Sinterizzazione fotonica del rame per la lavorazione rapida di circuiti conduttori a film spesso su vetro rivestito in FTO

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5080 (2023) Citare questo articolo

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Il rame fornisce potenzialmente un sostituto economicamente vantaggioso dell’argento nei circuiti elettronici stampati con diverse applicazioni nel settore sanitario, dell’energia solare, dei dispositivi IOT e delle applicazioni automobilistiche. La sfida principale che il rame deve affrontare è che si ossida facilmente al suo stato non conduttivo durante il processo di sinterizzazione. La sinterizzazione fotonica offre un mezzo per superare l'ossidazione mediante la quale avviene una rapida conversione da nano-microparticelle discrete a prodotti completamente o parzialmente sinterizzati. È stato condotto uno studio sperimentale sulla sinterizzazione con lampada flash di strutture serigrafate a film spesso misto di nano rame e nano/micro rame misto su vetro rivestito in FTO. Ciò dimostra che potrebbero esserci più finestre energetiche che possono sinterizzare con successo la stampa in rame a film spesso prevenendo la dannosa ossidazione del rame. In condizioni ottimali, la conduttività raggiunta in meno di 1 s era (3,11–4,3 × 10–7 Ω m) corrispondente a quella ottenuta in 90 minuti a 250 °C in condizioni di riduzione del gas, offrendo un significativo miglioramento della produttività e una ridotta domanda di energia. Presente anche una buona stabilità del film con un aumento del 14% della resistenza della linea del materiale 100 N, circa il 10% per l'inchiostro 50N50M e solo circa il 2% per il 20N80M.

Il rame offre potenzialmente un'alternativa all'argento nei circuiti stampati che costituiscono la parte fondamentale di qualsiasi dispositivo elettrico/elettronico1. Sebbene l'argento abbia un'eccellente conduttività, sia stabile nelle sospensioni organiche e abbia una buona durata, non solo è più costoso ma è anche soggetto a fluttuazioni di prezzo. Vi è un crescente interesse nell’uso del rame come potenziale materiale conduttivo stampato con diverse opzioni in fase di esplorazione tra cui precursori di rame, sali di rame, particelle di ossido di rame, formulazioni di nano rame e micro rame1,2. Di questi, gli inchiostri con particelle di rame forniscono molte caratteristiche favorevoli con reologia e comportamento di stampa simili alle loro controparti con particelle di argento. Una sfida è quella di formare particelle che non si trasformino rapidamente in ossido di rame elettricamente isolante durante la lavorazione, il che riduce la loro conduttività elettrica3. Il mezzo più comune per prevenire l'ossidazione è sinterizzare termicamente (150–400 °C) i materiali in un'atmosfera inerte, sotto vuoto o idealmente riducente,4,5,6. Tuttavia, i tradizionali processi in forno termico sono generalmente intrinsecamente un processo batch con tempi di processo di 60–120 minuti. Ciò limita i tassi di produzione e possiede anche un'impronta di carbonio intrinsecamente elevata, direttamente associata alla temperatura elevata, ai lunghi tempi di lavorazione e indirettamente associata alla produzione e allo stoccaggio del gas riducente dell'atmosfera. La sinterizzazione fotonica con lampada flash ad ampia area è stata ampiamente utilizzata per la sinterizzazione di nanoinchiostri all'argento7,8,9,–10, nanoinchiostri al nichel11 nonché per l'elaborazione di altri nanomateriali e dispositivi complessi12,13. Oltre alla sinterizzazione rapida, i principali vantaggi della tecnologia di sinterizzazione fotonica, essa potenzialmente sinterizza senza causare alcun danno al substrato ed elimina la necessità di utilizzare un'atmosfera riducente14. Ciò riduce significativamente i tempi di lavorazione e riduce il fabbisogno energetico complessivo del processo di sinterizzazione.

Sono stati segnalati più casi di sinterizzazione fotonica utilizzata su inchiostri conduttivi in ​​rame. È stato ampiamente dimostrato che la sinterizzazione fotonica è in grado di sinterizzare inchiostri sottili di nanoparticelle di rame stampati a getto d'inchiostro su substrati polimerici, ottenendo una sinterizzazione termica equivalente a conduttività in atmosfere protettive9,15,16. La letteratura sulle pellicole più spesse (> 5 µm) tipicamente prodotte mediante serigrafia è scarsa. La natura a film spesso del substrato fornisce una quantità aggiuntiva di materiale che deve essere sinterizzato e comporta l'ulteriore sfida di trasferire l'energia attraverso la massa al nucleo della pellicola dalla superficie esposta. Un confronto tra la sinterizzazione termica e laser dell'inchiostro di nanoparticelle di rame serigrafate sotto un'atmosfera riducente di acido formico su un substrato PI ha mostrato che il processo di sinterizzazione laser con una potenza laser controllata e una velocità di scansione potrebbe raggiungere quasi la stessa resistività (1,41 × 10−5 Ω cm ) come quello ottenuto con la sinterizzazione termica (1,30 × 10−5 Ω cm) sotto atmosfera di azoto6. Ciò evidenzia la fattibilità della sinterizzazione fotonica di film più spessi, sebbene lo studio non sia stato effettuato con una lampada flash ed è stato intrapreso su un substrato polimerico. Essendo un processo di esposizione singola su un'ampia area, la sinterizzazione con lampada flash presenta il vantaggio rispetto alla sinterizzazione laser di essere potenzialmente in grado di elaborare istantaneamente un'area più ampia.