銀微結(jié)構(gòu)的電流體噴射按需打印研究*

杜召亮，王大志,※，路良坤，劉 暢，張 結(jié)，梁世文，楊 勇，王立鼎

（1.大連理工大學機械工程學院，遼寧大連 116024；2.大連理工大學寧波研究院，浙江寧波 315016；3.寧波永新光學股份有限公司，浙江寧波 315048）

0 引言

近年來，隨著電子產(chǎn)品對高集成密度、高分辨率、低成本等需求的日益增長，對于銀微結(jié)構(gòu)的制造需求越來越高，隨之所帶來的是對銀微結(jié)構(gòu)制造方案的高效能、低成本的需求。傳統(tǒng)銀微結(jié)構(gòu)制造通常采用絲網(wǎng)印刷[1]、光刻[2]等技術(shù)，但由于絲網(wǎng)印刷的分辨率低，且對印刷漿料有特殊要求，此外還需要制造高精度掩膜版來實現(xiàn)微圖案印刷，使得絲網(wǎng)印刷微結(jié)構(gòu)制造周期長，成本效益低；而光刻工藝對其制作工藝環(huán)境苛刻、工藝過程復雜，且需要價格高昂的光刻機，以上這些傳統(tǒng)銀電路微結(jié)構(gòu)制造方案中的不利因素限制了它們在銀微結(jié)構(gòu)電路制造方面的進一步發(fā)展，這使得諸多研究人員不得不尋求工藝更簡單、成本更低的銀電路微結(jié)構(gòu)的制造方案。在此背景下，電流體噴射按需打印技術(shù)得到了長足的發(fā)展，電流體噴射按需打印理論主要基于對電流體動力學的研究，該技術(shù)結(jié)合了電流體動力學和噴墨打印的優(yōu)勢可以實現(xiàn)高分辨率大面積的微結(jié)構(gòu)制備，其作為一種經(jīng)濟有效、分辨率高的打印技術(shù)引起了廣大研究者的關(guān)注[3]。電流體噴射按需打印工藝核心在于利用電場力將噴頭處液滴以“拉”的方式形成微納米精細射流，使其以更高分辨率、更小橫向變化的狀態(tài)噴射至襯底表面，由于其分辨率高、材料適用性廣、襯底適用性強等優(yōu)勢廣泛應用于光學、電子、生物醫(yī)學等領(lǐng)域[4-6]。Pikul等[7]通過施加直流脈沖電壓，滿足了電流體噴射打印點狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求，實現(xiàn)了在高靈敏度懸臂梁傳感器上進行功能性聚合物的打印制備。Min等[8]運用電流體噴印工藝，打印了大幅面半導體納米線形結(jié)構(gòu)，制備了低接觸電阻的高遷移率場效應管與晶體管。Prasetyo 等[9]運用電流體噴印工藝，在矽晶圓上按需制備了高均勻性銀陣列，分析了襯底的表面能、溫度和套印次數(shù)對成形結(jié)構(gòu)的影響。Lee等[10]介紹了噴頭形狀、打印條件和墨水性能等因素對成形結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響，根據(jù)無量綱電壓與電荷弛豫長度的關(guān)系，表征了錐射流模式的射流形態(tài)，指出表面電荷的法向力與切向力之比越小，錐射流的穩(wěn)定性越高。傳統(tǒng)的微結(jié)構(gòu)打印襯底多采用微電子方面的硅基襯底，這種襯底制作工藝復雜、成本高、效率低，并且近年來隨著微電子等領(lǐng)域的發(fā)展越來越追求柔性、可穿戴性，使得在柔性基底如PET、PDMS 和PI 上進行微結(jié)構(gòu)制造的需求越來越高[11-13]。為了能夠在柔性襯底PET 上制造出高分辨率、高效能、低成本的導電銀線路，本文對銀微結(jié)構(gòu)制造開展了關(guān)于電流體噴射打印技術(shù)的相關(guān)實驗研究。

1 實驗裝置

電流體噴射按需打印設(shè)備平臺主要由4 大功能模塊構(gòu)成，分別是位移模組模塊、流量供給模塊、電場供給模塊以及顯微觀測模塊，其示意圖如圖1所示。其中位移模組模塊由三軸位移平臺組成，擁有直線、圓弧插補等功能，其中噴頭固定在Z軸上實現(xiàn)Z方向的運動，從而滿足噴頭工作高度的調(diào)整，用于放置打印襯底的位移基座固定放置在Y軸上，通過X-Y軸的移動實現(xiàn)打印襯底在水平面內(nèi)的運動，該位移模組配合上位機控制軟件能夠?qū)崿F(xiàn)任意復雜平面圖形軌跡的運行；流量供給模塊的作用是將打印墨水以一定的流速從儲液管內(nèi)穩(wěn)定地推進至噴針末端，保證電流體噴印的持續(xù)供液；電場供給模塊由信號發(fā)生器和高壓放大器構(gòu)成，是電流體噴射按需打印的核心模塊，其作用是在噴針與金屬基座之間建立電場，給予噴針末端的待打印墨水足夠的電場驅(qū)動力，使其克服液體自身的表面張力和黏滯力穩(wěn)定噴印至襯底；顯微觀測模塊包括實時觀測功能和定位功能，實時觀測功能指利用工業(yè)相機實時觀測打印針頭末端處的液體狀態(tài)，使得液體狀態(tài)不穩(wěn)定時能夠及時調(diào)整打印工藝參數(shù)，從而打印出所需要的高質(zhì)量、高分辨率的微納結(jié)構(gòu)。定位功能的實現(xiàn)需要將定位相機與運動控制模塊結(jié)合起來，該模塊利用定位相機捕捉真實物體的圖像，經(jīng)過編程軟件處理后，可以獲得所需位置信息并控制運動平臺運動定位到相應位置，該裝置實現(xiàn)了打印位置捕捉以及噴頭位置的自動定位，簡化了位置對準步驟，提高了定位的準確率和效率。

圖1 電流體噴射按需打印平臺示意圖

2 實驗內(nèi)容

本文基于電流體噴射按需打印工藝，實驗采用內(nèi)徑為100 μm金屬噴針作為打印噴頭關(guān)鍵零部件，0.5 mm厚PET 作為打印襯底，打印材料采用黏度為2 000 cps 納米銀墨水，該納米銀墨水常用于電子電路制造、太陽能感光線路制造等，具備優(yōu)良的導電性能。

2.1 電流體噴射打印錐射流形成機理

在電流體噴射按需打印過程中，射流的形成是一個復雜的過程，且其關(guān)系到打印結(jié)構(gòu)的分辨率和一致性。在施加電場之前，首先要將墨水從注射器中推送至噴針末端以提供一定的流量，保證打印的穩(wěn)定性和持續(xù)性。噴針末端的墨水由于處于氣液兩相界面，將受到表面張力而在噴針末端形成半球狀，其內(nèi)部存在相等數(shù)量的正離子和負離子，此時不顯電性。在施加電場后噴針末端半球狀墨水內(nèi)的正離子或負離子在電場作用下將向液體表面累積，存在液體表面的正或負離子在電場作用下將受到沿液錐表面的切向電場力，噴針末端半球狀的墨水將在一定電場力作用下形成標準的錐形結(jié)構(gòu)，即泰勒錐[14]。在此狀態(tài)下若不改變施加的電場力大小，此液錐將維持穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定射流的形成將在標準穩(wěn)定的泰勒錐基礎(chǔ)上必須使得液錐受到更大的切向電場力作用，才能使得液錐表面的液體逐漸向下集聚形成穩(wěn)定射流并噴射到襯底表面，錐射流形成過程如圖2所示。

圖2 電流體噴射按需打印錐射流形成過程

2.2 電壓幅值對打印的影響

電流體噴射打印工藝的核心技術(shù)在于對電場的控制，因此所施加的電壓在工藝中起著至關(guān)重要的作用。電壓幅值的不同不僅影響了打印射流穩(wěn)定性，而且直接影響到打印結(jié)構(gòu)的分辨率。為研究電壓幅值對打印結(jié)構(gòu)分辨率的影響規(guī)律，分別設(shè)置電壓幅值為1 300 V、1 420 V、1 540 V、1 660 V、1 780 V、1 900 V 來開展試驗。由實驗結(jié)果可以看出電壓幅值對打印線形結(jié)構(gòu)的分辨率至關(guān)重要，如圖3所示，在一定范圍內(nèi)，隨著電壓幅值的增大，線形結(jié)構(gòu)的線寬逐漸減小，其原因在于電壓幅值的增大導致電場強度增大，使得針頭末端液錐受到的切向電場力增大，噴射至襯底上的射流直徑減小，從而導致打印的線形結(jié)構(gòu)線寬減小。

圖3 電壓幅值對銀微結(jié)構(gòu)成形尺寸的影響

2.3 打印速度對打印的影響

打印速度指打印噴頭與打印襯底之間的相對運動速度，打印噴頭固定在Z軸上不做水平面內(nèi)的運動，通過X、Y軸的運動帶動打印襯底的移動，從而在打印噴頭與打印襯底之間形成相對運動，因此打印速度可由X、Y軸的運動速度來設(shè)置。打印速度在保證穩(wěn)定打印的范圍內(nèi)，其極大影響了打印線形結(jié)構(gòu)的分辨率，超出穩(wěn)定打印范圍的打印速度，其也影響了打印結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。為了研究打印速度對打印微結(jié)構(gòu)分辨率的影響規(guī)律，分別設(shè)置打印速度為0.5 mm∕s、1 mm∕s、2 mm∕s、5 mm∕s、8 mm∕s、10 mm∕s、15 mm∕s 來開展試驗。由實驗結(jié)果可以看出打印速度對打印穩(wěn)定性及打印線形結(jié)構(gòu)的分辨率至關(guān)重要，如圖4所示，在低速打印時打印過程較為穩(wěn)定，打印的線形結(jié)構(gòu)線寬較大，隨著打印速度的逐漸提高，線形結(jié)構(gòu)的線寬逐漸減小，當打印速度超過一定值時，打印穩(wěn)定性將會降低，線形結(jié)構(gòu)一致性較差、質(zhì)量不高。這是由于供給壓力保持一定，當速度較小時，單位時間內(nèi)線形結(jié)構(gòu)長度較小，而噴針末端的墨水體積保持一定，導致結(jié)構(gòu)線寬較大。當速度逐漸變大時，單位時間內(nèi)線形結(jié)構(gòu)長度增大，導致結(jié)構(gòu)線寬較大。當打印速度過高時，由于襯底運動速度過大，在高速運行狀態(tài)下噴針末端液滴任何微小的鞭動都將被放大，且打印過程極易受其他因素干擾，這些將使得打印穩(wěn)定性降低。

圖4 打印速度對銀微結(jié)構(gòu)成形尺寸的影響

2.4 銀微結(jié)構(gòu)的按需打印

基于優(yōu)化后的電流體噴射按需打印工藝參數(shù)，采用多功能集成的LabVIEW 控制軟件，通過運動、電壓的協(xié)同控制，能夠按需精確控制打印位置和打印參數(shù)，再通過上位機對三維運動平臺的運動控制進行微結(jié)構(gòu)路徑規(guī)劃，實現(xiàn)了在PET 襯底上進行如圖5所示的復雜微結(jié)構(gòu)的打印制造，其中PET 襯底厚度為0.5 mm，打印微結(jié)構(gòu)線寬約為100 μm。

圖5 電流體噴射按需打印銀微圖案

3 結(jié)束語

本文基于自主研發(fā)的電流體噴射按需打印平臺，探明了電流體噴射打印過程中錐射流的形成機理，并采用單一因素控制變量法分別研究了電壓幅值和打印速度對噴印線形結(jié)構(gòu)線寬的影響規(guī)律，最后利用優(yōu)化后的打印參數(shù)在柔性PET基材上進行銀微結(jié)構(gòu)圖案化的按需打印。實驗結(jié)果表明：電流體噴射按需打印中電場對打印過程穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用，合適的電場有利于穩(wěn)定的錐射流的形成，保證微結(jié)構(gòu)的電流體噴射按需打印的穩(wěn)定性和連續(xù)性；在保證打印穩(wěn)定性和連續(xù)性的范圍內(nèi)，線形結(jié)構(gòu)的線寬分別與電壓幅值大小和打印速度成反比。以上對銀微結(jié)構(gòu)制造方案的工藝研究為高性能柔性電路、太陽能銀柵極等的制造提供了一種高效能、低成本的有效方法。