Когда мы говорим об аддитивных технологиях, большинство собеседников представляют себе либо послойное выращивание моделей из пластиков или фотополимеров, специалисты же будут говорить о 3D принтерах, работающих с металлическими порошками. О технологии прямой печати в электронике Aerosol Jet®, разработанной по заказу DARPA (США) компанией Optomec, знают немногие. В этой статье будет дано подробное описание технологии, ее достоинства и преимущества в сравнении с традиционными методами печати, а также обозначен круг приложений и технических решений в виде оборудования для различных задач.
Процесс Aerosol Jet (AJ) представляет собой бесконтактное нанесение практически любых материалов, которые можно использовать в виде аэрозоля, на подложки из широкого круга материалов. При этом наносимые элементы могут иметь размеры как менее 10 мкм, так и более 1 мм. За счет фокусировки струи их можно наносить на ступенчатые структуры и изогнутые поверхности. Процесс использует материалы только когда это нужно, тем самым уменьшаются отходы материалов и снижается себестоимость продукта. Типичные материалы для печати могут представлять собой наночастицы из металлов, полимеров и связующих, которые входят в состав так называемых чернил с вязкостью в диапазоне 1–2500 Па. с. Так, в качестве проводящих дорожек могут использоваться золото, серебро или другие наночастицы. Полимерные пасты в виде толстых пленок используются для печати встроенных резисторов. Полиамиды и различные эпоксидные материалы могут использоваться как связующие, как защитные диэлектрические покрытия и т. д. Материалы по технологии AJ могут наноситься на подложки из кремния, полиамида, стекла, оксида алюминия. Среди наиболее распространенных приложений AJ можно выделить гибкие дисплеи, защитные экраны от электромагнитых излучений, высокоэффективные солнечные элементы, напечатанные компоненты электроники в виде сенсоров, резисторов, антенн и прочих элементов без использования припоев.
Достоинства и преимущества технологии AJ
1. 3D печать цельных деталей или печать элементов на готовых деталях по 3D файлам:
– Цифровое производство (из CAD);
– Печать структурных металлов электронными чернилами;
– Добавление материала к существующим компонентам;
– Большая гибкость при конструировании и производстве конечных продуктов — за счет малых размеров элементов, геометрии, материалов и их комбинаций;
– Сокращение времени и увеличение производительности, настройка CAD файлов под потребности клиента;
– Масштабирование от микрон до метров.
2. Обеспечение ценности в течение жизненного цикла продукта:
– Уменьшение количества циклов разработки, меньший расход материалов в процессе производства, возможность использования новых материалов, таких как
сплавы и наноматериалы, оперативное внесение изменений в процессе разработки и конструирования, что дает быстрый выход уникального продукта на рынок;
– От функциональных прототипов до массового производства;
– От превентивного обслуживания до ремонта изделий;
– Снижение затрат;
– «Зеленые технологии» — более эффективное использование расходных материалов с минимумом отходов по сравнению с традиционными технологиями.
3. Открытая система:
– Взаимодействие с существующими процессами;
– Объединение с существующими машинами;
– Использование доступных материалов.
Как работает технология Aerosol Jet?
AJ процесс использует аэродинамическое фокусирование для нанесения коллоидной взвеси и/или химических компонентов на плоскую или объемную подложку с высоким разрешением. Основная система состоит из двух важных компонентов (рис. 1):
• модуль атомизации жидких исходных материалов (генератор аэрозоля), атомайзер,
• модуль фокусировки аэрозоля и нанесения капель материала.

Рис. 1. Схема процесса Aerosol Jet.
Особенности процесса Aerosol Jet:
1. Чернила мелкодисперсные с вязкостью 1–1000 Па.с ;
2. Поток аэрозоля высокой плотности с частицами 2–5 мкм;
3. Бесконтактное нанесение, зазор 1–5 мм между срезом сопла и поверхностью подложки. Непрерывный поток, выходящий из сопла со скоростью >50 м/с, остается сфокусированным на длине до 5 мм. Процесс можно масштабировать как по размерам элементов, так и по сложности. Ультразвуковой или пневматический атомайзеры, куда помещается жидкий материал, используется для получения аэрозоля. Транспортный газ направляет образовавшийся аэрозоль в головку, при этом по пути плотность потока увеличивается за счет удаления избытка газа. Головка формирует кольцевой коаксиальный поток,
состоящий из потока аэрозоля, окруженного защитным газом, который направляется через сопло головки непосредственно на подложку. Процесс нанесения материала управляется контроллером в соответствии с рабочим файлом, подготовленным на основе CAD файла (например, dxf формат). При этом подложка может размещаться на подвижной рабочей плате или быть закреплена неподвижно, а материал будет наноситься из подвижной головки, которая управляется компьютером. Система управления движением и наличие прерывателя потока позволяют создавать сложные структуры на подложке (рис. 2).

А                                                                          Б
Рис. 2. Примеры структур, создаваемых на подложке.

а)б)

с)

полимерный TFT дисплей               проводящие дорожки из серебра 

Рис. 3. Энергия наночастиц Ag в чернилах (А). Термообработку можно проводить при 150°С вместо обычных 961°С как при работе со слитком Ag (Б). Проводящие дорожки из Ag на подложке из низкотемпературного полимера (TFT дисплей) с одновременным нанесением материала AJ и обработкой встроенным лазером (С).

Важное отличие процесса AJ в том, что он снижает или исключает отходы материалов, присущие традиционным технологиям в электронике, и не требует постобработки с использованием коррозионных химикатов и последующей очистки. При необходимости используют постпроцессы термообработки для
отверждения нанесенного материала или для улучшения его свойств, например, электропроводности. Атомы поверхностных слоев наночастиц в чернилах имеют более высокую энергию и за счет повышения адгезии (диффузии в твердом состоянии) в процессе AJ не требуется использовать высокие температуры для постобработки нанесенных шаблонов (рис. 3). Это позволяет использовать AJ процесс для нанесения материалов на подложки с невысокими предельными температурами для термообработки (пластики, стекло и т. п.). Для подложек с ограничениями температур на уровне 100°С типа поликарбоната или полиэстера используется процесс AJ с локальной обработкой нанесенного материала за счет встроенного лазера без повреждения подложки. В результате получается высококачественная тонкая пленка материала с четкими краями и хорошей электропроводностью, близкой к характеристикам сплошного материала (рис. 3 С).

Сравнение Aerosol Jet с традиционными технологиями печати
Следует отметить, что процесс AJ принципиально отличается от графической (струйной) печати (типа ink jet и screen printing) (рис. 4). Он был разработан специально для печати электроники. Процесс AJ является непрерывным, что означает, что материал постоянно подается через сопло, при этом он окружен газом до самого контакта с поверхностью подложки на расстояние 1 мм и более. Он имеет уникальный механизм ввода, который позволяет использовать широкий спектр материалов. Механизм вывода позволяет печатать широкий спектр печатных элементов от 10 мкм до миллиметров за один проход. Поток материала через сопло имеет высокую скорость (50 м/с), поэтому остается сфокусированным на расстоянии до 5 мм.

Рис. 4. Сравнение технологий графической печати Inkjet (A) и Aerosol Jet (Б, С).
Это позволяет осуществлять печать на 3D поверхностях для таких приложений, как сборки чипов и компонентов. При струйной печати капля доставляется в нужное место после отрыва от механического пьезоэлемента, что может вызвать ее отклонение или забивание сопла, так как чернила касаются боковых стенок сопла, на которых они могут налипать и вызывать остановку печати. Головка при струйной печати должна находиться на расстоянии менее 1 мм от поверхности подложки для обеспечения правильной печати.

Традиционное напыление с помощью иглы с использованием шнекового насоса позволяет получать капли материала с размерами от 250 мкм разной толщины. Можно уменьшить размеры частиц до 100 мкм (как в системе Asymtek), но материал остается вязким и имеет тенденцию к свертыванию. Максимальное
разрешение в этом случае не более 1 мм. Для сравнения, напыление с помощью сопла может дать разрешение в 0,5 мм. Оба решения предполагают близкое расположение сопла или иглы от поверхности подложки — в долях миллиметра, что контролируется специальным датчиком высоты. А это может вызвать налипание материала вокруг сопла.
В отличие от устройств напыления расстояние от сопла до подложки в AJ не менее 5 мм и при этом не требуется устанавливать минимальный рабочий зазор. При размерах печатных элементов менее 50 мкм и минимальном распространении материала за пределы элемента становится возможным размещать элементы более компактно и тем самым уменьшать габариты прибора.

В таблице 1 приведено сравнение характеристик AJ c другими традиционными методами, которые используются при печати MID (Molded Interconnect Device — печать на литых подложках). Существует немало способов печати для сложных MID, наиболее часто используется метод Laser Direct Structuring (LDS — прямая лазерная обработка). Метод использует компьютерное управление, требует специального стеклоподобного материала для создания покрытия. LDS процесс включает в себя:
– удаление материала подложки в соответствии с шаблоном с использованием до 6 лазеров;
– очистку подложки;
– покрытие медью участков подложки с удаленным материалом;
– покрытие никелем для предотвращения окисления.
Сравните все это с процессом AJ: прямая печать проводящих дорожек на любых типах подложек (снижение стоимости), создание материалов (чернил) для печати (уменьшение времени печати и сложности), создание и отправка заказчику готовых завершенных деталей. Неполный перечень используемых в AJ материалов для печати приведен в таблице 2. Материалы собраны в группы: металлические и неметаллические проводники, резисторы, диэлектрики и связующие (пасты), реактивные материалы, полупроводники. Список постоянно пополняется.

Обзор приложений технологии Aerosol Jet

Технология Aerosol Jet находится в процессе разработки широкого круга приложений от небольших задач до высокопроизводительных сложных систем и даже
для встраивания в производственные линии. Основные направления, в которых используется технология AJ, представлены в таблице 3. Выгоды от  использования технологии сводятся к снижению затрат средств, материалов, времени, а также к увеличению выхода, повышению производительности и продлению жизненного цикла изделий. А вот области применения AJ более широкие, чем печать в электронике, для которой технология создавалась. Это относится к использованию в биомедицине, применению благородных металлов, материалов для легирования, паст и многих других материалов для исследований.

Рассмотрим некоторые из приложений АJ более подробно.
1. Печать датчиков на 3D поверхностях

Достаточно большой зазор между соплом головки и поверхностью подложки (1–5 мм) и большая длина сфокусированного потока материала из сопла, а также отсутствие физического контакта подложки с инструментом позволяют легко осуществить конформную печать на неплоских поверхностях. Примеры объемной печати приведены на рис. 6–8.

Рис. 5. Сравнение AJ и технологии напыления: А — на криволинейных поверхностях; Б — с использованием иглы или сопла при напылении.

Рис. 6. Дорожки из Ag шириной 60 мкм в полости глубиной в 500 мкм

Рис. 7. Печать на поверхности в виде ступенек: дорожки Ag шириной 20 мкм

Рис. 8. 3D соединитель с дорожками из Ag шириной 150 мкм на корунде.

Рис. 9. Перемычки из Ag 150 мкм шириной поверх эпоксидного покрытия.

На рис. 9 показан пример конформной печати перемычек для смарт-карт. Нужно было соединить перемычками медные контактные площадки на подложке
с контактами на чипе, при этом разница в высоте составляла 150 мкм. Обычно такие перемычки выполнялись проводом.

Использование AJ позволяет сразу напечатать перемычки, что более производительно, и тем самым уменьшить общую толщину изделия. Более того, термическая постобработка при 200°С увеличивает механическую прочность соединений. Для работы с объемными деталями с большими поверхностями (рис. 8) используется трехосная установка AJ. В данном случае головка AJ была наклонена под углом 45° и перемещалась вдоль вертикальной стенки на всю высоту изделия (25 мм).

2. Печать антенн
Традиционный путь изготовления антенны для мобильных устройств — печать элементов антенны на подложке Каптона с последующим ее приклеиванием к композитному слою. Подложка должна быть плоской, а сам процесс изготовления представляется довольно сложным из-за слабой структуры и необходимости устанавливать много проволочных перемычек. Все эти проблемы легко решаются при использовании AJ. Металлические элементы антенны легко могут
быть напечатаны непосредственно на криволинейных поверхностях мобильного устройства (рис. 10).

Рис. 10. Пример печати антенн мобильного устройства: А — антенна WiFi, Б — основная антенна смартфона

Преимущества AJ не только для экологии (отказ от гальванических процессов, от использования никеля для покрытий), но и в большей свободе дизайна
устройств, меньшей зависимости от форм-фактора. Производительность установки AJ составляет до 40 000 антенн за неделю. Пример печати антенн и проводящих шин на крыльях беспилотных аппаратов показан на рис. 11. AJ позволяет снизить вес БПЛА, стоимость изготовления и повысить надежность работы электроники.

Рис. 11. Печать антенны на крыльях БПЛА.
3. Печать датчиков на готовых изделиях.
Несколько примеров применения AJ для готовых изделий показаны на рис. 12–15:
• Обзор возможных приложений печати датчиков (рис. 12): пригодна для многих типов датчиков; возможность нумерации.
• Защита от электромагнитного излучения, выполненная в виде металлической сетки на куполе из прозрачного пластика (рис. 13).
• Печать тензодатчика на лопатке турбины (рис. 14).

Рис. 12. Обзор возможных приложений печати датчиков: А — прибор с элементами в 6 мкм, Б — датчик сахара, В — тензодатчик в 1 мм, Г — объемный датчик температур на катетере, Д — объемный тензодатчик на броне, Е — датчик электромагнитного излучения.

Рис. 13. Печать защиты от электромагнитного излучения на пластиковом куполе.

Позволяет в реальном времени проводить контроль за исправностью лопаток турбины за счет контроля усталостных деформаций и ползучести материала лопатки. Датчики выдерживают высокие температуры работы (>980°С). По оценкам General Electric в мире насчитывается 3 млн устройств с вращающимися частями и, следовательно, миллиарды дорогостоящих деталей в них:
• 43000 самолетов с 129000 с моторами;
• 62500 электростанций с 264000 генераторами. Стоимость жизненного цикла изделия в 5–15 раз превышает стоимость закупки (рис. 15) и включает:
• обслуживание, работу, запчасти, восстановление, простои.
Время выхода из строя конкретной компоненты изделия обычно не предсказуемо. Решение видится в сборе информации о физическом состоянии деталей
с точки зрения их износа, нагрузки, деформации с последующей передачей этих данных для анализа в сервисные центры. Выявление потенциальных сбоев до того, как они произойдут, и принятие соответствующих мер позволит сэкономить огромные средства и избежать катастрофических последствий таких сбоев.
Контроль состояния дорогостоящих компонентов может быть организован с помощью печати на них тензодатчиков (рис. 16).

Рис. 16. Пример печати тензодатчика: первый изолирующий слой из полимера (толщина 5 мкм), второй слой — меандр Ag (2 мкм), третий слой — защитный из полимера. На графике показано сравнение показаний двух типов тензодатчиков — пленочного (черный) и напечатанного AJ (красный).
4. Печать высокоэффективных солнечных элементов.
AJ процесс позволяет получать светочувствительные элементы коллектора шириной от 18 до 60 мкм с использованием традиционных и новых материалов. Эффективность элементов повышается также за счет снижения влияния затенения из-за малых размеров и высокой плотности линий коллектора. Печать можно выполнять на тонких сотовых структурах, поскольку используется бесконтактый метод, и тем самым увеличить прочность готовых изделий. Пример печати солнечных элементов показан на рис. 17. Технология обеспечивает повышение эффективности и снижение себестоимости. Преимущества по сравнению с трафаретной печатью: коллекторные линии в 3 раза меньше (<30 мкм) — лучшее качество элементов, возможно наносить тонкие линии — снижаются расходы материала, ниже стоимость расходных материалов (не нужны инструменты).

Рис. 17. Печать солнечных элементов.

5. Греющие цепи.
Греющие цепи для автомобилей и авиации: обогрев ветровых стекол (рис.18), антиобледенительные системы на крыльях самолетов (рис. 19), подогрев сидений — все это печатается непосредственно на обогреваемых поверхностях.

Рис. 18. Греющие цепи для автомобилей и авиации: на ветровых стеклах, антиобледенительные системы, подогрев сидений — печатаются непосредственно на обогреваемых поверхностях.

Интересное решение с использованием технологии AJ было предложено против обледенения кромки крыла самолета для следующих поколений самолетов. Набор датчиков льда был помещен в нагревательный блок (напечатаны непоследственно на эпоксидной подложке по всей длине крыла). По мере поступления сигнала о начале образования льда включались соответствующие нагреватели. Достоинства решения в экономии веса, топлива, технологичности и надежности.
Поликарбонат широко применяется для замены автостекла, что дает выигрыш в весе в 50%. Обогреватель печатается на изогнутой поверхности заднего стекла
с помощью 3–4-осного оборудования AJ: длина проводника из Ag 16 метров, ширина 0,5 мм, толщина 3 мкм. Термообработка при 130°С в течение 30 минут.
6. Компоновка полупроводников с использованием AJ.
1. Прямая печать проводников (рис. 20), пассивных и активных компонентов 2D/3D на жестких и гибких подложках.

Рис. 20. Проводящие дорожки шириной 50 мкм и зазором в 100 мкм.
2. Увеличение плотности компоновки печатных элементов с зазором в 15 мкм. Например, на площадке размерами 3,2х1,6 мм напечатано с помощью AJ 1004 резистора.
3. AJ печать контактных площадок из проводящей эпоксидной смолы с размерами в 100 мкм и менее без обычных проблем с замыканием дорожек. Поэтому
не требуется исправление и ремонт изделий.
4. Печать соединений в сборке чипов (рис. 21)

Рис. 21. Печать соединений между чипами в сборке. Ширина линии 30 мкм, высота 7 мкм, зазор < 60 мкм, скорость печати до 20 мм/с

 Рис. 22. Индикаторная панель — ремонт обрыва цепи.
5. Ремонт и исправление (AJ интегрирована в систему для ремонта от Micronics Japan Corp): – панели дисплеев (тач-скрин, LCD, плазма, электронная бумага) — размер перемычки 6 мкм, скорость печати на 25 % выше традиционных методов. (рис. 22)
6. Печать активных и пассивных элементов (рис. 23). Контакты, исток и сток печатаются Au наночернилами, для печати отдельных слоев транзистора используются другие материалы.
7. Покрытия

Рис. 23. Печать активных (А — транзистор) и пассивных (Б — емкость и резистор) элементов.

Прецизионные покрытия для широкого круга приложений (отражающие покрытия на стекла, дисплеи, печатные цепи, топливные элементы и т. д.) могут быть нанесены с помощью AJ только в нужных местах с необходимой толщиной. При этом можно смешивать материалы для нанесения градиентных покрытий непосредственно в процессе инжектирования, используя два атомайзера (рис. 24). Толщина покрытия от 100 нм до 2 мкм за один проход головки.
Системные решения технологии Aerosol Jet
Любая система AJ состоит из следующих стандартных компонентов:
1. Четырехъядерный процессор с ОС Windows 7 и Ethernet;
2. Модуль управления;

3. Ультразвуковой и пневматический атомайзеры системы Sprint;
4. Головки для печати тонких элементов и для нанесения широких покрытий;
5. Модуль управления перемещениями;
6. Модуль видеоконтроля;
7. Защитный колпак;
8. Базовый блок и вспомогательные устройства;
9. Управляющая система Aerosol Jet KEWA;
10. Модуль генерации траекторий VMTools 2D и 2.5D (работает в сочетании с AutoCAD).
Cуществуют системы AJ-200 (Sprint) для начального уровня для базовых исследований в НИИ и учебных заведениях; AJ-300 и AJ-5X с системой Sprint — для прототипирования и производства небольших серий изделий; AJ Print Engine с системой Marathon-II — для серийного производства, включая встроенные в производственные линии системы. На рис. 25 и 26 изображена система серии AJ 300.

Она включает:
◊ Ультразвуковой и пневматический атомайзеры;
◊ Печатающая головка с прерывателем;
◊ Модуль управления процессом;
◊ Головка с широким соплом (опция);
◊ Рабочая зона 300×300 мм;
◊ Камеры для установки и наблюдения за процессом
◊Программа проектирования установки путей и управления;
◊ Рабочая зона 370×470 мм (опция);
◊ Перемещение вдоль оси Z на 50 мм (опция);
◊ Лазерный модуль для спекания (опция).
Процесс AJ управляется с помощью контроллера. Система Print Engine включает до 4 печатающих головок, которые могут работать независимо друг от друга в различных сочетаниях — одна, две или четыре. Соответствующие модули могут легко удаляться или добавляться в систему.

При этом все компоненты чернил можно также легко заменять без использования инструментов. На рис. 27 показан атомайзер со встроенной головкой. AJ технология заняла свою нишу наряду с другими аддитивными технологиями в массовом производстве, исследованиях и разработках, производстве малых серий изделий (рис. 28, таблица 4).

Рис. 28. Роль аддитивных технологий, в частности, AJ технологии.

Николай Михайлович Максимов, к. т.н., председатель совета директоров группы компаний «Трехмерные технологии»
info@nikarus.com
Литература
1. Martin Hedges, Mike Kardos, Bruce King, Mike Renn. Aerosol-Jet Printing for 3-D Interconnects, Flexible Substrates and Embedded Passives. Proceedings of the International Wafer Level Packaging Conference, San Jose, CA, November 2006.
2. Li Yang, «A Novel Conformal RFID-Enabled Module utilizing InkjetPrinted Antennas and Carbon Nanotubes for Gas-Detection Application», IEEE Antennas and Wireless Propagation letters, Vol 8, pg. 653 (2009)
3. Justin M. Hoey, «Rapid Prototyping RFID Antennas Using Direct Write», IEEE Transactions on Advanced Packaging, Vol32, 4 pg. 89, (2009)
4. Nickolas Kingsley, «Liquid Crystal Polymer: Enabling Next Generation Conformal and Multilayer Electronics». Microwave Journal, pg. 188, (May 2008)
5. «Printable Ion Gel Gate Dielectrics for Low Voltage Polymer Thin Film Transistors on Plastic», J.H. Cho, J. Lee, Y. Xia, B. Kim, Y. He, M.J. Renn, TP. Lodge, and C.D. Frisbie, Nature Materials 7(11):900-6 (2008).

6. «Correlation of ON-State Conductance with Referenced Oxidation Potential in Ion Gel Gated Polymer Transistors», Y. Xia, J.H.Cho, B. Paulsen, M.J. Renn, T. P. Lodge, and C.D. Frisbie, Appl. Phys. Lett. 94, 013304 (2009).