曹 彤 黃 進(jìn) 茅德旺

(1.西安電子工程研究所 西安 710100;2.西安電子科技大學(xué) 西安 710071)

0 引言

導(dǎo)電圖形是由納米金屬墨水在基板上形成的具有電磁功能的圖案,廣泛應(yīng)用于微帶貼片天線、RFID(射頻識(shí)別)標(biāo)簽[1]和電路等。近紅外(NIR)燒結(jié)是通過(guò)近紅外線的光熱效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)納米金屬墨水的燒結(jié)。近紅外燈組由于色溫高、加熱速度快、燒結(jié)效率高等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。在使用近紅外燒結(jié)時(shí),普通紙和PET、PI等塑料基材由于基本不吸收近紅外波段的光線而保持在低溫狀態(tài),在保證納米銀層具有良好導(dǎo)電性的同時(shí)也具有良好的附著力[2]。近紅外的這一特點(diǎn)也使其成為了在此類(lèi)基材上燒結(jié)納米金屬墨水的一種理想燒結(jié)工藝,納米銀墨水是納米金屬墨水中的一種典型應(yīng)用材料。

本文采用多尺度分析的方法研究近紅外燒結(jié)過(guò)程中納米銀顆粒燒結(jié)頸和致密層形成特性,從而系統(tǒng)地揭示近紅外燒結(jié)機(jī)理。基于多尺度模型提出近紅外燒結(jié)參數(shù)反饋調(diào)控方法,從而實(shí)現(xiàn)近紅外對(duì)納米銀墨水的控性燒結(jié)。

1 特征分析

在近紅外燒結(jié)過(guò)程中,納米銀墨水通過(guò)光熱機(jī)制快速加熱,在銀納米顆粒之間界面處實(shí)現(xiàn)原子擴(kuò)散和頸部形成。圖1顯示了兩個(gè)銀納米顆粒在435K燒結(jié)時(shí)的構(gòu)型演變。

圖1 15nm顆粒在435K燒結(jié)時(shí)構(gòu)型演變

從圖1中可以看出納米顆粒間燒結(jié)頸的生長(zhǎng)和形成在納秒內(nèi)完成,在初始階段之后,由于原子擴(kuò)散變得穩(wěn)定,位錯(cuò)產(chǎn)生逐漸停止,頸寬增長(zhǎng)變得相當(dāng)緩慢[3-4]。為確定燒結(jié)頸與電導(dǎo)率的關(guān)系,對(duì)兩個(gè)5nm顆粒間燒結(jié)頸進(jìn)行計(jì)算分析。燒結(jié)后納米銀電阻率由頸寬和納米顆粒尺寸共同決定,可使用Reimann-Weber方程[5]預(yù)測(cè)納米銀燒結(jié)后的電阻率,其表達(dá)式為

(1)

圖2顯示了近紅外燒結(jié)過(guò)程中頸寬的定量變化。燒結(jié)頸在5ps時(shí)形成,然后開(kāi)始快速增長(zhǎng),約100ps后頸尺寸趨于穩(wěn)定。頸寬幾乎保持不變,直到燒結(jié)停止在200ps。并且從圖3可以看出納米顆粒燒結(jié)界面處電阻率。隨著近紅外燒結(jié)的開(kāi)始,電阻率急劇降低。當(dāng)頸寬不變時(shí),電阻率趨于穩(wěn)定。燒結(jié)后納米銀的電阻率約為大塊銀電阻率的2.02倍。也就是說(shuō),燒結(jié)納米銀墨水的最終電導(dǎo)率約為3.12×107S/m,模擬計(jì)算的電導(dǎo)率可與之后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照參考。

圖2 頸寬隨燒結(jié)時(shí)間的變化

圖3 近紅外燒結(jié)過(guò)程中納米銀電阻率的變化

2 多尺度分析

2.1 近紅外燒結(jié)傳熱模型分析

由于近紅外燒結(jié)納米銀墨水屬于變溫度場(chǎng)燒結(jié),所以需建立近紅外燒結(jié)溫度場(chǎng)傳熱模型,從而對(duì)燒結(jié)狀態(tài)在宏觀尺度上進(jìn)行分析,近紅外燒結(jié)傳熱模型需要描述兩方面內(nèi)容:一是模型與外部環(huán)境的換熱方式與換熱強(qiáng)度,包括輻射、熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流;二是納米銀墨水由于溶劑蒸發(fā)、溶質(zhì)熔化導(dǎo)致的成分改變和相變熱的處理。

圖4所示為不同功率下燒結(jié)納米銀墨水溫度變化趨勢(shì),可以看出在燒結(jié)時(shí)間為15s時(shí),隨著近紅外燒結(jié)功率的增大,納米銀墨水燒結(jié)溫度逐漸升高。圖5所示為近紅外燒結(jié)過(guò)程中不同燒結(jié)時(shí)間與納米銀墨水溫度變化趨勢(shì)的關(guān)系?？梢钥闯?在近紅外燒結(jié)功率為100%時(shí),隨著燒結(jié)時(shí)間的增加,納米銀墨水燒結(jié)溫度逐漸升高。

圖4 不同燒結(jié)功率下溫度變化趨勢(shì)

圖5 不同燒結(jié)時(shí)間下溫度變化趨勢(shì)

2.2 近紅外燒結(jié)納米銀層形貌表征

納米銀層表面形貌是近紅外燒結(jié)結(jié)果的直觀反映,表面形貌的好壞直接影響到納米銀層的電性能。因此,需要在介觀尺度上分析燒結(jié)過(guò)程中納米金屬顆粒的燒結(jié)頸和致密層形成特性,進(jìn)一步研究燒結(jié)成形薄膜形貌和電性能的關(guān)系,并對(duì)近紅外燒結(jié)狀態(tài)進(jìn)行分析。

使用Inmage-Pro Plus圖像分析軟件對(duì)納米銀層SEM圖像做摳圖處理計(jì)算空隙面積占SEM全圖的比例,據(jù)此測(cè)量納米銀層孔隙率。如圖6所示為不同燒結(jié)參數(shù)下納米銀層SEM觀測(cè)圖。對(duì)納米銀層的孔洞尺寸和孔隙率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見(jiàn)表1所示。

表1 不同參數(shù)燒結(jié)納米銀層孔洞個(gè)數(shù)、面積、直徑、周長(zhǎng)和最大直徑表

圖6 不同燒結(jié)參數(shù)下納米銀層SEM觀測(cè)圖

近紅外燒結(jié)納米銀墨水樣品編號(hào)對(duì)應(yīng)SEM觀測(cè)圖號(hào),其中每個(gè)樣品打印十層納米銀墨水,每層都進(jìn)行近紅外表干,打印完后進(jìn)行近紅外燒結(jié)。樣品a為欠燒結(jié)樣品;樣品b為初步燒結(jié)樣品;樣品c為正常燒結(jié)樣品;樣品d為過(guò)燒結(jié)樣品。

由表1可以看出隨著燒結(jié)功率及時(shí)間的增加,孔洞數(shù)量逐漸減小,單位面積上孔隙率降低,孔洞的平均面積也隨之降低。整體上,孔洞的平均尺寸(直徑、周長(zhǎng)以及最大直徑)都隨著燒結(jié)功率及時(shí)間的增加而降低,對(duì)應(yīng)了燒結(jié)組織致密度的提高。

2.3 近紅外燒結(jié)成型機(jī)理分析

納米銀顆粒的表面能是近紅外燒結(jié)的主要驅(qū)動(dòng)力,在近紅外燒結(jié)時(shí)其表面能降低,同時(shí)釋放熱量。當(dāng)近紅外燒結(jié)溫度升高至納米銀墨水溶劑的蒸發(fā)溫度時(shí),由于溶劑去除從而引起納米銀墨水失重,同時(shí)伴隨著吸熱過(guò)程發(fā)生。在吸熱過(guò)程中,微觀尺度上納米銀顆粒間互相融合形成燒結(jié)頸,納米銀層從而具有電性能;介觀尺度上納米銀層表面孔隙率降低,致密度增加,納米銀層從而具有電性能;宏觀尺度上燒結(jié)溫度升高至納米銀墨水熔點(diǎn)以上,有機(jī)溶劑和無(wú)機(jī)溶劑揮發(fā),納米銀顆粒熔化結(jié)合并具有電性能。

由圖7近紅外燒結(jié)多尺度耦合關(guān)系可知,燒結(jié)溫度由近紅外燒結(jié)時(shí)間和燒結(jié)功率決定,并且燒結(jié)溫度是納米銀顆粒擴(kuò)散程度和電性能的決定性因素。微結(jié)構(gòu)變化由納米銀層孔隙率和致密度決定,微結(jié)構(gòu)變化是納米銀顆粒擴(kuò)散情況和納米銀層表面形貌的直觀反映,同時(shí)也影響著納米銀層電性能。納米銀顆粒擴(kuò)散程度決定了燒結(jié)頸的變化,而通過(guò)燒結(jié)頸可以預(yù)測(cè)出納米銀層電性能。多尺度間相互影響,共同作用決定納米銀墨水燒結(jié)情況。通過(guò)多尺度方法對(duì)近紅外燒結(jié)顆粒階段進(jìn)行研究,從而系統(tǒng)地揭示了近紅外燒結(jié)機(jī)理,同時(shí)為納米銀層成形過(guò)程中燒結(jié)參數(shù)設(shè)置提供工藝參考和理論支撐。

圖7 近紅外燒結(jié)參數(shù)反饋調(diào)控系統(tǒng)框圖

3 參數(shù)反饋調(diào)控方法

通過(guò)溫度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)納米銀層進(jìn)行表面溫度非接觸式測(cè)量,獲得溫度分布圖,實(shí)現(xiàn)對(duì)納米銀層燒結(jié)程度分析。通過(guò)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)捕獲納米銀層掃描光斑灰度變化值,對(duì)納米銀層形貌進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)提取,獲得納米銀層表面形貌,實(shí)現(xiàn)對(duì)納米銀層平整度評(píng)估。

近紅外燒結(jié)參數(shù)調(diào)控主要實(shí)現(xiàn)近紅外燈組通斷控制、近紅外燒結(jié)功率0～100%選擇以及近紅外燒結(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)三個(gè)功能,因此近紅外燈組控制模式設(shè)置為PLC控制,近紅外燒結(jié)參數(shù)反饋調(diào)控系統(tǒng)框圖如圖8所示。

圖8 近紅外燒結(jié)參數(shù)反饋調(diào)控系統(tǒng)框圖

在多傳感器檢測(cè)系統(tǒng)判斷納米銀層燒結(jié)狀態(tài)大于期望誤差后,通過(guò)燒結(jié)控制電路實(shí)現(xiàn)近紅外參數(shù)反饋調(diào)控。上位機(jī)得到燒結(jié)指令后,給下位機(jī)發(fā)送PWM參數(shù)調(diào)節(jié)信號(hào),燒結(jié)控制電路將PWM轉(zhuǎn)換為模擬電壓從而實(shí)現(xiàn)近紅外燈組燒結(jié)參數(shù)的調(diào)控,控制信號(hào)通過(guò)串行端口協(xié)議發(fā)送到控制器。該電路采用GP8101芯片實(shí)現(xiàn)PWM到模擬電壓轉(zhuǎn)換輸入,燒結(jié)功率變化通過(guò)模擬電壓輸入控制,PWM占空比0～100%對(duì)應(yīng)模擬電壓0～10V,0～10V對(duì)應(yīng)0～100%燒結(jié)功率大小變化輸出;燒結(jié)時(shí)間變化通過(guò)模擬電壓輸入時(shí)間控制,PWM鎖存時(shí)間即為模擬電壓輸入時(shí)間。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)功能要求,對(duì)微滴噴射近紅外燒結(jié)一體化成形實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行分模塊化設(shè)計(jì),之后將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行整體組裝和調(diào)試,微滴噴射近紅外燒結(jié)一體化成形實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總裝圖如圖9所示。

圖9 微滴噴射近紅外燒結(jié)一體化成形實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總裝圖

設(shè)計(jì)以環(huán)氧樹(shù)脂為基板的微帶貼片天線,環(huán)氧樹(shù)脂背面覆銅,作為地板。矩形貼片天線中心頻率為10GHz,采用微帶線饋電方式,介質(zhì)基板厚度為0.86mm,基板介質(zhì)損耗角正切值為0.02,基板介電常數(shù)為4.4。

打印兩個(gè)微帶貼片天線樣件,樣件a使用參數(shù)反饋調(diào)控方法對(duì)微帶貼片天線燒結(jié)進(jìn)行調(diào)控,樣件b燒結(jié)后不對(duì)燒結(jié)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。使用表面粗糙度儀測(cè)量,未調(diào)控?zé)Y(jié)樣件Ra值比調(diào)控?zé)Y(jié)樣件Ra值大一倍多,結(jié)構(gòu)差異明顯。并用四探針測(cè)量?jī)x分別對(duì)樣件電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量,經(jīng)過(guò)參數(shù)反饋調(diào)控方法燒結(jié)的樣件電導(dǎo)率為2.73×107S/m,該實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了電導(dǎo)率預(yù)測(cè)結(jié)果的87.5%。而未經(jīng)過(guò)參數(shù)反饋調(diào)控方法燒結(jié)的樣件電導(dǎo)率僅為1.59×106S/m,經(jīng)過(guò)參數(shù)調(diào)控后燒結(jié)電導(dǎo)率提高了一個(gè)量級(jí)。如圖10(a)、圖10(b)所示分別為近紅外調(diào)控參數(shù)燒結(jié)微帶貼片天線(樣件a)和未調(diào)控參數(shù)燒結(jié)微帶貼片天線(樣件b),圖11為調(diào)控參數(shù)燒結(jié)樣件、未調(diào)控參數(shù)燒結(jié)樣件以及天線模型仿真回波損耗對(duì)比圖。

圖10 近紅外燒結(jié)后微帶貼片天線圖

圖11 微帶貼片天線燒結(jié)樣件實(shí)測(cè)和模型仿真回波損耗對(duì)比圖

對(duì)設(shè)計(jì)后的微帶貼片天線進(jìn)行仿真,得到其回波損耗的峰值為-33.22dB,中心頻率為9.95GHz,帶寬為880MHz。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)經(jīng)過(guò)參數(shù)反饋調(diào)控方法近紅外燒結(jié)的微帶貼片天線進(jìn)行測(cè)試,其回波損耗為-24.17dB,中心頻率為10.02GHz,帶寬為939MHz;而未經(jīng)過(guò)參數(shù)反饋調(diào)控方法近紅外燒結(jié)的微帶貼片天線回波損耗為-19.23dB,中心頻率為9.8GHz,帶寬為414MHz。經(jīng)過(guò)參數(shù)反饋調(diào)控方法近紅外燒結(jié)的微帶貼片天線與仿真結(jié)果相比,中心頻率相差70MHz,性能滿足要求,實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真存在誤差原因可能是打印微帶線邊緣精度不夠,導(dǎo)致饋電網(wǎng)絡(luò)的損耗較小,并且焊接SMA頭時(shí)存在誤差。未經(jīng)過(guò)參數(shù)反饋調(diào)控方法近紅外燒結(jié)的微帶貼片天線與仿真結(jié)果相比,中心頻率相差150MHz,并且?guī)拑H為仿真結(jié)果的一半,誤差較大,不符合實(shí)際使用需求。該對(duì)比結(jié)果說(shuō)明了近紅外燒結(jié)機(jī)理及參數(shù)反饋調(diào)控方法的有效性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用多尺度方法,將近紅外燒結(jié)溫度場(chǎng)傳熱模型、納米銀層表面形貌和分子動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合,系統(tǒng)地揭示了近紅外燒結(jié)機(jī)理。采用參數(shù)反饋調(diào)控方法實(shí)現(xiàn)了微帶天線的一體化成形,制造出了中心頻率為10.02GHz的微帶天線并測(cè)試其性能,電導(dǎo)率為2.73×107S/m,中心頻率處的回波損耗為-24.17dB,帶寬為939MHz,實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果接近,驗(yàn)證了近紅外燒結(jié)參數(shù)反饋調(diào)控方法的有效性。