eng
Выпуск #8/2014
А.Нисан, С.Бонапартов
Аэрозольная печать: технология и варианты применения
Аэрозольная печать: технология и варианты применения
Просмотры: 3629
Сегодня активно развивается технология аэрозольной печати – метод аддитивного производства элементов и межсоединений, при котором мельчайшие капельки материала наносятся аэродинамически-сфокусированной струей на трехмерное основание селективно, без использования масок. Принцип работы аэрозольной печати и для каких целей она применяется обсуждаются в статье.
Теги: aerosol printing interconnections sensors transistors аэрозольная печать датчики межсоединения транзисторы
ТЕХНОЛОГИЯ Рассмотрим технологию получения и нанесения аэрозоля. Наносимый материал (чернила) заправляется в генератор аэрозоля, причем в зависимости от чернил может использоваться пневматический или ультразвуковой генератор. Для заправки ультразвукового генератора достаточно небольшого объема чернил, поэтому он может применяться для нанесения дорогостоящих материалов, например, золота, но при его использовании следует учитывать ряд ограничений: диапазон вязкости чернил (0,7-30 мПа·с) и максимальный диаметр твердых частиц (не более 50 нм) [1]. Пневматический генератор (рис.1) позволяет наносить материалы с широким диапазоном вязкости (от 1 до 1000 мПа·с) и с диаметром твердых частиц на порядок выше (до 500 нм), но для его заправки требуется большее количество чернил. Для образования аэрозоля в пневматический генератор под давлением подается газ (азот или воздух). Повышение давления заставляет чернила подниматься по каналу (рис.2б) [2], а при контакте газа с чернилами образуется аэрозоль (рис.2в). На выходе из генератора диаметр капель чернил в аэрозоле составляет 1-5 мкм, капли большего размера под действием силы тяжести осаж-даются. Затем повышается концентрация капель чернил в аэрозоле: на коротком участке пути аэрозоля поддерживается пониженное давление, и по инерции капли чернил минуют этот участок, но часть газа откачивается (рис.2г). На выходе из сопла аэрозоль фокусируется "обволакивающим" (sheath) газом (рис.2д, 3) [2, 3]. Благодаря наличию газа между струей аэрозоля и соплом риск засорения минимальный. Струя аэрозоля остается сфокусированной на расстоянии вплоть до 5-15 мм от сопла[1], что позволяет наносить чернила на трехмерные основания. Технически это может быть реализовано путем перемещения печатающей головки по трем осям (x, y, z) и наклоном основания по двум осям. После нанесения чернил производится УФ, ИК или термическая сушка в зависимости от материалов чернил и основания. Методом аэрозольной печати можно наносить различные материалы (рис.4) [4]. Для некоторых материалов приходится активировать поверхность основания, например, плазменной обработкой. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ Технология аэрозольной печати используется в процессе изготовления трехмерных схем на пластике, солнечных батарей (для печати токопроводящих шин), датчиков, электромагнитных экранов, антенн, гибких дисплеев, транзисторов и схем на их основе. Рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих различные варианты применения аэрозольной печати. Датчики Возможность нанесения материалов на трехмерные основания позволяет использовать технологию аэрозольной печати для формирования датчиков непосредственно на изделиях. Примером служит датчик уровня жидкости (рис.5) [4]. На внешних стенках пластиковой емкости напечатаны проводники и электроды, установлены на токопроводящий клей поверхностно-монтируемые компоненты. Чем выше уровень жидкости, тем больше электрическая емкость, изме-ряемая между двумя электродами, так как диэлектрическая проницаемость жидкости выше, чем у воздуха. Другой пример - датчик газа (рис.6). Принцип его работы основан на том, что сопротивление протеина (темно-синие квадраты на рисунке между "гребенкой") сильно зависит от концентрации определяемого газа. Еще один пример - тензодатчик, выполненный методом аэрозольной печати Ag-чернилами на углепластиковом основании (рис.7). Транзисторы и простые схемы Интересное применение аэрозольной печати - изготовление транзисторов, резисторов, конденсаторов и простых схем на их основе. В полностью печатных транзисторах для формирования стока и истока может наноситься золото, затвора - PEDOT: PSS, полупроводника - политиофен или углеродные нанотрубки. Печатные транзисторы работают при небольшом напряжении (<2 В) и на сравнительно высоких для печатной электроники частотах: транзисторы на политиофене в диапазоне 1-10 кГц, транзисторы на углеродных нанотрубках - до 5 ГГц. В качестве примера можно привести схему (рис.8), состоящую из элементов И-НЕ (каждый включает в себя два транзистора и один резистор), и инверторов (в состав каждого входит транзистор и резистор). Из-за невозможности разводки схемы в одном слое было напечатано несколько перемычек из PEDOT: PSS поверх диэлектрика. Альтернатива проволочным соединениям Аэрозольная печать может служить альтернативой проволочным межсоединениям при многоярусном размещении кристаллов (рис.9, 10) [5]. В рассматриваемом примере после монтажа кристаллов на них был нанесен диэлектрик, в котором лазером вскрывались окна над контактными площадками для межсоединений. Затем методом аэрозольной печати были сформированы межсоединения шириной 25 мкм с шагом 50 мкм между восемью кристаллами, расположенными друг над другом. Печатные межсоединения, по сравнению с проволочными, обеспечивают ряд преимуществ: уменьшение шага и длины межсоединений, а также размеров многокристального модуля. Итак, аэрозольная печать - универсальный метод нанесения широкого спектра функциональных материалов электроники (проводящих, полупроводниковых, диэлектрических, резистивных и др.), позволяющий, в отличие от других методов печати, изготовить элементы и межсоединения непосредственно на трехмерных основаниях развитой формы, а не только на плоских основаниях. Рассмотренные примеры изделий, изготовленных с использованием аэрозольной печати, подтверждают потенциально широкую область применения технологии и показывают основные направления ее внедрения в инженерную практику.
Отзывы читателей
