面向微型電子元器件制造的非接觸式功能墨水3D打印技術概述

張海寧　葛建軍　李子凡

摘 要：噴墨3D打印和氣溶膠3D打印作為兩種代表性、基于納米功能墨水的非接觸式3D打印技術，已然被廣泛采用于多種電子和電子設備應用生產，應用前景廣泛。本文將從技術過程、技術現狀、技術比較與實踐限制方面進行分別概述。

關鍵詞：微電子元器件制造；非接觸式3D打印；氣溶膠打印

一、非接觸功能墨水3D打印技術過程

噴墨3D打印和氣溶膠3D打印是兩種代表性的基于納米功能墨水的非接觸式3D打印技術，當前已被廣泛采用于生產各種各樣的電子和電子設備應用中。根據液滴形成和噴射原理，噴墨3D打印可以分為連續噴墨打印系統和按需求滴墨打印系統。對于連續噴墨打印系統，連續的墨水流經受控的熱或壓電擾動均勻分解成液滴以成型。由于生成的液滴將穿過電場，一些墨滴將被帶電并捕獲以供再利用，而其余未帶電的液滴將降落在基底上形成打印圖案。與連續噴墨打印系統不同，按需求滴墨打印系統的單個液滴是通過腔體體積迅速變化生成的。由于施加的動量，生成的液滴被噴射到基底完成印刷。與連續噴墨系統相比，按需求滴墨系統能夠減少廢料產生并具有更高的分辨率，因此廣泛用于印刷電子設備。與噴墨3D打印相比，氣溶膠3D打印是近期方在各個研究領域和印刷電子行業中商業化的技術之一。在這項技術中，經過配制的納米顆粒墨水通過氣動或超聲霧化器霧化成墨水氣溶膠。生成的墨水氣溶膠被載體氣流帶到噴嘴，然后在噴嘴尖端被包覆成圓柱形的護套氣流。最后，將高速運輸的氣溶膠液滴打印到高速運動的基底上，在基底上產生具有高密度的精細導電線。由于印刷電子產品的基本功能材料通常以納米顆粒為主，如碳納米管、金屬納米顆粒和導電聚合物，因此需要特殊溶劑制備不同功能墨水以用于非接觸直接墨水書寫技術。

二、與傳統接觸式直接印刷技術的比較

與傳統非接觸直接印刷技術相比，噴墨3D打印技術由于具備在柔性基底上以高加工速度進行打印的能力，已作為代表性微型電子元器件制造技術用于電子產打印品。盡管其加工速度相對較低，由于氣溶膠 3D打印技術具備在非平面表面上以更高分辨率進行打印的能力，[1]且對墨水粘度的限制較少，[2]是目前更受歡迎的非接觸直接噴墨打印技術，用于生產傳感器和電子圖案。此外雖然傳統接觸直接印刷技術可以消除溶劑不兼容性、咖啡圈效應和其他限制非接觸功能墨水3D打印技術打印質量的問題，但由于其相對較低的效率和對剛性基底的要求，它們在大規模電子設備制造中很少被使用。因此在印刷電子行業中，噴墨3D打印和氣溶膠3D打印技術更受青睞。

三、非接觸式功能墨水3D打印技術現狀

為了實現印刷質量的優化并確保對印刷線特征的高可控性，有必要系統地分析非接觸式功能墨水3D打印的制造過程，并準確地識別影響因素與印刷線特征之間的因果關系。非接觸式功能墨水3D打印技術的制造過程包括三個階段：（1）預打印，（2）打印過程和（3）打印后處理。預打印和打印過程階段可以直接影響打印線條的形態，而打印后處理階段會因咖啡圈效應而影響橫截面剖面的均勻性。由于打印線條的形態直接影響橫截面剖面，實時優化和控制打印線條的形態被認為是制造過程中的主要挑戰。此外，由于打印線條特征是打印過程參數和預打印因素相互作用的結果，因此重要的是準確地確定關鍵可調節的工藝參數與打印線條特征之間的關系，這將有助于提高打印線條質量和非接觸式打印過程的可控性。

四、非接觸式功能墨水3D打印技術的當前限制

近年來非接觸功能墨水3D打印技術在微電子的細線圖案和多層堆疊方面取得了顯著的進展，[3]但功能墨水的可打印性仍然對微電子設備進一步微型化構成挑戰。功能墨水的可打印性主要受流體特性的影響，影響功能墨水的關鍵特性包括墨水粘度、表面張力和功能墨水密度。例如，出于打印過程中使用的墨水特性的限制，導電線可能會出現高度飛濺或衛星飛滴，這不利于微電子設備的微型化。[4]盡管非接觸功能墨水3D打印技術具有處理高粘度墨水（1-2500cP）的能力，由于不同工藝參數之間的復雜相互作用，導電線可能會出現高度超噴或不連續。因此，分析物理特性和主要工藝參數、確定墨水特性和操作條件的可打印范圍，對于確保非接觸噴墨打印技術的可打印性非常重要。

即使已然為非接觸直接噴墨印刷技術確定了最佳的可打印范圍，所生產的線條特征仍可能存在某些缺陷：邊緣粗糙度高和線條厚度不足將嚴重影響生產的電子設備的性能。這是由于采用了不當的工藝參數，導電線印刷時可能具有較高的邊緣粗糙度，這對印刷線電阻的均勻性有害。另一方面，由于咖啡環效應，線條厚度不足，線條中心將產生空洞和凹陷，這將顯著降低印刷組件的導電性。由此可見，增加印刷線條的厚度并減少線條邊緣粗糙度對于提高電子設備性能至關重要。

盡管非接觸噴墨印刷技術已經在印刷電子行業和各種研究領域取得了成功應用，但其在大規模工業制造和制造領域的廣泛采用受到了可重復性和工藝一致性方面的問題的阻礙。非接觸噴墨印刷系統的可重復性和工藝一致性差，這可以歸因于工藝漂移，這意味著非接觸噴墨印刷過程的沉積速率將在相對短的印刷時間內發生顯著變化。因此，盡管實驗中采用相同的沉積設置，印刷線形態和相應的電特性同樣會隨時間大幅變化。總得來說分析工藝漂移對印刷線特征的影響，并提出相應經濟的校準方法以補償打印過程中引起的變化和不一致性是具有相當的重要性。

參考文獻：

[1] Mahajan A， Frisbie C D， Francis L F. Optimization of aerosol jet printing for high-resolution， high-aspect ratio silver lines[J]. ACS applied materials & interfaces， 2013， 5（11）： 4856-4864.

[2] Binder S， Glatthaar M， R？dlein E. Analytical investigation of aerosol jet printing[J]. Aerosol Science and Technology， 2014， 48（9）： 924-929.

[3] 張鑫明， 郭拉鳳， 張遠明， 等. 氣溶膠噴墨打印工藝參數對圖案精度的影響[J]. 微納電子技術， 2018， 55（9）： 688-693.

[4] 舒霞云， 吳常健， 常雪峰， 等. 氣溶膠噴射打印系統成形寬度影響因素分析[J]. 廈門理工學院學報， 2020， 28（3）： 1-8.

作者簡介：張海寧，男，博士研究生，研究方向為3D打印與人工智能。

項目基金：安徽省教育廳安徽高校自然科學研究項目（KJ2021A1111）。