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Engineering

Transferencia Forward inducida por láser de Ag nanopasta

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

Durante la última década, ha habido un gran desarrollo de métodos no litográficas 1-3 para la impresión de tintas metálicas u otros materiales funcionales. Muchos de estos procesos, tales como inyección de tinta 3 y inducida por láser de transferencia directa (LIFT) 4 se han convertido en cada vez más popular como el interés en la electrónica imprimible y patrones sin máscara ha crecido. Estos procesos de fabricación aditivas son de bajo costo, el medio ambiente, y muy adecuado para el prototipado rápido, en comparación con las técnicas de procesamiento de semiconductores más tradicionales. Aunque la mayoría de los procesos de lectura-escritura directa se limitan a las estructuras bidimensionales y no pueden manejar materiales con alta viscosidad (en especial de inyección de tinta), LIFT puede trascender limitaciones tanto si se realiza correctamente. Transferencia congruente de tres píxeles tridimensionales (llamados voxels), también conocido como transferencia de la etiqueta láser (LDT) 5-9, recientemente se ha demostrado con la técnica de levantamiento usando altamente viscoso nanopast Ages para fabricar interconexiones Autosoportados, formas voxel complejos y estructuras de relación de aspecto alta. En este trabajo se demuestra un proceso sencillo pero versátil para la fabricación de una variedad de estructuras Ag micro y macroescala. Las etiquetas incluyen formas simples que permiten definir motivos contactos eléctricos, puentes y estructuras en voladizo, estructuras de relación de aspecto de alta y de un solo tiro, grandes transferencias de zona utilizando un chip comercial dispositivo digital (DMD).

Introduction

Aditivos técnicas de impresión son de considerable interés para el patrón de materiales funcionales sobre una variedad de sustratos. Estos llamados "procesos de escritura directa", incluyendo micropen 10, el montaje directo de escritura 11, de inyección de tinta 12, y ascensor 4, son muy adecuadas para la fabricación de una variedad de tamaños de las características que van desde sub-micra a macroescala 1,2 . Las principales ventajas de estas técnicas son de bajo costo, respeto al medio ambiente, y la vuelta rápida del concepto al prototipo. De hecho, el prototipado rápido es un uso principal de este tipo de procesos. Los materiales utilizados por estos procesos generalmente consisten en una suspensión de nanopartículas en un disolvente, y generalmente requieren un horno etapa de curado después de la deposición con el fin de darse cuenta de sus propiedades funcionales. Aunque micropen y montaje-escritura directa son relativamente fáciles de poner en práctica, ambos se basan en un contacto de filamento continuo con el sustrato de recepcióndurante la dispensación. Aunque inyección de tinta es un método sin contacto simple, de escritura directa, que normalmente se limita a la transferencia de baja viscosidad, suspensiones de nanopartículas químicamente benignos con el fin de evitar la obstrucción y / o corrosión de las boquillas de dispensación. Además, los patrones de impresión con características de bordes bien definidos por inyección de tinta es muy difícil dado el comportamiento de la variable de fluidos en diferentes superficies y su inestabilidad resultante debido a los efectos humectantes 13. Independientemente, de inyección de tinta ha disfrutado de la mayor atención de los investigadores hasta el momento.

LIFT, por otro lado, es un proceso aditivo libre de la boquilla sin contacto, que es capaz de transferir la pasta de alta viscosidad con bordes bien definidos. En este proceso, cantidades controladas de materiales complejos se transfieren desde un sustrato donante (o "cinta") a un sustrato receptor mediante el uso de pulsos de láser 4 como se muestra esquemáticamente en la Figura 1. Cuando se utiliza la pasta de alta viscosidad, es POSSIble para el voxel impreso para que coincida con el tamaño y forma de la sección transversal del pulso de láser incidente 5. Este proceso ha sido denominado como transferencia de la etiqueta láser (LDT), y ofrece un enfoque único para directo de escritura en el que la forma y tamaño de vóxel son fácilmente parámetros controlables, permitiendo la generación no litográfica de estructuras para una amplia gama de aplicaciones tales como reparación del circuito 14, los metamateriales 7, 8, interconexiones y estructuras al aire libre 15. La capacidad de depositar formas complejas en una etapa de transferencia reduce en gran medida el tiempo de procesamiento y evita problemas relacionados con la fusión de múltiples voxels, un problema común en la mayoría de las técnicas de impresión digitales. La capacidad de ajustar dinámicamente el perfil espacial de pulsos de láser individuales 17 sirve para aumentar la velocidad de escritura de LDT en comparación con las técnicas de escritura directa de otro láser (LDW). Como resultado de estas ventajas de procesamiento, nos referimos al proceso de LDT como"Parcialmente paralelizado", ya que permite la combinación de múltiples etapas de escritura en serie en una sola paralelo. El grado de paralelización depende en última instancia la capacidad de alterar rápidamente el perfil de sección transversal de láser, y por lo tanto la forma de la voxel resultante, y de la velocidad por la que la cinta y el sustrato pueden ser traducidos.

Para ayudar a visualizar el proceso, el comportamiento de un material durante el proceso de elevación se representa esquemáticamente en las figuras 2A, 2C y 2E para tres diferentes viscosidades de pasta. Para tintas de baja viscosidad (Figura 2A) 9, el proceso de transferencia sigue chorro de comportamiento, lo que resulta en la formación de, voxels hemisféricas redondeadas (Figura 2B) 18. Figura 2C representa la transferencia de las suspensiones de viscosidad muy altos, en el que el voxel expulsado experimenta fragmentación similar a lo que es observado con ascensor de por locapas de cerámica de la tapa 19. La Figura 2E muestra la transferencia de LDT nanopasta con una, la viscosidad intermedio adecuado, en el que el voxel liberado no está sujeta a dar forma a la deformación debida a la superficie efectos de la tensión y alcanza el sustrato receptor intacto. El efecto de la viscosidad en la forma de los voxels transferidos se muestra en las imágenes de microscopía de fuerza atómica (AFM) en las Figuras 2B, 2D, 2F y. Como demuestra la Figura 2F, es posible obtener los voxels bien definidos y bien definidos para una adecuada gama de viscosidades, por lo general ~ 100 Pa · s durante 5 Ag nanopasta.

En general, ha habido pocos informes de métodos que combinan impresión sin contacto con el potencial de estructuras 3D de resolución de micras. El método LDT ofrece un proceso de forma libre capaz de fabricar interconexiones con capacidades de unión terreno de juego ultra-finas. Una serie de aplicaciones, incluyendo dispositivos electrónicos delicados, la electrónica orgánicaY sistemas microelectromecánicos (MEMS) podrían beneficiarse de un procedimiento de este tipo. Aquí se demuestra un proceso de no-contacto, la impresión en tres dimensiones, así como de un solo disparo láser, impresión de gran superficie (a través de chip DMD) de alta viscosidad Ag nanopasta.

Protocol

1. Hacer Sustratos donantes Máscara de los bordes de una placa de vidrio con cinta dejando una región central de vidrio sin cubrir. Sumergir el portaobjetos en Buffered HF (6: 1 de 40% de NH 4 F en agua a 48% de HF en agua) para 3-15 min. Nota: Esto grabar el centro de la diapositiva que es desenmascarado, la creación de un pozo. La profundidad del pozo debe estar entre 1 y 5 micras, que puede ser determinado a través de un perfilómetro stylus o AFM utilizando las instrucciones del fabricante. Retire la máscara de cinta. 2. Creación de la Cinta de Tinta Extender una pequeña cantidad de pasta de Ag en un lado del pozo. Asegúrese de que no es suficiente para llenar el pozo, más o menos en el rango de 10 mg. No es necesario medir la cantidad primera, sin embargo. Firmemente arrastrar una hoja de metal recta a través del pozo, extendiendo una capa delgada de pasta en toda su totalidad. Distribuir uniformemente la pasta sin puntos finos. El producto final de thiproceso de s – un pequeño de tinta que contiene Ag bien – se llama la "cinta". Limpie toda la pasta que se extiende fuera del pozo con un paño de laboratorio. 3. El secado de la Cinta Coloque la cinta boca arriba en un ambiente de baja humedad. Una caja llena de nitrógeno seco funciona mejor. Deje la cinta durante al menos 2 horas a temperatura ambiente. En este punto, la viscosidad de la tinta debe ser lo suficientemente alta como para imprimir. Nota: Después del secado suficiente, cintas de tinta se pueden almacenar durante más o menos un mes colocando el bien boca abajo en otro portaobjetos de vidrio y su almacenamiento en un entorno de nitrógeno seco. Una vez almacenados de esta manera, está bien dejar las cintas de tinta sin vigilancia durante largos períodos de tiempo. 4. Los vóxeles de impresión Una el sustrato receptor a una etapa de traslación XY utilizando un mandril vacío o cinta de doble cara. Nota: El sustrato receptor debe ser plana, pero no existen otras limitaciones. Las obleas de silicio, GLdiapositivas culo, o 200 ° polímeros C compatibles son todos los sustratos del receptor aceptables. Coloque la cinta de tinta boca abajo sobre el sustrato receptor. Enfoque la configuración óptica a través de la parte posterior del sustrato donante, sobre la superficie posterior de la tinta dentro del pozo. NOTA: Hay muchas maneras de organizar la óptica de este proceso, pero los siguientes pasos / componentes son necesarios: Utilizar un láser UV pulsado con una viga que tiene una distribución espacial de la energía "top-hat" (a diferencia de Gauss). Utilizar un láser capaz de disparar de forma controlable impulsos individuales, que pueden requerir un modulador óptico-acústico. El modulador acústico-óptico permite al usuario controlar el disparo de impulsos individuales. Pasar el haz a través de una abertura, la configuración de la sección transversal del haz en la forma deseada. Tenga en cuenta que la forma de la apertura determina la forma de la voxel. Es decir, la abertura se forma la imagen esencialmente sobre el sustrato donante, de forma análoga a Masproyección k. Utilice un objetivo microscópico para reducir el tamaño de la sección transversal del haz, lo que determina el tamaño del voxel impreso. Por ejemplo, si un 10X rendimientos objetivas voxels cuadrados con 50 micras dimensiones laterales, a continuación, un objetivo 50X se imprimirán la misma forma (cuadrada) vóxeles con 10 micras dimensiones laterales. Colocar una cámara de video en línea (a través de divisor de haz) con el objetivo microscópico. Esto permite la monitorización activa de la cinta de tinta. Disparar un solo pulso de láser sobre el sustrato donante. Un valor de partida razonable para la fluencia del láser está en el intervalo de 40 a 60 mJ / cm 2. Asegúrese de que hay un agujero visible en la forma de la sección transversal del haz láser en el que se expulsa el voxel. Si el agujero no es visible, hay varias razones posibles: Fuera de foco. Ajuste la altura del objetivo de enfoque. Esto puede traer el agujero en el foco. Energía baja. inc lentamenteRease la energía del láser hasta una fluencia de 60 a 80 mJ / cm 2. cintas de tinta más gruesas pueden requerir altos valores de fluencia. La viscosidad de la tinta demasiado baja. Si un voxel se expulsa pero el agujero en la cinta de tinta rellena inmediatamente, a continuación, la viscosidad de la tinta es demasiado baja, por lo tanto, secar la cinta durante otros 30 min basado en las instrucciones del paso 3 y luego comenzar el paso 4 de nuevo. Mueva la platina de traslación XY a lo largo del eje X y Y a un nuevo lugar. Disparar un solo pulso de láser sobre el sustrato donante de nuevo, expulsar un voxel y dejando un agujero de gran nitidez en el que el voxel fue expulsado de la cinta de tinta. 5. Impresión de estructuras complejas Crear líneas uniendo los voxels adyacentes de la siguiente manera: Transferencia de un voxel como se describe en 4.1 hasta 4.4. Mover la etapa de traslación longitud uno voxel XY a lo largo de la dirección X o Y. Transferencia de un voxel como se describe en 4.1 hasta 4.4. Repita este proceso hasta que se obtiene una línea de tiempo suficientemente largo. Crear puentes o estructuras en voladizo de la siguiente manera: Alinear el haz de manera que el voxel expulsado será cubrir un espacio geométrico sobre el sustrato donante o de tal manera que una porción del voxel se sobresalir más allá del borde de un hueco geométrica. Transferencia de un voxel como se describe en 4.1 hasta 4.4. Nota: Si la viscosidad de la pasta es demasiado bajo, el voxel puede ajustarse a las características debajo de ella en lugar de crear un puente o voladizo. Crear estructuras de alta relación de aspecto de la siguiente manera: Transferencia de un voxel como se describe en 4.1 hasta 4.4. Sin mover el sustrato receptor, mueva el sustrato donador a un lugar fresco en la cinta de tinta. Transferencia de un voxel como se describe en 4.1 hasta 4.4. Repita los pasos 5.3.2 y 5.3.3 hasta que una característica de suficiente heise obtiene lucha. Si la estructura se construye más alto que ~ 3-5 micras, insertar periódicamente espaciadores entre el sustrato donante y el receptor de manera que la pila voxel y la cinta de tinta no entran en contacto directo. Tenga en cuenta que tendrá que ser vuelto a centrar la óptica como se describe en la sección 4.4.1 para dar cuenta del cambio en la altura del sustrato donante. 6. Impresión de imágenes complejas a través de Chip DMD Dibujar o cargar una imagen de la forma deseada voxel. Asegúrese de que el formato del archivo de imagen es un mapa de bits. Nota: Es crucial usar el factor de desmagnificación del sistema óptico a escala del dibujo para el tamaño del voxel a imprimir. La DMD fundamental sustituye a la abertura, así que en vez de obtener imágenes de la viga con lo que es esencialmente máscara de proyección, una matriz de microespejos se utiliza para dar forma al rayo. Seleccionar láser adecuado (UV o verde). Encienda la DMD y abrir el software de DMD. Haga clic en "Abrir imagen" y la carga Patte de mapa de bitsrn. Seleccione Cargar y Restablecer. Haga clic en "Añadir". Nombre de archivo de mapa de bits debe aparecer en el panel de la derecha. Haga clic en "Ejecutar una vez". patrón de mapa de bits ya está cargado en la DMD. Organizar los sustratos donante y receptora como se describe en los pasos 4.1 a 4.3. Transferir la tinta tal como se indica en los pasos 4.4 a 4.6. Una vez que las transferencias tienen éxito, repita los pasos 6.3 hasta 6.4, si es necesario; continúe con el paso 7. 7. Horno Una vez que se imprimen todos los voxels, curarlos en un horno. Coloque el sustrato receptor boca arriba en el horno. Póngalo a secar a 180 ° C durante 2 horas.

Representative Results

La Figura 3 muestra un sustrato donante representativo con un pozo en su centro. Un portaobjetos de vidrio estándar se utilizó para el sustrato donante, y la profundidad del pozo en este caso es 1 m. Tenga en cuenta que la totalidad de la nanopasta Ag se limita a la bien rectangular y el resto del sustrato se limpia. También es importante señalar que la coloración es uniforme, lo que indica el espesor de pasta más o menos uniforme. Las regiones con coloración más ligera indican puntos finos, que es mejor evitar. Figura 4 muestra una imagen óptica 20X del sustrato donante después de una matriz 6×6 de 20 micras x 20 micras voxels cuadrados han sido expulsado. En este caso ideal, no hay residuos de pasta de los vacíos y todos los voxels se salga por completo de la cinta. Si la energía es insuficiente o si hay puntos calientes significativos en el perfil de la viga, voxels solamente se separará parcialmente y permanecer pegado a la parte trasera de la cinta. Voxels expulsado del paECE con diferentes viscosidades se pueden encontrar en la Figura 5 9. Cuando la viscosidad de la pasta es baja, es decir, no ha sido suficientemente seca, la tensión superficial hará que los voxels para ser más redondeada, perdiendo su forma original (como se ve en la Figura 5A y B ). Nótese cómo las formas de los voxels en la Figura 5B son diferentes de las formas de haz (que se muestran en el recuadro de la Figura 5B). En el otro extremo, cuando la viscosidad de la pasta es alta, es decir, ha sido sobre-secado, voxels tienen una tendencia a la fractura cuando se expulsa como se ve en la figura 5C y D. Por lo tanto, hay un intervalo de viscosidad intermedia que permite la transferencia de voxels no fracturado que retienen la forma del perfil de viga como se ve en la figura 5E y F. Demostramos dos variedades de cadenas voxel que forman las líneas conductoras de largo. La primera fue una sencilla cadena de extremo a extremo en which 40 x 60 m 2 voxels fueron transferidos adyacentes entre sí (Figura 6A y B) 20. Generalmente, este método de enlace era poco fiable, con interfaces rotos parcial o completamente que aparecen después de una cura suave a 100 ° C (como se ve en la Figura 6B). El segundo método utilizado muescas, enclavamiento voxels transferidos de extremo a extremo (figura 6C y D). Las líneas de puntos en la figura 6C describen la forma original de los voxels, como la alta calidad de la interfaz hace que sea difícil de resolver visualmente las formas individuales. Este efecto es muy claro en la figura 6D, en la costura entre los voxels es casi invisible. La geometría dentada era más confiable que la simple extremo a extremo, con casi todos los interfaces restantes continuo después de una cura 100 ° C. La figura 7 muestra varias geometrías de apilamiento, patrones y relaciones de aspecto. Un únicovoxel que atraviesa una amplia zanja 100 micras Si se puede encontrar en la Figura 7A. La obtención de la viscosidad correcta es de la máxima importancia para puentear o aplicaciones independientes con el fin de evitar que el voxel de flacidez o conforme a la geometría del sustrato receptor. Estructuras complejas, de múltiples capas se pueden ver en la figura 7B-D, incluyendo dos pirámides apiladas y alta relación de aspecto micro pilares. Estas geometrías son importantes para aplicaciones que requieren interconexiones verticales y que abarcan. Finalmente, la Figura 8A muestra una configuración óptica alternativa que utiliza un chip DMD comercial, referido como un "dispositivo de espejo digital" en el diagrama. Como se describe en el paso 6, las imágenes grandes y complejos se pueden cargar en el ordenador y se transfieren con un único pulso de láser. Un logotipo impreso correctamente NRL se puede encontrar en la figura 8B. Observamos que con un solo disparo, podemos transferir una estructura de pasta con una longitud de 1 mm y una función de reSolution de ~ 20 m. Figura 1. Diagrama esquemático de la configuración LDT. Tenga en cuenta que la forma del voxel se determina por la forma del haz de sección transversal sólo para tinta de alta viscosidad. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 2. Esquema de eyección diagrama de voxel. Los diagramas ilustran la evolución de la transferencia de (A) de baja viscosidad, (C) de alta viscosidad, y (E) de viscosidad intermedia. Parcelas de AFM de los voxels resultantes se proporcionan en (B), (D), y (F), respectivamente. Esta cifra se ha modificado de [9]. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3. Imagen del sustrato donador nanopasta Ag. El propio sustrato es una lámina de vidrio con un 1 m de profundidad hueco en el centro. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 4. 20X imagen óptica de la capa de pasta sobre la (sustrato donante) de la cinta después de la transferencia voxel. Sharp, bordes bien definidos y la falta de residuo indican suficiente de secado de pasta y transferencia completa de material de la cinta.jove.com/files/ftp_upload/53728/53728fig4large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Perfiles de haz Figura 5. Microscopía electrónica de barrido (SEM) imágenes de varios voxels diferente. Se representan en la inserción (B). Tres formas diferentes de voxel se imprimieron de baja viscosidad (A, B), de alta viscosidad (C, D), y la viscosidad intermedia (E, F). Tenga en cuenta que una baja viscosidad conduce a una pérdida de forma y voxel nitidez mientras que la alta viscosidad conduce a la fracturación voxel. Esta cifra ha sido modificado a partir de [9]. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "1"> . Figura 6. Imágenes de SEM de las cadenas de voxel siameses Dos geometrías enlazan se representan: sencilla de extremo a extremo (A, B) y muescas de enclavamiento-(C, D). En general, las muescas de enclavamiento-geometrías se encuentran para ser más fiable, al tiempo sencilla de extremo a extremo tienen una tendencia a agrietarse debido a la contracción durante las etapas del horno. Esta cifra ha sido modificado a partir de [20]. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. . Figura 7. Imágenes SEM de múltiples estructuras voxel complejas geometrías incluyen: Un voxel rectangular puente un 100 micras de ancho zanja (A), una multicapa s caffold (B), una alta relación de aspecto pirámide (C), y varios pilares relación micro alta de aspecto (D). Esta cifra ha sido modificado a partir de [8]. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 8. Diagrama esquemático y los resultados de LDT a través de chip DMD. En el diagrama esquemático (A), la abertura del láser ha sido reemplazado con el chip DMD, que es un conjunto grande de micro-espejos. El patrón de un archivo de imagen puede ser fielmente fotografiada sobre el sustrato donante, expulsando una réplica exacta del patrón de voxels en un solo tiro. A modo de ejemplo, un logotipo del laboratorio nacional de referencia (B) ha sido transferida por un único disparo láser.ig8large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

En el presente trabajo, hemos demostrado un proceso de no contacto, la impresión en tres dimensiones, así como de un solo disparo láser, impresión de gran superficie (a través de chip DMD) de alta viscosidad Ag nanopasta. A diferencia de otras técnicas de escritura directa, tales como inyección de tinta, la técnica de LDT descrito aquí permite la impresión de formas complejas vóxel con un solo pulso del láser, es decir, en un solo paso. Mientras que muchos aspectos del procedimiento pueden parecer sencillo, hay varios pasos que requieren pruebas iterativo con el fin de optimizar. En primer lugar, la sequedad de pasta y de la viscosidad son los factores más importantes para la transferencia exitosa. A pesar de estos puntos ya se han hecho hincapié en repetidas ocasiones en el texto, debemos reiterar aquí para subrayar la importancia. Si la viscosidad de la tinta es demasiado bajo, entonces será imposible imprimir, formas voxel bien definidos afilados. Una señal de que la viscosidad de la tinta es demasiado baja se produce al intentar expulsar un voxel. Cuando se dispara el impulso de láser, lavoxel aparecerá para expulsar momentáneamente, pero la tinta se llena de nuevo rápidamente en el hueco dejado en el sustrato donante. En este caso, el usuario debe dejar de disparar el láser y la tinta debe ser tratada adicionalmente como se indica en los pasos 3.1 y 3.2. Si la viscosidad de la tinta es demasiado alta, el proceso de transferencia voxel aparecerá éxito en la cinta. Sin embargo, al examinar los voxels en el sustrato receptor, habrá lagrimeo significativo, fractura, o residuos. En este caso, el usuario tiene que disponer de la cinta actual y realizar una nueva cinta como se indica en la sección 2. Optimización de la viscosidad de la tinta y el tiempo de secado debe llevarse a cabo mediante la evaluación de la calidad de los intentos de transferencia voxel. No se recomienda tratar de medir la viscosidad de la pasta en cualquier punto. En segundo lugar, la fluencia del láser es casi tan importante como la viscosidad de la tinta y cambios muy pequeños en la fluencia puede tener un efecto significativo en el proceso. Debe quedar muy claro cuando la energía es demasiado bajo – el voxelno se expulsará desde el sustrato donante. Se recomienda comenzar con la gama de fluencia se sugiere en el paso 4.4, y luego aumentar gradualmente el valor muy. El más bajo de energía que se traduce en una transferencia completa se denomina "fluencia de umbral". A menudo es la mejor manera de operar en o cerca del umbral de fluencia, porque los valores de fluencia mayores tenderán a fracturar o romper los voxels. Finalmente, dependiendo de la variedad de láser utilizado para el proceso, podría haber puntos calientes en el perfil láser. Esto puede requerir un ajuste de la abertura a la muestra una región más homogénea de la viga. Si la forma del voxel eyectado está deformado o mal coincide con la forma de la sección transversal de la viga, puntos de acceso láser o espesor de la capa de tinta o la uniformidad podría ser responsable.

Más allá de la resolución de problemas, hay algunas limitaciones en la técnica. El paso final del horno de curado hace que sea difícil o imposible de lograr voxels con las propiedades funcionales deseadas en no-alta-tEMPERATURA sustratos compatibles. Generalmente, el nanopasta Ag utilizado en este manuscrito requiere una temperatura de curado de al menos 150 ° C a fin de obtener los valores de conductividad razonables. La fabricación de la capa de tinta sobre el sustrato de donantes debe optimizarse aún más para mejorar la uniformidad de espesor, la cobertura de área y tiempo de procesamiento. El espesor de capa de tinta tiene un efecto dramático en la fluencia de umbral y calidad de la transferencia, y el espesor no homogéneo puede hacer que el proceso de transferencia difícil, especialmente cuando la transferencia de voxels de menos de 20 micras x 20 micras. El diseño actual para el sustrato donante hace que sea difícil crear cintas más grandes que 10s de cm, lo que limita el rendimiento de gran superficie. Por lo tanto, el desarrollo de diseños de sustrato donantes alternativos, como carrete a carrete o disco giratorio, se requeriría de una mayor automatización y mayor procesamiento área.

La fuerza de la técnica LDT reside en la capacidad para transferir fluidos con altoviscosidades que otras técnicas drop-on-demand no puede manejar. Las ventajas de LDT se pueden separar en dos situaciones en las que, en primer lugar, la pasta de impresión de alta viscosidad ofrece una mejora en la calidad o velocidad sobre la impresión de pasta de baja viscosidad y en segundo lugar, en situaciones donde la impresión con pasta de alta viscosidad permite estructuras que no son accesibles a la impresión de baja viscosidad . Los ejemplos de las ventajas de la primera categoría son: mínima variabilidad del voxel de los efectos humectantes, alto grado de control sobre la forma y el tamaño de voxel, contracción mínima durante el curado y la energía láser de baja en comparación con otros procesos de elevación (y por lo tanto baja velocidad de transferencia). Los ejemplos de la segunda categoría son: la impresión de estructuras de relación de aspecto alta, las estructuras de puente, voladizos, y cualquier otra estructura que requiere una buena voxel-retención de la forma. Al combinar el proceso LDT con el chip DMD, la impresión paralela de formas y patrones complejos está habilitado, lo que acelera enormemente el proceso global. Además, tl uso de un DMD para dar forma a los diseños voxels permite que se actualicen entre pulsos de láser, lo que permite una rápida impresión de voxels dinámicamente reconfigurables. En términos generales, la frecuencia de actualización de la DMD (33 kHz) es ligeramente más lento que la tasa de repetición máxima del láser (100 kHz o superior), pero la tasa de factor limitante para la velocidad de impresión es la traducción en el escenario.

Las principales vías de ascenso con el sistema LDT son el continuo desarrollo de materiales adicionales, mejorando el proceso de fabricación de la cinta, y continuando a ampliar el proceso a través de la integración de la tecnología de procesamiento digital de luz (DLP), tales como el chip DMD. Aunque los materiales metálicos y aislantes se han transferido con éxito a través de este proceso, se han desarrollado unos materiales activos. La posibilidad de imprimir los materiales piezoeléctricos, magnéticos o optoelectrónicos con el proceso de LDT podría abrir enormes posibilidades tecnológicas. En su forma actual, la geometría del donante substlímites de la frecuencia escalabilidad. El desarrollo de carrete-a-carrete giratorio o sustratos donantes disco simplificaría considerablemente los procesos. Por último, la combinación de LDT con la tecnología DLP es un desarrollo potencialmente perjudicial para el campo de la fabricación digital, convirtiendo un proceso previamente en serie en un proceso altamente paralelo. Un desafío clave para lograr esta meta es la posibilidad de imprimir los voxels con buena resolución característica en múltiples escalas. Es decir, los voxels con dimensiones laterales del orden de 10 segundos o 100 segundos de características micras que contiene del orden de 1 a 5 micras. Tomados en conjunto, estos desarrollos ofrecen oportunidades significativas para gran área de fabricación aditiva de los componentes electrónicos.

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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