采用噴墨打印和強(qiáng)脈沖光子燒結(jié)的工藝合成金屬涂層

2021-02-18 12:50 睿度光電RUIDU
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西電研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將噴墨打印技術(shù)和強(qiáng)脈沖光子燒結(jié)工藝結(jié)合，優(yōu)化了燒結(jié)質(zhì)量，制備出了導(dǎo)電性能優(yōu)異的納米金屬涂層。研究中并沒(méi)有按常規(guī)的以二維圖形文件輸出進(jìn)行噴墨打印，而是使用了含 MicroFab inkjet 技術(shù)的噴墨打印系統(tǒng)，將STL格式文件輸出，進(jìn)行了高精度3D打印。




與傳統(tǒng)的電鍍、蝕刻等方法相比，噴墨打印金屬涂層的制造成本低、效率高。然而，噴墨打印金屬涂層需要進(jìn)行燒結(jié)處理，以獲得更好的金屬導(dǎo)電性和附著力。傳統(tǒng)的燒結(jié)方法需要較高的加工溫度，容易損壞涂層基底。在西安電子科技大學(xué)黃進(jìn)教授課題組關(guān)于“Metal Coating Synthesized by Inkjet Printing and Intense Pulsed-Light Sintering”（發(fā)表于《Materials》）的研究中，通過(guò)使用強(qiáng)脈沖光子燒結(jié)納米粒子金屬涂層的方法來(lái)提高整體導(dǎo)電性。利用輪廓儀和四探針測(cè)試儀對(duì)不同參數(shù)燒結(jié)的金屬涂層進(jìn)行了表征，結(jié)果表明，不同燒結(jié)程度的金屬涂層其表面形貌不同。在基底允許的溫度范圍內(nèi)，金屬涂層的結(jié)合力與燒結(jié)溫度成正比。最后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)燒結(jié)工藝進(jìn)行優(yōu)化，提高了金屬鍍層的導(dǎo)電性和附著力。利用優(yōu)化后的參數(shù)制作了微帶天線(xiàn)，并進(jìn)行了回波損耗測(cè)試和微波暗室測(cè)試，結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。

噴墨打印作為一種增材制造工藝，與傳統(tǒng)制造方法相比，通過(guò)將導(dǎo)電油墨沉積在柔性基板上，由計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)控制，具有環(huán)境友好、成本低、加工簡(jiǎn)單、適用于復(fù)雜圖案等優(yōu)點(diǎn)。噴墨打印技術(shù)已被探索為打印哺乳動(dòng)物細(xì)胞、有機(jī)發(fā)光二極管、太陽(yáng)能電池、電子器件的新方法。印刷電子技術(shù)在柔性電子器件和射頻器件上同樣有廣泛的應(yīng)用前景，如在低成本襯底上打印寬帶高增益天線(xiàn)和在氧化鋁上打印大功率微波器件。印刷電子產(chǎn)品中最常用的材料是納米級(jí)金屬油墨，包括金、銀和銅。納米金墨水雖然具有優(yōu)良的性能，但由于價(jià)格昂貴，其適用性受到限制。銅納米粒子在環(huán)境條件下*容易被氧化。于是，納米銀墨水因其性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉而備受關(guān)注。印刷圖案必須燒結(jié)良好才能獲得優(yōu)良的導(dǎo)電性能和表面質(zhì)量。納米效應(yīng)能夠明顯降低油墨中金屬的熔點(diǎn)，打印后的燒結(jié)溫度是燒結(jié)過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，溫度越高，電導(dǎo)率越好。在傳統(tǒng)的爐內(nèi)熱燒結(jié)過(guò)程中，基材和印刷涂層都被加熱。最常見(jiàn)的襯底是聚合物基的，玻璃化溫度低，熱穩(wěn)定性差，因此*容易變形。近年來(lái)有研究報(bào)道，強(qiáng)脈沖光子燒結(jié)具有速度快、效率高、室溫?zé)Y(jié)等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的方法。氙燈照射在金屬薄膜上發(fā)出的寬波長(zhǎng)強(qiáng)脈沖光與金屬納米粒子相互作用形成燒結(jié)頸。這些燒結(jié)的頸部生長(zhǎng)形成一個(gè)連續(xù)的導(dǎo)電區(qū)域。

本研究開(kāi)發(fā)了一種帶有強(qiáng)脈沖光子燒結(jié)模塊的集成噴墨打印裝置，該模塊由大功率氙燈、閃光燈控制器和壓電噴墨打印模塊組成，研究了強(qiáng)脈沖光子燒結(jié)過(guò)程，并與數(shù)值模擬相比較。通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，利用納米銀導(dǎo)電油墨在環(huán)氧樹(shù)脂基板上成功印刷并燒結(jié)了具有優(yōu)良導(dǎo)電性和表面質(zhì)量的貼片天線(xiàn)。在微波暗室中測(cè)試了天線(xiàn)的回波損耗和圖案。結(jié)果表明，采用噴墨打印和閃速燒結(jié)制備的貼片天線(xiàn)同仿真結(jié)果相當(dāng)。此外，利用表面規(guī)測(cè)量了不同燒結(jié)工藝參數(shù)下形成的導(dǎo)電圖案的表面粗糙度。結(jié)果表明，表面粗糙度與電導(dǎo)率之間存在一定的相關(guān)性，為判斷閃光強(qiáng)脈沖光燒結(jié)質(zhì)量提供了一種新的思路。

此次研究采用了噴墨打印系統(tǒng)進(jìn)行金屬涂層打印。整個(gè)設(shè)備包括一個(gè)軟件控制系統(tǒng)，硬件控制系統(tǒng)，XYZ運(yùn)動(dòng)軸，Microfab壓電式噴頭，恒溫加熱器和閃光燈。設(shè)備如下圖所示：


具體步驟：將金屬涂層軟件模型轉(zhuǎn)換為STL格式，導(dǎo)入控制軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)打印參數(shù)進(jìn)行切片，生成打印命令，發(fā)送給控制硬件系統(tǒng)。設(shè)置打印坐標(biāo)、打印間隔、加、減速等打印參數(shù)，啟動(dòng)XYZ運(yùn)動(dòng)軸執(zhí)行打印命令，并控制壓電噴嘴按指定間隔噴射納米銀墨。在印刷過(guò)程中，恒溫加熱器確保金屬涂層基材保持在55℃。打印完成后，打開(kāi)閃光燈，將導(dǎo)電納米銀墨水燒結(jié)獲得金屬涂層。打印過(guò)程如下圖所示：

Microfab壓電噴頭的直徑為60μm，使用梯形波的驅(qū)動(dòng)波形，**注射頻率為15 kHz。液滴直徑為45-55μm。**噴霧粘度為15 CP。閃光燈的功率為4kw，由脈沖電源供電，波長(zhǎng)范圍230-680 nm，燒結(jié)時(shí)間1-1.5 ms。燒結(jié)功率密度可在10-25 J/cm2范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。

▲ 上圖為不同預(yù)燒結(jié)溫度下試樣的電阻率和附著力等級(jí)示意圖

實(shí)驗(yàn)中預(yù)燒結(jié)溫度對(duì)導(dǎo)電涂層的附著力和電阻率有顯著影響。為了揭示這一機(jī)理，進(jìn)行了不同溫度下的預(yù)燒結(jié)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)60℃為**預(yù)燒結(jié)溫度，電阻率下降到13.1μ?/cm。

本研究利用強(qiáng)脈沖光子燒結(jié)噴墨打印納米銀墨水，獲得導(dǎo)電金屬涂層。通過(guò)調(diào)整燒結(jié)參數(shù)影響，將電阻率降低到13.1μ?/cm。建立了燒結(jié)參數(shù)與燒結(jié)度的關(guān)系，并對(duì)燒結(jié)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化，以提高電性能。該優(yōu)化工藝已應(yīng)用于陣列微帶天線(xiàn)的制作。通過(guò)對(duì)不同燒結(jié)功率下制備的天線(xiàn)回波損耗的比較，驗(yàn)證了燒結(jié)度、電阻率和天線(xiàn)輻射之間的關(guān)系。陣列天線(xiàn)的圖型結(jié)果與仿真結(jié)果的趨勢(shì)基本一致。研究結(jié)果可有效提高電子印刷方法燒結(jié)過(guò)程的效率，為低成本、高速制造柔性電路，射頻天線(xiàn)和小型傳感器提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：
[1] F.B. Meng, J. Huang, H.T. Zhang, et al. Metal Coating Synthesized by Inkjet Printing and Intense Pulsed-Light Sintering [J].materials, 12(8), 1289;
論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/ma12081289


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