Kupfer-Nanopartikel & Grünlaser-Druck: Kosteneffiziente Low-Resistivity Leiterplatten-Lösung

• Neue Thin-Layer-Drucktechnik nutzt Kupferoxid & grünes Laserlicht für elektronische Leiterplatten.
• Effizienter & günstiger als traditionelle Methoden.
• Nutzt Photonic Sintering für niedrige Resistivität.

Leiterplatten (PCBs) verbinden elektrische Komponenten durch conductive Pads, Tracks & multiple Kupfer-Lagen. Komponenten typischerweise aufgelötet; Tracks als feste, durch Substrat isolierte Leiterbahnen.

Hauptziel: Gewicht, Größe, Kosten der Schaltungskomponenten reduzieren. Zahlreiche Direct-Printing-Strategien im letzten Jahrzehnt. Metal Nanoparticle Ink Printing: einfach, kostengünstig, schnell.

Steigendes Interesse durch Potenzial günstigerer, effizienterer Boards vs. traditionelle Methoden. Koreanische Wissenschaftler der Soonchunhyang University untersuchten Thin-Layer-Printing basierend auf Laserleistung, Pre-Baking, Scangeschwindigkeit, Filmdicke.

Ergebnis: Elektronische Schaltungen effizienter druckbar mit Kupfer-Nanopartikel-Tinte & grünem Laserlicht. Zuvor: Silber-Nanopartikel-Tinte; Fokus auf Kupfer als kostengünstige Alternative.

Das Experiment

Nanopartikel-Metall-Tinten: niedrigere Schmelzpunkte als Bulk-Metalle. Kupfer: Schmelzpunkt 1.083 °C (Bulk); Kupfer-Nanopartikel: 150–500 °C durch Sintering (Metall unter Druck/Erwärmung ohne Verflüssigung → Verschmelzung & Bindung).

Grünes Laserlicht gewählt: geeignete Wellenlängenabsorption (500–800 nm). Kupferoxid-Nanopartikel-Tinte (marktverfügbar) spin-coated auf Glas bei zwei Spin-Raten für unterschiedliche Dicken.

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

Pre-Baking vor Sintering: Trocknung des Lösungsmittels – essenzieller Schritt zur Dickenreduktion der Kupferoxid-Schicht & Verhinderung von Luftblasendruckexplosionen durch schlagartiges Siedeln des Lösungsmittels während Bestrahlung.

Optimale Pre-Baking-Temperatur: knapp unter 200 °C. Suche nach optimaler Konfiguration von Scangeschwindigkeit & Laserleistung während Sintering für verbesserte Leitfähigkeit.

Arbeitsablauf des Experiments | Courtesy of researchers

Beste Sintering-Ergebnisse: 0,3–0,5 Watt Laserleistung. Gewünschte Leitfähigkeit bei Scangeschwindigkeit ≥10 mm/s und ≤100 mm/s.

Filmdicke: Sintering reduziert Dicke um bis zu 74 % (546 → 141 nm). Kompaktheit & Konnektivität der Nanomaterialien hängen von Dickenreduktion ab: excessive Reduktion → niedrigere Resistivität. Gemessene Resistivität: 9,5–20 µΩ·cm.

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Gesamtergebnis: Restlösungsmittel in Kupferoxid-Film notwendig für uniformes Sintering mit minimalem Film-Schaden während Laser-Sintering. Nächste Studie: Substrateffekte auf Sintering.