Para la electrónica impresa con impresión digital aditiva
Metalización avanzada con tintas de complejos metálicos de Ag, Au y Pt de alta conductividad
El problema:
A medida que el mundo de la electrónica sigue cambiando de forma -literalmente- y los productos se vuelven vestibles, flexibles, plegables y capaces de procesar datos al mismo tiempo, la demanda de los diminutos circuitos que hacen todo esto posible ha llegado a un punto de inflexión que crea la necesidad de nuevas soluciones. Además, el impulso de la innovación y la seguridad de la cadena de suministro en los envases de semiconductores y los dispositivos biomédicos es de vital importancia hoy en día. Uno de los componentes más fundamentales y una palanca emergente para la innovación en la fabricación aditiva son las tintas conductoras. En la actualidad, las tintas metálicas, como la plata (Ag), el cobre (Cu), el níquel (Ni), el platino (Pt) y el oro (Au), se utilizan ampliamente para circuitos, sensores de gas, térmicos y biológicos debido a su alta conductividad eléctrica, actividad catalítica y alta resistencia a la corrosión. Sin embargo, las tintas metálicas tradicionales se basan en nanopartículas (NPs) metálicas: estas tintas contienen suspensiones de NPs coloidales capturadas por ligandos para evitar su aglomeración. El rendimiento de estas tintas se ve degradado por su alta resistividad eléctrica y su corta vida útil. Además, la fabricación de tintas basadas en NPs de Ag, Pt y Au es cara y no es respetuosa con el medio ambiente.
Solución:
Tintas conductoras de Cu, Ni, Ag, Au y Pt sin partículas de Electroninks, Inc (Austin TX). Electroninks ha desarrollado tintas sin partículas de base metalorgánica que presentan varias ventajas de rendimiento y fiabilidad con respecto a las tintas basadas en nanopartículas. Las tintas sin partículas compuestas por precursores metalo-orgánicos suelen tener un mejor rendimiento porque reducen las películas metálicas de forma más limpia, a menudo a menor temperatura. Como las películas finales no tienen tensioactivos orgánicos, etc., tienden a sobrevivir a las pruebas de tensión/adhesión y a la fiabilidad según las normas MSL y aeroespaciales.
II. ANTECEDENTES
Nunca ha habido tanta presión para incluir más componentes electrónicos -de todas las formas, tamaños y niveles de potencia- en una gama más amplia de productos industriales y de consumo que en la actualidad. Desde las pantallas plegables de los nuevos teléfonos 5G hasta los sensores médicos de la ropa deportiva, pasando por las etiquetas RFID de cada contenedor que entra en todos los puertos del mundo, los circuitos diminutos y potentes lo hacen posible.
Aunque la Ley de Moore es uno de los principales factores que impulsan esta tendencia, los avances en la fabricación aditiva son igualmente importantes. Estos avances están creando una gran cantidad de posibilidades para la microelectrónica de bajo coste y altamente funcional. Uno de los componentes más fundamentales y una palanca emergente para la innovación en la fabricación aditiva son las tintas conductoras.
Este informe técnico detalla las nuevas formulaciones de las tintas metálicas conductoras avanzadas de alto rendimiento que Electroninks está desarrollando para ampliar su línea patentada de tintas conductoras sin partículas.
En la actualidad, las tintas de plata se utilizan eficazmente para fabricar electrodos. Sin embargo, debido a la electromigración a temperaturas y condiciones de humedad relativamente altas, las tintas de plata no pueden utilizarse para todas las aplicaciones. Otras tintas de metales nobles, como las basadas en platino (Pt) y oro (Au), se utilizan ampliamente para circuitos de protección y sensores de gas, térmicos y biológicos, debido a su actividad catalítica y su alta resistencia a la corrosión.
Pero los enfoques más convencionales de la metalización – técnica de recubrimiento de metal en la superficie de los objetos- tienen limitaciones. Estos enfoques tradicionales que se han utilizado durante años no funcionan tan bien a determinadas temperaturas, pueden ser muy tóxicos, tienen una baja viscosidad y presentan otros problemas de utillaje que los hacen poco prácticos para la fabricación de grandes volúmenes.
Por ejemplo, las tintas tradicionales de oro y platino se basan en nanopartículas metálicas (NPs): estas tintas contienen suspensiones de NPs coloidales capturadas por ligandos para evitar su aglomeración. El rendimiento de estas tintas se ve degradado por su alta resistividad eléctrica y su corta vida útil. Además, la fabricación de tintas de Pt y Au basadas en NPs es cara y no es respetuosa con el medio ambiente.
Beneficios para el cliente:
● Se puede lograr una impresión de varias horas con características finas con tintas sin partículas.
● Un mayor rendimiento utilizando menos metales preciosos permite obtener productos más sostenibles y rentables
Introduzca las nuevas tintas sin partículas de oro (Au) de Electroninks: Ahora, hay otra forma: los precursores metalo-orgánicos. Este útil material está ganando atención para preparar formulaciones de tinta conductora sin partículas. Pero, ¿qué son? Los precursores metalo-orgánicos son un compuesto químico con un átomo de metal y uno o más ligandos orgánicos que están conectados al átomo de metal a través de varios grupos funcionales.
Los compuestos metalo-orgánicos pueden diseñarse para que se descompongan en distintos rangos de temperatura cambiando la fuerza del complejo formado por el metal y el compuesto orgánico. Aún así, se han utilizado tintas de oro para imprimir características conductoras. La mayoría de ellas utilizan formulaciones convencionales basadas en nanopartículas. Electroninks ha desarrollado precursores de base metalorgánica sin partículas que presentan varias ventajas con respecto a las tintas basadas en nanopartículas. Las tintas sin partículas compuestas por precursores metalo-orgánicos se descomponen más limpiamente y a menudo a menor temperatura. Con las tintas sin partículas se puede conseguir una impresión de varias horas con características finas.
Las tintas metalorgánicas también tienen una mayor vida útil que las tintas basadas en nanopartículas. En este libro blanco, describimos cómo se utilizan las formulaciones de tinta sin partículas a base de oro(I)amina para producir líneas finas de oro altamente conductoras mediante la tecnología de impresión por chorro de aerosol.
Nuevas tintas sin partículas de platino (Pt) de Electroninks: También está ganando atención la deposición de películas finas de platino metálico. Se está utilizando en una amplia gama de aplicaciones en electrónica, como la formación de contactos en dispositivos microelectrónicos, la electroquímica a alta temperatura y las aplicaciones catalíticas. En comparación con otros metales nobles más comunes, como el oro y la plata, la aplicación del platino es un reto y los informes relacionados son escasos. Los métodos habituales de deposición del platino incluyen la deposición en fase gaseosa, la electroquímica y la electrolítica. Estos procesos convencionales suelen ser poco prácticos y difíciles de producir a gran escala.
Tabla 1: Comparación de las tintas de Ag, Au y Pt basadas en NPs con las tintas de Ag, Au y Pt sin partículas de Electroninks
III.PROCESO DE IMPRESIÓN POR CHORRO DE AEROSOL
La impresión por chorro de aerosol es uno de los métodos de deposición sin contacto. El esquema de este proceso de impresión consiste en lanzar una niebla de tinta producida por atomización ultrasónica o neumática. Las tintas de Au y Pt de Electroninks están diseñadas específicamente para la atomización ultrasónica, que puede alcanzar una mayor resolución de impresión en comparación con el proceso de atomización neumática. El proceso de impresión de circuitos, sensores o interconexiones con una impresora de chorro de aerosol (sistema OPTOMEC o sistema IDS nanojet) utilizando la tinta de Au o Pt libre de partículas de Electroninks se decide principalmente por los clientes y los sustratos. Sin embargo, a continuación se describe un proceso típico:
Preparación – La preparación y la limpieza del sustrato influyen para que haya menos defectos y una buena adhesión de los patrones impresos a la superficie del sustrato. Tomemos como ejemplo una superficie plana sin ningún sustrato montado: los sustratos se limpiarán con un disolvente común para eliminar cualquier residuo o polvo de la superficie. A continuación, el sustrato se someterá a un proceso de deshidratación para evaporar el disolvente. En este paso también se pueden aplicar otras limpiezas o preparaciones como el ozono UV y el plasma.
Mapeo y corrección de tamaño – el sustrato se colocará en la platina de la impresora. La cámara de alineación de la impresora medirá con precisión la dimensión de la superficie que se utilizará para trazar la superficie a través de AutoCAD®. El cliente suele tener el diseño CAD de los sustratos, pero este paso sigue siendo necesario para alinear el diseño CAD y el tamaño real del sustrato. La modificación/corrección del tamaño es necesaria si se detecta un desfase entre el archivo CAD y la medición real.
Diseño – Los patrones se diseñarán en base a la superficie mapeada/modificada en AutoCAD. Las almohadillas pueden ser impresas tanto por serpentina como por relleno perimetral.
Impresión – Las tintas de Au/Pt sin partículas de Electroninks se lanzan en aerosol a través del atomizador ultrasónico. Debido al novedoso diseño de la formulación de la tinta, el disolvente volátil se evapora durante el trayecto desde el atomizador hasta los cabezales de impresión y la reacción química crea una fina película de precursores de Au/Pt en la superficie del sustrato. La película precursora de Au/Pt es pegajosa y gelatinosa, por lo que la impresión puede alcanzar una buena calidad de impresión incluso en una platina RT. La anchura de la corriente de tinta puede controlarse mediante una combinación de punta de impresión, gas de cubierta, gas portador y velocidad de impresión. Se aplican varias capas para conseguir el grosor de película/OPS deseado sin necesidad de esperar entre capas.
La tinta Pt de Electroninks puede curarse con rayos UV y lograr propiedades eléctricas comparables o mejores.
IV. SISTEMA DE CHORRO DE AEROSOL IDS
Integrated Deposition Solution (IDS) ha desarrollado la siguiente generación de tecnología de cabezales de impresión por chorro de aerosol. En la figura 1 se muestra una imagen de la impresora de sobremesa y del cabezal de impresión NanoJet. Este proceso de chorro, cuya marca comercial es NanoJet, se basa en el enfoque hidrodinámico y aerodinámico para poder colimar y enfocar una amplia distribución del tamaño de las gotas de aerosol que da lugar a líneas impresas con una calidad excepcional en los bordes. La tecnología NanoJet se basa en el uso de múltiples lentes aerodinámicas para poder enfocar las gotas de aerosol más finas en un flujo de aerosol que históricamente habría llevado a un exceso de pulverización en los bordes de la línea impresa. En la parte V se presentarán algunos ejemplos de líneas impresas con aerosol NanoJet utilizando las tintas Electroninks.
Figura 1: Fotografía que muestra (a) la impresora de sobremesa NanoJet y la próxima generación (b) del cabezal de impresión en aerosol Nanojet desarrollado en el IOS.
V. ESTRUCTURAS DE ORO Y PLATA IMPRESAS POR CHORRO DE AEROSOL
Impresión de oro mediante un sistema de chorro de aerosol IDS: La tinta de Au sin partículas de Electroninks tiene una fracción sólida de entre el 4 y el 10% en peso, pero la producción de masa es competitiva con las tintas basadas en NPs. La tinta se concentra en la atomización y los disolventes de alta presión de vapor se eliminan a lo largo del trayecto desde el atomizador ultrasónico hasta el cabezal de impresión para garantizar una salida de masa decente. La tinta depositada es visualmente translúcida y pegajosa sobre el sustrato, como se muestra en la Figura 2(a). Gracias a este novedoso diseño de la formulación de la tinta, la tinta de Au sin partículas de Electroninks puede imprimirse en una platina a temperatura ambiente con una salida de masa relativamente alta. Esta propiedad es fundamental cuando se imprime en superficies conformadas. La figura 2(b) muestra una estructura de 4 puntos de resistividad impresa con la tinta de Au sin partículas de Electroninks mediante el sistema de chorro de aerosol. La estructura impresa se cura térmicamente a 300° C durante 1 hora para conseguir la mejor conductividad eléctrica.
En la Figura 3 se muestra el SEM de las muestras de oro anteriores. Aunque se observa la formación de cuellos de botella y la fusión de grupos de oro en el SEM de la parte superior de la Figura 3(a), el tamaño medio de las partículas se estima en 100 nm. La película de oro curada está densamente empaquetada desde el SEM de la sección transversal en la Figura 3(b), el espesor final se mide en 900nm.
Figura 2: Impresión de tinta de Au sobre vidrio (a) antes del curado térmico; (b) después del curado a 300C durante 1h
Figura 3: (a) Cara superior; (b) imágenes de SEM de sección transversal de la muestra de Au según las condiciones del gráfico
La sobrepulverización y las manchas satélite son inevitables en la impresión por chorro de aerosol. El overspray y las manchas satélites son causados por gotas de menor peso con insuficiente inercia para ser enfocadas por el gas de la vaina central y depositadas a lo largo del borde de las líneas diseñadas. La tinta de Au sin partículas de Electroninks tiene una atomización excelente y presenta un exceso de pulverización y manchas satélite limitadas en la impresión de rasgos finos mediante el sistema IDS. La figura 4 muestra una imagen óptica de una línea fina impresa mediante un sistema IDS NanoJet con un ancho de línea de aproximadamente 60μm. Esta mejora en la definición de los bordes de las líneas y en la calidad general de las mismas hace que la tinta de Au sin partículas de Electroninks sea adecuada para la impresión de interconexiones densas en la electrónica compacta.
Figura 4: Rasgo fino impreso con tinta Electroninks Au a través de un sistema IDS, curado según las condiciones del gráfico
Impresión de plata mediante un sistema de chorro de aerosol IDS:
La tinta plateada sin partículas de Electroninks tiene una carga de plata del 14%, y cuenta con el mismo mecanismo de formulación de tinta que la tinta dorada de Electroninks para garantizar un resultado de alta masa. La mayoría de las tintas de plata existentes en el mercado requieren imprimir a una temperatura elevada para evitar que se extienda durante la impresión. Esto limita la impresión en las superficies conformadas o la impresión en sustratos 3D. Uno de los aspectos más destacados de la tinta de plata de Electroninks es que permite imprimir estructuras de gran aspecto sin necesidad de calentar la platina. La figura 5(a) muestra una impresión de características finas procesada por la tinta de plata Electroninks en una platina a temperatura ambiente. Las características impresas han minimizado el exceso de pulverización y el punto de los satélites, la anchura de la línea se mide en 15μm con un espesor aproximado de 2μm como se muestra en la Figura 5(b).
Figura 5: (a) Rasgo fino impreso con tinta Electroninks Ag; (b) perfil de los rasgos finos impresos
Los primeros esfuerzos en el desarrollo de las tecnologías de chorro de aerosol se centraron en la impresión de características de líneas muy finas con un ancho de línea tan pequeño como 10μm, que se muestra en la Figura 5. Aunque esta capacidad es muy útil para diversas aplicaciones, algunos esfuerzos más recientes se han centrado en aumentar la tasa de salida de material de IDS NanoJet para satisfacer las demandas de aplicaciones de producción de mayor rendimiento. En la figura 6(a) se muestra un ejemplo de una estructura impresa para aplicaciones de radiofrecuencia. Estas estructuras se imprimieron con la tinta de plata de Electroninks utilizando una temperatura del lecho de 120°C. Las mediciones de perfilometría de estas estructuras impresas se muestran en la Figura 6(b). Para estas estructuras en particular, se utilizaron múltiples pases de impresión para lograr el espesor de la capa impresa. Como muestran los datos de la perfilometría, el grosor de la capa impresa varía un poco y se necesita una mayor optimización para mejorar la uniformidad de las características; sin embargo, estas características son útiles para el trabajo de prueba de concepto solicitado. La altura media de la estructura impresa es de 20μm y la altura máxima es de 40μm. Este tipo de estructuras impresas están resultando útiles para diversas aplicaciones. Un dispositivo en desarrollo incluye un estimulador flexible e implantable en el que las bobinas impresas de mayor grosor proporcionan una alta eficiencia de acoplamiento de energía al dispositivo implantado a una distancia de hasta 5 cm de la fuente de energía.
Figura 6: (a) Estructuras impresas con NanoJet para la evaluación del rendimiento de RF, (b) Perfilometría que muestra la altura medida de las estructuras impresas con NanoJet
Otra ventaja importante de la impresión por chorro de aerosol es la mayor distancia de trabajo entre la cara de salida de la boquilla de impresión y la superficie del sustrato de impresión. Dado que el chorro de aerosol de la IDS NanoJet está colimado, se pueden realizar impresiones limpias con una distancia entre la cara de la boquilla y el sustrato de impresión que oscila entre 1 y 5 mm o más. Esta capacidad puede ser especialmente útil para imprimir características en sustratos no tradicionales.
En la figura 7 se muestra un ejemplo de este tipo de impresión. El sustrato es una cúpula de plástico impresa en 3D y la tinta de plata de Electroninks se utilizó en un sistema IDS para imprimir un circuito de puente completo con galgas extensométricas en la cúpula. Esta demostración se utilizó para mostrar los recientes avances en el ámbito de la electrónica impresa. Mediante la combinación de la tecnología de impresión en aerosol de nueva generación de IDS NanoJet con las tintas sin partículas de Electroninks, se pudo demostrar la capacidad de imprimir un circuito electrónico en una superficie de forma compleja de forma continua utilizando una tinta que podía curarse in situ durante la impresión en un sustrato de baja temperatura de fusión. Este circuito de demostración formaba parte de un proyecto de prueba de concepto más amplio para mostrar la capacidad de incrustar sensores en una estructura en la que los sensores están inactivos hasta que se les interroga utilizando telemetría remota para alimentar el sensor y comunicarse con él para medir intermitentemente los cambios en la respuesta del sensor.
Figura 7: Circuito de galgas extensométricas de puente completo impreso en aerosol sobre un sustrato termoplástico impreso en 3D a baja temperatura
VI. CONCLUSIÓN
Los avances en la fabricación aditiva están afectando literalmente a la forma, el tamaño e incluso la finalidad de los nuevos productos que aún no han sido creados por las empresas industriales y de consumo. En este artículo se presenta una novedosa fabricación de sensores y circuitos en diversas superficies mediante el uso de tintas metálicas sin partículas de Electroninks junto con la nueva generación de NanoJet proporcionada por el sistema IDS. La combinación de las tintas sin partículas de Electroninks y la NanoJet de IDS proporciona un mayor rendimiento, una mejor calidad de impresión y un menor coste para fabricar productos electrónicos en comparación con otras tecnologías de impresión digital tradicionales. Las tintas Electroninks Ag y Au pueden procesarse a temperatura ambiente y son excelentes candidatas para la impresión en superficies complejas. La tinta Electroninks Ag proporciona una resistividad de 5-7 uohm-cm, mientras que la Au puede proporcionar una resistividad de 6 uohm-cm; la baja resistividad requiere menos pases de impresión y ahorra tiempo y esfuerzos en comparación con otras tintas del mercado. Las pruebas piloto han demostrado que la tecnología de chorro de aerosol de nueva generación de IDS, que utiliza tintas sin partículas de Electroninks, puede imprimir características de tamaños que van desde 20μm de ancho por 2μm de alto hasta mm de ancho por 20μm de alto, incluso en superficies conformadas; las características impresas mostraron una mejor calidad de los bordes, con menos manchas satelitales y exceso de pulverización.
AUTORES
Yuan Gu, científico senior, Electroninks Ayan Maity, científico senior, Electroninks Steven Brett Walker, director general, Electroninks Dr. Marcelino Essien, presidente, IDS
Dr. Yun Li, IDS
Jacob Chavez, IDS
David Keicher, vicepresidente, IDS
AUTOR DE LA COMUNICACIÓN:
Melbs LeMieux, presidente, Electroninks
[This is automatically translated from English]