העברה קדימה-induced לייזר של Ag 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
במהלך העשור האחרון, חלה התפתחות רבה של שיטות שאינן ליתוגרפיות 1-3 להדפסת דיו מתכתי או חומרים תפקודיים אחרים. רבים מהתהליכים הללו כגון הזרקת דיו 3 ו-induced לייזר קדימה העברה (LIFT) 4 הפכו יותר ויותר פופולריים כמו עניין אלקטרוניקה מודפסת דפוסים Maskless גדלה. אלה תוסף תהליכי ייצור זולים, ידידותיים לסביבה, ומתאים במיוחד אב טיפוס ודגמים, בהשוואה לטכניקות עיבוד המוליכים למחצה מסורתיות יותר. בעוד שרוב תהליכי ישיר לכתוב מתוחמים דו מימדי מבנים לא יכול להתמודד עם חומרים בעלי צמיגות גבוהה (במיוחד הזרקת דיו), LIFT יכול להתעלות גם אילוצים אם ביצע כראוי. העברת חופף של שלושה פיקסלים ממדיים (ווקסלים שנקראו), המכונים גם העברת מדבקת ליזר (LDT) 5-9, הודגמה לאחרונה עם טכניקת LIFT באמצעות nanopast Ag הצמיג מאודes לפברק חיבורים בודדים, צורות voxel מורכבות, ומבנים גבוה יחס רוחב-גובה. במאמר זה, אנחנו מדגימים תהליך פשוט אך תכליתי עבור בודה מגוון של מבנים Ag מיקרו macroscale. מבנים כוללים צורות פשוטות עבור patterning מגעים חשמליים, גישור ומבנים שלוחים, מבנים גבוה יחס רוחב-גובה, ו יחיד ירה, העברות שטח גדולות באמצעות מכשיר micromirror דיגיטלי מסחרי (DMD) שבב.
Introduction
תוסף טכניקות הדפסה הן בעלות עניין רב עבור הדפוסים של חומרים תפקודיים על מגוון מצעים. "ישיר לכתוב" אלה כביכול תהליכים, כולל micropen 10, הרכבה ישיר לכתוב 11, הזרקת דיו 12, ולהרים 4, מתאימים גם עבור ייצור של מגוון רחב של גדלים תכונה החל מיקרון משנה macroscale 1,2 . היתרונות העיקריים של טכניקות אלה הן בעלות נמוכה, ידידותיות לסביבה, וכן אספקה מהירה משלב הרעיון ועד אב טיפוס. ואכן, אב טיפוס ודגמים הוא שימוש עיקרי עבור תהליכים כאלה. החומרים נוצלו על ידי תהליכים אלה מכילים בדרך כלל השעית ננו-חלקיקים בתוך ממס, ובדרך כלל דורשים תנור ריפוי צעד אחרי בתצהיר כדי לממש נכסי הפעילות שלהן. למרות micropen והרכבה ישיר לכתוב הם פשוט יחסית ליישום, שניהם מסתמכים על איש קשר רציף נימה עם המצע המקבלבמהלך מחלק. למרות הזרקת דיו היא שיטה ישירה לכתוב פשוט, ללא מגע, זה בדרך כלל מוגבל העברת צמיגות נמוכה, השעיות nanoparticle שפיר כימי כדי למנוע סתימה ו / או קורוזיה של חרירים מהחלק. בנוסף, דפוסי הדפסה עם תכונות ומוגדרות על ידי הזרקת דיו הוא מאוד קשה בהתחשב ההתנהגות המשתנה של נוזלים על משטחים שונים וחוסר היציבות וכתוצאה מכך שלהם בשל תופעות הרטבת 13. בכל מקרה, דיו נהנה את עיקר תשומת הלב של חוקרים עד כה.
LIFT, ומצד שני, הוא תהליך כתוסף ללא מגע, זרבובית-חופשית שהוא מסוגל להעביר להדביק גבוה צמיג עם קצוות מוגדרים היטב. בתהליך זה, כמויות מבוקרות של חומרים מורכבים מועברות מצע תורם (או "סרט") על מצע המקבל באמצעות פולסים ליזר 4 כמוצג באופן סכמטי באיור 1. בעת שימוש הדבק צמיגות גבוהה, זה possible עבור voxel מודפס כדי להתאים את הגודל והצורה של חתך הדופק לייזר האירוע 5. תהליך זה כבר המכונה העברת מדבקת ליזר (LDT), ומציע גישה ייחודית בכתב-ישיר שבה צורת voxel וגודל הם בקלות פרמטרים לשליטה, המאפשר הדור הלא ליתוגרפיות של מבנים עבור מגוון רחב של יישומים, כגון מעגל תיקון 14, metamaterials 7, חיבורים 8, ומבנים שעמד חופשי 15. היכולת להפקיד צורות מורכבות בשלב העברה חד מקטינה באופן משמעותי את זמן העיבוד ונמנעה בעיות הקשורות למיזוג של ווקסלים מרובים, בעיה נפוצה טכניקות הדפסה הדיגיטליות ביותר. היכולת להתאים את פרופיל המרחבים דינמי של פעימות ליזר פרט 17 משמשת כדי להגדיל את מהירות הכתיבה של LDT לעומת כתיבה ישירה ליזר אחר טכניקות (LDW). כתוצאה מכך יתרונות עיבוד אלה, אנו מתייחסים לתהליך LDT כעל"Parallelized חלקית", מפני שהוא מאפשר שילוב של צעדים בכתב סדרה מרובים לתוך אחד מקביל יחיד. מידת הטעינה במקביל בסופו של דבר תלויה ביכולת לשנות את פרופיל חתך לייזר במהירות, ולכן צורת voxel כתוצאה, ועל המהירות שבה את הסרט ואת המצע יכול להיות מתורגם.
כדי לעזור להמחיש את התהליך, את ההתנהגות של חומר בתהליך LIFT מתואר באופן סכמטי איורי 2A, 2C, ו 2E במשך שלוש צמיגויות רסק שונות. עבור דיו צמיגות נמוכה (איור 2 א) 9, תהליך ההעברה כדלקמן jetting התנהגות, וכתוצאה מכך ההיווצרות של ווקסלים מעוגלים, חצי כדור (תרשים 2B) 18. איור 2 ג מתאר את ההעברה עבור השעיות צמיגות גבוהות מאוד, שבו voxel נפלט חווה פיצול דומה למה הוא ציין עם LIFT של כךמכסה קרמיקה שכבות 19. איור 2E מתאר את העברת LDT של nanopaste עם צמיגות מתאימה, ביניים, שבה voxel שוחרר אינו כפוף בצורת דפורמציה בשל השטח תופעות המתח מגיע המצע המקבל ללא פגע. השפעת הצמיגות על הצורה של ווקסלים הועבר מוצגת במיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) תמונות איורי 2B, 2D, ו 2F. כפי שניתן לראות בתרשים 2F מדגים, אפשר להשיג חדה, מוגדרת היטב ווקסלים עבור בטווח המתאים של צמיגויות, בדרך כלל ~ 100 Pa · שניות Ag nanopaste 5.
בסך הכל, ויש כבר כמה דיווחים על שיטות המשלבות הדפסה ללא מגע עם פוטנציאל מבנים 3D ברזולוציה מיקרון. שיטת LDT מציעה תהליך חופשי מסוגל בודת חיבורים עם יכולות מליטות מגרש אולטרה בסדר. מספר היישומים, כולל מכשירים אלקטרוניים עדינים, אלקטרוניקה אורגנית, ו מערכות מיקרו (MEMS) יכולים להפיק תועלת בתהליך כזה. כאן אנו מדגימים תהליך מגע עישון, תלת מימדי והדפסה וכן יחיד לייזר-shot, הדפסה שטח גדול (באמצעות שבב DMD) של nanopaste גבוהה צמיגות Ag.
Protocol
Representative Results
Discussion
במאמר זה, אנו הוכחנו תהליך ללא מגע, הדפסה תלת מימדית וכן יחיד ליזר-shot, הדפסת שטח גדולה (באמצעות שבב DMD) של nanopaste Ag גבוהה הצמיג. שלא כמו טכניקות ישירות לכתוב אחרות, כגון הזרקת דיו, טכניקת LDT המתוארת כאן מאפשרת ההדפסה של צורות voxel מורכבות עם דופק ליזר אחד, כלומר, באמצעות שלב אחד בלבד. בעוד היבטים רבים של ההליך עשויים נראה פשוט, ישנם צעדים רבים הדורשים בדיקה איטרטיבי על מנת לייעל. ראשית, יובש דבק וצמיגות הם הגורמים החשובים ביותר עבור העברה מוצלחת. למרות נקודות אלה כבר כבר הודגשו שוב ושוב בטקסט, אנו חוזרים על הנקודה כאן כדי להדגיש את החשיבות. אם צמיגויות הדיו נמוכות מדי, אז זה יהיה בלתי אפשרי להדפיס חדה, צורות voxel מוגדרות היטב. סימן לכך צמיגות הדיו נמוכה מדי מתרחש כאשר מנסה כדי להוציא voxel. כאשר הדופק לייזר הוא ירה, אתvoxel יופיע להוציא לרגע, אבל הדיו ימלא מהר בחזרה לתוך החור שנותר המצע התורם. במקרה זה, המשתמש צריך להפסיק את ירי הלייזר והדיו ומחייב וזאת בהתאם לאמור ב צעדים 3.1 ו -3.2. אם צמיגויות הדיו היא גבוהות מדי, תהליך העברת voxel יופיע מוצלח על הסרט. עם זאת, כאשר בוחנים את ווקסלים על פני מצע המקלט, יהיה קריעה משמעותית, שביר, או פסולת. במקרה זה, המשתמש צריך להשליך את הסרט הנוכחי ולעשות סרט חדש כפי שמתואר אופטימיזציה סעיף 2. של צמיגות דיו ואת משך זמן ייבוש צריכה להתבצע על ידי הערכת איכות ניסיונות העברת voxel. אנחנו לא ממליצים מנסים למדוד את הצמיגות של הרסק בכל נקודה. שנית, שטף הליזר הוא חשוב כמעט כמו צמיגות דיו שינויים קטנים מאוד שטף יכול להיות השפעה משמעותית על התהליך. זה צריך להיות מאוד ברור מתי האנרגיה נמוכה מדי – voxelלא יהיה להוציא מן המצע התורם. מומלץ להתחיל עם מגוון השטף הציע בשלב 4.4, ולאחר מכן באופן הדרגתי מאוד להגדיל את הערך. האנרגיה הנמוכה ביותר שתוצאתו חילופים מלאים נקראת "שטף הסף". זה בדרך כלל טוב ביותר לפעול או בסמוך שטף הסף בגלל ערכי שטף גבוהים יטו שבר או לקרוע את ווקסלים. לבסוף, בהתאם לזן של לייזר המשמשים בתהליך, יכול להיות שיש נקודות חמות בפרופיל לייזר. זה עשוי לדרוש התאמה של הצמצם לדגום באזור הומוגנית יותר של הקורה. אם את הצורה של voxel נפלט הוא מעווה או גרוע תואמת את הצורה של סעיף קורה הרוחבי, נקודות חמות ליזר או עובי שכבת דיו או אחידות יכולות להיות אחראיות.
מעבר לפתרון בעיות, יש כמה מגבלות על הטכניקה. צעד ריפוי תנור הסופי עושה את זה קשה או בלתי אפשרי להשיג ווקסלים עם תכונות פעילות הרצוי על הלא-גבוה-temperature מצעים תואמים. באופן כללי, nanopaste Ag להשתמש בכתב היד הזה דורש טמפרטורת ריפוי של C ° 150 לפחות על מנת לקבל ערכי מוליכות סבירים. הייצור של שכבת הדיו על פני המצע התורם צריך להיות מותאם יותר כדי לשפר את אחידות עובי, כיסוי אזורי וזמן עיבוד. עובי שכבת הדיו יש השפעה דרמטית על שטף הסף והעביר איכות, ועובי הומוגניות יכול להפוך את תהליך ההעברה קשה, במיוחד בעת העברת ווקסלים קטן מ -20 מיקרומטר x 20 מיקרומטר. העיצוב הנוכחי עבור המצע התורם מקשה ליצור סרטים גדולים יותר 10s של סנטימטר, אשר מגביל את תפוקת שטח גדול. לפיכך, הפיתוח של עיצובי מצע תורמים חלופיים, כגון סליל ל-סליל או סיבוב דיסק, יידרש לאוטומציה משופרת ועיבוד שטח גדול יותר.
כוחו של טכניקת LDT טמון היכולת להעביר נוזלים עם גבוהצמיגויות שטכניקות טיפה על פי דרישה אחרות לא יכולות להתמודד. היתרונות של LDT ניתן להפריד לשני מצבים שבהם ראשית, רסק צמיגות גבוהה הדפסה מציע שיפור איכות או להאיץ מעל הדפסת רסק צמיגות נמוכה ושנית, במצבים שבם הדפסה עם רסק צמיגות גבוה מאפשרת מבנים שאינם נגישים להדפסת צמיגות נמוכה . דוגמאות של יתרונות בקטגוריה הראשונה הן: השתנות voxel מינימאליות מתופעות הרטבה, רמה הגבוהה של שליטה על צורת voxel וגודל, התכווצות מינימאלית במהלך הריפוי, ואנרגית ליזר נמוך בהשוואה לתהליכי LIFT אחרים (ובכך מהירות העברה נמוכה). דוגמאות בקטגוריה השנייה הן: הדפסה של מבנים גבוה יחס רוחב-גובה, מבני גישור, cantilevers, וכל מבנה אחר הדורש החזקת voxel-במצב טוב. על ידי שילוב של תהליך LDT עם שבב DMD, הדפסה מקבילה של צורות ודגמים מורכבים מופעלת, אשר מאוד מזרזת את התהליך הכולל. יתר על כן, לאהוא להשתמש של DMD לעצב את ווקסלים מאפשר עיצובים להתעדכן בין פעימות לייזר, המאפשר הדפסה מהירה של ווקסלים reconfigurable דינמי. באופן כללי, את קצב הרענון של DMD (33 קילוהרץ) היא מעט איטית יותר מאשר שיעור החזרה מקסימלית של הלייזר (100 kHz ומעלה), אך שיעור גורם מגביל עבור מהירות ההדפסה הוא תרגום הבמה.
השדרות העיקריות לקידום עם מערכת LDT הן בפיתוח המתמיד של מוצרים נוספים, שיפור תהליך ייצור הסרט, וממשיך סולם את התהליך באמצעות שילוב עיבוד אור דיגיטלית (DLP) טכנולוגיה כגון שבב DMD. למרות חומרים מתכתיים בידוד הועברו בהצלחה את התהליך הזה, כמה חומרים פעילים פותחו. היכולת להדפיס חומרים פיזואלקטריים, מגנטיים, או אופטו עם תהליך LDT יכול לפתוח אפשרויות טכנולוגיות עצומות. כפי שהיא עומדת, את הגיאומטריה של subst התורםמדרגיות גבולות שיעור. התפתחות סליל ל-סליל או מסתובבים מצעים תורמים דיסק תהיה לייעל את התהליכים באופן משמעותי. לבסוף, שילוב של LDT עם טכנולוגיית DLP הוא פיתוח הרסני בפוטנציה לתחום ייצור דיגיטלי, הפיכת תהליך סדרתי בעבר לתוך תהליך מקביל מאוד. אתגר מרכזי לקראת מטרה זו הוא היכולת להדפיס ווקסלים עם רזולוצית תכונה טובה בקני מידה מרובות. כלומר, ווקסלים עם ממדים לרוחב בסדר גודל של 10 שניות או 100 שניות של תכונות המכיל מיקרומטר בסדר גודל של 1-5 מיקרומטר. יחדיו, התפתחויות אלה מציעים הזדמנויות משמעותיות לייצור תוסף שטח גדול של רכיבים אלקטרוניים.
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).
