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《Scientific Reports》:在FTO鍍膜玻璃上通過光子燒結(jié)技術(shù)進行快速制備厚膜銅電路

發(fā)布日期:2023-08-29瀏覽次數(shù):858

文獻摘要:

銅可能為印刷電子電路中的銀提供具有成本效益的替代品,可用于醫(yī)療保健,太陽能,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和汽車應(yīng)用中的各種應(yīng)用。銅面臨的主要挑戰(zhàn)是它在燒結(jié)過程中容易氧化成不導(dǎo)電狀態(tài)。光子燒結(jié)提供了一種克服氧化的方法,通過這種方法可以從離散的納米微粒子迅速轉(zhuǎn)化為完全或部分燒結(jié)的產(chǎn)物。FTO鍍膜玻璃上進行了混合納米銅和混合納米/微銅厚膜絲網(wǎng)印刷結(jié)構(gòu)的閃光燈燒結(jié)實驗研究。結(jié)果表明,可能存在多個能量窗口,可以成功地?zé)Y(jié)厚膜銅印,防止有害的銅氧化。在最佳條件下,在1秒內(nèi)獲得的電導(dǎo)率為(3.11-4.3×-10-7Ωm),與在250℃還原氣條件下90分鐘獲得的電導(dǎo)率相當(dāng),顯著提高了生產(chǎn)率并降低了能源需求。同時也表現(xiàn)出良好的薄膜穩(wěn)定性,100n材料的線電阻增14%,50N50M墨水增加10%左右,20N80M墨水僅增加2%左右。

 

銅有可能在印刷電路中替代銀,而印刷電路是任何電氣/電子設(shè)備的基本組成部分。雖然銀具有優(yōu)異的導(dǎo)電性,在有機懸浮液中穩(wěn)定,壽命長,但它不僅更貴,而且價格也會波動。人們對使用銅作為潛在的印刷導(dǎo)電材料越來越感興趣,正在探索幾種選擇,包括銅前體、銅鹽、氧化銅顆粒、納米銅和微銅配方。其中,銅顆粒油墨提供了許多有利的特性,具有與銀顆粒相似的流變性和印刷性能。一個挑戰(zhàn)是形成在加工過程中不會迅速轉(zhuǎn)化為電絕緣氧化銅的顆粒,這會降低它們的導(dǎo)電性。防止氧化最常用的方法是在惰性、真空或理想的還原性氣氛中對材料進行熱燒結(jié)(150-400℃)。然而,傳統(tǒng)的熱烘箱工藝通常本質(zhì)上是一個間歇工藝,工藝時間為60-120分鐘。這限制了生產(chǎn)率,并且還具有固有的高碳足跡,與高溫直接相關(guān),加工時間長,與還原氣氛氣體的生產(chǎn)和儲存間接相關(guān)。廣域閃光燈光子燒結(jié)已被廣泛用于燒結(jié)銀納米、鎳納米以及加工其他復(fù)雜的納米材料和器件。除了快速燒結(jié)之外,光子燒結(jié)技術(shù)的主要優(yōu)點是,它可能會燒結(jié)而不會對襯底造成任何損害,并且不需要使用還原氣氛。這大大減少了加工時間,降低了燒結(jié)過程的整體能源需求。

 

關(guān)于光子燒結(jié)在銅導(dǎo)電油墨上的應(yīng)用,已有多篇報道。光子燒結(jié)已被廣泛證明能夠在聚合物襯底上燒結(jié)薄噴墨印刷的銅納米顆粒油墨,從而在保護氣氛下產(chǎn)生等效的熱燒結(jié)電導(dǎo)率。關(guān)于通常由絲網(wǎng)印刷產(chǎn)生的較厚薄膜(>5μm)的文獻很少?;牡暮衲ぬ匦蕴峁┝祟~外數(shù)量的需要燒結(jié)的材料,并且提供了將能量從暴露表面通過大塊轉(zhuǎn)移到薄膜核心的額外挑戰(zhàn)。在甲酸還原氣氛下對PI基板上絲網(wǎng)印刷銅納米顆粒油墨的熱和激光燒結(jié)的比較表明,在控制激光功率和掃描速度的情況下,激光燒結(jié)過程可以獲得與氮氣氛下熱燒結(jié)(1.30×-10?5Ωcm)幾乎相同的電阻率(1.41×-10?5Ωcm)。這突出了光子燒結(jié)更厚薄膜的可行性,盡管這項研究不是在閃光燈下進行的。作為一種大面積單曝光工藝,閃光燈燒結(jié)比激光燒結(jié)具有潛在的優(yōu)勢,能夠瞬間加工更大的區(qū)域。

 

實驗過程:

1.銅材料:三種銅材料來源于intrinq材料,根據(jù)納米(N)和微米(M)顆粒的比例分別標(biāo)記為100N、50N50M和20N80M。

2.基材:FTO(氟摻雜氧化錫)是一種應(yīng)用于玻璃的流行涂層,與ITO(銦摻雜氧化錫)相比,它具有更低的導(dǎo)電性和透明度。

3.印刷方式:絲網(wǎng)印刷。

4.預(yù)烘:將所有樣品在熱干燥機中以80℃的溫度進行熱干燥,停留時間為15分鐘。

5.燒結(jié):采用了3脈沖和10脈沖策略。

 

實驗結(jié)論與圖片:

 圖片1.png

打印的干燥但未燒結(jié)的圖像(a)(b)以及10脈沖光子能量分布圖(能量密度為8.9J/cm2)

圖片2.png 

圖片3.png 

圖片4.png 

圖片5.png 

600μm線路各材料的絕對電阻率關(guān)系

圖片6.png 

最佳燒結(jié)條件下,每種光子燒結(jié)油墨的600μm線電阻隨時間的變化以周為單位

 

文獻結(jié)論:

FTO玻璃基板上進行絲網(wǎng)印刷厚銅薄膜的光子燒結(jié)是可能的。在納米和微觀尺度上,材料性能與成功燒結(jié)絲網(wǎng)印刷銅所需的光子能量之間存在著顯著的相互作用。當(dāng)光子燒結(jié)時,純納米顆粒油墨的電導(dǎo)率降低了5倍和7倍,這可能與薄膜內(nèi)缺乏納米顆粒燒結(jié)有關(guān)。對于純納米材料來說,燒結(jié)的操作窗口很小,燈輸出能級略低于窗口而無法燒結(jié)薄膜,而超過上限則會發(fā)生災(zāi)難性失效。納米/微粒子共混物的操作窗口更寬,由此產(chǎn)生的電導(dǎo)率接近純納米材料,但提供了改進的粘附性能。與熱燒結(jié)的數(shù)小時相比,這提供了一種無需受控氣體環(huán)境的燒結(jié)方法,只需幾秒鐘即可完成。理想的光子曝光條件與特征尺寸和薄膜厚度有關(guān),并且這在加工和設(shè)計階段之間施加了關(guān)鍵的相互作用。建議進一步開展工作,建立設(shè)計規(guī)則,將印刷和材料特性與所需的排放剖面聯(lián)系起來。然而,最佳燒結(jié)條件隨特征尺寸而變化,這限制了電路設(shè)計的靈活性。

 

原文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41598-023-32044-2


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