采用噴墨打印和強脈沖光子燒結(jié)的工藝合成金屬涂層

2021-02-18 12:50 睿度光電RUIDU
二維碼


西電研究團隊通過將噴墨打印技術(shù)和強脈沖光子燒結(jié)工藝結(jié)合，優(yōu)化了燒結(jié)質(zhì)量，制備出了導電性能優(yōu)異的納米金屬涂層。研究中并沒有按常規(guī)的以二維圖形文件輸出進行噴墨打印，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行燒結(jié)處理，以獲得更好的金屬導電性和附著力。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黃進教授課題組關(guān)于“Metal Coating Synthesized by Inkjet Printing and Intense Pulsed-Light Sintering”（發(fā)表于《Materials》）的研究中，通過使用強脈沖光子燒結(jié)納米粒子金屬涂層的方法來提高整體導電性。利用輪廓儀和四探針測試儀對不同參數(shù)燒結(jié)的金屬涂層進行了表征，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)實驗結(jié)果對燒結(jié)工藝進行優(yōu)化，提高了金屬鍍層的導電性和附著力。利用優(yōu)化后的參數(shù)制作了微帶天線，并進行了回波損耗測試和微波暗室測試，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，通過將導電油墨沉積在柔性基板上，由計算機圖形數(shù)據(jù)控制，具有環(huán)境友好、成本低、加工簡單、適用于復(fù)雜圖案等優(yōu)點。噴墨打印技術(shù)已被探索為打印哺乳動物細胞、有機發(fā)光二極管、太陽能電池、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，打印后的燒結(jié)溫度是燒結(jié)過程中的一個重要參數(shù)。一般來說，在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，溫度越高，電導率越好。在傳統(tǒng)的爐內(nèi)熱燒結(jié)過程中，基材和印刷涂層都被加熱。最常見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。近年來有研究報道，強脈沖光子燒結(jié)具有速度快、效率高、室溫燒結(jié)等優(yōu)點，是一種理想的方法。氙燈照射在金屬薄膜上發(fā)出的寬波長強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)的頸部生長形成一個連續(xù)的導電區(qū)域。

本研究開發(fā)了一種帶有強脈沖光子燒結(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，研究了強脈沖光子燒結(jié)過程，并與數(shù)值模擬相比較。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，利用納米銀導電油墨在環(huán)氧樹脂基板上成功印刷并燒結(jié)了具有優(yōu)良導電性和表面質(zhì)量的貼片天線。在微波暗室中測試了天線的回波損耗和圖案。結(jié)果表明，采用噴墨打印和閃速燒結(jié)制備的貼片天線同仿真結(jié)果相當。此外，利用表面規(guī)測量了不同燒結(jié)工藝參數(shù)下形成的導電圖案的表面粗糙度。結(jié)果表明，表面粗糙度與電導率之間存在一定的相關(guān)性，為判斷閃光強脈沖光燒結(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)進行金屬涂層打印。整個設(shè)備包括一個軟件控制系統(tǒng)，硬件控制系統(tǒng)，XYZ運動軸，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，導入控制軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)對模型數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)打印參數(shù)進行切片，生成打印命令，發(fā)送給控制硬件系統(tǒng)。設(shè)置打印坐標、打印間隔、加、減速等打印參數(shù)，啟動XYZ運動軸執(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，打開閃光燈，將導電納米銀墨水燒結(jié)獲得金屬涂層。打印過程如下圖所示：

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，波長范圍230-680 nm，燒結(jié)時間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示意圖

實驗中預(yù)燒結(jié)溫度對導電涂層的附著力和電阻率有顯著影響。為了揭示這一機理，進行了不同溫度下的預(yù)燒結(jié)對比實驗，發(fā)現(xiàn)60℃為**預(yù)燒結(jié)溫度，電阻率下降到13.1μ?/cm。

本研究利用強脈沖光子燒結(jié)噴墨打印納米銀墨水，獲得導電金屬涂層。通過調(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，并對燒結(jié)參數(shù)進行了調(diào)整和優(yōu)化，以提高電性能。該優(yōu)化工藝已應(yīng)用于陣列微帶天線的制作。通過對不同燒結(jié)功率下制備的天線回波損耗的比較，驗證了燒結(jié)度、電阻率和天線輻射之間的關(guān)系。陣列天線的圖型結(jié)果與仿真結(jié)果的趨勢基本一致。研究結(jié)果可有效提高電子印刷方法燒結(jié)過程的效率，為低成本、高速制造柔性電路，射頻天線和小型傳感器提供依據(jù)。

參考文獻：
[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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