CN100405539C - 一种直写电子/光电子元器件的微细笔及由其构成的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直写电子/光电子元器件的微细笔及由其构成的装置。微细笔的结构为：减压装置位于笔帽内，并与位于笔帽顶部的施压气管相连，笔帽的下端与笔筒的上端活动、密封连接构成储料腔，储料腔用于储存需要沉积的物料，笔筒的下端为笔尖。该微细笔通过两个并联的压力控制装置与气源连接，并采用控制器控制两条气路的通断和微细笔相对基板的运动，构成直写装置。微细笔可用于制作电子元器件，还可用于制作光电子元器件，如聚合物光波导。结合该微细笔的结构特点和聚合物材料的特性，可将聚合物材料置于微细笔内，在基板上直写出光波导。本发明装置布线速度快，线宽范围大，制造和运行成本低，布线速度范围为2mm/s～15mm/s，线宽范围为0.06mm～2mm。

Description

一种直写电子/光电子元器件的微细笔及由其构成的装置

技术领域

本发明属于电子/光电子元器件制造领域，具体涉及一种直写电子/光电子元器件的微细笔及由其构成的装置。本发明尤其适用于快速制造导线、电阻、电容、电感以及光波导等。

背景技术

大规模集成电路的产生和发展，使电路密度大幅度提高，并不断向高精度、高密度、细线、小孔、高可靠性、低成本和自动化连续生产方向发展。特别是近年来，随着电子产品不断向集成化、小型化、短时效、小批量、多品种方向发展，制约电子产品质量进一步提高的因素已经由原来的芯片尺寸大小转变为芯片间互连线间距，即基板的尺寸与布线密度。传统的印制电路板制作工艺方法(如丝网漏印、光化学刻蚀等)已经越来越不能满足这些要求，主要原因在于：制造工序多，最小线宽和线间距受到很大限制；由于腐蚀去除的导电材料多，造成的浪费大；环境污染严重等。除此之外，用传统制造工艺制作线路板的周期较长，无法有效缩短新产品研究开发周期；电路板一旦制作完工，无法对所设计的导电线路进行必要修改；对于单件或者小批量生产电路板来说，制造成本较高。这些不足制约了该技术在一些新领域的应用。

近年来，直写技术已成为电子制造领域中工程技术人员的关注热点之一。所谓直写技术，在电子制造领域中是指采用特殊的加工工具，能够依照计算机程序预设形状与尺寸要求，在所指定的基板表面去除或者沉积所指定的各种材料，形成所需要功能结构的技术和工艺。和传统的基板制造技术相比，直写技术具有不需掩膜、制造精度高、易于修改、研制周期短、材料选择范围广、材料利用率高、所需成本低、对环境污染小等优点，因此在电子制造领域中具有广阔的应用前景。可以用于直写的工艺方法很多，主要分为减成法和加成法两种。减成法指采用特定工具在基板表面进行刻蚀或者雕刻等去除过程，工艺简单可靠，所使用的工具可以是聚焦离子束、激光束、金刚石刀具等，但是所制造的微结构功能主要局限于基板相关材料。加成法指采用特殊的工具在基板表面添加新的材料来形成微结构的过程。与减成法最大的差别在于，加成法所添加的材料不受基板材料的限制，因此可以制备的微结构种类更多，功能也更加广泛。在众多的加成法直写技术中，比较成熟和应用比较广泛的主要有Micropen直写技术和M3D技术。

Micropen直写技术采用电子浆料作为添加材料，通过专门设计的微细笔系统——一种丝杆螺母机构实现柱塞往复运动——来控制浆料的输出量大小，浆料通过喷嘴流出并与基板表面恰当接触形成膜层，在数控系统的控制下直写出所设计的图案。该技术由Sandia National Lab和新墨西哥大学联合研发，通过OhmCraff公司推向市场。Micropen直写时，必须综合考虑材料的流变特性如粘度、表面张力等，并注意与基板的表面粗糙度、直写速度与线宽等参数的匹配，才能获得较高质量的功能元件或者结构。Micropen工艺是最早将直写技术引入电子元器件快速制造的几种工艺之一，在很多方面具有开创性意义，如直写出13层的电子元件和集成RC滤波器等。其特点是微细笔机构适合于很宽粘度范围的浆料。但是其主要缺点是设备比较复杂，而且在换向时易出现失步现象，导致所制备的元器件质量稳定性降低。关于Micropen直写布线的具体设计方法详见美国专利：“Carl E，Drumheller.Inking System for Producing Circuit Patterns.UnitedStates，United States Patent，4485387，1984.”

M3D(Maskless Mesoscale Material Deposition)技术，即无掩膜中尺度材料沉积技术，是近年来发展非常迅速的直写技术之一，由美国SandiaNational Lab研究、Optomec Inc.开发。该技术用雾化系统雾化浆料，并结合喷射沉积系统，将雾化后的浆料以一定速度喷射沉积到基板上，形成所要求的电子图案。M3D的特点是喷嘴与基板的间距在数毫米之内变化时，仍然能够获得均匀的细线；所制备的特征线宽较小，布线比较均匀，并且可用于曲面基板上的微制造以及其它形状的三维制造。但是，该技术的最大缺点在于所能够雾化的浆料粘度范围过小，仅仅在0.7-1000×10^-3Pa·S之间，因此能够适用的浆料种类较少，所能够制备的电子元器件种类有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备电子/光电子元器件的微细笔，该微细笔结构简单，成本较低，能应用的浆料粘度范围广；本发明还提供了由该微细笔构成的装置，该装置可以满足多种电子元器件和光电子器件的快速制造。

本发明提供的一种直写电子/光电子元器件的微细笔，其特征在于：减压装置位于笔帽内，并与位于笔帽顶部的施压气管相连，减压装置使气压平缓地加到笔筒上；笔帽的下端与笔筒的上端活动、密封连接构成储料腔，储料腔用于储存需要沉积的物料，笔筒的下端为笔尖。

由上述微细笔所构成的装置，气源通过进气气管分别与两个并联的第一压力控制装置和第二压力控制装置相连，第一压力控制装置通过施压气管与微细笔相连，用于控制施压气管中气流的通断和调节气压的大小，第二压力控制装置通过雾化气管与微细笔的气流导引腔相连，用于控制雾化气流的通断和调节气流导引腔内雾化气流的大小，控制器分别与第一压力控制装置、第二压力控制装置相连，用于控制两条气路的通断，控制器还与微细笔相连，用于控制微细笔相对基板的运动。

作为上述微细笔的改进方案，上述笔筒与笔尖的外部套接有笔壳，笔壳与笔筒及笔尖之间形成气流导引腔，笔壳上设有雾化气管，气流导引腔的下端为与笔尖同轴的气嘴；上述笔尖的内径为20μm--200μm，外径为120μm--260μm；笔尖和气嘴间的径向间隙为5μm--20μm。

本发明微细笔可以构成喷射或直写装置，适合一些较大面积元器件的制造。本发明克服了国内外现有直写装置结构复杂，成本高，适用性不强等缺点。与现有技术相比，本发明具有如下特点：

(1)本发明微细笔的结构简单，加工制造容易，加工成本低，使用时拆装和清洗方便。进行直写时，准备工作时间短，操作简便。

(2)该微细笔可利用气体压力精确控制写出浆料的多少，进而决定线条宽度或膜层厚度，同时利用气体的通断和机床的运动和停止来精确控制微细笔直写的起停，可以满足各种复杂微结构的直写工艺要求。

(3)该微细笔具有用同一种基本结构，实现不同功能的能力。也就是当仅仅采用微细笔的基本结构时，可以进行挤压式直写，满足窄线宽、高粘度材料的直写要求。当在微细笔的基本结构上加上笔壳后，则还可进行喷射式直写，利用雾化过程的浆料发散特性，快速、均匀地实现大面积成膜，以满足电子工业中电子元器件制造的需要。

(4)该微细笔不仅用于制作电子元器件，而且还可用于制作光电子元器件，如聚合物光波导。结合该微细笔的结构特点和聚合物材料的特性，可将聚合物材料置于微细笔内，在基板上直写出光波导。

(5)上述微细笔与相应的机床与控制装置组合，组成微细笔直写装置，满足多种电子元器件和光电子器件的快速制造。本发明装置布线速度快，线宽范围大，制造和运行成本低，布线速度范围为2mm/s～15mm/s，线宽范围为0.06mm～2mm。

附图说明

图1为本发明微细笔的结构示意图；

图2为本发明微细笔的另一实施方式的结构示意图；

图3为应用本发明微细笔的装置的结构示意图；

图4为本发明微细笔的一种应用实例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明微细笔的结构为：减压装置2位于笔帽3内，并与位于笔帽3顶部的施压气管1相连，笔帽3的下端与笔筒6的上端通过螺纹连接并保证密封，构成储料腔4，储料腔4用于储存需要沉积的物料5，笔筒6的下端为微细笔的浆料出口，即笔尖7。减压装置2的作用在于使气压比较平缓地加到笔筒6上，不至于因为储料腔内外过大的压力差使得浆料高速喷出。实际直写时，所施加外部气压的大小是影响线宽的主要因素之一。笔尖7口径的大小是影响线宽的另一因素。通常情况下，笔尖7的内径为20μm--200μm，外径为120μm--260μm，其具体数值根据所需要写的线条宽度以及施加气压的大小予以选择。当微细笔在基板上移动的同时，启动相应的气压开关。储料腔中的浆料或者其它功能材料便通过笔尖7流出，在基板上写下所需形状和线宽的导线或光波导图形等。

本发明的微细笔之另一实施方式如图2所示，笔筒6与笔尖7的外部套接有笔壳10，笔壳10与笔筒6及笔尖7之间形成气流导引腔9，笔壳10上设有雾化气管8，气流导引腔9的下端为与笔尖同轴的气嘴11，笔尖7和气嘴11间的间隙为5μm--20μm左右。雾化气流通过雾化气管7进入气流导引腔9后，气流与笔筒内的电子浆料或者其它功能材料分别从气嘴11和笔尖7同轴喷出，气流在笔尖7的下端形成负压区。由于负压和外加气压通过施压气管1和减压装置2对浆料所施加的压力，使笔筒6内的浆料从笔尖7连续均匀流出。流出的浆料被雾化气流雾化成雾滴，随气流一起下行，高速的雾滴遇到基板时，便在基板上沉积下来，当笔尖7在基板上移动时，或者基板相对于笔尖7移动时，按照图形文件设定的路线，便可以在基板上制备出所需要的电子元器件。

由上述微细笔所构成的直写装置如图3所示，气源12通过进气气管13分别与第一压力控制装置14和第二压力控制装置18相连，第一压力控制装置14和第二压力控制装置18并联，可以独立地控制和调节气压和气流量。第一压力控制装置14通过施压气管1与微细笔15相连，用于控制施压气管1中气流的通断和调节气压的大小，并向微细笔15的储料腔中的浆料提供所需的压力。第一压力控制装置14接通时，向微细笔的笔筒内施压，使浆料从笔尖流出；断开时泄掉微细笔的笔筒内的压力，由于笔尖的毛细作用而使浆料及时停止流出。第二压力控制装置18通过雾化气管8与微细笔15的气流导引腔9相连，用于控制雾化气流的通断和调节气流导引腔9内雾化气压的大小，使笔尖流出的浆料被雾化气流雾化形成雾滴。一般情况下雾化气流的通断和施压气流的通断是同步的。在通常情况下，笔筒内的施压气压的压力范围为0.001Mpa-0.50Mpa，而气流导引腔9所施加的雾化气压的压力范围为0.10Mpa-1.0Mpa。

直写装置中的控制器17分别与第一压力控制装置14、第二压力控制装置18相连，控制器17主要由微型计算机组成，计算机发出相应的指令使第一压力控制装置14和第二压力控制装置18发生相应的动作来分别控制两路气体的通断。控制器17同时也控制微细笔15的运动。一般的情况下将基板16固定，控制器17通过控制微细笔15在基板16上按照程序设定的运动路线，便可在基板16上完成电子和光电子元器件的制备。

实施例1：

整个微细笔直写装置的构成如图4所示。第一压力控制装置14和第二压力控制装置18结构相同，前者由调压阀25、压力表26和电磁阀27串联而成，后者由调压阀31、压力表30和电磁阀29串联而成。压缩氮气源19依次经过气源开关20、压力表21、调压阀22和压力表23与三通管24相连，三通管24的一端出口通过气管与调压阀25相连，另一端出口通过气管与调压阀31相连。基板16位于工作台28上，控制器17通过电机控制工作台28的运动。微细笔15采用图1所示的结构，其中笔尖7的内径为120μm。使用时首先打开气源开关20，压缩氮气源19便供给一定压力的气体，其压力由压力表21测定，输出气压通过调压阀22调节输出压力，输出压力由压力表23测定。输入气流由三通管24分为两路。一路为施压气流，它是通过压力表26监测通过调压阀25调节后的压力，以保证通过电磁阀27供给恒定压力的气流，此气流通过施压气管1与微细笔15的减压器3相连；另一路是雾化气流，它是通过压力表30监测通过调压阀31调节后的压力，以保证通过电磁阀29供给恒定压力的气流，此气流通过雾化气管8与微细笔15的气流导引腔9相连。

当直写装置采用图1所示的微细笔结构进行挤压式直写时，因为不需要雾化过程，因此应关闭调压阀31。控制器17一方面控制电磁阀27的通断，以保证微细笔15正常工作，另一方面也通过电机控制工作台28的运动。基板16固定在工作台上，可与微细笔作相对运动，基板16到微细笔15的高度可调，并且此高度直接影响到线宽的大小。

当上述工作准备完毕之后，便可以启动控制装置，开始在基板上直写预先设计好的线路图案。当调节到笔筒的施压气压P₁＝0.05MPa，布线速度V＝10mm/s，浆料采用高温银导体浆料，得到的导线线宽为0.25mm。经测定，所制备导线的导电性良好，其电阻率为2.4×10^-6Ω·cm，完全符合电子工业标准的要求。

实施例2

当按照图2所示的微细笔进行喷射方式直写时，需要开启图4所示的第二压力控制装置18，即雾化气路。喷射直写时，笔尖7的内径为120μm，外径为180μm，笔尖7和气嘴11间的间隙为10μm。

采用这样的装置结构可以实现基于喷射原理的直写。直写时，浆料将先被雾化，然后沉积在基板上，通过控制工作台的运动，获得不同的形状。雾化直写时，笔尖不接触基板，因此可以在曲面上进行制作电子元器件；同时，在雾化时对浆料有发散作用，直写时线宽的分辨率将降低，但是在需要进行大面积的直写时具有优势。

喷射直写时，同实施例1中的挤压式直写一样，需先调节好气源的输出气压，包括施压气路的压力和雾化气路的压力。施压气路中，通过压力表26监测调压阀25的压力，以保证通过电磁阀27供给恒定压力的气流，此气流通过施压气管1与微细笔15的减压器3相连。雾化气路中，雾化气流通过雾化气压调压阀31和电磁阀29和雾化气管8，进入雾化气流导引腔9。电磁阀27、29由控制器17通过控制芯片控制其通断。其通断顺序由控制装置根据应用需要而设定。施压气压和雾化气压的大小是影响膜层厚度和宽度的主要因素，其大小应根据所要求直写的膜层厚度和宽度而设定。

调节好气压等参数后，在控制装置中输入所设计的图形文件，调节笔尖和基板的高度，启动控制装置，便可在基板上直写所要求的图形。当调节到笔筒的施压气压P₁＝0.07MPa，气流导引腔的雾化气压P₂＝0.22MPa，布线速度V＝10mm/s，基板16到微细笔15的高度H＝0.4mm，浆料采用高温银导体浆料，这样得到的导线线宽为0.37mm，经测定，所制备导线的导电性良好，其电阻率为2.33×10^-6Ω·cm，完全符合电子工业标准的要求。

实施例3

所采用的装置同实施例1相同，操作方式和步骤与实施例1相同。但采用性能优良的聚合物取代电子浆料，这时该装置可用来直写光波导。

调节气压等参数，设定控制程序，将装置调试好后，在微细笔内装入氟化聚酰亚胺(PI)，启动装置，便可以在硅基板上写出光波导，波导宽度100微米左右，厚度为5微米左右。对所制备的光波导进行通光实验，测试光波导的损耗，最小损耗可以达到0.5dB/cm，能够满足光电子器件的制造要求。

Claims (5)

1.一种直写电子/光电子元器件的微细笔，其特征在于：减压装置(2)位于笔帽(3)内，并与位于笔帽(3)顶部的施压气管(1)相连，减压装置(2)使气压平缓地加到笔筒(6)上；笔帽(3)的下端与笔筒(6)的上端活动、密封连接构成储料腔(4)，储料腔(4)用于储存需要沉积的物料，笔筒(6)的下端为笔尖(7)。

2.根据权利要求1所述的微细笔，其特征在于：笔筒(6)与笔尖(7)的外部套接有笔壳(10)，笔壳(10)与笔筒(6)及笔尖(7)之间形成气流导引腔(9)，笔壳(10)上设有雾化气管(8)，气流导引腔(9)的下端为与笔尖同轴的气嘴(11)。

3.根据权利要求1或2所述的微细笔，其特征在于：所述笔尖(7)的内径为20μm--200μm，外径为120μm--260μm。

4.根据权利要求2所述的微细笔，其特征在于：笔尖(7)和气嘴(11)间的径向间隙为5μm--20μm。

5.一种由权利要求1或2所述微细笔所构成的装置，其特征在于：气源(12)通过进气气管(13)分别与两个并联的第一压力控制装置(14)和第二压力控制装置(18)相连，第一压力控制装置(14)通过施压气管(1)与微细笔(15)相连，用于控制施压气管(1)中气流的通断和调节气压的大小，第二压力控制装置(18)通过雾化气管(8)与微细笔(15)的气流导引腔(9)相连，用于控制雾化气流的通断和调节气流导引腔(9)内雾化气流的大小，控制器(17)分别与第一压力控制装置(14)、第二压力控制装置(18)相连，用于控制两条气路的通断，控制器(17)还与微细笔(15)相连，用于控制微细笔(15)相对基板(16)的运动。

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