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采用喷墨打印和强脉冲光子烧结的工艺合成金属涂层

发布时间:2020-12-31
发布人:RUIDU

与传统的电镀、蚀刻等方法相比,喷墨打印金属涂层的制造成本低,效率高。然而,喷墨打印金属涂层需要烧结处理,以获得更好的金属导电性和附着力。传统的烧结方法需要较高的加工温度,容易损坏涂层基底。在本研究中,通过用强脉冲光子烧结纳米粒子金属涂层来提高整体导电性。利用轮廓仪和四探针测试仪对不同参数烧结的金属涂层进行了表征,结果表明,不同烧结程度的金属涂层其表面形貌不同。在基底允许的温度范围内,金属涂层的结合力与烧结温度成正比。最后,根据实验结果对烧结工艺进行优化,提高了金属镀层的导电性和附着力。利用优化后的参数制作了微带天线,并进行了回波损耗测试和微波暗室测试,结果与仿真结果吻合较好。

喷墨打印作为一种增材制造工艺,与传统制造方法相比,通过将导电油墨沉积在柔性基板上,由计算机图形数据控制,具有环境友好、成本低、加工简单、适用于复杂图案等优点。喷墨打印技术已被探索为打印哺乳动物细胞、有机发光二极管、太阳能电池、电子器件的新方法。印刷电子技术在柔性电子器件和射频器件上同样有广泛的应用前景,如在低成本衬底上打印宽带高增益天线和在氧化铝上打印大功率微波器件。印刷电子产品中最常用的材料是纳米级金属油墨,包括金、银和铜。纳米金墨水虽然具有优良的性能,但由于价格昂贵,其适用性受到限制。铜纳米粒子在环境条件下很容易被氧化。于是,纳米银墨水因其性能稳定、价格低廉而备受关注。印刷图案必须烧结良好才能获得优良的导电性能和表面质量。纳米效应能够明显降低油墨中金属的熔点,打印后的烧结温度是烧结过程中的一个重要参数。一般来说,在适当的范围内,温度越高,电导率越好。在传统的炉内热烧结过程中,基材和印刷涂层都被加热。最常见的衬底是聚合物基的,玻璃化温度低,热稳定性差,因此很容易变形。近年来有研究报道,强脉冲光子烧结具有速度快、效率高、室温烧结等优点,是一种理想的方法。氙灯照射在金属薄膜上发出的宽波长强脉冲光与金属纳米粒子相互作用形成烧结颈。这些烧结的颈部生长形成一个连续的导电区域。

本研究开发了一种带有强脉冲光子烧结模块的集成喷墨打印装置,该模块由大功率氙灯、闪光灯控制器和压电喷墨打印模块组成,研究了强脉冲光子烧结过程,并与数值模拟相比较。通过优化工艺参数,利用纳米银导电油墨在环氧树脂基板上成功印刷并烧结了具有优良导电性和表面质量的贴片天线。在微波暗室中测试了天线的回波损耗和图案。结果表明,采用喷墨打印和闪速烧结制备的贴片天线同仿真结果相当。此外,利用表面规测量了不同烧结工艺参数下形成的导电图案的表面粗糙度。结果表明,表面粗糙度与电导率之间存在一定的相关性,为判断闪光强脉冲光烧结质量提供了一种新的思路。

本文采用Microfab公司研发的Jetlab喷墨打印系统来进行打印金属图层。其整个设备包括一个软件控制系统,硬件控制系统,XYZ运动轴,压电式喷嘴,恒温加热器和闪光灯。其设备示意图如下图所示:

具体步骤是将金属涂层软件模型转换为STL格式,导入控制软件系统。软件系统对模型数据进行分析,根据打印参数进行切片,生成打印命令,发送给控制硬件系统。设置打印坐标、打印间隔、加、减速等打印参数,启动XYZ运动轴执行打印命令,并控制压电喷嘴按指定间隔喷射纳米银墨。在印刷过程中,恒温加热器确保金属涂层基材保持在55℃。打印完成后,打开闪光灯,将导电纳米银墨水烧结获得金属涂层。其打印过程如下图所示:

 

压电式喷嘴的直径为60µm,使用梯形波的驱动波形,最大注射频率为15 kHz。液滴直径为45-55µm。最大喷雾粘度为15 CP。该闪光灯的功率为4kw,由脉冲电源供电,波长范围230-680 nm,烧结时间1-1.5 ms。烧结功率密度可在10-25 J/cm2范围内任意调节。

 

▲ 上图为不同预烧结温度下试样的电阻率和附着力等级示意图 

实验中预烧结温度对导电涂层的附着力和电阻率有显著影响。为了揭示这一机理,进行了不同温度下的预烧结对比实验,发现60℃为最佳预烧结温度,电阻率下降到13.1µΩ/cm。

本研究利用强脉冲光子烧结喷墨打印纳米银墨水,获得导电金属涂层。通过调整烧结参数影响,将电阻率降低到13.1µΩ/cm。建立了烧结参数与烧结度的关系,并对烧结参数进行了调整和优化,以提高电性能。该优化工艺已应用于阵列微带天线的制作。通过对不同烧结功率下制备的天线回波损耗的比较,验证了烧结度、电阻率和天线辐射之间的关系。阵列天线的图型结果与仿真结果的趋势基本一致。研究结果可有效提高电子印刷方法烧结过程的效率,为低成本、高速制造柔性电路、射频天线和小型传感器提供依据。


参考文献:

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;

DOI:10.3390/ma12081289

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