Исследование процессов печатной электроники в производстве прототипов печатных плат

Введение

Печатная электроника - область электроники, занимающаяся созданием электронных схем с помощью печатного оборудования, которое позволяет наносить на поверхность плоской подложки специальные чернила (токопроводящие, полупроводниковые, резистивные и т.д.) и, таким образом, формировать на ней активные и пассивные элементы, а также межэлементные соединения в соответствии с электрической схемой [3].

Развитие в области электронной компонентной базы, тенденция уменьшения размеров и увеличения плотности монтажа устанавливают новые требования для печатных плат и технологии их производства. Сегодня, изготовление печатных плат происходит, как правило, с использованием субтрактивного метода путем химического травления ненужных участков металлического покрытия фольгированного материала в технических лабораториях, что является препятствием в условиях малых производств. Альтернативный метод субтрактивному процессу является аддитивный процесс осаждения проводников на диэлектрическую подложку в соответствии с топологией печатной платы [5].

Технология струйной печати отличается от традиционных электронных технологий низкой себестоимостью, возможностью работать с любым типом подложки [4]. Функционал струйной печати чрезвычайно широк и, соответственно, предполагает использование материалов различной структуры, свойств и возможностей воспроизведения изображения, в том числе для нанесения электропроводящих и других функциональных покрытий, которые служат для формирования печатной электроники [2]. Таким образом, технология позволяет создавать гибкие, прозрачные электронные устройства с относительно низкой стоимостью. Конечным продуктом в струйной технологии печати являются печатная электроника: батареи, аккумуляторы, конденсаторы, тонкопленочные транзисторы, дисплеи, сенсоры, антенны, солнечные панели, разъемы в микросхемах и т. д. [7].

Технология струйной печати

Струйные устройства печати являются гибким, универсальным оборудованием, которое можно перенастроить для проводящих чернил с относительно низкими усилиями [8]. Существует две основные технологии струйной печати: термическая и пьезоэлектрическая, отличающиеся конструкцией печатной головки. Из-за особенностей свойств токопроводящих чернил, возможно использование только пьезоэлектрической технологии струйной печати (рис. 1), поскольку нагрев чернил приведет к их отверждению и засорению сопел печатной головки.

Рис. 1. Принцип работы термической и пьезоэлектрической технологии струйной печати

Лидерами в области пьезоэлектрической печати являются компании Epson и Brother [6].

Описание чернил

Чернила являются одним из ключевых элементов процесса струйной печати. Такие характеристики, как вязкость, поверхностное натяжение, плотность и размер частиц, являются важными для обеспечения плавного высвобождения капель из нескольких пиколитров чернил из пьезоэлектрического струйного принтера.

Рассмотрены существующие методики изготовления чернил с использованием серебра, на основе анализа выбрана и опробована методика изготовления чернил, представленная S. Brett Walker and Jennifer A. Lewis [9]: серебряные чернила получаются путем перемешивания нитрата серебра (99% Ag) в водном растворе гидроксида аммония (25% NH₃) и добавлением муравьиной кислоты в получившийся раствор. После каждой капли раствор необходимо перемешивать. После этого, раствор фильтруется от крупных частиц серебра через шприцевой фильтр во избежание застревания их в микроскопических отверстиях (сопла) печатной головки струйного принтера. Чернила содержат крошечные частицы серебра диаметром менее 200 нм, суспендированные в эмульсии. Серебряные чернила модифицированы, путем добавления этиленгликоля, который служит как увлажнитель, так и загуститель. На рис. 2 представлен процесс получения чернил.

Характеристики чернил:

1. Плотность чернил измерена с помощью ареометра АОН-1 ГОСТ 18481-81 и составляет 1,2 г/см³.
2. Водный показатель измерен цифровым pH метром PH-009 ГОСТ Р 8.857-2013 и составляет 10,8.
3. Вязкость чернил измерена вискозиметром ВПЖ-4 0,62 ГОСТ 10028-8 и составляет 2,5 мПа*с.
4. Поверхностное натяжение измерена прибором Вейлера Ребиндера и составляет 11 Н /м.

Все измерения проводились при температуре 25°С. Для стабилизации значений вязкости и поверхностного натяжения в серебряные чернила добавлен этиленгликоль, 10% объему чернил. Соблюдение требований к реологическим параметрам позволит использовать изготовленные чернила в устройствах для струйной печати.

Рис. 2.

а) Изготовленные чернила согласно методике;

б) Полученный раствор фильтруется через шприцевой фильтр 200 нм;

в) Полученный раствор с содержанием наночастиц серебра.

Методика печати на струйном принтер

В качестве принтера было выбрано устройство Brother DCP-J315W с перезаправляемыми картриджами (рис. 3 и рис. 4).  Перезаправляемые картриджи требуются для того, чтобы емкость картриджа была чистая, во избежание порчи чернил.

Рис. 3. Внешний вид принтера Brother DCP-J315W

Рис. 4. Внешний вид перезаправляемых картриджей

При первом использовании принтера требуется провести промывку шлейфа с чернилами и очистку печатной головки от остатков старой краски. В принтере размещается четыре разных картриджа четырех цветов CMYK, один увеличенного размера (20 мл) – черный, остальные три стандартного размера (10 мл) – желтый, голубой, пурпурный. Для увеличения проводимости печатного рисунка необходимо увеличить количество наносимых чернил. Для этого, серебряные чернила следует добавить во все четыре картриджи, далее принтер настраивается так, чтобы обеспечить наилучшее качество печати, вследствие чего увеличивается количество наносимых чернил.

В данной работе в качестве подложке выступает полимерная пленка для струйной печати Lomond pet ink jet film А4, 100 мкм.

В качестве программного обеспечения для управления процессом печати может использоваться практически любая программа, в данном случае используется Autodesk AutoCAD.

Так как печать на субстрате производится прозрачными чернилами, то после печати их практически не видно. Они начинают заметно проявляться после термического нагрева при температуре 90 ℃ в течение 10 минут или сушки при комнатной температуре в течение суток. Формирование металла происходит на поверхности в результате окислительно-восстановительной реакции между восстановителем и раствора соли металла, с образованием металлического слоя, состоящего из металлических частиц. Толщина нанесенного слоя может быть увеличена при повторном процессе печати.

Результаты эксперимента

С помощью струйного принтера напечатаны проводники на полимерной пленке (рис. 5).

Рис. 5. Напечатанные проводники на струйном принтере

Исследованы их характеристики: воспроизводимость рисунка, сопротивление токопроводящих цепей, температура спекания наночастиц серебра, время спекания наночастиц серебра, адгезия полученных рисунков.

Размер напечатанного проводника 100 х 3 мм. Толщина слоя измерялась по микроснимкам срезов для образцов, полученных в одинаковых условиях. При анализе микроснимков срезов проводили усреднение измеренных величин по нескольким результатам измерений. Измерение сопротивления производилось четырехзондовым методом при помощи прибора YR1035. По измеренному значению сопротивления, для тестовой дорожки рассчитывается удельное поверхностное сопротивление по формуле:

где ρ_S – удельное сопротивление, R_s – измеренное сопротивление, d – ширина печатной линии, h – толщина печатной линии, а l – длина.

Спекания наночастиц серебра происходило при температуре 90 ℃ в течение 10 минут.

Вывод

В результате работы решены научные задачи анализа и подбора наиболее подходящей методики изготовления чернил. Изучены электропроводящие и реологические характеристики чернил. Разработана методика печати проводящих рисунков на струйном принтере, которая позволит исследователям создавать простые электронные схемы и устройства на ранних стадиях разработки быстрее и проще, чем раньше. Получен прототип печатных дорожек с удельным сопротивлением . Исследованы их характеристики: воспроизводимость рисунка, сопротивление токопроводящих цепей, температура спекания наночастиц серебра, время спекания наночастиц серебра, адгезия полученных рисунков

Разработанная методика печати на струйном принтере позволит исследователям создавать простые электронные схемы и устройства дешевле и проще, чем раньше. Печать электроники на струйном принтере предполагает быстрое создание прототипов и итераций, что делает его очевидным выбором на ранних стадиях разработки.