長期以來，將打印技術(shù)用于微細加工中的工業(yè)制造過程一直被認為是 3D 打印的圣杯。公司當然已經(jīng)嘗試過，但現(xiàn)有技術(shù)（例如傳統(tǒng)噴墨打?。o法提供有效且經(jīng)濟實惠所需的超高分辨率和放置精度。

快進到今天，一系列新技術(shù)即將出現(xiàn)，它們有可能改變許多市場，尤其是半導體和顯示器行業(yè)。顯然，我們已經(jīng)進入了數(shù)字打印成功地從圖形擴展到幾何對象的 3D 打印的時代，并且現(xiàn)在即將通過實現(xiàn)微電子產(chǎn)品的功能打印來實現(xiàn)下一次飛躍。

傳統(tǒng)噴墨打印的局限性

隨著顯示器市場等以微細加工為基礎(chǔ)的行業(yè)開始意識到增材制造的好處，印刷機械制造商被要求提供一種印刷技術(shù)，該技術(shù)可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)圖形打印精細 100 倍的細節(jié)。在噴墨打印的情況下，下圖左側(cè)的示意圖說明了傳統(tǒng)技術(shù)的工作方式：液體從細噴嘴內(nèi)部擠壓，產(chǎn)生微小的墨滴。

圖 1上圖突出顯示了傳統(tǒng)壓電噴墨打印與新靜電技術(shù)之間的性能參數(shù)和差異。資料來源：斯克羅納股份公司

傳統(tǒng)驅(qū)動過程的問題在于它只允許噴射稀薄的墨水，然后由于它們的高流體含量而被壓平在基材上。驅(qū)動的液滴不小于噴射它們的噴嘴的尺寸。這種傳統(tǒng)的推動概念在物理上將噴嘴尺寸限制在幾十微米，因此難以達到微加工所需的超高分辨率。

一種新的替代方法是使用靜電力將液體從噴嘴中拉出，形成一個尖錐并將所有能量集中到該錐的尖端。正是從這個微小的尖端噴射、加速并向下引導小液滴。由于力聚焦效應，液滴不再受限于噴嘴的尺寸，實際上可以縮小 10 倍以上。

由于不需要從噴嘴內(nèi)部將力引導至噴嘴出口，因此該技術(shù)基本上不受墨水厚度的影響，允許幾乎同等地處理稀薄和濃稠的流體。小液滴可以準確地放置在基板上，并且小體積快速干燥并形成小于 1 μm 的 3D 項目。

由于靜電噴射原理或多或少與墨水無關(guān)，它為使用多種墨水打開了大門。這些墨水的粘度至少是當今傳統(tǒng)噴墨打印頭中使用的墨水的 100 倍。理論上，甚至可以用蜂蜜打印。除了典型的納米顆粒金屬墨水外，這種使用多種流體打印的能力將使用案例擴展到各種材料，例如：

• 分子和鹽溶液
• 微粒和蛋白質(zhì)
• 熔體、蠟和環(huán)氧樹脂

通過這種新工藝，為了使其流變性與噴墨打印頭兼容而對油墨進行昂貴的處理變得過時了。雖然單個噴嘴已經(jīng)展示了微細加工的前所未見的性能，但只有通過使用單個微細加工 MEMS 芯片將這些噴嘴復制 1，000 倍才能實現(xiàn)經(jīng)濟使用。

這使得以肉眼不可見的分辨率對由多種材料打印的功能元件進行數(shù)字微加工成為可能。這反過來又允許開發(fā)我們只設想過的產(chǎn)品。一個例子是一種隱形觸摸屏，它的打印速度和今天在典型的辦公室打印機上打印圖像一樣快速和經(jīng)濟。這種能力有可能徹底改變半導體、顯示器和許多其他類似產(chǎn)品的制造。

對半導體制造的影響

在任何材料上進行大規(guī)模打印的能力可以提高為當今和未來生產(chǎn)創(chuàng)新產(chǎn)品的速度、準確性和成本。半導體和顯示器制造行業(yè)是增材制造的理想目標，可降低其復雜性、高成本以及高用水和能源消耗，同時提供所需的高分辨率。

如下圖所示，這可以將某些半導體后端組件的制造步驟減少 10 倍，同時還可以顯著減少材料、能源和水的使用。由于多個步驟（半導體設備上的一個組件需要 20 多個步驟），制造可能需要長達 15 周的時間，行業(yè)平均時間為 11-13 周。此外，一家半導體工廠每天可能使用 2 到 400 萬加侖的超純水 （UPW），大約相當于 4 萬戶家庭的用水量。

圖 2增材制造功能印刷可以將某些半導體后端組件的制造步驟（例如再分布層 （RDL） 的微細加工）減少 10 倍。

這種技術(shù)也可以改變其他市場。例如，尚未看到的分辨率和層厚控制可以打印量子點 RGB 濾色片，用于游戲和虛擬世界應用的增強現(xiàn)實眼鏡中的高亮度、全彩 micro-LED 顯示器。它還可用于 PCB/印刷電子、MEMS 和傳感器、生命科學和安全印刷。

靜電優(yōu)勢

利用靜電噴射原理，可以實現(xiàn)大噴嘴陣列的同時打印，與傳統(tǒng)噴墨相比具有以下優(yōu)勢：

分辨率提高 100 倍的超高分辨率打印

噴射頻率提高 10 倍的高速打印

更小的液滴不僅可以提高精度，還可以快速干燥

可實現(xiàn)縱橫比 》10:1 的 3D 打印以及納米層厚度控制

MEMS 打印頭定制，動態(tài)且完全可編程

通過專有的環(huán)境控制系統(tǒng) （ECS） 防止噴嘴堵塞

高分辨率和高通量的獨特組合有可能為大規(guī)模生產(chǎn)重新發(fā)明微制造，以經(jīng)濟和環(huán)保的方式加速產(chǎn)品發(fā)明。對于從半導體到生物技術(shù)中的分子印刷的廣泛行業(yè)來說，這是一個巨大的飛躍。

Walter Braun是 Scrona AG 的首席運營官。