銅ナノ粒子と緑レーザー印刷：低コスト・低抵抗率プリント基板ソリューション

プリント基板は、導電パッド、トラック、複数の銅シートを通じて電気部品を接続します。これらの部品は通常基板にはんだ付けされ、トラックは基板材料によって互いに絶縁された固定配線として機能します。

これらの基板の主目的は、回路で使用される部品の重量、サイズ、コストを減らすことです。過去10年間で多数の直接印刷戦略が採用されてきました。それぞれ独自の利点と欠点があります。その一つが金属ナノ粒子インク印刷で、シンプル、安価、高速なプロセスです。

安価な基板を従来手法より効率的に生産す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、韓国のSoonchunhyang大学の科学者たちは、レーザー出力、予備焼成条件、スキャン速度、膜厚効果に基づく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レーザー光で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。以前は銀ナノ粒子インクで実験していましたが、実現可能な低価格代替として銅に焦点を移しました。

実験

ナノ粒子金属インクは、バルク金属より低い融点を持ちます。例えば、銅のバルク融点は1083°Cですが、銅ナノ粒子は焼結プロセス（金属を液化点まで溶かさずに加圧または加熱し、合体・結合させる）により150～500°Cまで融点を下げられます。

同等の処理を行うため、研究者たちは適切な（500～800nm）波長吸収率変化があるため緑レーザー光を選択しました。市販の酸化銅ナノ粒子インクを使用し、2つのスピンレート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。

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

焼結前に溶媒を乾燥させるため、研究者たちは材料を予備焼成しました。これは酸化銅層の厚さを減らし、照射時の溶媒急激沸騰による気泡爆発を防ぐ必須ステップです。

複数テストを実施し、最適な予備焼成温度は200°C slightly below（わずかに200°C未満）であると結論付けました。また、焼結時のスキャン速度とレーザー出力の最適構成を探し、回路伝導度を改善しました。

実験手順 | 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10mm/秒以上、100mm/秒以下で所望の伝導度が達成されました。

膜厚に関しては、焼結により最大74%の厚さ減少（546から141ナノメートル）が見られました。ナノ材料の緻密性と接続性は焼結後の厚さ減少に依存します：過度の厚さ減少は抵抗率を低くします。したがって、測定抵抗率は9.5～20μΩ・cmの範囲に収まりました。

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全体として、酸化銅膜にわずかな溶媒が残っていることが、レーザー焼結プロセス中の最小限の膜損傷で均一な焼結を得るために必要であることが示されました。次の研究では、基板が焼結に及ぼす影響を調査します。

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