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.
Gennem det seneste årti har der været meget udvikling af ikke-litografiske metoder 1-3 til udskrivning metalliske farver eller andre funktionelle materialer. Mange af disse processer, såsom inkjet 3 og laser-induceret fremad overførsel (LIFT) 4 er blevet stadig mere populære som interesse i printbare elektronik og maskless mønster er vokset. Disse additiv fremstillingsprocesser er billige, miljøvenlige, og velegnet til rapid prototyping, i forhold til mere traditionelle halvleder behandlingsteknikker. Mens de fleste direkte skrive processer er begrænset til to-dimensionelle strukturer og kan ikke håndtere materialer med høj viskositet (især inkjet), kan LIFT transcendere både begrænsninger, hvis udført korrekt. Kongruent overførsel af tredimensionelle pixels (kaldet voxels), også kaldet laser decal overførsel (LDT) 5-9, er for nylig blevet demonstreret med LIFT teknik ved hjælp højviskose Ag nanopastes at fremstille fritstående interconnects, komplekse voxel former og high-aspekt-forholdet strukturer. I dette papir udviser vi en enkel, men alsidig fremgangsmåde til fremstilling af en række forskellige mikro- og makroskala Ag strukturer. Strukturer omfatter enkle former for mønstret elektriske kontakter, bygge bro og cantilever strukturer, high-aspekt-forholdet strukturer og single-shot, store område overførsler ved hjælp af en kommerciel digital micromirror enhed (DMD) chip.
Additive trykteknikker er af stor interesse for mønsterdannelse af funktionelle materialer på forskellige underlag. Disse såkaldte "direkte-write" processer, herunder micropen 10, direkte-write samling 11, inkjet 12, og LIFT 4, er velegnede til fremstilling af en lang række har størrelser fra sub-micron til makroskala 1,2 . De primære fordele ved disse teknikker er lave omkostninger, miljøvenlighed, og hurtige service fra koncept til prototype. Faktisk rapid prototyping er en primær anvendelse til sådanne processer. De anvendte af disse fremgangsmåder materialer består typisk af en nanopartikel suspensionen inden et opløsningsmiddel og generelt kræver en ovn hærdningstrin efter afsætning for at realisere deres funktionelle egenskaber. Selvom micropen og direkte-write samling er forholdsvis enkel at gennemføre, både stole på en kontinuerlig kontakt filament med det modtagende substratunder dispensering. Selvom inkjet er en enkel, ikke-kontakt direkte-write fremgangsmåde, er det normalt begrænset til overførsel af lav viskositet, kemisk godartede nanopartikler suspensioner for at undgå tilstopning og / eller korrosion af dispenser dyser. Desuden, trykning mønstre med veldefinerede kant funktioner ved inkjet er meget vanskeligt i betragtning af den variable adfærd væsker på forskellige overflader og deres deraf følgende ustabilitet på grund af befugtning virkninger 13. Uanset hvad, har inkjet haft mest opmærksomhed fra forskere hidtil.
LIFT, på den anden side, er et ikke-kontakt, dyse-fri additiv proces, som er i stand til at overføre høj viskositet pasta med veldefinerede kanter. I denne proces, der kontrolleres mængder af komplekse materialer overføres fra en donor substrat (eller "bånd") til en modtagende substrat ved hjælp laserpulser 4 som vist skematisk i figur 1. Ved brug høj viskositet pasta, det er Eventueltsible for den trykte voxel, der svarer til størrelsen og formen af puls tværsnit hændelsen laseren 5. Denne proces er blevet omtalt som laser decal overførsel (LDT), og tilbyder en unik tilgang til direkte skrivning, hvor voxel form og størrelse er let kontrollerbare parametre, gør det muligt for ikke-litografiske generation af strukturer til en bred vifte af applikationer såsom kredsløb reparation 14, metamaterialer 7, forbinder 8 og fritstående strukturer 15. Evnen til at deponere komplekse former i et transfer trin reducerer behandlingstiden og undgår problemer i forbindelse med sammenlægning af flere voxels, et fælles problem i de fleste digitale trykteknikker. Evnen til dynamisk justere den rumlige profil af individuelle laserpulser 17 tjener til at forøge skrivehastigheden for LDT i forhold til andre laser direkte skrive (LDW) teknikker. Som et resultat af disse behandlinger fordele, henvises til LDT processen som værende"Delvis paralleliseret" eftersom den tillader kombinationen af flere serielle skrivning trin i en enkelt parallel én. Graden af parallelisering sidste ende afhænger af evnen til hurtigt at ændre laser tværsnit profil, og derfor formen af den resulterende voxel, og af den hastighed, hvormed båndet og substratet kan oversættes.
At hjælpe med at visualisere processen, er opførslen af et materiale under løftet proces afbildet skematisk i figur 2A, 2C og 2E for tre forskellige pasta viskositeter. For trykfarver lav viskositet (Figur 2A) 9, overdragelsesprocessen følger jetting adfærd, hvilket resulterer i dannelse af afrundede, halvkugleformede voxels (figur 2B) 18. Figur 2C viser flytningen for meget høj viskositet suspensioner, hvori den udstødte voxel oplever fragmentering svarende til hvad er observeret med LIFT af sålåg keramiske lag 19. Figur 2E afbilder LDT overførsel af Nanopasta med en egnet, mellemliggende viskositet, hvor den frigivne voxel ikke er underlagt forme deformation som følge af overfladespænding virkninger og når det modtagende substrat intakt. Virkningen af viskositet på formen af de overførte voxels er vist i atomic force mikroskopi (AFM) billeder i figurerne 2B, 2D, og 2F. Som figur 2F viser, er det muligt at opnå skarpe, veldefinerede voxels for et passende udvalg af viskositeter, normalt ~ 100 Pa · sek for Ag af nanopasta 5.
Samlet set har der været få rapporter om metoder, der kombinerer berøringsfri udskrivning med potentiale for micron opløsning 3D strukturer. Den LDT metode giver en freeform proces, der kan opdigte forbinder med ultrafine beg bonding kapaciteter. En række applikationer, herunder sarte elektroniske enheder, organisk elektronikOg MEMS (MEMS) kunne drage fordel af en sådan proces. Her demonstrerer vi en proces for ikke-kontakt, tre-dimensionelle udskrivning samt single-laser-skud, stort område udskrivning (via DMD chip) af høj viskositet Ag af nanopasta.
I dette papir, har vi vist en proces for ikke-kontakt, tre-dimensionelle udskrivning samt single-laser-skud, stort område udskrivning (via DMD chip) af høj viskositet Ag af nanopasta. I modsætning til andre direkte-write teknikker, såsom inkjet, den LDT teknikken beskrevet her muliggør trykning af komplekse voxel figurer med en laser puls, dvs i et enkelt trin. Mens mange aspekter af proceduren kan synes ligetil, er der flere trin, der kræver iterative test for at optimere. Først pasta tørhed og viskositet er de vigtigste faktorer for en vellykket overdragelse. Selv om disse punkter er allerede blevet understreget flere gange i teksten Vi fastholder det punkt her for at understrege vigtigheden. Hvis viskositet blækket er for lav, så vil det være umuligt at udskrive skarpe, veldefinerede voxel former. En afslørende tegn på, at viskositeten blækket er for lav opstår ved forsøg på at skubbe en voxel. Når laseren puls affyres, denvoxel vises for momentant skubbe, men blækket vil udfylde hurtigt tilbage i hullet efterladt i donorsubstratet. I dette tilfælde skal brugeren stoppe affyring af laseren og blækket skal behandles yderligere som beskrevet i trin 3.1 og 3.2. Hvis viskositet blækket er for høj, vil den voxel overdragelsesprocessen vises succes på båndet. Men når undersøger voxels på receiveren substrat, vil der være betydelige tåreflåd, frakturering, eller snavs. I dette tilfælde skal brugeren bortskaffe det aktuelle bånd og lave en ny bånd som skitseret i afsnit 2. Optimering af blæk viskositet og tørretid bør ske ved at evaluere kvaliteten af voxel transfer forsøg. Vi anbefaler ikke forsøger at måle viskositeten af pastaen på noget tidspunkt. For det andet, laserfluensen er næsten lige så vigtig som blæk viskositet og meget små ændringer i fluens kan have en betydelig indvirkning på processen. Det bør være helt klart, når energien er for lav – voxelvil ikke skubbe fra donor substrat. Det anbefales at begynde med fluens interval foreslået i trin 4.4, og derefter meget gradvist øge værdien. Den laveste energi, der resulterer i en fuldstændig overdragelse kaldes "tærskel indflydelse". Det er ofte bedst at operere ved eller nær tærsklen fluens fordi højere intensitetsniveauer værdier vil være tilbøjelige til brud eller rive voxel. Endelig afhængig af sorten af laser, der anvendes til processen, kan der være hotspots i laseren profil. Dette kan kræve en justering af åbningen til at prøve en mere homogen region af bjælken. Hvis formen af skubbet voxel er skæv eller dårligt matcher formen af sektionen strålen kors, kunne laser hotspots eller blæk lagtykkelse eller ensartethed ansvarlig.
Beyond fejlfinding, der er et par begrænsninger for teknik. Det sidste ovn hærdetrinnet gør det vanskeligt eller umuligt at opnå voxel med de ønskede funktionelle egenskaber på ikke-high-temperatur kompatible substrater. Generelt Ag nanopasta anvendes i dette håndskrift kræver en hærdetemperatur på mindst 150 ° C for at opnå rimelige ledningsevneværdier. Fremstillingen af farvelaget på donorsubstratet skal optimeres yderligere at forbedre tykkelsesensartethed, areal dækning og behandlingstid. Blækket lagtykkelse har en dramatisk effekt på tærsklen fluens og overførsel kvalitet, og uhomogene tykkelse kan gøre overførslen svært, især når du overfører voxels mindre end 20 um x 20 um. Den nuværende udformning for donorsubstratet gør det vanskeligt at skabe bånd større end 10s cm, hvilket begrænser stort areal gennemløb. Således er udviklingen af alternative donorsubstrat designs, såsom hjuls-to-hjuls eller roterende skive, ville kræves til forøget automatisering og større område forarbejdning.
Styrken af LDT teknik ligger i evnen til at overføre fluider med højviskositeter der andre teknikker drop-on-demand ikke kan håndtere. Fordelene ved LDT kan adskilles i to situationer, hvor det første, trykning høj viskositet pasta tilbyder en forbedring af kvalitet eller hastighed over udskrivning pasta lav viskositet og for det andet, i situationer, hvor udskrivning med høj viskositet pasta muliggør strukturer, der ikke er tilgængelige for udskrivning lav viskositet . Eksempler på fordele i den første kategori er: minimal voxel variabilitet fra befugtning effekter, høj grad af kontrol over voxel form og størrelse, minimal krympning under hærdningen, og lav laser energi i forhold til andre LIFT processer (og dermed lav transfer hastighed). Eksempler i den anden kategori er: trykning af høj aspekt-forholdet strukturer, bridging strukturer, køreledningsophæng, og enhver anden struktur, der kræver god voxel-form-fastholdelse. Ved at kombinere den LDT processen med DMD chippen, er parallel trykning af komplekse former og mønstre aktiveret, hvilket i høj grad fremskynder den samlede proces. Endvidere than bruge af en DMD at forme voxels tillader design skal opdateres mellem laser pulser, muliggør hurtig udskrivning af dynamisk omkonfigurerbare voxel. Generelt opdateringshastigheden af DMD (33 kHz) er lidt langsommere end max gentagelseshastighed på laseren (100 kHz eller højere), men det hastighedsbegrænsende faktor for udskrivningshastigheden er den fase oversættelse.
De primære muligheder for avancement med LDT-systemet er den fortsatte udvikling af yderligere materiale, forbedre båndet produktionsprocessen, og fortsætter med at opskalere processen ved at integrere digital lys behandling (DLP) teknologi såsom DMD chippen. Selvom metalliske og isoleringsmaterialer med succes er blevet overført gennem denne proces, har nogle aktive materialer blevet udviklet. Evnen til at udskrive piezoelektriske, magnetiske eller optoelektroniske materialer med LDT processen kunne åbne enorme teknologiske muligheder. Som det er nu, geometri donor substsats grænser skalerbarhed. Udviklingen af hjul-til-hjuls eller roterende skive donor substrater vil strømline processerne betydeligt. Endelig kombination af LDT med DLP-teknologi er en potentielt forstyrrende udvikling for området for digital fabrikation, dreje en tidligere seriel proces til en yderst parallel proces. En central udfordring mod dette mål er mulighed for at udskrive voxel med god funktion opløsning på flere skalaer. Det vil sige, voxels med laterale dimensioner i størrelsesordenen 10 sekunder eller 100 sekunders um indeholdende funktioner i størrelsesordenen 1-5 um. Tilsammen denne udvikling rummer et stort potentiale for store område additiv fremstilling af elektroniske komponenter.
The authors have nothing to disclose.
This work was funded by the Office of Naval Research (ONR) through the Naval Research Laboratory Basic Research Program.
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 |