噴墨技術(shù)優(yōu)化SCALE工藝后在柔性電子制造中的應(yīng)用

2023-06-30 10:06 睿度光電RUIDU
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美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)C. Daniel Frisbie教授團(tuán)隊(duì)通過使用MicroFab噴墨打印技術(shù)將銀納米粒子墨水沉積到毛細(xì)管通道末端的儲(chǔ)液點(diǎn)（直徑750μm，深度10.5μm）中，利用毛細(xì)作用自發(fā)的流動(dòng)填充到毛細(xì)管通道中，為化學(xué)鍍銅反應(yīng)提供均勻的銀籽晶層。噴墨技術(shù)優(yōu)化后SCALE（用于電子產(chǎn)品的自對(duì)準(zhǔn)毛細(xì)管輔助光刻）工藝可以制造嵌入柔性塑料基底中的高分辨率、高縱橫比、低電阻金屬導(dǎo)線。




介紹

目前，許多傳統(tǒng)的印刷技術(shù)如凹版印刷、絲網(wǎng)印刷、噴墨打印和氣溶膠噴射打印等，已被廣泛用于制造印刷互連和電子設(shè)備等，但是通常面臨三個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：（i）實(shí)現(xiàn)高分辨率，（ii）精確控制打印特征的位置，以及（iii）創(chuàng)建高縱橫比特征。但是打印**小的特征的能力對(duì)于創(chuàng)建高密度電路是必要的，更高的分辨率允許將更多的特征封裝到更小的器件區(qū)域中。SCALE將高卷對(duì)卷微壓印的分辨率與噴墨打印的精確沉積相結(jié)合，以形成高性能印刷電子產(chǎn)品所需的高分辨率、精確對(duì)準(zhǔn)的特征。SCALE導(dǎo)線的制造工藝示意圖，如圖1所示。

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▲ 圖1 SCALE導(dǎo)線的制造工藝示意圖。
銀納米粒子墨水打印采用MicroFab噴墨打印技術(shù)，使用直徑80μm的AT噴頭將定量的銀納米粒子墨水沉積到毛細(xì)管通道末端的儲(chǔ)液點(diǎn)中，由毛細(xì)作用力自發(fā)地填充到毛細(xì)管通道中。圖2a三條導(dǎo)電線，每條長(zhǎng)6cm，連接儲(chǔ)液點(diǎn)之間的間距不同。毛細(xì)管通道深19μm，寬30μm（縱橫比≈0.63）。選擇這種深度和寬度是為了使儲(chǔ)層之間的有效導(dǎo)體長(zhǎng)度**化。較長(zhǎng)的導(dǎo)體（約13厘米）如圖2b所示。導(dǎo)體的高分辨率SEM圖像如圖2c所示，展示了均勻的金屬沉積。鍍銅1小時(shí)后的電阻測(cè)量數(shù)據(jù)如圖2e所示。
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▲ 圖2 使用SCALE工藝制造金屬導(dǎo)體的結(jié)果。
銀納米粒子墨水在毛細(xì)管流動(dòng)與沉積如圖3所示。在離儲(chǔ)層最近的地方具有均勻沉積的區(qū)域，其次是兩種缺陷區(qū)域薄銀和粗銀，最后是不完全填充的銀沉積物。銀籽晶層的形貌對(duì)隨后的化學(xué)鍍銅有*強(qiáng)的影響，如圖3c?f所示。只有均勻的鍍銀區(qū)域才能得到高質(zhì)量的鍍銅，且較淺的毛細(xì)管通道需要較低的%RH才能獲得**有用導(dǎo)體長(zhǎng)度。
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▲ 圖3 銀納米粒子墨水沉積行為及相應(yīng)的鍍銅性能。
為了制造均勻耐用的導(dǎo)線，圖4研究了壓印基板特性和鍍層化學(xué)性質(zhì)對(duì)SCALE銅導(dǎo)體均勻性的重要性。使用深度為10.5μm、寬度為20μm的NOA-73毛細(xì)管通道（圖4a），在優(yōu)化的印刷條件下沉積均勻的銀籽晶層（圖4b，c）。結(jié)果顯示不含PEG添加劑的化學(xué)鍍銅會(huì)導(dǎo)致毛細(xì)管通道側(cè)壁的顯著變形（圖4d - f），毛細(xì)管通道壁的變形導(dǎo)致導(dǎo)體橫截面大致呈梯形，或者在某些極端情況下，導(dǎo)致導(dǎo)體從襯底完全分層。含有PEG鍍銅溶液的鍍銅性能如圖4g?l所示。電鍍1小時(shí)后（圖4g、j的SEM橫截面圖）和3小時(shí)后（圖4h、k的SEM橫截面圖和圖4i、l的EDS圖）均未觀察到毛細(xì)管通道側(cè)壁變形和毛細(xì)管通道底部分層現(xiàn)象。
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▲ 圖4 SCALE工藝毛細(xì)管通道中的銀和銅沉積行為。

印刷電子產(chǎn)品的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是制造柔性電子設(shè)備。在解決化學(xué)鍍銅的易碎性之前（不含PEG時(shí)，鍍了10分鐘的基底，只在幾次彎曲后就會(huì)斷裂），必須確認(rèn)銀納米粒子墨水基材層是柔性的。在毛細(xì)管通道中打印長(zhǎng)銀導(dǎo)體（1cm），然后以1.3 cm曲率半徑（0.65%拉伸應(yīng)變）在小瓶周圍彎曲，如圖5a,b所示。在彎曲和非彎曲狀態(tài)下進(jìn)行電阻測(cè)量，如圖5c所示。彎曲和未彎曲狀態(tài)之間存在輕微但明顯的偏差，表明銀中形成了少量微裂紋。在配方中加入聚乙二醇，化學(xué)鍍銅1小時(shí)，制備出長(zhǎng)1cm的毛細(xì)管通道底物，在曲率半徑為1.3cm時(shí)，彎曲1000次后，電阻僅略有增加，如圖5d所示。結(jié)果顯示，研究改良優(yōu)化的SCALE工藝對(duì)于制造金屬互連**有用。
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▲ 圖5 鍍銅金屬導(dǎo)體的柔性測(cè)試。


結(jié)論

本次研究探索了相對(duì)濕度、流動(dòng)時(shí)間和毛細(xì)管通道幾何形狀對(duì)銀納米粒子墨水流動(dòng)距離的影響，找到了**有效導(dǎo)體長(zhǎng)度的理想噴墨打印條件；改進(jìn)化學(xué)鍍銅工藝后減輕鍍銅過程中毛細(xì)血管壁的變形和銅的分層現(xiàn)象。最終結(jié)果展示優(yōu)化的SCALE工藝是一種制造嵌入柔性塑料基底中的高分辨率、高縱橫比（>1）、低電阻（線性電阻~1Ω/cm）金屬互連導(dǎo)體的方法。


參考文獻(xiàn)：

[1] Jochem K S , Kolliopoulos P , Bidoky F Z ,et al.Self-Aligned Capillarity-Assisted Printing of High Aspect Ratio Flexible Metal Conductors: Optimizing Ink Flow, Plating, and Mechanical Adhesion[J].Industrial & Engineering Chemistry Research, 2020, 59(51).

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