科研人员开发柔性电子器件激光低温复合制造技术与智能制造系统

科研人员开发柔性电子器件激光低温复合制造技术与智能制造系统

激光辅助制造技术具有高选择性(包括材料与空间的选择性)与局域性的优点;除了可精准且有选择性地对目标材料进行制造与加工之外,对于一些因为无法承受一般制造环境与条件而难以进行加工的基材而言,激光加工提供一个可将制造过程环境因素对于基材的影响范围与程度大幅降低的制造技术;因此被预期将是柔性电子产品制造技术的重要发展方向。

台湾国立清华大学研究团队开发的激光直析技术(LDSP),除了保有激光直写技术的优点,同时有效降低制造设备成本与复杂度。LDSP技术原理为金属前驱物反应溶液吸收激光后,在聚焦点附近的溶液温度局部升高,达到金属离子还原的温度,即可析出金属结构。此技术的优点为能在常温、常压下进行,制造步骤简易,制造溶液能回收再利用。即由多重物理耦合模拟分析离子反应溶液中,激光聚焦点附近的热流传递现象,以了解制造参数的效应。

同时,为呼应下一代电子高级产品线路细微化与设计多样化,台湾国立清华大学研究团队计划结合激光低温复合制造技术、人工智能技术、机器视觉、机器学习以及制造模拟分析,开发适用于高级柔性产品关键制造的智动化制造技术及设备。

科研人员开发柔性电子器件激光低温复合制造技术与智能制造系统

应用于高经济价值产品的激光增材制造技术(additive manufacturing)是目前先进工业国家竞相发展的尖端技术。对于微小尺寸与高精度的制造目标而言,使用激光加工的优点在于其高选择性与局域性。除了可精准且有选择性地对材料进行制造与加工,对于无法承受一般制程环境与条件而难以进行加工的基材,激光加工提供一个可将制造对基材影响范围与程度大幅度降低的制造技术。如果结合纳米金属材料的低熔点特性,激光制造技术将可进一步运用在对热处理耐受温度有极大限制的可挠性基材上加工。例如以激光直写(Laser digital patterning)技术制作图样化金属线路,即是以聚焦激光快速地将预先涂布于基板上的纳米金属粒子烧结成型。

获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

相较于其他高级柔性电子产品制造,激光直写的制造系统复杂度较低,而且可直接整合应用于roll-to-roll的可挠式电子产品制造。然而,纳米颗粒制备过程通常相当繁复、成本昂贵,纳米材料的物理性质也不易控制保持稳定。例如金属纳米颗粒即经常有容易氧化或是低温聚合的问题,须加上一层保护层。同时,纳米材料的制备溶剂、还原剂或是悬浮溶剂常常具有高毒性。以上这些缺点相当程度地局限了激光直写这类型的技术在柔性基板及高级电路板制造上的应用。 

为更加有效运用激光精密加工的优点,同时突破前述激光直写技术的瓶颈,本团队近年成功开发一个激光直析(laser direct synthesis and patterning, LDSP)技术。图1为激光直析制造的基本实验架构,此技术的关键优势为使用无颗粒(particle-free)功能性材料(functional material)离子溶液取代一般激光直写所使用的纳米材料作为材料来源,涂布于基板表面,接着以数位控制的聚焦激光光束于基板上快速且选择性地通过加热,将目标材料直接析出与成型在指定基板的位置。

科研人员开发柔性电子器件激光低温复合制造技术与智能制造系统-图1:激光直析制造基本实验架构

图1:激光直析制造基本实验架构

图2为使用LDSP技术成功于透明高分子基板上快速制作导电线路的范例。除了一般激光直写技术所具有的优点之外,此创新的激光直析技术更可以大幅度地减少制造与涂布金属纳米材料所需的时间、物料成本以及降低制造不稳定性与复杂性。此外,激光直析所使用的反应溶液制备过程相对简单,可回收使用,所以更加有潜力可以实现绿色微纳米制造的目标。此技术亦可通过3D打印架构,制作三维微结构(microstructures);以及结合激光材料移除制造,实现混和加减法的高效率复合式激光制造,大幅提升设备的使用率以及加工能力的多样性。

图2:使用LDSP技术于透明高分子基板(polyethylene terephthalate)上快速制作导电线路的范例

图2:使用LDSP技术于透明高分子基板(polyethylene terephthalate)上快速制作导电线路的范例

下一代电子高级产品线路方向包括细微化、多层与设计多样化。为提高及深化激光低温制造技术与系统的技术门槛、价值、未来产值与技术内涵,李副教授目前领导的科研团队,整合制造专用材料、创新激光低温复合制程技术、运用机器视觉、机器学习于加工精度监控技术、以力学学理为基础的制程模拟分析技术,以及人工智能制造参数优化技术,开发适用于高级柔性基板关键制造的智动化制造技术及设备。

图3:智能化激光复合制造技术与原型设备开发

图3:智能化激光复合制造技术与原型设备开发

作者简介 李明苍 李明苍副教授于美国加州大学柏克莱分校取得机械工程博士学位。现任职于国立清华大学动力机械系,研究专长领域包括先进激光制造技术、光热流耦合传递现象、工程及能源系统热传增强技术。

上一篇:

下一篇:


标签