《Scientific Reports》：在FTO鍍膜玻璃上通過(guò)光子燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行快速制備厚膜銅電路

文獻(xiàn)摘要：

銅可能為印刷電子電路中的銀提供具有成本效益的替代品，可用于醫(yī)療保健，太陽(yáng)能，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和汽車(chē)應(yīng)用中的各種應(yīng)用。銅面臨的主要挑戰(zhàn)是它在燒結(jié)過(guò)程中容易氧化成不導(dǎo)電狀態(tài)。光子燒結(jié)提供了一種克服氧化的方法，通過(guò)這種方法可以從離散的納米微粒子迅速轉(zhuǎn)化為完全或部分燒結(jié)的產(chǎn)物。在FTO鍍膜玻璃上進(jìn)行了混合納米銅和混合納米/微銅厚膜絲網(wǎng)印刷結(jié)構(gòu)的閃光燈燒結(jié)實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，可能存在多個(gè)能量窗口，可以成功地?zé)Y(jié)厚膜銅印，防止有害的銅氧化。在最佳條件下，在1秒內(nèi)獲得的電導(dǎo)率為(3.11-4.3×-10-7Ωm)，與在250℃還原氣條件下90分鐘獲得的電導(dǎo)率相當(dāng)，顯著提高了生產(chǎn)率并降低了能源需求。同時(shí)也表現(xiàn)出良好的薄膜穩(wěn)定性，100n材料的線電阻增14%，50N50M墨水增加10%左右，20N80M墨水僅增加2%左右。

銅有可能在印刷電路中替代銀，而印刷電路是任何電氣/電子設(shè)備的基本組成部分。雖然銀具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，在有機(jī)懸浮液中穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，但它不僅更貴，而且價(jià)格也會(huì)波動(dòng)。人們對(duì)使用銅作為潛在的印刷導(dǎo)電材料越來(lái)越感興趣，正在探索幾種選擇，包括銅前體、銅鹽、氧化銅顆粒、納米銅和微銅配方。其中，銅顆粒油墨提供了許多有利的特性，具有與銀顆粒相似的流變性和印刷性能。一個(gè)挑戰(zhàn)是形成在加工過(guò)程中不會(huì)迅速轉(zhuǎn)化為電絕緣氧化銅的顆粒，這會(huì)降低它們的導(dǎo)電性。防止氧化最常用的方法是在惰性、真空或理想的還原性氣氛中對(duì)材料進(jìn)行熱燒結(jié)(150-400℃)。然而，傳統(tǒng)的熱烘箱工藝通常本質(zhì)上是一個(gè)間歇工藝，工藝時(shí)間為60-120分鐘。這限制了生產(chǎn)率，并且還具有固有的高碳足跡，與高溫直接相關(guān)，加工時(shí)間長(zhǎng)，與還原氣氛氣體的生產(chǎn)和儲(chǔ)存間接相關(guān)。廣域閃光燈光子燒結(jié)已被廣泛用于燒結(jié)銀納米、鎳納米以及加工其他復(fù)雜的納米材料和器件。除了快速燒結(jié)之外，光子燒結(jié)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是，它可能會(huì)燒結(jié)而不會(huì)對(duì)襯底造成任何損害，并且不需要使用還原氣氛。這大大減少了加工時(shí)間，降低了燒結(jié)過(guò)程的整體能源需求。

關(guān)于光子燒結(jié)在銅導(dǎo)電油墨上的應(yīng)用，已有多篇報(bào)道。光子燒結(jié)已被廣泛證明能夠在聚合物襯底上燒結(jié)薄噴墨印刷的銅納米顆粒油墨，從而在保護(hù)氣氛下產(chǎn)生等效的熱燒結(jié)電導(dǎo)率。關(guān)于通常由絲網(wǎng)印刷產(chǎn)生的較厚薄膜(>5μm)的文獻(xiàn)很少?；牡暮衲ぬ匦蕴峁┝祟~外數(shù)量的需要燒結(jié)的材料，并且提供了將能量從暴露表面通過(guò)大塊轉(zhuǎn)移到薄膜核心的額外挑戰(zhàn)。在甲酸還原氣氛下對(duì)PI基板上絲網(wǎng)印刷銅納米顆粒油墨的熱和激光燒結(jié)的比較表明，在控制激光功率和掃描速度的情況下，激光燒結(jié)過(guò)程可以獲得與氮?dú)夥障聼釤Y(jié)(1.30×-10^?5Ωcm)幾乎相同的電阻率(1.41×-10^?5Ωcm)。這突出了光子燒結(jié)更厚薄膜的可行性，盡管這項(xiàng)研究不是在閃光燈下進(jìn)行的。作為一種大面積單曝光工藝，閃光燈燒結(jié)比激光燒結(jié)具有潛在的優(yōu)勢(shì)，能夠瞬間加工更大的區(qū)域。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

1.銅材料：三種銅材料來(lái)源于intrinq材料，根據(jù)納米(N)和微米(M)顆粒的比例分別標(biāo)記為100N、50N50M和20N80M。

2.基材：FTO(氟摻雜氧化錫)是一種應(yīng)用于玻璃的流行涂層，與ITO(銦摻雜氧化錫)相比，它具有更低的導(dǎo)電性和透明度。

3.印刷方式：絲網(wǎng)印刷。

4.預(yù)烘：將所有樣品在熱干燥機(jī)中以80℃的溫度進(jìn)行熱干燥，停留時(shí)間為15分鐘。

5.燒結(jié)：采用了3脈沖和10脈沖策略。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論與圖片：

打印的干燥但未燒結(jié)的圖像(a)和(b)以及10脈沖光子能量分布圖(能量密度為8.9J/cm²)

600μm線路各材料的絕對(duì)電阻率關(guān)系

最佳燒結(jié)條件下，每種光子燒結(jié)油墨的600μm線電阻隨時(shí)間的變化以周為單位

文獻(xiàn)結(jié)論：

在FTO玻璃基板上進(jìn)行絲網(wǎng)印刷厚銅薄膜的光子燒結(jié)是可能的。在納米和微觀尺度上，材料性能與成功燒結(jié)絲網(wǎng)印刷銅所需的光子能量之間存在著顯著的相互作用。當(dāng)光子燒結(jié)時(shí)，純納米顆粒油墨的電導(dǎo)率降低了5倍和7倍，這可能與薄膜內(nèi)缺乏納米顆粒燒結(jié)有關(guān)。對(duì)于純納米材料來(lái)說(shuō)，燒結(jié)的操作窗口很小，燈輸出能級(jí)略低于窗口而無(wú)法燒結(jié)薄膜，而超過(guò)上限則會(huì)發(fā)生災(zāi)難性失效。納米/微粒子共混物的操作窗口更寬，由此產(chǎn)生的電導(dǎo)率接近純納米材料，但提供了改進(jìn)的粘附性能。與熱燒結(jié)的數(shù)小時(shí)相比，這提供了一種無(wú)需受控氣體環(huán)境的燒結(jié)方法，只需幾秒鐘即可完成。理想的光子曝光條件與特征尺寸和薄膜厚度有關(guān)，并且這在加工和設(shè)計(jì)階段之間施加了關(guān)鍵的相互作用。建議進(jìn)一步開(kāi)展工作，建立設(shè)計(jì)規(guī)則，將印刷和材料特性與所需的排放剖面聯(lián)系起來(lái)。然而，最佳燒結(jié)條件隨特征尺寸而變化，這限制了電路設(shè)計(jì)的靈活性。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41598-023-32044-2