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闭环优化纳米金属烧结的方法

发布时间:2020-12-31
发布人:RUIDU

强脉冲光子烧结是一种加工速度快,制备效率高并且适合于导电图案成型的烧结工艺;但是,这种工艺方法存在着烧结处容易破坏和成型稳定性差的问题。为了克服这些缺点,西安电子科技大学孟凡博博士提出一种基于非接触高度和温度传感器反馈的导电图案成型烧结方式。该方法利用双摄像头视觉系统来提取样品的表面特征,利用温度传感器来测量样品的表面温度分布,采用权重法将两组数据进行融合,进行综合评价导电图案的烧结状态,并对下次烧结操作参数进行调整。该系统可用于印刷和烧结微带天线。本文中通过该套系统制备的天线,经实验检测,其回波损耗和回波模式,与传统制造方法制备出的一致。结合传感器反馈系统的强脉冲光烧结法不仅提高了成品率,缩短了生产周期,而且还是一种污染少环保性强的制作工艺。

喷墨打印技术(Inkjet printing)是一种材料利用率很高的增材制造工艺,在电子印刷领域具有极广的应用前景。与传统的刻蚀和其他图形化生产工艺不同,喷墨打印不需要刻蚀掉多余的材料,具有很高的成本效益。此外,喷墨打印不会产生大量的铅/铜化合物或蚀刻中常见的副产品甲醇/乙二醇醚,因此避免了空气、水和土壤污染。本文通过使用Microfab 公司的研发的Jetlab系统将喷墨打印和强脉冲光子烧结技术结合在一起,制备出性能良好的微带天线。

实验方案:制备纳米银导电图案之前,要确定烧结功率,烧结程度以及烧结的稳定性。本文中将温度测量系统、视觉检测系统、烧结系统和喷墨打印系统集成在一起来制备导电图案。

▲ 图1 (a)烧结工艺的监测系统图片;(b)烧结工艺的监测系统示意图;(c)温度测量系统的示意图;(d)视觉测量系统示意图。

▲ 图2 (a)纳米银的电阻率与烧结次数的关系图以及选择出地对应的FESEM图;(b),(c),(d)分别为第一次,第二次,第三次烧结时的热场分布图。

▲ 图3 (a)温度测量系统示意图;(b),(c),(d)分别为第一次,第二次,第三次烧结时温度曲线图。使用简单去除平均法来消除信号噪声的影响,对导电图案和衬底之间的温度分布进行对比,发现两者的温差随烧结次数的增加而增加,从第一次烧结后的2.32℃到第三次烧结的14.17℃。 因此得出烧结的增加能够促进银纳米粒子致密层的形成,有效提高了导电图案的导热性。

▲ 图4 (a),(b), (c)分别表示第一次,第二次,第三次烧结后纳米银导电图案的AFM图。在预烧结之前,银纳米粒子随机沉积在基体上,导致预烧结表面粗糙。用AFM对不同烧结程度的导电图案的表面形貌进行了测量,粗糙度值Ra可以从对角线(白虚线)上计算出来。经过一次烧结后,如图4(a)所示,样品的表面形貌较为粗糙,Ra为12.030 nm。但经过第二次烧结后,Ra下降到7.425 nm。光子烧结时释放的能量使银纳米粒子熔化并相互连接,形成连接相;因此,经过三次烧结后,导电图案的表面趋于光滑,如图4(c)所示,Ra值低至3.857 nm。由此证明,表面形貌的差异可以用来决定导电图案的烧结程度的好坏。  

 

▲ 图5 视觉系统测量示意图。

▲ 图6 (a)温度系统与视觉系统数据融合处理;(b)温度系统和视觉系统数据权重信息。(c)恒功率密度及优化烧结功率的方法。(d)某一固定功率和优化后的烧结功率的电阻率变化的比较。(e)样品的测量过程。(f)某一固定功率和优化的烧结功率方法在不同温度下的电阻率变化的比较。 

导电图案在烧结过程的早期会保留一些溶剂,可能会影响视觉系统的运行,但在烧结后期导电图案的形态变化是敏感的。烧结初期的温度系统灵敏度是高于烧结后期的温度系统灵敏度。基于此现象,本文提出了一种变权的双系统数据融合方法。根据反馈的数据调整烧结参数。视觉系统不需要扫描整个样本,它只需要扫描均匀分布在样品表面的4-8条线来计算标准偏差和评估导电图案。 

总而言之,本文针对光子烧结稳定性差的缺点,创新性地介绍了一种基于视觉和温度系统反馈可自动调整的烧结参数,并采用变权的算法将这两种数据进行融合,来确定导电图案的烧结工艺。最终实验证明,该方法可有效地防止纳米银的不完全或过度烧结,并得到三次烧结工艺后形成的电阻率为13.44μΩ/cm的纳米银导电层。


参考文献:

Fanbo Meng, Jin Huang, Pengbing Zhao, et al. Closed-loop optimized nanometal sintering method[J]. Joural of Manufacturing Process, 59 (2020) 403-410.

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