्क, नोक-मुक्त एडिटिव प्रक्रिया है जो अच्छी तरह से परिभाषित किनारों के साथ उच्च चिपचिपाहट पेस्ट स्थानांतरित करने में सक्षम है। इस प्रक्रिया में, जटिल सामग्री की नियंत्रित मात्रा में एक दाता सब्सट्रेट से (या "रिबन") एक प्राप्त सब्सट्रेट के रूप में चित्र 1 में रेखाचित्र के रूप में दिखाया जाता लेजर दालों 4 का उपयोग करके स्थानांतरित कर रहे हैं। जब उच्च चिपचिपाहट पेस्ट का उपयोग कर, यह poss हैमुद्रित voxel आकार और घटना लेजर पल्स क्रॉस सेक्शन 5 के आकार से मेल करने के लिए ible। इस प्रक्रिया लेजर decal हस्तांतरण (LDT) के रूप में भेजा गया है, और इस तरह के रूप में आवेदन की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए संरचनाओं की गैर lithographic पीढ़ी की इजाजत दी, प्रत्यक्ष-लेखन, जिसमें voxel आकृति और आकार में आसानी से चलाया हुआ मानकों हैं करने के लिए एक अनूठा तरीका प्रदान करता है सर्किट की मरम्मत 14, metamaterials 7, interconnects 8, और मुक्त खड़े संरचनाओं 15। एक हस्तांतरण कदम में जटिल आकार जमा करने की क्षमता बहुत प्रसंस्करण समय कम कर देता है और कई voxels, सबसे डिजिटल मुद्रण तकनीक में एक आम समस्या के विलय से संबंधित समस्याओं से बचा जाता है। गतिशील व्यक्तिगत लेजर दालों 17 के स्थानिक प्रोफ़ाइल समायोजित करने की क्षमता LDT के लेखन की गति को बढ़ाने के लिए अन्य लेजर प्रत्यक्ष लिखें (LDW) तकनीक की तुलना में कार्य करता है। इन प्रसंस्करण लाभ का एक परिणाम के रूप में, हम के रूप में किया जा रहा है LDT प्रक्रिया को देखें"आंशिक रूप से parallelized" चूंकि यह एक समानांतर में कई धारावाहिक लेखन कदम के संयोजन की अनुमति देता है। parallelization की डिग्री अंततः परिणामी voxel के आकार की क्षमता तेजी से लेजर पार अनुभाग प्रोफ़ाइल को बदलने के लिए, और इसलिए इस पर निर्भर करता है, और जिस गति से रिबन और सब्सट्रेट अनुवाद किया जा सकता है।
प्रक्रिया कल्पना में मदद करने के लिए, लिफ्ट प्रक्रिया के दौरान एक सामग्री के व्यवहार को तीन अलग-अलग पेस्ट viscosities के लिए आंकड़े 2A, -2, और 2 ई में रेखाचित्र के रूप में दिखाया गया है। कम चिपचिपापन स्याही के लिए (2A चित्रा) 9, हस्तांतरण की प्रक्रिया व्यवहार jetting इस प्रकार, गोल, अर्धगोल voxels (चित्रा 2 बी) के गठन में जिसके परिणामस्वरूप 18। चित्रा -2 बहुत उच्च चिपचिपापन निलंबन के लिए हस्तांतरण, जिसमें अलग हो voxel है क्या करने के लिए इसी तरह के विखंडन के अनुभवों को दर्शाया गया है इसलिए की लिफ्ट के साथ मनायाढक्कन चीनी मिट्टी की परतों 19। चित्रा 2 ई एक उपयुक्त, मध्यवर्ती चिपचिपाहट, जिसमें जारी किया voxel तनाव प्रभाव सतह के कारण विरूपण आकार के अधीन नहीं है और प्राप्त सब्सट्रेट बरकरार तक पहुँच के साथ nanopaste की LDT हस्तांतरण दर्शाया गया है। स्थानांतरित कर voxels के आकार पर चिपचिपाहट के प्रभाव में आंकड़े 2 बी, 2 डी और 2 एफ परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी (AFM) छवियों में दिखाया गया है। चित्रा 2 एफ को दर्शाता है, यह संभव viscosities की एक उचित सीमा के लिए तेज, अच्छी तरह से परिभाषित voxels प्राप्त करने के लिए, आम तौर पर है ~ 100 Pa · एजी nanopaste 5 के लिए सेकंड।
कुल मिलाकर, वहाँ तरीकों कि माइक्रोन संकल्प 3 डी संरचनाओं के लिए क्षमता के साथ गैर संपर्क मुद्रण गठबंधन की कुछ खबरें आई हैं। LDT विधि एक मुक्ताकार प्रक्रिया अल्ट्रा ठीक पिच संबंध क्षमताओं के साथ interconnects fabricating के लिए सक्षम प्रदान करता है। नाजुक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक्स सहित आवेदन की एक नंबरऔर microelectromechanical सिस्टम (एमईएमएस) एक ऐसी प्रक्रिया से फायदा हो सकता है। यहाँ हम उच्च चिपचिपाहट एजी nanopaste की गैर संपर्क, तीन आयामी मुद्रण के रूप में अच्छी तरह से एकल लेजर गोली मार दी, बड़े क्षेत्र मुद्रण (डीएमडी चिप के माध्यम से) के लिए एक प्रक्रिया का प्रदर्शन।
इस पत्र में, हम उच्च चिपचिपाहट एजी nanopaste की गैर संपर्क, तीन आयामी मुद्रण के रूप में अच्छी तरह से एकल लेजर गोली मार दी, बड़े क्षेत्र मुद्रण (डीएमडी चिप के माध्यम से) के लिए एक प्रक्रिया का प्रदर्शन किया है। ऐसे इंकजेट के रूप में अन्य प्रत्यक्ष लिखने की तकनीक, के विपरीत, LDT तकनीक यहाँ वर्णित एक ही चरण में, एक लेजर पल्स, यानी के साथ जटिल voxel आकार के मुद्रण के लिए अनुमति देता है। प्रक्रिया के कई पहलुओं को सरल लग सकता है, वहाँ कई कदम है कि आदेश का अनुकूलन करने में चलने का परीक्षण की आवश्यकता होती हैं। सबसे पहले, पेस्ट सूखापन और चिपचिपाहट सफल स्थानांतरण के लिए सबसे महत्वपूर्ण कारक हैं। हालांकि इन बातों की गई पहले से ही पाठ में बार बार जोर दिया है, हम यहाँ बात को दोहराते महत्व को रेखांकित करने के लिए। अगर स्याही चिपचिपापन बहुत कम है, तो यह तेज, अच्छी तरह से परिभाषित voxel आकार मुद्रित करने के लिए असंभव हो जाएगा। एक गप्पी संकेत है कि स्याही चिपचिपापन बहुत कम है तब होता है जब एक voxel बेदखल करने का प्रयास किया। जब लेजर पल्स निकाल दिया है,voxel क्षण भर बेदखल करने के लिए दिखाई देगा, लेकिन स्याही छेद दाता सब्सट्रेट में छोड़ दिया में जल्दी से वापस भरना होगा। इस मामले में, उपयोगकर्ता लेजर फायरिंग बंद कर देना चाहिए और कदम के रूप में 3.1 और 3.2 में उल्लिखित स्याही आगे इलाज किया जाना चाहिए। स्याही चिपचिपापन बहुत अधिक है, voxel हस्तांतरण की प्रक्रिया रिबन पर सफल दिखाई देगा। हालांकि, जब रिसीवर सब्सट्रेट पर voxels की जांच, वहाँ महत्वपूर्ण फाड़, fracturing, या मलबे होगा। इस मामले में, उपयोगकर्ता वर्तमान रिबन के निपटान के लिए और के रूप में खंड 2. स्याही चिपचिपापन और सुखाने के समय का अनुकूलन उल्लिखित voxel हस्तांतरण के प्रयास की गुणवत्ता का मूल्यांकन द्वारा पूरा किया जाना चाहिए एक नया रिबन बनाने की जरूरत है। हम किसी भी बिंदु पर पेस्ट की चिपचिपाहट को मापने की कोशिश की सिफारिश नहीं है। दूसरा, लेजर प्रभाव प्रक्रिया पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव हो सकता है के रूप में लगभग स्याही चिपचिपापन और प्रभाव में बहुत छोटे परिवर्तन के रूप में महत्वपूर्ण है। यह बहुत स्पष्ट होना चाहिए जब ऊर्जा बहुत कम है – voxelदाता सब्सट्रेट से बेदखल नहीं किया जाएगा। यह प्रभाव रेंज कदम 4.4 में सुझाव के साथ शुरू करने की सिफारिश की है, और फिर बहुत संवर्द्धित मूल्य वृद्धि हुई है। सबसे कम ऊर्जा है कि एक पूर्ण हस्तांतरण में परिणाम "सीमा प्रभाव" कहा जाता है। यह अक्सर सबसे अच्छे रूप में या दहलीज प्रभाव के पास संचालित करने के लिए क्योंकि उच्च प्रभाव मूल्यों फ्रैक्चर या voxels आंसू लिए करते हैं जाएगा है। अंत में, प्रक्रिया के लिए इस्तेमाल किया लेजर की किस्म पर निर्भर करता है, वहाँ लेजर प्रोफ़ाइल में हॉट स्पॉट हो सकता है। यह बीम का एक और अधिक सजातीय क्षेत्र नमूने के लिए एपर्चर के एक समायोजन की आवश्यकता हो सकती है। अगर अलग हो voxel के आकार विकृत है या खराब किरण पार अनुभाग के आकार से मेल खाता है, लेजर के आकर्षण के केंद्र या स्याही परत की मोटाई या एकरूपता जिम्मेदार हो सकता है।
समस्या निवारण के अलावा, वहाँ तकनीक के लिए कुछ सीमाएं हैं। अंतिम भट्ठी इलाज कदम यह मुश्किल या असंभव गैर उच्च टी पर वांछित कार्यात्मक गुणों के साथ voxels प्राप्त करने के लिए बनाता हैसंगत substrates emperature। आम तौर पर, इस पांडुलिपि में इस्तेमाल एजी nanopaste आदेश उचित चालकता मूल्यों को प्राप्त करने में कम से कम 150 डिग्री सेल्सियस के तापमान के इलाज की आवश्यकता है। दाता सब्सट्रेट पर स्याही परत के निर्माण के लिए आगे मोटाई एकरूपता, क्षेत्रीय कवरेज और प्रसंस्करण समय में सुधार करने के लिए अनुकूलित किया जाना चाहिए। स्याही परत मोटाई दहलीज प्रभाव और हस्तांतरण की गुणवत्ता, और inhomogeneous मोटाई पर एक नाटकीय प्रभाव हस्तांतरण की प्रक्रिया कठिन है, खासकर जब x 20 माइक्रोन 20 माइक्रोन से छोटे voxels स्थानांतरित कर सकते हैं, है। दाता सब्सट्रेट के लिए वर्तमान डिजाइन यह मुश्किल सेमी, जो बड़े क्षेत्र throughput सीमा के 10s से बड़ा रिबन बनाने के लिए बनाता है। इस प्रकार, इस तरह के रील से रील या डिस्क घूर्णन के रूप में वैकल्पिक दाता सब्सट्रेट डिजाइन, के विकास, बढ़ाया स्वचालन और बड़े क्षेत्र प्रसंस्करण के लिए आवश्यक होगा।
LDT तकनीक की ताकत उच्च के साथ तरल पदार्थ को हस्तांतरण करने की क्षमता में निहित हैviscosities कि अन्य बूंद-ऑन-डिमांड तकनीक नहीं संभाल सकता। LDT के फायदे के दो स्थितियों में, जहां सबसे पहले, मुद्रण उच्च चिपचिपापन पेस्ट गुणवत्ता में सुधार प्रदान करता है या कम चिपचिपापन पेस्ट और दूसरी मुद्रण से अधिक गति स्थितियों में, जहां उच्च चिपचिपापन पेस्ट के साथ मुद्रण संरचनाओं कि कम चिपचिपापन मुद्रण के लिए सुलभ नहीं हैं सक्षम बनाता है, में विभाजित किया जा सकता है । पहली श्रेणी में लाभ के उदाहरण हैं: गीला प्रभाव, इलाज के दौरान voxel आकार और आकार, कम से कम संकोचन पर नियंत्रण के उच्च डिग्री, और कम लेजर ऊर्जा से कम से कम voxel परिवर्तनशीलता अन्य लिफ्ट प्रक्रियाओं (और इस प्रकार कम हस्तांतरण वेग) की तुलना में। दूसरी श्रेणी में उदाहरण हैं: उच्च पहलू अनुपात संरचनाओं के मुद्रण, ब्रिजिंग संरचनाओं, cantilevers, और किसी अन्य संरचना है कि अच्छा voxel आकार प्रतिधारण की आवश्यकता है। डीएमडी चिप के साथ LDT प्रक्रिया के संयोजन से, जटिल आकार और पैटर्न के समानांतर मुद्रण सक्षम किया गया है, जो बहुत समग्र प्रक्रिया को गति। इसके अलावा, टीवह एक डीएमडी का उपयोग करने की अनुमति देता है voxels आकार देने के लिए डिजाइन लेजर दालों के बीच अद्यतन किया जाना है, गतिशील reconfigurable voxels के तेजी से मुद्रण सक्षम करने से। सामान्यतया, डीएमडी (33 kHz) के ताज़ा दर लेजर (100 किलोहर्ट्ज़ या अधिक) की अधिकतम पुनरावृत्ति दर की तुलना में थोड़ा धीमी है, लेकिन मुद्रण की गति के लिए कारक सीमित दर चरण अनुवाद है।
LDT प्रणाली के साथ उन्नति के लिए प्राथमिक रास्ते, अतिरिक्त सामग्री के निरंतर विकास कर रहे हैं रिबन निर्माण की प्रक्रिया में सुधार, और इस तरह के डीएमडी चिप के रूप में डिजिटल लाइट प्रोसेसिंग (डीएलपी) प्रौद्योगिकी को समेकित करने के माध्यम से प्रक्रिया के लिए पैमाने पर जारी है। हालांकि धातु और इन्सुलेट सामग्री सफलतापूर्वक इस प्रक्रिया के माध्यम से स्थानांतरित किया गया है, कुछ सक्रिय सामग्री विकसित किया गया है। LDT प्रक्रिया भारी प्रौद्योगिकीय संभावनाओं खोल सकता है, के साथ पीजोइलेक्ट्रिक चुंबकीय, या optoelectronic सामग्री मुद्रित करने की क्षमता। यह खड़ा है, दाता subst की ज्यामिति के रूप मेंदर सीमा scalability। रील से रील या डिस्क दाता substrates घूर्णन के विकास में काफी प्रक्रियाओं को सरल होगा। अंत में, डीएलपी प्रौद्योगिकी के साथ LDT के संयोजन एक उच्च समानांतर प्रक्रिया में एक पहले से सीरियल प्रक्रिया मोड़, डिजिटल निर्माण के क्षेत्र के लिए एक संभावित विघटनकारी विकास है। इस लक्ष्य की ओर एक प्रमुख चुनौती कई पैमानों पर अच्छी सुविधा संकल्प के साथ voxels मुद्रित करने की क्षमता है। यह कहना है, 10 सेकंड या 1-5 माइक्रोन के आदेश पर माइक्रोन से युक्त सुविधाओं के 100 सेकंड के आदेश पर पार्श्व आयामों के साथ voxels। साथ में ले ली, इन घटनाओं इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के बड़े क्षेत्र additive विनिर्माण के लिए महत्वपूर्ण अवसर प्रदान करते हैं।
The authors have nothing to disclose.
This work was funded by the Office of Naval Research (ONR) through the Naval Research Laboratory Basic Research Program.
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 |