نقل الليزر التي يسببها إلى الأمام من حج Nanopaste
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
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
Representative Results
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
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 |
References
- 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).
