의 Ag Nanopaste의 레이저 유도 앞으로 전송
Summary
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.
Abstract
지난 10 년간, 금속 잉크 또는 기타 기능성 물질을 인쇄 비 리소그래피 방법 1-3 많이 개발되고있다. 잉크젯 3 및 레이저 유도 앞으로 전송 (LIFT) 4 이러한 과정의 대부분은 성장 인쇄 전자 및 무 마스크 패턴에 대한 관심이 점점 인기를 끌고있다. 전통적인 반도체 처리 기법에 비해 이러한, 제조 공정이 환경 친화적 인 저렴하고 신속한 프로토 타이핑에 적합 첨가제. 가장 직접적인 쓰기 프로세스가 두 차원 구조에 국한되고 점도가 높은 (특히 잉크젯)와 자료를 처리 할 수 있지만 제대로 수행 한 경우, LIFT는 모두 제약을 초월 할 수 있습니다. 또한, 레이저 전사 트랜스퍼 (LDT) 5-9로 지칭 삼차원 화소 (호출 복셀)의 합동 전송은 최근 LIFT 기술은 고점도의 Ag nanopast를 사용하여 입증되었다ES는 자립 상호 복잡한 복셀 모양 및 고 종횡비의 구조물을 제조한다. 본 논문에서는 마이크로 및 거시적의 Ag 다양한 구조를 제조하기위한 간단하면서도 다양한 과정을 보여줍니다. 구조는 상업적인 프로젝터, DMD (Digital Micromirror Device) 칩을 이용한 간단한 전기 접점을 패터닝하기위한 모양, 가교 및 캔틸레버 구조, 높은 종횡비 구조 및 단발, 큰 면적의 전송을 포함한다.
Introduction
첨가제 프린팅 기술은 다양한 기판 상에 기능성 재료의 패턴에 대한 상당한 관심이있다. micropen 10, 직접 기록 조립체 (11), 잉크젯 (12) 및 LIFT 4 포함한 소위 "직접 기록"프로세스는 서브 – 마이크론에서 1,2- 거시적 범위 기능 다양한 크기의 제조에 적합 . 이러한 기술의 주요 장점은 저렴한 비용, 환경 친 화성, 그리고 프로토 타입 개념에서 빠른 처리합니다. 사실, 신속한 프로토 타입은 프로세스에 대한 기본 사용이다. 이러한 프로세스에서 사용 된 물질은 일반적으로 용매 내에서 나노 입자 현탁액으로 구성하고, 일반적으로 그 기능성을 실현하기 위해 증착 단계 후 경화 가열을 필요로한다. micropen 및 직접 기록 조립체는 상대적으로 구현이 간단하지만, 모두 수용 기판과 연속 필라멘트의 접촉에 의존분배시. 잉크젯 간단한 비접촉 직접 기록 방법이지만, 통상은 분배 노즐의 막힘 및 / 또는 부식을 방지하기 위해 낮은 점도 화학적 양성 나노 입자 현탁액의 양도 제한된다. 또한, 잉크젯에 의해 잘 정의 된 에지 기능 인쇄 패턴 때문에 습윤 효과 (13)에 서로 다른 표면과 그 결과의 불안정성에 유체의 가변 동작 주어진 매우 어렵다. 에 관계없이, 잉크젯은 지금까지 연구에서 가장 관심을 즐겁게하고있다.
LIFT, 다른 한편으로는, 잘 정의 된 가장자리 고점도 페이스트를 전사 할 수있는 비접촉 노즐 프리 첨가 공정이다. 이 공정에서, 복합 재료의 제어 된 양의 고점도 페이스트를 사용하는 경우. 그것은 POSS 인도 1에 도시 한 바와 같이, 레이저 펄스 (4)를 이용하여 수신 기판 (또는 "리본") 도너 기판으로부터 전사입사 레이저 펄스의 단면 (5)의 크기 및 형상에 맞도록 인쇄를위한 복셀 ible. 이 처리는, 레이저 전사 트랜스퍼 (LDT) 라하고, 같은 다양한 애플리케이션을위한 구조의 비 리소그래피 생성을 가능 복셀 형상 및 크기를 쉽게 제어 파라미터되는 직접 기입하는 독특한 방법을 제공하고있다 회로 수리 (14), 메타 물질 (7), 상호 (8), 무료 – 서 구조 15. 하나의 전송 단계에서 복잡한 형상을 증착 할 수있는 능력은 매우 처리 시간을 감소시키고 다수의 복셀 대부분의 디지털 인쇄 기술의 일반적인 문제의 병합에 관련된 문제를 피할 수있다. 동적 개별 레이저 펄스 (17)의 공간적 프로파일을 조절하는 능력은 다른 레이저 직접 기록 (LDW) 기법에 비해 LDT의 기록 속도를 증가시키는 역할을한다. 것으로서 이러한 처리 효과의 결과로서, 우리는 LDT 프로세스 참조그것은 하나의 병행으로 복수 직렬 기록 단계들의 조합 할 수 있으므로 "부분적으로 병렬". 병렬화 정도는 최종적으로 빠르게 레이저 단면 프로파일을 변경하는 능력 때문에 얻어진 복셀의 형상에 의존하고, 리본과 기판을 번역 할 수있는 속도에.
프로세스를 시각화하기 위해 리프트 프로세스 동안 물질의 동작은 세 가지 페이스트 점도에 대해도 2A, 2C 및 2E에 개략적으로 도시되어있다. 저점도 잉크에 대한 (도 2A)도 9를 참조하면, 전송 처리가 둥근 반구 복셀 (도 2b)의 형성의 결과로 문제를 분사 다음과 18.도 2c는 토출 복셀은 것과 유사한 단편화가 발생하는 매우 높은 점도 현탁액의 전송을 도시 정도의 LIFT 관찰뚜껑 세라믹 층 (19).도 2e는 방출 된 복셀은 표면 장력 효과로 인해 변형 형상에 적용되지 않고, 그대로 수용 기판에 도달 상기 적합한 중간 점도와 nanopaste의 LDT 전송을 도시한다. 전사 복셀의 형상에 점도의 효과는도 2B, 2D, 2F와의 원자 힘 현미경 (AFM) 사진에 도시되어있다. 도 2F는 입증 된 바와 같이, 일반적으로, 점도가 적절한 범위 샤프 잘 정의 복셀을 얻을 수있다 ~ 100 · 파의 Ag nanopaste 5 초.
전체적으로 마이크론 해상도 3D 구조물 전위 비접촉 인쇄를 결합하는 방법의 몇 가지보고가 있었다. LDT 방법은 울트라 파인 피치 접합 기능을 커넥터를 제조 할 수있는 자유형 프로세스를 제공한다. 민감한 전자 장치, 유기 전자를 포함하는 응용 프로그램의 수및 마이크로 전자 기계 시스템 (MEMS)는 이러한 공정에서 유익 할 수있다. 여기에서 우리는 고점도의 Ag nanopaste의 비접촉, 입체 인쇄뿐만 아니라 (DMD 칩을 통해) 단일 레이저 총, 대 면적 인쇄하는 방법을 보여줍니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
본 논문에서는 높은 점도의 Ag nanopaste의 비접촉, 입체 인쇄뿐만 아니라 (DMD 칩을 통해) 단일 레이저 총, 대 면적 인쇄하는 방법을 설명했다. 잉크젯 다른 직접 기록 기술과는 달리, 여기서 설명 LDT 기술은 하나의 단계에서, 하나의 레이저 펄스, 즉 복셀 복잡한 모양의 프린팅을 허용한다. 절차의 여러 측면이 간단 보일 수도 있지만, 최적화하기 위해 반복적 인 테스트를 요구하는 여러 단계가 있습니다. 첫째, 페이스트 건조 및 점도가 성공적으로 전송을위한 가장 중요한 요소입니다. 이러한 점은 이미 텍스트 반복되어 강조 하였지만, 우리는 중요성을 강조하기 위해 여기 점을 유지한다. 잉크 점도가 너무 낮은 경우는 날카 롭고 잘 정의 복셀 모양을 인쇄 불가능하다. 복셀을 배출 할 때 잉크의 점도가 너무 낮은 폭로하는 기호가 발생합니다. 레이저 펄스가 실행되면복셀 순간적 토출 나타나지만 잉크 도너 기판에 남아있는 구멍 위로 빠르게 채울 것이다. 이 경우, 사용자는 레이저 발사 중지해야하고 단계 3.1 및 3.2에서 설명하는 바와 같이, 잉크는 또한 처리되어야한다. 잉크 점도가 너무 높은 경우, 복셀 전사 공정 리본 성공적인 나타날 것이다. 수신기 기판상의 복셀 검사하는 경우에는, 상당한 인열, 파쇄하거나, 이물질이있을 것이다. 이 경우, 사용자는 현재 리본 처분 복셀 전송 시도의 품질을 평가함으로써 달성되어야 잉크 점도 및 건조 시간의 최적화 부 (2)에 설명 된대로 새로운 리본을 만들 필요가있다. 우리는 어떤 시점에서 페이스트의 점도를 측정하려고하지 않는 것이 좋습니다. 둘째, 레이저 플루 언스 프로세스에 상당한 영향을 미칠 수있는 잉크의 점도와 플루 언스의 매우 작은 변화만큼이나 중요하다. 에너지가 너무 낮을 때, 매우 명확해야 – 복셀도너 기판에서 배출되지 않습니다. 이 단계 4.4에서 제시된 플루 언스 범위로 시작하는 것을 권장하고 매우 증분 값을 증가한다. 전체 전송 결과 가장 낮은 에너지는 "임계 플루 언스"라고합니다. 종종 높은 플루 언스 값은 복셀을 파괴 또는 파열시키는 경향이 있기 때문에 한계 플루 언스에서 또는 근처에서 동작 할 최상이다. 마지막으로, 프로세스에 사용되는 레이저의 종류에 따라 레이저 프로파일의 핫 스폿이 될 수있다. 이 빔의보다 균일 한 영역을 샘플링 조리개의 조정이 필요할 수 있습니다. 토출 된 복셀의 형태는 변형 된 또는 잘못 빔 단면의 형상과 일치하는 경우, 레이저 핫스팟 또는 잉크 층 두께 또는 균일 성을 담당 할 수있다.
문제 해결을 넘어, 기술에 대한 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 최종 가열 경화 공정은 어렵거나 불가능한 비 고 t의 원하는 기능적 특성을 갖는 복셀을 실현할 수있다호환 기판 럼 온. 일반적으로,이 논문에서 사용의 Ag nanopaste 합리적인 전도도 값을 얻기 위해서는 적어도 150 ℃의 경화 온도를 필요로한다. 도너 기판상의 잉크 층의 제조는 또한 막 두께 균일 성, 및 면적에 따르면, 처리 시간을 향상시키기 위해 최적화 될 필요가있다. 잉크 층 두께는 20 μm의 × 20 μm의보다 작은 복셀 전사, 특히 전사 공정을 어렵게 만들 수있는 한계 플루 언스 및 전송 품질, 불균일 두께에 큰 영향을 미친다. 상기 도너 기판에 대한 현재 디자인 때문에 대 면적의 처리량을 제한 cm의 10S보다 큰 리본을 생성 할 수있다. 따라서, 이러한 릴 릴 또는 회전 디스크 등의 다른 도너 기판 디자인의 발달은 향상된 자동화 큰 영역 처리에 필요한 것이다.
LDT 기술의 높은 강도와 유체를 전달하는 능력에 달려다른 드롭 온 디맨드 기술이 처리 할 수없는 점도. LDT의 장점은 첫째, 인쇄 고점도 페이스트 고점도 페이스트를 인쇄 저점 인쇄에 액세스 할 수없는 구조를 가능 상황에서, 품질의 향상을 제공하거나 둘째 저점도 페이스트를 인쇄 과속 두 가지 경우로 구분 될 수있다 . 첫 번째 범주의 장점의 예는 다음과 같습니다 다른 LIFT 과정 (따라서 낮은 전송 속도)에 비해 습윤 효과, 치료 기간 동안 복셀의 모양과 크기, 최소한의 수축 제어의 높은 수준, 낮은 레이저 에너지에서 최소 복셀 변화. 두 번째 범주의 예는 다음과 같습니다 높은 종횡비 구조의 인쇄, 가교 구조, 캔틸레버, 좋은 복셀 형상 보존을 필요로하는 다른 구조입니다. DMD 칩으로 LDT 프로세스를 결합함으로써, 복잡한 형상과 패턴의 병렬 인쇄는 크게 전체 프로세스를 가속화하는, 사용할 수 있습니다. 또한, t그 복셀을 형성하는 DMD의 사용 있도록 설계 동적 재구성 복셀 빠른 인쇄를 가능 레이저 펄스 사이 사이에 업데이트된다. 일반적으로, DMD (33 KHZ)의 리프레시 레이트는 레이저 (100 kHz 또는 그 이상)의 최대 반복 속도보다 약간 느리지 만, 인쇄 속도의 인자 속도 제한 스테이지 변환이다.
LDT 시스템과 발전을위한 주요 도로는 리본 제조 공정을 개선하고, 같은 DMD 칩으로 디지털 라이트 프로세싱 (DLP) 기술을 통합을 통해 프로세스를 확장 계속, 추가 자료의 지속적인 개발이다. 금속 및 절연 재료가 성공적이 과정을 통해 이동 하였지만, 몇몇 활성 물질이 개발되어왔다. 엄청난 기술적 가능성을 열어 수있는 LDT 과정, 압전 자기 또는 광전자 재료를 인쇄 할 수있는 기능. 이것은, 도너 SUBST의 형상 약자로서속도 제한 확장 성을 제공합니다. 릴 투 릴 또는 디스크 도너 기판을 회전시키는 현상이 현저하게 공정을 간소화한다. 마지막으로, DLP 기술 LDT의 조합은 고도의 병렬 프로세스에 이전에 일련의 과정을 선회, 디지털 제조 분야에 대한 잠재적으로 파괴적인 개발이다. 이 목표를 향한 중요한 과제는 여러 규모에서 좋은 기능 해상도 복셀을 인쇄 할 수있는 기능입니다. 즉, 말을 10 초 ~ 5 μm의 순서에 μm의 포함 기능의 100 초 정도의 횡 방향 치수 복셀. 함께 찍은, 이러한 발전은 전자 부품의 대 면적 첨가제 생산을위한 중요한 기회를 제공합니다.
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was funded by the Office of Naval Research (ONR) through the Naval Research Laboratory Basic Research Program.
Materials
| 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 |
Referenzen
- Park, J. U., et al. High-resolution electrohydrodynamic jet printing. Nature Mater. 6, 782-789 (2007).
- Hon, K. K. B., Li, L., Hutchings, I. M. Direct writing technology – Advances and developments. CIRP Ann. 57, 601-620 (2008).
- Calvert, P. Inkjet Printing for Materials and Devices. Chem. Mater. 13, 3299-3305 (2001).
- Arnold, C. B., Serra, P., Piqué, A. Laser direct-write techniques for printing of complex materials. MRS Bulletin. 32, 23-31 (2007).
- Park, J. U., et al. High-resolution electrohydrodynamic jet printing. Nature Mater. 6, 782-789 (2007).
- Hon, K. K. B., Li, L., Hutchings, I. M. Direct writing technology – Advances and developments. CIRP Ann. 57, 601-620 (2008).
- Calvert, P. Inkjet Printing for Materials and Devices. Chem. Mater. 13, 3299-3305 (2001).
- Arnold, C. B., Serra, P., Piqué, A. Laser direct-write techniques for printing of complex materials. MRS Bulletin. 32, 23-31 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- King, B. H., Dimos, D., Yang, P., Morissette, S. L. Direct-write fabrication of integrated, multilayer ceramic components. J. Electroceram. 3, 173-178 (1999).
- Lewis, J. A. Direct ink writing of 3D functional materials. Adv. Funct. Mater. 16, 2193-2204 (2006).
- Calvert, P. Inkjet printing for materials and devices. Chem. Mater. 13, 3299-3305 (2001).
- Kang, H., Soltman, D., Subramanian, V. Hydrostatic Optimization of Inkjet-Printed Films. Langmuir. 26, 11568-11573 (2010).
- Piqué, A., et al. Laser decal transfer of electronic materials with thin film characteristics. Proc. SPIE. 6879, 687911 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
