CN108907201B - 均匀金属液滴打印电路的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种均匀金属液滴打印电路的方法，用于解决现有微电子电路制造方法实用性差的技术问题。技术方案是将市场供应态的块状金属材料融化，喷射出熔融状态金属液滴进行逐滴打印，通过打印金属液滴相互之间的冶金结合，保证打印的导电线路导电性与致密金属材料导电性相同。同时，通过高温液滴沉积时，融化热塑性基体，以形成金属液滴底部嵌入基体的导电电路，以满足导电电路结合强度的需求，减少电路后处理工艺，实现了电路的低成本短流程打印，实用性好。

Description

均匀金属液滴打印电路的方法
技术领域
本发明涉及一种微电子电路制造方法，特别涉及一种均匀金属液滴打印电路的方法。
背景技术
随着电子产品向超大规模集成化、数字化、轻量化和个性化方向发展，当前多传感微系统及光电子工艺研究中迫切需要能在无掩膜/模板条件下，按照产品外形进行个性化、高效率的布线，以大幅度提高电子产品的生产效率和精度，节约时间和成本，这给传统的电路制造工艺提出了挑战。传统电路制造工艺大多采用基于掩膜的丝网印刷工艺，适合大批量标准化产品的生产，较难满足诸如3D电路、有机光电线路、光敏/温敏电路等先进微电子的快速制造，也难以满足个性化电路的快速制造要求。如果能够精确地控制导电材料进行逐点打印，则可实现微电路的短流程制备，可满足以多传感器个性化微系统为代表微电子多品种、小批量研制和快速供样的需求。
文献“Fuller S B,Wilhelm E J,Jacobson J M.Ink-jet printed nanoparticlemicroelectromechanical systems[J].Journal of Microelectromechanical Systems,2002,11(1):54-60.”提出了一种基于激光烧结纳米金或银浆料工艺的微电子线路制造方法，该技术通过逐滴打印含纳米金或银颗粒的微溶滴，经蒸发后留下由纳米金或银颗粒组成的导电线路，然后通过后续烧结以实现导电线路的快速制备。由于昂贵的纳米银、纳米金溶液及其复杂后处理工艺，使得此技术成本高昂，限制该技术在日常消费电子及试验电路领域的广泛应用。同时，高温烧结后的银、金导电线路内部存在孔隙，其导电率目前还达不到致密金属材料的导电率。
发明内容
为了克服现有微电子电路制造方法实用性差的不足，本发明提供一种均匀金属液滴打印电路的方法。该方法将市场供应态的块状金属材料融化，喷射出熔融状态金属液滴进行逐滴打印，通过打印金属液滴相互之间的冶金结合，保证打印的导电线路导电性与致密金属材料导电性相同。同时，通过高温液滴沉积时，融化热塑性基体，以形成金属液滴底部嵌入基体的导电电路，以满足导电电路结合强度的需求，减少电路后处理工艺，实现了电路的低成本短流程打印，实用性好。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种均匀金属液滴打印电路的方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、采用铅锡合金、无铅焊料或金锡合金作为微滴材料，置于坩埚内部并加热微滴材料至喷射温度Td，Td高于打印材料的熔点Tm。调整喷射压力脉冲的宽度、幅值与频率，实现单颗金属液滴1稳定喷射；
步骤二、采用热塑性材料作为打印的热塑性基体2；
步骤三、对于高熔点绝缘基体5，需先在其表面涂敷热塑性基体2制成复合基体，根据打印金属液滴1材料种类及金属微滴温度Td调整涂层厚度；
步骤四、进行微滴喷射沉积试验，初步调整喷射温度Td和基体温度Ts,使金属液滴1局部融化热塑性基体2表面并实现部分嵌入，则喷射温度Td高于基体软化温度Tg，两者满足关系式：
Td>Tg (1)
保证金属液滴1能够熔化已沉积导电线路4的搭接部分，实现金属液滴1之间互熔结合，此时打印金属液滴1温度降低到凝固温度所释放的热量，需大于搭接部分温度上升所需热量与搭接部分融化所需的融化潜热之和：
ρVdC(Td-Ts)>ρV搭接C(Td-Ts)+ρV搭接H (2)
式中，Vd-金属微滴体积，ρ-金属液滴密度，C-金属液滴的比热容，V搭接-搭接部分的体积，H-金属液滴的熔化潜热。
步骤五、测量金属液滴1在热塑性基体2上凝固角θs，计算出打印微电路的沉积步距λ，然后进行线路打印试验，实现均匀导电线路4的初步打印。沉积步距λ与基体上凝固角θs及液滴直径Dd之间的关系为：
Figure BDA0001735754750000021
式中，Dd-液滴直径，θs-金属液滴在基体上的凝固角。
步骤六、根据试验结果，微调坩埚温度Td、基体温度Td以及步距λ，实现电子线路4的快速打印。
所述热塑性材料是尼龙或者有机玻璃的任一种。
所述高熔点绝缘基体5的材料是环氧树脂胶木、玻璃、陶瓷或者树脂基复合材料的任一种。
本发明的有益效果是：该方法将市场供应态的块状金属材料融化，喷射出熔融状态金属液滴进行逐滴打印，通过打印金属液滴相互之间的冶金结合，保证打印的导电线路导电性与致密金属材料导电性相同。同时，通过高温液滴沉积时，融化热塑性基体，以形成金属液滴底部嵌入基体的导电电路，以满足导电电路结合强度的需求，减少电路后处理工艺，实现了电路的低成本短流程打印，实用性好。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明方法实施例1的流程图。其中，图1(a)是金属液滴在热塑性基体上的打印电路沉积的流程；图1(b)是金属液滴在热塑性基体打印导电线路的流程。
图2是本发明方法实施例2的流程图。
图中，1-金属液滴，2-热塑性基体，3-铺展的金属液滴，4-导电线路，5-高熔点绝缘基体。
具体实施方式
以下实施例参照图1-2。
实施例1。热塑性基体电子电路的打印。
采用铅锡合金(ZHLZn60PbA)作为打印材料，采用有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)加工热塑性基体2。首先在坩埚内部加热铅锡合金至300℃～400℃，匹配金属液滴喷射压力幅值、脉宽和频率，实现单颗均匀金属液滴1稳定喷射。
依据：
Td>Tg (1)
ρVdC(Td-Ts)>ρV搭接C(Td-Ts)+ρV搭接H (2)
计算高温金属液滴1温度Td与热塑性基体2温度Ts。Td的取值范围为：Td＝300℃～400℃，Ts的取值范围为：Ts＝100℃～200℃。喷射金属液滴1，其直径约为200～500μm，使其精准定位在热塑性基体2表面。金属液滴1融化热塑性基体2表面，形成部分镶嵌于热塑性基体2表面的铺展的金属液滴3。
测量金属液滴1在基体上的凝固角θs，根据：
Figure BDA0001735754750000031
计算金属液滴1的打印步距λ，λ取值范围为160μm～200μm。然后在热塑性基体2上进行金属液滴1的沉积试验，微调微滴喷射温度Td和基体温度Ts，实现金属液滴1在热塑性基体2上的良好融合、均匀金属液滴1与打印导电线路4相互间冶金结合。后续喷射的均匀金属液滴1打印在铺展的金属液滴3的旁侧，实现金属液滴之间的冶金结合，并同时实现金属液滴1与热塑性基体2的部分融化与镶嵌，进而成形出导电线路4。
实施例2。高熔点基体上高导电性电子线路的快速打印。
对于玻璃、陶瓷等高熔点绝缘基体5，首先在其表面涂敷热塑性层2，以制备出用于金属微滴1打印的复合基体。采用金锡合金(AuSn30)为打印材料，在制备的复合基体上进行个性化电路的直接打印。
依据：
Td>Tg (1)
ρVdC(Td-Ts)>ρV搭接C(Td-Ts)+ρV搭接H (2)
计算高温金属液滴1温度Td与热塑性基体2温度Ts。Td的取值范围为：Td＝400℃～500℃，Ts的取值范围为：Ts＝100℃～200℃。喷射金属液滴1，其直径约为200～500μm，在热塑性基体2上进行金锡合金液滴沉积试验，获得金属液滴1与热塑性基体2之间的良好融合、金属液滴1与打印导电线路4间冶金互熔的参数取值范围。
依据：
Figure BDA0001735754750000041
计算金属液滴的打印步距λ，λ取值范围为160μm～200μm。进行电路打印试验，对热塑性基体2温度Ts、金属液滴1温度Td，喷射频率、基体速度、液滴尺寸等参数进行微调，实现金属液滴1与热塑性基体2、金属液滴1与导电线路4之间的良好结合，按照预先设计线路在热塑性基体2表面打印出高导电性的导电线路4。

Claims (1)

1.一种均匀金属液滴打印电路的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、采用铅锡合金、无铅焊料或金锡合金作为微滴材料，置于坩埚内部并加热微滴材料至喷射温度Td，Td高于打印材料的熔点Tm；调整喷射压力脉冲的宽度、幅值与频率，实现单颗金属液滴(1)稳定喷射；
步骤二、采用热塑性材料作为打印的热塑性基体(2)；
步骤三、采用高熔点绝缘基体(5)，先在其表面涂敷热塑性基体(2)制成复合基体，根据打印金属液滴(1)材料种类及金属微滴温度Td调整涂层厚度；
步骤四、进行微滴喷射沉积试验，初步调整喷射温度Td和基体温度Ts,使金属液滴(1)局部融化热塑性基体(2)表面并实现部分嵌入，则喷射温度Td高于基体软化温度Tg，两者满足关系式：
Td＞Tg (1)
保证金属液滴(1)能够熔化已沉积导电线路(4)的搭接部分，实现金属液滴(1)之间互熔结合，此时打印金属液滴(1)温度降低到凝固温度所释放的热量，需大于搭接部分温度上升所需热量与搭接部分融化所需的融化潜热之和：
ρVdC(Td-Ts)＞ρV搭接C(Td-Ts)+ρV搭接H (2)
式中，Vd-金属微滴体积，ρ-金属液滴密度，C-金属液滴的比热容，V搭接-搭接部分的体积，H-金属液滴的熔化潜热；
步骤五、测量金属液滴(1)在热塑性基体(2)上凝固角θs，计算出打印微电路的沉积步距λ，然后进行线路打印试验，实现均匀导电线路(4)的初步打印；沉积步距λ与基体上凝固角θs及液滴直径Dd之间的关系为：
Figure FDA0002977445740000011
式中，Dd-液滴直径，θs-金属液滴在基体上的凝固角；
步骤六、根据试验结果，微调坩埚温度Td、基体温度Td以及步距λ，实现导电线路(4)的快速打印；
所述高熔点绝缘基体(5)的材料是环氧树脂胶木、玻璃、陶瓷或者树脂基复合材料的任一种；
所述热塑性材料是尼龙或者有机玻璃的任一种。
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