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

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 fácilmente 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 rápida conversión de nanomicropartículas discretas a productos total o parcialmente sinterizados. Se llevó a cabo un estudio experimental de sinterización con lámpara de flash de estructuras serigrafiadas de película gruesa mixta de nanocobre y nano/microcobre mixto sobre vidrio recubierto de FTO. Muestra que puede haber múltiples ventanas de energía que pueden sinterizar con éxito la impresión de película gruesa de cobre 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 gas reductor, ofreciendo una mejora significativa en la productividad y una menor demanda de energía. También presenta una buena estabilidad de la película con un aumento del 14% en la resistencia de la línea del material 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 son la parte fundamental 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 sólo es más cara sino que también está sujeta a fluctuaciones de precio. Existe un interés creciente en el uso del cobre como posible material conductor impreso y se están explorando varias opciones, incluidos precursores de cobre, sales de cobre, partículas de óxido de cobre y formulaciones de nano y micro cobre1,2. De estas, las tintas con partículas de cobre proporcionan muchas características favorables con una reología y un comportamiento de impresión similares a 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 prevenir la oxidación es sinterizar térmicamente (150–400 °C) los materiales en una atmósfera inerte, al vacío o, idealmente, reductora,4,5,6. Sin embargo, los procesos tradicionales de horno térmico 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 inherentemente alta asociada directamente con la temperatura elevada, tiempos de procesamiento prolongados e indirectamente asociada con la producción y 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 y 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 energética general 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 finas tintas de nanopartículas de cobre impresas por inyección 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 masa hasta el núcleo de la película desde la superficie expuesta. Una comparación de la sinterización térmica y láser de tinta de nanopartículas de cobre serigrafiadas bajo una atmósfera reductora de ácido fórmico sobre sustrato de PI mostró que el proceso de sinterización láser bajo una potencia del láser y una velocidad de escaneo controladas podía alcanzar casi la misma resistividad (1,41 × 10−5 Ω cm ) que el logrado con 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 de flash sino sobre un sustrato de polímero. Al ser un proceso de exposición única de área amplia, la sinterización con lámpara de flash tiene la ventaja sobre la sinterización por láser de poder 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 la 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 revestimiento, 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 frágiles) 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 el ITO (óxido de estaño dopado con indio). Dependiendo de los espectros relativos de emisión de la lámpara y absorción de FTO, que pueden variar según la estructura y 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, una absorción mejorada podría actuar potencialmente como una fuente de energía adicional en los límites de cualquier característica, resaltando posiblemente problemas relacionados con la geometría de la característica impresa.

La literatura ha destacado que la sinterización fotónica tiene potencial para la sinterización del cobre, pero falta conocimiento sobre los sustratos de vidrio que han sido recubiertos con una superficie FTO o una película gruesa serigrafiada. 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 con respecto a la sinterización en horno de atmósfera reductora convencional.

Tres materiales de cobre se obtuvieron de materiales Intrinsiq, estos fueron etiquetados 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 eran variaciones fabricadas a medida de los materiales comerciales. Materiales (CP-001) que utilizan 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 mezclaron y mezclaron con el aglutinante y el solvente patentados. No se intentó investigar el material utilizando técnicas analíticas de laboratorio, aunque se han publicado más datos reológicos y de TGA4.

Tintas serigrafiadas en seco.

Cada tinta se serigrafió utilizando una imagen, Fig. 2, que constaba de áreas que permitían la caracterización de líneas finas (200 a 600 µm de ancho). Las imágenes se imprimieron en vidrio recubierto Tec-7 FTO de NSG (resistencia nominal de la lámina 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 no sinterizada (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 podía usarse tanto para secar como para sinterizar la tinta húmeda. Pero esto fue rápidamente descartado como concepto ya que el proceso fotónico tenía un efecto mínimo sobre 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 hasta la superficie de la película se consideraron mecanismos para este comportamiento. Posteriormente, todas las muestras se secaron térmicamente en un secador caliente Thieme a 80 °C durante un tiempo de residencia de 15 min de acuerdo con las recomendaciones del fabricante. Esto permitió que se produjera la evaporación del disolvente de manera que se obtuviera una película seca sin la temperatura excesiva a la que el encapsulante de nanopartículas sufriría sublimación. La sinterización fotónica se llevó a cabo utilizando un sistema de curado fotónico PulseForge 1200 que crea una alta intensidad de luz mediante la descarga controlada de un gran banco de condensadores a través de la lámpara de flash. La salida de energía característica sigue una disminución a medida que la carga almacenada se descarga a través de la lámpara, superpuesta a la naturaleza pulsada de la salida de la lámpara, Fig. 2.

La producción total de energía de cada pulso fue determinada 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 límites) para dar como resultado la misma entrada de energía total pero a partir de perfiles de irradiación de pulso distintos. Sin embargo, el aporte total de energía 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 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 hicieron que las muestras se sinterizaran en intervalos de aproximadamente tres minutos. La resistencia de las estructuras del patrón se caracterizó con un multímetro digital de baja resistencia Megger MIT 330-EN. A medida que 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 laminar se calcularon utilizando el método TLM24. Se utilizó un trazador láser Rofin Nd-YAG de 1064 nm para eliminar el FTO y 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 lámina 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 de aguja Talysurf surftronic 100 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) a lo largo de 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 al curado fotónico es que se requiere la optimización del régimen fotónico. Las intensidades de pico excesivas conducen a la deslaminación de la tinta del sustrato, mientras que una potencia insuficiente no produce ninguna sinterización del cobre. A través de un proceso de ancho de pulso refinado, potencia y espaciado, se establecieron las condiciones nominales óptimas para la combinación 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 mostrara signos visibles de sinterización, no se volvería a utilizar como muestra de prueba. Normalmente, se necesitaban entre 80 y 100 muestras de cada material para centrarse en una condición establecida que pudiera considerarse optimizada. Durante este proceso de optimización, se utilizó la línea de 600 µm 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 nominal de 600 mm 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 nominal de 600 µm se imprime con un ancho medio de 720 µm ± 20 µm. En la sección transversal de las líneas es evidente una marca de malla que surge al retirar la pantalla durante el proceso de impresión y es típica del patrón que se ve al imprimir materiales altamente viscosos25.

Topologías de sección transversal 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 existe una energía de pulso mínima relacionada con cada material para lograr una menor resistencia. La energía disponible para la generación de luz depende del tamaño de los condensadores y del voltaje aplicado a ese condensador26,27,28. Se llevó a cabo un estudio de optimización inicial para identificar un rango operativo del perfil de energía fotónica. Se empleó una estrategia para obtener el mejor efecto posible de la linterna que pudiera conducir a un buen rango de conductividad aplicando un número diferente de pulsos con variedad de voltaje que luego permitió estimar la potencia máxima y mínima aplicada. A través del ancho de pulso refinado, la potencia y el espaciado se establecieron las condiciones nominales óptimas para la combinación tinta/sustrato. A partir de la misma carga inicial del condensador, un solo pulso no proporcionó suficiente energía para sinterizar 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 proporcionada por el fabricante.

La Figura 4 muestra varios ejemplos de la relación entre la entrada total de energía (integrada de cada duración de pulso) y la resistencia neta de la línea 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. La caída de energía por pulso observada en la Fig. 2 sugiere que el impacto de una mayor cantidad 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 mediante la sinterización térmica en horno para los materiales que contienen micropartículas, Tabla 2. La nanopartícula pura El material exhibe un rendimiento absoluto similar, pero el rendimiento relativo al nanomaterial sinterizado en horno es menor 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 suponen 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 la 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 a lo largo del tiempo en semanas para cada tinta sinterizada fotónicamente en las condiciones óptimas de sinterización.

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 a medida que cambia la relación entre el área de superficie y el volumen total. Esto se experimentó con estructuras más finas que se vieron afectadas negativamente por la exposición a la energía fotónica con áreas que exhibieron delaminación del sustrato y daño físico, Fig. 6a, b. La dependencia de las condiciones óptimas de sinterización de 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 la característica en las condiciones de sinterización de la tinta de 100 N.

Por lo tanto, las condiciones ideales de sinterización fotónica están relacionadas no sólo con las propiedades del material y el espesor de la película, sino también con el tamaño de la característica que se imprime. 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 de 100 N. 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 lineales suelen ser la fuente de defectos asociados con la sobreexposición durante el proceso de sinterización. Esto es cierto para películas impresas con un espesor 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 en el sentido 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 impresas sinterizadas en horno y sinterizadas fotónicamente para el material de 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 en una superficie de cobre altamente reflectante se convierte luego en una barrera óptica para la absorción de la energía de las capas posteriores. Por tanto, el proceso se vuelve autolimitado 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 delaminación de la película. Con la película más gruesa, las porciones inferiores de la película actúan como un sumidero térmico tomando la energía que se absorbe en la superficie superior. Si la energía absorbida no eleva el nanocobre más allá de su temperatura de sinterización, no se produce ningún cambio posterior en la estructura.

Este hallazgo tiene implicaciones importantes para el diseñador de circuitos, ya que limita la variedad de dimensiones que se pueden utilizar dentro de un circuito, si los circuitos se van a sinterizar fotónicamente. Es probable que múltiples tamaños de características resulten en una variación significativa en los niveles de sinterización dependiendo del tamaño de la característica, y las características más grandes tienen una tendencia a sinterizarse en comparación con las características más pequeñas.

El rendimiento de adhesión del material de nanopartículas puras es significativamente peor 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 rápida evaporación del aglutinante y la sinterización entre nanopartículas que induce una tensión de compresión en la película que supera la adhesión 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, lográndose una resistencia al rayado de 5B 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 donde 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 menor que la del cobre puro, pero se minimiza el impacto de la resistencia entre partículas. Hay poca evidencia de una fusión tan íntima entre las partículas cuando se sinterizan fotónicamente con cada nanopartícula discreta en contacto, pero sin fusionarse en sus bordes. Hay una diferencia menos significativa entre la microestructura de las partículas fotónicas y térmicamente sinterizadas cuando las micropartículas están presentes, Fig. 9c, d, e, f. En cada caso, las nanopartículas se sinterizan formando micropartículas. La ruta conductora a través de las mezclas 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 100 N 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 en todas las configuraciones de energía aplicadas12, Fig. 10a. A primera vista, esto puede considerarse beneficioso en comparación con la sinterización en horno, donde se observa cierta oxidación. Sin embargo, la menor conductividad del material curado fotónicamente no refleja esto. Se postula que la cubierta protectora, en la que están inicialmente encerradas las nanopartículas de cobre, no se expulsa completamente de la estructura durante el corto tiempo de exposición de la lámpara. Posteriormente, las nanopartículas no pueden estrecharse en la unión entre partículas y crear un área de contacto mayor para la transferencia de carga, Fig. 9a, b. Esto pone de relieve la dificultad para obtener una energía/forma de pulso en la que el agente de protección simplemente se elimina y las partículas se estrechan sin que la absorción de energía tenga un impacto destructivo sobre 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 repite 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 exhiben características de rendimiento eléctrico casi idénticas y esencialmente tienen una estructura química y robustez física (adhesión) similares, cualquiera que sea el 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 seguridad mejorada. También puede haber una mejora significativa en la reducción de la huella de carbono de la fabricación, pero esto requiere considerar la eficiencia de todo el sistema, así como la eficiencia de las lámparas. El rendimiento absoluto de las tintas que contienen micropartículas es inferior al observado con tintas de nanopartículas puras, pero la ventana operativa más amplia y la estabilidad de los materiales las hacen atractivas 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 sobre la escalabilidad del sistema de lámpara 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 recubierto de FTO y la tinta de cobre no parecen ser un problema, pero sería necesario examinar desde una perspectiva práctica diferencias de temperatura macro más grandes inducidas por el proceso de sinterización fotónica.

Es posible sinterizar fotónicamente las gruesas películas 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 necesaria para la sinterización exitosa del cobre serigrafiado. Hay una reducción de la conductividad en un factor de 5 y 7 veces para la tinta de nanopartículas pura 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 logran sinterizar la película, mientras que se produce una falla catastrófica por encima del límite superior. La ventana operativa de las mezclas de nanopartículas y micropartículas es más amplia y la conductividad resultante es cercana a la del nanomaterial 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 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 los materiales con el perfil de emisiones 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 solicitud razonable.

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Este trabajo fue posible gracias al apoyo brindado al Centro de Conocimiento e Innovación ESPECÍFICO por parte del Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas [EP/N020863/1], Innovate UK [920036], Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas [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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Licenciatura: 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). CT: Supervisión, Administración de proyectos.

Correspondencia a Abbas oriental.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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

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Recibido: 22 de diciembre de 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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