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用纳米银油墨的闪速烧结制备的导电图案具有生产效率高、工艺温度低等优点。然而，由于导电图案的表面形貌脆弱，其稳定性不好。为了提高烧结状态的稳定性，本研究提出了一种基于多传感器数据的反馈控制在线监测烧结状态的方法。在不同的烧结状态下，闪速烧结导电图案表现出不同的表面形貌。为了确定烧结程度，设计了一套成像系统来分析导电图样的近红外光反射。同时，用一个非接触式温度计来测量导电图案和衬底之间的温差。由于导电模式的导热系数在闪速烧结过程中发生了变化，所以温差可以代表烧结程度。结合近红外图像和温度数据，可以准确评估烧结状态，优化烧结参数，实现闭环闪速烧结。作为实例，该方法成功地应用于制作了与传统丝网印刷性能一致的微带天线阵列。

喷墨打印作为一种增材制造方法，与传统的制造方法相比，具有成本低、加工简单等优点。喷墨打印技术已应用于打印哺乳动物细胞和有机发光二极管，以及制作满足性能要求的太阳能电池板和电子元件。印刷电子在印刷有机场效应晶体管和射频器件方面显示出了潜在的应用前景。例如，可以通过喷墨打印来制作宽带高增益天线。在印刷电子产品中使用最广泛的材料是金属纳米颗粒油墨。在常见金属中，银的电阻率低至1.65×10−8Ω/cm，价格低于金、铜。此外，纳米银不易氧化，因此成为印刷导电图案的首选材料。导电图案必须烧结以提供导电性。现有的烧结方法可以分为热烧结和光子烧结两种。对于大多数热烧结方法，导电图案必须在烤箱或微波室中加热，以达到所需的导电性。迄今为止，热基烧结方法受到长时间高温过程的限制。激光烧结等光子烧结方法利用光扫描导电图案;光学曝光会使烧结后导电图案的表面形貌发生变化。采用连续脉冲激光烧结工艺，在柔性聚合物衬底上成功制备了有源和无源器件。激光烧结的缺点是局部温度高，烧结效率低。

闪速烧结采用大功率脉冲氙灯作为烧结源，在1-3 ms内向导电图案输送1000 J到5000 J的能量。由于闪速烧结系统在短时间内释放高能量，烧结模式的电导率不稳定，烧结过度或烧结不完全是常见问题，能量过高而导致的过度烧结会降低样品的电导率。目前烧结参数只能通过显微镜和探针站进行显微分析来调整。

本文提出了一种基于多传感器反馈数据的烧结在线优化方法。在烧结过程中同时测量了样品的近红外反射和温度。利用光学成像系统，根据样品在不同烧结状态下反射的变化来区分样品表面形貌。同时，非接触式温度传感器记录样品温度，以识别热导率。将成像结果与温度结果融合后，可以对烧结状态进行准确评价，从而在线优化烧结参数。

实验方法：将导电模式转换为标准三角形语言(STL)格式，并通过软件系统对数据进行分析。然后，对数据进行切片，并生成一组打印指令。然后将打印指令集发送到控制硬件系统;该系统识别打印指令，获取打印坐标等打印参数，启动打印机运行打印指令，并根据打印指令控制压电喷嘴。纳米银导电油墨是由纳米银粒子、有机树脂、乙醇和小分子醇醚(分别具有中沸点和高沸点)为溶剂组成。该压电喷嘴(Micro-Fab Technologies)直径为60μm，驱动波形为梯形，最大注入频率为15khz。液滴直径为45 ~ 55μm，最大喷雾粘度为15 Cp。脉冲氙灯的功率为4 kW，其烧结能量由4 kW的脉冲电源提供;该闪光灯的波长范围为230 ~ 680 nm，烧结时间为1 ~ 3 ms。闪光烧结功率密度可在10 - 25j/cm2范围内调节。

▲ 闪速烧结过程示意图

预烧结阶段，需要在恒温下加热，以去除低沸点溶剂，如乙醇，并形成银纳米粒子的半干膜。在这b阶段，银纳米颗粒未完全连接，薄膜不导电。然后，打开闪光灯，使溶剂完全蒸发(图(c))，合并银纳米粒子，并烧结纳米粒子，形成导电银膜。

上图为使用喷墨打印(上面板)和丝网印刷(下面板)制作的微带天线阵列。本文对烧结工艺进行优化，制备出金属贴片电阻率为10.8 μΩ/cm的微带天线阵列。结果表明喷墨打印烧结方式制备的天线阵列尺寸小于网印天线尺寸。从整体性能考虑，本研究方法满足了微带天线制造工艺的要求。

参考文献：

[1] F.B. Meng, J. Huang, T. Cao, et al. Multi-sensor feedback control for the flflash sintering of printed nano-silver ink [J]. Journal of Manufacturing Processes, 53 (2020) 356-363.

DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.02.025

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