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Engineering

Indotta da laser trasferimento di andata di 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

Negli ultimi dieci anni, c'è stato molto sviluppo di metodi 1-3 non litografiche per la stampa di inchiostri metallici o altri materiali funzionali. Molti di questi processi come a getto d'inchiostro 3 e indotta da laser trasferimento avanti (LIFT) 4 sono diventati sempre più popolari come interesse nel campo dell'elettronica stampabili e senza maschera patterning è cresciuto. Questi additivo processi di produzione sono economici, ecologici, e ben si adatta per la prototipazione rapida, rispetto alle tecniche di lavorazione dei semiconduttori più tradizionali. Mentre la maggior parte dei processi-scrittura diretta sono limitate a strutture bidimensionali e non in grado di gestire materiali con alta viscosità (in particolare a getto d'inchiostro), LIFT può trascendere sia i vincoli se eseguita correttamente. Trasferimento congruente di tre pixel tridimensionali (chiamati voxel), noto anche come il trasferimento della decalcomania del laser (LDT) 5-9, è stato recentemente dimostrato con la tecnica LIFT utilizzando altamente viscosi nanopast AgES per fabbricare interconnessioni freestanding, forme voxel complesse, e le strutture ad alto aspect-rapporto. In questo lavoro, dimostriamo un processo ma versatile semplice per la realizzazione di una serie di strutture Ag micro e macroscala. Le strutture comprendono forme semplici per patterning contatti elettrici, bridging e strutture a sbalzo, strutture ad alto aspect-rapporto, e single-shot, grandi trasferimenti di zona utilizzando un chip commerciale dispositivo microspecchi digitali (DMD).

Introduction

Additivi tecniche di stampa sono di notevole interesse per il patterning di materiali funzionali su una varietà di substrati. Questi cosiddetti processi "-scrittura diretta", tra cui micropen 10, il montaggio-scrittura diretta 11, a getto d'inchiostro 12, e LIFT 4, sono particolarmente adatti per la realizzazione di una vasta gamma di funzionalità formati che variano da sub-micron a macroscala 1,2 . I vantaggi principali di queste tecniche sono a basso costo, rispetto dell'ambiente, e ritorno veloce dal concept al prototipo. Infatti, prototipazione rapida è un uso principale di tali processi. I materiali utilizzati da questi processi consistono tipicamente di una sospensione nanoparticelle all'interno di un solvente, e generalmente richiedono un forno indurimento passo dopo la deposizione per realizzare le loro proprietà funzionali. Anche se micropen e assemblaggio-scrittura diretta sono relativamente semplici da implementare, entrambi si basano su un contatto filamento continuo con il substrato di ricezionedurante l'erogazione. Sebbene getto d'inchiostro è un semplice metodo senza contatto,-scrittura diretta, di solito è limitato al trasferimento di bassa viscosità, sospensioni di nanoparticelle chimicamente benigne per evitare intasamenti e / o corrosione degli ugelli di erogazione. Inoltre, modelli di stampa con caratteristiche bordo ben definito di inchiostro è molto difficile dato il comportamento variabile fluidi su superfici diverse e la loro conseguente instabilità dovuto gli effetti bagnanti 13. Indipendentemente da ciò, a getto d'inchiostro ha goduto di maggiore attenzione da parte dei ricercatori finora.

ASCENSORE, d'altra parte, è un processo esente ugello senza contatto, che è in grado di trasferire pasta alta viscosità con bordi ben definiti. In questo processo, quantità controllate di materiali complessi vengono trasferiti da un substrato donatore (o "ribbon") ad un substrato ricevente utilizzando impulsi laser 4, come mostrato schematicamente in figura 1. Quando si usa colla ad alta viscosità, è possbile per la voxel stampa in base alle dimensioni e alla forma della sezione trasversale dell'impulso laser incidente 5. Questo processo è stato indicato come trasferimento decal laser (LDT), e offre un approccio unico alla scrittura diretto in cui forma e dimensione voxel sono prontamente parametri controllabili, permettendo la generazione non litografica di strutture per un'ampia gamma di applicazioni quali circuito di riparazione 14, metamateriali 7, interconnessioni 8, e le strutture free-standing 15. La possibilità di depositare forme complesse in una fase di trasferimento riduce notevolmente i tempi di lavorazione ed evita problemi legati alla fusione di più voxel, un problema comune nella maggior parte delle tecniche di stampa digitale. La possibilità di regolare dinamicamente il profilo spaziale di singoli impulsi laser 17 serve ad aumentare la velocità di scrittura di LDT rispetto di scrivere direttamente le tecniche di altri laser (LDW). Come risultato di questi vantaggi di lavorazione, ci si riferisce al processo LDT come"Parzialmente parallelizzati" in quanto permette la combinazione di molteplici passaggi di scrittura seriale in un unico parallelo. Il grado di parallelizzazione dipende in ultima analisi la possibilità di modificare rapidamente il profilo di sezione laser, e quindi la forma del voxel risultante, e dalla velocità con cui il nastro ed il substrato possono essere tradotti.

Per aiutare a visualizzare il processo, il comportamento di un materiale durante il processo LIFT è rappresentato schematicamente nelle figure 2A, 2C e 2E per tre diverse viscosità pasta. Per inchiostri a bassa viscosità (Figura 2A) 9, il processo di trasferimento segue getto comportamento, causando la formazione di arrotondati, voxel semisferiche (Figura 2B) 18. Figura 2C illustra il trasferimento per sospensioni molto alta viscosità, in cui il voxel espulso sperimenta frammentazione simile a ciò che è osservato con ascensore di cosìcoperchio strati di ceramica 19. Figura 2E descrive il trasferimento di LDT nanopaste con un adatto viscosità intermedia, in cui il voxel rilasciato non è soggetto a modellare deformazione dovuta agli effetti di superficie di tensione e raggiunge intatto il substrato ricevente. L'effetto della viscosità sulla forma dei voxel trasferiti è mostrato nelle immagini microscopia a forza atomica (AFM) nelle figure 2B, 2D e 2F. Come illustra la figura 2F, è possibile avere taglienti, voxel ben definiti per una gamma appropriata di viscosità, di solito ~ 100 Pa · sec per Ag nanopaste 5.

In generale, ci sono stati pochi casi di metodi che combinano la stampa senza contatto con il potenziale per strutture 3D risoluzione micron. Il metodo LDT offre un processo a forma libera in grado di fabbricare interconnessioni con ultrafini capacità passo di legame. Un certo numero di applicazioni, tra cui dispositivi elettronici delicati, l'elettronica organicaE sistemi microelettromeccanici (MEMS) potrebbero beneficiare di tale processo. Qui mostriamo un processo per senza contatto, la stampa tridimensionale e-laser-colpo singolo, la stampa di grande superficie (via di chip DMD) di alta viscosità Ag nanopaste.

Protocol

1. Fare Substrati donatori Maschera i bordi di una lastra di vetro con il nastro lasciando una regione centrale del vetro scoperto. Immergere il vetrino in Buffered HF (6: 1 rapporto 40% NH 4 F in acqua al 48% HF in acqua) per 3-15 min. Nota: Questo etch centro della slitta che è smascherato, creando un pozzo. La profondità del pozzo deve essere compresa tra 1 e 5 micron, che può essere determinata attraverso un profilometro a stilo o AFM usando le istruzioni del produttore. Rimuovere la maschera del nastro. 2. Creare il nastro inchiostrato Distribuire una piccola quantità di pasta Ag su un lato del pozzo. Assicurarsi che ci sia abbastanza per riempire il pozzo, più o meno nel range 10 mg. Non è necessario misurare la quantità prima, tuttavia. Saldamente trascinare una lama metallica dritto pozzo, diffondendo un sottile strato di pasta di tutti i suoi elementi. Distribuire uniformemente la pasta senza punti sottili. Il prodotto finale di this processo – un piccolo inchiostro Ag pozzetto contenente – è chiamato il "nastro". Rimuovere eventuali pasta che si sviluppa al di fuori del bene con un laboratorio di pulire. 3. Asciugatura il nastro Posizionare la faccia in su nastro in un ambiente a bassa umidità. Una scatola piena di azoto secco funziona meglio. Lasciare il nastro per almeno 2 ore a RT. A questo punto, la viscosità dell'inchiostro deve essere abbastanza elevata da stampare. Nota: Dopo l'essiccazione sufficiente, nastri di inchiostro possono essere conservati per circa un mese posizionando il ben faccia in giù su un altro vetrino e riporlo in un ambiente secco azoto. Una volta memorizzati in questo modo, è bene lasciare i nastri inchiostrati incustoditi per lunghi periodi di tempo. 4. Voxels stampa Fissare il substrato ricevitore ad uno stadio traslazionale XY utilizzando un mandrino vuoto o nastro biadesivo. Nota: Il substrato ricevitore deve essere piatta, ma non ci sono altre limitazioni. wafer di silicio, GLdiapositive asino, o polimeri a 200 ° C sono compatibili con tutti i substrati ricevitore accettabili. Posizionare il nastro inchiostrato a faccia in giù sul supporto ricevente. Fuoco l'installazione ottica attraverso la parte posteriore del substrato donatore, sulla superficie posteriore dell'inchiostro all'interno del pozzo. NOTA: Ci sono molti modi per organizzare l'ottica di questo processo, ma / sono necessari i seguenti passaggi componenti: Utilizzare un laser UV pulsata con un fascio avente una distribuzione di energia spaziale "top-hat" (al contrario di gaussiana). Utilizzare un laser in grado di sparare controllabile singoli impulsi, che possono richiedere un modulatore acusto-ottico. Il modulatore acusto-ottico permette all'utente di controllare la cottura dei singoli impulsi. Passare il fascio attraverso un'apertura, modellando la sezione trasversale del fascio nella forma desiderata. Notare che la forma dell'apertura determina la forma del voxel. Vale a dire, l'apertura è sostanzialmente ripreso sul substrato donatore, analogo a masproiezione k. Utilizzare un obiettivo microscopica per ridurre la dimensione della sezione trasversale del fascio, che determina la dimensione del voxel stampata. Ad esempio, se un 10X rese oggettive voxel quadrati con 50 micron dimensioni laterali, quindi un obiettivo 50X stamperanno la stessa forma (quadrata) voxel con 10 micron dimensioni laterali. Posizionare una telecamera in linea (via beam splitter) con l'obiettivo microscopico. Ciò consente il monitoraggio attivo del nastro inchiostrato. Sparate un singolo impulso laser sul substrato donatore. Un valore iniziale ragionevole per fluenza laser è nell'intervallo 40-60 mJ / cm 2. Assicurarsi che vi sia un foro visibile nella forma della sezione trasversale del fascio laser in cui è stata espulsa voxel. Se il buco non è visibile, ci sono diverse ragioni possibili: Sfocato. Regolare l'altezza dell'obiettivo di messa a fuoco. Ciò può portare il buco a fuoco. Bassa energia. lentamente incRease l'energia del laser fino ad una fluenza di 60-80 mJ / cm 2. nastri inchiostrati più spesse possono richiedere elevati valori di fluenza. Viscosità dell'inchiostro troppo bassa. Se un voxel viene espulso ma il foro nel nastro inchiostrato riempie immediatamente, quindi la viscosità dell'inchiostro è ancora troppo basso, quindi asciugare il nastro per altri 30 min in base alle istruzioni nel passaggio 3 e quindi iniziare la fase 4 di nuovo. Spostare lo stadio traslazionale XY lungo il assi X e Y per un nuovo spot. Sparare di nuovo un singolo impulso laser sul substrato donatore, l'espulsione di un voxel e lasciando un buco nettamente definita in cui il voxel è stato espulso dal nastro d'inchiostro. 5. Stampa strutture complesse Creare linee collegando insieme voxel adiacenti nel modo seguente: Trasferire un voxel come descritto in 4.1-4.4. Spostare lo stadio traslazionale lunghezza voxel XY lungo la direzione X o Y. Trasferire un voxel come descritto in 4.1-4.4. Ripetere questo processo fino ad ottenere un tempo sufficientemente lungo la linea. Creare ponte oa sbalzo strutture nel modo seguente: Allineare il raggio tale che il voxel espulso colmerà un vuoto geometrico sul substrato donatore o tale che una porzione del voxel sarà sporgere oltre il bordo di un gap geometrico. Trasferire un voxel come descritto in 4.1-4.4. Nota: Se la viscosità della pasta è troppo bassa, il voxel può conforme alle caratteristiche sottostanti invece di creare un ponte oa sbalzo. Creare strutture ad alto rapporto d'aspetto nel modo seguente: Trasferire un voxel come descritto in 4.1-4.4. Senza spostare il substrato del ricevitore, spostare il substrato donatore a un posto fresco sul nastro d'inchiostro. Trasferire un voxel come descritto in 4.1-4.4. Ripetere i punti 5.3.2 e 5.3.3 fino a quando una caratteristica di hei sufficientiGHT si ottiene. Se la struttura è costruita alto di ~ 3-5 micron, inserire periodicamente distanziali tra il substrato donatore e ricevente in modo che la risma voxel e nastro d'inchiostro non entrano in contatto diretto. Si noti che l'ottica dovranno essere riorientato come descritto nella sezione 4.4.1 per tenere conto del cambiamento in altezza substrato donatore. 6. di stampa complessi immagini via DMD chip Disegnare o caricare un'immagine di forma voxel desiderato. Assicurarsi che il formato del file di immagine è una bitmap. Nota: È fondamentale utilizzare il fattore demagnification del sistema ottico per scalare il disegno alle dimensioni del voxel da stampare. La DMD sostituisce l'apertura, così invece di imaging del fascio con ciò che è essenzialmente essenzialmente maschera di proiezione, una serie di microspecchi viene utilizzato per modellare il fascio. Selezionare laser appropriato (UV o verde). Accendere DMD e aprire il software DMD. Fai clic su "Apri immagine" e caricare bitmap pattern. Selezionare Load e Reset. Fai clic su "Aggiungi". Nome del file bitmap dovrebbe apparire nel pannello di destra. Fai clic su "Esegui una volta". modello bitmap è ora caricato sul DMD. Disporre i substrati donatore e ricevente, come indicato dal passo da 4.1 a 4.3. Trasferimento di inchiostro come indicato dal passo 4.4 a 4.6. Una volta che i trasferimenti sono di successo, ripetere i passaggi 6,3-6,4, se necessario; quindi passare al punto 7. 7. Furnace Una volta che tutti i voxel vengono stampate, li curare in un forno. Posizionare il substrato ricevente scoperta nel forno. Lasciare polimerizzare a 180 ° C per 2 ore.

Representative Results

La figura 3 mostra un substrato rappresentante donatore con un pozzo nel suo centro. Un vetrino standard è stato utilizzato per il substrato donatore, e la profondità del pozzo in questo caso è 1 micron. Si noti che tutti i nanopaste Ag è limitata al pozzo rettangolare e il resto del substrato è pulito. E 'anche importante notare che la colorazione è uniforme, indicando spessore pasta approssimativamente uniforme. Regioni con colorazione più leggera indicano punti sottili, che è meglio evitare. La Figura 4 mostra una immagine ottica 20X del substrato donatore dopo una matrice 6×6 di 20 um x 20 um voxel quadrati sono stati espulsi. In questo caso ideale, non vi è nessun residuo incollare le lacune e tutti i voxel sono stati completamente espulsa dal nastro. Se l'energia non è sufficiente o se ci sono punti caldi significativi nel profilo del fascio, voxel sarà solo parzialmente staccare e rimanere attaccato al retro del nastro. Voxel espulso da pastes con diverse viscosità possono essere trovati nella Figura 5 9. Quando la viscosità della pasta è basso, cioè, non è stato sufficientemente essiccato, tensione superficiale provoca voxel a diventare più arrotondata, perdendo la loro forma originaria (come si vede nella Figura 5A e B ). Si noti come le forme dei voxel in Figura 5B sono differenti dalle forme del fascio (visualizzati nel riquadro di figura 5B). All'altro estremo, quando la viscosità della pasta è alto, cioè, è stato over-essiccato, voxel hanno la tendenza a rompersi quando espulso come mostrato nella Figura 5C e D. Quindi, vi è un campo di viscosità intermedia che permette il trasferimento di voxel unfractured che conservano la forma del profilo del fascio, come mostrato nella Figura 5E e F. Dimostriamo due varietà di catene voxel che costituiscono le linee conduttrici lunghe. La prima era una semplice catena end-to-end in which 40 x 60 micron 2 voxel state trasferite adiacenti l'uno all'altro (figura 6A e B) 20. Generalmente, questo metodo di collegamento è poco affidabile, con interfacce parzialmente o completamente rotte che compaiono dopo una cura morbida a 100 ° C (come si vede in Figura 6B). Il secondo metodo utilizzato dentellato, incastro voxel trasferiti end-to-end (Figura 6C e D). Le linee tratteggiate nella figura 6C delineano la forma originale dei voxel, l'elevata qualità dell'interfaccia rende difficile risolvere visivamente le singole forme. Questo effetto è molto chiaro nella figura 6D, in cui la linea di giunzione tra voxel è quasi invisibile. La geometria dentata era più affidabile rispetto alla fine end-to-semplice, con quasi tutte le interfacce rimanente continua dopo un C cura 100 °. Figura 7 dimostra varie geometrie impilabili, i modelli e le proporzioni. Un singolovoxel attraversando una trincea larga 100 micron Si può trovare nella Figura 7A. Ottenere la giusta viscosità è della massima importanza per colmare o applicazioni autoportanti per evitare il voxel di cedimento o conforme alla geometria del substrato ricevente. Le strutture complesse, multi-strato può essere visto in Figura 7B-D, tra cui due piramidi sovrapposte e alta aspetto pilastri rapporto micro. Queste geometrie sono importanti per applicazioni che richiedono interconnessioni verticali e che abbracciano. Infine, la figura 8A illustra una configurazione ottica alternativo che utilizza un chip commerciale DMD, denominato "dispositivo specchio digitale" nel diagramma. Come descritto al punto 6, di grandi dimensioni, immagini complesse possono essere caricati sul computer e trasferiti con un singolo impulso laser. Un logo NRL stampata con successo può essere trovato in figura 8B. Notiamo che con un solo colpo, possiamo trasferire una struttura pasta con una lunghezza di 1 mm e una caratteristica risoluzione di ~ 20 micron. Figura 1. Schema di configurazione LDT. Notare che la forma voxel è determinata dalla forma del fascio di sezione trasversale solo per l'inchiostro ad alta viscosità. Fai clic qui per vedere una versione più grande di questa figura. Figura 2. Rappresentazione schematica voxel espulsione. Diagrammi illustrano l'evoluzione di trasferimento per (A) bassa viscosità, (C) ad alta viscosità, e (E) di viscosità intermedia. Trame AFM di voxel risultanti vengono forniti in (B), (D), e (F), rispettivamente. Questa cifra è stata modificata da [9]. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura. Figura 3. Immagine di Ag substrato nanopaste donatore. Il substrato è di per sé un vetrino con un 1 micron profondo pozzo nel centro. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura. Figura 4. 20X immagine ottica dello strato di pasta sul (substrato donatore) nastro dopo il trasferimento voxel. Sharp, bordi ben definiti e la mancanza di residui indicano sufficiente asciugatura pasta e completo trasferimento del materiale dal nastro.jove.com/files/ftp_upload/53728/53728fig4large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. Profili fascio Figura 5. microscopio elettronico a scansione (SEM) immagini di più voxel differenti. Sono raffigurati nel riquadro (B). Tre forme voxel differenti sono stati stampati da bassa viscosità (A, B), alta viscosità (C, D), e la viscosità intermedia (E, F). Si noti che a bassa viscosità conduce ad una perdita di forma e voxel nitidezza mentre alta viscosità conduce voxel fratturazione. Questo dato è stato modificato da [9]. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "1"> . Figura 6. immagini SEM delle catene voxel siamesi Due geometrie di collegamento sono descritte: semplice end-to-end (A, B) e dentellato-incastro (C, D). In generale, dentellato-incastro geometrie si trovano ad essere più affidabile, mentre semplice end-to-end hanno la tendenza a rompere dovute al ritiro durante le fasi del forno. Questo dato è stato modificato da [20]. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura. . Figura 7. immagini SEM di molteplici strutture voxel geometrie complesse includono: un voxel rettangolare colmare un 100 micron di larghezza trincea (A), un multistrato s caffold (B), un elevato rapporto di aspetto piramide (C), e più alto aspetto pilastri rapporto micro (D). Questo dato è stato modificato da [8]. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura. Figura 8. Schema e risultati LDT via DMD. Nel diagramma schematico (A), l'apertura laser è stato sostituito con il chip DMD, che è un grande gruppo di micro-specchi. Il modello da un file di immagine può essere fedelmente ripreso sul supporto dei donatori, l'espulsione di una replica esatta del modello di voxel in un solo colpo. Come esempio, un logo NRL (B) è stato trasferito da un solo colpo laser.ig8large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Discussion

In questo lavoro, abbiamo dimostrato un processo per senza contatto, la stampa tridimensionale e-laser-colpo singolo, la stampa di grande superficie (via di chip DMD) di alta viscosità Ag nanopaste. A differenza di altre tecniche di scrittura diretta, come inchiostro, la tecnica LDT qui descritta permette la stampa di forme complesse voxel con un impulso laser, cioè, in un unico passaggio. Mentre molti aspetti della procedura può sembrare semplice, ci sono più passaggi che richiedono test iterativo per ottimizzare. In primo luogo, pasta di secchezza e la viscosità sono i fattori più importanti per il trasferimento di successo. Anche se questi punti sono stati già stati sottolineati più volte nel testo, ribadiamo il punto qui sottolineare l'importanza. Se la viscosità dell'inchiostro è troppo bassa, allora sarà impossibile stampare, forme voxel ben definite taglienti. Un segno rivelatore che la viscosità dell'inchiostro è troppo bassa si verifica quando si tenta di espellere un voxel. Quando l'impulso laser viene attivato, lavoxel apparirà per espellere momentaneamente, ma l'inchiostro riempirà rapidamente indietro nel foro lasciato nel substrato donatore. In questo caso, l'utente deve smettere di sparare il laser e l'inchiostro deve essere ulteriormente trattati come indicato dal passo 3.1 e 3.2. Se la viscosità dell'inchiostro è troppo elevata, apparirà successo sul nastro del processo di trasferimento voxel. Tuttavia, quando si esaminano i voxel sul substrato ricevente, si avrà un notevole strappo, fratturazione o detriti. In questo caso, l'utente deve smaltire il nastro corrente ed effettuare un nuovo nastro come descritto nella sezione 2. Ottimizzazione della viscosità dell'inchiostro e il tempo di essiccazione deve essere compiuta valutando la qualità dei tentativi di trasferimento voxel. Si consiglia di non tentare di misurare la viscosità della pasta in qualsiasi punto. In secondo luogo, la fluenza laser è quasi importante quanto la viscosità dell'inchiostro e molto piccole variazioni di fluenza può avere un effetto significativo sul processo. Dovrebbe essere molto chiaro quando l'energia è troppo basso – il voxelnon espelle dal substrato donatore. Si consiglia di iniziare con la gamma fluenza suggerito nella fase 4.4, e quindi molto incrementale aumentare il valore. L'energia più basso che si traduce in un trasferimento completo è chiamato "soglia fluenza". Spesso è meglio operare in prossimità o la fluenza soglia perché i valori di fluenza più elevati tendono a fratturare o strappare i voxel. Infine, a seconda della varietà di laser utilizzato per il processo, ci potrebbero essere punti caldi nel profilo laser. Questo può richiedere una regolazione dell'apertura per campionare una regione più omogenea del fascio. Se la forma del voxel espulso piegato o corrisponde alla forma della sezione trasversale del fascio male, hotspot laser o spessore dello strato di inchiostro o l'uniformità potrebbe essere responsabile.

Al di là di risoluzione dei problemi, ci sono alcune limitazioni alla tecnica. La fase finale del forno di polimerizzazione rende difficile o impossibile da raggiungere voxel con le proprietà funzionali desiderati non high-temperature substrati compatibili. Generalmente, il nanopaste Ag utilizzato in questo manoscritto richiede una temperatura di indurimento di almeno 150 ° C in modo da ottenere valori di conducibilità ragionevoli. La fabbricazione dello strato di inchiostro sul substrato donatore deve essere ulteriormente ottimizzato per migliorare l'uniformità di spessore, la copertura areale e tempo di elaborazione. Lo spessore dello strato di inchiostro ha un effetto drammatico sul fluenza di soglia e qualità di trasferimento, e spessore disomogeneo può rendere il processo di trasferimento difficile, specialmente quando il trasferimento voxel inferiori a 20 micron x 20 micron. Lo schema corrente per il substrato donatore rende difficile creare nastri superiori a 10s di cm, che limita la velocità di grande superficie. Pertanto, lo sviluppo di alternative donatori disegni substrato, come bobina a bobina o disco rotante, sarebbe necessario per una migliore automazione e più grande trasformazione zona.

La forza della tecnica LDT sta nella capacità di trasferire fluidi con altaviscosità che altre tecniche di drop-on-demand non può gestire. I vantaggi di LDT possono essere separati in due situazioni in cui in primo luogo, pasta di stampa ad alta viscosità offre un miglioramento della qualità o la velocità oltre la stampa a bassa viscosità della pasta e in secondo luogo, in situazioni in cui la stampa ad alta viscosità della pasta consente strutture che non sono accessibili a bassa stampa viscosità . Esempi di vantaggi nella prima categoria sono: minime voxel variabilità di effetti bagnanti, alto grado di controllo sulla forma e le dimensioni voxel, il restringimento minimo durante l'indurimento e bassa energia laser rispetto ad altri processi di sollevamento (e la velocità di trasferimento così basso). Esempi della seconda categoria sono: la stampa di strutture ad alto aspect-ratio, strutture ponte, cantilever, e qualsiasi altra struttura che richiede una buona voxel-forma-di ritenzione. Combinando il processo LDT con il chip DMD, la stampa in parallelo di forme complesse e modelli è abilitata, il che accelera notevolmente il processo globale. Inoltre, tegli uso di un DMD per modellare i voxel permette disegni da aggiornare tra impulsi laser, consentendo una rapida stampa di voxel riconfigurabili dinamicamente. In generale, la frequenza di aggiornamento della DMD (33 kHz) è leggermente più lento del tasso di ripetizione massima del laser (100 kHz o superiore), ma il tasso di fattore limitante per la velocità di stampa è la traduzione palco.

I viali principali per l'avanzamento con il sistema LDT sono il continuo sviluppo di materiali aggiuntivi, migliorando il processo di fabbricazione del nastro, e continuando a scalare il processo di integrazione attraverso la tecnologia digitale di elaborazione di luce (DLP), come il chip DMD. Sebbene materiali metallici e isolanti sono stati trasferiti con successo attraverso questo processo, sono stati sviluppati alcuni materiali attivi. La possibilità di stampare materiali piezoelettrici, magnetici o optoelettronici con il processo di LDT potrebbe aprire enormi possibilità tecnologiche. Così com'è, la geometria del subst donatorelimiti di frequenza scalabilità. Lo sviluppo di bobina a bobina o rotante substrati disco donatori snellire i processi considerevolmente. Infine, combinazione di LDT di tecnologia DLP è uno sviluppo potenzialmente pericoloso per il settore della fabbricazione digitale, trasformando un processo precedentemente seriale in un processo altamente parallelo. Una sfida chiave verso questo obiettivo è la capacità di stampare voxel con buona risoluzione caratteristica a scale multiple. Vale a dire, voxel con dimensioni laterali dell'ordine di 10 sec, 100 sec di caratteristiche micron contenente dell'ordine di 1-5 micron. Nel loro insieme, questi sviluppi offrono notevoli opportunità per grandi superfici di produzione di additivi di componenti elettronici.

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

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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).
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