Koper-nanodeeltjes & groene laser-printen: Een rendabele, lage-weerstand printplaatoplossing

• Nieuwe dunne-laag printtechniek gebruikt koperoxide en groen laserlicht om een elektronische printplaat te printen.
• Het is efficiënter en goedkoper dan traditionele methoden.
• Het benut fotonische sintering om lage weerstand te bereiken.

Een printplaat verbindt elektrische componenten door middel van geleidende pads, sporen en meerdere lagen koper. Deze componenten worden meestal op de print gesoldeerd, en sporen werken als vaste draden die van elkaar geïsoleerd zijn door het substratafmateriaal van de print.

Het hoofddoel van deze printplaten is het gewicht, de grootte en de kosten van componenten in de schakeling te verminderen. Tallooze direct-printstrategieën zijn de afgelopen decennium geadopteerd. Elke heeft zijn eigen voor- en nadelen. Een dergelijke methode is metaal-nanodeeltjes-inktprinten, wat een eenvoudig, goedkoop en snel proces is.

De interesse in dit veld neemt constant toe vanwege het potentieel om goedkopere printplaten efficiënter te produceren dan traditionele methodologieën. Onlangs hebben Koreaanse wetenschappers van de Soonchunhyang Universiteit de dunne-laag printtechnieken bestudeerd op basis van laservermogen, pre-bakcondities, scansnelheid en filmdikte-effecten.

Ze vonden dat elektronische schakelingen efficiënter geprint kunnen worden met koper-nanodeeltjes-inkt en groen laserlicht. Eerder experimenteerden ze met zilver-nanodeeltjes-inkt, maar verschoven hun focus naar koper als haalbare laag-prijs alternatief.

Het experiment

Nanodeeltjes-metallische inkt hebben lagere smeltpunten vergeleken met bulkmetalen. Bijvoorbeeld, koper heeft een smeltpunt van 1083°C in bulk, terwijl koper-nanodeeltjes door een proces genaamd sintering teruggebracht kunnen worden tot een smeltpunt van 150-500°C, waarbij metaal onder druk gezet of verwarmd wordt zonder te smelten tot vloeistof. Vervolgens worden ze samengevoegd en gebonden.

Om hetzelfde te doen, selecteerden onderzoekers groen laserlicht vanwege de geschikte (500 tot 800 nm) golflengte-absorptieverandering. Ze gebruikten koperoxide-nanodeeltjes-inkt (verkrijgbaar op de markt) die op glas gespind werd op twee draaisnelheden om verschillende diktes te bereiken.

Referentie: AIP Advances | doi:10.1063/1.5047562 | AIP Publishing

Om oplosmiddel te drogen voor sintering, bakten onderzoekers het materiaal voor, wat een essentiële stap is om de dikte van de koperoxidelag te verminderen en explosies van luchtbellen te voorkomen die kunnen ontstaan door plotselend koken van het oplosmiddel tijdens bestraling.

Ze voerden meerdere tests uit voordat ze concludeerden dat de perfecte pre-baktemperatuur iets minder dan 200°C is. Ze zochten ook naar de optimale configuratie van scansnelheid en laservermogen tijdens sintering om de geleiding van de schakeling te verbeteren.

Werkwijze van het experiment | Met dank aan de onderzoekers

In deze studie werden de beste gesinterde resultaten verkregen met 0,3-0,5 watt laservermogen, en de gewenste geleiding wordt bereikt met een laserscansnelheid niet langzamer dan 10 millimeter per seconde, of sneller dan 100 mm/s.

Wat de filmdikte betreft, vermindert sintering de dikte tot 74% (van 546 tot 141 nanometer). De compactheid en connectiviteit van nanomaterialen hangen af van de diktevermindering na sintering: excessieve diktevermindering leidt tot lagere weerstand. Daarom valt de gemeten weerstand in dit geval tussen 9,5 en 20 μΩ·cm.

Lees ook: Goud-nanodeeltjes kunnen zonne-energieopslag verbeteren

Over het algemeen toont het experiment aan dat een kleine hoeveelheid oplosmiddel overblijft in de koperoxidefilm noodzakelijk is om uniforme sintering met minimale filmbeschadiging tijdens het lasersinterproces te verkrijgen. In de volgende studie zullen onderzoekers substraateffecten op sintering onderzoeken.