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.
Under det senaste årtiondet har det skett mycket utveckling av icke-litografiska metoder 1-3 för utskrift metallbläck eller andra funktionella material. Många av dessa processer såsom bläckstråleskrivare 3 och laserinducerad framåt överföring (LIFT) 4 har blivit allt populärare som intresset för utskrivbara elektronik och direktritning mönstring har vuxit. Dessa tillsatstillverkningsprocesser är billiga, miljövänliga och väl lämpade för rapid prototyping, jämfört med mer traditionella halvledarprocesstekniker. Medan de flesta direktskrivprocesser är begränsade till två-dimensionella strukturer och kan inte hantera material med hög viskositet (särskilt bläckstråleskrivare), kan LIFT överskrida både restriktioner om de utförs på rätt sätt. Kongruent överföring av tredimensionella bildpunkter (kallas voxlar), även benämnda laser dekal överföring (LDT) 5-9, har nyligen demonstrerats med LIFT teknik med användning av högviskös Ag nanopastes att tillverka fristående sammankopplingar, komplexa voxel former och hög bildförhållande strukturer. I detta dokument visar vi en enkel men mångsidig process för att framställa en mängd mikro- och makroskala Ag strukturer. Strukturer inkluderar enkla former för mönstring elektriska kontakter, överbryggande och konsolstrukturer, hög bildförhållande strukturer och enkelskott, stora överföringar området med hjälp av en kommersiell digital micromirror device (DMD) chip.
Additiva trycktekniker är av betydande intresse för mönstring av funktionella material på en mängd olika substrat. Dessa så kallade "direktskriv" -processer, inklusive micropen 10, direktskrivenheten 11, bläckstråle 12, och LIFT 4, är väl lämpade för tillverkning av olika funktions storlekar från submikron till makroskala 1,2 . De främsta fördelarna med dessa tekniker är låg kostnad, miljövänlighet, och snabb vändning från idé till prototyp. I själva verket är rapid prototyping en primär användning för sådana processer. De material som används av dessa processer består typiskt av en nanopartikel suspension inom ett lösningsmedel, och i allmänhet kräver en ugn härdningssteg efter avsättning för att realisera deras funktionella egenskaper. Även micropen och direktskrivenheten är relativt enkla att implementera, båda beroende på en kontinuerlig filament kontakt med det mottagande substratetunder dispensering. Även om bläckstråleskrivare är en enkel, icke-kontakt direkt-skriv-metoden, är det vanligtvis begränsad till överföring av låg viskositet, kemiskt benigna nanopartiklar suspensioner för att undvika igensättning och / eller korrosion av dispenseringsmunstycken. Dessutom är tryckmönster med väldefinierade kant funktioner från bläckstråleskrivare mycket svårt med tanke på den variabla beteende vätskor på olika ytor och deras resulterande instabilitet på grund av vätande effekter 13. Oavsett, har bläckstråleskrivare haft mest uppmärksamhet av forskare hittills.
LIFT, å andra sidan, är en icke-kontakt, munstycke fria additiv process, som har förmåga att överföra hög viskositet pasta med väldefinierade kanter. I denna process, är kontrollerade mängder av komplexa material överförs från ett donatorsubstrat (eller "band") till en mottagande substrat genom användning av laserpulser 4, såsom visas schematiskt i figur 1. Vid användning av hög viskositet pasta, är det evliga för den tryckta voxel för att matcha storleken och formen av den infallande laserpulsen tvärsnitt 5. Denna process har kallat laser dekal överföring (LDT), och erbjuder en unik metod för direkt skrift där voxel form och storlek är lätt kontrollerbara parametrar, vilket gör att icke-litografiska generationen av strukturer för ett brett spektrum av tillämpningar, såsom krets reparation 14, metamaterial 7, anslutningar 8 och fristående strukturer 15. Förmågan att sätta komplexa former i en överföringssteg minskar kraftigt processtiden och undviker problem i samband med en sammanslagning av flera voxlar, ett vanligt problem i de flesta digitala trycktekniker. Förmågan att dynamiskt justera den rumsliga profil enskilda laserpulser 17 tjänar till att öka skrivhastighet LDT jämfört med andra laser direkt skriv (LDW) tekniker. Som ett resultat av dessa bearbetningsfördelar, hänvisar vi till LDT processen som"Delvis parallelliseras", eftersom det tillåter en kombination av flera serieskriv steg i en enda parallellt. Graden av parallellisering beror ytterst på förmågan att snabbt förändra tvärsnittsprofil laser, och därmed formen på den resulterande voxel, och på hastigheten med vilken bandet och substratet kan översättas.
Att hjälpa till att visualisera processen, är beteendet hos ett material under LIFT processen som avbildas schematiskt i Figurerna 2A, 2C och 2E för tre olika pasta viskositeter. För lågviskösa tryckfärger (Figur 2A) 9, överföringsprocessen följer bestyckningen beteende, vilket resulterar i bildning av rundade, halvsfäriska voxlar (figur 2b) 18. Figur 2C skildrar överföring för mycket högviskösa suspensioner, i vilken den utsprutade voxel upplever fragmentering som liknar vad som är observerats med LIFT av sålock keramiska skikt 19. Figur 2E visar LDT överföring av nanopaste med en lämplig mellanliggande viskositet, varvid den frigjorda voxel är inte föremål för att forma deformation på grund av ytspänningseffekter och når mottagande substratet intakt. Effekten av viskositeten på formen hos de överförda voxlar visas i atomkraftsmikroskopi (AFM) bilderna i figurerna 2B, 2D, och 2F. Som figur 2F visar, är det möjligt att erhålla skarpa, väldefinierade voxlar för ett lämpligt område av viskositeter, vanligtvis ~ 100 Pa · s för Ag nanopaste 5.
Sammantaget har det förekommit några rapporter om metoder som kombinerar icke-kontaktkopiering med potential för micron upplösning 3D-strukturer. LDT metoden ger en fritt formulerad process som kan tillverka anslutningar med ultrafina beck bindningsförmåga. Ett antal tillämpningar, inklusive känsliga elektroniska apparater, organisk elektronikOch mikroelektromekaniska system (MEMS) kunde dra nytta av en sådan process. Här visar vi en process för beröringsfri, tredimensionell tryckning samt enstaka laserskott, stort område utskrift (via DMD chip) med hög viskositet Ag nanopaste.
I denna uppsats har vi visat en process för beröringsfri, tredimensionell tryckning samt enstaka laserskott, stort område utskrift (via DMD chip) med hög viskositet Ag nanopaste. Till skillnad från andra direktskrivteknik, såsom bläckstråleskrivare, LDT teknik som beskrivs här gör det möjligt för tryckning av komplexa voxel former med en laserpuls, dvs i ett enda steg. Medan många aspekter av förfarandet kan verka enkel, det finns flera steg som kräver iterativa tester för att optimera. Först, pasta torrhet och viskositet är de viktigaste faktorerna för en lyckad överföring. Även om dessa punkter har redan upprepade gånger betonat i texten, vi upprepa den punkt här för att understryka vikten. Om färgens viskositet är alltför låg, då blir det omöjligt att skriva ut skarpa, väldefinierade voxel former. En kontrollampa tecken på att färgens viskositet är alltför låg uppstår när man försöker mata ut en voxel. När laserpulsen avfyras, denvoxel visas att tillfälligt mata, men bläcket kommer att fylla tillbaka snabbt i hålet i donatorsubstrat. I detta fall bör användaren sluta skjuta lasern och bläcket bör behandlas vidare såsom beskrivs i stegen 3.1 och 3.2. Om färgens viskositet är för hög, kommer voxel överföringen visas framgångsrik på bandet. Men när man undersöker voxlar på mottagaren substratet, kommer det att finnas betydande bristningar, sprickbildning eller skräp. I detta fall, måste användaren att förfoga över aktuella bandet och göra en ny band som beskrivs i avsnitt 2. Optimering av bläck viskositet och torktiden bör ske genom att utvärdera kvaliteten på försök voxel överförings. Vi rekommenderar inte att försöka mäta viskositeten hos pastan vid någon punkt. För det andra, är laser fluensen nästan lika viktigt som bläck viskositet och mycket små förändringar i fluens kan ha en betydande inverkan på processen. Det bör vara mycket tydlig när energin är för låg – voxelnkommer inte ut från donatorsubstrat. Det rekommenderas att börja med fluensen intervall föreslås i steg 4,4, och sedan mycket stegvis öka värdet. Den lägsta energin som resulterar i en full överföring kallas "tröskel fluensen". Det är oftast bäst att arbeta vid eller nära tröskeln fluensen eftersom högre Fluence värden tenderar att spricka eller riva voxlar. Slutligen, beroende på variation av laser som används för processen, kan det finnas hot spots i laserprofilen. Detta kan kräva en justering av öppningen för att prova på en mer homogen region av strålen. Om formen på den utmatade voxel är skev eller dåligt matchar formen på strålens tvärsnitt, kunde laser hotspots eller färgskiktet tjocklek eller likformighet vara ansvarig.
Bortom felsökning, finns det några begränsningar för tekniken. Den slutliga ugnen härdningssteget gör det svårt eller omöjligt att uppnå voxlar med de önskade funktionella egenskaperna på icke-high-temperatur kompatibla substrat. Generellt gäller att ju Ag nanopaste används i detta manuskript kräver en härdningstemperatur av minst 150 ° C för att erhålla rimliga konduktivitetsvärden. Tillverkningen av färgskiktet på givar substratet måste optimeras ytterligare förbättra tjocklek enhetlighet, areal täckning och bearbetningstiden. Bläck tjocklek har en dramatisk effekt på tröskeln fluensen och överföringskvalitet, och inhomogena tjocklek kan göra överföringen svårt, särskilt vid överföring av voxlar mindre än 20 um x 20 um. Den aktuella designen för donatorsubstrat gör det svårt att skapa band större än 10s cm, vilket begränsar med stor yta genomströmning. Således har utvecklingen av alternativa givarsubstratutformningar, såsom rulle-till-rulle eller roterande skiva, skulle krävas för ökad automatisering och större område bearbetning.
Styrkan i LDT tekniken ligger i förmågan att överföra vätskor med högviskositeter som andra tekniker drop-on-demand inte kan hantera. Fördelarna med LDT kan delas upp i två situationer där det första erbjuder utskrift med hög viskositet pasta en förbättring av kvalitet eller hastighet över tryckviskositeten pasta låg och för det andra, i situationer där utskrift med pasta med hög viskositet möjliggör strukturer som inte är tillgängliga för utskrift låg viskositet . Exempel på fördelar i den första kategorin är: minimal voxel variabilitet väter effekter, hög grad av kontroll över voxel form och storlek, minimal krympning under härdningen, och låg laserenergi jämfört med andra LIFT processer (och därmed låg överföring hastighet). Exempel på den andra kategorin är: utskrift av hög bildförhållande strukturer, bryggstrukturer, utliggare och andra organisationer som kräver god voxel-form-retention. Genom att kombinera LDT processen med DMD chip, är parallell utskrift av komplexa former och mönster aktiverat, vilket kraftigt snabbar upp den övergripande processen. Vidare tHan använder en DMD att forma voxlar gör mönster uppdateras mellan laserpulser, möjliggör snabb utskrift av dynamiskt omkonfigurerbara voxlar. Generellt sett är uppdateringshastigheten för DMD (33 kHz) något långsammare än den max repetitionshastigheten hos lasern (100 kHz eller högre), men det hastighetsbegränsande faktorn för utskriftshastigheten är det skede översättning.
De primära vägar för avancemang med LDT systemet är den fortsatta utvecklingen av ytterligare material, förbättra band tillverkningsprocessen, och fortsätter att skala upp processen genom att integrera digital light processing (DLP) teknik som DMD chip. Även metalliska och isolerande material har överförts genom denna process, har några aktiva material utvecklats. Möjligheten att skriva ut piezoelektriska, magnetiska eller optoelektroniska material med LDT processen skulle kunna öppna upp enorma tekniska möjligheter. Som det ser ut, geometri donator substhastighetsgränser skalbarhet. Utvecklingen av rulle-till-rulle eller roterande skiva donatorsubstrat skulle effektivisera processerna avsevärt. Slutligen, är en kombination av LDT med DLP-teknik en potentiellt störande utveckling för området för digital tillverkning, vända en tidigare serie process till en mycket parallell process. En viktig utmaning mot detta mål är möjligheten att skriva ut voxlar med bra funktion upplösning på flera skalor. Det vill säga, voxlar med sidodimensioner i storleksordningen 10 sek eller 100 sek im innehåller funktioner i storleksordningen 1-5 pm. Sammantaget denna utveckling erbjuder stora möjligheter för stora ytor additiv tillverkning av elektroniska 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 |