Sinterización fotónica de cobre para el procesamiento rápido de circuitos conductores de película gruesa en vidrio revestido FTO

Mar 15, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 5080 (2023) Citar este artículo

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El cobre proporciona potencialmente un reemplazo rentable de la plata en circuitos electrónicos impresos con diversas aplicaciones en atención médica, energía solar, dispositivos IOT y aplicaciones automotrices. El principal desafío que enfrenta el cobre es que se oxida rápidamente a su estado no conductor durante el proceso de sinterización. La sinterización fotónica ofrece un medio para superar la oxidación mediante la cual se produce una conversión rápida de nano-micropartículas discretas a productos total o parcialmente sinterizados. Se llevó a cabo un estudio experimental de sinterización con lámpara flash de estructuras serigrafiadas de película gruesa mixta de nanocobre y nanocobre/microcobre sobre vidrio revestido FTO. Muestra que puede haber múltiples ventanas de energía que pueden sinterizar con éxito la impresión de cobre de película gruesa evitando la oxidación perjudicial del cobre. En condiciones óptimas, las conductividades logradas en menos de 1 s (3,11–4,3 × 10–7 Ω m) coincidieron con las logradas en 90 min a 250 °C en condiciones de reducción de gas, lo que ofrece una mejora significativa en la productividad y una demanda de energía reducida. También presenta una buena estabilidad de la película con un aumento del 14 % en la resistencia de la línea del material de 100 N, alrededor del 10 % para la tinta 50N50M y solo alrededor del 2 % para la 20N80M.

El cobre ofrece potencialmente una alternativa a la plata en los circuitos impresos, que es la parte fundamental básica de cualquier dispositivo eléctrico/electrónico1. Si bien la plata tiene una excelente conductividad, es estable en suspensiones orgánicas y tiene una buena vida útil, no solo es más costosa sino que también está sujeta a fluctuaciones de precio. Existe un interés creciente en el uso del cobre como material conductor impreso potencial y se están explorando varias opciones, incluidos precursores de cobre, sales de cobre, partículas de óxido de cobre, formulaciones de nanocobre y microcobre1,2. De estas, las tintas con partículas de cobre brindan muchas características favorables con una reología y un comportamiento de impresión similares a los de sus contrapartes con partículas de plata. Un desafío es formar partículas que no se transformen rápidamente en óxido de cobre eléctricamente aislante durante el procesamiento, lo que reduce su conductividad eléctrica3. El medio más común para evitar la oxidación es la sinterización térmica (150–400 °C) de los materiales en una atmósfera inerte, al vacío o idealmente reductora,4,5,6. Sin embargo, los procesos de horno térmico tradicionales son generalmente inherentemente un proceso por lotes con tiempos de proceso de 60 a 120 minutos. Esto limita las tasas de producción y también posee una huella de carbono intrínsecamente alta asociada directamente con la temperatura elevada, tiempos de procesamiento prolongados e indirectamente asociada con la producción y el almacenamiento del gas de la atmósfera reductora. La sinterización fotónica con lámpara de flash de área amplia se ha utilizado ampliamente para sinterizar nanotintas de plata7,8,9,–10, nanotintas de níquel11, así como para procesar otros nanomateriales y dispositivos complejos12,13. Además de la sinterización rápida, las principales ventajas de la tecnología de sinterización fotónica, es que potencialmente sinteriza sin causar ningún daño al sustrato y elimina la necesidad de emplear una atmósfera reductora14. Esto reduce significativamente los tiempos de procesamiento y reduce la demanda total de energía del proceso de sinterización.

Ha habido múltiples informes sobre el uso de sinterización fotónica en tintas conductoras de cobre. Se ha demostrado ampliamente que la sinterización fotónica es capaz de sinterizar tintas finas de nanopartículas de cobre impresas por chorro de tinta sobre sustratos poliméricos, lo que da como resultado conductividades equivalentes a la sinterización térmica en atmósferas protectoras9,15,16. La literatura sobre las películas más gruesas (> 5 µm) que normalmente se producen mediante serigrafía es escasa. La naturaleza de película gruesa del sustrato proporciona una cantidad adicional de material que debe sinterizarse y proporciona el desafío adicional de transferir la energía a través de la mayor parte al núcleo de la película desde la superficie expuesta. Una comparación de la sinterización térmica y por láser de tinta de nanopartículas de cobre serigrafiada bajo una atmósfera reductora de ácido fórmico sobre sustrato PI mostró que el proceso de sinterización por láser bajo una potencia de láser y una velocidad de exploración controladas podía lograr casi la misma resistividad (1,41 × 10−5 Ω cm ) como la que se consigue con la sinterización térmica (1,30 × 10−5 Ω cm) bajo atmósfera de nitrógeno6. Esto pone de relieve la viabilidad de la sinterización fotónica de películas más gruesas, aunque el estudio no se llevó a cabo con una lámpara flash y se realizó sobre un sustrato de polímero. Al ser un proceso de exposición única de área amplia, la sinterización con lámpara de destello tiene la ventaja sobre la sinterización por láser de que potencialmente puede procesar instantáneamente un área más grande.

Varias aplicaciones importantes implican el uso de vidrio revestido como sustrato, como Perovskite PV17,18 y ventanas inteligentes19,20, donde se requiere control digital de transmisión para la gestión del calor o la privacidad del usuario. Esto proporciona complicaciones y desafíos adicionales para la sinterización fotónica. Una parte de la energía fotónica puede ser absorbida por el recubrimiento, la energía fotónica puede ser absorbida por el vidrio y hay un sumidero de energía apreciable21,22 asociado con la masa del vidrio (3–10 mm en comparación con 100–250 µm de polímero). Además, el choque térmico experimentado por cada material (el revestimiento y el vidrio son quebradizos) y su expansión térmica relativa pueden afectar la integridad de la película y la adhesión entre capas. FTO (óxido de estaño dopado con fluoruro) es un recubrimiento popular aplicado al vidrio que ofrece conductividad y transparencia a un costo menor en comparación con ITO (óxido de estaño dopado con indio). Según la emisión relativa de la lámpara y los espectros de absorción del FTO, que pueden variar con la estructura y la textura de la película23, la presencia del FTO puede alterar la distribución y la tasa de calentamiento dentro de la estructura impresa de cobre. Por ejemplo, la absorción mejorada podría actuar potencialmente como una fuente de energía adicional en los límites de cualquier característica, lo que posiblemente resalte los problemas relacionados con la geometría de la característica impresa.

La literatura ha destacado que la sinterización fotónica tiene potencial para la sinterización de cobre, pero existe una falta de conocimiento sobre los sustratos de vidrio que han sido recubiertos con una superficie FTO o una película serigrafiada gruesa. Por lo tanto, el objetivo del estudio fue examinar la viabilidad de sinterizar fotónicamente una película gruesa de tinta de cobre sobre sustratos de vidrio FTO y si ofrece mejoras potenciales sobre la sinterización en horno de atmósfera reductora convencional.

Se obtuvieron tres materiales de cobre a partir de materiales de Intrinsiq, estos se etiquetaron como 100N, 50N50M y 20N80M de acuerdo con la proporción de partículas nano (N) y micro (M), Tabla 1 y Fig. 1. Los materiales de cobre fueron variaciones fabricadas a medida de materiales comerciales. (CP-001) utilizando una cantidad controlada de nano y micro cobre. Los materiales fueron producidos por Intrinsiq Materials Ltd utilizando sus procesos patentados de producción de partículas de cobre que pueden producir nano y micromateriales. Estos se combinaron y mezclaron con el aglutinante y el disolvente patentados. No se intentó investigar el material utilizando técnicas analíticas de laboratorio, aunque se han publicado más datos reológicos y de TGA4.

Tintas secas serigrafiadas.

Cada tinta se serigrafió usando una imagen, Fig. 2, que constaba de áreas que permitían la caracterización de líneas finas (200–600 µm de ancho). Las imágenes se imprimieron en vidrio revestido Tec-7 FTO de NSG (resistencia de hoja nominal de 7 Ω/sq), con una malla de poliéster 110–34 en una máquina de impresión automática de cama plana ATMA. Además, el material de 100 N se imprimió a través de una malla de poliéster 61/64 para variar el espesor de la película.

Imagen impresa seca pero sin sinterizar (a) y (b) y un ejemplo de un perfil de energía fotónica de 10 pulsos (densidad de energía de 8,9 J/cm2).

Se llevó a cabo un estudio de investigación inicial para ver si el curado fotónico se podía utilizar tanto para secar como para sinterizar la tinta húmeda. Pero esto se descartó rápidamente como concepto, ya que el proceso fotónico tenía un efecto mínimo en la tinta húmeda, incluso en su configuración más alta. La energía requerida para volatilizar el solvente y las limitaciones cinéticas de la migración del solvente a través de la tinta húmeda a la superficie de la película se consideraron como mecanismos de este comportamiento. Posteriormente, todas las muestras se secaron térmicamente en un secador caliente Thieme a 80 °C por un tiempo de residencia de 15 min de acuerdo con las recomendaciones del fabricante. Esto permitió que ocurriera la evaporación del solvente de tal manera que se obtuvo una película seca sin la temperatura excesiva en la que el encapsulante de nanopartículas sufriría la sublimación. La sinterización fotónica se llevó a cabo utilizando un sistema de curado fotónico PulseForge 1200 que genera una alta intensidad de luz mediante la descarga controlada de un gran banco de condensadores a través de la lámpara de destellos. La salida de energía característica sigue una caída a medida que la carga almacenada se descarga a través de la lámpara, superpuesta con la naturaleza pulsada de la salida de la lámpara, Fig. 2.

La salida de energía total de cada pulso se determinó por el voltaje, la duración del pulso y el tiempo de duración empleado. En la práctica, el estado de carga inicial, la duración de cada pulso, el número de pulsos y el intervalo de pulso se pueden variar de forma independiente (dentro de los límites) para dar como resultado la misma entrada de energía total pero a partir de distintos perfiles de irradiación de pulso. Sin embargo, la entrada de energía total proporciona una métrica significativa, aunque algo simplista, para el análisis que se ha utilizado en la literatura. Para examinar los extremos de la ventana operativa, se adoptó una estrategia de 3 pulsos y 10 pulsos a partir de las pruebas preliminares.

Cada muestra se colocó en el medio del lecho de sinterización (aproximadamente 250 × 250 mm) de manera que la iluminación fuera constante cada vez. La carga del condensador y el enfriamiento del lecho significaron que las muestras se sinterizaron en intervalos de alrededor de tres minutos. La resistencia de las estructuras patrón se caracterizó con un multímetro digital de baja resistencia Megger MIT 330-EN. Como el cobre se imprime en el FTO, la medición de la resistencia de la línea considera la resistencia paralela de la tinta impresa y el FTO conductor subyacente. La resistencia de contacto y la resistencia de lámina se calcularon mediante el método TLM24. Se usó un trazador láser Nd-YAG Rofin de 1064 nm para eliminar el FTO para aislar el área TLM de la impresión. Se produjeron tres muestras en cada condición y se tomó una media. Dentro de las tres muestras, las resistencias de línea fueron de ± 0,02 Ω, la resistencia de hoja de 0,04 Ω /sq y la resistencia de contacto fue de ± 0,44 Ω. El espesor de la película se midió utilizando un perfilómetro Talysurf surftronic 100 stylus sin filtrado de señal. La resistividad absoluta (ρ) y la resistividad relativa (ρ/ρCu) se calcularon a partir del área de la sección transversal de la película medida (A) y la resistencia (R) sobre la longitud (l) usando R = rl/A. La sinterización optimizada para cada material en condiciones de sinterización térmica en atmósfera controlada4 se utilizó como referencia para examinar el rendimiento relativo de la sinterización fotónica.

La dificultad inherente asociada con el curado fotónico es que se requiere la optimización del régimen fotónico. Las intensidades máximas excesivas conducen a la deslaminación de la tinta del sustrato, mientras que la potencia insuficiente no da como resultado la sinterización del cobre. A través de un proceso de ancho de pulso refinado, potencia y espaciado, se establecieron las condiciones óptimas nominales para la combinación de tinta/sustrato. Este enfoque de prueba y error fue necesario, pero también un desperdicio en la cantidad de muestras requeridas. En cada condición, la prueba fue "destructiva" en el sentido de que incluso si la muestra no mostraba signos visibles de sinterización, no se volvería a utilizar como muestra de prueba. Por lo general, se requerían alrededor de 80 a 100 muestras de cada material para enfocarse en una condición establecida que podría considerarse optimizada. Durante este proceso de optimización, la línea de 600 µm se usó como referencia de medición, con observaciones visuales de las otras características impresas para refinar las condiciones de exposición. Los perfiles de película para la línea de 600 mm nominales muestran que la topología de las líneas impresas es similar entre materiales, Fig. 3. El espesor máximo es de alrededor de 16 µm con un espesor medio de alrededor de 12 µm y cada línea de 600 µm nominales se imprime con un ancho medio de 720 µm ± 20 µm. Evidente en la sección transversal de las líneas hay algunas marcas de malla que surgen de la retirada de la pantalla durante el proceso de impresión y son típicas del patrón que se ve cuando se imprimen materiales altamente viscosos25.

Topologías transversales de la línea impresa de 600 mm.

Para cada número de pulsos, existe una condición de sinterización óptima (resistencia más baja) que se puede lograr. La inferencia de esto es que hay una energía de pulso mínima relacionada con cada material para lograr una resistencia más baja. La energía disponible para la generación de luz depende del tamaño de los capacitores y del voltaje aplicado a ese capacitor26,27,28. Se llevó a cabo un estudio de optimización inicial para identificar un rango operativo de perfil de energía fotónica. Se empleó una estrategia para obtener el mejor efecto posible de la linterna que podría conducir a un buen rango de conductividad mediante la aplicación de un número diferente de pulsos con variedad de voltaje que luego permitió la estimación de la potencia máxima y mínima aplicada. A través del ancho de pulso refinado, la potencia y el espaciado se establecieron las condiciones óptimas nominales para la combinación de tinta/sustrato. Partiendo de la misma carga inicial del condensador, un solo pulso no proporcionaba suficiente energía para la sinterización y, como tal, se adoptó una estrategia de 3 a 10 pulsos después de varias pruebas realizadas y de acuerdo con la operación de seguridad de la máquina y la capacidad de energía suministrada por el fabricante.

La figura 4 muestra varios ejemplos de la relación entre la entrada de energía total (integrada a partir de la duración de cada pulso) y la resistencia de línea neta medida para la línea de 600 µm de ancho. Para los materiales 100N y 50N5M, se pueden obtener resistencias casi idénticas a energías más bajas, pero el pulso 10 proporcionó una ventana operativa más amplia. El decaimiento de la energía por pulso observado en la Fig. 2 sugiere que el impacto de un mayor número de pulsos disminuye, pero puede contribuir a reducir las tensiones térmicas adversas en la película.

Sobres de sinterización para las tres tintas definidas por la resistencia de la línea de 600 µm de ancho.

El examen del conjunto de datos proporcionado por el estudio experimental muestra que es posible lograr un rendimiento eléctrico a partir del material curado fotónicamente optimizado que es comparable con los resultados obtenidos a través de la sinterización en horno térmico para los materiales que contienen micropartículas, Tabla 2. La nanopartícula pura El material exhibe un rendimiento absoluto similar, pero el rendimiento relativo al nano material sinterizado en horno es inferior en un factor de 3 a 5. Por lo tanto, mientras que los materiales que contienen micropartículas pueden sinterizarse fotónicamente fácilmente (desde una perspectiva puramente conductiva), la sinterización fotónica de materiales puros Los nanomateriales resultan en una penalización en comparación con la sinterización térmica.

Las mediciones de estabilidad durante un período de 4 semanas para las muestras optimizadas muestran un aumento del 14 % en la resistencia de línea del material 100N, alrededor del 10 % para la tinta 50N50M y solo alrededor del 2 % para el material 20N80M que contiene la cantidad mínima de nanopartículas. Figura 5. Esto sugiere que hay nanopartículas dentro de la película que no se han sinterizado completamente y permanecen activas o que la porosidad abierta de la película permite una mayor exposición del aire para que se produzca la oxidación.

Cambio de resistencia de línea de 600 µm con el tiempo en semanas para cada tinta sinterizada fotónicamente en la condición de sinterización óptima.

Como la absorción superficial era la fuente de energía para el proceso de sinterización, se esperaban algunos cambios en las condiciones óptimas de sinterización para cada ancho de línea como la relación entre el área superficial y el volumen aparente. Esto se experimentó con estructuras más finas que se vieron afectadas negativamente por la exposición a la energía fotónica con áreas que presentaban delaminación del sustrato y daño físico, Fig. 6a,b. La confianza de las condiciones de sinterización óptimas en la naturaleza geométrica de la característica que se sinteriza también es evidente en la Fig. 6c, donde las características más finas han sido eliminadas, aunque el cuadrado central muestra regiones que permanecen sin sinterizar.

El impacto del tamaño de las características en las condiciones de sinterización para la tinta de 100 N.

Por lo tanto, las condiciones ideales de sinterización fotónica están relacionadas no solo con las propiedades del material y el espesor de la película, sino también con el tamaño de la característica que se está imprimiendo. Esto es evidente en la Fig. 7, donde se ilustra la relación de conductividad relativa entre las muestras sinterizadas en horno térmico y las muestras curadas fotónicamente para el material 100N. Bajo un conjunto dado de condiciones de sinterización fotónica optimizadas para las líneas de 600 mm para el material 100N, las líneas más delgadas ven un aumento en la resistencia en comparación con sus contrapartes sinterizadas en horno. Las características más delgadas se benefician de una superficie más grande para la absorción fotónica por unidad de volumen en comparación con las líneas más gruesas, pero la diferencia es mínima (alrededor del 8 % en el rango de 200 a 700 µm). Sin embargo, estos bordes de línea son a menudo la fuente de defectos asociados con la sobreexposición durante el proceso de sinterización. Esto es cierto para películas impresas con un grosor medio de 12 µm (malla 110–34) y una película de 15 µm (malla 61/64). La película más gruesa proporciona líneas cuya resistencia es mayor en comparación con sus contrapartes sinterizadas en horno. Este resultado está en línea con las expectativas de que la película más gruesa es más difícil de sinterizar en el mismo grado.

El impacto de los tamaños de las características y el espesor de la película en la conductividad relativa entre las líneas sinterizadas en horno y las impresas sinterizadas fotónicamente para el material 100N.

El rendimiento mejorado de la sinterización fotónica con la película más delgada probablemente esté relacionado con dos mecanismos principales: la profundidad de penetración de la energía y la masa térmica. Con la película más delgada, la transformación inicial a una superficie de cobre altamente reflectante se convierte en una barrera óptica para la absorción de la energía de las capas posteriores. Por lo tanto, el proceso se vuelve autolimitante en términos de su capacidad para transferir energía al material en la interfaz del sustrato con un efecto perjudicial sobre la superficie superior de la película o la deslaminación de la película. Con la película más gruesa, las partes inferiores de la película actúan como un sumidero térmico tomando la energía que se absorbe en la superficie superior. Si la energía tomada no eleva el nanocobre más allá de su temperatura de sinterización, entonces no hay un cambio posterior en la estructura.

Este hallazgo tiene implicaciones significativas para el diseñador de circuitos, ya que limita la variedad de dimensiones que se pueden usar dentro de un circuito, si los circuitos se van a sinterizar fotónicamente. Los tamaños de características múltiples probablemente darán como resultado una variación significativa en los niveles de sinterización dependiendo del tamaño de la característica, con características más grandes que tienen una tendencia a sinterizarse por debajo en comparación con las características más pequeñas.

El rendimiento de adhesión del material de nanopartículas puras es significativamente más bajo que el de los materiales que contienen micropartículas (Tabla 3). La tinta 100 N poseía una clasificación 0B en términos de resistencia al rayado y la aplicación de cinta eliminó todo el material de la superficie, resultados de adhesión similares observados con la sinterización térmica4. Una posible explicación es que la sinterización multipulso provoca una reducción volumétrica del tamaño de partícula29,30. Puede haber una evaporación rápida del aglutinante y la sinterización entre nanopartículas que induce una tensión de compresión en la película que supera la adhesión de la tinta/sustrato. Además, el rápido proceso de sinterización provoca un choque térmico en la interfaz y, debido al coeficiente relativo de expansión térmica (9 × 10–6/°C para el vidrio en comparación con 17 × 10–6/°C para el cobre a granel), se induce tensión. en la interfaz, Fig. 8. El aumento del componente de micropartículas mejoró la resistencia al rayado con una resistencia al rayado 5B lograda para la tinta 20N80M y se eliminó muy poco material del vidrio FTO con una cinta.

FTO: interfaz de 100 N cuando se sinteriza fotónicamente.

La diferencia en la sinterización fotónica se puede explicar comparando la microestructura de los materiales, Fig. 9. La sinterización térmica del material de 100 N da como resultado una estructura en la que cada partícula se fusiona con sus vecinas cercanas, Fig. 9a, proporcionando una ruta lista para la carga. transferencia a través de la estructura4. La porosidad de la película da como resultado una conductividad más baja que la del cobre puro, pero se minimiza el impacto de la resistencia partícula a partícula. Hay poca evidencia de una fusión tan íntima entre las partículas cuando se sinterizan fotónicamente con cada nanopartícula discreta tocando, pero sin fusionarse en sus bordes. Hay una diferencia menos significativa entre la microestructura de las partículas fotónicas y sinterizadas térmicamente cuando las micropartículas están presentes, Fig. 9c,d,e,f. En cada caso, las nanopartículas se sinterizan en micropartículas. El camino conductor a través de las mezclas de micro/nano permanece predominantemente a través de las micropartículas con algún contacto adicional proporcionado por las nanopartículas.

Imágenes SEM a × 25,000 para cada material en su condición óptima de sinterización térmica y fotónica. La sinterización térmica en (a), (c) y (e) corresponde a 200 °C, 90 min en atmósfera reductora de ácido fórmico. Fotónico (b), (d) y (f) corresponden a las condiciones óptimas (menor resistencia) obtenidas fotónicamente.

La difracción de rayos X de la tinta 100N muestra que aparecen picos de difracción con fuertes intensidades en ángulos correspondientes a 2Ɵ 111, 200 y 220, lo que indica la formación de cobre metálico con oxidación mínima con todos los ajustes de energía aplicados12, Fig. 10a. A primera vista, esto puede considerarse beneficioso en comparación con la sinterización en horno donde se observa algo de oxidación. Sin embargo, la menor conductividad del material fotocurado no refleja esto. Se postula que la cubierta protectora, en la que se encierran inicialmente las nanopartículas de cobre, no se expulsa por completo de la estructura durante la breve exposición de la lámpara. Posteriormente, las nanopartículas no pueden estrecharse en la unión entre partículas y crear una mayor área de contacto para la transferencia de carga, Fig. 9a,b. Esto resalta la dificultad de obtener una forma/energía de pulso en la que el agente de protección acaba de eliminarse y las partículas se estrechan sin que la absorción de energía tenga un impacto destructivo en la integridad de la película. Esto también explicaría el aumento de la resistencia observado con el envejecimiento de la muestra, donde se produce un proceso de oxidación más lento a medida que el oxígeno se difunde lentamente a través del agente de protección. El material 50N50M muestra características similares, que parecen ser independientes del proceso de sinterización, Fig. 10b, con niveles similares de formación de óxido. Este comportamiento se refleja en el material 20N80M donde se forma nuevamente óxido de cobre, casi independientemente del método de sinterización, Fig. 10c.

XRD de (a) 100 N, (b) 50N50M y (c) 20N80M para la línea de 600 µm de ancho.

Los materiales que contienen micropartículas presentan características de rendimiento eléctrico casi idénticas y, en esencia, tienen una estructura química y una solidez física (adhesión) similares, independientemente del método de sinterización utilizado. Por lo tanto, la sinterización fotónica de las micropartículas proporciona una metodología de fabricación viable que ofrece una reducción de 3 órdenes de magnitud en los tiempos de procesamiento (< 10 s) en comparación con un mínimo de una hora (incluido el período de enfriamiento) por medios térmicos. El requisito adicional de reducir los gases y las temperaturas más bajas constituye un argumento adicional para el procesamiento fotónico que ofrece costos operativos más bajos y una mayor seguridad. También puede haber una mejora significativa en la reducción de la huella de carbono de fabricación, pero esto necesita considerar la eficiencia del sistema completo, así como la eficiencia de la lámpara. El rendimiento absoluto de las tintas que contienen micropartículas está por debajo del observado con las tintas puras de nanopartículas, pero la ventana operativa más amplia y la estabilidad de los materiales los hace atractivos para la consistencia del proceso. Un material hecho de nanocobre puro tiene beneficios de conductividad cuando se sinteriza térmicamente, pero tiene un rendimiento deficiente en términos de características físicas cuando se sinteriza fotónicamente.

Queda mucho trabajo por hacer en la escalabilidad del sistema de lámparas y la integridad estructural del vidrio cuando se somete a iluminación fotónica a mayor escala. Las tensiones localizadas inducidas por la absorción diferencial del vidrio revestido FTO y la tinta de cobre no parecen ser un problema, pero las diferencias de temperatura macro más grandes inducidas por el proceso de sinterización fotónica deberían examinarse desde una perspectiva práctica.

Es posible sinterizar fotónicamente las películas gruesas de cobre serigrafiadas sobre sustratos de vidrio FTO. Existe una interacción significativa entre las propiedades del material a escala nano y micro y la energía fotónica requerida para la sinterización exitosa del cobre serigrafiado. Hay una reducción en la conductividad por un factor de 5 y 7 veces para la tinta pura de nanopartículas cuando se sinteriza fotónicamente y esto puede estar asociado con la falta de sinterización de nanopartículas dentro de la película. La ventana operativa para la sinterización es pequeña para el material puramente nano con niveles de energía de salida de la lámpara ligeramente por debajo de la ventana que no logra sinterizar la película, mientras que la falla catastrófica ocurre por encima del límite superior. La ventana operativa de las mezclas de nano/micropartículas es más amplia y la conductividad resultante es cercana a la del nano material puro, pero ofrece un rendimiento de adhesión mejorado. Esto ofrece un medio de sinterización sin entornos de gas controlados en cuestión de segundos, en comparación con las horas de la sinterización térmica. Las condiciones ideales de exposición fotónica están vinculadas al tamaño de la característica y al espesor de la película, y esto impone una interacción crítica entre las etapas de procesamiento y diseño. Se recomienda seguir trabajando para establecer reglas de diseño que relacionen las características de la impresión y del material con el perfil de emisión requerido. Sin embargo, las condiciones óptimas de sinterización varían según el tamaño de la característica, lo que limita la flexibilidad del diseño del circuito.

Los conjuntos de datos generados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este trabajo fue posible gracias al apoyo brindado al SPECIFIC Innovation and Knowledge Center por el Engineering and Physical Science Research Council [EP/N020863/1], Innovate UK [920036], Engineering and Physical Science Research Council [EP/N509905/1 ] y por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional [c80892] a través del Gobierno de Gales. Los autores desean agradecer a las empresas e instituciones asociadas de Hi-prospects, en particular a los materiales de Intrinsiq, por su apoyo en el suministro de materiales.

Facultad de Ciencias e Ingeniería, Universidad de Swansea, Swansea, Reino Unido

Bahaa Abbas, Eifion Jewell, Yin Cheung Lau, Justin Searle y Tim Claypole

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BA: Conceptualización, Metodología, Análisis formal, Redacción—Borrador original, Investigación Universidad de Swansea (Reino Unido). EJ: Conceptualización, Supervisión, Administración de proyectos, Redacción—Revisión y edición Universidad de Swansea (Reino Unido). YCL: Conceptualización, Metodología, Análisis formal, Investigación Universidad de Swansea (Reino Unido). JS: Conceptualización, Supervisión, Administración de proyectos, Redacción—Revisión y edición Universidad de Swansea (Reino Unido). TC: Supervisión, Administración de proyectos.

Correspondencia a Abbas Oriental.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Abbas, B., Jewell, E., Lau, YC et al. Sinterización fotónica de cobre para el procesamiento rápido de circuitos conductores de película gruesa en vidrio revestido FTO. Informe científico 13, 5080 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32044-2

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Recibido: 22 diciembre 2022

Aceptado: 21 de marzo de 2023

Publicado: 28 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32044-2

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