銅ナノ粒子とグリーンレーザー印刷:コスト効率が高く、低抵抗率の回路基板ソリューション

• 新しい薄層印刷技術では、酸化銅と緑色レーザー光を使用して電子回路基板を印刷します。 
• 従来の方法よりも効率的で安価です。 
• 光焼結プロセスを利用して低抵抗率を実現します。 

プリント回路基板は、導電性パッド、トラック、および複数の銅シートを介して電気コンポーネントを接続します。これらのコンポーネントは通常、回路にはんだ付けされ、トラックはボードの基板材料によって互いに絶縁された固定ワイヤとして機能します。

これらのボードの主な目的は、回路に使用されるコンポーネントの重量、サイズ、およびコストを削減することです。過去 10 年間にわたり、数多くの直接印刷戦略が採用されてきました。それぞれに独自の長所と短所があります。そのような方法の 1 つが金属ナノ粒子インク印刷です。これは、シンプルで安価、高速なプロセスです。

従来の方法よりも効率的に安価な基板を製造できる可能性があるため、この分野への関心は常に高まっています。最近、順春郷大学の韓国の科学者は、レーザー出力、プリベーク条件、スキャン速度、膜厚効果に基づいて薄層印刷技術を研究しました。

彼らは、銅ナノ粒子インクと緑色レーザー光を使用すると、電子回路をより効率的に印刷できることを発見しました。以前、彼らは銀のナノ粒子インクを実験していましたが、実現可能な低価格の代替品として銅に焦点を当てました。

実験

ナノ粒子金属インクは、大きな金属と比較して融点が低くなります。たとえば、銅の融点はバルクで 1083°C ですが、銅ナノ粒子は、金属を液化点まで融解させることなく加圧または加熱する焼結と呼ばれるプロセスを通じて 150 ～ 500°C の融点まで下げることができます。次に、それらはマージされて結合されます。

同じことを行うために、研究者らは、波長吸収率が適切に変化する (500 ～ 800 nm) ため、緑色レーザー光を選択しました。彼らは、酸化銅ナノ粒子インク (市販) を使用し、これを 2 つのスピン速度でガラス上にスピンコートして、異なる厚さを実現しました。

参考:AIP の進歩 |土井:10.1063/1.5047562 | AIP 出版

焼結前に溶媒を乾燥させるために、研究者らは材料をプリベークしました。これは、酸化銅層の厚さを減らし、照射中の溶媒の突然の沸騰によって起こる可能性のある気泡の爆発を防ぐために不可欠なステップです。

彼らは複数のテストを実施し、完璧なプリベーク温度は 200°C よりわずかに低いという結論に達しました。また、回路の導電性を向上させるために、焼結中のスキャン速度とレーザー出力の最適な構成を模索しました。

実験の作業手順 |研究者提供

この研究では、0.3 ～ 0.5 ワットのレーザー出力で最良の焼結結果が得られ、レーザー スキャン速度が 10 ミリメートル/秒以上、または 100 mm/秒以上の場合に所望の導電率が達成されました。

フィルムの厚さに関する限り、焼結により厚さの最大 74% が減少します (546 ナノメートルから 141 ナノメートルへ)。ナノマテリアルの緻密性と接続性は、焼結後の厚さの減少に依存します。過剰な厚さの減少は、抵抗率の低下につながります。 したがって、この場合、測定された抵抗率は 9.5 ～ 20 μΩ·cm の間に収まります。

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全体として、実験は、レーザー焼結プロセス中に膜の損傷を最小限に抑えて均一な焼結を得るには、酸化銅膜に少量の溶媒が残る必要があることを示しています。 次の研究では、研究者は焼結に対する基材の影響を調査する予定です。