Kupfer-Nanopartikel- und grüner Laserdruck:Eine kostengünstige Leiterplattenlösung mit niedrigem Widerstand

• Neue Dünnschichtdrucktechnik nutzt Kupferoxid und grünes Laserlicht zum Drucken einer elektronischen Leiterplatte. 
• Es ist effizienter und kostengünstiger als herkömmliche Methoden. 
• Es nutzt einen photonischen Sinterprozess, um einen niedrigen spezifischen Widerstand zu erreichen. 

Eine Leiterplatte verbindet elektrische Komponenten über leitfähige Pads, Leiterbahnen und mehrere Kupferschichten. Diese Komponenten werden normalerweise auf die Schaltung gelötet, und die Leiterbahnen fungieren als feste Drähte, die durch das Platinensubstratmaterial voneinander isoliert sind.

Das Hauptziel dieser Platinen besteht darin, das Gewicht, die Größe und die Kosten der in den Schaltkreisen verwendeten Komponenten zu verringern. Im letzten Jahrzehnt wurden zahlreiche Direktdruckstrategien eingeführt. Jeder hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Eine dieser Methoden ist das Drucken mit Metall-Nanopartikel-Tinten, ein einfaches, kostengünstiges und schnelles Verfahren.

Das Interesse an diesem Bereich nimmt aufgrund seines Potenzials, billigere Platinen effizienter als mit herkömmlichen Methoden herzustellen, ständig zu. Kürzlich untersuchten koreanische Wissenschaftler an der Soonchunhyang-Universität die Dünnschichtdrucktechniken basierend auf Laserleistung, Vorbackbedingungen, Scangeschwindigkeit und Filmdickeneffekten.

Sie fanden heraus, dass elektronische Schaltkreise mit Kupfer-Nanopartikel-Tinte und grünem Laserlicht effizienter gedruckt werden können. Zuvor experimentierten sie mit Silber-Nanopartikel-Tinte, konzentrierten sich jedoch auf Kupfer als praktikable, kostengünstige Alternative.

Das Experiment

Nanopartikel-Metallic-Tinten haben im Vergleich zu großen Metallen niedrigere Schmelzpunkte. Beispielsweise hat Kupfer in großen Mengen einen Schmelzpunkt von 1083 °C, während Kupfernanopartikel durch einen Prozess namens Sintern auf einen Schmelzpunkt von 150–500 °C gebracht werden können, bei dem Metall unter Druck gesetzt oder erhitzt wird, ohne es bis zur Verflüssigung zu schmelzen. Dann werden sie zusammengeführt und miteinander verbunden.

Um dasselbe zu erreichen, wählten die Forscher grünes Laserlicht aufgrund seiner geeigneten Änderung der Wellenlängenabsorptionsrate (500 bis 800 nm). Sie verwendeten Kupferoxid-Nanopartikeltinte (auf dem Markt erhältlich), die mit zwei Schleudergeschwindigkeiten auf Glas aufgeschleudert wurde, um unterschiedliche Dicken zu erzielen.

Referenz:AIP-Fortschritte | doi:10.1063/1.5047562 | AIP Publishing 

Um das Lösungsmittel vor dem Sintern zu trocknen, haben die Forscher das Material vorgebacken. Dies ist ein wesentlicher Schritt, um die Dicke der Kupferoxidschicht zu verringern und Luftblasenexplosionen zu verhindern, die durch plötzliches Sieden des Lösungsmittels während der Bestrahlung entstehen könnten.

Sie führten mehrere Tests durch und kamen zu dem Schluss, dass die perfekte Vorbacktemperatur etwas unter 200 °C liegt. Sie suchten auch nach einer optimalen Konfiguration von Scangeschwindigkeit und Laserleistung während des Sinterns, um die Leitfähigkeit des Schaltkreises zu verbessern.

Arbeitsablauf des Experiments | Mit freundlicher Genehmigung von Forschern

In dieser Studie wurden die besten Sinterergebnisse mit einer Laserleistung von 0,3–0,5 Watt erzielt, und die gewünschte Leitfähigkeit wird mit einer Laserscangeschwindigkeit von nicht weniger als 10 Millimetern pro Sekunde oder mehr als 100 mm/s erreicht.

Was die Filmdicke betrifft, verringert sich die Sinterung um bis zu 74 % der Dicke (von 546 auf 141 Nanometer). Die Kompaktheit und Konnektivität von Nanomaterialien hängt von der Dickenreduzierung nach dem Sintern ab:Eine übermäßige Dickenreduzierung führt zu einem geringeren spezifischen Widerstand. Daher liegt der gemessene spezifische Widerstand in diesem Fall zwischen 9,5 und 20 μΩ·cm.

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Insgesamt zeigt das Experiment, dass eine kleine Menge Lösungsmittel im Kupferoxidfilm notwendig ist, um ein gleichmäßiges Sintern mit minimaler Filmschädigung während des Lasersinterprozesses zu erreichen. In der nächsten Studie werden die Forscher Substrateffekte auf das Sintern untersuchen.