MicroFab Inkjet喷墨打印技术助力实现陶瓷基Cu电路激光烧结新工艺

2025-08-22 16:05 睿度光电RUIDU

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北京航空航天大学邱璐教授团队在《Additive Manufacturing》发表重要研究成果，系统探究了陶瓷基片上Cu纳米颗粒的激光烧结特性。研究通过MicroFab Jetlab 4xl高精度喷墨打印系统实现了Cu纳米颗粒的可控沉积，结合1064 nm连续激光烧结技术，定量分析了激光功率、扫描速度和沉积厚度对烧结质量的影响规律。研究表明，陶瓷基片的独特热响应特性可形成"双热源效应"，促进稳定熔融层的形成，使20.1μm厚电路的导电性提升210%，为高性能电子器件的制备提供了重要理论指导。

关键词：喷墨打印、选择性激光烧结、增材制造、纳米材料沉积、共形铜电路制造

▶ 技术优势：采用MicroFab Jetlab 4xl高精度喷墨打印系统，通过20μm直径液滴实现精确定位，构建出7.5-25.9μm可精确调控厚度的Cu纳米颗粒沉积层，配合130℃基板温度PID控制，将表面粗糙度（Sa）控制在0.012μm以内，创新的"打印点间距调控技术"（20-40μm可调）有效抑制了厚层打印的咖啡环效应
▶ 理论创新：系统研究96%氧化铝陶瓷基板的高热导率对激光烧结过程的影响机制。实验发现，陶瓷基板会吸收1064 nm激光能量并形成独特的"双热源效应"——上层颗粒受激光直接加热，下层颗粒则通过基板热传导熔化。这种机制在传统透明基板（如PI/PET）中未被报道，为高导热基板上的电路制造提供了原创性理论支撑
▶模型探索：研究提出了基于扩散和晶粒粗化理论的修正能量密度参数（Es*），精确预测了烧结模式（regime）的转变阈值，并建立了基于热传导分析的理论模型以准确量化熔融层厚度与导电性能的关系
▶性能突破：通过SEM-EDS表征发现：在**Es*参数下（0.5-0.625 J/mm²），电路底部会形成5-18μm的致密熔融层，其氧含量比表层低67%，电阻率较传统烧结工艺降低45%。这种"梯度结构"（多孔烧结层+致密熔融层）使20.1μm厚电路的导电性提升210%
▲图：（a）通过喷墨打印机将Cu NPs沉积到陶瓷基底上作为矩形形状的膜。（b）用1064 nm连续波激光将沉积的Cu NPs层选择性地烧结成测试图案。（c）用DC电阻计测量每个烧结样品的电阻。（d）在陶瓷基底上的Cu NPs沉积层的照片。（e）测量的沉积层的高度变化。（f）烧结图案的照片

本研究通过MicroFab Jetlab 4xl高精度喷墨打印系统实现了高均匀性铜纳米颗粒沉积，为实验-建模的协同优化提供了基础，探讨了沉积在陶瓷基板上的铜纳米粒子的激光烧结特性，对于陶瓷在不同激光功率和扫描速度下的特定热响应，提出了一种可以预测相变阈值的修正能量密度参数，开发了一个基于传热分析的理论模型，用于预测烧结电路的内部熔融层厚度和电导率。MicroFab Jetlab 4xl高精度喷墨打印系统助力实现陶瓷基Cu电路的可控制备，为下一代高集成度柔性电路与微电子互连结构的制备提供了关键技术支撑。未来，结合在线监测与人工智能算法，将实现金属纳米结构激光烧结过程的智能优化。其中，喷墨打印的均匀性与定位精度仍是决定器件性能的核心因素。

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参考文献：

[1] CHEN X, ZHANG M, ZHU J, et al. Laser sintering of Cu nanoparticles deposited on ceramic substrates: Experiments and modeling[J]. Additive Manufacturing, 2023, 69: 103493.