Лазерно-индуцированное вперед Передача 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
За последнее десятилетие, было много развитие не литографических методов 1-3 для печати металлических чернил или других функциональных материалов. Многие из этих процессов , таких как струйных 3 и лазериндуцированной вперед переноса (СПФ) 4 становятся все более популярными , как интерес к электронике и печатаемые maskless кучность вырос. Эти дополнительные производственные процессы являются недорогими, экологически чистые, и хорошо подходит для быстрого прототипирования, по сравнению с более традиционными методами обработки полупроводника. В то время как большинство процессов прямой записи ограничиваются двумерными структурами и не может обрабатывать материалы с высокой вязкостью (в частности, для струйной печати), ЛИФТ может выйти за пределы ограничений, если оба выполнены должным образом. Конгруэнтное передача трехмерных точек (называемых вокселей), называемых также передачи лазерной деколи (LDT) 5-9, недавно была продемонстрирована методика LIFT с использованием высоковязкой Ag nanopastэс изготовить Корпусная межсоединений, сложные воксельных формы и высокого соотношение сторон структуры. В этой статье мы покажем простой, но универсальный процесс для изготовления различных микро- и макроскопических структур Ag. Структуры включают в себя простые формы для структурирования электрических контактов, мостов и консольные конструкции, высокой соотношение сторон структуры и одиночными выстрелами, передачу больших районов с использованием коммерческого цифрового Micromirror устройства (DMD) чип.
Introduction
Аддитивные технологии печати представляют значительный интерес для структурирования функциональных материалов на различных подложках. Эти так называемые "прямой записи" процессы, в том числе micropen 10, монтаж прямой записи 11, 12, струйных и СПФ 4, хорошо подходят для изготовления различных художественных размеров от субмикронного до макромасштабная 1,2 , Основные преимущества этих методов являются низкая стоимость, экологичность, и быстрый поворот от концепции до прототипа. Действительно, быстрое прототипирование является первичное использование для таких процессов. Материалы, используемые этими процессами, как правило, состоят из суспензии наночастиц в растворителе, и как правило, требуют печи стадии отверждения после осаждения для реализации их функциональных свойств. Хотя micropen и сборка прямой записи относительно просты в реализации, как полагаться на постоянный контакт накаливания с приемной подложкойво время отпуска. Хотя для струйной печати является простой, бесконтактный метод прямой записи, он обычно ограничивается передачей низкой вязкости, химически доброкачественных наночастицами суспензий для того, чтобы избежать засорения и / или коррозии раздаточного сопел. Кроме того, печатные структуры с четко определенными функциями краевых по струйной очень сложно , учитывая переменная поведение жидкостей на различных поверхностях и их результате нестабильности из – за увлажняющих эффектов 13. Независимо от того, для струйной печати пользуется наибольшее внимание исследователей до сих пор.
ЛИФТ, с другой стороны, является бесконтактным, сопло-свободный процесс добавка, которая способна передавать высокой вязкости пасты с хорошо определенными краями. В этом процессе, контролируемые количества сложных материалов переносятся из субстрата – донора (или "лента") на принимающую подложку с использованием лазерных импульсов 4 , как схематично показано на фиг.1. При использовании высокой вязкости пасты, она ПОССкими отпечатанная вокселом с учетом размера и формы в поперечном сечении импульса падающего лазерного 5. Этот процесс называется передачей лазера на наклейке (LDT), и предлагает уникальный подход к прямого письма, в котором форма и размер вокселе, легко контролируемыми параметрами, что позволяет без литографических генерацию структур для широкого спектра применений, таких как схема ремонта 14, метаматериалы 7, 8, межсоединений и свободно стоящие конструкции 15. Возможность вносить сложные формы за один шаг передачи значительно сокращает время обработки и позволяет избежать проблем, связанных со слиянием нескольких вокселей, общей проблемой в большинстве цифровых технологий печати. Способность динамически регулировать пространственный профиль отдельных лазерных импульсов 17 служит для увеличения скорости записи LDT по сравнению с прямой записи методов других лазерных (LDW). В результате этих преимуществ обработки, мы имеем в виду процесс LDT как"Частично распараллеливается", так как она позволяет сочетать несколько стадий последовательного записи в один параллельную. Степень распараллеливание, в конечном счете, зависит от способности быстро изменять лазерный профиль поперечного сечения и, следовательно, форма полученного воксела, так и на скорость, с которой лента и подложка может быть переведен.
Чтобы помочь визуализировать процесс, поведение материала во время процесса ЛИФТ изображен схематически на фиг 2А, 2С, 2Е для трех различных пастообразных вязкостей. Для низких чернил вязкости (Рисунок 2А) 9, процесс передачи следующим образом струйное поведение, что приводит к образованию округлых, полусферических вокселей (Фигура 2В) 18. На рис 2С изображает передачу для очень высоких суспензий вязкости, в котором извлеченный вокселей испытывает фрагментацию подобно тому , что наблюдается с подъемником таккрышка керамические слои 19. Рисунок 2E изображает передачу LDT из nanopaste с подходящим, промежуточной вязкости, в котором выпущен воксельная не подлежит сформирует деформацию за счет поверхностного натяжения и эффектов достигает приемной подложки нетронутыми. Влияние вязкости на форму переданных вокселей показана в атомно – силовой микроскопии (АСМ) изображений на рисунках 2В, 2D и 2F. Как показывает рис 2F, можно получить четкие, хорошо определенные вокселей для соответствующего диапазона вязкостей, как правило , ~ 100 Па · с для Ag nanopaste 5.
В целом, было несколько сообщений о методах, которые сочетают в себе бесконтактную печать с потенциалом для разрешения микрона 3D структур. Метод LDT предлагает процесс произвольной формы, способный фабрикации межсоединений с ультра-тонких возможностей основного тона скрепления. Ряд приложений, включая деликатных электронных устройств, органической электроникиИ микроэлектромеханических систем (МЭМС), могут извлечь пользу из такого процесса. Здесь мы показываем процесс бесконтактно, трехмерной печати, а также одно- лазерного выстрела, большой площади печати (через чип DMD) с высокой вязкостью Ag nanopaste.
Protocol
Representative Results
Discussion
В данной работе мы продемонстрировали процесс бесконтактно, трехмерной печати, а также одно- лазерного выстрела, большой площади печати (через чип DMD) с высокой вязкостью Ag nanopaste. В отличие от других методов прямого записи, такие как струйные, метод LDT , описанный здесь позволяет печати сложных форм вокселей с одним лазерным импульсом, то есть, в одну стадию. Хотя многие аспекты процедуры может показаться простым, Есть несколько шагов, которые требуют итеративного тестирования с целью оптимизации. Во-первых, паста сухость и вязкость являются наиболее важными факторами для успешной передачи. Хотя эти точки уже неоднократно подчеркивалось в тексте, мы повторяем пункт здесь, чтобы подчеркнуть важность. Если вязкость чернил является слишком низкой, то это будет невозможно печатать четкие, хорошо определенные формы воксельных. Характерным признаком того, что вязкость чернил слишком низкая происходит при попытке извлечь вокселя. Когда лазерный импульс выстрелевоксельная появится на мгновение вытолкнуть, но чернила заполнят обратно быстро в отверстие слева в подложке со стороны доноров. В этом случае пользователь должен прекратить стрелять лазером и чернила должны быть дополнительно обработаны, как описано в пунктах 3.1 и 3.2. Если вязкость краски слишком высока, то процесс передачи вокселей появится успешным на ленте. Тем не менее, при рассмотрении вокселей на подложке приемника, будет значительным слезотечение, гидроразрыва, или мусор. В этом случае пользователь должен распоряжаться текущей ленты и сделать новую ленту, как описано в разделе 2. Оптимизация вязкости чернил и времени сушки должно быть достигнуто путем оценки качества попыток передачи вокселей. Мы не рекомендуем пытаться измерить вязкость пасты в любой момент. Во-вторых, плотности энергии лазерного излучения почти так же важна, как вязкость краски и очень небольшие изменения в плотности энергии может оказывать значительное влияние на процесс. Это должно быть очень ясно, когда энергия слишком низка – вокселане извлекается из подложки-донора. Рекомендуется начать с диапазоном плотности энергии, предложенной в пункте 4.4, а затем очень постепенно увеличивать значение. Самая низкая энергия, которая приводит к полной передаче называется "пороговой дозы". Часто лучше работать на или вблизи пороговой плотности энергии, поскольку более высокие значения флюенса будут иметь тенденцию к разрушению или разорвать вокселей. И, наконец, в зависимости от сорта используемого лазера для процесса, там может быть горячие точки в лазерном профиле. Это может потребовать корректировки диафрагмы к образцу более однородной области пучка. Если форма выброшенного вокселе деформирован или плохо соответствует форме поперечного сечения пучка, лазерные точки доступа или толщины слоя краски или единообразие может нести ответственность.
Помимо устранения неполадок, есть несколько ограничений техники. Конечная стадия печи отверждения делает трудным или невозможным достижение вокселей с желаемыми функциональными свойствами на не-высокотемпературномемпера тура совместимые подложки. Как правило, nanopaste Ag используется в этой рукописи необходима температура отверждения по меньшей мере 150 ° С, чтобы получить приемлемые значения проводимости. Изготовление слоя краски на подложке доноров должна быть оптимизирована для повышения толщины однородность, площадное покрытие и время обработки. Толщина слоя краски оказывает значительное влияние на пороговой плотности энергии и качества передачи данных и неоднородной толщины может сделать процесс передачи трудно, особенно при передаче вокселей размером менее 20 мкм х 20 мкм. Электрических параметров для подложки-донора затрудняет создание ленты размером более 10с сантиметров, что ограничивает большой площади пропускную способность. Таким образом, развитие альтернативных конструкций подложки-доноров, таких как катушки на катушку или вращающийся диск, потребуется для повышения автоматизации и обработки большей площади.
Сила техники LDT заключается в способности передавать жидкости с высокимвязкости, что другие методы раскрывающихся по требованию не может справиться. Преимущества LDT могут быть разделены на две ситуации, когда, во-первых, печать высокой вязкости пасты предлагает улучшение качества или скорости относительно печатания низкой пасты вязкости и во-вторых, в тех ситуациях, когда печать с высокой пасты вязкости позволяет структуры, которые не доступны для печати с низкой вязкостью , Примеры преимуществ в первой категории являются: минимальная изменчивость воксельная от намокания эффектов, высокая степень контроля над формой и размером воксела, минимальной усадкой в процессе отверждения и низкой лазерной энергии по сравнению с другими процессами подъема каретки (и, таким образом, с низкой скоростью передачи). Примеры во второй категории являются: печать высокого соотношение сторон структур, мостовые конструкции, кронштейны, и любая другая структура, которая требует хорошего воксельной-образную форму удержания. Объединив процесс LDT с чипом DMD, параллельная печать сложных форм и узоров включена, что значительно ускоряет общий процесс. Кроме того, тон использует из ДМД формировать вокселей позволяет конструкции быть обновлены между лазерными импульсами, что позволяет быструю печать динамически перестраиваемой вокселей. Вообще говоря, частота обновления ДМД (33 кГц) немного медленнее, чем максимальная частота повторения лазера (100 кГц или выше), но скорость ограничивающим фактором для скорости печати является этап перевода.
Основные возможности для продвижения с системой LDT являются дальнейшее развитие дополнительных материалов, совершенствование процесса изготовления ленты, и продолжает наращивать процесс за счет интеграции технологии цифровой обработки света (DLP), такие как чип DMD. Несмотря на то, металлические и изоляционные материалы были успешно переданы через этот процесс, были разработаны несколько активных материалов. Возможность печати пьезоэлектрические, магнитные, или оптоэлектронных материалов с процессом LDT может открыть огромные технологические возможности. Как можно заметить, геометрию доноров SUBSTОграничения скорости масштабирования. Развитие катушки на катушку или вращающиеся субстраты доноров диска упорядочит процессы значительно. И, наконец, сочетание LDT с технологией DLP является потенциально разрушительным для развития области цифрового производства, превращая ранее последовательный процесс в очень параллельный процесс. Ключевой задачей к достижению этой цели является возможность печати вокселей с хорошим разрешением признаков в различных масштабах. То есть, вокселей с поперечными размерами порядка 10 сек или 100 сек в мкм, содержащие особенности порядка 1-5 мкм. Взятые вместе, эти события предлагают значительные возможности для большой площади аддитивного производства электронных компонентов.
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).
