CC BY
39
УДК 541.24:532.5:537.84
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РАСПЫЛЕНИЯ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ СТРУЙНОЙ ПЕЧАТИ
© 2018 П. А. Белов
доцент кафедры физики и нанотехнологий, канд. физ.-мат. наук e-mail: beliy2010@rambler.ru
Курский государственный университет
В статье представлены разработанная схема прототипа устройства электрогидродинамического распыления и некоторые результаты экспериментальных исследований.
Ключевые слова: электрогидродинамическое распыление, струйная печать, конус
Тейлора
В настоящее время наиболее широко известны методы для нанесения электропроводящих покрытий в микроэлектронике - фотолитография, электроннолучевая литография и различные методы вакуумного напыления, однако существуют определенные сомнения в адаптации этих методов к новым приложениям в областях типа пластиковой и молекулярной электроники, а также оптоэлектроники. В этих случаях сложность методов, большие вложения и эксплуатационные расходы, трудность создания больших областей покрытия и ограниченный диапазон материалов, которые могут быть прямо использованы, представляют значительные неудобства. Кроме того, для данных методов требуются определенные химические реактивы: травильные средства, проявители, растворители и т.д., которые являются несовместимыми со многими органическими материалами, использующимися в данной области. В результате растет интерес к новым методам нанесения электропроводящих покрытий и составу самих покрытий, в которых нет этих ограничений. Эта инновационная область электроники является перспективной, поскольку предполагает использование новых методов, для которых характерна организация производства с низкой себестоимостью, возможность покрытия больших областей с использованием различных материалов. Одним из таких методов является струйная печать (рис. 1) [Разумнева 2015].
Технология струйной печати в настоящее время призвана решать самые разнообразные задачи [Нагорный 2004: 117; Безруков 2001: 125, 153-160]. Использование функциональных возможностей струйной печати чрезвычайно широко и, соответственно, предполагает применение материалов разной структуры, свойств и возможностей воспроизведения изображения, в том числе для нанесения электропроводящих и других функциональных покрытий, служащих для формирования компонентов электроники, сенсоров, элементов защиты цифровой печати. Важным прикладным применением возможностей струйной печати является использование данного метода для нанесения электропроводных металлических покрытий.
Наноразмерные металлические частицы, рассеянные в полимерной матрице, традиционно использовались как паста или чернила для печати электрически активных образцов на различные подложки. Потенциал струйной печати в этой области очень велик, но проблема до настоящего времени состояла в том, чтобы создать возможности
печати при малом удельном сопротивлении и при очень низкой вязкости, требуемых для струйной печати материалов. Поэтому непосредственная печать металлических изображений из водного раствора имеет приоритетное значение для струйной печати электронных компонентов; а создание жидких чернил, позволяющих на заключительном этапе цифровой печати образца электронного компонента нанести на подложку металл, решило бы многие проблемы, возникающие в этой области.
Рис. 1. Принципиальная схема по нанесению проводящих дорожек с помощью электрически стабилизированных струй жидкости, содержащей порошок серебра [Баева и соавт. 2014: 9-10]
Главное основание для применения струйной печати для прямого нанесения металла и металлизации - выбор состава подходящих чернил. Чернила должны содержать, кроме подходящего источника металлических частиц, еще и транспортер, позволяющий эти частицы перенести на подложку, в роли которого могут выступать растворители, различные связующие вещества, диспергирующие и адгезирующие агенты, в зависимости от характера исходного материала и характера применения. Требований к составу чернил для металлизации много, так как во многом от них зависит механизм впрыскивания на поверхность печатной головкой, прилипание и удержание чернил на поверхности в нужной точке, разрешающая способность, механизм формирования металла и, конечно, электрические характеристики полученного образца металлического покрытия.
Наиболее же интересна альтернатива внесения металла непосредственно на подложку, используя подающее устройство - экструдер (рис. 2) для текучей (жидкой) среды как в струйном принтере, методом последовательной печати двух текучих сред, которые реагируют с образованием интересующего материала. Этот метод может быть реализован с использованием раздельных печатных головок или одной, содержащей два канала. Таким образом, используется многократная пошаговая печать для внесения различных реагентных растворов, которые взаимодействуют с образованием твердого продукта. Главное преимущество этой техники в том, что реактивы могут быть готовы в растворимой форме и составлены в пригодные для печатания чернила, которые способны легко пройти через любой механизм печати. Твердый продукт формируется либо в процессе печати при переходе на подложку, либо непосредственно на напечатанной поверхности.
Внутреннее сопло
Место подключения
электрода \
Ш
I
Внешнее сопло
Каналы для подачи жидкости и газа
Электрогидродинамическое устройство распыления
+
Внутренняя
часть устройства
Внешняя
часть устройства
Рис. 2. Прототип устройства электрогидродинамического распыления: ЭГД-экструдер [Белов 2017: 75]
Кроме того, эта технология позволяет изготовителям, внедрить различные материалы, удобные для многофункциональных печатных головок, способных участвовать в широком диапазоне возможных реакций, например, для формирования покрытия, состоящего из последовательных отличных друг от друга слоев [Жакин и соавт. 2013: 62-63; Белов 2017: 75].
При нанесении металлических покрытий технологией струйной печати происходит непосредственное формирование металлических проводящих образцов, которые можно применять для создания печатных плат, антенн, электродов и т.д. Хотя изготовленные струйным методом образцы не достигают таких же высоких проводимостей как объемные металлы, их уровень проводимости может быть достаточен для определенных электронных приложений. Кроме того, струйное впрыскивание может обеспечить селективный метод дозирования различных количеств каждого реагента в различные позиции.
Экструдеры играют главную роль при использовании струйного процесса в производстве печатных плат, антенн и т.д. Качество изображения и его разрешающая способность зависят от размера точек, их расположения и количества на дюйм. Лишь недавно размер точки составлял 80 пл, но выпускаемые сейчас экструдеры уже обеспечивают объем 1-2 пл, что является необходимым условием для тонких структур шириной 100 мкм и меньше.
2 пл
О
20 пл
80 пл
-га-
16 мкм 34 мкм 53 мкм
Рис. 3. Взаимосвязь между диаметром и объемом точки
В настоящее время наиболее распространены пьезоэлектрические и ультразвуковые экструдеры. Нами же предлагается экструдер, основанный на явлении электрогидродинамического распыления. Поскольку количество и размер капель зависят от прикладываемого электрического напряжения, то эти параметры можно будет регулировать. Этот метод носит название «точка по запросу» (Drop on Demand, DOD) и точно отражает сущность процесса.
U, кВ
15 -
10 J
5 -
0
10
9
5
10
15
20
V, см/с
Рис. 4. Карта режимов истечения заряженных струй [Жакин и соавт. 2016: 103] Режим капельного истечения (1-4): 1 - капельное истечение, 2 - переход к волнообразному струйному истечению, 3 - начало дестабилизации, 4 - дестабилизация с укрупнением капель. Переходной режим истечения (5-7): 5 - стабилизация волнового течения, 6 - дестабилизация, 7 - изгибная неустойчивость. Струйное истечение (8-10): 8 - релеевская неустойчивость, 9 - стабилизация, 10 - дестабилизация полем
Результаты наших экспериментальных исследований [Жакин и соавт. 2013: 6263; Белов 2017: 75; Жакин и соавт. 2016: 103] истечения водных струй представлены в виде карты режимов (рис. 4), на которой показаны область скоростей истечения в капилляре и значения прикладываемого напряжения. На основании представленных экспериментальных результатов [Там же] следует, что изменение величины подаваемого высокого электрического напряжения позволяет регулировать размер капель, получаемых в результате распада струи, что при производстве печатных плат и антенн играет важную роль. Если на разные сопла одного экструдера подавать различные напряжения (рис. 5), то на выходе можно получить одновременно капли различных диаметров, что для данного процесса играет определяющую роль. Например, в процессе печати часто возникает необходимость обрабатывать изделие -сглаживать неровности. Когда же в потоке капель, вылетающих из форсунки, будут только капли с необходимыми размерами, тогда и необходимость дополнительной обработки детали отпадает.
6|)1 виЬ-Оюр
42|>1(1гор 24|>1(1гор 12|)1(||ор
Рис. 5. Способ формирования капель разного размера
Таким образом, дальнейший потенциал струйной печати в области нанесения проводящих покрытий будет возрастать с началом использования более подходящих устройств печати с более высоким разрешением и продолжением дальнейшей работы по подбору устройств печати, реагентов и подложек.
Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям договор № 11696ГУ/2017 от 03.07.2017 г.
Библиографический список
Разумнева Н. Постановка прикладных исследований технологий печатной электроники: выбор струйного принтера // Печатный монтаж. 2015. №6. С. 166-175.
Баева Л.С., Маринин А.А. Современные технологии аддитивного изготовления объектов // Вестник МГТУ. 2014. Т. 17. № 1. С. 7-12.
Нагорный В.С. Управляемая капля // Соровский образовательный журнал. 2004. Т. 8. №1. С. 115-121.
Безруков В.И. Основы электрокаплеструйных технологий. СПб: Судостроение, 2001. 240 с.
Жакин А.И., Кузько А.Е., Белов П.А. Экспериментальное исследование истечения заряженных струй из капилляра // Письма ЖТФ. 2013. Т. 39. Вып. 6. С. 60-66.
Белов П. А. Применение электрогидродинамического диспергирования в разработке новых технологий по созданию материалов микросистемной техники: ВКР по программе магистратуры 28.04.01 Нанотехнологии и микросистемная техника, нанотехнологии. Курск, 2017. 90 с.
Жакин А.И., Кузько А.Е., Белов П.А. Перспективы применения электрогидродинамического диспергирования в устройствах 3 Б печати // Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов: сб. тр. XIII Междунар. конф. Курск. 2016. С. 102-106.
