Koperen nanodeeltjes en groene laserprinten:een kosteneffectieve printplaatoplossing met lage weerstand

• Nieuwe dunnelaagprinttechniek maakt gebruik van koperoxide en groen laserlicht om een elektronische printplaat te printen. 
• Het is efficiënter en goedkoper dan traditionele methoden. 
• Het maakt gebruik van een fotonisch sinterproces om een lage soortelijke weerstand te bereiken. 

Een printplaat verbindt elektrische componenten via geleidende pads, sporen en meerdere koperplaten. Deze componenten worden doorgaans op het circuit gesoldeerd en de sporen werken als vaste draden die van elkaar worden geïsoleerd door het substraatmateriaal van de printplaat.

Het belangrijkste doel van deze kaarten is het verminderen van het gewicht, de grootte en de kosten van de componenten die in de circuits worden gebruikt. De afgelopen tien jaar zijn er talloze strategieën voor direct printen toegepast. Elk heeft zijn eigen voordelen en tekortkomingen. Eén zo'n methode is het printen van metaalnanodeeltjesinkt, wat een eenvoudig, goedkoop en snel proces is.

De belangstelling op dit gebied neemt voortdurend toe vanwege het potentieel om goedkopere platen efficiënter te produceren dan traditionele methoden. Onlangs hebben Koreaanse wetenschappers van de Soonchunhyang Universiteit de dunnelaagprinttechnieken bestudeerd op basis van laserkracht, voorbakomstandigheden, scansnelheid en filmdikte-effecten.

Ze ontdekten dat elektronische circuits efficiënter kunnen worden geprint met koperen nanodeeltjesinkt en groen laserlicht. Eerder experimenteerden ze met zilveren nanodeeltjesinkt, maar richtten hun aandacht op koper als haalbaar, goedkoop alternatief.

Het experiment

Metaalinkten met nanodeeltjes hebben lagere smeltpunten in vergelijking met grote metalen. Koper heeft bijvoorbeeld in bulk een smeltpunt van 1083°C, terwijl koperen nanodeeltjes kunnen worden teruggebracht tot een smeltpunt van 150-500°C via een proces dat sinteren wordt genoemd, waarbij metaal onder druk wordt gezet of wordt verwarmd zonder dat het tot het punt van vloeibaarmaking wordt gesmolten. Vervolgens worden ze samengevoegd en met elkaar verbonden.

Om hetzelfde uit te voeren, kozen onderzoekers voor groen laserlicht vanwege de geschikte verandering in de golflengte-absorptiesnelheid (500 tot 800 nm). Ze gebruikten koperoxide-nanodeeltjesinkt (beschikbaar in de markt) die met twee spinsnelheden op glas werd gespincoat om verschillende diktes te bereiken.

Referentie:AIP Advances | doi:10.1063/1.5047562 | AIP-publicatie

Om het oplosmiddel te laten drogen vóór het sinteren, hebben onderzoekers het materiaal voorgebakken, wat een essentiële stap is om de dikte van de koperoxidelaag te verminderen en explosies van luchtbellen te voorkomen die zouden kunnen optreden als gevolg van het plotseling koken van oplosmiddel tijdens bestraling.

Ze voerden meerdere tests uit voordat ze concludeerden dat de perfecte voorbaktemperatuur iets lager dan 200°C ligt. Ze zochten ook naar een optimale configuratie van scansnelheid en laservermogen tijdens het sinteren om de geleidbaarheid van het circuit te verbeteren.

Werkwijze van het experiment | Met dank aan onderzoekers

In dit onderzoek werden de beste gesinterde resultaten verkregen met een laservermogen van 0,3-0,5 watt, en de gewenste geleidbaarheid wordt bereikt met een laserscansnelheid die niet lager is dan 10 millimeter per seconde, of sneller dan 100 mm/s.

Wat de dikte van de film betreft, neemt het sinteren tot 74% van de dikte af (van 546 naar 141 nanometer). De compactheid en connectiviteit van nanomaterialen zijn afhankelijk van de diktereductie na het sinteren:overmatige diktereductie leidt tot minder weerstand. Daarom ligt de gemeten soortelijke weerstand in dit geval tussen 9,5 en 20 μΩ·cm.

Lees:Gouden nanodeeltjes kunnen de opslag van zonne-energie verbeteren

Over het algemeen laat het experiment zien dat een kleine hoeveelheid oplosmiddel die achterblijft in de koperoxidefilm nodig is om een uniforme sintering te verkrijgen met minimale filmschade tijdens het lasersinterproces. In de volgende studie zullen onderzoekers substraateffecten op sinteren onderzoeken.