Sinterização fotônica de cobre para processamento rápido de circuitos condutores de filme espesso em vidro revestido FTO

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 5080 (2023) Citar este artigo

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O cobre oferece potencialmente um substituto econômico para a prata em circuitos eletrônicos impressos com diversas aplicações em saúde, energia solar, dispositivos IOT e aplicações automotivas. O principal desafio enfrentado pelo cobre é que ele se oxida prontamente ao seu estado não condutor durante o processo de sinterização. A sinterização fotônica oferece um meio de superar a oxidação pela qual ocorre a conversão rápida de nanopartículas discretas em produtos total ou parcialmente sinterizados. Foi realizado um estudo experimental da sinterização por lâmpada de flash de estruturas impressas em tela de filme espesso de nano cobre e nano/micro cobre misto em vidro revestido FTO. Isso mostra que pode haver várias janelas de energia que podem sinterizar com sucesso a impressão de cobre de filme espesso, evitando a oxidação prejudicial do cobre. Sob condições ideais, as condutividades alcançadas em menos de 1 s foram (3,11–4,3 × 10–7 Ω m) iguais às alcançadas em 90 min a 250 °C sob condições de redução de gás, oferecendo uma melhoria significativa na produtividade e redução na demanda de energia. Também apresenta uma boa estabilidade de filme com um aumento de 14% na resistência da linha do material 100 N, em torno de 10% para a tinta 50N50M e apenas cerca de 2% para a 20N80M.

O cobre potencialmente oferece uma alternativa à prata em circuitos impressos, que são a parte fundamental de qualquer dispositivo elétrico/eletrônico1. Embora a prata tenha excelente condutividade, seja estável em suspensões orgânicas e tenha boa vida útil, ela não é apenas mais cara, mas também sujeita a flutuações de preço. Há um interesse crescente no uso de cobre como um potencial material condutor impresso com várias opções sendo exploradas, incluindo precursores de cobre, sais de cobre, partículas de óxido de cobre, formulações de nano cobre e micro cobre1,2. Destas, as tintas particuladas de cobre fornecem muitas características favoráveis ​​com reologia e comportamento de impressão semelhantes às suas contrapartes de partículas de prata. Um desafio é formar partículas que não se transformem rapidamente em óxido de cobre eletricamente isolante durante o processamento, o que reduz sua condutividade elétrica3. O meio mais comum de prevenir a oxidação é sinterizar termicamente (150–400 °C) os materiais em uma atmosfera inerte, a vácuo ou idealmente redutora,4,5,6. No entanto, os processos tradicionais de forno térmico são geralmente inerentemente um processo em lote com tempos de processo de 60 a 120 minutos. Isso limita as taxas de produção e também possui uma pegada de carbono inerentemente alta, diretamente associada à temperatura elevada, longos tempos de processamento e indiretamente associada à produção e armazenamento do gás da atmosfera redutora. A sinterização fotônica de lâmpada de flash de área ampla tem sido amplamente usada para sinterizar nano tintas de prata7,8,9,–10, nano tintas de níquel11, bem como processar outros nano materiais e dispositivos complexos12,13. Além da sinterização rápida, principais vantagens da tecnologia de sinterização fotônica, ela potencialmente sinteriza sem causar danos ao substrato e elimina a necessidade do emprego de atmosfera redutora14. Isso reduz significativamente os tempos de processamento e reduz a demanda geral de energia do processo de sinterização.

Houve vários relatos de sinterização fotônica sendo usada em tintas condutoras de cobre. Foi amplamente demonstrado que a sinterização fotônica é capaz de sinterizar tintas de nanopartículas de cobre impressas a jato de tinta fina em substratos poliméricos, resultando em condutividades equivalentes à sinterização térmica sob atmosferas protetoras9,15,16. A literatura sobre os filmes mais espessos (> 5 µm) que são tipicamente produzidos por serigrafia é escassa. A natureza de filme espesso do substrato fornece uma quantidade adicional de material que precisa ser sinterizado e fornece o desafio adicional de transferir a energia através do volume para o núcleo do filme da superfície exposta. Uma comparação da sinterização térmica e a laser de tinta de nanopartículas de cobre impressas em tela sob uma atmosfera redutora de ácido fórmico no substrato PI mostrou que o processo de sinterização a laser sob uma potência de laser controlada e velocidade de varredura pode atingir quase a mesma resistividade (1,41 × 10−5 Ω cm ) como a obtida com sinterização térmica (1,30 × 10−5 Ω cm) sob atmosfera de nitrogênio6. Isso destaca a viabilidade da sinterização fotônica de filmes mais espessos, embora o estudo não tenha sido realizado com uma lâmpada de flash e tenha sido realizado em um substrato de polímero. Sendo um processo de exposição única de área ampla, a sinterização de lâmpada flash tem uma vantagem sobre a sinterização a laser de potencialmente ser capaz de processar instantaneamente uma área maior.