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.
I løpet av det siste tiåret, har det vært mye utvikling av ikke-litografiske metoder 1-3 for utskrift metallisk blekk eller andre funksjonelle materialer. Mange av disse prosessene som inkjet tre og laser-indusert frem transfer (LIFT) 4 har blitt stadig mer populært som interesse utskrivbare elektronikk og maskless mønster har vokst. Disse additiv produksjonsprosesser er billig, miljøvennlig, og godt egnet for rask prototyping, sammenlignet med mer tradisjonelle halvledere behandlingsteknikker. Mens de fleste direkte skriveprosesser er begrenset til to-dimensjonale strukturer og kan ikke håndtere materialer med høy viskositet (spesielt inkjet), kan LIFT overskride både begrensninger hvis det utføres riktig. Fallende overføring av tredimensjonale piksler (kalt voxel), også referert til som laser merket transfer (LDT) 5-9, har nylig blitt demonstrert med LIFT teknikk med svært tyktflytende Ag nanopastes å dikte frittstående sammenkoblinger, komplekse voxel former, og høy-aspekt-ratio strukturer. I denne artikkelen viser vi en enkel, men allsidig prosess for å fabrikkere en rekke mikro- og mesoklimatisk Ag strukturer. Strukturer omfatter enkle former for mønstring elektriske kontakter, bygge bro og cantilever strukturer, høy-aspekt-ratio strukturer og enkeltskudd, store overføringer området ved hjelp av en kommersiell digital mikrospeil-enhet (DMD) chip.
Additive trykketeknikker er av betydelig interesse for den mønstring av funksjonelle materialer på en rekke forskjellige substrater. Disse såkalte "direkte-skrive" prosesser, inkludert micropen 10, direkte skrive montering 11, inkjet 12, og LIFT 4, er godt egnet for produksjon av en rekke funksjons størrelser fra sub-micron til makro 1,2 . De viktigste fordelene med disse teknikkene er lave kostnader, miljøvennlighet, og rask behandlingstid fra konsept til prototype. Faktisk er hurtig prototyping en primær anvendelse for slike fremgangsmåter. Materialene som benyttes ved disse fremgangsmåter består typisk av et nanopartikkelsuspensjonen i et løsningsmiddel, og generelt krever en ovn herdetrinn etter avsetning for å realisere sine funksjonelle egenskaper. Selv micropen og direkte skriveenheten er forholdsvis enkel å gjennomføre, begge er avhengige av en kontinuerlig filament kontakt med mottaks underlagetunder utlevering. Selv om blekkskriver er en enkel, ikke-kontakt direkte-skrive-metoden, er det vanligvis begrenset til overføring av lav viskositet, og er kjemisk godartede nanopartikkelsuspensjoner for å unngå tilstopping og / eller korrosjon av dispensermunnstykker. I tillegg utskrift mønstre med veldefinerte ende funksjoner ved inkjet er svært vanskelig gitt variable oppførsel av væsker på ulike overflater og deres resulterende ustabilitet på grunn av fuktende virkninger 13. Uansett, har inkjet likte mest oppmerksomhet fra forskere hittil.
LIFT, på den annen side er en ikke-kontakt, dyse-fri additiv prosess som er i stand til å overføre høy viskositet pasta med godt definerte kanter. I denne prosessen, blir kontrollerte mengder av komplekse materialer overføres fra en donor substrat (eller "bånd") til et mottakende substrat ved hjelp av laserpulser 4 som er vist skjematisk i figur 1. Ved bruk av høy viskositet lim, er det evusynlige for det trykte voxel å matche størrelsen og formen på hendelsen laserpuls tverrsnitt 5. Denne prosessen har blitt referert til som laser-decal overføring (LDT), og gir en unik tilnærming til direkte skriving i hvilket voxel form og størrelse er lett kontrollerbare parametre, slik at den ikke-litografiske generering av strukturer for et bredt spekter av applikasjoner som for eksempel krets reparasjon 14, metamaterials 7, sammenkoblinger 8 og frittstående strukturene 15. Evnen til å sette komplekse former i en overføringstrinn reduserer behandlingstiden og unngår problemer knyttet til sammenslåing av flere lydelementer, et vanlig problem i de fleste digitale trykkteknikk. Muligheten til å justere den romlige profilen til individuelle laserpulser 17 dynamisk tjener til å øke skrivehastigheten av LDT i forhold til andre laser direkte ned- (LDW) teknikker. Som et resultat av disse behandlings fordeler, henviser vi til LDT prosessen som"Delvis parallelized" siden den tillater en kombinasjon av flere serieskrivemåten til en enkelt parallell ett. Graden av parallellisering i siste instans avhengig av evnen til å raskt endre lasertverrsnittsprofil, og derfor formen av det resulterende vokselen, og på den hastighet ved hvilken båndet og substratet kan oversettes.
For å bidra til å visualisere prosessen, blir oppførselen til et materiale i løpet av LIFT prosessen vist skjematisk på figurene 2A, 2C, 2E og for tre forskjellige Plastisolviskositetene. For lav viskositet blekk (Figur 2A) 9, overføringsprosessen følger spyling oppførsel, noe som resulterer i dannelsen av avrundede, halvkuleformede lydelementer (figur 2B) 18 Fig. 2C viser overføringen av meget høy viskositet suspensjoner, hvor det mates ut vokselen opplever fragmentering i likhet med det som er observert med LIFT av sålokk keramiske lag 19. Fig. 2E viser LDT overføring av nanopaste med et passende, mellomliggende viskositet, karakterisert ved at den frigjorte vokselen er ikke gjenstand for å forme deformasjon på grunn av overflatespenningseffekter og når den mottakende substrat intakt. Effekten av viskositeten av formen på de overførte vokslene er vist i atomkraftmikroskopi (AFM) bilder i figurene 2B, 2D og 2F. Som Figur 2F viser, er det mulig å oppnå skarpe, veldefinerte vokslene for et passende område av viskositeter, vanligvis ~ 100 Pa • s for Ag nanopaste 5.
Totalt sett har det vært få rapporter om metoder som kombinerer ikke-kontakt utskrift med potensial for micron oppløsning 3D-strukturer. Den LDT metoden gir en freeform prosess stand til å fabrikere forbindelser med ultra-fine banen bonding evner. En rekke bruksområder, inkludert delikate elektroniske enheter, organisk elektronikkOg mikroelektromekaniske systemer (MEMS) kan ha nytte av en slik prosess. Her viser vi en prosess for ikke-kontakt, tredimensjonale utskrift samt enkelt laser-shot, stort område utskrift (via DMD chip) med høy viskositet Ag nanopaste.
I denne artikkelen har vi vist en prosess for ikke-kontakt, tredimensjonale utskrift samt enkelt laser-shot, stort område utskrift (via DMD chip) med høy viskositet Ag nanopaste. I motsetning til andre direkte-skrive-teknikker, for eksempel blekkskriver, LDT teknikken beskrevet her gjør det mulig for trykking av komplekse voxel former med en laserpuls, dvs. i ett enkelt trinn. Selv om mange aspekter av fremgangsmåten kan synes enkel, er det flere trinn som krever iterativ testing for å optimalisere. Først lime tørrhet og viskositet er de viktigste faktorene for vellykket overføring. Selv om disse punktene er allerede blitt understreket gjentatte ganger i teksten, gjenta vi poenget her å understreke viktigheten. Hvis blekk viskositeten er for lav, så vil det være umulig å skrive ut skarpe, veldefinerte voxel former. En avslørende tegn på at blekket viskositet er for lav oppstår når du prøver å løse ut en voxel. Når laserpulsen er avfyrt, ervoxel vises til øyeblikk løse ut, men blekket vil fylle tilbake raskt i hullet igjen i donor underlaget. I dette tilfelle må brukeren stoppe avfyring av laseren, og blekket skal behandles videre som beskrevet i trinn 3.1 og 3.2. Hvis blekk viskositeten er for høy, vil det volumelement overføringsprosessen vises vellykket på båndet. Men når undersøke voxel på mottakeren underlaget, vil det være betydelige rive, oppsprekking, eller rusk. I dette tilfellet må brukeren å avhende dagens bånd og lage en ny bånd som beskrevet i kapittel 2. Optimalisering av blekk viskositet og tørketiden bør gjøres ved å vurdere kvaliteten av voxel overføringsforsøk. Vi anbefaler ikke å forsøke å måle viskositeten til pastaen på noe punkt. For det andre er den laser fluence nesten like viktig som blekk viskositet og meget små endringer i fluens kan ha en betydelig effekt på prosessen. Det bør være veldig tydelig når energien er for lav – volumelementetvil ikke løse ut fra donor underlaget. Det anbefales å begynne med fluence rekkevidde foreslått i trinn 4.4, og deretter meget trinnvis øke verdien. Det laveste energi som resulterer i en fullstendig overføring kalles "terskel innflytelse". Det er ofte best å arbeide ved eller i nærheten av terskelen fluence fordi høyere fluens verdier vil ha en tendens til å sprekke eller rive de vokslene. Til slutt, avhengig av variasjon av laseren som brukes for fremgangsmåten, kan det være hot spots i laseren profilen. Dette kan kreve en justering av åpningen til å prøve en mer homogen region av bjelken. Hvis formen av den slynges ut vokselen er vridd eller dårlig overens med formen av strålens tverrsnitt, kan laser hotspots eller blekk lagtykkelsen eller ensartethet være ansvarlig.
Utover feilsøking, er det noen begrensninger i teknikken. Det siste ovn herdetrinnet gjør det vanskelig eller umulig å oppnå voksler med de ønskede funksjonelle egenskaper på non-high-temperature kompatible underlag. Generelt er Ag nanopaste anvendt i dette manuskriptet krever en herdetemperatur på minst 150 ° C for å oppnå rimelige konduktivitetsverdier. Fabrikasjon av blekket sjikt på donor substratet må bli ytterligere optimalisert for å forbedre tykkelse ensartethet, arealdekning og behandlingstiden. Blekket sjikttykkelsen har en dramatisk effekt på terskelen fluence og overføringskvalitet, og inhomogen tykkelse kan gjøre overføringsprosessen vanskelig, spesielt ved overføring av voksler som er mindre enn 20 um x 20 um. Den nåværende utforming for donor substratet gjør det vanskelig å lage bånd større enn 10s cm, noe som begrenser stort område gjennomstrømming. Således har utviklingen av alternative donor substrat-design, slik som spole-til-spole eller roterende skive, ville være nødvendig for økt automatisering og større område prosessering.
Styrken av LDT teknikk ligger i evnen til å overføre fluider med høyviskositeter at andre drop-on-demand-teknikker ikke kan håndtere. Fordelene med LDT kan deles inn i to situasjoner hvor det første tilbyr utskrift med høy viskositet lim en forbedring i kvalitet eller hastighet over utskrift av lav viskositet lim og for det andre, i situasjoner der utskrifter med høy viskositet lim gjør strukturer som ikke er tilgjengelige for lav s.w.hayter . Eksempler på fordeler i den første kategorien er: minimal volumelement variasjon fra fukte effekter, høy grad av kontroll over voxel form og størrelse, minimal krymping under herding, og lav laserenergi sammenlignet med andre prosesser LIFT (og dermed lav overføring hastighet). Eksempler i den andre kategorien er: utskrift av høy-aspekt-ratio strukturer, bygge bro konstruksjoner, utkraginger og annen struktur som krever god voxel-form-oppbevaring. Ved å kombinere LDT prosessen med DMD chip, er parallell utskrift av komplekse former og mønstre aktivert, som i stor grad hastigheter opp hele prosessen. Videre, than bruke av en DMD å forme voxel lar design å bli oppdatert mellom laserpulser, muliggjør rask utskrift av dynamisk rekonfigurer lydelementer. Generelt sett er oppdateringsfrekvensen på DMD (33 kHz) litt tregere enn maks repetisjon rate av laser (100 kHz eller høyere), men frekvensen begrensende faktor for utskriftshastigheten er scenen oversettelse.
Den primære veier for avansement med LDT systemet er fortsatt utvikling av ytterligere materiale, bedre båndet fabrikasjon prosessen, og fortsetter å skalere opp prosessen gjennom å integrere Digital Light Processing (DLP) teknologi som DMD chip. Selv om metalliske og isolerende materialer har blitt overført gjennom denne prosessen har noen aktive materialer blitt utviklet. Muligheten til å skrive ut piezoelektriske, magnetiske eller optiske materialer med LDT prosessen kunne åpne opp enorme teknologiske muligheter. Som det står, geometrien av donor substgrenser skalerbarhet. Utviklingen av reel-to-reel eller roterende plate giver underlag vil effektivisere prosessene betraktelig. Endelig kombinasjon av LDT med DLP-teknologi er en potensielt forstyrrende utvikling for feltet digital fabrikasjon, snu en tidligere serie prosessen til en svært parallell prosess. En sentral utfordring mot dette målet er muligheten til å skrive ut lydelementer med god funksjon oppløsning på flere skalaer. Det vil si, lydelementer med side dimensjoner i størrelsesorden 10 sek eller 100 sek av mikrometer som inneholder funksjoner i størrelsesorden 1-5 mikrometer. Samlet utgjør disse utviklingen gir betydelige muligheter for store-området additiv produksjon av elektroniske komponenter.
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 |