Фотонное спекание меди для быстрой обработки толстопленочных проводящих цепей на стекле с покрытием FTO

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5080 (2023) Цитировать эту статью

405 Доступов

Подробности о метриках

Медь потенциально обеспечивает экономически эффективную замену серебра в печатных электронных схемах с разнообразными применениями в здравоохранении, солнечной энергетике, устройствах IOT и автомобильной промышленности. Основная проблема, с которой сталкивается медь, заключается в том, что она легко окисляется до непроводящего состояния в процессе спекания. Фотонное спекание предлагает средства преодоления окисления, благодаря которому происходит быстрое преобразование дискретных нано-микрочастиц в полностью или частично спеченные продукты. Проведено экспериментальное исследование спекания в лампе-вспышке толстопленочных структур смешанной наномеди и смешанной нано/микромеди, напечатанных методом трафаретной печати, на стекле с покрытием FTO. Это показывает, что может существовать несколько энергетических окон, которые могут успешно спекать толстопленочную медную печать, предотвращая вредное окисление меди. В оптимальных условиях проводимость, достигнутая менее чем за 1 с, (3,11–4,3 × 10–7 Ом·м) соответствовала проводимости, достигнутой за 90 минут при 250 °C в условиях восстановительного газа, что обеспечивает значительное улучшение производительности и снижение энергопотребления. Также продемонстрирована хорошая стабильность пленки: увеличение сопротивления линии на 14% для материала 100 Н, около 10% для чернил 50N50M и всего около 2% для 20N80M.

Медь потенциально предлагает альтернативу серебру в печатных схемах, которые являются основной фундаментальной частью любого электрического/электронного устройства1. Хотя серебро обладает превосходной проводимостью, стабильно в органических суспензиях и имеет длительный срок службы, оно не только дороже, но и подвержено колебаниям цены. Растет интерес к использованию меди в качестве потенциального печатного проводящего материала, при этом изучается несколько вариантов, включая предшественники меди, соли меди, частицы оксида меди, составы нано- и микромеди1,2. Из них чернила с частицами меди обладают многими благоприятными характеристиками, реологическими и печатными свойствами схожими с их аналогами с частицами серебра. Одной из проблем является формирование частиц, которые не превращаются быстро в электроизолирующий оксид меди во время обработки, что снижает их электропроводность3. Наиболее распространенным способом предотвращения окисления является термическое спекание (150–400 °C) материалов в инертной, вакуумной или идеально восстановительной атмосфере4,5,6. Однако традиционные процессы в термических печах, как правило, по своей сути представляют собой периодический процесс с продолжительностью процесса 60–120 минут. Это ограничивает производительность, а также имеет изначально высокий углеродный след, напрямую связанный с повышенной температурой, длительным временем обработки и косвенно связанный с производством и хранением газа восстановительной атмосферы. Фотонное спекание в импульсной лампе большой площади широко используется для спекания серебряных наночернил7,8,9,–10, никелевых наночернил11, а также для обработки других сложных наноматериалов и устройств12,13. В дополнение к быстрому спеканию, которое является основным преимуществом технологии фотонного спекания, она потенциально спекается, не вызывая какого-либо повреждения подложки, и устраняет необходимость использования восстановительной атмосферы14. Это значительно сокращает время обработки и снижает общие затраты энергии на процесс спекания.

Было множество сообщений об использовании фотонного спекания медных проводящих чернил. Широко продемонстрировано, что фотонное спекание позволяет спекать тонкие медные наночастицы чернил, напечатанные для струйной печати, на полимерных подложках, что приводит к термическому спеканию, эквивалентному проводимости, в защитной атмосфере9,15,16. Литературы по более толстым пленкам (> 5 мкм), которые обычно производятся трафаретной печатью, мало. Толстопленочная природа подложки требует дополнительного количества материала, который необходимо спекать, и создает дополнительную проблему передачи энергии через объем к ядру пленки от открытой поверхности. Сравнение термического и лазерного спекания печатных медных наночастиц в атмосфере, восстанавливающей муравьиную кислоту, на подложке PI показало, что процесс лазерного спекания при контролируемой мощности лазера и скорости сканирования позволяет достичь почти такого же удельного сопротивления (1,41 × 10-5 Ом·см). ), как это достигается при термическом спекании (1,30 × 10-5 Ом см) в атмосфере азота6. Это подчеркивает возможность фотонного спекания более толстых пленок, хотя исследование проводилось не с лампой-вспышкой, а на полимерной подложке. Будучи процессом однократного воздействия на широкую площадь, спекание в лампе-вспышке имеет преимущество перед лазерным спеканием, поскольку потенциально позволяет мгновенно обработать большую площадь.