Impression de nanoparticules de cuivre et de laser vert :une solution de circuit imprimé rentable et à faible résistivité

• Une nouvelle technique d'impression en couche mince utilise de l'oxyde de cuivre et de la lumière laser verte pour imprimer une carte de circuit électronique. 
• C'est plus efficace et moins cher que les méthodes traditionnelles. 
• Il utilise un processus de frittage photonique pour obtenir une faible résistivité. 

Une carte de circuit imprimé connecte les composants électriques via des plages conductrices, des pistes et plusieurs feuilles de cuivre. Ces composants sont généralement soudés sur le circuit et les pistes fonctionnent comme des fils fixes isolés les uns des autres par le matériau du substrat de la carte.

L'objectif principal de ces cartes est de réduire le poids, la taille et le coût des composants utilisés dans les circuits. De nombreuses stratégies d’impression directe ont été adoptées au cours de la dernière décennie. Chacun a ses propres avantages et inconvénients. L'une de ces méthodes est l'impression à l'encre de nanoparticules métalliques, qui est un processus simple, peu coûteux et rapide.

L'intérêt pour ce domaine ne cesse de croître en raison de son potentiel à produire des cartes moins chères plus efficacement que les méthodologies traditionnelles. Récemment, des scientifiques coréens de l'Université Soonchunhyang ont étudié les techniques d'impression en couche mince basées sur la puissance du laser, les conditions de précuisson, la vitesse de numérisation et les effets de l'épaisseur du film.

Ils ont découvert que les circuits électroniques peuvent être imprimés plus efficacement avec de l’encre à base de nanoparticules de cuivre et une lumière laser verte. Auparavant, ils avaient expérimenté l'encre à base de nanoparticules d'argent, mais se sont concentrés sur le cuivre comme alternative réalisable à bas prix.

L'expérience

Les encres métalliques nanoparticulaires ont des points de fusion plus bas que les gros métaux. Par exemple, le cuivre a un point de fusion de 1 083 °C en masse, tandis que les nanoparticules de cuivre peuvent être ramenées à un point de fusion de 150 à 500 °C grâce à un processus appelé frittage, dans lequel le métal est pressurisé ou chauffé sans le fondre jusqu'à se liquéfier. Ensuite, ils sont fusionnés et liés ensemble.

Pour réaliser la même chose, les chercheurs ont sélectionné la lumière laser verte en raison de son changement de taux d’absorption de longueur d’onde approprié (500 à 800 nm). Ils ont utilisé de l'encre à base de nanoparticules d'oxyde de cuivre (disponible sur le marché) qui a été appliquée par centrifugation sur du verre à deux vitesses de rotation pour obtenir différentes épaisseurs.

Référence :AIP Advances | est ce que je:10.1063/1.5047562 | Publication AIP 

Pour sécher le solvant avant le frittage, les chercheurs ont précuit le matériau, ce qui constitue une étape essentielle pour diminuer l'épaisseur de la couche d'oxyde de cuivre et éviter les explosions de bulles d'air qui pourraient se produire en raison de l'ébullition soudaine du solvant pendant l'irradiation.

Ils ont effectué plusieurs tests avant de conclure que la température idéale de précuisson est légèrement inférieure à 200°C. Ils ont également recherché une configuration optimale de la vitesse de balayage et de la puissance du laser pendant le frittage pour améliorer la conductivité du circuit.

Procédure de travail de l'expérience | Avec l'aimable autorisation des chercheurs

Dans cette étude, les meilleurs résultats de frittage ont été obtenus avec une puissance laser de 0,3 à 0,5 watts, et la conductivité souhaitée est obtenue avec une vitesse de balayage laser non inférieure à 10 millimètres par seconde, ni supérieure à 100 mm/s.

En ce qui concerne l’épaisseur du film, le frittage diminue jusqu’à 74 % de l’épaisseur (de 546 à 141 nanomètres). La compacité et la connectivité des nanomatériaux dépendent de la réduction d’épaisseur après frittage :une réduction d’épaisseur excessive entraîne une moindre résistivité. Par conséquent, dans ce cas, la résistivité mesurée se situe entre 9,5 et 20 μΩ·cm.

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Dans l'ensemble, l'expérience montre qu'une petite quantité de solvant laissée dans le film d'oxyde de cuivre est nécessaire pour obtenir un frittage uniforme avec un minimum de dommages au film pendant le processus de frittage laser. Dans la prochaine étude, les chercheurs étudieront les effets du substrat sur le frittage.