Thông tin tài liệu
MỞ ĐẦU A Lý do chọn đề tài. Thời gian gần đây, do một số đặc điểm nổi trội so với công nghệ planar, một số cơ sở nghiên cứu khoa học trên thế giới đã bắt đầu triển khai các nghiên cứu phát triển công nghệ in phun nhằm chế tạo vi mạch điện tử. Ưu điểm nổi bật của công nghệ in phun là không cần dùng mặt nạ “mask” (tiết kiệm vì mask rất đắt tiền), một máy tính sẽ điểu khiển in từng chấm một dựa trên hình ảnh đã thiết kế. Quy trình đơn giản hơn, sử dụng rất ít nguyên vật liệu, hóa chất (chỉ vào khoảng 10-20% so với phương pháp quang khắc) nên giá thành chế tạo linh kiện có thể giảm đáng kể. Theo tính toán sơ bộ của chúng tôi, phương pháp in phun giúp giảm khoảng 50% giá thành chế tạo vi linh kiện so với các sản phẩm được sản xuất theo phương pháp truyền thống (quang khắc) có mặt trên thị trường. Đây là lý do quan trọng giúp cho công nghệ in phun có thể ứng dụng trong phòng thí nghiệm để in màng mỏng lên các loại đế khác nhau, đặc biệt là đế nhựa hay đế giấy thì khó có thể thực hiện bằng các phương pháp khác. Mực in phun là vấn đề cốt yếu khi chúng ta sử dụng công nghệ in phun. Các nghiên cứu đã nhận định rằng hầu hết các hạn chế và lỗi sản phẩm đều liên quan đến dung dịch mực in phun. Mực in phải đáp ứng các điều kiện phù hợp trong cả hệ thống in phun, bao gồm những vấn đề như: thấm ướt bên trong đầu in, độ nhớt thường giới hạn trong phạm vi từ 8 đến 20 cP, áp suất hơi thấp, sức căng bề mặt phù hợp với từng đầu in khác nhau và các yêu cầu khác nhau. Trong thực tế, bản chất mực in phun là chất mang các phân tử hoặc đám phân tử để tạo các chức năng cần có của lớp in. Chúng ta có thể thấy rõ mực in trong đồ họa mang chất màu với chất bảo vệ chống lại ánh sáng hay những phân tử đặc biệt giúp kiểm soát sự lan truyền của mực in trên bề mặt. Đối với các loại mực in dẫn điện thích hợp cho việc chế tạo các mạch vi cơ điện tử thì các hạt nano kim loại được mang bởi mực in phun và tạo thành lớp cuối cùng cần đặc khít lại sau khi dung môi bay hơi. Lớp này sẽ cần phải trải qua một quá trình nung kết khối để được hợp nhất 1 thành một màng liên tục. Để đạt được điều này, các phân tử hữu cơ được thêm vào mực in để ổn định các hạt nano kim loại trong dung dịch mực in không được hình thành một lớp quá bền vững, để có thể loại bỏ các phân tử hữu cơ trong lúc sấy khô ở nhiệt độ thấp. Sau khi in, lớp màng in cần được xử lý nhiệt, điều này là cần thiết để các hạt nano dẫn điện liên kết với nhau tạo thành lớp màng đồng nhất. Vì vậy, hình thành được công thức mực in phun là chìa khóa để chế tạo thành công các màng dẫn điện bằng phương pháp in phun. Vì vậy với mục đích là phát triển công nghệ in phun nhằm chế tạo vi mạch điện tử ở Việt Nam, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu là: ‘Nghiên cứu chế tạo mực in nano kim loại và ứng dụng trong công nghệ in các mạch điện tử’ cho Luận án này. B Mục tiêu của Luận án Mục tiêu chính của Luận án là nghiên cứu chế tạo mực in nano kim loại và ứng dụng trong công nghệ in các mạch in điện tử bằng công nghệ in phun. Để thực hiện được mục tiêu chính, 3 mục tiêu cụ thể cần thực hiện là: - Nghiên cứu giải quyết các vấn đề công nghệ phát sinh và làm chủ các thông số công nghệ in phun để có thể in được các điểm, đường và màng mỏng dẫn điện. - Nghiên cứu chế tạo hạt nano kim loại bạc (Ag) và đồng (Cu). - Nghiên cứu chế tạo mực in nano kim loại bạc và đồng từ hạt nano kim loại bạc và đồng được chế tạo trong Luận án. So sánh mực in nano kim loại chế tạo trong Luận án này với mực in kim loại thương mại. Để có thể chế tạo và ứng dụng mực in nano kim loại cho việc chế tạo các mạch điện tử bằng công nghệ in phun, cần phải tìm hiểu và làm chủ được các thông số của công nghệ in phun. Vì vậy nội dung quan trọng đầu tiên là giải quyết các vấn đề công nghệ phát sinh và làm chủ các thông số của công nghệ in phun để có thể in được các điểm, đường và màng mỏng dẫn điện. Khảo sát cơ bản các đặc trưng của 2 máy in phun sử dụng mực in nano kim loại thương mại, sự tương tác của mực in trên đế, và các thông số ảnh hưởng đến quá trình in phun. Hơn nữa, để chế tạo được mực in nano kim loại, việc nghiên cứu chế tạo hạt nano kim loại là nội dung quan trọng tiếp theo được thực hiện trong Luận án này, sau đó tiến hành nghiên cứu các thành phần cho công thức mực in nano kim loại. Nghiên cứu ứng dụng sẽ tập trung vào khâu chế tạo các vi mạch điện tử bằng công nghệ in phun. C Cấu trúc của Luận án Luận án gồm 158 trang được trình bày như sau: Mở đầu (4 trang), Chương 1: Tổng quan (25 trang), Chương 2: Phương pháp thực nghiệm (22 trang), Chương 3: Kết quả và thảo luận (101 trang) và Kết luận và định hướng nghiên cứu tiếp theo (6 trang). Luận án có 29 bảng, 115 hình và 115 tài liệu tham khảo CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.2. Tổng quan về hạt nano kim loại Đối với mực in hạt nano kim loại, mực in phải dẫn điện sau khi in, tính chất mực in, khả năng phun mực, sự tương tác giữa bề mặt đế và mực in, và khả năng của máy in phun là phải đồng bộ. Để có thể xây dựng được công thức mực in đạt các yêu cầu này, đầu tiên dung dịch hạt nano kim loại phải đạt có tính chất sau: - Nồng độ hạt nano kim loại trong dung dịch phải cao khoảng 10- 15% theo khối lượng (wt%), để đảm bảo tính dẫn điện của mực in phun. - Hạt nano kim loại có kích thước hạt nhỏ, để giảm nhiệt độ xử lý sau khi in vì vậy có thể in trên các loại đế khác nhau. - Hạt nano kim loại không bị kết tụ trong dung dịch, để tránh làm tắt vòi phun mực trong khi in phun. - Quy trình chế tạo hạt nano kim loại đơn giản, nhanh chóng và không sử dụng dung môi độc hại, để có thể sản xuất được với số lượng lớn. 3 1.3. Tổng quan về mực in phun Mực in phun dẫn điện có thể sử dụng để chế tạo các cấu trúc trên nhiều loại đế khác nhau cho các ứng dụng điện tử. Các cấu trúc này có kích thước từ mili mét, đến micro mét và thậm chí có kích thước siêu nhỏ. Nó thay thế các phương pháp chế tạo các cấu trúc dẫn điện truyền thống sử dụng nguyên vật liệu đắt tiền và thải ra đáng kể các chất ô nhiễm hóa học. Ngoài ra, các phương pháp lắng đọng thông thường phải thông qua nhiều bước khác nhau. Nhu cầu của thị trường đòi hỏi các linh kiện điện tử có chất lượng cao, chi phí thấp vì vậy đòi hỏi kỹ thuật chế tạo sáng tạo, nhanh hơn và rẻ hơn so với phương pháp sản xuất truyền thống. In phun là một phương pháp mà cung cấp sự linh hoạt và thuận lợi về chi phí, đặc biệt cho quá trình sản xuất các cấu trúc có kích thước nhỏ. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.3. Quy trình thực nghiệm 2.3.2. Quy trình chế tạo dung dịch hạt nano bạc Trong Luận án này chúng tôi chế tạo hạt nano bạc bằng phương pháp hóa khử theo 4 quy trình khác nhau để tìm được quy trình phù hợp cho ứng dụng chế tạo mực in nano bạc: - Quy trình chế tạo hạt nano bạc có kích thước hạt nhỏ với dung môi nước, chất khử là NaBH 4 và trisodium citrate (TSC) bằng phương pháp hóa học sử dụng khuấy từ. - Quy trình chế tạo hạt nano bạc có kích thước hạt nhỏ với Ethanol vừa là dung môi vừa là chất khử bằng phương pháp hóa học sử dụng thanh rung siêu âm. - Quy trình chế tạo hạt nano bạc có kích thước hạt nhỏ với Ethylen glycol (EG) vừa là dung môi vừa là chất khử bằng phương pháp hóa học sử dụng thanh rung siêu âm. - Quy trình chế tạo tấm nano bạc (Ag nanoplates). 4 Hình 2.4 2.3.4. Quy trình chế tạo mực in hạt nano kim loại. Từ các quy trình chế tạo hạt nano kim loại phía trên chúng tôi thu được dung dịch keo kim loại để chế tạo mực in nano kim loại. Quy trình chế tạo mực in nano kim loại bao gồm 5 bước sau: - Ly tâm dung dịch nano bạc và đồng để thu bột nano kim loại. - Sau khi ly tâm loại bỏ dung môi trong dung dịch nano kim loại , chúng tôi rửa lượng PVP còn dư bám trên hạt nano kim loại. - Phân tán lại hạt nano kim loại trong dung môi thích hợp để thu mực in nano kim loại - Đo đạc tính chất của mực in - Đánh giá mực in chế tạo được bằng thiết bị in phun Dimatix Printer. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu và giải quyết các vấn đề công nghệ phát sinh và làm chủ các thông số của công nghệ in phun 1 Đánh giá các tính chất và khả năng phun mực của 3 loại mực in dẫn điện thương mại Để đạt được các ứng dụng in phun cụ thể, tính chất một hệ thống in phun bao gồm: công nghệ in phun, mực in, đầu in và đế in phải được khảo sát đầu tiên. Đối với từng loại ứng dụng khác nhau, các yêu cầu khác nhau cần được thiết lập. Để có thể chế tạo mực in nano kim loại phù hợp cho một thiết bị in phun cụ thể thì cần phải nghiên cứu để 5 hiểu được các thông số của kỹ thuật in phun và các vấn đề về công nghệ in phun. Vì vậy nội dung quan trọng đầu tiên mà chúng tôi tập trung là giải quyết các vấn đề công nghệ phát sinh và làm chủ các thông số của công nghệ in phun để có thể in được các điểm, đường và màng mỏng dẫn điện. Ba loại mực in dẫn điện khác nhau được khảo sát trong Luận án này là mực in nano bạc có lẫn đồng IJ242-54 từ hãng Cima Nanotech, mực in nano bạc U5603 từ hãng Sunjet, mực in nano bạc MetalonTM JS- 015 từ hãng NovaCentrix. Tuy nhiên, sau khi kiểm tra khả năng phun mực của 3 loại mực in thương mại này thì chỉ có mực in nano bạc U5603 từ hãng Sunjet có thể phun tốt trong khi hai mực in còn lại không phun được từ vòi phun của máy in phun chuyên dụng Dimatix printer. Vì vậy mực in Sunjet được sử dụng để tiếp tục nghiên cứu trong Luận án này. 3.1.2. Khảo sát các thông số phù hợp của kỹ thuật in phun khi sử dụng 3 loại mực in dẫn điện thương mại. ! Có thể thấy rõ ràng trên hình 3.8 rằng có các vòi không phun mực được hoặc các vòi phun mực không ổn định, không thẳng hàng. Chúng tôi đã mất nhiều thời gian nghiên cứu vấn đề này, vì nó là chướng ngại phải vượt qua thì mới có thể khống chế cơ bản được quá trình phun. Cuối cùng chúng tôi cũng đã tìm ra nguyên nhân của vấn đề này là do các bong bóng khí trong mực in. Khi có bong bóng khí bị tắc, áp suất tạo ra bởi tấm áp điện tại thượng nguồn chỉ có thể nén bong bóng lại và không truyền được năng lượng nào cho mực in (do hệ số nén khác nhau lớn giữa khí và lỏng). Khi đó đầu phun không phun được mực như hình 3.8. 6 (a) (b) Hình 3.8."# ! $%&'()*+ , ()*-# Trong Luận án này chúng tôi tập trung vào phương pháp khử bong bóng khí bằng màng lọc khí. Hình 3.9 là hệ thống lọc bong bóng khí bằng màng lọc khí được thiết lập trong Luận án này. Hình 3.10 là hình ảnh giọt mực in phun ra tốt sau khi lọc bong bóng khí từ mực in Sunjet. Hình 3.9./-0 12-0345 6-7"78 Hình 3.10..0 /9-01 : $%& 2 Kết quả chế tạo hạt nano bạc 7 3.2.2. Chế tạo hạt nano bạc với nồng độ cao khi sử dụng dung môi EG như chất khử. Phổ UV-Vis của được dung dịch hạt nano Ag có tỷ lệ phần trăm theo khối lượng trong dung dịch là 10% và 15% thể hiện trong hình 3.40. Hình 3.40.;<=>?>9!@@AB8C- D&/-45!E@@A8 Dung dịch nano bạc được đặc trưng bởi đỉnh hấp thụ ở bước sóng trong khoảng 408-410 nm tùy thuộc vào kích thước hạt nano. Khi nồng độ hạt nano bạc trong dung dịch tăng màu sắc của dung dịch thay đổi từ vàng sang màu vàng đậm, đỏ đồng thời phổ hấp thụ sẽ dịch chuyển về phía có bước sóng lớn hơn. F G 8 H G Hình 3.42IJKL!@@AB8C-D E@@A8 Hình 3.42 là ảnh TEM của mẫu với tỷ lệ phần trăm của hạt nano bạc trong dung dịch 10 wt% và 15 wt%. Với mẫu tỷ lệ phần trăm hạt nano Ag trong dung dịch là 15 wt% có kích thước hạt phân bố hẹp trong khoảng 3 - 10 nm.Trong quy trình ly tâm thu hạt nano Ag chúng tôi nhận thấy ở tỷ lệ 15 wt% khó loại bỏ hết PVP trong dung dịch. MN O+0P3Q@@A-FRG3S-T Q,U@V6 D6 & $ <3A!@@A&W Sự ổn định của dung dịch nano bạc được theo dõi qua sự thay đổi của đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmon và màu sắc của dung dịch theo thời gian khi lưu trữ mẫu trong môi trường không khí. Quang phổ hấp thụ được đo sau khi mẫu vừa chế tạo, sau khi chế tạo 1 ngày, 5 ngày, 10 ngày, 15 ngày, 3 tháng và 5 tháng (Hình 3.43). Sự ổn định của dung dịch hạt nano bạc dựa trên sự thay đổi đỉnh hấp thụ ở 410, 408, 414, 409, 410, 410 và 414 nm tương ứng với thời gian lưu trữ là vừa chế tạo, sau khi chế tạo 1 ngày, 5 ngày, 10 ngày, 15 ngày, 3 tháng và 5 tháng. Những kết quả chỉ có dịch chuyển nhỏ ở đỉnh phổ hấp thụ cho thấy rằng các hạt nano bạc là ổn định theo thời gian. Quan sát màu sắc và phổ UV-vis chúng tôi nhận thấy dung dịch không có sự thay đổi sau 5 tháng. 9 Hình 3.43;<=>?>9!@@A&W, P3Q;>;-F,FFLL9X!@@A9 69H8 3.4. Xây dựng công thức mực in hạt nano bạc 3.4.3. Xây dựng công thức mực in nano bạc Công thức mực in đầu tiên cho quy trình chế tạo mực in, chúng tôi sử dụng các dung môi chính của mực in Sunjet được cung cấp từ hãng sản xuất. Bốn thành phần chính được sử dụng là: Ethanol, Ethylene glycol, glycerine và 2-isopropyxyethanol. Một loạt các mẫu nghiên cứu được thực hiện như trong bảng 3.19. Tất cả các mẫu thí nghiệm với nồng độ phần trăm theo khối lượng của hạt nano bạc trong dung dịch là 20 wt% (Đây cũng là nồng độ của hạt nano bạc trong mực in Sunjet, vì vậy chúng tôi chỉ sử dụng một nồng độ cho hạt nano bạc là 20 wt% để dễ dàng so sánh với mực in Sunjet có trên thị trường). Qua các công thức mực in hạt nano bạc phía trên ta thấy ra công thức I5 với độ nhớt là 11,2 cP và sức căng bề mặt là 29,5 mN.m là phù hợp với yêu cầu của mực in phun dùng cho máy in phun Dimatix. Vì vậy chúng tôi chọn công thức mực in I5 để tiếp tục nghiên cứu các tính chất của nó. Bảng 3.198+U 10 [...]... được để in mạch điện tử Chúng tôi ứng dụng mực in hạt nano bạc chế tạo được để in các mạch điện tử bằng công nghệ in phun Hình 3.84 là các bước chế tạo mạch in điện tử bằng công nghệ in phun K C h ọ n T h i ế T i I ể n m m à M S à ả ư n n u g p ố Lặp i lại h nhiều d v n t o bước chế tạo mạch in điện tử bằng công nghệ in phun Hình 3.84 Các g ẫ ẩ h ậ lần á k d n m i t 3.6.2 In mạch điện tử t li s n ẫ ế i... Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ Vật liệu mới”, với kinh phí là 950 triệu Đề tài NCKH này đã được nghiệm đạt loại xuất sắc - Nghiên cứu chế tạo mực in nano kim loại bạc và đồng dùng trong công nghệ in phun và chế tạo linh kiện micronano”, được tài trợ bởi “Bộ Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam - Chương trình KH&CN trọng điểm cấp nhà nước KC.02/11-15 - Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ. .. trong nước: Việc nghiên cứu về công nghệ in phun và nghiên cứu chế tạo mực in nano kim loại chưa được thực hiện ở Việt nam, do vậy kết quả nghiên cứu của Luận án này là hoàn toàn mới ở trong nước So sánh với Quốc tế: so sánh với 3 loại mực in thương mại từ các hãng Sun Chemical, NovaCentrix và Cima Nanotech: - Mực in từ hãng Sun Chemical có thể phun tốt và có thể ứng dụng để chế tạo các mạch vi điện. .. được chế tạo trong Luận án Tiến sĩ này có thể so sánh ngang tầm với mực in thương mại của Quốc tế B Những điểm mới và đóng góp của Luận án Những kết quả mới đã đạt được: - Đã xây dựng quy trình chế tạo các sản phẩm nano Ag với nồng độ cao có thể ứng dụng chế tạo mực in nano kim loại cho công nghệ in phun; - Đã chế tạo thành công mực nano kim loại (nano metal ink) có tính chất phù hợp với công nghệ in. .. cho từng loại đế chúng tôi tiến ệ n u đ hành in mạch điện tử đcó cấu trúc ệnhư thiết kế trên đế PET, thủy tinh p u i n ố ộ và Si Hình ảnh của các mạch điện tử trên đế PET, thủy tinh và Si như h ệ i trong hình 3.86 u n c n ù n 16 g Đế Si Đế Thủy tinh Đ Hình 3.86 Ảnh của mạch in điện tử trên đế Si, thủy tinh và PET 3.7 So sánh các đặc tính của mực in nano bạc chế tạo trong Luận án và các mực in nano bạc... NovaCentrix 3.7.1 So sánh các đặc tính của các loại mực in Các đặc tính của mực nano bạc chế tạo được LNT-1 và 3 loại mực in thương mại được phân tích và trình bày trong phần 3.1 và 3.4 ở trên, vì vậy chúng tôi nêu tóm tắt các đặc tính của các loại mực in này ở đây để dễ dàng so sánh như trong bảng 3.24 Bảng 3.24 So sánh các đặc tính của các loại mực in Mực in nano bạc có Mực lẫn đồng IJ242-54 MetalonTM... Chế tạo hạt nano đồng và chế tạo mực in phun đồng” Đề tài này được tài trở bởi Đại Học Quốc Gia TP HCM, với kinh phí là 150 triệu Đề tài này đã nghiệm thu đạt loại tốt - Chế tạo mực in nano bạc và ứng dụng trong công nghệ in các mạch điện tử Đề tài này thuộc dạng Nghiên cứu tiềm năng” được tài trợ bởi “Bộ Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam - Chương trình KH&CN trọng điểm cấp nhà nước KC.02/11-15 - Nghiên. .. mại Để đánh giá chất lượng của mực in nano bạc chế tạo trong Luận án này, chúng tôi so sánh các đặc tính của mực in nano bạc chế tạo trong Luận án này (mực in LNT-1) so với 3 loại mực in thương mại Ba loại mực in thương mại khác nhau được khảo sát trong báo cáo này là mực in nano bạc có lẫn đồng IJ242-54 từ hãng Cima Nanotech, mực in nano bạc U5603 từ hãng Sunjet, mực in nano bạc MetalonTM JS-015 từ... quả của Luận án được tập trung vào ba mảng nghiên cứu lớn như sau: 1) Đã nghiên cứu giải quyết các vấn đề công nghệ phát sinh và làm chủ các thông số của công nghệ in phun để có thể in được các điểm, đường và màng mỏng dẫn điện - Đã khảo sát đặc trưng của các loại mực in phun thương mại khác nhau, sự tương tác của mực in trên đế, và các thông số ảnh hưởng đến quá trình in phun - Đặc biệt, chúng tôi... điện tử bằng công nghệ in phun - Mực in từ hãng NovaCentrix có độ nhớt khá thấp 4 cP, nên mực in bị chảy ra từ các vòi phun nên không thể in phun được trên máy in phun chuyên dụng Dimatix (Hoa Kỳ) - Mực in từ hãng Cima Nanotech có các hạt nano bạc bị kết tụ, nên làm tắt vòi phun nên cũng không thể phù hợp cho việc in phun sử dụng máy in phun chuyên dụng Dimatix (Hoa Kỳ) Vì vậy mực in nano kim loại . án Luận án gồm 158 trang được trình bày như sau: Mở đầu (4 trang), Chương 1: Tổng quan (25 trang), Chương 2: Phương pháp thực nghiệm (22 trang), Chương 3: Kết quả và thảo luận (101 trang) và Kết luận. hướng nghiên cứu tiếp theo (6 trang). Luận án có 29 bảng, 115 hình và 115 tài liệu tham khảo CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.2. Tổng quan về hạt nano kim loại Đối với mực in hạt nano kim loại, mực in phải dẫn. chế tạo hạt nano kim loại bạc (Ag) và đồng (Cu). - Nghiên cứu chế tạo mực in nano kim loại bạc và đồng từ hạt nano kim loại bạc và đồng được chế tạo trong Luận án. So sánh mực in nano kim loại
Ngày đăng: 07/04/2015, 02:46
Xem thêm: Nghiên cứu chế tạo mực in nano kim loại và ứng dụng trong công nghệ in các mạch điện tử, Nghiên cứu chế tạo mực in nano kim loại và ứng dụng trong công nghệ in các mạch điện tử, Từ các quy trình chế tạo hạt nano kim loại phía trên chúng tôi thu được dung dịch keo kim loại để chế tạo mực in nano kim loại. Quy trình chế tạo mực in nano kim loại bao gồm 5 bước sau:
