面向微型电子元器件制造的非接触式功能墨水3D打印技术概述

张海宁　葛建军　李子凡

摘 要：喷墨3D打印和气溶胶3D打印作为两种代表性、基于纳米功能墨水的非接触式3D打印技术，已然被广泛采用于多种电子和电子设备应用生产，应用前景广泛。本文将从技术过程、技术现状、技术比较与实践限制方面进行分别概述。

关键词：微电子元器件制造；非接触式3D打印；气溶胶打印

一、非接触功能墨水3D打印技术过程

喷墨3D打印和气溶胶3D打印是两种代表性的基于纳米功能墨水的非接触式3D打印技术，当前已被广泛采用于生产各种各样的电子和电子设备应用中。根据液滴形成和喷射原理，喷墨3D打印可以分为连续喷墨打印系统和按需求滴墨打印系统。对于连续喷墨打印系统，连续的墨水流经受控的热或压电扰动均匀分解成液滴以成型。由于生成的液滴将穿过电场，一些墨滴将被带电并捕获以供再利用，而其余未带电的液滴将降落在基底上形成打印图案。与连续喷墨打印系统不同，按需求滴墨打印系统的单个液滴是通过腔体体积迅速变化生成的。由于施加的动量，生成的液滴被喷射到基底完成印刷。与连续喷墨系统相比，按需求滴墨系统能够减少废料产生并具有更高的分辨率，因此广泛用于印刷电子设备。与喷墨3D打印相比，气溶胶3D打印是近期方在各个研究领域和印刷电子行业中商业化的技术之一。在这项技术中，经过配制的纳米颗粒墨水通过气动或超声雾化器雾化成墨水气溶胶。生成的墨水气溶胶被载体气流带到喷嘴，然后在喷嘴尖端被包覆成圆柱形的护套气流。最后，将高速运输的气溶胶液滴打印到高速运动的基底上，在基底上产生具有高密度的精细导电线。由于印刷电子产品的基本功能材料通常以纳米颗粒为主，如碳纳米管、金属纳米颗粒和导电聚合物，因此需要特殊溶剂制备不同功能墨水以用于非接触直接墨水书写技术。

二、与传统接触式直接印刷技术的比较

与传统非接触直接印刷技术相比，喷墨3D打印技术由于具备在柔性基底上以高加工速度进行打印的能力，已作为代表性微型电子元器件制造技术用于电子产打印品。尽管其加工速度相对较低，由于气溶胶 3D打印技术具备在非平面表面上以更高分辨率进行打印的能力，[1]且对墨水粘度的限制较少，[2]是目前更受欢迎的非接触直接喷墨打印技术，用于生产传感器和电子图案。此外虽然传统接触直接印刷技术可以消除溶剂不兼容性、咖啡圈效应和其他限制非接触功能墨水3D打印技术打印质量的问题，但由于其相对较低的效率和对刚性基底的要求，它们在大规模电子设备制造中很少被使用。因此在印刷电子行业中，喷墨3D打印和气溶胶3D打印技术更受青睐。

三、非接触式功能墨水3D打印技术现状

为了实现印刷质量的优化并确保对印刷线特征的高可控性，有必要系统地分析非接触式功能墨水3D打印的制造过程，并准确地识别影响因素与印刷线特征之间的因果关系。非接触式功能墨水3D打印技术的制造过程包括三个阶段：（1）预打印，（2）打印过程和（3）打印后处理。预打印和打印过程阶段可以直接影响打印线条的形态，而打印后处理阶段会因咖啡圈效应而影响横截面剖面的均勻性。由于打印线条的形态直接影响横截面剖面，实时优化和控制打印线条的形态被认为是制造过程中的主要挑战。此外，由于打印线条特征是打印过程参数和预打印因素相互作用的结果，因此重要的是准确地确定关键可调节的工艺参数与打印线条特征之间的关系，这将有助于提高打印线条质量和非接触式打印过程的可控性。

四、非接触式功能墨水3D打印技术的当前限制

近年来非接触功能墨水3D打印技术在微电子的细线图案和多层堆叠方面取得了显著的进展，[3]但功能墨水的可打印性仍然对微电子设备进一步微型化构成挑战。功能墨水的可打印性主要受流体特性的影响，影响功能墨水的关键特性包括墨水粘度、表面张力和功能墨水密度。例如，出于打印过程中使用的墨水特性的限制，导电线可能会出现高度飞溅或卫星飞滴，这不利于微电子设备的微型化。[4]尽管非接触功能墨水3D打印技术具有处理高粘度墨水（1-2500cP）的能力，由于不同工艺参数之间的复杂相互作用，导电线可能会出现高度超喷或不连续。因此，分析物理特性和主要工艺参数、确定墨水特性和操作条件的可打印范围，对于确保非接触喷墨打印技术的可打印性非常重要。

即使已然为非接触直接喷墨印刷技术确定了最佳的可打印范围，所生产的线条特征仍可能存在某些缺陷：边缘粗糙度高和线条厚度不足将严重影响生产的电子设备的性能。这是由于采用了不当的工艺参数，导电线印刷时可能具有较高的边缘粗糙度，这对印刷线电阻的均匀性有害。另一方面，由于咖啡环效应，线条厚度不足，线条中心将产生空洞和凹陷，这将显著降低印刷组件的导电性。由此可见，增加印刷线条的厚度并减少线条边缘粗糙度对于提高电子设备性能至关重要。

尽管非接触喷墨印刷技术已经在印刷电子行业和各种研究领域取得了成功应用，但其在大规模工业制造和制造领域的广泛采用受到了可重复性和工艺一致性方面的问题的阻碍。非接触喷墨印刷系统的可重复性和工艺一致性差，这可以归因于工艺漂移，这意味着非接触喷墨印刷过程的沉积速率将在相对短的印刷时间内发生显著变化。因此，尽管实验中采用相同的沉积设置，印刷线形态和相应的电特性同样会随时间大幅变化。总得来说分析工艺漂移对印刷线特征的影响，并提出相应经济的校准方法以补偿打印过程中引起的变化和不一致性是具有相当的重要性。

参考文献：

[1] Mahajan A， Frisbie C D， Francis L F. Optimization of aerosol jet printing for high-resolution， high-aspect ratio silver lines[J]. ACS applied materials & interfaces， 2013， 5（11）： 4856-4864.

[2] Binder S， Glatthaar M， R？dlein E. Analytical investigation of aerosol jet printing[J]. Aerosol Science and Technology， 2014， 48（9）： 924-929.

[3] 张鑫明， 郭拉凤， 张远明， 等. 气溶胶喷墨打印工艺参数对图案精度的影响[J]. 微纳电子技术， 2018， 55（9）： 688-693.

[4] 舒霞云， 吴常健， 常雪峰， 等. 气溶胶喷射打印系统成形宽度影响因素分析[J]. 厦门理工学院学报， 2020， 28（3）： 1-8.

作者简介：张海宁，男，博士研究生，研究方向为3D打印与人工智能。

项目基金：安徽省教育厅安徽高校自然科学研究项目（KJ2021A1111）。