《Scientific Reports》：在FTO鍍膜玻璃上通過光子燒結技術進行快速制備厚膜銅電路

文獻摘要：

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，太陽能，物聯(lián)網(wǎng)設備和汽車應用中的各種應用。銅面臨的主要挑戰(zhàn)是它在燒結過程中容易氧化成不導電狀態(tài)。光子燒結提供了一種克服氧化的方法，通過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的產(chǎn)物。在FTO鍍膜玻璃上進行了混合納米銅和混合納米/微銅厚膜絲網(wǎng)印刷結構的閃光燈燒結實驗研究。結果表明，可能存在多個能量窗口，可以成功地燒結厚膜銅印，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分鐘獲得的電導率相當，顯著提高了生產(chǎn)率并降低了能源需求。同時也表現(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/電子設備的基本組成部分。雖然銀具有優(yōu)異的導電性，在有機懸浮液中穩(wěn)定，壽命長，但它不僅更貴，而且價格也會波動。人們對使用銅作為潛在的印刷導電材料越來越感興趣，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。一個挑戰(zhàn)是形成在加工過程中不會迅速轉(zhuǎn)化為電絕緣氧化銅的顆粒，這會降低它們的導電性。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材料進行熱燒結(150-400℃)。然而，傳統(tǒng)的熱烘箱工藝通常本質(zhì)上是一個間歇工藝，工藝時間為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，加工時間長，與還原氣氛氣體的生產(chǎn)和儲存間接相關。廣域閃光燈光子燒結已被廣泛用于燒結銀納米、鎳納米以及加工其他復雜的納米材料和器件。除了快速燒結之外，光子燒結技術的主要優(yōu)點是，它可能會燒結而不會對襯底造成任何損害，并且不需要使用還原氣氛。這大大減少了加工時間，降低了燒結過程的整體能源需求。

關于光子燒結在銅導電油墨上的應用，已有多篇報道。光子燒結已被廣泛證明能夠在聚合物襯底上燒結薄噴墨印刷的銅納米顆粒油墨，從而在保護氣氛下產(chǎn)生等效的熱燒結電導率。關于通常由絲網(wǎng)印刷產(chǎn)生的較厚薄膜(>5μm)的文獻很少。基材的厚膜特性提供了額外數(shù)量的需要燒結的材料，并且提供了將能量從暴露表面通過大塊轉(zhuǎn)移到薄膜核心的額外挑戰(zhàn)。在甲酸還原氣氛下對PI基板上絲網(wǎng)印刷銅納米顆粒油墨的熱和激光燒結的比較表明，在控制激光功率和掃描速度的情況下，激光燒結過程可以獲得與氮氣氛下熱燒結(1.30×-10^?5Ωcm)幾乎相同的電阻率(1.41×-10^?5Ωcm)。這突出了光子燒結更厚薄膜的可行性，盡管這項研究不是在閃光燈下進行的。作為一種大面積單曝光工藝，閃光燈燒結比激光燒結具有潛在的優(yōu)勢，能夠瞬間加工更大的區(qū)域。

實驗過程：

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

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

3.印刷方式：絲網(wǎng)印刷。

4.預烘：將所有樣品在熱干燥機中以80℃的溫度進行熱干燥，停留時間為15分鐘。

5.燒結：采用了3脈沖和10脈沖策略。

實驗結論與圖片：

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

600μm線路各材料的絕對電阻率關系

最佳燒結條件下，每種光子燒結油墨的600μm線電阻隨時間的變化以周為單位

文獻結論：

在FTO玻璃基板上進行絲網(wǎng)印刷厚銅薄膜的光子燒結是可能的。在納米和微觀尺度上，材料性能與成功燒結絲網(wǎng)印刷銅所需的光子能量之間存在著顯著的相互作用。當光子燒結時，純納米顆粒油墨的電導率降低了5倍和7倍，這可能與薄膜內(nèi)缺乏納米顆粒燒結有關。對于純納米材料來說，燒結的操作窗口很小，燈輸出能級略低于窗口而無法燒結薄膜，而超過上限則會發(fā)生災難性失效。納米/微粒子共混物的操作窗口更寬，由此產(chǎn)生的電導率接近純納米材料，但提供了改進的粘附性能。與熱燒結的數(shù)小時相比，這提供了一種無需受控氣體環(huán)境的燒結方法，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，并且這在加工和設計階段之間施加了關鍵的相互作用。建議進一步開展工作，建立設計規(guī)則，將印刷和材料特性與所需的排放剖面聯(lián)系起來。然而，最佳燒結條件隨特征尺寸而變化，這限制了電路設計的靈活性。

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

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