johtavan musteen tulostaminen: sovellukset, valintakriteerit ja käytännön ohjeet

Joustavien lämpötila-anturien parissa työskentelevä prototyyppitiimi kohtasi äskettäin tutun ongelman: hyllystä valmistettu hopeatahna, josta he riippuivat, halkeili polyimidisubstraatin taipuessa, ja kovetusvaihe vaati 150 °C:n lämpötilaa, mikä sulki pois lämpöherkän kalvon, jota he halusivat käyttää. He tarvitsivat johtavan materiaalin, joka voidaan painaa, kovettaa alemmassa lämpötilassa ja joka säilyttää edelleen vakaan vastuksen satojen joustojaksojen läpi. Heidän hakunsa johti heidät tulostamaan johtavaa mustetta vaihtoehtona perinteiselle etsaukselle ja hopeatahnan annostelulle.

Hyvä uutinen on, että johtava muste on edennyt laboratoriokokeiden ulkopuolelle. Nykyaikaisia ​​formulaatioita käytetään kalvokytkimissä, RFID-antenneissa, lämmitetyissä istuimissa, joustavissa lääketieteellisissä elektrodeissa ja älykkäiden pakkausten liittimissä. Käytännön haasteena ei ole löytää demossa toimivaa mustetta, vaan valita sellainen, joka kestää valmistusta ja kenttäolosuhteita. Johtava muste on komposiittijärjestelmä, ja sen lopullisen suorituskyvyn määrää vuorovaikutteisten valintojen ketju: täyteainetyyppi, kantajakemia, substraatin pintaenergia, painotyökalu ja painatuksen jälkeinen sintraus tai kovetus.

Mikä määrittelee johtavan musteen koostumuksen?

Johtava muste koostuu kolmesta toiminnallisesta osasta: johtavasta täyteaineesta, kantajafaasista ja joukosta lisäaineita, jotka säätelevät kastumista, reologiaa, säilyvyyttä ja tarttumista. Täyteaine tarjoaa elektronireitin. Kantoaine toimii vehikkelinä, joka pitää täyteaineen dispergoituneena ja siirtää sen alustalle. Tulostuksen jälkeen kantoaine poistetaan haihduttamalla, UV-kovettumalla tai lämpösintraamalla, jolloin jäljelle jää johtava verkko.

Yleisimmät täyteaineet ovat hopea, kupari, hiili ja johtavat polymeerit. Hopea on vertailumateriaali, koska sen bulkkiresistiivisyys on alhainen ja sen hapettumiskäyttäytyminen on hallittavissa. Kupari on halvempaa, mutta vaatii inertin tai pelkistävän ympäristön sintrauksen aikana oksidin muodostumisen estämiseksi. Hiili on edullinen ja mekaanisesti joustava, mutta sillä on suurempi levyn kestävyys. Johtavat polymeerijärjestelmät ovat harvinaisia ​​teollisessa tuotannossa pitkäaikaisen stabiilisuuden vuoksi, mutta niitä käytetään silloin, kun optisella läpinäkyvyydellä tai venyvyydellä on merkitystä.

Täyteaineen valinta on vain yksi osa ongelmaa. Liuotinjärjestelmä määrittää, voidaanko muste tulostaa tietylle alustalle vahingoittamatta sitä. Esimerkiksi PET-kalvolle viritetyllä mustesuihkumusteella tulee olla tietty pintajännitys- ja viskositeettialue, kun taas tekstiilien siirtoon tarkoitettu silkkipainatusmuste voi olla paksu pasta, jolla on täysin erilainen käyttäytyminen.

Yleiset tulostustyypit Johtava muste

Teollisuuskäyttäjät luokittelevat johtavat musteet tyypillisesti painoprosessin ja täyteaineen kemian mukaan. Alla on käytännön yhteenveto yleisimmistä luokista ja niiden kompromisseista.

Tuotannossa valinta riippuu usein siitä, tarvitaanko painetun johtimen signaalia, tehoa vai lämmityselementtiä. Signaalilinjat voivat sietää korkeampaa arkin vastusta, joten hiilimusteita tai kuparimusteita harkitaan. Tehoreitit ja korkeataajuiset antennit vaativat yleensä hopea- tai hopeapäällysteisiä hiukkasia. Joissakin hybridirakenteissa vain kriittinen piirielementti käyttää jalometallia, kun taas muut johtavat jäljet ​​käyttävät halvempia materiaaleja.

Tulostusmenetelmät ja prosessiin liittyvät näkökohdat

Sama johtava muste käyttäytyy eri tavalla, kun se tulostetaan mustesuihkupäällä, kaavaimella tai pyörivällä seulalla. Viskositeetti ja hiukkaskoko ovat ensimmäiset parametrit, jotka prosessiinsinöörin on sovitettava valittuun painolaitteeseen.

Mustesuihkutulostus

Mustesuihkutulostus on houkutteleva nopeaan prototyyppien valmistukseen ja vähäiseen tuotantoon, koska se on kosketukseton, additiivinen menetelmä. Se tarjoaa hienot viivanleveydet aina 50 µm asti. Musteen viskositeetin on oltava tyypillisesti alle 20 cP, ja hiukkaskokojakauman on oltava riittävän kapea suuttimen tukkeutumisen välttämiseksi. Mustesuihkutulostimen johtavat hopeamusteet ovat usein metallisia nanohiukkasdispersioita, jotka tarvitsevat sintraamisen saostuksen jälkeen hiukkasten sulattamiseksi jatkuvaksi kalvoksi.

Silkkipainatus

Silkkipainatus on edelleen kalvokytkimien ja joustavien lämmittimien työhevonen. Se käyttää paksua tahnaa, jolla on suuri kiintoainekuormitus, usein 50–70 painoprosenttia, ja viskositeettialue 1 000–10 000 cP. Koska tahna puristetaan verkon läpi, painettu kalvo voi olla 5–20 µm paksu, mikä auttaa saavuttamaan alhaisen vastuksen. Silkkipainatus mahdollistaa hiutalemaisten hopeapartikkeleiden käytön, jotka pakkaautuvat hyvin ja muodostavat johtavuuden vähemmällä sintrauksella.

Syväpaino-, Flexo- ja Slot-Die-pinnoite

Suuren volyymin rullalta rullalle -tuotannossa syvä- ja fleksopainatus tarjoaa suuren nopeuden ja tasaisen pinnoitepainon. Urosuulapinnoitus on yleinen tasaisissa ohuissa kerroksissa. Nämä menetelmät sopivat hyvin pakkaamiseen, painettuun paristoon ja suuren alueen anturiryhmiin. Pääasiallinen suunnittelurajoitus on, että musteen on kuivuva tai kovettunut riittävän nopeasti tukemaan jatkuvaa rainan liikettä.

Piirin pohja vaatii myös kunnollisen pintakäsittelyn. Korona- tai plasmakäsittely voi nostaa muovien pintaenergiaa, jolloin muste kastelee alustan tasaisesti. Pieni pintaenergian muutos voi aiheuttaa reikien muodostumista tai reunavirtausta, mikä puolestaan ​​muuttaa lopullisen jäljen vastusta. Tästä syystä prosessin ohjauksella – ei vain musteen koostumuksella – on tärkeä rooli toistettavan johtavuuden varmistamisessa.

Mihin ioniset nesteet sopivat johtaviin mustejärjestelmiin

Ioniset nesteet ovat suoloja, jotka ovat nestemäisiä huoneenlämpötilassa tai lähellä sitä. Niiden tärkein ominaisuus johtavan musteen kehittämisessä on, että niissä yhdistyvät alhainen haihtuvuus, säädettävä viskositeetti ja laaja sähkökemiallinen stabiilisuus. Painetussa elektroniikassa niitä ei tyypillisesti käytetä ensisijaisena johtavana täyteaineena. Sen sijaan ne toimivat toiminnallisina lisäaineina, jotka muuttavat musteen käyttäytymistä tavoilla, jotka parantavat prosessoitavuutta tai lopullista suorituskykyä.

Yksi selkeä rooli on reologian modifioija. Pienen määrän ionista nestettä lisääminen voi alentaa vesidispersion viskositeettia tai vaikuttaa silkkipainopastan tiksotrooppiseen käyttäytymiseen. Tämä voi auttaa formuloijaa saavuttamaan tasaisen tulostuksen edellyttämän leikkausohennusprofiilin lisäämättä haihtuvien orgaanisten aineiden pitoisuutta. Toinen rooli on kiinnittymisen edistäjä. Jotkut imidatsoliumpohjaiset ioniset nesteet ovat vuorovaikutuksessa sekä metallihiukkasten että polymeerisubstraatin kanssa, mikä pienentää kosketuskulmaa ja lisää painetun jäljen ja kalvon välistä sidoslujuutta.

Ioniset nesteet tarjoavat myös tavan parantaa painettujen sähkökemiallisten laitteiden suorituskykyä. Esimerkiksi painetussa kaasuanturissa ioninen neste voi toimia elektrolyyttifaasina, jolloin painetut metallielektrodit voivat toimia ilman erillistä nestemäistä elektrolyyttikerrosta. Tällä on käytännön vaikutuksia puetettaviin biosensoreihin ja ympäristömonitoreihin, joissa vuototiiviillä solid-state-rakenteella on merkitystä.

Joustaville piireille, jotka on tarkoitettu toimimaan jännityksen alaisena, lisäaineen valinta voi vaikuttaa puristus- ja vetokäyttäytymiseen. Jotkut ioniset nesteet toimivat pehmittiminä polymeerimatriisissa, jolloin johtava verkko voi taipua halkeilematta. Tämä on analoginen tapa, jolla pehmittimiä käytetään joustavassa PVC:ssä, mutta ioninen neste tuo myös ioninjohtavuuden, mikä voi auttaa ylläpitämään vakaata signaalia mekaanisen muodonmuutoksen aikana.

1-etyyli-3-metyyli-imidatsoliumbis(fluorisulfonyyli)imidi on esimerkki ionisesta nesteestä, jossa yhdistyy alhainen sulamispiste korkeaan ioninjohtavuuteen. Johtavassa pinnoitekoostumuksessa sitä voidaan käyttää säätämään dielektristä vastetta tai parantamaan elektrodi-elektrolyyttirajapintaa painetussa akussa tai superkondensaattorirakenteessa. Sen aromaattinen imidatsoliumkationi voi olla vuorovaikutuksessa täyteaineen pinnan kanssa, mikä mahdollisesti auttaa säilyttämään tasaisemman hiukkasjakauman kuivausvaiheen aikana.

1-etyyli-3-metyyli-imidatsoliumbis(fluorisulfonyyli)imidi N-metyyli-imidatsoliumvetysulfaatti Näytä tuote →

1-butyyli-3-metyyli-imidatsoliumkloridi on klassinen valinta formuloijille, jotka tarvitsevat hienosäätää liuottimen napaisuutta tai muuttaa substraatin kostutuskäyttäytymistä. Sen kloridianioni on myös tunnettu vaihtoehto orgaanisille happolisäaineille joissakin metallipintakäsittelyissä. Kun sitä käytetään muutaman painoprosentin verran, se voi siirtää täyteainesuspension zeta-potentiaalia ja stabiloida dispersion agglomeroitumista vastaan.

1-butyyli-3-metyyli-imidatsoliumkloridi N-metyyli-imidatsoliumvetysulfaatti Näytä tuote →

Hydrofobisissa järjestelmissä metyylitributyyliammoniumnonafluoributaanisulfonaatti tarjoaa tavan muokata musteen pintaa lisäämättä merkittävää veden imeytymistä. Se on kvaternäärinen ammoniumsuola, jossa on fluorattua sulfonaattia, ja sen kookas rakenne voi osaltaan vähentää kosteuden imeytymistä. Ympäristöissä, joissa painetun piirin on kestettävä korkea kosteus ilman, että sen pintavastus muuttuu, tällainen lisäaine voi osoittautua arvokkaaksi.

Metyylitributyyliammoniumnonafluoributaanisulfonaatti TBMA perfluoributaanisulfonaatti on ioninen neste, jonka kemiallinen nimi on TBMA perfluoributaanisulfonaatti. Se on väritön, läpinäkyvä neste, joka on stabiili huoneenlämmössä... Näytä tuote →

On tärkeää todeta käytännön rajoitus: ioniset nesteet eivät korvaa johtavaa metallia. Ne eivät voi itse alentaa hopeatäytteisen musteen kestävyyttä. Ne tarjoavat kuitenkin tavan ratkaista dispergointiin, kostutukseen ja tarttumiseen liittyviä formulaatiohaasteita, erityisesti joustavassa tai venyvässä elektroniikassa. Kaikki lisäaineet on seulottava loppukäyttöä silmällä pitäen, koska kostutusta parantava ioninen neste voi myös vähentää kuivan kalvon johtavuutta.

Suorituskyvyn vertailuarvot ja valintakriteerit

Ennen kuin ostaja sitoutuu kemiaan, hänen tulee määritellä suorituskyvyn vähimmäisvaatimukset ja toleranssialueet. Seuraavat kysymykset yleensä selventävät todellisia vaatimuksia.

• Kuinka pieni vastuksen pitää olla? Vastaus määrittää, tarvitaanko hopeaa vai voidaanko kuparia tai hiiltä harkita.
• Mikä on pienin hyväksyttävä taivutussäde? Jos piiri taitetaan toistuvasti, hauras hopeananopartikkelikalvo voi vaurioitua ulomman jännityskerroksen kohdalla.
• Mikä kovettumislämpötila on käytettävissä? Substraatit, kuten PET, sallivat vain 150 °C:n lämpötilan, kun taas jotkut PI-kalvot kestävät 250 °C:n lämpötilaa.
• Onko liuotinjärjestelmä yhteensopiva puhdastila- tai kosteusrajoitusten kanssa? Liuotinpohjaiset musteet saattavat vaatia erityistä poistoa, kun taas vesipohjaiset musteet voivat kuivua hitaasti ei-huokoisilla alustoilla.
• Mikä on odotettu tuotantomäärä? Suuret R2R-ajot oikeuttavat erilaisen musteen koostumuksen kuin pieni erä, joka tuotetaan tasotulostimella.

Monissa tapauksissa hybridilähestymistapa toimii parhaiten. Joustavien lämmittimien valmistaja saattaa käyttää hopeahiutalepastaa tärkeimpiin johtaviin raitoihin ja hiilimustetta resistiivisissä tai anturielementeissä. Sama valmistaja saattaa lisätä ionista nestettä hopeatahnaan parantaakseen tarttuvuutta matalaenergiseen alustaan ​​tai alentaakseen tietyn polyimidilaadun vaatimaa sintrauslämpötilaa.

Taulukossa 2 on yhteenveto kuhunkin musteperheeseen liittyvistä hankintariskeistä. Nämä ovat vikatiloja, jotka tulevat näkyviin vasta, kun muste on integroitu tuotteeseen.

Sovellukset reaalimaailman valmistuksessa

Yksi kasvualue on painetut elektrodit fysiologian seurantaa varten. Kertakäyttöinen lääkelaastari tarvitsee elektrodin, joka on joustava, iholle turvallinen ja soveltuu edulliseen tulostukseen. Tässä sovelluksessa johtimena käytetään hopeamustetta ja anturirakenne perustuu hiilen ja muiden lisäaineiden yhdistelmään. Pintavastuksen tulee pysyä vakaana, vaikka laastari venyy potilaan liikkeen mukana.

Toinen asennus löytyy älykkäästä pakkauksesta. Paperi- tai kalvosubstraatille painettu johtava jälki voi toimia lämmityselementtinä tai antennina varaston seurannassa. Hiilimusteen alhaiset kustannukset ovat houkuttelevia, mutta pakkauskonvertterit tarvitsevat myös viimeisen suojakerroksen suojaamaan painettua ominaisuutta kosteudelta. Hybridimallissa voidaan käyttää hopeaa antenneissa ja hiiltä antistaattisilla tai kosteutta tunnistavilla alueilla.

Autoteollisuus tulostaa nyt sähköä johtavan piirin suoraan teksturoituihin tai kaareviin komponentteihin. Esimerkiksi istuimen käyttötunnistin voidaan painaa komposiittikankaalle, joka ei kestä ankaraa liuottimelle altistumista. Tässä keskeinen vaatimus on muste, joka kuivuu nopeasti alhaisessa lämpötilassa ja kestää toistuvaa mekaanista puristusta. Ionisen nesteen lisääminen voi auttaa alentamaan kovettumislämpötilaa ja parantamaan kudotun kuidun kostuvuutta.

Valmistajat, jotka käsittelevät kontaminaatioherkkiä prosesseja, käyttävät myös johtavia musteita antistaattisena kerroksena. Tämä on olennaista markkinoilla, jotka edellyttävät hallittua staattisen sähkön häviämistä etikettipaperissa tai suojakalvossa. Painettu johtava kuvio on yleensä riittävän hieno, jotta se on tuskin näkyvissä, ja sähköiset ominaisuudet on suunnattu pintaresistiivisyysalueelle 10^6 - 10^9 Ω/sq. Samat lisäaineet, jotka parantavat kostutusta johtavassa piirissä, voivat myös auttaa antistaattista pinnoitetta saavuttamaan tavoitearvonsa luotettavasti.

Sovelluksemme esimerkkejä näyttää, kuinka erikoistunut lisäaineiden toimittaja lähestyy näitä teollisia haasteita antistaattisista pinnoitteista erotusaineisiin. Kussakin tapauksessa ydinperiaate säilyy: ymmärrä loppukäytön rasitus ennen mustejärjestelmän valintaa ja käsittele lisäaineita osana suunnitteluyhtälöä, ei viime hetken korjauksena.

Saadaksesi syvemmän teknisen näkökulman lisäainekemiaan ja teolliseen synteesiin, meidän opas ionisten nesteiden sovelluksiin tarjoaa käytännön näkökohtia valmistajille, jotka haluavat validoida uuden koostumuksen ennen laajentamista. Oppaassa käsitellään johtavuuden, lämpöstabiilisuuden ja prosessien yhteensopivuuden vuorovaikutusta siirryttäessä laboratoriokonseptista jatkuvaan tuotantoon.