Лаборатория МФТИ разработала макеты модулей аэрозольного 3D-принтера с лазерным ассистированием

Для большого ряда изделий микроэлектроники с масштабом структур в микронном диапазоне размеров оказалось многократно экономичней отказаться от литографических технологий и развивать технологии печатной электроники, использующие прямую доставку материалов для формирования микроструктур методами печати. Такие методы являются более производительными, дешевыми и содержат кратно меньше процессов. В настоящее время перспективной развивающейся технологией в печатной электронике является технология аэрозольной 3D-печати, основанной на селективном осаждении на подложку аэродинамически-сфокусированных пучков наночастиц.

Совместную разработку аддитивной технологии и оборудования для формирования 3D-микроструктур электроники и фотоники на основе аэрозольной печати наночастицами с локальным лазерным спеканием проводят Московский физико-технический институт (государственный университет) с индустриальным партнером ЗАО «Научно-исследовательский институт электронного специального технологического оборудования». Технология включает реализуемые в едином устройстве составляющие процессы: генерацию наночастиц (с характерным размером порядка 10 нм) в импульсно-периодическом газовом разряде, формирование и фокусировку потока частиц на подложку в пятно размером порядка 25 мкм с использованием коаксиального аэродинамического сопла, монолитизацию массивов осаждаемых на подложке наночастиц посредством лазерного спекания при мощности излучения в диапазоне 0,5—100 Вт и трехмерное перемещение подложки с точностью позиционирования около 5 мкм.

Исследователи предложили новый подход в аэрозольной печати без использования чернил, базирующийся на применении в качестве источника наночастиц газоразрядного генератора аэрозолей. Наночастицы синтезируются непосредственно перед использованием в импульсно-периодических процессах электрического разряда в проточном газе между электродами из требуемого материала. Аэрозольный поток наночастиц фокусируется и доставляется на обрабатываемую поверхность, частицы осаждаются в сухой форме без растворителя. В данной работе новыми являются положения и результаты в развитии аэрозольной печати, благодаря которым процессы осаждения и монолитизации структур из наночастиц осуществляются в едином технологическом цикле с использованием лазерного излучения, обеспечивающего локальное лазерное спекание массива наночастиц без перегрева подложки. Сильной стороной данного подхода является совмещение в едином устройстве трех одновременно протекающих процессов: газоразрядного получения, локальной аэрозольной доставки и локального лазерного спекания наночастиц на подложке.

Принципиальная схема функционирования аэрозольного принтера с локальным лазерным спеканием для формирования функциональных микроструктур представлена ниже.

Новая аэрозольная технология аддитивного формирования микрокомпонентов, изделий и материалов найдет широкое применение в электронной промышленности, точном машиностроении, энергетике, аэрокосмической, легкой и медицинской отраслях. Разрабатываемая технология, например, имеет перспективы использования для изготовления широкополосных 3D-микроантенн, токопроводящих пространственных межсоединений, нагревателей и чувствительных слоев, газовых микросенсоров, гибких электронных структур, токоведущих матриц дисплеев и солнечных батарей, а также активных (транзисторы, диоды) и пассивных (резисторы, конденсаторы) электронных компонентов. Ожидаемыми социально-экономическими эффектами от разрабатываемой технологии будут снижение материало- и энергоёмкости производства, уменьшение отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду, а также кратное уменьшение себестоимости и сроков изготовления электронных компонентов.

Данная работа лаборатории технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (RFMEFI57517X0160).