CN2925008Y - 一种电子浆料的直写成型装置 - Google Patents

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李祥友
李敬
李金洪
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Abstract

本实用新型公开了一种电子浆料的直写成型装置，包括沉积喷嘴、基板、由控制器控制的工作台、二流体雾化喷嘴和对接喷管；二流体雾化喷嘴由位于雾化腔内的气体喷嘴和液体喷嘴构成；气体喷嘴通过导气管与气源相连，液体喷嘴与浆料导管的一端相连，浆料导管的另一端伸入至雾化腔的下部；导引管口位于雾化腔的上部；雾化腔上设有用于测量其气压的微压表；对接喷管位于泄压回收腔内、由共中心轴线的上、下喷管组成；上喷管通过导管与导引管口相连；下喷管通过连接管与沉积喷嘴相连；泄压回收腔上设有用于改变其气压的调节阀。本实用新型装置浆料雾化效果好，调节范围大，运行稳定，结构简单，操作方便，实用性强。

Description

一种电子浆料的直写成型装置
技术领域
本实用新型属于电子制造技术领域，具体涉及一种电子浆料的直写成型装置，该装置可应用于电子元器件的制造，包括导体、电阻、电容、电感和传感器以及电极的制造等。
背景技术
目前，随着电子制造技术向集成化、小型化、短时效、小批量、多品种以及三维制造的方向发展，要求导线宽度和线间距越来越小，并能够实现多层布线。传统的制造工艺，如丝网印刷和低分辨率平版印刷技术难以满足高精度、小批量快速制造的要求，具体表现在如下几个方面：制造工艺复杂、工序多，在高精度、高密度电路的制造中容易产生较大的误差，导致成品率降低；最小线宽和线间距受到限制；腐蚀工艺等过程中需要去除较多的电子材料，不但造成贵金属材料的浪费，且所使用的一些化学溶液对环境安全造成威胁；研制周期长，完成制造以后不易修改，对小批量产品成本太高，难以保证在一些特殊的应用领域要求。
基于快速成型原理的直写技术是采用特定的工艺，利用加工工作台的CAD/CAM功能，在基板表面直接形成所需功能图形的过程。由于该技术无需掩膜、周期短、材料利用率高、对环境污染小以及适用于三维制作等优点，因此备受研究者的青睐，近年来获得了快速的发展。根据直写时作用方式的不同，直写技术包括减成法与加成法两种。其中，减成法是采用一定的工具(如激光、刀具等)将材料实现选择性去除，形成所需要成型加工的图形的过程。加成法则是采用添加材料的方式完成直写过程。与减成法相比，加成法的最大特点在于工艺简便，节省材料，柔性化制造的程度更高。加成法直写技术又可以细分为喷射沉积直写技术和挤压成型直写技术，其中较为常用的喷射沉积直写技术有喷墨式沉积直写技术、等离子体热喷射直写技术、M3D(Maskless Mesoscale Material Deposition)直写技术，挤压成型直写技术有Micropen直写和Dip-Pen Nanolithography直写等等，主要是针对高粘度的材料时使用。
喷墨沉积(ink-jet deposition)直写是最常用的喷射沉积直写电子制造方法，它是在成熟的喷墨打印(ink-jet printing)技术的基础上发展起来的，通常为可控制喷印式(drop-on-demand，DOD)，即采用喷墨打印喷嘴在基板上以微滴(drop-by-drop)的形式直接印刷电子图案。目前，常用的可控制喷印式有微压电喷墨式和热气泡式两种方式。微压电式(Piezoelectric，PZT)喷墨是利用压电片产生机械震动，当震动以声波形式传播到喷嘴尖端时，声波的正压使喷嘴尖端的液体加速，并在惯性作用下，克服表面张力脱离液体，形成液滴射出，随后声波的负压在喷嘴中形成局部真空，从进液系统中吸入液体充满喷嘴，准备下次喷射。热气泡式(Thermal)喷墨主要利用电晶体加热，在百万分之3秒到百万分之5秒内瞬间加热到达400℃，墨水变成气泡，气泡受到挤压而喷出成墨滴，与其接触的液体迅速气化形成很小的气泡，膨胀的气泡挤压喷嘴中的液体使其以液滴的形式射出，然后在电热元件降温和喷嘴毛细管虹吸的共同作用下，喷嘴从进液系统吸入液体补充射出的液体，为下一次喷射做准备。在电子线路的直写技术里，应用较多的是微压电式喷墨，因为它结构较简单，更适于喷射电子浆料。喷墨沉积直写可以达到的最小特征线宽是50μm，其缺点是要求材料即喷墨用墨水的粘度比较小(6-8×10-3Pa.S)，这决定了可以选用的直写材料非常少。
等离子喷涂(Plasma/Thermal spray)直写技术采用热喷涂的工艺原理，即利用高温等离子体焰流将微细粉末加热到半熔融态并高速撞击基板，快速形成致密性好、结合强度高的沉积膜层，其特点是能够在非平面基板上直写，特别适合于直写用于苛刻环境中的传感器等，并且无需后续烧结，但是其线宽有很大的局限性，目前特征线宽在0.3mm-1mm之间。
M3D(Maskless Mesoscale Material Deposition)直写技术采用雾化系统(超声波雾化器或气体雾化器)雾化液态分子前驱体或含颗粒的前驱体，并结合喷嘴系统，将其以较低速度喷射并沉积到基板上，形成所要求的电子图案。M3D的特点是特征线宽较小，可用于曲面或者大面积基板，能进行三维制造，和激光辐照相结合可用于低温聚合物基板。然而M3D的装置最大的缺点是所能够雾化的液态前驱体粘度很小，仅仅在0.7×10-3-1Pa.S这样一个很窄的范围内。主要原因在于，M3D利用的是雾化沉积直写技术，由于所设计雾化结构的限制导致腔体的雾化能力差，所能够雾化的液态分子前驱体粘度小，这一方面大幅度限制了材料的选择范围，另一方面也直接影响到最终电子产品的电气性能和物理性能。参见美国专利文献“APPARATUSES AND METHOD FOR MASKLESS MESEOECALE MATERIALDEPOSITION”(US20040228124A1，公开日为2003年12月11日)。
作为挤压式直写技术，Micropen直写技术采用计算机控制电机，泵压注射管内浆料，通过喷嘴流出并与基板表面恰当接触形成膜层，在控制装置控制下直写出所设计的图案。此技术开发较早，在很多方面取得一定的进展，但是设备较复杂。该技术的最大优点在于，适合高粘度的浆料。但是，由于采用接触反馈式位置传感器控制喷嘴与基板的高度，因此对基板的平整度有很高的要求，对于工业应用而言适应度较差。同时，由于浆料的粘度大，输送速度慢，在工作台换向时易出现失步现象，使得所制备的电子元器件出现断点。同时，Micropen难以在曲面基板上直写，其特征线宽一般在50μm以上。类似Micropen直写的还有Quill-pen直写，两者原理一样，特点也相近，但是Quill-pen直写技术改进了控制Quill的位置检测和传感系统，使之适合于在非平面上的直写。
Dip-Pen Nanolithography直写用传统的原子力显微镜(Atomic ForceMicroscopy-AFM)尖端传输所要沉积的材料到基板表面，即将固态有机墨水加热到100℃以上，使之处于熔化的流动态，并且能够自组装在基片上。此技术最大的特点是特征线宽在纳米级，但是成本很高，设备构成复杂，只是在一些要求加工精度极高的地方能够工业应用。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种电子浆料的直写成型装置，该装置可以雾化的浆料粘度值范围大，材料的选择范围大，雾化效果好，装置结构简单，操作方便。
本实用新型提供的一种电子浆料的直写成型装置，包括沉积喷嘴、基板和由控制器控制的工作台，沉积喷嘴或基板固定在工作台上；其特征在于：该装置还包括二流体雾化喷嘴和对接喷管；二流体雾化喷嘴由位于雾化腔内的气体喷嘴和液体喷嘴构成；其中，气体喷嘴通过导气管与气源相连，液体喷嘴与浆料导管的一端相连，浆料导管的另一端伸入至雾化腔的下部；导引管口位于雾化腔的上部；雾化腔上设有用于测量其气压的微压表；对接喷管位于泄压回收腔内、由共中心轴线的上、下喷管组成，上喷管的直径小于下喷管的直径；上喷管通过导管与导引管口相连；下喷管通过连接管与沉积喷嘴相连；泄压回收腔上设有用于改变其气压的调节阀。
作为本实用新型的优化方案，上述气体喷嘴的中心轴线和液体喷嘴的中心轴线在同一个平面内相互垂直，气体喷嘴的中心轴线位于液体喷嘴的端面内；上喷管和下喷管上、下对称分布，且上喷管的直径小于下喷管的直径；雾化腔位于恒温加热装置中，或者内设加热装置。
本实用新型基于快速成型原理，利用气体雾化电子浆料和气体雾滴混合流沉积进行直写。与M3D技术相比，本实用新型的优势在于：
(1)本实用新型采用二流体雾化喷嘴雾化浆料，气体喷嘴内径小，气流速度高，雾化效果好，雾化量大，用于雾化的电子浆料易于更换。M3D利用雾化腔壁作为雾化喷嘴主体结构，相同气压下气流速度小，雾化效果较差。
(2)本实用新型中雾化喷嘴结构简单实用，雾化能力强，可以雾化的浆料的粘度较大(达到5Pa.S或者更高)。M3D的雾化喷嘴可以雾化的液态前驱体粘度小，气体雾化所能雾化的最大粘度为1Pa.S，而所采用的超声波雾化沉积法可雾化的浆料粘度更小，仅仅在10×10-3Pa.S以下。
(3)本实用新型所用二流体雾化喷嘴竖直向上使雾化产物向上运动，对雾化以后的雾滴尺寸有很强的筛选作用，使得一些大尺寸的液滴回落到容器中。通过调整雾化喷嘴与导引管之间的距离H，可以控制从导引管飞出来的雾滴尺寸。间距H越大，筛选作用越显著，使得直写线宽在10微米量级甚至更加窄的细线成为可能，同时也增加了沉积膜层的致密度，提高了膜层的电气性能。而在M3D系统中，从雾化系统到沉积系统对雾滴的选择性很差，影响直写的效果。
总之，本实用新型装置浆料雾化效果好，调节范围大，运行稳定，结构简单，操作方便，实用性强。
附图说明
图1为本实用新型装置的结构示意图；
图2为本实用新型装置的一种具体实施方式的结构示意图；
图3为喷嘴运动基板固定的直写方式原理示意图。
具体实现方式
下面结合附图和实例对本实用新型作进一步详细的说明。
如图1所示，本实用新型装置由雾化装置和沉积装置二部分构成。雾化装置结构为：二流体雾化喷嘴由位于雾化腔8内的气体喷嘴2和液体喷嘴4构成。气体喷嘴2通过导气管1与气源相连，液体喷嘴4与浆料导管3的一端相连，浆料导管3的另一端伸入至雾化腔8内的浆料5中。雾化腔8上设有用于测量雾化腔8内气压的微压表7，导引管口6位于雾化腔8的腔内上部。为了保证大粘度的电子浆料也能够顺利实现雾化、沉积，并且不受或者少受环境温度的影响，应当将电子浆料预热到一定的温度。预热的方式有两种，一是在雾化腔内的电子浆料中加入电热装置，二是对雾化腔整体进行加热，使电子浆料间接受热。为了保证雾化的均匀性，一般将温度控制在30℃到80℃之间。图1所示是将整个雾化腔8置于恒温加热装置16中。
沉积装置的结构为：对接喷管9位于泄压回收腔11内，由共中心轴线的二个喷管9A、9B组成，二者最好上下对称分布。上喷管9A、下喷管9B由泄压回收腔11的腔体固定，上喷管9A的直径小于下喷管9B的直径为宜。导引管口6与对接喷管9的上喷管9A通过导管相连。泄压回收腔11上设有用于改变泄压回收腔11内气压的调节阀10。对接喷管9的下喷管9B通过连接管16与沉积喷嘴12相连，沉积喷嘴12喷射浆料并沉积在基板13表面。工作台14在控制器15的控制下，沉积直写出图形文件规定的图案。其中，可以采用沉积喷嘴12固定、基板13随工作台14运动的方式进行直写(如图1、图2所示)，也可以采用基板13固定，沉积喷嘴12随工作台14运动的方式进行直写(如图3所示)。
控制器15可以选用单片机作下位机、PC机作为上位机等不同的方式来进行控制，也可以采用其它标准数控方式进行控制。
上述装置的工作原理是：当雾化用气流通往二流体雾化喷嘴的气体喷嘴2，气体喷嘴的出口内径很小，以获得较大的气流速度；气流带走了液体喷嘴4前端端口的气体，致使液体喷嘴4端口处压强减小，在液体喷嘴4前部端口形成负压(小于其周围环境气压)，位于雾化腔底部的浆料在此压差的作用下，沿着浆料导管3输运到液体喷嘴4的喷嘴出口处，在高速气流作用下雾化成小雾滴。所产生的雾化物在气流的冲击作用下向上运动，大雾滴在自身重力作用下减速运动最后落回雾化腔内，中小粒径的雾滴在气流的带动作用下向导引管口6运动，其中导引管口6采用锥形或其它下端面大的形状，以增大气雾混合物的接受面积，使更多的雾化物由导引管引流出雾化腔8，气雾流由导引管口6收集之后，沿导引管流到对接喷管9，由于上喷管9A的直径小于下喷管9B的直径，这样增加了下喷管9B的管口对雾化液滴的承接面积，增大了气雾流经下喷管9B进入沉积喷嘴12的几率。上喷管9A、下喷管9B的口径大小和二者之间的距离主要由直写时雾化腔8内气压的大小来确定。如果上喷管9A、下喷管9B的口径一定，雾化腔8内气压小则从上喷管9A喷射出的雾化液滴聚焦距离短，上喷管9A和下喷管9B之间的距离就要相应的减小。上述结构称之为泄压回收腔11，其主要功能在于：从雾化腔内逸出的雾化液滴，气流压力较大，而液滴浓度较低，如果直接用于直写过程，浆料浓度不够。通过泄压回收腔11，雾化液滴经上喷管9A管口进入下喷管9B管口时，大部分气流从对接喷管9逸出，存储在泄压回收腔11内。从下喷管9B引流出来雾化液滴，浓度加大，经沉积喷嘴12聚焦后沉积在基板13表面上，只有一小部分雾化液滴在气流的横向运动作用下飞离对接喷管9，并沉降在泄压回收腔11内回收并重复利用。
在雾化腔8内，由于气体喷嘴2出来的气体使得浆料雾化成液滴时，气体动能主要转化为因浆料雾化导致总表面积增大时所需要的表面能和雾滴的动能。在浆料的粘度和表面张力一定时，雾滴的粒度主要取决于气流速度与流量。随着雾化腔8内的背景气压增大，雾化腔与气源之间的压力差变小，气流速度变小，浆料的雾化效果会降低直到维持一动态平衡水平。同时，雾化腔8内与外部环境的压力差又是导引气雾混合物输运到泄压回收腔11并最终实现沉积的动力源，因此该压强应该高于一定的临界值。在实际工作过程中，一般根据沉积喷嘴12的直径与所需要的沉积速度来调节雾化腔8和泄压回收腔内的压力，并达到平衡态。
在本实用新型的装置中，由输入气体喷嘴2与液体喷嘴4组成的二流体雾化系统与导引管口6之间的间距H(见图1)至关重要。一般而言，H值越大，则雾化后回落到雾化腔内的液滴越多，能够沿着导引管口6逸出的液滴直径越小，所能够沉积的最小线宽越小，而沉积速度也越低。因此，H的大小应该根据实际的线宽要求来合理选择。
本实用新型装置中，雾化腔8的预热(或者雾化腔内电子浆料的直接加热)也是非常重要的。其主要作用是改变电子浆料的粘度，使得高粘度电子浆料的粘度随着温度升高而降低，以适合雾化、沉积过程，这是本专利比美国专利(US20040228124A1)更为优越的关键之一。
整个装置的使用过程为：首先调试二流体雾化喷嘴到最佳状态(雾化量最大、雾滴最小的状态)，置于雾化腔8内并固定好；把浆料调节到适当粘度，并搅拌均匀，然后灌装到雾化腔8内；用导管连接雾化装置和沉积装置，调整调节阀10使泄压回收腔11的气压到合适的数值，就可以开始沉积工作。
本实用新型的一种具体实施方式如图2所示。从高压气瓶17输出N2气，经大量程减压阀18和大量程调压表19后，作为浆料雾化和导引沉积的动力源提供给雾化装置和沉积装置，N2气经塑料气管连接到装配有小量程压力表20的调压阀21再次调压，可以读出雾化时所用压强大小，然后用气管再连接电磁阀22控制气流通断。
在雾化开始后，由微压表7读出雾化腔8的气压，并通过调节阀10调节输入气体的压力来反馈控制雾化腔8内的气压。雾化稳定后，即可由沉积喷嘴12进行沉积直写。
为达到更好的雾化效果，对图1、图2所示的二流体垂直雾化喷嘴而言，气体喷嘴2的中心轴线和液体喷嘴4的中心轴线在同一个平面内相互垂直，气体喷嘴2的中心轴线位于液体喷嘴4的端面内，并且气体喷嘴2的端口和液体喷嘴4的中心轴线保持适宜的距离，以确保有最大的雾化量和最细的雾滴。具体取值主要根据气体喷嘴2和液体喷嘴口径确定，并根据雾化腔8内的气压进行调整。如当气体喷嘴2口径为0.28mm，液体喷嘴口径为0.4mm时，气体喷嘴2的端口和液体喷嘴4的中心轴线的距离范围为0.4-0.7mm较好。在雾化机构里，二流体雾化喷嘴除了用图1、图2所示的垂直雾化喷嘴外，还可以采用其它形式的雾化喷嘴，例如常用的二流体同轴雾化喷嘴，置于中心的液体喷嘴输运液态浆料，与液体喷嘴同圆心的气体喷嘴和液体喷嘴构成均匀的环状缝隙喷出高速气流，当气液两相流在喷嘴端口处接触，气液之间的相对速度很大，产生摩擦力，将浆料雾化。
在具体实施方式中，气体喷嘴2与导气管1、液体喷嘴4与浆料导管3均可以采用一体式结构，也可以采用分离部件连接而成。导引管口6与上喷管9A及其导管、下喷管9B与沉积喷嘴12及其连接管也同样可以采用一体式结构，或者由分离部件连接而成。
雾化腔8腔壁与其他部件的连接处用橡胶圈或密封圈密封，雾化时要保证气密性良好，以免雾滴随着气流在雾化腔8外壁上凝结。
本装置在使用时，将固定在工作台14上的基板13与沉积喷嘴12之间保持一定的距离，沉积喷嘴12对气雾流束直径有收缩作用，收缩之后的流束在一定范围内不发散，这样使得沉积喷嘴12离基板13表面的距离在一定范围内变化时，所直写出的线条线宽保持不变，所以本实用新型对基板表面的平整度要求并不十分严格，甚至基板表面存在有数十微米级别的台阶时也可以保证线宽及厚度不变，并可以用来在曲面基板上进行沉积直写。
本实用新型装置与二维工作台结合，并附以相应的控制装置，可以在平面基板上沉积直写出二维图形，如果配以三维工作台，还可以进行三维结构的直写。直写后的半成品如导体、电阻和电容以及传感器需通过高温烧结达到相应的功能要求。如果本实用新型装置与激光加工装置相结合，在所沉积膜层的上进行激光烧结，一方面使线宽更窄，另一方面可以免去高温烧结，适合于在低温基板上直写电路和在集成电路板上制作电极等应用，还可以用于多层线路板、微机电系统、混合集成电路基板的直接制造等。
实施例1-3
实施例1-3在陶瓷(Al2O3，96wt％)基板上沉积直写高温Ag导体。二流体雾化喷嘴中，气体喷嘴的直径为Φ0.22mm，液体喷嘴直径为Φ0.5mm，沉积喷嘴直径为Φ0.4mm，浆料粘度2Pa.S，其它参数如表一所示。
表一)
实例 输入雾化喷嘴气压 雾化腔内气压 沉积喷嘴到基板距离 最小线宽
1 0.20MPa 0.03MPa 2.5mm 0.15mm
2 0.14MPa 0.02MPa 2.0mm 0.08mm
3 0.10MPa 0.01MPa 1.5mm 0.05mm
实施例4-6
实施例4-6在Si基板上沉积直写Ag导体。二流体雾化喷嘴中，气体喷嘴的直径为Φ0.20mm，液体喷嘴直径为Φ0.50mm，沉积喷嘴直径为Φ0.10mm，浆料粘度2Pa.S，其它参数如表二所示
表二)
实例 输入雾化喷嘴气压 雾化腔内气压 沉积喷嘴到基板距离 最小线宽
4 0.32MPa 0.03MPa 2.5mm 0.06mm
5 0.20MPa 0.02MPa 2.0mm 0.04mm
6 0.15MPa 0.02MPa 1.5mm 0.02mm
本实用新型所提出的电子浆料直写技术利用雾化喷嘴雾化电子浆料成微细颗粒，然后在气流的引导下沿着管道输运到喷嘴，经喷嘴沉积在基板上，形成所预设定的电路图形。其中，沉积路径受数控工作台所发出的控制指令控制，电子浆料包括导体浆料、电阻浆料、介质浆料或其他电子浆料，基板可以是陶瓷、玻璃、硅、环氧树脂等材料。

Claims (5)

1、一种电子浆料的直写成型装置，包括沉积喷嘴、基板和由控制器控制的工作台，沉积喷嘴或基板固定在工作台上；其特征在于：该装置还包括二流体雾化喷嘴和对接喷管(9)；二流体雾化喷嘴由位于雾化腔(8)内的气体喷嘴(2)和液体喷嘴(4)构成；其中，气体喷嘴(2)通过导气管(1)与气源相连，液体喷嘴(4)与浆料导管(3)的一端相连，浆料导管(3)的另一端伸入至雾化腔(8)的下部；导引管口(6)位于雾化腔(8)的上部；雾化腔(8)上设有用于测量其气压的微压表(7)；对接喷管(9)位于泄压回收腔(11)内、由共中心轴线的上、下喷管(9A、9B)组成；上喷管(9A)通过导管与导引管口(6)相连；下喷管(9B)通过连接管与沉积喷嘴(12)相连；泄压回收腔(11)上设有用于改变其气压的调节阀(10)。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：上喷管(9A)和下喷管(9B)上、下对称分布，且上喷管(9A)的直径小于下喷管(9B)的直径。
3、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：气体喷嘴(2)的中心轴线和液体喷嘴(4)的中心轴线在同一个平面内相互垂直，气体喷嘴(2)的中心轴线位于液体喷嘴(4)的端面内。
4、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：雾化腔(8)位于恒温加热装置(16)中。
5、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：雾化腔(8)内设有加热装置。
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