封面 | 芯片微电路打印全新手段——微滴增材制造
上海交通大学胡永祥教授课题组在《激光与光电子学进展》发表题为“脉冲宽度对激光驱动微滴前向转移的影响”的文章被选为2023年10月19期封面文章。
封面解读
封面展示了激光驱动微滴制备芯片的加工方式及工作原理。利用脉冲激光对附着在载体玻璃上的金属薄膜进行加工，使得金属薄膜局部熔化产生金属射流，射流断裂形成单个微滴飞向载体作为打印单元，通过精准控制微滴沉积位置，可以实现微结构的分模块打印。激光驱动微滴增材制造工艺具有分辨率高、工艺柔性强等优点，可以广泛应用于微电路打印领域。
文章链接：
程帅康, 吴迪, 罗国虎, 胡永祥. 脉冲宽度对激光驱动微滴前向转移的影响[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(19): 1914001.
研究背景
激光驱动微滴前向转移工艺参数众多，薄膜材料、厚度、激光光斑尺寸、转印距离、激光脉宽等多种条件共同影响其微滴沉积稳定性。描述不同工艺参数下的微滴形貌特点以及对应工艺区间是激光驱动微滴前向转移工艺研究中的重点问题。
随着纳秒短脉冲光纤激光技术的发展，激光器的脉宽调制成为可能，从而为激光驱动微滴前向转移工艺提供了更多可选择的范围。迄今为止，以往的研究工作主要集中在某一特定脉宽的激光转印实验，尤其对于应用比较广泛的ns 量级下不同脉宽微滴产生以及沉积行为认识不充分，因此开展相关实验确认该类脉宽对于激光驱动微滴前向转移工艺的影响具有重要研究价值。
激光驱动微滴前向转移工艺原理
激光驱动微滴前向转移工艺的基本工作原理如图1（a）所示，利用激光辐照附着在透明载体上的金属薄膜，靠近透明载体的薄膜吸收激光能量迅速熔化，同时在金属薄膜与透明基底界面形成局部高压，驱动熔化金属喷射，形成金属微滴，通过两个基底之间的间隙飞向接收基底。控制透明载体和接收基底的相对位置运动，可以实现金属三维微结构的打印。该方法是一种无喷嘴，非接触式的具有高空间分辨率的微纳增材制造技术。同时本文的实验原理图如图1（b）所示。
图1 激光驱动微滴前向转移以及实验装置原理图
创新性工作
为确定脉宽对于激光驱动微滴转移行为的影响规律，设计不同脉宽下对照实验，实验时将铜膜设置在离焦100 μm，转印距离设置为100 μm，获得如下实验结果。
图2 不同脉宽下供体薄膜与接收基底的SEM图像
根据沉积结果可以将LIFT工艺的沉积行为归纳为以下三个状态：无微滴、完整微滴、破碎微滴。对于单一脉宽，当能流密度较低时，激光脉冲诱导的热弹性能低于薄膜表面结合能，无法在基底上沉积微滴；随着激光能流密度不断增大，超过LIFT的最低能流密度阈值Fa，蒸汽驱动部分熔化薄膜飞向基底，薄膜飞行过程中在表面张力作用下收缩成一个完整微滴沉积到基底表面；当激光能流密度突破阈值Fb时，蒸汽驱动作用非常剧烈，熔融金属膜破裂并摆脱薄膜约束高速向基底飞行，在基底上形成多个破碎微滴，破碎微滴的喷射半径显著增大，比单个微滴沉积范围扩大3~5倍。
由图2可知，激光脉宽对转印行为有显著影响，因此根据沉积行为对不同脉宽下激光驱动微滴前向转移实验结果进行统计，获得如图3所示激光驱动微滴前向转移工艺区间。
图3 不同脉宽下的激光驱动微滴前向转移工艺区间
脉宽对沉积微滴尺寸形貌的影响如图4所示，其中（a）、（b）分别为14 ns以及50 ns不同激光能流密度下沉积的微滴SEM图像（基底旋转55°）。
对于14 ns短脉冲激光，当激光能流密度较低时微滴呈球形；能流密度达到4199 mJ/cm2时，可观测到多个液滴堆叠现象；继续扩大能流密度到4916 mJ/cm2时，微滴形状也从球形变为半球形，与基底接触面积也随之变大。而对于50 ns脉宽激光，沉积微滴呈椭球状，且微滴尺寸随着能流密度的增加而不断增大，与基底的接触面积也不断扩大。
图4 14 ns与50 ns激光不同激光能流密度下沉积微滴的SEM图像（基底旋转55°），（a）为14 ns，（b）为50 ns
本文选取激光脉宽为50 ns，调节能流密度为6185 mJ/cm2，利用振镜线扫描的方式实现了大规模微滴阵列的制备。如图5（a）所示，沉积点间距为50 μm，单个沉积微滴直径约为5 μm。
同时为评估微滴落点的准确性，对阵列的落点偏差进行统计，通过将沉积微滴阵列的坐标与供体薄膜的烧蚀坑网格匹配确定每个沉积微滴的落点二维偏差与，如图5（b）所示，通过筛选分析获得阵列中237个沉积微滴的与分布如图5（c）所示，大部分沉积微滴的落点偏差在±5 μm以内，整体落点良好，能够实现复杂微结构的精确打印。
图5 大规模微滴阵列，（a）为微滴阵列SEM图像，（b）为沉积微滴与烧蚀坑网格匹配图，（c）为与落点偏差
总结与展望
基于对上述实验结果的分析，研究获得了脉冲宽度对于激光驱动微滴转移行为的影响规律，并通过调节激光参数实现了微滴阵列打印，实现了沉积微滴落点精度控制在±5 μm以内。此外，激光驱动微滴前向转移工艺区间中不同脉宽下的最高能流密度阈值的影响机制以及膜厚对区间影响原因尚不明确，仍需进一步研究。
课题组介绍
上海交通大学激光智能制造实验室(LIML)，主要从事于研究如何精确操纵激光引起的热机械效应以及相关的教学与人才培养工作。LIML旨在探索和发展成形、表面处理、微观结构制造和高应变率响应测试的新原理和新方法。LIML将为航空航天、微/纳米功能器件和储能设备提供创新制造技术。
通讯作者介绍
胡永祥，工学博士、教授、机械与动力工程学院党委副书记（分管本科生教育等）。主要从事激光冲击特种制造技术研究。主持国家自然科学基金、装备预研-教育部联合基金等纵向科研项目10余项；主参国家重点研发计划、04专项等项目8项。发表通讯作者SCI论文30余篇，获发明专利授权8项，受邀国际会议特邀报告5次，任“第8届国际激光喷丸会议”大会主席，机械工程学会特种加工分会激光加工技术委员会委员。