การบ่มด้วยแสง

การบ่มด้วยแสงเป็นกระบวนการทางความร้อนที่อุณหภูมิสูงของฟิล์มบางโดยใช้แสงพัลส์จากหลอดไฟแฟลช [ ^{1 ] เมื่อ} กระบวนการชั่วคราวนี้ทำบนพื้นผิวที่มีอุณหภูมิต่ำ เช่น พลาสติกหรือกระดาษ จะทำให้ได้อุณหภูมิที่สูงกว่าที่พื้นผิว^{[ 2 ]}สามารถทนได้ตามปกติภายใต้แหล่งความร้อนสมดุล เช่นเตาอบ [ ^{1 ] [ 3 ] เนื่องจาก} อัตราของกระบวนการบ่มด้วยความร้อนส่วนใหญ่ (การอบแห้งการเผาผนึกการทำปฏิกิริยา การอบอ่อน ฯลฯ) โดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้นแบบเลขชี้กำลังตามอุณหภูมิ (กล่าวคือ เป็นไปตามสมการ Arrhenius ) กระบวนการนี้จึงช่วยให้วัสดุสามารถบ่มได้เร็วกว่าการใช้เตาอบมาก^{[ 3 ] [ 4 ]}

กระบวนการนี้ได้กลายเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพิมพ์ เนื่องจากช่วยให้สามารถใช้พื้นผิวที่ราคาไม่แพงและยืดหยุ่นได้แทนพื้นผิวแก้วหรือเซรามิกแบบดั้งเดิม นอกจากนี้ การประมวลผลที่อุณหภูมิสูงขึ้นซึ่งได้จากกระบวนการบ่มด้วยแสงยังช่วยลดเวลาในการประมวลผลลงอย่างมาก จากหลายนาทีเหลือเพียงไม่กี่มิลลิวินาที ซึ่งช่วยเพิ่มผลผลิตในขณะที่ยังคงรักษาขนาดของเครื่องจักรให้เล็กกะทัดรัด

การบ่มด้วยแสงส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการถ่ายเทความร้อนแบบแผ่รังสีจากหลอดไฟไปยังวัตถุเป้าหมายในช่วงเวลาที่หลอดไฟแฟลชเปิดอยู่ ซึ่งโดยปกติจะอยู่ระหว่าง 100 ไมโครวินาทีถึง 100 มิลลิวินาที หลังจากที่ ความร้อน แบบแผ่รังสีตกกระทบวัตถุแล้วการนำความร้อนผ่านวัตถุและการสูญเสียความร้อนแบบพาความร้อนไปยังบรรยากาศที่สัมผัสกับวัสดุจะเกิดขึ้นจนกว่าวัตถุจะเข้าสู่สภาวะสมดุลทางความร้อนเนื่องจากความเข้มและระยะเวลาสั้นของพัลส์หลอดไฟแฟลช จึง สามารถเกิดการไล่ ระดับความร้อน ที่รุนแรง ในวัตถุเป้าหมายได้ การไล่ระดับความร้อนที่รุนแรงเหล่านี้มีประโยชน์ในการทำให้เฉพาะบางส่วนของวัตถุสัมผัสกับอุณหภูมิสูงเท่านั้น

สำหรับการใช้งานการบ่มด้วยแสงส่วนใหญ่ นักออกแบบจะพิจารณาวัสดุที่เรียงซ้อนกันเป็นชั้นๆ เป้าหมายของการออกแบบโปรไฟล์การบ่มคือการทำให้อุณหภูมิสูงเพียงพอที่จะทำให้เกิดการเผาผนึกและการเคลือบโลหะของชั้นบนสุดหรือชิ้นงานพิมพ์ ในขณะที่หลีกเลี่ยงการเกินอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะเป็นแก้วอุณหภูมิหลอมเหลวหรือจุดวาบไฟของชั้นที่อยู่ด้านล่าง กระบวนการทางความร้อน ชั่วคราวของการกระจายความร้อนที่ส่งมาจากหลอดไฟแฟลชขึ้นอยู่กับ การสูญเสียความร้อนแบบพาความร้อนจากชั้นบนและล่างของวัสดุที่สนใจ และความหนาของแต่ละชั้น สำหรับชั้นที่หนาหรือชั้นที่มีค่าการนำความร้อนต่ำ ความร้อนสามารถกระจายออกไปได้ก่อนที่อุณหภูมิของชั้นล่างในชั้นที่เรียงซ้อนกันจะเกินอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะเป็นแก้วหรืออุณหภูมิหลอมเหลว นี่คือคุณสมบัติสำคัญของการบ่มด้วยแสงที่ช่วยให้สามารถบ่มโลหะและหมึกพิมพ์และสารละลายนำไฟฟ้าบนวัสดุที่มีอุณหภูมิต่ำได้

การบ่มด้วยแสงถูกนำมาใช้เป็นเทคนิคการประมวลผลด้วยความร้อนในการผลิตอิเล็กทรอนิกส์แบบพิมพ์เนื่องจากช่วยให้สามารถทดแทนวัสดุพื้นผิวแก้วหรือเซรามิกด้วยวัสดุพื้นผิวที่ราคาไม่แพงและยืดหยุ่นได้ เช่น โพลิเมอร์หรือกระดาษ ผลกระทบนี้สามารถสาธิตได้ด้วยแฟลชกล้องธรรมดา^{[ 5 ]}ระบบบ่มด้วยแสงในระดับอุตสาหกรรมโดยทั่วไปจะระบายความร้อนด้วยน้ำ และมีการควบคุมและคุณสมบัติคล้ายกับเลเซอร์ อุตสาหกรรม อัตราพัลส์สามารถเร็วพอที่จะทำให้การบ่มเกิดขึ้นได้ทันทีด้วยความเร็วเกิน 100 เมตร/นาที ทำให้เหมาะสำหรับกระบวนการบ่มสำหรับการประมวลผลแบบม้วนต่อม้วนอัตราการประมวลผลวัสดุสามารถเกิน 1 ตารางเมตร^/วินาที^{[ 3 ] [ 6 ]}

ความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นของอิเล็กทรอนิกส์แบบพิมพ์สมัยใหม่สำหรับการใช้งานของลูกค้า ทำให้เกิดความต้องการการผลิตที่มีประสิทธิภาพสูงและฟังก์ชันการทำงานของอุปกรณ์ที่ดีขึ้น ฟังก์ชันการทำงานของอิเล็กทรอนิกส์แบบพิมพ์มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากลูกค้าต้องการคุณสมบัติที่มากขึ้นจากแต่ละอุปกรณ์ มีการออกแบบหลายชั้นในแต่ละอุปกรณ์ ซึ่งต้องใช้เทคนิคการประมวลผลที่หลากหลายมากขึ้นเรื่อยๆ การอบแห้งด้วยแสงมีความเหมาะสมอย่างยิ่งที่จะเติมเต็มความต้องการด้านการประมวลผลในการผลิตอิเล็กทรอนิกส์แบบพิมพ์สมัยใหม่ โดยให้ขั้นตอนการประมวลผลที่รวดเร็ว เชื่อถือได้ และเปลี่ยนแปลงได้ การอบแห้งด้วยแสงช่วยลดงบประมาณการประมวลผลด้วยความร้อนด้วยวัสดุในปัจจุบัน และสามารถเป็นแนวทางในการรวมวัสดุและฟังก์ชันการทำงานขั้นสูงมากขึ้นเข้ากับอิเล็กทรอนิกส์แบบพิมพ์ในอนาคตได้

การบ่มด้วยโฟตอนิกส์คล้ายกับการประมวลผลด้วยความร้อนแบบพัลส์ ซึ่งพัฒนาขึ้นที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์โดยใช้หลอดไฟพลาสมาอาร์ค ในกรณีของการบ่มด้วยโฟตอนิกส์ พลังงานการแผ่รังสีจะสูงกว่าและความยาวพัลส์จะสั้นกว่า ปริมาณการแผ่รังสีทั้งหมดต่อพัลส์จะน้อยกว่าในการบ่มด้วยโฟตอนิกส์ แต่อัตราการเกิดพัลส์จะเร็วกว่ามาก^{[ 7 ]}