JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Laser-geïnduceerde Forward Overdracht van Ag Nanopaste

Published: March 31, 2016
doi:
10.3791/53728
, , ,
1National Research Council Research Associates Program,Naval Research Laboratory, 2Materials Science and Technology Division,Naval Research Laboratory

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

In het afgelopen decennium is er veel ontwikkeling van niet-lithografische methoden 1-3 voor het afdrukken van metallic inkten of andere functionele materialen geweest. Veel van deze processen, zoals inkjet 3 en laser-induced forward overdracht (LIFT) 4 steeds populairder als rente in printbare elektronica en maskerloze patroonvorming is gegroeid geworden. Deze additieve productieprocessen zijn goedkoop, milieuvriendelijk, en geschikt voor rapid prototyping, in vergelijking met meer traditionele halfgeleider technieken. Terwijl de meest directe-write processen beperkt tot tweedimensionale structuren en kan geen materialen met een hoge viscositeit (in het bijzonder inkjet), kan LIFT beide beperkingen overschrijden indien correct uitgevoerd. Congruent overdracht van driedimensionele pixels (voxels genoemd), ook wel laser decal overdracht (LDT) 5-9, is onlangs aangetoond met LIFT techniek met hoogviskeuze Ag nanopastes naar vrijstaande interconnects, complexe voxel vormen, en high-aspect ratio structuren te fabriceren. In dit artikel laten we zien een eenvoudige maar veelzijdige proces voor het vervaardigen van een verscheidenheid van micro- en macroschaal Ag structuren. Structuren omvatten eenvoudige vormen voor de patroonvorming van elektrische contacten, het overbruggen en cantilever structuren, high-aspect ratio structuren, en single-shot, groot gebied transfers met behulp van een commercieel digitaal microspiegeltjes (DMD) chip.

Introduction

Additieve druktechnieken zijn van groot belang voor de patroonvorming van functionele materialen op verschillende substraten. Deze zogenaamde "directe schrijven" processen, waaronder MicroPen 10, direct-write samenstel 11, 12 inkjet en LIFT 4, zijn geschikt voor de vervaardiging van verschillende functie maten variëren van sub-micron tot 1,2 macroschaal . De belangrijkste voordelen van deze technieken zijn lage kosten, milieuvriendelijkheid, en een korte doorlooptijd van concept tot prototype. Inderdaad, rapid prototyping is een primaire gebruik voor dergelijke werkwijzen. De materialen gebruikt door deze processen gewoonlijk uit een nanodeeltje suspensie in een oplosmiddel, en vereisen in het algemeen een oven uithardingsstap na afzetting om hun functionele eigenschappen te realiseren. Hoewel MicroPen en directe-write assemblage zijn relatief eenvoudig te implementeren, zowel rekenen op een continue filament contact met het ontvangende substraattijdens het afgeven. Hoewel inkjet is een eenvoudige, contactloze directe schrijfmethode wordt meestal beperkt tot de overdracht van lage viscositeit, chemisch goedaardige nanodeeltjes suspensies ter voorkoming van verstopping en / of corrosie van de spuitmonden. Bovendien drukpatronen met goed gedefinieerde randkenmerken van inkjet zeer moeilijk gezien de variabele gedrag van vloeistoffen op verschillende oppervlakken en hun resulterende instabiliteit door bevochtiging effecten 13. Ongeacht, is inkjet de meeste aandacht van onderzoekers tot nu toe genoten.

LIFT, daarentegen, is een contactloze, nozzle-vrije additieve werkwijze die staat is om zeer viskeuze pasta met goed gedefinieerde randen. In dit proces worden gecontroleerde hoeveelheden complexe materialen overgebracht van een donor substraat (of "ribbon") naar een ontvangend substraat met laserpulsen 4 zoals schematisch weergegeven in figuur 1. Bij gebruik van hoogviskeuze pasta is possbaar voor de afgedrukte voxel om de grootte en vorm van de invallende laserpuls doorsnede 5 passen. Dit proces is bedoeld als laser sticker overdracht (LDT), en biedt een unieke benadering van direct-schrijven waarin voxel vorm en grootte zijn gemakkelijk regelbaar parameters, waardoor de niet-lithografische generatie van de structuren voor een breed scala van toepassingen, zoals circuit reparatie 14, metamaterialen 7, 8 interconnects, en vrijstaande structuren 15. Het vermogen om complexe vormen in een transferstap deponeren reduceert de verwerkingstijd en voorkomt problemen bij het samenvoegen van meerdere voxels, een veel voorkomend probleem bij de meeste digitale druktechnieken. De mogelijkheid om de ruimtelijke profiel van afzonderlijke laserpulsen 17 dynamisch aanpassen dient voor de schrijfsnelheid van LDT verhogen ten opzichte van andere laser direct schrijven (LDW) technieken. Als gevolg van deze verwerking voordelen, verwijzen we naar de LDT proces als"Gedeeltelijk geparalleliseerd" aangezien deze een combinatie van meerdere seriële schrijven stappen in een parallel. De mate van parallellisatie hangt uiteindelijk af van de mogelijkheid om de laser dwarsdoorsnedeprofiel snel veranderen, en dus de vorm van de resulterende voxel, en de snelheid waarmee de band en het substraat kan worden vertaald.

Om visualiseren het proces wordt het gedrag van een materiaal tijdens het proces LIFT schematisch weergegeven in Figuren 2A, 2C en 2E drie verschillende plakken viscositeiten. Voor lage viscositeit inkten (Figuur 2A) 9, het overdrachtproces volgt jetting gedrag, wat resulteert in de vorming van ronde, halfbolvormige voxels (figuur 2B) 18. Figuur 2C toont de overdracht zeer hoge viscositeit suspensies, waarbij de uitgestoten voxel ervaart fragmentatie vergelijkbaar met wat waargenomen met LIFT of zodeksel keramische lagen 19. Figuur 2E toont de LDT overdracht van nanopaste met een geschikt tussenproduct viscositeit, waarbij het ​​vrijgegeven voxel niet onder vorm vervorming als gevolg van spanningen effecten oppervlakte en bereikt het ontvangende substraat intact. Het effect van de viscositeit van de vorm van de voxels overgedragen wordt in de atomic force microscopie (AFM) beelden in figuren 2B, 2D en 2F. Zoals figuur 2F demonstreert, is het mogelijk om scherpe, goed gedefinieerde voxels te verkrijgen voor een passende reeks viscositeiten, meestal ~ 100 Pa · sec voor Ag nanopaste 5.

Overall, zijn er enkele gevallen van methoden die contactloos drukken combineren met een mogelijke micron resolutie 3D structuren geweest. De LDT methode biedt een freeform proces in staat is het vervaardigen van interconnects met ultra-fine pitch bonding mogelijkheden. Een aantal toepassingen, waaronder gevoelige elektronische apparaten, organische elektronicaEn micro-elektromechanisch systeem (MEMS) zouden baat hebben bij een dergelijke werkwijze. Hier laten we een werkwijze voor contactloze, driedimensionaal afdrukken en enkele laser shot, groot oppervlak printen (via DMD chip) van hoge viscositeit Ag nanopaste.

Protocol

1. Het maken van Donor Substrates Maskeren de randen van een glasplaatje met tape waarbij een centraal gebied van ongedekte glas. Dompel de dia in gebufferde HF (6: 1 verhouding van 40% NH4F in water tot 48% HF in water) gedurende 3-15 min. Opmerking: Dit zal het midden van de schuif die is ontmaskerd etsen, waardoor een goed. De diepte van de put moet tussen 1 en 5 um die door een stylus profilometer AFM kan worden bepaald met instructies van de fabrikant. Verwijder de tape masker. 2. Het creëren van het inktlint Spreid een kleine hoeveelheid Ag pasta aan een zijde van de put. Zorg ervoor dat er genoeg is om de put te vullen, ongeveer in de 10 mg range. Het is niet nodig om de hoeveelheid eerste maatstaf is. Stevig sleep een rechte metalen mes over de put, het verspreiden van een dunne laag van pasta over zijn geheel. Gelijkmatig de pasta te verspreiden zonder enige dunne plekken. Het eindproduct van this proces – een klein putje met Ag inkt – wordt genoemd de "ribbon". Veeg pasta die verspreid buiten het goed met een lab wegvegen. 3. Drogen van de Ribbon Leg het lint face-up in een lage luchtvochtigheid. Een doos gevuld met droge stikstof beste werkt. Laat de band gedurende ten minste 2 uur bij KT. Op dit punt moet de inkt viscositeit hoog genoeg is om af te drukken. Opmerking: Na voldoende droging, kan inktlinten voor ongeveer een maand bewaard worden door het plaatsen van de put gezicht naar beneden op een glasplaatje en op te slaan in een droge stikstof omgeving. Na opslag Zo is het goed om de inktlinten gedurende langere tijd verlaten. 4. Afdrukken Voxels Bevestig de ontvanger substraat om een ​​XY translationeel podium met een stofzuiger klauwplaat of dubbelzijdig tape. Opmerking: De ontvanger ondergrond moet vlak zijn, maar er zijn geen andere beperkingen. Silicium wafers, glass dia's, of 200 ° C compatibele polymeren zijn allemaal aanvaardbaar ontvanger ondergronden. Plaats het inktlint gezicht-neer op de ontvanger substraat. Focus de optische opstelling door de achterkant van het donorsubstraat, op het achteroppervlak van de inkt in de put. LET OP: Er zijn vele manieren om de optiek voor dit proces te regelen, maar de volgende stappen / componenten nodig: Gebruik een gepulste UV laser met een bundel met een "top-hat" ruimtelijke energieverdeling (in tegenstelling tot Gauss). Met een laser kan regelbaar vuren afzonderlijke pulsen, die een akoestisch-optische modulator nodig. De akoesto-optische modulator kan de gebruiker het afvuren van individuele pulsen. Passeert de bundel door een opening, vormen van de dwarsdoorsnede van de bundel in de gewenste vorm. Merk op dat de vorm van de opening bepaalt de vorm van de voxel. Dat wil zeggen, de opening in hoofdzaak afgebeeld op het donorsubstraat, analoog aan mask projectie. Gebruik een microscopisch doel om de grootte van de bundel doorsnede, die de grootte van de afgedrukte voxel bepaalt verminderen. Als bijvoorbeeld een 10X objectief opbrengst vierkante voxels met 50 urn laterale afmetingen dan een 50X objectief zal dezelfde vorm (vierkant) drukken voxels met 10 urn laterale afmetingen. Plaats een videocamera in de rij (via beam splitter) met de microscopische doelstelling. Dit maakt het mogelijk actieve monitoring van het inktlint. Brand een enkele laserpuls op de donor substraat. Een redelijke beginwaarde voor laser fluentie in het bereik van 40-60 mJ / cm2. Zorg ervoor dat er een zichtbare gat in de vorm van de laserstraal doorsnede waar de voxel werd uitgeworpen. Als het gat niet zichtbaar is, zijn er verschillende mogelijke oorzaken: Onscherp. Stel de hoogte van de focus doelstelling. Dit kan het gat in beeld te brengen. Weinig energie. langzaam increase de energie van de laser tot een fluentie van 60-80 mJ / cm2. Dikkere inktlinten kan hoog Fluence waarden vereisen. Inkt viscositeit te laag. Als een voxel uitgeworpen maar het gat in het inktlint vult onmiddellijk alvorens de inktviscositeit nog te laag, dan drogen het lint nog eens 30 min op basis van de instructies in stap 3 en stap 4 begint opnieuw. Verplaats de XY translationele fase langs de X- en Y-as naar een nieuwe plek. Brand een enkele laserpuls op de donor substraat weer, het uitwerpen van een voxel en het verlaten van een scherp omlijnde gat waar de voxel van het inktlint werd uitgeworpen. 5. Afdrukken complexe structuren Maak lijnen door aangrenzende voxels elkaar te koppelen op de volgende manier: Transfer een voxel zoals beschreven in 4.1-4.4. Verplaats de XY-translationele fase één voxel lengte langs de X- of Y-richting. Transfer een voxel zoals beschreven in 4.1-4.4. Herhaal dit proces tot een voldoende lange lijn wordt verkregen. Maak overbruggen of cantilever structuren op de volgende manier: Lijn de balk zodat de uitgeworpen voxel een geometrische gat op het donorsubstraat overbrugt OF zodat een gedeelte van de voxel zal uitsteken voorbij de rand van een geometrische gap. Transfer een voxel zoals beschreven in 4.1-4.4. Opmerking: Als de pasta viscositeit te laag is, kan de voxel aangepast aan de eigenschappen daaronder plaats van een brug of cantilever. Maak high aspect ratio structuren op de volgende manier: Transfer een voxel zoals beschreven in 4.1-4.4. Zonder het verplaatsen van de ontvanger substraat, verplaats de donor substraat om een ​​nieuwe plek op het inktlint. Transfer een voxel zoals beschreven in 4.1-4.4. Herhaal stap 5.3.2 en 5.3.3 tot een kenmerk van voldoende heiGHT wordt verkregen. Indien de inrichting groter dan ~ 3-5 pm gebouwd periodiek plaats afstandhouders tussen de donor en de ontvanger substraat zodat de voxel stack en inktlint niet in direct contact komen. Merk op dat de optiek zal moeten worden geheroriënteerd zoals beschreven in paragraaf 4.4.1 om rekening te houden met de verandering in de donor substraat hoogte. 6. Printing complexe beelden via DMD Chip Teken of upload beeld van de gewenste voxel vorm. Zorg ervoor dat het formaat van de afbeelding bestand is een bitmap. Opmerking: Het is cruciaal om de verkleining factor gebruiken van het optische systeem van de tekening schalen naar de grootte van de voxel te drukken. De DMD vervangt in wezen de opening, dus in plaats afbeelden van het licht met wat in wezen masker projectie wordt een array van microspiegels gebruikt om de bundel te vormen. Kies de juiste laser (UV of groen). Schakel DMD en open DMD software. Klik op "Open Image" en load bitmap pattern. Selecteer Load en Reset. Klik op "Add". Naam van het bitmap-bestand moet worden weergegeven in het rechter paneel. Klik op "Run Once". Bitmap patroon wordt nu geladen DMD. Regelen van de donor en ontvanger substraten zoals beschreven in stappen 4,1-4,3. Transfer inkt zoals beschreven in stappen 4,4-4,6. Zodra transfers succesvol zijn, herhaalt u stap 6,3-6,4 als dat nodig is; ga dan naar stap 7. 7. Furnace Zodra alle voxels worden gedrukt, harden ze in een oven. Plaats de ontvanger substraat face-up in de oven. Laat uitharden bij 180 ° C gedurende 2 uur.

Representative Results

Figuur 3 toont een representatieve donor substraat met een putje in het midden. Een standaard glasplaatje werd gebruikt voor de donor substraat en de diepte van de put in dit geval 1 um. Merk op dat alle Ag nanopaste beperkt tot de rechthoekige put en de rest van het substraat schoon. Het is ook belangrijk om op te merken dat de kleur is uniform, met vermelding van ruwweg uniform paste dikte. Gebieden met lichtere kleur geven dunne plekken, die het best vermeden worden. Figuur 4 toont een 20X optisch beeld van het donorsubstraat na een 6×6 matrix van 20 urn x 20 urn vierkante voxels zijn uitgeworpen. In dit ideale geval is er geen pasta residu in de gaten en alle voxels waren volledig uitgeworpen uit het lint. Als de energie onvoldoende is of indien er significante hotspots in de bundel profiel zal voxels slechts gedeeltelijk los en blijven aan de achterzijde van het lint. Voxels uitgeworpen uit pastes met verschillende viscositeiten te vinden in Figuur 5 9. Wanneer de pasta viscositeit laag is, dat wil zeggen, onvoldoende wordt gedroogd, oppervlaktespanning voxels veroorzaken ronder worden, verliezen hun oorspronkelijke vorm (zoals in figuur 5A en B ). Merk op hoe de vorm van de voxels in figuur 5B verschillen van de bundelvormen (getoond in de inzet van figuur 5B). Aan de andere kant, als de pasta viscositeit hoog is, dat wil zeggen, is over-gedroogd voxels een neiging tot breken wanneerdezewordenuitgeworpen zoals gezien in figuur 5C en D. Er is dus een tussenliggende viscositeitsgebied waarbij een overdracht van unfractured voxels dat de vorm van de bundel profiel behouden zoals getoond in figuur 5E en F maakt. We laten twee soorten voxel ketens die lange geleidende lijnen vormen. De eerste was een simpele end-to-end keten which 40 x 60 urn 2 voxels werden overgebracht naast elkaar (Figuur 6A en B) 20. In het algemeen is deze koppeling werkwijze enigszins onbetrouwbaar, met gedeeltelijk of volledig afgebroken interfaces verschijnen na een zachte uitharding bij 100 ° C (zoals in Figuur 6B). De tweede methode gekerfd, koppelingen voxels overgebracht end-to-end (Figuur 6C en D). De stippellijnen in figuur 6C overzicht de oorspronkelijke vorm van de voxels, de hoge kwaliteit van de interface maakt het moeilijk om de individuele vormen visueel lossen. Dit effect is zeer duidelijk in figuur 6D, waarbij de naad tussen voxels is bijna onzichtbaar. De getande geometrie is betrouwbaarder dan het simpele end-to-end, bijna alle interfaces resterende continue na een 100 ° C genezen. Figuur 7 toont verschillende geometrieën stapelen, patronen en aspectverhoudingen. Eenvoxel doorkruisen een 100 urn brede sleuf Si ligt in Figuur 7A. Het verkrijgen van de juiste viscositeit van het grootste belang voor het overbruggen of vrijstaand toepassingen om de voxel voorkomen doorhangen of in overeenstemming met de geometrie van de ontvanger substraat. Complexe meerlagige structuren te zien in figuur 7B-D, waaronder twee gestapelde piramides en hoge aspectverhouding micro pijlers. Deze geometrieën zijn belangrijk voor toepassingen die verticale en verspreid over interconnects. Tenslotte toont figuur 8A een alternatieve optische opstelling met commerciële DMD-chip, aangeduid als "digitale spiegelinrichting" in het diagram gebruikt. Zoals beschreven in stap 6, kunnen grote, complexe beelden worden geladen op de computer en overgedragen met een enkele laserpuls. Een succes gedrukt NRL logo is te vinden in figuur 8B. We stellen vast dat met een enkel schot, kunnen we een pasta structuur te dragen met een lengte van 1 mm en een functie rRESOLUTIE van ~ 20 urn. Figuur 1. Schematische weergave van LDT setup. Merk op dat de voxel vorm wordt bepaald door de cross-sectionele beam vorm alleen voor een hoge viscositeit inkt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 2. Schematische weergave voxel uitwerpen. Schema's illustreren de evolutie van de overdracht van (A) een lage viscositeit, (C) hoge viscositeit, en (E) intermediair viscositeit. AFM plots van de verkregen voxels worden voorzien in (B), (D) en (F), respectievelijk. Dit cijfer is gewijzigd uit [9]. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 3. Beeld van Ag nanopaste donor substraat. Het substraat zelf is een glasplaatje met een 1 micrometer diepe put in het centrum. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 4. 20X optische beeld van de pasta laag op het lint (donor substraat) na voxel-overdracht. Sharp, goed gedefinieerde randen en het ontbreken van residu te geven voldoende pasta drogen en volledige overdracht van materiaal uit het lint.jove.com/files/ftp_upload/53728/53728fig4large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 5. Scanning elektronenmicroscopie (SEM) beelden van verschillende voxels. Beam profielen worden weergegeven in de inzet (B). Drie verschillende voxel vormen gedrukt lage viscositeit (A, B), een hoge viscositeit (C, D), en intermediaire viscositeit (E, F). Merk op dat lage viscositeit leidt tot een verlies van vorm en voxel scherpte terwijl hoge viscositeit leidt tot voxel breken. Dit cijfer is gewijzigd ten opzichte van [9]. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "1"> . Figuur 6. SEM afbeeldingen samengevoegde voxel twee ketens koppelen geometrie afgebeeld: simpele end-to-end (A, B) en getande vergrendelende (C, D). In het algemeen getande vergrendelende geometrie blijken betrouwbaarder terwijl simpele end-to-end hebben de neiging om barsten door krimp tijdens de oven stappen. Dit cijfer is aangepast [20]. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. . Figuur 7. SEM afbeeldingen van meerdere complexe structuren voxel Geometries zijn: Een rechthoekige voxel overbruggen van een 100 urn brede sleuf (A), een meerlaagse s caffold (B), een high aspect ratio piramide (C), en een aantal high aspect ratio micro pijlers (D). Dit cijfer is gewijzigd ten opzichte van [8]. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 8. Schematische weergave en de resultaten van LDT via DMD-chip. In het schema (A), heeft de laseropening vervangen door het DMD-chip, die een grote verzameling van micro-spiegels. Het patroon van een image bestand kan getrouw worden afgebeeld op de donor substraat, het uitwerpen van een exacte replica van het patroon van voxels in een enkel schot. Als voorbeeld, heeft NRL logo (B) overgedragen door een enkele laser schot.ig8large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussion

In dit document, hebben wij een werkwijze voor contactloze, driedimensionaal afdrukken en enkele laser shot, groot oppervlak printen (via DMD chip) van hoge viscositeit Ag nanopaste aangetoond. In tegenstelling tot andere direct-write technieken, zoals inkjet, LDT de techniek beschreven maakt het afdrukken van complexe voxel vormen met een laserpuls, dat wil zeggen in één enkele stap. Terwijl vele aspecten van de procedure eenvoudig lijkt, zijn er meerdere stappen iteratief beproeving ter optimalisatie vereisen. Ten eerste, pasta droogte en viscositeit zijn de belangrijkste factoren voor een succesvolle overdracht. Hoewel deze punten zijn al meerdere malen in de tekst benadrukt, herhalen we het hier om het belang te onderstrepen. Als de inkt viscositeit te laag, dan is het onmogelijk om scherpe, goed gedefinieerde vormen voxel drukken. Een veelbetekenende teken dat de inkt viscositeit te laag treedt op bij een poging om een ​​voxel uit te werpen. Wanneer de laserpuls wordt afgevuurd, devoxel zal verschijnen om even uit te werpen, maar de inkt zal snel te vullen terug in het gat achtergelaten in de donor substraat. In dit geval moet de gebruiker stopt het afvuren van de laser en de inkt verder worden behandeld zoals beschreven in stappen 3,1 en 3,2. Als de inkt viscositeit te hoog is, zal de voxel overdrachtsproces succesvol op het lint weergegeven. Echter, bij het onderzoek van de voxels op de ontvanger substraat, zal er significante scheuren, breken, of vuil zijn. In dit geval moet de gebruiker beschikken over de lopende band en een nieuwe kenmerken als beschreven in punt 2. Optimalisatie van inktviscositeit en droogtijd worden bereikt door evaluatie van het voxel verzendpogingen. We raden niet aan het proberen om de viscositeit van de pasta te meten op elk punt. Ten tweede, de laser fluentie bijna even belangrijk als inktviscositeit en zeer kleine veranderingen in fluentie kan een significant effect op het proces. Het moet heel duidelijk zijn als de energie te laag is – de voxelzal niet uitwerpen van de donor substraat. Het wordt aanbevolen om te beginnen met de Fluence bereik in stap 4.4 voorgesteld, en dan heel stapsgewijs verhogen van de waarde. De laagste energie die resulteert in een volledige overdracht wordt de "drempel fluentie". Het is vaak het beste om zoveel mogelijk bij de drempel fluentie omdat hogere fluentie waarden de neiging hebben de voxels breken of scheuren. Tenslotte, afhankelijk van de soort van de gebruikte laser voor de werkwijze, kunnen er hot spots in de laser profiel. Dit kan een aanpassing van de opening nodig om een ​​homogene gebied van de bundel proeven. Als de vorm van de uitgestoten voxel vervormd of slecht overeenkomt met de vorm van de doorsnede bundeldoorsnede kan laser- hotspots of inktlaag dikte uniformiteit verantwoordelijk.

Voorbij oplossen, zijn er een aantal beperkingen aan deze techniek. De laatste hardingsstap oven maakt het moeilijk of onmogelijk voxels met de gewenste functionele eigenschappen van niet-hoge-t verwezenlijkenemperature compatibele substraten. In het algemeen, de Ag nanopaste in dit manuscript vereist een uithardingstemperatuur van ten minste 150 ° C om redelijke geleidbaarheid te verkrijgen. Het vervaardigen van de inktlaag op het donorsubstraat verder worden geoptimaliseerd om uniformiteit van dikte, areal dekking en verwerkingstijd verbeteren. De inkt laagdikte heeft een dramatisch effect op de drempel fluentie en overdracht kwaliteit en homogene dikte kan het overdrachtsproces bemoeilijken, vooral bij het overdragen voxels kleiner dan 20 urn x 20 urn. Het huidige ontwerp van de donorsubstraat bemoeilijkt linten groter dan 10s van cm, die groot oppervlak throughput beperkt creëren. Daarom is de ontwikkeling van alternatieve donorsubstraat ontwerpen, zoals reel-to-reel of roterende schijf nodig zou zijn voor verbeterde automatisering en groter oppervlak verwerking.

De sterkte van de LDT techniek ligt in het vermogen om vloeistoffen met highviscositeiten dat andere drop-on-demand technieken niet aankan. De voordelen van LDT kan worden gescheiden in twee situaties waarin enerzijds afdrukken hoogviskeuze pasta biedt kwaliteitsverbetering of snelheid gedurende bedrukt lage viscositeit plakken en anderzijds in situaties waar drukken met hoge viscositeit pasta maakt structuren die niet toegankelijk zijn voor lage viscositeit afdrukken . Voorbeelden van voordelen in de eerste categorie zijn: minimaal voxel variabiliteit van het bevochtigen van effecten, een hoge mate van controle over voxel vorm en grootte, minimale krimp tijdens het uitharden en lage laser-energie in vergelijking met andere LIFT processen (en dus lage overdracht snelheid). Voorbeelden van de tweede categorie zijn: printen van high-aspect ratio structuren, het overbruggen van structuren, cantilevers, en andere structuren die goede voxel-vorm-retentie vereist. Door de LDT proces de DMD-chip, wordt parallel afdrukken van complexe vormen en patronen mogelijk, die sterk versnelt het totale proces. Verder thij gebruik van een DMD voxels vorm zorgt ontwerpen worden bijgewerkt tussen laserpulsen, waardoor hoge afdruksnelheden dynamisch herconfigureerbare voxels. In het algemeen, de verversingssnelheid van de DMD (33 kHz) is iets lager dan de maximale herhalingsfrequentie van de laser (100 kHz of hoger), maar de snelheidsbeperkende factor afdruksnelheid is de fase vertaling.

De primaire wegen voor vooruitgang met de LDT systeem zijn de verdere ontwikkeling van extra materialen, het verbeteren van het lint fabricageproces, en de voortzetting van opschalen van het proces door middel van de integratie van Digital Light Processing (DLP) technologie, zoals de DMD-chip. Hoewel metallische en isolerende materialen met succes zijn overgebracht door dit proces, hebben weinig actieve stoffen ontwikkeld. De mogelijkheid om piëzo-elektrische, magnetische of opto-elektronische materialen af ​​te drukken met de LDT proces zou kunnen openen enorme technologische mogelijkheden. Zoals het er nu, de geometrie van de donor substrate grenzen schaalbaarheid. De ontwikkeling van reel-to-reel of roterende schijf donor substraten zouden de processen aanzienlijk stroomlijnen. Tenslotte combinatie LDT DLP-technologie is een potentieel verstorende ontwikkeling voor het gebied van digitale fabricage, het draaien van een vooraf serieel proces tot een zeer parallel proces. Een belangrijke uitdaging in de richting van dit doel te bereiken is de mogelijkheid om voxels met een goede eigenschap resolutie op verschillende schalen te drukken. Dat wil zeggen, voxels met laterale afmetingen in de orde van 10 sec en 100 sec urn die functies in de orde van 1-5 urn. Tezamen bieden deze ontwikkelingen bieden significante mogelijkheden voor grote oppervlakte additive manufacturing van elektronische componenten.

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
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

Laser-induced Forward TransferAg Nanoparticle PasteAdditive ManufacturingNon-contact PrintingCongruent TransferMicrobridgesSpanning InterconnectsHigh Aspect Ratio StructuresViscosity ControlDonor SubstrateReceiver SubstrateVoxelAperture

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image