材料沉积喷墨打印及
涂层系统解决方案

我们的应用

基于Inkjet、EHD、Ultra-sonic等技术积累,搭建材料喷墨打印与涂层研究与 应用平台,从科研到产业为您提供解决方案。

<p>柔性印刷电子、EUV光源锡滴发生装置、芯片封装、传感器、微透镜、MEMS、3D微结构等。</p>

电子信息

柔性印刷电子、EUV光源锡滴发生装置、芯片封装、传感器、微透镜、MEMS、3D微结构等。

典型案例

  • ▲ 柔性电子

    当今时代电子技术迅猛发展,传统的刚性电子产品已无法满足人们对电子产品便利性、人机交互能力以及舒适性的使用要求,从而限制了该类产品在日常生活中的实际应用,而可延展柔性电子技术可以在保持产品系统完整性的同时具备一定程度的拉伸、弯曲以及扭转等形变能力,受到了国内外电子产业界的广泛关注。可延展柔性电子技术是指在具备一定拉伸、弯曲以及扭转能力的聚合物薄膜基材上通过直写、转印等方式形成具有导电能力的互连电路图形的新型电子技术,其产品因在保持系统功能完整性的同时具备一定程度的拉伸、弯曲以及扭转等形变能力,可以应用在复杂的三维工作曲面环境中,大大地提高了此类电子产品的应用便捷度以及应用范围。目前,可延展柔性电子技术在光伏、显示、传感器等领域得到了快速的发展,出现了可延展太阳能电池面板、柔性有机电致发光器件(OLED)、电子纸(E-paper)、柔性智能标签(Smart tag)、柔性电池等应用。柔性电子制造过程通常包括:材料制备、沉积、图案化、封装, 可通过卷到卷(R2R)基板输送进行集成。 喷墨打印技术经过不断发展已经在工业生产中变得越来越常见,打印机工作原理是以热感或压电的方式将喷头腔体内的油墨以极细小的液滴喷射出来,在柔性衬底上形成设计的图案。MicroFab公司的Jetlab系列产品可以实现在任意3D对象上, 包括曲面的柔性表面打印任何电路结构。

  • ▲ 柔性可穿戴压力传感器

    柔性电子材料具有高灵敏度、可弯折等优点,具有可穿戴性,可应用于各类柔性传感器,如压力传感器、触觉传感器、气体分子传感器等。在电子皮肤、医疗监测、智能机器人等方面应用广泛。上图所示为基于银纳米线(AgNW)喷墨打印的柔性电阻式压力传感器,灵敏度高达0.48 kPa-1。

  • ▲ RFID电子标签

    RFID标签天线是按照射频识别所要求的功能而设计的电子线路,其性能对RFID系统的性能有着重要影响。目前,RFID标签天线的制备方法主要有蚀刻法、电镀法及导电油墨印刷法等。其中,蚀刻法存在成本高、 生产流程复杂、生产过程慢、精度较低及环境污染等问题;电镀法的小量生产成本昂贵,但大批量生产所需的设备投资又较高。导电油墨印刷法按照印制设备原理可分为丝网印制、凹版印制、柔性版印制和喷墨印制。其中,丝网印刷工艺精度可达10μm,具有较高的天线制备精度,但采用的油墨一般为高黏度油墨,墨层厚度较大,不适用于超高频、微波段墨层较薄的天线印制。凹版印制工艺可以获得较好的图形分辨率,印制油墨的层厚适中,但印制过程中印制压力大,可能使天线发生扭曲变形而影响天线的性能。柔性版印制基底材料适用广泛,但印制过程中的印制压力会使印版变形,造成制备的天线边缘均一性差,降低天线成品率。喷墨印制法是一种非接触式的数字化无版印制工艺,其制备过程中喷头与基底不接触,避免了微喷头的损坏和导电油墨被污染,对基底表面不产生压力,提高了制备稳定性和精度;可以使用较低黏度的墨水;无需制版,简化了印制过程;对天线图形可以在线修改,提高了天线制备的灵活性。

  • ▲ 传感器

    传感器是能将感受到的信号转换成电信号或其他能输出信号的一种检测装置。目前常见的传感器有湿度传感器、气敏传感器、光传感器、生物传感器等。如今,传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展的关键阶段。新型传感器向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化等方向发展的同时,对传感器的制备方法提出了更高的要求。喷墨打印技术是一种非接触式的数字成型技术,属于一种材料节约型沉积技术,用于打印的油墨可以是溶解或分散在溶剂中的液相材料。其工作原理是墨水腔受到突然的压电作用,导致腔室的体积减少,墨水从腔内喷出,之后墨水在重力与空气阻力的作用下喷射压降到撞击的基材上,在获得的动量作用下扩散,随着表面张力辅助流沿着表面流动,墨滴通过溶剂蒸发法干燥后形成要打印的图像。 化学传感器材料可通过喷墨印刷到MEMS器件上,用于临床诊断、制造过程控制、环境监测等。利用MicroFab公司的按需式喷墨技术,可以在50μm或更大的传感器结构上直接沉积。目前已成功制备100μm传感器元件的化学反应传感器阵列,用于快速筛选功能聚合物。一个静电(电容)传感器,由于传感器结构太小,不能将功能聚合物直接沉积到亚微米传感元件上。因此,使用Micro Fab公司的按需式喷墨技术,可以将2x4μm或更小的结构喷墨沉积,通过微沟槽将聚合物导向传感结构。(上图为100μm化学电阻传感器元件,用于快速筛选功能聚合物,由Lee Weiss,Carnegie Mellon提供)

  • 【传感器】化学电阻传感器 ▲

    化学传感器已经成为MEMS器件研究和开发中的一个相当热门领域,这是由于需要大量用于爆炸物、化学药品、药物滥用、工业气体、住宅气体和许多其他气体的低成本传感器。这些传感器中的大多数使用电或光活性材料,或者更简单地说,具有使敏感的分子暂时粘附到其表面。其中,大多数这些传感材料都是敏感材料,即不能用光刻技术处理。此外,因为它们是敏感的,它们通常被应用于制造工艺的最后部分;通常,这是在非常脆弱的非平面上进行制造。所有这些因素使得MEMS化学传感器制造成为一个广泛探索使用喷墨打印技术的领域。 化学电阻材料,即当暴露于特定氛围环境时可改变电阻的材料,是MEMS传感器器件中最广泛使用的传感材料。纳米材料和MEMS结构的最新发展节省了正在开发的时间。如图所示为用于检测呼吸机中挥发性有机化合物,左上图为传感器的基本结构是一对螺旋电极,位于直径为350μm的SU-8凹结构,直径为250μm。右下图,通常可包含多种传感材料的多个传感和参考元件被集成在一个2.65毫米的芯片上,该芯片还包含所有所需的控制电子器件。该芯片被组装到常用于光学器件的TO-5封装中(左下图)。 化学传感材料硫代金纳米粒子悬浮液中,并沉积在传感区域。但在左上图中看不到,使用喷墨设备将15滴标称30pL的体积沉积到传感器上。右上图显示了沉积225个标称30pL液滴后的传感区域,产生1.5μm的平均薄膜厚度。值得注意的是在传感区域使用了两个润湿“挡块”。SU-8凹井包含分配的初始流体体积,防止润湿到模块的其他区域。此外,在干燥过程中,流体从凹井的外部结露,使得所有的颗粒都沉积在电极区域上。这种自定中心行为可导致阻抗变化小于10%。 传感器材料的打印不仅发生在单个的管芯上,而且还发生在封装工艺中。这有效地将传感材料沉积方法限制为喷墨打印方法,并且在产品中印刷固定在夹具中的多个传感器的要求将需要数据驱动方法,除非夹具是高精度的。如果使用接触分配方法,通过量将受到分配器为每个分配器进行垂直移动的要求的限制。谐振微机电系统结构检测谐振频率的变化,该变化与敏感的分子的吸附引起的谐振结构的质量变化相关联。利用可以在微机电系统器件的集成电路中实现的众所周知的集成电路,可以非常精确地实现对谐振变化的检测。微机电系统制造技术可以产生极低质量,高品质的共振结构,允许检测非常低浓度的目标分子。

  • ▲ 粘合剂

    上图是用同一设备印刷的各种尺寸(最小80μm直径)的胶点,可调整局部材料密度。在医疗设备、曲面屏幕、MEMS组件等器件的制备方面,均需要合理有效地分配非接触式粘合剂,以防止损坏或污染设备。这是因为,精密仪器制备中,微型光学元件附着在非常小的其他元件上,如何使在双方达到紧密连接是关键。常用于粘接的材料可以是热塑性/热固性/热熔氰基丙烯酸酯、环氧UV固化硅酮丙烯酸酯聚氨酯,且均可使用喷墨技术进行微点胶打印。许多商用胶粘剂产品适用于喷墨沉积,而另一些则需要进行调整。考虑在分配器孔口达到的剪切速率,50cPs被认为是流体粘度的实际极限,因此,具有较高粘度的商用粘合剂可以通过加热或稀释的方式引入喷墨式分配器的操作范围。 喷墨微点胶的优点在于精确控制位置、单点胶量、物料在面积上的分布和线宽。MicroFab使用喷墨打印方法可制造各种组件和设备,使用的材料包括光学粘合剂,紫外光固化聚合物,指数调整热塑性配方和其他特殊粘接材料。MicroFab高温打印头用于在高达220 ℃的温度下分配粘合剂材料,通过改变工艺参数、点阵、细线和区域,打印范围从10μm到几毫米,精度水平只有几微米。 使用MicroFab的高温打印头,粘度在100- 200cps范围内的粘合剂可以加热到100℃左右,将其粘度降低到一个可接受的范围,或使用相容溶剂稀释降低粘度,可在涂胶后溶剂蒸发,只留下粘合剂。 此外,还可以通过在商用粘合剂材料中填充金属颗粒、碳纳米管或陶瓷颗粒,改进其导热性或导电性。

  • ▲ EUV光源液滴发生器

    光刻机是在半导体领域必不可少的设备,无论生产制造什么样的芯片,都脱离不了光刻机,如果说航空发动机代表了人类科技领域发展的顶级水平,那么光刻机则是半导体工业界最为耀眼的明珠,其具有技术难度最高、单台成本最大、决定集成密度等特点。而目前最为先进的光刻机是有荷兰ASML生产的EUV光刻机,华为麒麟990 5G版首次采用了7nm EUV技术,EUV技术也叫紫外光刻(Extreme Ultraviolet Lithography),它以波长为10-14nm的极紫外光作为光源的光刻技术。具体为采用波长为13.5nm的紫外线,目前1-4代光刻机使用的光源都属于深紫外光,而5代EUV光刻机则属于极紫外光。 本文主要介绍MicroFab的Inkjet技术在EVU上的应用。光刻是制造芯片的关键技术,光刻机通过光源发出的光通过具有图形的光罩(Reticle Mask,又称掩模版)在经过缩图透镜将光罩的图案照射到涂有光刻胶的硅片上,光刻胶在见光后会发生性质变化,从而使光罩上的图形在硅片上刻录,使硅片具有电子路线的作用。 EUV(极紫外光)的产生是通过激光将锡滴作为燃料使其产生等离子体的过程。LPP EUV(激光等离子体极紫外光源)是将高功率的的二氧化碳激光打在直径约为20微米的锡液滴上,通过高功率激光使锡滴膨胀蒸发形成锡蒸汽,然后将蒸汽加热产生等离子体,这个过程会产生极紫外光。产生EUV的燃料可以是锡(Sn)、氙(Xe)、锂(Li),由于氙(Xe)和锂(Li)在实际测试中其产生的功率及工艺无法达到生产要求,锡滴被作为EUV制造的理想燃料。 LPP EUV系统主要包括锡滴发生器、激光器、源收集器、辐射收集器组成。锡滴发生器用于产生作为燃料的锡液滴,用于产生20um的锡滴;激光器用于提供能量源,用于激发锡滴,通过引导激光束至锡滴来激发锡滴产生等离子体;源收集器是一个中空的腔体,其内部为真空环境用于支持等离子体;辐射收集器接收EUV辐射,在产生等离子体的过程中会发生EUV辐射,通过辐射收集器进行收集并将辐射狙击成EUV光束进行后续工作。 其步骤为:1、锡液发生器使锡液滴落入真空室。2、脉冲式高功率激光器击中从旁飞过的锡液滴—每秒 50,000 次。Laser分为两部分,前脉冲和功率放大器。前脉冲和主脉冲击中锡液使其气化。3、锡原子被电离,产生高强度的等离子体。4、收集镜捕获等离子体向所有方向发出的 EUV 辐射,汇聚形成光源。5、将集中起来的光源传递至光刻系统以曝光晶片。 EVU的锡液滴发生装置主要是由MicroFab提供的喷墨压电头组装而成。锡滴发生器主要包含储液器、锡材料、定制化的压电喷头、加热器。储液器用于存储燃料液体,燃料液体由锡材料制成,在超过235℃高温下融化,在气体压力作用下通过压电喷头挤出,由于瑞利破碎形成液滴。 锡滴产生原理:定制化的压电喷头中心一端有3-5μm的小孔为毛细玻璃管,毛细玻璃管外壁粘结压电陶瓷,压电陶瓷在电信号的作用下会发生形变产生振动,振动从压电陶瓷传递至毛细玻璃管。储液器连接至毛细玻璃管的另一端,储液器中的锡材料在加热到高于235℃时形成锡溶液,锡溶液在气压作用下从毛细玻璃管挤出,产生束流。在没有压电陶瓷的情况下,束流将在液滴发生一段距离(约喷嘴直径的100-1000倍)后自然破碎形成液滴,其液滴直径大约为喷嘴直径的2倍或略小,两液滴间隔是喷嘴直径的大约4.5倍,虽然毛细玻璃管外壁没有压电陶瓷的作用液可以产生瑞利破碎,但压电陶瓷可以通过控制毛细玻璃管内的压力控制瑞利破碎,从而使形成液滴的位置更加明确。 如果喷嘴的直径为4μm,燃料液滴可以通过瑞利破碎形成约7μm直径的液滴,液滴分开大约18μm的距离,喷嘴的液滴产生速率对应的瑞利频率与喷嘴处燃料的平均速度和喷嘴的直径相关。 虽然在没有压电陶瓷制动的情况下也可以发生燃料液体束流的瑞利破碎,但压电陶瓷可以通过控制毛细玻璃管内的压力控制瑞利破碎,调制毛细玻璃管内的压力调制离开喷嘴的液体燃料的排出速度,并使液体燃料的束流在离开喷嘴之后以受控制的方式直接破碎为液滴。如果通过压电陶瓷施加的频率足够接近瑞利频率,则燃料液滴形成,液滴被分开的距离由离开燃料喷嘴的平均排出速度和由压电陶瓷施加的频率决定。

  • ▲ 半导体芯片封装

    MicroFab为电子制造行业开发出了先进焊料沉积设备,其Solder Jet®焊料喷射技术是基于压电按需模式来喷墨打印,能够产生直径为25-125μm,每秒2000次的熔化焊料滴。基于焊料喷射的沉积是低成本的(不需要工具)、非接触的、灵活的和数据驱动的(不需要光刻刻蚀或掩模,因为打印信息直接由CAD设计,并以数字方式存储),并且是环境友好的(这是一个没有副产物的增材制造过程)。目前倒装芯片工艺中使用的焊料凸点(solder bump)通常在100微米左右,随集成电路的小尺寸,高密度的发展,对于倒装技术的焊料凸点尺寸会越来越小。MicroFab研发团队在硅片上进行了大量实验,以评估喷墨打印技术对小尺寸凸点的适用性。MicroFab团队还开发出了新的无铅喷墨打印技术,用于制造高密度IC封装。皮升级的焊料(直径小于25μm)可在高达240℃的高温下进行打印。设备利用数字化驱动拥有更高的集成度,更低的成本和更高的灵活性。MicroFab团队还将Solder Jet®技术应用在3D封装上,并提出了一套完整的解决方案,芯片与芯片之间完全用Solder Jet®技术来键合。Solder Jet®技术潜在的应用包括:集成电路封装,芯片级封装,光电互联和印刷电路板制备。焊料可以每秒超过2000个bumps打印在基板上,相关的垂直通孔也可以进行打印。

  • ▲ 金属3D微结构打印

    SolderJet®技术(焊锡喷射技术)的目标是用于电子组装过程,其中焊料被用作将电子组件组装到基板的附件和/或结构材料。SolderJet®技术基于压电需求模式喷墨打印技术,能够以高达每秒400的速度放置直径为25-125μm的熔融焊锡滴。通常使用220ºC的工作温度,并且已经证明了最高300ºC的温度。该温度范围已被用于印刷传统的SnPb和无铅焊料,例如SnCu,In和Sn。喷锡是一种环境友好的过程,不需要电镀化学药品,仅在精确的位置印刷所需数量的焊料。 SolderJet®沉积是数据驱动的,因此不需要诸如照相工具或丝网之类的硬工具。SolderJet®沉积的一种应用是晶圆隆起。上图右上角显示了一个边界阵列,其中心点在150μm处有60µm的球,而区域阵列在250μm中心点处有100μm的球。 SolderJet®沉积是非接触式的,可以在3D空间中以任何角度定向,以适应独特的应用。打印头旋转45º可以将这些焊点沉积到导体和VCSEL阵列之间的直角界面上。可以在单个位置进行多次沉积来创建3D焊料结构,包括CSP概念原型中所示的150μm中心的240μm高的塔。已经使用喷墨在塔之间分配了聚合物,以在回流期间保持几何形状。 SolderJet®打印头可以安装在MicroFab的jetlab®打印平台,可作为用于集成到用户的平台的子系统。

  • ▲ 固体聚合物高温打印

    RUIDU 高温焊料喷墨打印系统-固体聚合物高温打印测试,上图直径约为116μm。目前验证的最小圆柱直径为60μm。固态聚合物高温打印的光滑程度与选用的温度有关。

  • ▲ MEMS封装

    微机电系统(Micro Electro-Mechanical System,简称MEMS),是微电子技术与机械加工技术结合的典范,涉及微电子、流体力学、材料力学、声学等多种科学工程技术。MEMS具有以下几个特征:(1)尺寸在毫米到微米范围之间,区别于传统机械,但并没有进入到物理上的微观层次;(2)基于硅微加工技术制造;与微电子芯片相同,可以大批量、低成本生产,使性能价格比较传统的宏观机械制造技术有大幅度的提高;(3)MEMS中的机械不限于狭义的机械力学中的机械,它代表一切具有能量转换、传输等功能的效应,包括力、热、声、光、磁、化学和生物等;(4)MEMS的目标是微机械与IC集成在一起的微系统,即具有一定自适应处理能力的智能化微机电系统。由于单个封装需要集成多种功能,MEMS封装需要光学和电子I/O,并且需要非平面结构的制造,通过光刻工艺难以实现。 一般来说,压电系统难以在150℃以上的温度下工作。Micro Fab公司研发的Jetlab II平台可用于喷墨点胶应用,研发的压电喷墨设备可在高温下操作,使用按需模式喷墨技术分配高粘度聚合物、焊料和其他材料。目前,该设备可成功用于嵌入式电阻的喷墨打印,印刷电阻的尺寸从125μm到几毫米。此外,还可用于电容器和电感器的打印,电容器打印时,由于下电极、电介质和上电极层依次铺设,可以通过重复铺设形成多层电容器,改变电介质的面积和厚度改变电容量值的范围。电感器打印时,主要是打印中心电极、铁氧体层和导体线圈,可通过改变印刷线圈的匝数来改变电感值。目前,通过喷印已成功制备出铁氧体纳米颗粒层上的250μm 银纳米颗粒线。

  • ▲ MEMS封装

    喷墨打印技术可与其他技术一起用于生物MEMS器件的封装和制造,例如:微透镜、微透镜光纤头或电子板(用于微光学互连的焊料沉积)。用于MEMS光学器件的封装如上图所示(上图为MEMS光学器件封装示意图,图a 用于光电芯片被动对准的MEMS夹持具;图b 使用图a 中的夹持器将透镜VCSEL阵列对准光电芯片;图c 打印的微透镜阵列示意图;图d 包含多个夹具的加工晶圆)。例如,采用MEMS的方法制备被动对准的夹持器,比制造中采用主动对准具有更低的人工成本。固定的VCSEL阵列也如上图所示。不同的夹持器可以在同一晶圆上加工,形成一个光学工作平台。

  • ▲ 金属3D微结构打印

    随着3D打印和微纳科技的发展,近年来国内外研究人员已经开发了多种3D微结构打印工艺、打印材料及装备,并应用于多个领域。如航空航天、汽车、医疗、模具、建筑等行业。

  • ▲ 微透镜阵列打印

    上世纪九十年代,光电子学和微电子学相互渗透形成微光学(Micro-Optics),微光学元件中,微透镜阵列尤为重要,它在照明、成像、光通信等方面发挥重要作用。微透镜阵列是由直径在10μm到1mm之间的微透镜按照一定的排列组合而形成的阵列,其透镜尺寸小,可用于光信息处理、光计算、光互连、光数据传输、生成二维点光源,也可用于复印机、图像扫描仪、传真机、照相机,以及医疗卫生器械中。此外,微透镜阵列器件也实现了微型化和集成化,使得其具有很强的适应性,可广泛用于通信、显示和成像器件当中。用于半导体激光器的椭圆形折射微透镜阵列,能够实现激光器的聚焦与准直,激光二极管(LD)的光束整形, 它还可用于光纤、光学集成回路之间,实现光器件的有效耦合。在光纤通信中,椭圆形微透镜将来自自由空间的光耦合进光纤,并校准从光纤出来的光。目前微透镜阵列己经在原子光学领域有所应用,利用微透镜阵列做成原子波导、分束器、马赫一曾德尔干涉仪或利用其捕获原子或者对中性原子进行量子信息处理。因此对于微透镜阵列使用材料,制作工艺和用途方面的研究十分必要。 Micro Fab使用喷墨打印方法,用于数据驱动的微光学元件的制造,如折射透镜阵列,将多模波导和微透镜/传感器沉积在光纤/光纤束的尖端。用于微光学MJ点胶装置打印的材料包括光学粘合剂,uv固化聚合物和指数调整热塑性塑料配方。Micro Fab研发的高温打印头用于在220 ℃以下的温度下分发光学材料,目前该发明已取得相关发明专利。通过改变工艺参数,已制造出不同尺寸的球形和圆柱形平面凸透镜阵列,尺寸范围从80μm到1 mm、精度仅为几微米。

  • ▲ 光纤传感器微透镜阵列打印

    光纤传感器可用于传统传感器不能使用的情况下执行难度较高的一些测量应用。这种传感器通常结构紧凑、质量轻、耐腐蚀,并且可以多路复用。它们不受电磁干扰,能在恶劣环境中应用。由于各种分析物的测量需要促进了光学传感器阵列的发展,并可用于样品的完整化学色谱的测量。例如,多个感测化学物可以连接到光纤传感器的光纤末端,并且不同的感测化学物可以通过空间或光谱分辨率来识别。(图a为劳伦斯国家实验室制造的显微光度计原型,其中使用了MicroFab Technologies打印的传感元件;图b为在光纤尖端打印荧光染料制备出的显微光度计的示意图) 利用喷墨技术在可接触的光学表面打印一种或多种标记化学试剂。其中一个常见的例子就是光纤的尖端。该方法提供了一种通过使用多种MJ喷头分配几何形状来精确打印不同材料的图案。每种化学试剂可包含一个或多个光能吸收染料,其光学特性随目标分析物的变化而变化。 通过荧光光谱可以监测每个传感器的特性,并且能对目标分析物进行灵敏度检测和定量分析。通过光学成像方法对这些分析物进行同步检测和测量,并在空间上记录每个打印出的微点阵。(图c为喷墨打印在光纤束末端的生物传感器透镜)

  • ▲ 微透镜阵列打印

    晶圆级(Wafer-level)制造的微光学元件阵列。喷墨打印微透镜在MEMS上的应用包括微光学器件,光纤束,光波导和激光器等。喷墨打印微透镜已被用于提高垂直腔面发射激光器的耦合效率,而不会造成明显的光学损失。上图显示了打印在直径100μm GaAs SU8柱上用于垂直腔面发射激光器耦合的微透镜。

  • ▲ 曲面微透镜打印

    上图左为较大透镜表面打印微透镜。上图右为光学材料环。 通过使用两种光学聚合流体,制备不同尺寸的微透镜,基地较大透镜的折射率较小,顶部微透镜的折射率较大,两种微透镜的相互扩散通常会在垂直方向上形成一个均匀梯度的扩散区。将此透镜结构构件在光纤顶部,可以通过此结构校准离开光纤的光。

  • ▲ 纳米银喷墨打印

    纳米银墨水,使用Jetlab®II打印。

  • ▲ 粗糙斜面打印

    非平面打印。

  • ▲ 铜喷墨打印

    在PE材料上喷墨打印的铜线图案。(MJ-AT- 01, MicroFab)

  • ▲ 纳米颗粒和溶液相铜喷墨打印

    上图显示了使用喷墨技术和两种后处理方法打印两种不同铜油墨的结果。打印和后处理都是在惰性环境(手套箱)中进行的。 喷墨打印的铜层:左上角,打印的纳米铜颗粒墨水;右上角,激光退火;左下角,打印的溶液相铜;右下角,热转换。

  • ▲ 有机薄膜晶体管打印

    在PET基材上喷墨打印的TIPS并五苯/ APC TFT阵列。

  • ▲ 碳纳米管/纳米晶体光传感器打印

    喷墨打印混合碳纳米管/纳米晶体光传感器。在PET柔性透明基板上制造MWCNT-NP(多壁碳纳米管)的喷墨打印传感器。MWCNT通道打印在打印的银电极之间。

  • ▲ 传感器电极打印

    喷墨打印全聚合物弯曲板波传感器。使用孔径为40μm的MicroFab喷头在18μm厚的PVDF薄膜上打印墨水。打印的传感器和电极布局如图所示。使用该喷头、墨水和基板可实现的线宽约为100μm,从而产生400μm的声波波长。在这项工作中使用了声波波长为800μm的传感器。

  • ▲ 软静电机器打印

    洛桑联邦理工学院相关课题组已经开发出一种通过使用按需喷墨 (DOD) 喷墨打印来制造软DEA和拉链致动器的方法。他们使用Jetlab® 4 (MicroFab) 打印机进行这项工作,因为它允许调整许多喷射参数。上图是通过喷墨打印制造的复杂软机器。a) 带有集成蠕动泵和两个独立流体网络的流体系统。通道充满了染色的液体,使它们可见。在操作中,黄色通道包含介电流体,而粉色通道包含要泵送的流体。➀ 接地电极,➁ 高压电极,➂ 介电通道,➃ 水通道。b) 使用多层电极、有机硅弹性体和牺牲材料喷墨打印可拉伸软机器,以创建静电拉链致动器和多级流体通道。c) 弹头驱动器是一种模拟弹头行波运动策略的印刷软机,具有 14 个通道和 28 个软致动器。➀ 高压相 (×3), ➁ 接地电极,➂ 蜿蜒的电介质通道, ➃ 充液垫。

  • ▲ 有机发光二极管(OLED)打印

    近年来OLED因其广视角、节能、髙对比度等多种优点,为曲面超薄显示带来了新希望,可广泛应用于运动手环、智能手机的开发使用,达到随意折叠、便携使用。喷墨打印技术进行OLED器件的制备时,可获得厚度均匀的薄膜,器件的整个发光情况一致;工艺流程简单有效、可实现大面积印刷;定位精准、材料成本低;多喷嘴同时工作,避免多层溶液侵蚀。 MicroFab使用喷墨打印技术生产OLED显示器的研究已超过10年。MicroFab公司的Jetlab®II打印技术,在进行OLED器件制备中,定位精准较高,最小定位误差可达到2μm。如图所示,使用Jetlab®II打印出的PEDOT墨水液滴在无结构基板上成凸起形貌,点直径约为20μm。

  • ▲ 聚合物发光显示器(PLED)打印

    聚合物发光显示器(Polymer Light-emitting Diode Display, PLED Display)因其材料发光颜色在全可见光区内可调、可溶液简单加工及适用于柔性大面积器件的生产而吸引了更多的目光。高质量聚合物薄膜的制备是 PLED 器件制作的关键,喷墨打印因为具有加工过程简单高效、材料利用率高、适用于溶液加工、适用于柔性衬底、易于卷对卷工艺的整合和自动化等优点,被认为是最具有应用潜力的技术。 MicroFab公司的Jetlab®Ⅱ喷墨打印技术,其可打印溶液的粘度范围在 1 ~ 20 cP,表面张力范围在 28 ~ 65 mN/m。在喷墨打印制备 PLED 显示屏的过程中,液滴定位小的偏差就会引起液滴错位,造成像素短路以及显示颜色混乱等问题。因此,打印过程中,喷射出的液滴飞行后如何精确的落入对应的 RGB 子像素中对于制备高性能 PLED 器件十分关键。决定液滴定位偏差的因素主要有打印平台移动误差引起的着陆位置偏差。随着技术的发展,现在的打印机精度也越来越高了,MicroFab公司最新研制的Jetlab® xl-300 的打印精度控制在±3μm。

  • ▲ 高分子发光二极管(PLED)打印

    许多正在开发显示器制造方法的组织正在使用喷墨技术沉积发光聚合物。要使用这些材料构建有源元件,必须在结构中创建大约100纳米的均匀层,并且该结构必须在聚合物层上产生电场。无论是通过旋涂工艺还是喷墨沉积,聚合物通常以低浓度(0.5-2%体积)悬浮在挥发性有机溶剂(如二甲苯)中。沉积后,除去溶剂,聚合物膜留在基材上。MicroFab已经证明,当将发光聚合物溶液打印到涂有空穴注入层材料的表面上时,可以实现小至30μm的特征尺寸。上图是使用喷墨沉积来制造使用发光聚合物的像素化显示器。发光聚合物打印在彩色显示器中的80×100μm孔中。图片由杜邦显示器提供。

  • ▲ 柔性有源矩阵有机发光二极体(AMOLED)打印

    由喷墨打印的高迁移率有机薄膜晶体管驱动的柔性有机发光二极管显示器,像素密度为50 ppi,提取发射光的孔径比为39%。

  • ▲ 薄膜晶体管(TFT)打印

    有机薄膜晶体管(Organic Thin Film Transistors,简称TFT),不仅具备优异的柔性,同时还有诸多优势:例如单位密度小,加工工艺简单且具有较强的兼容性,可以实现高效的大面积制造,因此可广泛应用于柔性显示、柔性触摸屏、可植入医疗器械、软体机器人等方面。薄膜晶体管中,所有电极以及绝缘体和半导体材料部是聚合物溶液,其中,由于电极的体积非常小(单颗液滴的体积只有30 pL,直径约为38μm).可用喷印法进行制作。上图为显示了由英国剑桥的Plastic Logic制造的原型显示驱动器,其中4800个像素的源极、漏极和地址线已使用喷墨技术打印出来。工作频率为80Hz。

  • ▲ 量子点致发光二极管(QLED)打印

    量子点电致发光二极管(Quantum dot light-emitting diode,简称QLED),是在电流激发下使量子点发光的器件。相对于传统 LCD 与 OLED 显示,量子点显示具有明显的优势:超 NTSC 的宽色域,显色能力更强;色纯度高,颜色还原能力强;发光波长可调,易合成与加工。而且其发光效率高,光、热及化学稳定性好。 喷墨打印技术是一种非接触、节约材料和可重复加工的滴涂溶液技术。它的优势在于可精确定位微米液滴、材料选择广泛、有效节省材料以及大面积生产化降低成本,而且不需要昂贵的掩膜板,非接触式加工不会对基板产生污染。此外,喷墨打印技术可以自动化地进行图案化加工。基于以上优势,目前喷墨打印技术已经在显示行业中得到了开发和应用。目前,喷墨打印技术是制作QLED 平板显示屏的重要技术。 MicroFab公司的Jetlab®II喷墨打印机,主要是由可精确移动的平台(x-y 轴精度为3 μm)、喷头、储液系统(包括墨盒和连接喷嘴的连接器),气压控制系统,视觉观测模块系统、各种部件之间的连接器、计算机主机及软件等几部分组成。此外,该喷墨打印机还有加入了精确的温控系统,可以用准确地控制基板和喷嘴的温度。 Jetlab2 采用的是压电陶瓷喷嘴喷墨原理,其核心部件即 Micro Fab 喷头(Nozzle)是由一个被压电驱动器包围的毛细玻璃管组成。毛细玻璃管露出外面的一端形成喷嘴(内径 10-100 μm),当给定一个电压脉冲时,压电驱动器通过逆压电效应产生一个声学压力波并穿过玻璃喷嘴进入液体中传播。而在喷嘴尖端,在压力波的作用下,液体加速并形成小液柱离开喷嘴,然后在惯性力的作用下液滴与小液柱断开,最后形成一个单独的下落液滴。喷墨打印液滴形成的过程由可视化频闪摄像机系统观测。水平的 CCD 照相机、喷墨打印喷嘴、闪频激光瞄准器被固定在同一光轴和同一平台上。捕捉图像的激光频闪器需要与 CCD 照相机同步耦合,其中延迟拍摄微米级液滴的能力是观测到液滴下落过程的关键技术。通过这一观测装置,可以获得液滴形成整个过程的照片。 研究发现,选取苯基环己烷(CHB)作为溶剂,得到可以稳定喷墨的红光量子点墨水。量子点在 PVK 表面可以形成咖啡环较小的薄膜,在 PVK 基板上喷墨打印点的直径为 200 μm,打印线宽为220μm,可成功制备量子点发光(QD-LED)器件。