La impresión digital de líneas finas es uno de los avances más importantes de la electrónica aditiva. La inyección de tinta en sí misma ha llegado muy lejos, con excelentes progresos incluso hacia la industrialización de la RdS. Sin embargo, la inyección de tinta tiene dos limitaciones como tecnología: (1) resolución limitada, (2) rango de viscosidad de la tinta limitado y (3) rendimiento limitado por cabezal de impresión. En este artículo se presentan varias tecnologías digitales e híbridas que pueden superar estas limitaciones.
XTPL- microdispensación con innovadoras pastas NP no newtonianas altamente cargadas
La primera es la tecnología de microdispensación desarrollada por XTPL con diámetros de boquilla del orden de 0,5-12um. Demuestra una combinación única de impresión "digital" de líneas ultrafinas (unas pocas micras) sobre superficies planas y no planas Y pastas de nanopartículas (Ag, Cu, Au) altamente conductoras (¿40% de Ag a granel?) y muy viscosas. Así pues, esta tecnología hace avanzar el arte no sólo al ampliar la resolución de la impresión digital más allá de lo que logra la inyección de tinta, sino también al permitir pastas conductoras mucho más cargadas.
La innovación en este caso no es sólo la máquina microdispensadora, sino también las exclusivas pastas de nanopartículas de alta carga no neotonianas. Las pastas de AgNP tienen una alta carga (>85% en peso en algunos casos), partículas pequeñas (45nm) y están en disolventes de etilenglicol. Las pastas requieren temperaturas de sinterización relativamente altas (250-300C) pero ofrecen una alta conductividad, por ejemplo, 4,2 uOhm.cm para la tinta con una carga del 80wt%.
En la primera diapositiva que aparece a continuación puede conocer la propia máquina microdispensadora. Actualmente tiene un tamaño de sustrato de unos 50 mm x 50mm. La velocidad máxima de impresión es de unos 10mm/s. Los controladores del motor XY y del motor Z tienen precisiones de 2um y 0,5um, respectivamente.
En la siguiente diapositiva, podemos ver los tipos de estructuras que se pueden imprimir. En el gráfico de referencia, se demuestra que pueden lograr anchos de línea de 2um con una conductividad de Ag a granel de >40%, lo que supera otros informes en la literatura. A la derecha, se pueden ver los tipos de estructuras que se imprimen, mostrando que la estructura impresa demuestra altas relaciones de aspecto.
Dada la naturaleza altamente cargada de las pastas, así como la estrechez de la boquilla, se teme que se produzcan constantes atascos. En la siguiente diapositiva, se muestra que las pastas no newtonianas pueden imprimirse a través de una boquilla de 2,5um durante largos periodos de tiempo, demostrando la estabilidad del proceso. En la última diapositiva, se muestran las estructuras que se pueden imprimir.
Impresión electrohidrodinámica: Rompiendo los límites de la inyección de tinta
La tecnología EHD es uno de los desarrollos más destacados en el campo de la electrónica aditiva. Ofrece varias ventajas clave con respecto a la inyección de tinta tradicional: (1) puede alcanzar resoluciones más bajas que las capacidades actuales de la inyección de tinta, (2) puede manejar una gama más amplia de viscosidades de tinta y (3) puede cubrir topografías no planas.
La EHD puede imprimir gotas con diámetros de <500nm. Puede alcanzar una resolución de 1-10um, algo que la inyección de tinta estándar no podría conseguir. Además, puede manejar pastas con viscosidades de unos 1000 Cp. Dado que el principio se basa en que las partículas son arrastradas por la fuerza electrostática, mientras que son empujadas por la fuerza técnica, como ocurre con la inyección de tinta, la trayectoria de las partículas puede controlarse, lo que permite imprimir en 3D o en topografías no planas. Todos estos son importantes avances tecnológicos.
En la segunda diapositiva se pueden ver ejemplos de impresión de líneas, gotas y otros patrones, demostrados por Enjet. En el caso de las líneas, se pueden ver L/S que van de 2/2um a 80/80um, lo que demuestra tanto la versatilidad como la capacidad de impresión de líneas ultrafinas de esta tecnología. En el recuadro, se muestra la impresión digital sobre una superficie no plana, demostrando una buena cobertura de pasos.
Un reto de esta tecnología es su lentitud. La mayoría de los sistemas son sistemas de I+D con un solo cabezal. Sin embargo, las empresas están desarrollando ahora la impresión multicabezal a escala industrial. El vídeo incrustado muestra una impresión en matriz de boquillas múltiples de líneas de Ag NP de 0,5-1um realizada por Scrona. Se trata de un resultado fantástico porque muestra un camino hacia la impresión a escala industrial de líneas ultrafinas, más allá de lo que consigue la inyección de tinta.
Las últimas diapositivas muestran algunas aplicaciones. De hecho, el espacio de aplicación es amplio y se está ampliando. El EHD puede utilizarse para imprimir digitalmente micropads para la colocación de microLEDs cada vez más pequeños (¿se adjunta a la matriz una tinta Ag libre de partículas?); puede utilizarse para imprimir puntos cuánticos (QDs) en matrices de microLEDs cada vez más pequeñas, permitiendo la conversación en color; puede utilizarse para reparar metalizaciones impresas y electrodos de borde envolvente para microLEDs o reparar TFTs después de la producción; puede utilizarse en el embalaje de semiconductores para imprimir digitalmente inteconnects o blindajes; etc etc.
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LIFT Processs: digitalización de la serigrafía y la impresión de plantillas
LIFT o transferencia directa inducida por láser es un proceso que permite la deposición digital sin contacto de pastas conductoras de alta viscosidad e incluso adhesivos y soldaduras. Esto se contrapone a la inyección de tinta que imprime digitalmente tintas de baja viscosidad.
El principio de funcionamiento se muestra en la primera diapositiva. Una película transparente se recubre uniformemente con una fina capa de pasta. Cuando los pulsos láser inciden en un punto de la película, si la pasta está correctamente formulada, se desprende y cae sobre el sustrato. Así, esta técnica abre el camino para imprimir sin máscara ni boquillas patrones de diversos materiales viscosos sobre cualquier sustrato.
La segunda diapositiva muestra los distintos materiales que podrían imprimirse. La tabla es de IO Tech, y sugiere que se puede imprimir con LIFT una amplia gama de materiales disponibles en el mercado. Por supuesto, no es tan sencillo como esto, ya que hay que optimizar muchos parámetros, por ejemplo, la fluencia del láser, la frecuencia de pulso, la distancia de la película al sustrato, la velocidad de impresión, el espesor de la película recubierta, las propiedades de adelgazamiento de la pasta, el sustrato de destino, etc, etc.
Incluyo algunos patrones impresos de la literatura. Se trata de líneas rectas impresas con pastas de metalización fotovoltaica, que muestran que se pueden conseguir anchos de línea estrechos, así como relaciones de aspecto muy elevadas. En un ejemplo, se consigue un ancho de línea de 65um. Obsérvese que esto es más amplio que el estado de la producción en serigrafía de las pastas FV (34um)
En las siguientes diapositivas se pueden ver varias demostraciones. En estos ejemplos, se imprime pasta de soldadura LIFT, se depositan adhesivos, o se fomentan las interconexiones de embalaje (en este ejemplo se afirma un ancho de línea de 20um, aunque aún no hemos visto la verificación). Por último, se puede ver que también las tintas con nanopartículas de Ag y Cu pueden formularse para que sean compatibles con el LIFT. En general, estos ejemplos demuestran que el LIFT puede llegar donde la inyección de tinta no puede.
En general, el LIFT es una tecnología interesante. La producción aún no está totalmente comercializada a pesar de que el principio del LIFT está bien establecido desde hace algunos años. Los últimos esfuerzos se dirigen a crear una máquina R2R a escala industrial capaz de imprimir múltiples materiales. Será un espacio interesante de observar, sobre todo si consigue imprimir anchos de línea finos utilizando pastas viscosas de forma digital (sin máscara ni boquilla) pero a altas velocidades.
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R2R: Metalización selectiva por chorro para la producción a nivel industrial
JetMetal Technologies ha desarrollado un novedoso proceso que permite pulverizar superficies con control de área. En esta técnica, se pulverizan dos componentes de base acuosa sobre una superficie y, mediante un proceso redox en condiciones de temperatura y presión atmosféricas, se forma una fina capa de metal puro (en este caso, principalmente Ag). El grosor puede oscilar entre 10nm y 5um, pero lo más habitual es que sea de unos cientos de nanómetros.
Este proceso es, por tanto, un puente entre el proceso de pintura de alto rendimiento y la deposición de chapado fino y controlado. Las líneas formadas se acercan a la Ag pura, por lo que ofrecen una alta conductividad. De hecho, JetMetal Technologies sugiere que pueden alcanzar el 85-90% de la conductividad de la Ag a granel en un sustrato de PET liso cuando el recubrimiento pulverizado tiene un grosor de 500nm.
Tanto la delgadez como la alta conductividad se diferencian claramente de las pastas y tintas tradicionales basadas en partículas, ya que dichas tintas tradicionales suelen tener una conductividad de Ag a granel del 20-30% cuando se aplican sobre sustratos de PET de baja temperatura. Además, a excepción de las tintas de chorro de tinta o sin partículas, los niveles de grosor impreso suelen estar en los rangos de unos pocos micrómetros. Al igual que las tintas y pastas impresas, la metalización por chorro también tendrá que demostrar su adhesión a diferentes sustratos.
Un reto para cualquier proceso de pulverización o de chorro es la capacidad de conseguir una metalización de área selectiva. JetMetal ha desarrollado un proceso híbrido en el que primero se imprime una tinta dieléctrica (serigrafía, inyección de tinta, huecograbado, etc.) para que actúe como máscara. A continuación, la metalización por chorro aplica el Ag, metalizando las partes expuestas y (esto es crucial) eliminando la tinta de enmascaramiento al mismo tiempo. Por lo tanto, no será necesario ningún proceso de despegue o similar. Imaginamos que el proceso debe controlarse cuidadosamente para conseguir el grosor de metalización adecuado y que la tinta de enmascaramiento se disuelva por completo en el momento oportuno para que no se pulverice tinta residual.
Como se muestra en las diapositivas siguientes, JetMetal dispone de una máquina de serigrafía S2S en sus instalaciones (400x400mm con una resolución de >50um), así como de una línea de metalización por chorro piloto R2R (400m de ancho, <3m/min de velocidad de banda).
En las diapositivas se muestran múltiples aplicaciones.
Antena de RF: se deposita una capa fina y muy lisa (Sa<20nm) que consigue una conductividad del 90% de Ag a granel con una resolución de >50um. Las propiedades se muestran en la diapositiva
Calentador basado en PI con una capa de Ag homogénea de 50nm
Una malla metálica con un ancho de línea de 150nm y una apertura de >90% que actúa como un calentador de película fina semitransparente
un circuito 3D termoformado con una elongación <1000%. Esto es interesante porque en su caso elongan primero la tinta de enmascaramiento y luego metalizan la forma 3D mediante el proceso de chorro. Así, el alargamiento de las tintas conductoras rellenas de partículas no será el factor limitante [This is automatically translated from English]