西安電子科技大學(xué)黃進(jìn)教授課題組提出了一種基于非接觸高度和溫度傳感器反饋的導(dǎo)電圖案成型燒結(jié)方式，并借助MicroFab的Inkjet集成噴墨打印系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。該方式可有效防止納米銀的不完全或過(guò)度燒結(jié)，并得到三次燒結(jié)工藝后形成的電阻率為13.44μΩ/cm的納米銀導(dǎo)電層，高效、環(huán)保地制備出了性能良好的微帶天線，其回波損耗和回波模式均與傳統(tǒng)制造方法制備出的一致。
強(qiáng)脈沖光子燒結(jié)是一種加工速度快，制備效率高并且適合于導(dǎo)電圖案成型的燒結(jié)工藝；但是，這種工藝方法存在著燒結(jié)處容易破壞和成型穩(wěn)定性差的問(wèn)題。為了克服這些缺點(diǎn)，西安電子科技大學(xué)黃進(jìn)教授課題組在“Closed-loop optimized nanometal sintering method”（發(fā)表于《Journal of Manufacturing Process》）的研究中，提出了一種基于非接觸高度和溫度傳感器反饋的導(dǎo)電圖案成型燒結(jié)方式。該方法利用雙攝像頭視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)提取樣品的表面特征，利用溫度傳感器來(lái)測(cè)量樣品的表面溫度分布，采用權(quán)重法將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)導(dǎo)電圖案的燒結(jié)狀態(tài)，并對(duì)下次燒結(jié)操作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。該系統(tǒng)可用于印刷和燒結(jié)微帶天線。文中通過(guò)該套系統(tǒng)制備的天線，經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，其回波損耗和回波模式，與傳統(tǒng)制造方法制備出的一致。結(jié)合傳感器反饋系統(tǒng)的強(qiáng)脈沖光燒結(jié)法不僅提高了成品率，縮短了生產(chǎn)周期，而且還是一種污染少環(huán)保性強(qiáng)的制作工藝。噴墨打印技術(shù)（Inkjet printing）是一種材料利用率*高的增材制造工藝，在電子印刷領(lǐng)域具有極廣的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的刻蝕和其他圖形化生產(chǎn)工藝不同，噴墨打印不需要刻蝕掉多余的材料，具有*高的成本效益。此外，噴墨打印不會(huì)產(chǎn)生大量的鉛/銅化合物或蝕刻中常見(jiàn)的副產(chǎn)品甲醇/乙二醇醚，因此避免了空氣、水和土壤污染。本次研究通過(guò)使用MicroFab公司研發(fā)的Inkjet集成噴墨打印系統(tǒng)將噴墨打印和強(qiáng)脈沖光子燒結(jié)技術(shù)結(jié)合在一起，制備出性能良好的微帶天線。實(shí)驗(yàn)方案：制備納米銀導(dǎo)電圖案之前，要確定燒結(jié)功率，燒結(jié)程度以及燒結(jié)的穩(wěn)定性。本文中將溫度測(cè)量系統(tǒng)、視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)、燒結(jié)系統(tǒng)和噴墨打印系統(tǒng)集成在一起來(lái)制備導(dǎo)電圖案。▲ 圖1：（a）燒結(jié)工藝的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖片；（b）燒結(jié)工藝的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖；（c）溫度測(cè)量系統(tǒng)的示意圖；（d）視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)示意圖。
▲ 圖2：（a）納米銀的電阻率與燒結(jié)次數(shù)的關(guān)系圖以及選擇出地對(duì)應(yīng)的FESEM圖；（b）,（c）,（d）分別為**次，第二次，第三次燒結(jié)時(shí)的熱場(chǎng)分布圖。
▲ 圖3：（a）溫度測(cè)量系統(tǒng)示意圖；（b）,（c）,（d）分別為**次，第二次，第三次燒結(jié)時(shí)溫度曲線圖。使用簡(jiǎn)單去除平均法來(lái)消除信號(hào)噪聲的影響，對(duì)導(dǎo)電圖案和襯底之間的溫度分布進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者的溫差隨燒結(jié)次數(shù)的增加而增加，從**次燒結(jié)后的2.32℃到第三次燒結(jié)的14.17℃。因此得出燒結(jié)的增加能夠促進(jìn)銀納米粒子致密層的形成，有效提高了導(dǎo)電圖案的導(dǎo)熱性。
▲ 圖4：（a）,（b）,（c）分別表示**次，第二次，第三次燒結(jié)后納米銀導(dǎo)電圖案的AFM圖。在預(yù)燒結(jié)之前，銀納米粒子隨機(jī)沉積在基體上，導(dǎo)致預(yù)燒結(jié)表面粗糙。用AFM對(duì)不同燒結(jié)程度的導(dǎo)電圖案的表面形貌進(jìn)行了測(cè)量，粗糙度值Ra可以從對(duì)角線（白虛線）上計(jì)算出來(lái)。經(jīng)過(guò)一次燒結(jié)后，如圖4（a）所示，樣品的表面形貌較為粗糙，Ra為12.030 nm。但經(jīng)過(guò)第二次燒結(jié)后，Ra下降到7.425 nm。光子燒結(jié)時(shí)釋放的能量使銀納米粒子熔化并相互連接，形成連接相；因此，經(jīng)過(guò)三次燒結(jié)后，導(dǎo)電圖案的表面趨于光滑，如圖4（c）所示，Ra值低至3.857 nm。由此證明，表面形貌的差異可以用來(lái)決定導(dǎo)電圖案的燒結(jié)程度的好壞。
▲ 圖5：視覺(jué)系統(tǒng)測(cè)量示意圖。
▲ 圖6：（a）溫度系統(tǒng)與視覺(jué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合處理；（b）溫度系統(tǒng)和視覺(jué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)權(quán)重信息；（c）恒功率密度及優(yōu)化燒結(jié)功率的方法；（d）某一固定功率和優(yōu)化后的燒結(jié)功率的電阻率變化的比較；（e）樣品的測(cè)量過(guò)程；（f）某一固定功率和優(yōu)化的燒結(jié)功率方法在不同溫度下的電阻率變化的比較。
導(dǎo)電圖案在燒結(jié)過(guò)程的早期會(huì)保留一些溶劑，可能會(huì)影響視覺(jué)系統(tǒng)的運(yùn)行，但在燒結(jié)后期導(dǎo)電圖案的形態(tài)變化是敏感的。燒結(jié)初期的溫度系統(tǒng)靈敏度是高于燒結(jié)后期的溫度系統(tǒng)靈敏度?；诖爽F(xiàn)象，本文提出了一種變權(quán)的雙系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合方法。根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)調(diào)整燒結(jié)參數(shù)。視覺(jué)系統(tǒng)不需要掃描整個(gè)樣本，它只需要掃描均勻分布在樣品表面的4-8條線來(lái)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差和評(píng)估導(dǎo)電圖案。總而言之，本文針對(duì)光子燒結(jié)穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，創(chuàng)新性地介紹了一種基于視覺(jué)和溫度系統(tǒng)反饋可自動(dòng)調(diào)整的燒結(jié)參數(shù)，并采用變權(quán)的算法將這兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，來(lái)確定導(dǎo)電圖案的燒結(jié)工藝。最終實(shí)驗(yàn)證明，該方法可有效地防止納米銀的不完全或過(guò)度燒結(jié)，并得到三次燒結(jié)工藝后形成的電阻率為13.44μΩ/cm的納米銀導(dǎo)電層。[1] Fanbo Meng, Jin Huang, Pengbing Zhao, et al. Closed-loop optimized nanometal sintering method[J]. Joural of Manufacturing Process, 59 (2020) 403-410.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1526612520306708
