CN209502972U - 激光诱导前向转印和烧结制作银浆电极的加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光诱导前向转印和烧结制作银浆电极的加工装置，脉冲激光器的输出光路上依次布置第一扩束镜和第一反射镜，第一反射镜反射光路上依次布置立方体分光镜、偏振波片、偏振分光片、第二反射镜、衍射光学元件、扫描振镜及场镜，场镜的光路输出端正对于载物单元；连续激光器的输出光路上依次布置第二扩束镜、反射镜，反射镜的反射光路对应于立方体分光镜，其光路反射至立方体分光镜上，经立方体分光镜反射的光与脉冲激光器透射的光路重合；载物单元的上承板和下承板为中空结构，通过距离调节机构连接，涂覆有银浆层的透明基底倒扣在上承板的中空处，产品基底置于下承板的中空处。激光前向转印技术可制造出更大银浆高宽比值电极。

Description

激光诱导前向转印和烧结制作银浆电极的加工装置

技术领域

本实用新型涉及一种激光诱导前向转印和烧结制作银浆电极的加工装置。

背景技术

目前，作为非光刻的直写加工手段或3D打印技术的一种，激光诱导前向转移技术(LIFT)逐渐发展成为打印金属墨水及其他功能型材料以及制备高精度复杂图案的理想手段，其具有制备微结构的能力，能实现多种材料的直写转移和图形制作。而近5年内兴起的基于LIFT技术的激光转印(LDT)加工工艺，具有更高效及并行化的特点，在精密电子器件、有机器件、MEMS、半导体晶圆覆晶封装等领域有广泛的应用。

本实用新型利用银浆的假塑型和触变性流体特性，结合激光整形技术集合开发出一项新型的两步金属化工艺，该工艺基于激光诱导前向转移(LIFT)技术及选择性激光烧结(SLS)技术，可用于柔性光伏和微电子器件的修补和制作等领域。目前的银浆电极打印多为丝网印刷技术，其打印出的银浆线条高宽比较低，如改善高宽比则需要两次打印或电镀等方式，从而产生了较高的成本同时较难获得高质量的打印线条，且打印不同图案的银浆需要定制不同规格的丝网，增加了耗材成本。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种激光诱导前向转印和烧结制作银浆电极的加工装置。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

激光诱导前向转印和烧结制作银浆电极的加工装置，特点是：包含脉冲激光器、连续激光器、立方体分光镜、偏振波片以及偏振分光片，所述脉冲激光器的输出光路上依次布置第一扩束镜和第一反射镜，第一反射镜反射光路上依次布置立方体分光镜、偏振波片、偏振分光片、第二反射镜、衍射光学元件、扫描振镜以及场镜，场镜的光路输出端正对于载物单元；

所述连续激光器的输出光路上依次布置第二扩束镜、第三反射镜和第四反射镜，第四反射镜的反射光路对应于立方体分光镜，其光路反射至立方体分光镜上，经立方体分光镜反射的光与脉冲激光器透射的光路重合；

所述载物单元包含上承板和下承板，上承板与下承板均为中空结构，之间通过距离调节机构连接，距离调节机构调节上承板与下承板之间的间距，涂覆有银浆层的透明基底倒扣在上承板的中空处，产品基底置于下承板的中空处，产品基底与银浆层相对，场镜的光路输出端正对于涂有银浆层的透明基底和银浆层的界面处。

进一步地，上述的激光诱导前向转印和烧结制作银浆电极的加工装置，其中，所述偏振波片为1/2λ波片。

进一步地，上述的激光诱导前向转印和烧结制作银浆电极的加工装置，其中，所述衍射光学元件为激光光束整形镜片。

进一步地，上述的激光诱导前向转印和烧结制作银浆电极的加工装置，其中，所述场镜为远心场镜。

进一步地，上述的激光诱导前向转印和烧结制作银浆电极的加工装置，其中，所述透明基底的材质为镀增透膜的熔融石英玻璃，厚度为0.5～2mm。

本实用新型与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

①利用激光前向转印技术可制造出更大银浆高宽比值电极，增大导线的横截面积，导电率得到显著改善的同时，给电路设计留出更大的设计空间，在光伏电池中还可以减少“阴影效应”带来的光学损失；

②采用激光选择性烧结方式对基底的种类选择更加广泛，尤其针对于不耐高温的基底，如铜铟镓硒电池基底，可选择性对电极进行高温固化或烧结而不损伤基底材质；

③电极打印和烧结工艺采用同样的加工路径，设备合二为一有效缩短了加工流程，节省了节拍时间和耗材成本；加工采用的银浆材料在清理后进行收集处理可回收利用，不浪费打印材质；

④光路系统中配备的衍射光学元件镜片使出射的光斑获得各种定制化的影像图案，通过调节银浆的流体属性如粘稠度、表面张力、屈服强度以及激光参数，则可利用激光触发的单个脉冲获得所需转印图案，提高了加工的效率；

⑤光路系统中衍射光学元件镜片到扫描振镜入瞳处的距离为10cm～20cm，位置可以通过四维调整架来调节，合理的设计以及调节好的相对位置使得整形后的激光光束对银浆转印获得优良效果；

⑥利用激光前向转印技术制造的电极图案可定制化由激光束扫描路径获得，增加了电路的设计空间，与传统的丝网印刷技术相比省去了制作不同丝印模板的成本费用的同时可获得更高的打印分辨率；

⑦通过调节激光参数、聚焦系统设计以及银浆的流体属性，可以在不同材质产品的基底上进行电极打印，如镀膜玻璃、硅(单晶、多晶、非晶)、氮化硅、陶瓷等，对基底的选择性较为广泛。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型具体实施方式了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1：本实用新型的光路结构示意图；

图2：加工工艺路线示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本实用新型的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，激光诱导前向转印和烧结制作银浆电极的加工装置，包含脉冲激光器1、连续激光器2、立方体分光镜8、偏振波片9以及偏振分光片10，脉冲激光器1的输出光路上依次布置第一扩束镜3和第一反射镜5，第一反射镜5反射光路上依次布置立方体分光镜8、偏振波片9、偏振分光片10、第二反射镜11、衍射光学元件12、扫描振镜14以及场镜14，场镜14的光路输出端正对于载物单元；

连续激光器2的输出光路上依次布置第二扩束镜4、第三反射镜6和第四反射镜7，第四反射镜7的反射光路对应于立方体分光镜8，其光路反射至立方体分光镜8上，经立方体分光镜8反射的光与脉冲激光器透射的光路重合；

载物单元包含上承板15和下承板20，上承板15与下承板20均为中空结构，之间通过距离调节机构17连接，距离调节机构17可以通过驱动螺距来调节上承板15与下承板20之间的间距，银浆层18通过涂布机均匀地涂布在透明基底16上，在LIFT工艺中，涂有银浆的透明基底16倒扣在上承板15的中空处，其边缘可通过外置压板或夹具固定在上承板15上，产品基底19置于下承板20的中空处，产品基底19与银浆层18相对，场镜14的光路输出端正对于涂有银浆层的透明基底和银浆层的界面处。

其中，脉冲激光器1的脉宽为纳秒或皮秒级。脉冲激光器1和连续激光器2的激光波长为532nm。

偏振波片9为1/2λ波片。

衍射光学元件12为激光光束整形镜片。衍射光学元件12与扫描振镜13光路入瞳处距离为10cm～20cm。场镜14为远心场镜。

透明基底16的材质为镀增透膜的熔融石英玻璃，厚度为0.5～2mm。

透明基底16与产品基底19的距离为d，银浆层18的厚度为h，设其比值为q＝d/h，则d>10um，0.5<q<1。涂有银浆的透明基底16到产品基底19上表面距离大于10um，该距离与银浆厚度的比值范围为0.5～1。银浆的粘稠度为200～500Pa·s。

上述装置用于激光诱导前向转印和烧结制作银浆电极的加工过程是，脉冲激光器1发射出532nm波段的激光，进入第一扩束镜3，第一扩束镜3对激光进行准直和扩束，改善激光的准直度，使发射的光束直径加大；再经过第一反射镜5入射至立方体分光镜8、偏振波片9、偏振分光片10，对激光功率进行衰减；再经第二反射镜11入射到衍射光学元件12，通过四维调整架的角度和方位使激光光束束腰位置垂直入射到衍射光学元件12，出射光斑为定制化图案的均匀光斑；出射光斑入射到扫描振镜13，扫描振镜13连接场镜14，场镜14可根据加工范围进行选择，实现光束连续加工；可通过载物单元的距离调节机构17调节上承板15与下承板20之间的间距，即调节透明基底16与产品基底19上表面之间的距离；

场镜14使光束汇聚聚焦到待转印的透明基底16与银浆层18中间，以瞬间气化银浆层中的液态有机物成分，被气化的部分在透明基底16与银浆层18界面处产生空泡，随着空泡的迅速膨胀和塌缩以及高温传热使得空泡周围的银浆改变流体特性，产生形变和流动，空泡一方面剥离银浆物质，另一方面随着空泡的扩大其产生的推力将空泡下方的银浆物质转印到产品基底19表面；在全部图案的扫描路径完成后将透明基底垂直向上移开，则在产品基底19上形成转印的电极图案；

连续激光器2发出532nm的连续激光，进入第二扩束镜4，第二扩束镜4对激光进行准直和扩束，改善激光的准直度，使发射的光束直径加大；再经过第三反射镜6和第四反射镜7入射到立方体分光镜8，经过立方体分光镜8反射的光与脉冲激光器透射的后段光路重合，用同样的加工扫描路径将连续激光器产生的连续激光聚焦在电极的上表面进行选择性烧结。烧结工艺分两步进行：第一步为预热固化过程，其连续激光器的输出功率为0.5～2W；第二步为烧结过程，其连续激光器输出功率为1～5W。

光路系统的衍射光学元件12到扫描振镜13入瞳处的距离为10cm～20cm。衍射光学元件安装位置有讲究，不同的安装位置会有不同的影像效果，最佳安装位置为激光光束的束腰处垂直入射衍射光学元件。衍射光学元件实现对激光器发射的激光进行能量分布均匀化及影像图案定制，以实现一次图案生成，合理的设计使激光对银浆的转印达到优良效果。

银浆的粘稠度控制在200～500Pa·s的范围内，调节好银浆的粘稠度可以获得最优的转印图形质量以及良好的导电率，反之过大或过小的粘稠度则可能降低银浆与基底材质的结合力或形成极低高宽比的图案并降低电极的导电率。

透明基底16到产品基底19上表面的距离可通过距离调节机构17来调节。特别是对于银浆转印工艺，转印是激光诱导产生的空泡推动银浆转移到到样品基底表面上面形成图案，打印最高分辨率可达10um，而透明基底16到产品基底19上表面的距离相对位置会影响转印的效果，调节好相对位置可以使得激光转印的银浆形成高宽比线条，转印图案边缘清晰。如果调节不适当，会降低转印图案的高宽比以及分辨率，甚至会有无图案或银浆溅射基底等现象出现，影响转印质量。

减小现有光伏栅极及陶瓷电路中由低高宽比电极的制造工艺带来的串联电阻和接触电阻等电学损失及”阴影效应”带来的光学损失(光伏电池)，有效提升电极导电效率及光电转换效率，同时具有柔性打印特点可应对各种复杂的图案要求，并可以通过光束整形手段一次打印出微结构图形，提高了加工效率。同时针对一些不耐高温的基底材质，可利用激光选择性烧结来完成，对两步工艺进行整合，节省了生产节拍时间和成本。

对银浆进行激光诱导前向转印和烧结工艺时，如图2所示，加工工艺流程步骤为：

①：第一机械手从装有石英玻璃(透明基底)的第一料盒中取料；

②：机械手将待涂布银浆的玻璃基底移至涂布机上；

③：涂布机完成涂布后将涂有银浆的玻璃基底移至加工工位；

④⑤：与此同时第二机械手从装有待打印样品(产品基底)料盒中取料将其移至加工工位；

⑥⑦：激光加工完成后，第一机械手将玻璃基底垂直抬起并移至清理回收装置，进行玻璃片的清洗及银浆的回收；

⑩：清洗回收完成后，将玻璃片送至第一料盒，与此同时第二机械手将加工好的样品(下基底)退回第二料盒完成一个加工循环。

综上所述，利用激光前向转印技术可制造出更大银浆高宽比值电极(大于0.7)，增大导线的横截面积，导电率得到显著改善的同时，给电路设计留出更大的设计空间，在光伏电池中还可以减少“阴影效应”带来的光学损失。

采用激光选择性烧结方式对基底的种类选择更加广泛，尤其针对于不耐高温的基底，如铜铟镓硒电池基底，可选择性对电极进行高温固化或烧结而不损伤基底材质。

加工采用的银浆材料在清理后进行收集处理可回收利用，不浪费打印材质。

电极打印和烧结工艺采用同样的加工路径，设备合二为一有效缩短了加工流程，节省了节拍时间和耗材成本。

光路系统中配备的衍射光学元件镜片使出射的光斑获得各种定制化的影像图案，通过调节银浆的流体属性如粘稠度、表面张力、屈服强度以及激光参数，则可利用激光触发的单个脉冲获得所需转印图案，提高了加工的效率。

光路系统中衍射光学元件镜片到扫描振镜入瞳处的距离为10cm～20cm，位置可以通过四维调整架来调节，合理的设计以及调节好的相对位置使得整形后的激光光束对银浆转印获得优良效果。

利用激光前向转印技术制造的电极图案可定制化由激光束扫描路径获得，增加了电路的设计空间，与传统的丝网印刷技术相比省去了制作不同丝印模板的成本费用的同时可获得更高的打印分辨率(最小10um线宽)。

通过调节激光参数、聚焦系统设计以及银浆的流体属性，可以在不同材质产品的基底上进行电极打印，如镀膜玻璃、硅(单晶、多晶、非晶)、氮化硅、陶瓷等，对基底的选择性较为广泛。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

上述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (5)

1.激光诱导前向转印和烧结制作银浆电极的加工装置，其特征在于：包含脉冲激光器、连续激光器、立方体分光镜、偏振波片以及偏振分光片，所述脉冲激光器的输出光路上依次布置第一扩束镜和第一反射镜，第一反射镜反射光路上依次布置立方体分光镜、偏振波片、偏振分光片、第二反射镜、衍射光学元件、扫描振镜以及场镜，场镜的光路输出端正对于载物单元；

所述连续激光器的输出光路上依次布置第二扩束镜、反射镜，反射镜的反射光路对应于立方体分光镜，其光路反射至立方体分光镜上，经立方体分光镜反射的光与脉冲激光器透射的光路重合；

所述载物单元包含上承板和下承板，上承板与下承板均为中空结构，之间通过距离调节机构连接，距离调节机构调节上承板与下承板之间的间距，涂覆有银浆层的透明基底倒扣在上承板的中空处，产品基底置于下承板的中空处，产品基底与银浆层相对，场镜的光路输出端正对于涂有银浆层的透明基底和银浆层的界面处。

2.根据权利要求1所述的激光诱导前向转印和烧结制作银浆电极的加工装置，其特征在于：所述偏振波片为1/2λ波片。

3.根据权利要求1所述的激光诱导前向转印和烧结制作银浆电极的加工装置，其特征在于：所述衍射光学元件为激光光束整形镜片。

4.根据权利要求1所述的激光诱导前向转印和烧结制作银浆电极的加工装置，其特征在于：所述场镜为远心场镜。

5.根据权利要求1所述的激光诱导前向转印和烧结制作银浆电极的加工装置，其特征在于：所述透明基底的材质为镀增透膜的熔融石英玻璃，厚度为0.5～2mm。