Photonisches Sintern von Kupfer zur schnellen Verarbeitung dickschichtiger leitender Schaltkreise auf FTO-beschichtetem Glas

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 5080 (2023) Diesen Artikel zitieren

405 Zugriffe

Details zu den Metriken

Kupfer bietet möglicherweise einen kostengünstigen Ersatz für Silber in gedruckten elektronischen Schaltkreisen mit vielfältigen Anwendungen im Gesundheitswesen, in der Solarenergie, bei IOT-Geräten und in Automobilanwendungen. Die größte Herausforderung für Kupfer besteht darin, dass es während des Sinterprozesses leicht in seinen nichtleitenden Zustand oxidiert. Photonisches Sintern bietet eine Möglichkeit, die Oxidation zu überwinden, durch die eine schnelle Umwandlung von diskreten Nano-Mikropartikeln in vollständig oder teilweise gesinterte Produkte erfolgt. Es wurde eine experimentelle Studie zum Sintern von gemischten Nanokupfer- und gemischten Nano-/Mikrokupfer-Dickschicht-Siebdruckstrukturen auf FTO-beschichtetem Glas mit Blitzlampen durchgeführt. Es zeigt, dass es möglicherweise mehrere Energiefenster gibt, die den Dickschicht-Kupferdruck erfolgreich sintern können und so eine schädliche Kupferoxidation verhindern. Unter optimalen Bedingungen entsprachen die in weniger als 1 s erreichten Leitfähigkeiten (3,11–4,3 × 10–7 Ω m) denen, die in 90 min bei 250 °C unter reduzierenden Gasbedingungen erreicht wurden, was zu einer deutlichen Verbesserung der Produktivität und einem geringeren Energiebedarf führte. Außerdem weist eine gute Filmstabilität einen Anstieg des Linienwiderstands von 14 % bei 100 N-Material auf, etwa 10 % bei der 50N50M-Tinte und nur etwa 2 % bei der 20N80M.

Kupfer bietet möglicherweise eine Alternative zu Silber in gedruckten Schaltkreisen, die den Grundbestandteil jedes elektrischen/elektronischen Geräts darstellen1. Während Silber eine ausgezeichnete Leitfähigkeit aufweist, in organischen Suspensionen stabil ist und eine gute Lebensdauer hat, ist es nicht nur teurer, sondern unterliegt auch Preisschwankungen. Es besteht zunehmendes Interesse an der Verwendung von Kupfer als potenzielles gedrucktes leitfähiges Material, wobei verschiedene Optionen untersucht werden, darunter Kupfervorläufer, Kupfersalze, Kupferoxidpartikel, Nanokupfer- und Mikrokupferformulierungen1,2. Von diesen weisen Kupferpartikeltinten viele vorteilhafte Eigenschaften mit einer ähnlichen Rheologie und einem ähnlichen Druckverhalten wie ihre Gegenstücke aus Silberpartikeln auf. Eine Herausforderung besteht darin, Partikel zu bilden, die sich bei der Verarbeitung nicht schnell in elektrisch isolierendes Kupferoxid umwandeln, was ihre elektrische Leitfähigkeit verringert3. Das gebräuchlichste Mittel zur Verhinderung von Oxidation ist das thermische Sintern (150–400 °C) der Materialien in einer inerten Atmosphäre, im Vakuum oder idealerweise in einer reduzierenden Atmosphäre,4,5,6. Allerdings handelt es sich bei herkömmlichen thermischen Ofenprozessen im Allgemeinen grundsätzlich um einen Chargenprozess mit Prozesszeiten von 60–120 Minuten. Dies schränkt die Produktionsraten ein und hat zudem einen inhärent hohen CO2-Fußabdruck, der direkt mit der erhöhten Temperatur und den langen Verarbeitungszeiten und indirekt mit der Produktion und Lagerung des reduzierenden Atmosphärengases zusammenhängt. Das photonische Sintern mit großflächigen Blitzlampen wird häufig zum Sintern von Silber-Nanotinten7,8,9,–10 und Nickel-Nanotinten11 sowie zur Verarbeitung anderer komplexer Nanomaterialien und -geräte12,13 eingesetzt. Neben der schnellen Sinterung, den Hauptvorteilen der photonischen Sintertechnologie, besteht die Möglichkeit, dass sie sintert, ohne das Substrat zu beschädigen und den Einsatz einer reduzierenden Atmosphäre überflüssig macht14. Dadurch werden die Bearbeitungszeiten erheblich verkürzt und der Gesamtenergiebedarf des Sinterprozesses reduziert.

Es gibt mehrere Berichte darüber, dass photonisches Sintern bei kupferleitenden Tinten eingesetzt wird. Es hat sich gezeigt, dass durch photonisches Sintern dünne, mit Tintenstrahldruckern bedruckte Kupfer-Nanopartikeltinten auf Polymersubstraten gesintert werden können, was zu Leitfähigkeiten führt, die denen des thermischen Sinterns unter Schutzatmosphären entsprechen9,15,16. Zu den dickeren Folien (> 5 µm), die typischerweise im Siebdruckverfahren hergestellt werden, gibt es nur wenige Literatur. Die Dickschichtbeschaffenheit des Substrats stellt eine zusätzliche Materialmenge bereit, die gesintert werden muss, und stellt die zusätzliche Herausforderung dar, die Energie von der freiliegenden Oberfläche durch die Masse auf den Kern der Schicht zu übertragen. Ein Vergleich des thermischen und Lasersinterns von siebgedruckter Kupfer-Nanopartikel-Tinte unter einer Ameisensäure-reduzierenden Atmosphäre auf PI-Substrat zeigte, dass der Lasersinterprozess unter kontrollierter Laserleistung und Scangeschwindigkeit nahezu den gleichen spezifischen Widerstand (1,41 × 10−5 Ω cm) erreichen konnte ) wie beim thermischen Sintern (1,30 × 10−5 Ω cm) unter Stickstoffatmosphäre6. Dies unterstreicht die Machbarkeit des photonischen Sinterns dickerer Filme, obwohl die Studie nicht mit einer Blitzlampe, sondern auf einem Polymersubstrat durchgeführt wurde. Da es sich um einen großflächigen Einzelbelichtungsprozess handelt, hat das Blitzlampensintern gegenüber dem Lasersintern den Vorteil, dass potenziell eine größere Fläche sofort bearbeitet werden kann.

Mehrere wichtige Anwendungen umfassen die Verwendung von beschichtetem Glas als Substrat wie Perowskit PV17,18 und Smart Windows19,20, bei denen eine digitale Steuerung der Übertragung für das Wärmemanagement oder die Privatsphäre des Benutzers erforderlich ist. Dies bringt zusätzliche Komplikationen und Herausforderungen für das photonische Sintern mit sich. Ein Teil der Photonenenergie kann von der Beschichtung absorbiert werden, die Photonenenergie kann vom Glas absorbiert werden und es gibt eine beträchtliche Energiesenke21,22, die mit der Masse des Glases verbunden ist (3–10 mm im Vergleich zu 100–250 µm). Polymer). Darüber hinaus können der Temperaturschock, dem jedes Material ausgesetzt ist (die Beschichtung und das Glas sind spröde), und ihre relative Wärmeausdehnung die Filmintegrität und die Haftung zwischen den Schichten beeinträchtigen. FTO (Fluorid-dotiertes Zinnoxid) ist eine beliebte Beschichtung, die auf das Glas aufgetragen wird und im Vergleich zu ITO (Indium-dotiertes Zinnoxid) Leitfähigkeit und Transparenz zu geringeren Kosten bietet. Abhängig von den relativen Lampenemissions- und FTO-Absorptionsspektren, die je nach Filmstruktur und -textur variieren können23, kann das Vorhandensein von FTO die Erwärmungsverteilung und -rate innerhalb der kupfergedruckten Struktur verändern. Beispielsweise könnte eine verstärkte Absorption möglicherweise als zusätzliche Energiequelle an den Grenzen eines Merkmals wirken und möglicherweise Probleme im Zusammenhang mit der Geometrie des gedruckten Merkmals hervorheben.

In der dortigen Literatur wurde hervorgehoben, dass das photonische Sintern Potenzial für das Sintern von Kupfer hat, es mangelt jedoch an Kenntnissen über Glassubstrate, die mit einer FTO-Oberfläche oder einem dicken Siebdruckfilm beschichtet wurden. Ziel der Studie war es daher, die Machbarkeit des photonischen Sinterns eines dicken Kupfertintenfilms auf einem FTO-Glassubstrat zu untersuchen und zu untersuchen, ob es potenzielle Verbesserungen gegenüber dem herkömmlichen Ofensintern in reduzierender Atmosphäre bietet.

Drei Kupfermaterialien wurden von Intrinsiq-Materialien bezogen. Diese wurden entsprechend dem Anteil an Nano- (N) und Mikropartikeln (M) mit 100N, 50N50M und 20N80M gekennzeichnet, Tabelle 1 und Abb. 1. Bei den Kupfermaterialien handelte es sich um kundenspezifisch hergestellte Variationen kommerzieller Materialien (CP-001) unter Verwendung einer kontrollierten Menge an Nano- und Mikrokupfer. Die Materialien wurden von Intrinsiq Materials Ltd mithilfe ihrer patentierten Kupferpartikel-Produktionsverfahren hergestellt, mit denen Nano- und Mikromaterialien hergestellt werden können. Diese wurden mit dem proprietären Bindemittel und Lösungsmittel gemischt und vermischt. Es wurde kein Versuch unternommen, das Material mithilfe von Laboranalysetechniken zu untersuchen, obwohl weitere rheologische und TGA-Daten veröffentlicht wurden4.

Trockene Siebdruckfarben.

Jede Tinte wurde im Siebdruckverfahren mit einem Bild gedruckt (Abb. 2), das aus Bereichen bestand, die die Charakterisierung feiner Linien (200–600 µm breit) ermöglichten. Die Bilder wurden auf Tec-7 FTO-beschichtetem Glas von NSG (nomineller Schichtwiderstand von 7 Ω/sq) mit einem 110–34 Polyesternetz auf einer automatischen ATMA-Flachbettdruckmaschine gedruckt. Darüber hinaus wurde das 100 N-Material durch ein 61/64-Polyesternetz gedruckt, um die Foliendicke zu variieren.

Gedrucktes trockenes, aber ungesintertes Bild (a) und (b) und ein Beispiel eines 10-pulsigen photonischen Energieprofils (Energiedichte von 8,9 J/cm2).

Eine erste Untersuchung wurde durchgeführt, um herauszufinden, ob die photonische Härtung sowohl zum Trocknen als auch zum Sintern der nassen Tinte verwendet werden kann. Dieses Konzept wurde jedoch schnell verworfen, da der photonische Prozess selbst bei höchster Einstellung nur minimale Auswirkungen auf die nasse Tinte hatte. Als Mechanismen für dieses Verhalten wurden die zur Verflüchtigung des Lösungsmittels erforderliche Energie und die kinetischen Beschränkungen der Wanderung des Lösungsmittels durch die feuchte Tinte zur Filmoberfläche angesehen. Anschließend wurden alle Proben gemäß den Herstellerempfehlungen thermisch in einem Thieme-Heißtrockner bei 80 °C und einer Verweilzeit von 15 Minuten getrocknet. Dadurch konnte das Lösungsmittel verdampfen, so dass ein trockener Film ohne übermäßige Temperatur erhalten wurde, bei der das Nanopartikel-Einkapselungsmittel sublimieren würde. Das photonische Sintern wurde mit einem photonischen Härtungssystem PulseForge 1200 durchgeführt, das die hohe Lichtintensität durch kontrollierte Entladung einer großen Kondensatorbank durch die Blitzlampe erzeugt. Die charakteristische Energieabgabe folgt einem Abfall, wenn die gespeicherte Ladung durch die Lampe entladen wird, überlagert mit der gepulsten Natur der Lampenabgabe, Abb. 2.

Die Gesamtenergieabgabe jedes Impulses wurde durch die Spannung, die Impulsdauer und die verwendete Dauer bestimmt. In der Praxis können der anfängliche Ladezustand, die Länge jedes Impulses, die Anzahl der Impulse und das Impulsintervall unabhängig voneinander (innerhalb von Grenzen) variiert werden, um den gleichen Gesamtenergieeintrag, jedoch mit unterschiedlichen Impulsbestrahlungsprofilen, zu erzielen. Der Gesamtenergieeintrag stellt jedoch eine aussagekräftige, wenn auch etwas vereinfachte Messgröße für die Analyse dar, die in der Literatur verwendet wurde. Um die Extreme des Betriebsfensters zu untersuchen, wurde aus vorläufigen Tests eine 3-Puls- und eine 10-Puls-Strategie übernommen.

Jede Probe wurde in der Mitte des Sinterbetts (ungefähr 250 × 250 mm) platziert, sodass die Beleuchtung jedes Mal konstant war. Das Aufladen des Kondensators und das Abkühlen des Bettes führten dazu, dass die Proben in Abständen von etwa drei Minuten gesintert wurden. Der Widerstand der Musterstrukturen wurde mit einem digitalen Niederwiderstandsmultimeter Megger MIT 330-EN charakterisiert. Da das Kupfer auf den FTO gedruckt wird, berücksichtigt die Messung des Leitungswiderstands daher den Parallelwiderstand der gedruckten Tinte und des darunter liegenden leitfähigen FTO. Kontaktwiderstand und Schichtwiderstand wurden mit der TLM-Methode24 berechnet. Zur Entfernung des FTO wurde ein Rofin 1064 nm Nd-YAG-Laserritzer verwendet, um den TLM-Bereich des Drucks zu isolieren. Unter jeder Bedingung wurden drei Proben hergestellt und ein Mittelwert ermittelt. Innerhalb der drei Proben betrugen die Leitungswiderstände ± 0,02 Ω, der Schichtwiderstand 0,04 Ω/sq und der Kontaktwiderstand ± 0,44 Ω. Die Filmdicke wurde mit einem Tastprofilometer Talysurf surftronic 100 ohne Signalfilterung gemessen. Der absolute spezifische Widerstand (ρ) und der relative spezifische Widerstand (ρ/ρCu) wurden aus der gemessenen Filmquerschnittsfläche (A) und dem Widerstand (R) über die Länge (l) unter Verwendung von R = rl/A berechnet. Das optimierte Sintern für jedes Material unter kontrollierten thermischen Sinterbedingungen4 wurde als Referenz zur Untersuchung der relativen Leistung des photonischen Sinterns verwendet.

Die mit der photonischen Härtung verbundene inhärente Schwierigkeit besteht darin, dass eine Optimierung des photonischen Regimes erforderlich ist. Zu hohe Spitzenintensitäten führen zu einer Delaminierung der Tinte vom Substrat, während zu geringe Leistung zu keiner Sinterung des Kupfers führt. Durch einen Prozess der Verfeinerung von Impulsbreite, Leistung und Abstand wurden die nominell optimalen Bedingungen für die Kombination aus Tinte und Substrat geschaffen. Dieser Versuch-und-Irrtum-Ansatz war notwendig, aber auch verschwenderisch im Hinblick auf die Anzahl der erforderlichen Proben. Unter jeder Bedingung war der Test „destruktiv“, da die Probe, selbst wenn sie keine sichtbaren Anzeichen von Sinterung aufwies, nicht erneut als Testprobe verwendet werden konnte. Typischerweise waren etwa 80–100 Proben jedes Materials erforderlich, um sich auf einen Sollzustand zu konzentrieren, der als optimiert angesehen werden konnte. Während dieses Optimierungsprozesses wurde die 600-µm-Linie als Messreferenz verwendet und die anderen gedruckten Merkmale visuell beobachtet, um die Belichtungsbedingungen zu verfeinern. Die Filmprofile für die nominell 600 mm lange Linie zeigen, dass die Topologie der gedruckten Linien zwischen den Materialien ähnlich ist, Abb. 3. Die Spitzendicke beträgt etwa 16 µm mit einer mittleren Dicke von etwa 12 µm und jede nominell 600 µm lange Linie druckt bei einer mittleren Breite von 720 µm ± 20 µm. Im Querschnitt der Linien sind einige Maschenmarkierungen zu erkennen, die durch das Zurückziehen des Siebs während des Druckvorgangs entstehen und typisch für das Muster sind, das beim Drucken hochviskoser Materialien auftritt25.

Querschnittstopologien der gedruckten 600-mm-Linie.

Für jede Pulszahl gibt es einen optimalen Sinterzustand (geringster Widerstand), der erreicht werden kann. Die Schlussfolgerung daraus ist, dass es für jedes Material eine Mindestimpulsenergie gibt, um einen geringeren Widerstand zu erreichen. Die für die Lichterzeugung verfügbare Energie hängt von der Größe der Kondensatoren und der an diesen Kondensator angelegten Spannung ab26,27,28. Eine erste Optimierungsstudie wurde durchgeführt, um einen Betriebsbereich des photonischen Energieprofils zu ermitteln. Um die bestmögliche Wirkung der Taschenlampe zu erzielen, wurde eine Strategie angewendet, die zu einem guten Leitfähigkeitsbereich führen konnte, indem eine unterschiedliche Anzahl von Impulsen mit verschiedenen Spannungen angelegt wurde, was dann die Schätzung der maximalen und minimalen angelegten Leistung ermöglichte. Durch die verfeinerte Impulsbreite, -leistung und -abstände wurden die nominell optimalen Bedingungen für die Kombination aus Tinte und Substrat geschaffen. Ausgehend von der gleichen anfänglichen Kondensatorladung lieferte ein einzelner Impuls nicht genügend Energieeintrag zum Sintern, und daher wurde nach mehreren durchgeführten Versuchen und entsprechend dem Maschinensicherheitsbetrieb und der vom Hersteller bereitgestellten Energiekapazität eine Strategie mit 3 bis 10 Impulsen übernommen.

Abbildung 4 zeigt mehrere Beispiele für die Beziehung zwischen dem gesamten Energieeintrag (integriert aus jeder Impulsdauer) und dem Nettoleitungswiderstand, der für die 600 µm breite Leitung gemessen wurde. Für die 100N- und 50N5M-Materialien können bei niedrigeren Energien nahezu identische Widerstände erreicht werden, der 10-Puls bot jedoch ein breiteres Betriebsfenster. Der in Abb. 2 beobachtete Energieabfall pro Impuls lässt darauf schließen, dass die Wirkung einer größeren Anzahl von Impulsen abnimmt, aber möglicherweise einen Beitrag zur Reduzierung nachteiliger thermischer Spannungen auf den Film leistet.

Sinterhüllen für die drei Tinten, definiert durch den Widerstand der 600 µm breiten Linie.

Die Untersuchung des durch die experimentelle Studie bereitgestellten Datensatzes zeigt, dass es möglich ist, mit dem optimierten photonisch gehärteten Material eine elektrische Leistung zu erzielen, die mit den Ergebnissen vergleichbar ist, die durch thermisches Ofensintern für die Mikropartikel enthaltenden Materialien erzielt werden, Tabelle 2. Das reine Nanopartikel Das Material zeigt eine ähnliche absolute Leistung, aber die Leistung im Vergleich zum ofengesinterten Nanomaterial ist um den Faktor 3 bis 5 geringer. Während also Materialien, die Mikropartikel enthalten, leicht photonisch gesintert werden können (aus rein leitfähiger Sicht), ist das photonische Sintern reiner Nanomaterialien Nanomaterialien führen zu einem Nachteil im Vergleich zum thermischen Sintern.

Stabilitätsmessungen über einen Zeitraum von 4 Wochen für die optimierten Proben zeigen einen Anstieg des Leitungswiderstands um 14 % bei 100N-Material, etwa 10 % bei der 50N50M-Tinte und nur etwa 2 % bei dem 20N80M-Material, das die geringste Menge an Nanopartikeln enthält. Abbildung 5. Dies deutet darauf hin, dass sich entweder Nanopartikel im Film befinden, die nicht vollständig gesintert sind und aktiv bleiben, oder dass die offene Porosität des Films eine stärkere Lufteinwirkung für die Oxidation ermöglicht.

600 µm Linienwiderstandsänderung über die Zeit in Wochen für jede photonisch gesinterte Tinte bei optimalen Sinterbedingungen.

Da die Oberflächenabsorption die Energiequelle für den Sinterprozess war, wurden für jede Linienbreite einige Änderungen der optimalen Sinterbedingungen erwartet, da sich das Verhältnis von Oberfläche zu Volumenvolumen ändert. Dies trat bei feineren Strukturen auf, die durch die Einwirkung der photonischen Energie beeinträchtigt wurden, wobei Bereiche eine Substratablösung und physikalische Schäden aufwiesen, Abb. 6a, b. Die Abhängigkeit der optimalen Sinterbedingungen von der geometrischen Beschaffenheit des zu sinternden Merkmals wird auch in Abb. 6c deutlich, wo die feineren Merkmale abgetragen wurden, obwohl das zentrale Quadrat Bereiche aufweist, die ungesintert bleiben.

Der Einfluss der Strukturgröße auf die Sinterbedingungen für die 100 N-Tinte.

Daher hängen die idealen photonischen Sinterbedingungen nicht nur von den Materialeigenschaften und der Filmdicke ab, sondern auch von der zu druckenden Strukturgröße. Dies wird in Abb. 7 deutlich, wo das relative Leitfähigkeitsverhältnis zwischen thermisch ofengesinterten Proben und den photonisch gehärteten Proben für das 100N-Material dargestellt ist. Unter bestimmten photonischen Sinterbedingungen, die für die 600-mm-Leitungen des 100N-Materials optimiert sind, kommt es bei dünneren Leitungen zu einer Erhöhung des Widerstands im Vergleich zu ihren im Ofen gesinterten Gegenstücken. Dünnere Linien profitieren im Vergleich zu dickeren Linien von einer größeren Oberfläche für die Photonenabsorption pro Volumeneinheit, der Unterschied ist jedoch minimal (etwa 8 % im Bereich von 200–700 µm). Allerdings sind diese Linienkanten häufig die Quelle von Fehlern, die mit einer Überbelichtung während des Sinterprozesses einhergehen. Dies gilt für Folien mit einer durchschnittlichen Dicke von 12 µm (110–34 Mesh) und für eine 15 µm Folie (61/64 Mesh). Der dickere Film sorgt für Leitungen, deren Widerstand im Vergleich zu ihren im Ofen gesinterten Gegenstücken höher ist. Dieses Ergebnis entspricht den Erwartungen, da der dickere Film bei gleichem Grad schwieriger zu sintern ist.

Der Einfluss von Strukturgrößen und Filmdicke auf die relative Leitfähigkeit zwischen den im Ofen gesinterten und den photonisch gesinterten gedruckten Linien für das 100N-Material.

Die verbesserte Leistung des photonischen Sinterns mit dem dünneren Film hängt wahrscheinlich mit zwei Hauptmechanismen zusammen: der Tiefe der Energieeindringung und der thermischen Masse. Mit dem dünneren Film wird die anfängliche Umwandlung in eine hochreflektierende Kupferoberfläche dann zu einer optischen Barriere für die Absorption der Energie nachfolgender Schichten. Der Prozess wird dadurch selbstlimitierend in Bezug auf seine Fähigkeit, Energie auf das Material an der Substratgrenzfläche zu übertragen, was sich nachteilig auf die obere Oberfläche des Films auswirkt oder zu einer Delaminierung des Films führt. Bei der dickeren Folie wirken die unteren Teile der Folie als Wärmesenke und nehmen die Energie auf, die in der oberen Oberfläche absorbiert wird. Wenn die aufgenommene Energie das Nanokupfer nicht über seine Sintertemperatur hinaus erhitzt, kommt es zu keiner anschließenden Strukturänderung.

Diese Erkenntnis hat erhebliche Auswirkungen auf den Schaltkreisdesigner, da sie die Vielfalt der Abmessungen einschränkt, die innerhalb eines Schaltkreises verwendet werden können, wenn Schaltkreise photonisch gesintert werden sollen. Mehrere Strukturgrößen führen je nach Strukturgröße wahrscheinlich zu erheblichen Schwankungen im Sintergrad, wobei größere Strukturen im Vergleich zu kleineren Strukturen dazu neigen, zu wenig zu sintern.

Die Haftungsleistung des reinen Nanopartikelmaterials ist deutlich schlechter als die von Mikropartikel enthaltenden Materialien (Tabelle 3). Die 100 N-Tinte hatte die Bewertung 0B in Bezug auf Kratzfestigkeit und durch das Aufbringen des Klebebands wurde das gesamte Material von der Oberfläche entfernt. Ähnliche Haftungsergebnisse wurden beim thermischen Sintern beobachtet4. Eine mögliche Erklärung ist, dass das Multipulsintern zu einer volumetrischen Reduzierung der Partikelgröße führt29,30. Es kann zu einer schnellen Verdunstung des Bindemittels und zum Sintern zwischen den Nanopartikeln kommen, wodurch eine Druckspannung im Film entsteht, die die Haftung zwischen Tinte und Substrat überwindet. Außerdem verursacht der schnelle Sinterprozess einen Thermoschock an der Grenzfläche und aufgrund des relativen Wärmeausdehnungskoeffizienten (9 × 10–6/°C für Glas im Vergleich zu 17 × 10–6/°C für massives Kupfer) wird Spannung induziert an der Grenzfläche, Abb. 8. Die Erhöhung der Mikropartikelkomponente verbesserte die Kratzfestigkeit, wobei für die 20N80M-Tinte eine Kratzfestigkeit von 5B erreicht wurde, und entfernte mit einem Klebeband nur sehr wenig Material vom FTO-Glas.

FTO – 100 N-Schnittstelle beim photonischen Sintern.

Der Unterschied beim photonischen Sintern kann durch einen Vergleich der Mikrostruktur der Materialien erklärt werden, Abb. 9. Das thermische Sintern des 100N-Materials führt zu einer Struktur, in der jedes Partikel mit seinen nahen Nachbarn verschmilzt, Abb. 9a, und so einen direkten Weg für die Ladung bietet Übertragung durch die Struktur4. Die Porosität des Films führt zu einer geringeren Leitfähigkeit als reines Kupfer, der Einfluss des Partikel-Partikel-Widerstands wird jedoch minimiert. Es gibt kaum Hinweise auf eine so enge Verschmelzung der Partikel beim photonischen Sintern, wobei sich jedes einzelne Nanopartikel an seinen Rändern berührt, aber nicht verschmilzt. Es gibt einen weniger signifikanten Unterschied zwischen der Mikrostruktur der photonischen und thermisch gesinterten Partikel, wenn Mikropartikel vorhanden sind, Abb. 9c, d, e, f. Dabei versintern die Nanopartikel jeweils zu Mikropartikeln. Der leitende Pfad durch die Mikro-/Nanomischungen bleibt überwiegend durch die Mikropartikel bestehen, wobei ein gewisser zusätzlicher Kontakt durch die Nanopartikel bereitgestellt wird.

REM-Bilder mit 25.000-facher Vergrößerung für jedes Material im optimalen thermischen und photonischen Sinterzustand. Das thermische Sintern in (a), (c) und (e) entspricht 200 °C, 90 Minuten in reduzierender Ameisensäureatmosphäre. Photonisch (b), (d) und (f) entsprechen den optimalen Bedingungen (geringster Widerstand), die photonisch erzielt werden.

Die Röntgenbeugung der 100N-Tinte zeigt, dass Beugungspeaks mit starker Intensität bei Winkeln von 2° 111, 200 und 220 auftreten, was auf die Bildung von metallischem Kupfer mit minimaler Oxidation bei allen angewandten Energieeinstellungen hinweist12, Abb. 10a. Auf den ersten Blick kann dies im Vergleich zum Ofensintern, bei dem es zu einer gewissen Oxidation kommt, als vorteilhaft angesehen werden. Die geringere Leitfähigkeit des photonisch ausgehärteten Materials spiegelt dies jedoch nicht wider. Es wird postuliert, dass die Abdeckhülle, in der die Kupfernanopartikel ursprünglich eingeschlossen waren, während der kurzzeitigen Belichtung durch die Lampe nicht vollständig aus der Struktur herausgeschleudert wird. Anschließend sind die Nanopartikel nicht in der Lage, sich an der Verbindungsstelle zwischen den Partikeln einzuschnüren und eine größere Kontaktfläche für die Ladungsübertragung zu schaffen, Abb. 9a,b. Dies verdeutlicht die Schwierigkeit, eine Impulsenergie/-form zu erhalten, bei der das Abdeckmittel gerade entfernt wird und sich die Partikel einschnüren, ohne dass die Energieabsorption einen destruktiven Einfluss auf die Integrität des Films hat. Dies würde auch den Anstieg des Widerstands erklären, der bei der Probenalterung auftritt, wenn ein langsamerer Oxidationsprozess stattfindet, da Sauerstoff langsam durch das Verkappungsmittel diffundiert. Das 50N50M-Material zeigt ähnliche Eigenschaften, die unabhängig vom Sinterprozess zu sein scheinen (Abb. 10b), mit ähnlichen Graden der Oxidbildung. Dieses Verhalten spiegelt sich beim 20N80M-Material wider, bei dem nahezu unabhängig von der Sintermethode erneut Kupferoxid gebildet wird, Abb. 10c.

XRD von (a) 100 N, (b) 50N50M und (c) 20N80M für die 600 µm breite Linie.

Materialien, die Mikropartikel enthalten, weisen unabhängig von der verwendeten Sintermethode nahezu identische elektrische Leistungsmerkmale auf und weisen im Wesentlichen eine ähnliche chemische Struktur und physikalische Robustheit (Haftung) auf. Das photonische Sintern der Mikropartikel stellt daher eine praktikable Herstellungsmethode dar, die eine Verkürzung der Verarbeitungszeiten um drei Größenordnungen (< 10 s) im Vergleich zu mindestens einer Stunde (einschließlich Abkühlzeit) auf thermischem Wege ermöglicht. Der zusätzliche Bedarf an reduzierten Gasen und niedrigeren Temperaturen ist ein weiteres Argument für die photonische Verarbeitung, die geringere Betriebskosten sowie eine verbesserte Sicherheit bietet. Es kann auch zu einer deutlichen Verbesserung des CO2-Fußabdrucks in der Fertigung kommen, allerdings muss dabei sowohl die Gesamtsystemeffizienz als auch die Lampeneffizienz berücksichtigt werden. Die absolute Leistung der mikropartikelhaltigen Tinten liegt unter der bei reinen Nanopartikeltinten beobachteten, aber das breitere Betriebsfenster und die Stabilität der Materialien machen sie für die Prozesskonsistenz attraktiv. Ein Material aus reinem Nanokupfer hat bei thermischer Sinterung Vorteile in der Leitfähigkeit, schneidet bei photonischer Sinterung jedoch hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften schlecht ab.

Es bleibt noch viel Arbeit an der Skalierbarkeit des Lampensystems und der strukturellen Integrität des Glases, wenn es einer photonischen Beleuchtung in größerem Maßstab ausgesetzt wird. Lokale Spannungen, die durch die unterschiedliche Absorption des FTO-beschichteten Glases und der Kupfertinte verursacht werden, scheinen kein Problem zu sein, größere Makro-Temperaturunterschiede, die durch den photonischen Sinterprozess verursacht werden, müssten jedoch aus praktischer Sicht untersucht werden.

Es ist möglich, die siebgedruckten dicken Kupferfilme auf FTO-Glassubstraten photonisch zu sintern. Es besteht eine erhebliche Wechselwirkung zwischen den Materialeigenschaften im Nano- und Mikromaßstab und der photonischen Energie, die für das erfolgreiche Sintern des siebgedruckten Kupfers erforderlich ist. Bei der reinen Nanopartikel-Tinte verringert sich die Leitfähigkeit um den Faktor 5 bis 7, wenn sie photonisch gesintert wird. Dies kann mit der fehlenden Nanopartikel-Sinterung innerhalb des Films zusammenhängen. Das Betriebsfenster für das Sintern ist für das reine Nanomaterial klein, da die Ausgangsenergie der Lampe knapp unterhalb des Fensters liegt und der Film nicht gesintert werden kann, während oberhalb der Obergrenze ein katastrophaler Ausfall auftritt. Das Betriebsfenster der Nano-/Mikropartikelmischungen ist breiter und die resultierende Leitfähigkeit kommt der des reinen Nanomaterials nahe, bietet jedoch eine verbesserte Haftungsleistung. Dies bietet die Möglichkeit, innerhalb von Sekunden ohne kontrollierte Gasumgebungen zu sintern, im Vergleich zu Stunden beim thermischen Sintern. Die idealen photonischen Belichtungsbedingungen hängen von der Strukturgröße und der Filmdicke ab, was eine entscheidende Interaktion zwischen den Verarbeitungs- und Designphasen erfordert. Es werden weitere Arbeiten zur Festlegung von Designregeln empfohlen, die Druck- und Materialeigenschaften mit dem erforderlichen Emissionsprofil in Beziehung setzen. Allerdings variieren die optimalen Sinterbedingungen mit der Strukturgröße, was die Flexibilität des Schaltungsdesigns einschränkt.

Die im Rahmen der aktuellen Studie generierten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Zeng, X. et al. Kupfertinten für gedruckte Elektronik: Ein Rückblick. Nanoskala 14(43), 16003–16032. https://doi.org/10.1039/d2nr03990g (2022).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Li, W. et al. Der Aufstieg leitfähiger Kupfertinten: Herausforderungen und Perspektiven. Appl. Mater. Heute 18, 100451. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2019.100451 (2020).

Artikel MathSciNet Google Scholar

Magdassi, S., Grouchko, M. & Kamyshny, A. Kupfernanopartikel für gedruckte Elektronik: Wege zur Erzielung von Oxidationsstabilität. Materialien (Basel) 3(9), 4626–4638. https://doi.org/10.3390/ma3094626 (2010).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Abbas, B., Mohammad, Y., Jewell, E. & Searle, J. Thermisches Sintern von druckbarem Kupfer für eine verbesserte Leitfähigkeit von FTO-beschichteten Glassubstraten. J. Mater. Wissenschaft. Mater. Elektron. 0123456789, 17–19. https://doi.org/10.1007/s10854-019-02358-x (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Deng, D., Jin, Y., Cheng, Y., Qi, T. & Xiao, F. Kupfernanopartikel: Synthese wässriger Phase und Herstellung leitfähiger Filme bei niedriger Sintertemperatur. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 5(9), 3839–3846. https://doi.org/10.1021/am400480k (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Joo, M., Lee, B., Jeong, S. & Lee, M. Vergleichende Studien zum thermischen Sintern und Lasersintern für hochleitfähige Cu-Filme, die auf Kunststoffsubstrate gedruckt werden können. Thin Solid Films 520(7), 2878–2883. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.11.078 (2012).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Schroder, KA, Mccool, SC & Furlan, WF Broadcast-System zur photonischen Härtung metallischer Nanopartikelfilme, grundlegendes Forschungs- und Entwicklungssystem. Nanotechnologie. Konf. Messe 3(512), 198–201 (2006).

CAS Google Scholar

Moon, CJ et al. Blitzlichtsintern von Ag-Netzfilmen für gedruckte transparente leitende Elektroden. Dünne feste Filme 629, 60–68. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.03.049 (2017).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Son, YH, Jang, JY, Kang, MK, Ahn, S. & Lee, CS Anwendung der Blitzlicht-Sintermethode auf den flexiblen Tintenstrahldruck unter Verwendung antioxidativer Kupfer-Nanopartikel. Thin Solid Films 656 (September 2017), 61–67. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2018.04.034 (2018).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Kumpulainen, T. et al. Sintern von Nanopartikeln bei niedriger Temperatur mit Dauerstrich- und Pulslasern. Opt. Lasertechnologie 43(3), 570–576. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2010.08.002 (2011).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Park, SH & Kim, HS Blitzlichtsintern von Nickel-Nanopartikeln für gedruckte Elektronik. Dünne feste Filme 550, 575–581. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.11.075 (2014).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Troughton, J. et al. Photonisches Blitzglühen von Bleihalogenid-Perowskit-Solarzellen in 1 ms. J. Mater. Chem. A 4(9), 3471–3476. https://doi.org/10.1039/C5TA09431C (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Hong, S. et al. Schnelle Verbesserung der Oberflächenkinetik durch Blitzlichtsintern für Niedertemperatur-Festoxid-Brennstoffzellen. J. Alloys Compd. 778, 337–344. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.11.178 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Chung, WH, Hwang, HJ & Kim, HS Blitzlichtgesintertes Kupfervorläufer-/Nanopartikelmuster mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und geringer Porosität für gedruckte Elektronik. Thin Solid Films 580 (Februar 2016), 61–70. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2015.03.004 (2015).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Norita, S. et al. Tintenstrahlgedruckte Kupferelektroden durch photonisches Sintern und ihre Anwendung auf organische Dünnschichttransistoren. Org. Elektron. 25, 131–134. https://doi.org/10.1016/j.orgel.2015.06.026 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Joo, S.-J., Hwang, H.-J. & Kim, H.-S. Hochleitfähige Kupfer-Nano-/Mikropartikel-Tinte durch Blitzlichtsintern für gedruckte Elektronik. Nanotechnology 25(26), 265601. https://doi.org/10.1088/0957-4484/25/26/265601 (2014).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

De Rossi, F. et al. Alle druckbaren Perowskit-Solarmodule mit 198 cm 2 aktiver Fläche und über 6 % Wirkungsgrad. Adv. Mater. Technol. 3(11), 1800156. https://doi.org/10.1002/admt.201800156 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Ling, JK et al. Eine Perspektive auf die kommerzielle Machbarkeit von Perowskit-Solarzellen. Sol. RRL 5(11), 1–48. https://doi.org/10.1002/solr.202100401 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Zhong, Y. et al. Herstellung von FTO/PNIPAm/FTO elektrisch-thermischen intelligenten Fenstern mit doppelter Reaktion für das Management der Sonnenstrahlung im gesamten Temperaturbereich**. ChemistrySelect 6(22), 5496–5503. https://doi.org/10.1002/slct.202101124 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Xia, Y. Wir werfen Licht auf intelligente Fenster mit elektrochromer Energiespeicherung der nächsten Generation. ACS Cent. Wissenschaft. 6(12), 2130–2132. https://doi.org/10.1021/acscentsci.0c01539 (2020).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dexter, M. et al. Modellierung nanoskaliger Temperaturgradienten und Leitfähigkeitsentwicklung beim Sintern von Silber-Nanodrahtnetzwerken mit gepulstem Licht. Nanotechnologie https://doi.org/10.1088/1361-6528/aae368 (2018).

Artikel PubMed Google Scholar

Dexter, M., Gao, Z., Bansal, S., Chang, CH & Malhotra, R. Temperatur, kristalline Phase und Einfluss der Substrateigenschaften beim Sintern von Kupfersulfid-Nanopartikel-Dünnfilmen mit intensivem gepulsten Licht. Wissenschaft. Rep. 8(1), 1–14. https://doi.org/10.1038/s41598-018-20621-9 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Shi, B. et al. Verbesserte Lichtabsorption dünner Perowskit-Solarzellen mithilfe strukturierter Substrate. Sol. Energie Mater. Sol. Zellen 168, 214–220. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2017.04.038 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Gern, WGOJGJ Buchstaben für IEEE-Elektronengeräte. IEEE Electron. Gerätevermietung 40(1), C2–C2. https://doi.org/10.1109/led.2018.2884068 (2019).

Artikel Google Scholar

Potts, S.-J. et al. Hochgeschwindigkeitsbildgebung: Der Einfluss des Abreißabstands und der Rakelgeschwindigkeit auf den Farbübertragungsmechanismus von siebgedruckten Kohlenstoffpasten. J. Mantel. Technol. Res. https://doi.org/10.1007/s11998-019-00291-6 (2019).

Artikel Google Scholar

Maccarrone, F. & Paffuti, G. Kapazität und Kräfte für zwei quadratische Elektroden. J. Elektrostat. 89, 20–29. https://doi.org/10.1016/j.elstat.2017.06.007 (2017).

Artikel Google Scholar

Home-Ortiz, JM, Vargas, R., Macedo, LH & Romero, R. Gemeinsame Neukonfiguration von Einspeisungen und Zuweisung von Kondensatorbänken in radialen Verteilungssystemen unter Berücksichtigung spannungsabhängiger Modelle. Int. J. Elektr. Energiesystem. 107 (Juli 2018), 298–310. https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2018.11.035 (2019).

Artikel Google Scholar

de Araujo, LR, Penido, DRR, Carneiro, S. & Pereira, JLR Optimale unsymmetrische Kondensatorplatzierung in Verteilungssystemen zur Spannungskontrolle und Minimierung von Energieverlusten. Elektr. Stromversorgungssystem. Res. 154, 110–121. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2017.08.012 (2018).

Artikel Google Scholar

Yu, MH, Joo, SJ & Kim, HS Multipuls-Blitzlichtsintern von bimodaler Cu-Nanopartikel-Tinte für hochleitfähige gedruckte Cu-Elektroden". Nanotechnologie https://doi.org/10.1088/1361-6528/aa6cda (2017) .

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Youn, JW, Lee, SJ, Kim, KS & Kim, DU Adhäsionseigenschaften von VO2-Tintenfilm, gesintert durch intensives gepulstes Licht für intelligente Fenster. Appl. Surfen. Wissenschaft. 441, 508–514. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.02.061 (2018).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wurde durch die Unterstützung des SPECIFIC Innovation and Knowledge Centre durch den Engineering and Physical Science Research Council [EP/N020863/1], Innovate UK [920036] und den Engineering and Physical Science Research Council [EP/N509905/1] ermöglicht ] und vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung [c80892] durch die walisische Regierung. Die Autoren danken den Hi-prospects-Partnerunternehmen und -Institutionen, insbesondere Intrinsiq Materials, für die Unterstützung bei der Materialbereitstellung.

Fakultät für Naturwissenschaften und Technik, Swansea University, Swansea, Großbritannien

Bahaa Abbas, Eifion Jewell, Yin Cheung Lau, Justin Searle und Tim Claypole

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

BA: Konzeptualisierung, Methodik, Formale Analyse, Schreiben – Originalentwurf, Untersuchung Swansea University (UK). EJ: Konzeptualisierung, Supervision, Projektverwaltung, Schreiben – Rezension und Bearbeitung Swansea University (UK). YCL: Konzeptualisierung, Methodik, formale Analyse, Untersuchung Swansea University (UK). JS: Konzeptualisierung, Supervision, Projektverwaltung, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung Swansea University (UK). TC: Supervision, Projektverwaltung.

Korrespondenz mit Eastern Abbas.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Abbas, B., Jewell, E., Lau, YC et al. Photonisches Sintern von Kupfer zur schnellen Verarbeitung dickschichtiger leitender Schaltkreise auf FTO-beschichtetem Glas. Sci Rep 13, 5080 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32044-2

Zitat herunterladen

Eingegangen: 22. Dezember 2022

Angenommen: 21. März 2023

Veröffentlicht: 28. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32044-2

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.

Nachricht

Photonisches Sintern von Kupfer zur schnellen Verarbeitung dickschichtiger leitender Schaltkreise auf FTO-beschichtetem Glas