Frittage photonique du cuivre pour le traitement rapide des circuits conducteurs à couches épaisses sur verre à revêtement FTO

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5080 (2023) Citer cet article

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Le cuivre fournit potentiellement un remplacement rentable de l'argent dans les circuits électroniques imprimés avec diverses applications dans les soins de santé, l'énergie solaire, les appareils IOT et les applications automobiles. Le principal défi auquel est confronté le cuivre est qu'il s'oxyde facilement à son état non conducteur pendant le processus de frittage. Le frittage photonique offre un moyen de surmonter l'oxydation par laquelle se produit une conversion rapide de nano-microparticules discrètes en produits entièrement ou partiellement frittés. Une étude expérimentale du frittage par lampe flash de structures sérigraphiées en couches épaisses mixtes nano cuivre et nano / micro cuivre sur du verre revêtu de FTO a été réalisée. Cela montre qu'il peut y avoir plusieurs fenêtres d'énergie qui peuvent fritter avec succès l'impression de cuivre à couche épaisse en empêchant l'oxydation préjudiciable du cuivre. Dans des conditions optimales, les conductivités obtenues en moins de 1 s (3,11–4,3 × 10–7 Ω m) correspondaient à celles obtenues en 90 min à 250 °C dans des conditions de gaz réductrices, offrant une amélioration significative de la productivité et une réduction de la demande énergétique. Présentent également une bonne stabilité du film d'une augmentation de 14% de la résistance de ligne du matériau 100 N, environ 10% pour l'encre 50N50M et seulement environ 2% pour la 20N80M.

Le cuivre offre potentiellement une alternative à l'argent dans les circuits imprimés qui est la partie fondamentale de tout appareil électrique/électronique1. Bien que l'argent ait une excellente conductivité, soit stable dans les suspensions organiques et ait une bonne durée de vie, il est non seulement plus cher mais également sujet aux fluctuations de prix. L'utilisation du cuivre en tant que matériau conducteur imprimé potentiel suscite un intérêt croissant, plusieurs options étant explorées, notamment les précurseurs de cuivre, les sels de cuivre, les particules d'oxyde de cuivre, les formulations de nano-cuivre et de micro-cuivre1,2. Parmi celles-ci, les encres à particules de cuivre offrent de nombreuses caractéristiques favorables avec une rhéologie et un comportement d'impression similaires à leurs homologues à particules d'argent. Un défi consiste à former des particules qui ne se transforment pas rapidement en oxyde de cuivre électriquement isolant lors du traitement, ce qui réduit leur conductivité électrique3. Le moyen le plus courant d'empêcher l'oxydation consiste à fritter thermiquement (150 à 400 °C) les matériaux dans une atmosphère inerte, sous vide ou idéalement réductrice,4,5,6. Cependant, les processus de four thermique traditionnels sont généralement intrinsèquement un processus discontinu avec des temps de traitement de 60 à 120 minutes. Cela limite les taux de production et possède également une empreinte carbone intrinsèquement élevée directement associée à la température élevée, aux longs temps de traitement et indirectement associée à la production et au stockage du gaz d'atmosphère réductrice. Le frittage photonique à lampe flash à grande surface a été largement utilisé pour le frittage des nano-encres d'argent7,8,9,–10, des nano-encres de nickel11 ainsi que pour le traitement d'autres nanomatériaux et dispositifs complexes12,13. En plus du frittage rapide, principaux avantages de la technologie de frittage photonique, elle fritte potentiellement sans endommager le substrat et élimine le recours à une atmosphère réductrice14. Cela réduit considérablement les temps de traitement et réduit la demande énergétique globale du processus de frittage.

Il y a eu plusieurs rapports d'utilisation du frittage photonique sur des encres conductrices de cuivre. Il a été largement démontré que le frittage photonique est capable de fritter de fines encres de nanoparticules de cuivre imprimées par jet d'encre sur des substrats polymères, ce qui donne des conductivités équivalentes au frittage thermique sous des atmosphères protectrices9,15,16. La littérature sur les films plus épais (> 5 µm) qui sont généralement produits par sérigraphie est rare. La nature du film épais du substrat fournit une quantité supplémentaire de matériau qui doit être fritté et un défi supplémentaire de transfert de l'énergie à travers la masse vers le noyau du film depuis la surface exposée. Une comparaison du frittage thermique et laser de l'encre de nanoparticules de cuivre sérigraphiées sous une atmosphère réductrice d'acide formique sur un substrat PI a montré que le processus de frittage laser sous une puissance laser et une vitesse de balayage contrôlées pouvait atteindre presque la même résistivité (1,41 × 10−5 Ω cm) que celle obtenue avec le frittage thermique (1,30 × 10−5 Ω cm) sous atmosphère d'azote6. Ceci met en évidence la faisabilité du frittage photonique de couches plus épaisses, bien que l'étude n'ait pas été réalisée avec une lampe flash et ait été entreprise sur un substrat polymère. Étant un processus d'exposition unique à grande surface, le frittage par lampe flash a l'avantage par rapport au frittage laser de pouvoir potentiellement traiter instantanément une plus grande surface.

Plusieurs applications importantes impliquent l'utilisation de verre à couche comme substrat tel que la pérovskite PV17,18 et les fenêtres intelligentes19,20 où le contrôle numérique de la transmission est nécessaire pour la gestion de la chaleur ou la confidentialité des utilisateurs. Cela fournit des complications et des défis supplémentaires pour le frittage photonique. Une partie de l'énergie photonique peut être absorbée par le revêtement, l'énergie photonique peut être absorbée par le verre et il existe un puits d'énergie appréciable21,22 associé à la masse du verre (3 à 10 mm par rapport à 100 à 250 µm de polymère). De plus, le choc thermique subi par chaque matériau (le revêtement et le verre sont cassants) et leur dilatation thermique relative peuvent avoir un impact sur l'intégrité du film et l'adhérence inter-couches. Le FTO (oxyde d'étain dopé au fluor) est un revêtement populaire appliqué sur le verre offrant conductivité et transparence à un coût inférieur à celui de l'ITO (oxyde d'étain dopé à l'indium). En fonction de l'émission relative de la lampe et des spectres d'absorption du FTO, qui peuvent varier avec la structure et la texture du film23, la présence du FTO peut modifier la distribution et le taux de chauffage dans la structure imprimée en cuivre. Par exemple, une absorption améliorée pourrait potentiellement agir comme une source d'énergie supplémentaire aux limites de toute caractéristique, mettant éventuellement en évidence des problèmes liés à la géométrie des caractéristiques imprimées.

La littérature a souligné que le frittage photonique a un potentiel pour le frittage du cuivre, mais il y a un manque de connaissances concernant les substrats en verre qui ont été recouverts d'une surface FTO ou d'un film épais sérigraphié. Ainsi, le but de l'étude était d'examiner la faisabilité du frittage photonique d'un film épais d'encre de cuivre sur un substrat de verre FTO et s'il offre des améliorations potentielles par rapport au frittage conventionnel au four à atmosphère réductrice.

Trois matériaux en cuivre provenaient de matériaux Intrinsiq, ceux-ci étaient étiquetés 100N, 50N50M et 20N80M conformément à la proportion de particules nano (N) et micro (M), Tableau 1 et Fig. 1. Les matériaux en cuivre étaient des variantes fabriquées sur mesure de matériaux commerciaux (CP-001) utilisant une quantité contrôlée de nano et micro cuivre. Les matériaux ont été produits par Intrinsiq Materials Ltd en utilisant leurs procédés de production de particules de cuivre brevetés qui peuvent produire des nano et micro matériaux. Ceux-ci ont été mélangés et mélangés avec le liant et le solvant exclusifs. Aucune tentative n'a été faite pour étudier le matériau à l'aide de techniques analytiques de laboratoire, bien que d'autres données rhéologiques et TGA aient été publiées4.

Encres sèches sérigraphiées.

Chaque encre a été sérigraphiée à l'aide d'une image, Fig. 2, constituée de zones permettant la caractérisation de lignes fines (largeur de 200 à 600 µm). Les images ont été imprimées sur du verre revêtu Tec-7 FTO de NSG (résistance de feuille nominale de 7 Ω/sq), avec un maillage en polyester 110–34 sur une machine d'impression automatique à plat ATMA. De plus, le matériau 100 N a été imprimé à travers une maille polyester 61/64 afin de faire varier l'épaisseur du film.

Image imprimée sèche mais non frittée (a) et (b) et un exemple d'un profil d'énergie photonique à 10 impulsions (densité d'énergie de 8,9 J/cm2).

Une première étude d'investigation a été menée pour voir si le durcissement photonique pouvait être utilisé à la fois pour sécher et pour fritter l'encre humide. Mais cela a été rapidement abandonné en tant que concept car le processus photonique avait un effet minimal sur l'encre humide, même à son réglage le plus élevé. L'énergie nécessaire pour volatiliser le solvant et les limitations cinétiques de la migration du solvant à travers l'encre humide vers la surface du film ont été considérées comme des mécanismes de ce comportement. Par la suite, tous les échantillons ont été séchés thermiquement dans un séchoir chaud Thieme à 80 ° C pendant un temps de séjour de 15 min conformément aux recommandations du fabricant. Cela a permis à l'évaporation du solvant de se produire de sorte qu'un film sec a été obtenu sans la température excessive à laquelle l'encapsulant de nanoparticules subirait une sublimation. Le frittage photonique a été réalisé à l'aide d'un système de durcissement photonique PulseForge 1200 qui crée une intensité lumineuse élevée en déchargeant de manière contrôlée une grande batterie de condensateurs à travers la lampe flash. La sortie d'énergie caractéristique suit une décroissance lorsque la charge stockée est déchargée à travers la lampe, superposée à la nature pulsée de la sortie de la lampe, Fig. 2.

La production d'énergie totale de chaque impulsion a été déterminée par la tension, la durée de l'impulsion et la durée employée. En pratique, l'état de charge initial, la durée de chaque impulsion, le nombre d'impulsions et l'intervalle d'impulsion peuvent être modifiés indépendamment (dans certaines limites) pour aboutir à la même entrée d'énergie totale mais à partir de profils d'irradiation d'impulsions distincts. Cependant, l'apport énergétique total fournit une mesure significative, bien que quelque peu simpliste, pour l'analyse qui a été utilisée dans la littérature. Afin d'examiner les extrêmes de la fenêtre opérationnelle, une stratégie à 3 impulsions et 10 impulsions a été adoptée à partir des tests préliminaires.

Chaque échantillon a été placé au milieu du lit de frittage (environ 250 × 250 mm) de sorte que l'éclairage soit constant à chaque fois. La charge du condensateur et le refroidissement du lit signifiaient que les échantillons étaient frittés à des intervalles d'environ trois minutes. La résistance des structures du motif a été caractérisée avec un multimètre numérique à faible résistance Megger MIT 330-EN. Comme le cuivre est imprimé sur le FTO, la mesure de la résistance de ligne considère donc la résistance parallèle de l'encre imprimée et du FTO conducteur sous-jacent. La résistance de contact et la résistance de feuille ont été calculées à l'aide de la méthode TLM24. Un traceur laser Rofin 1064 nm Nd-YAG a été utilisé pour retirer le FTO afin d'isoler la zone TLM de l'impression. Trois échantillons ont été produits à chaque condition et une moyenne a été prise. Dans les trois échantillons, les résistances de ligne étaient de ± 0,02 Ω, la résistance de feuille de 0,04 Ω /sq et la résistance de contact était de ± 0,44 Ω. L'épaisseur du film a été mesurée à l'aide d'un profilomètre à stylet Talysurf surftronic 100 sans filtrage de signal. La résistivité absolue (ρ) et la résistivité relative (ρ/ρCu) ont été calculées à partir de la section transversale du film mesuré (A) et de la résistance (R) sur la longueur (l) en utilisant R = rl/A. Le frittage optimisé pour chaque matériau dans des conditions de frittage thermique à atmosphère contrôlée4, a été utilisé comme référence pour examiner les performances relatives du frittage photonique.

La difficulté inhérente associée au durcissement photonique est qu'une optimisation du régime photonique est nécessaire. Des intensités de pic excessives conduisent à un délaminage de l'encre du substrat, tandis qu'une puissance insuffisante n'entraîne aucun frittage du cuivre. Grâce à un processus d'affinement de la largeur, de la puissance et de l'espacement des impulsions, les conditions optimales nominales ont été établies pour la combinaison encre/substrat. Cette approche par essais et erreurs était nécessaire, mais aussi inutile en ce qui concerne le nombre d'échantillons requis. À chaque condition, le test était "destructif" en ce que même si l'échantillon ne présentait aucun signe visible de frittage, il ne serait plus utilisé comme échantillon de test. En règle générale, environ 80 à 100 échantillons de chaque matériau étaient nécessaires pour se concentrer sur une condition définie qui pouvait être considérée comme optimisée. Au cours de ce processus d'optimisation, la ligne de 600 µm a été utilisée comme référence de mesure, avec des observations visuelles des autres caractéristiques imprimées afin d'affiner les conditions d'exposition. Les profils de film pour la ligne nominale de 600 mm montrent que la topologie des lignes imprimées est similaire entre les matériaux, Fig. 3. L'épaisseur maximale est d'environ 16 µm avec une épaisseur moyenne d'environ 12 µm et chaque ligne nominale de 600 µm s'imprime à une largeur moyenne de 720 µm ± 20 µm. Dans la coupe transversale des lignes, il y a un certain marquage de maille qui résulte du retrait de l'écran pendant le processus d'impression et est typique du motif observé lors de l'impression de matériaux très visqueux25.

Topologies transversales de la ligne imprimée de 600 mm.

Pour chaque nombre d'impulsions, il existe une condition de frittage optimale (résistance la plus faible) qui peut être atteinte. On en déduit qu'il existe une énergie d'impulsion minimale liée à chaque matériau pour obtenir une résistance inférieure. L'énergie disponible pour la génération de lumière dépend de la taille des condensateurs et de la tension appliquée à ce condensateur26,27,28. Une première étude d'optimisation a été réalisée pour identifier une gamme opérationnelle de profil d'énergie photonique. Une stratégie a été employée pour obtenir le meilleur effet possible de la lampe de poche qui pourrait conduire à une bonne plage de conductivité en appliquant un nombre différent d'impulsions avec une variété de tension qui a ensuite permis l'estimation de la puissance maximale et minimale appliquée. Grâce à la largeur d'impulsion, à la puissance et à l'espacement raffinés, les conditions optimales nominales ont été établies pour la combinaison encre/substrat. À partir de la même charge initiale du condensateur, une seule impulsion ne fournissait pas suffisamment d'énergie pour le frittage et, à ce titre, une stratégie de 3 à 10 impulsions a été adoptée après plusieurs essais effectués et en fonction du fonctionnement de la sécurité de la machine et de la capacité énergétique fournie par le fabricant.

La figure 4 montre plusieurs exemples de la relation entre l'apport d'énergie total (intégré à partir de chaque durée d'impulsion) et la résistance de ligne nette mesurée pour la ligne de 600 µm de large. Pour les matériaux 100N et 50N5M, des résistances presque identiques peuvent être obtenues à des énergies inférieures, mais l'impulsion 10 a fourni une fenêtre opérationnelle plus large. La décroissance de l'énergie par impulsion observée sur la figure 2 suggère que l'impact d'un plus grand nombre d'impulsions diminue mais peut avoir un impact contributif sur la réduction des contraintes thermiques néfastes sur le film.

Enveloppes de frittage pour les trois encres définies par la résistance du trait de 600 µm de large.

L'examen de l'ensemble de données fourni par l'étude expérimentale montre qu'il est possible d'obtenir des performances électriques à partir du matériau optimisé photoniquement polymérisé qui sont comparables aux résultats obtenus par frittage thermique au four pour les matériaux contenant des microparticules, tableau 2. les nanomatériaux purs entraînent une pénalité par rapport au frittage thermique.

Les mesures de stabilité sur une période de 4 semaines pour les échantillons optimisés montrent une augmentation de 14 % de la résistance de ligne du matériau 100N, d'environ 10 % pour l'encre 50N50M et seulement d'environ 2 % pour le matériau 20N80M qui contient la quantité minimale de nanoparticules, Figure 5. Cela suggère qu'il y a soit des nanoparticules dans le film qui n'ont pas complètement fritté et restent actives, soit que la porosité ouverte du film permet une plus grande exposition à l'air pour que l'oxydation se produise .

600 µm La résistance de ligne change au fil du temps en semaines pour chaque encre frittée photoniquement dans des conditions de frittage optimales.

Comme l'absorption de surface était la source d'énergie pour le processus de frittage, certains changements dans les conditions de frittage optimales étaient attendus pour chaque largeur de ligne lorsque le rapport de la surface au volume en vrac change. Cela a été constaté avec des structures plus fines affectées par l'exposition à l'énergie photonique avec des zones présentant un délaminage du substrat et des dommages physiques, Fig. 6a, b. La dépendance des conditions de frittage optimales sur la nature géométrique de la caractéristique frittée est également évidente sur la figure 6c où les caractéristiques plus fines ont été ablatées, bien que le carré central affiche des régions qui restent non frittées.

L'impact de la taille des caractéristiques sur les conditions de frittage pour l'encre 100 N.

Ainsi, les conditions idéales de frittage photonique sont liées non seulement aux propriétés du matériau et à l'épaisseur du film, mais également à la taille des caractéristiques imprimées. Ceci est évident sur la figure 7 où le rapport de conductivité relative entre les échantillons frittés dans un four thermique et les échantillons photoniquement durcis est illustré pour le matériau 100N. Dans un ensemble donné de conditions de frittage photonique optimisées pour les lignes de 600 mm pour le matériau 100N, les lignes plus fines voient une augmentation de la résistance par rapport à leurs homologues frittés au four. Les caractéristiques plus minces bénéficient d'une plus grande surface d'absorption photonique par unité de volume par rapport aux lignes plus épaisses, mais la différence est minime (environ 8 % sur la plage de 200 à 700 µm). Cependant, ces bords de ligne sont souvent la source de défauts associés à une surexposition lors du processus de frittage. Cela est vrai pour des films imprimés à une épaisseur moyenne de 12 µm (110–34 mesh) et un film de 15 µm (61/64 mesh). Le film plus épais fournit des lignes dont la résistance est plus élevée par rapport à leurs homologues frittés au four. Ce résultat est conforme aux attentes en ce que le film plus épais est plus difficile à fritter au même degré.

L'impact des tailles des caractéristiques et de l'épaisseur du film sur la conductivité relative entre le four fritté et les lignes imprimées photoniquement frittées pour le matériau 100N.

L'amélioration des performances du frittage photonique avec le film plus mince est probablement liée à deux mécanismes principaux, la profondeur de pénétration de l'énergie et la masse thermique. Avec le film plus mince, la transformation initiale en une surface de cuivre hautement réfléchissante devient alors une barrière optique à l'absorption de l'énergie des couches suivantes. Le procédé devient ainsi auto-limitant en termes de sa capacité à transférer de l'énergie au matériau à l'interface du substrat avec un effet néfaste sur la surface supérieure du film ou un délaminage du film. Avec le film plus épais, les parties inférieures du film agissent comme un dissipateur thermique prenant cette énergie qui est absorbée dans la surface supérieure. Si l'énergie prélevée n'élève pas le nano-cuivre au-delà de sa température de frittage, alors il n'y a pas de changement ultérieur de structure.

Cette découverte a des implications importantes pour le concepteur de circuits car elle limite la variété des dimensions qui peuvent être utilisées dans un circuit, si les circuits doivent être photoniquement frittés. Plusieurs tailles d'éléments entraîneront probablement une variation significative des niveaux de frittage en fonction de la taille de l'élément, les éléments plus grands ayant tendance à sous-fritter par rapport aux éléments plus petits.

Les performances d'adhérence du matériau à nanoparticules pures sont nettement inférieures à celles des matériaux contenant des microparticules (tableau 3). L'encre 100 N possédait une cote 0B en termes de résistance aux rayures et l'application de ruban adhésif enlevait tout le matériau de la surface, des résultats d'adhérence similaires observés avec le frittage thermique4. Une explication possible est que le frittage multi-impulsions provoque une réduction volumétrique de la taille des particules29,30. Il peut y avoir évaporation rapide du liant et frittage inter nanoparticules qui induit une contrainte de compression dans le film qui vainc l'adhésion encre/substrat. De plus, le processus de frittage rapide provoque un choc thermique sur l'interface et, en raison du coefficient relatif de dilatation thermique (9 × 10–6/°C pour le verre contre 17 × 10–6/°C pour le cuivre en vrac), une contrainte est induite à l'interface, Fig. 8. L'augmentation du composant de microparticules a amélioré la résistance aux rayures avec une résistance aux rayures de 5B obtenue pour l'encre 20N80M et a retiré très peu de matière du verre FTO avec un ruban adhésif.

FTO—Interface 100 N lorsqu'elle est photoniquement frittée.

La différence dans le frittage photonique peut être expliquée en comparant la microstructure des matériaux, Fig. 9. Le frittage thermique du matériau 100N donne une structure où chaque particule fusionne avec ses voisins proches, Fig. 9a, fournissant une voie prête pour le transfert de charge à travers la structure4. La porosité du film entraîne une conductivité inférieure à celle du cuivre pur, mais l'impact de la résistance particule-particule est minimisé. Il y a peu de preuves d'une telle fusion intime entre les particules lorsqu'elles sont photoniquement frittées avec chaque nano-particule discrète touchant, mais ne fusionnant pas sur leurs bords. Il existe une différence moins significative entre la microstructure des particules photoniques et thermiquement frittées lorsque les microparticules sont présentes, Fig. 9c, d, e, f. Dans chaque cas, les nanoparticules se frittent sur les microparticules. Le chemin conducteur à travers les mélanges micro/nano reste principalement à travers les microparticules avec un certain contact supplémentaire fourni par les nanoparticules.

Images SEM à × 25 000 pour chaque matériau dans ses conditions optimales de frittage thermique et photonique. Le frittage thermique en (a), (c) et (e) correspond à 200 °C, 90 min dans une atmosphère réductrice d'acide formique. Photonique (b), (d) et (f) correspondent aux conditions optimales (résistance la plus faible) obtenues par photonique.

La diffraction des rayons X de l'encre 100N montre que des pics de diffraction avec de fortes intensités apparaissent aux angles correspondant à 2Ɵ 111, 200 et 220, indiquant la formation de cuivre métallique avec une oxydation minimale tous les réglages d'énergie appliqués12, Fig. 10a. À première vue, cela peut être considéré comme bénéfique par rapport au frittage au four où une certaine oxydation est observée. Cependant, la conductivité inférieure du matériau durci photoniquement ne reflète pas cela. Il est postulé que la coque de coiffage, dans laquelle les nanoparticules de cuivre sont initialement enfermées, n'est pas complètement éjectée de la structure pendant l'exposition à courte échelle de temps par la lampe. Par la suite, les nanoparticules sont incapables de se resserrer à la jonction entre les particules et de créer une plus grande surface de contact pour le transfert de charge, Fig. 9a,b. Ceci met en évidence la difficulté d'obtenir une énergie/forme d'impulsion où l'agent de coiffage est juste retiré et les particules rétrécissent sans que l'absorption d'énergie n'ait un impact destructeur sur l'intégrité du film. Cela expliquerait également l'augmentation de la résistance observée avec le vieillissement de l'échantillon où un processus d'oxydation plus lent se produit lorsque l'oxygène se diffuse lentement à travers l'agent de coiffage. Le matériau 50N50M présente des caractéristiques similaires, qui semblent être indépendantes du processus de frittage, Fig. 10b, avec des niveaux similaires de formation d'oxyde. Ce comportement est repris par le matériau 20N80M où l'oxyde de cuivre est à nouveau formé, presque indépendamment de la méthode de frittage, Fig. 10c.

XRD du (a) 100 N, (b) 50N50M et (c) 20N80M pour la ligne de 600 µm de large.

Les matériaux contenant des microparticules présentent des performances électriques quasiment identiques et ont essentiellement une structure chimique et une robustesse physique (adhésion) similaires, quelle que soit la méthode de frittage utilisée. Le frittage photonique des microparticules fournit donc une méthodologie de fabrication viable offrant une réduction de 3 ordres de grandeur des temps de traitement (< 10 s) par rapport à un minimum d'une heure (y compris la période de refroidissement) par voie thermique. L'exigence supplémentaire de réduction des gaz et des températures plus basses constitue un argument supplémentaire pour le traitement photonique offrant des coûts d'exploitation inférieurs ainsi qu'une sécurité améliorée. Il peut également y avoir une amélioration significative de la réduction de l'empreinte carbone de la fabrication, mais cela nécessite de prendre en compte l'efficacité de l'ensemble du système ainsi que l'efficacité de la lampe. Les performances absolues des encres contenant des microparticules sont inférieures à celles observées avec les encres à nanoparticules pures, mais la fenêtre opérationnelle plus large et la stabilité des matériaux les rendent attrayants pour la cohérence du processus. Un matériau fabriqué à partir de nanocuivre pur présente des avantages de conductivité lorsqu'il est fritté thermiquement, mais fonctionne mal en termes de caractéristiques physiques lorsqu'il est fritté photoniquement.

Il reste un travail considérable à faire sur l'évolutivité du système de lampe et l'intégrité structurelle du verre lorsqu'il est soumis à un éclairage photonique à plus grande échelle. Les contraintes localisées induites par l'absorption différentielle du verre revêtu de FTO et de l'encre de cuivre ne semblent pas être un problème, mais des différences de température macro plus importantes induites par le processus de frittage photonique devraient être examinées d'un point de vue pratique.

Il est possible de fritter photoniquement les couches épaisses de cuivre sérigraphiées sur des substrats de verre FTO. Il existe une interaction significative entre les propriétés des matériaux à l'échelle nano et micro et l'énergie photonique nécessaire pour réussir le frittage du cuivre sérigraphié. Il y a une réduction de la conductivité d'un facteur de 5 et 7 fois pour l'encre à nanoparticules pures lorsqu'elle est photoniquement frittée et cela peut être associé à l'absence de frittage de nanoparticules dans le film. La fenêtre opérationnelle pour le frittage est petite pour le matériau purement nano avec des niveaux d'énergie de sortie de lampe légèrement inférieurs à la fenêtre ne réussissant pas à fritter le film, tandis qu'une défaillance catastrophique se produit au-dessus de la limite supérieure. La fenêtre opérationnelle des mélanges de nano/microparticules est plus large et la conductivité résultante est proche du nanomatériau pur, mais offrant des performances d'adhérence améliorées. Cela offre un moyen de frittage sans environnements gazeux contrôlés en quelques secondes, par rapport aux heures de frittage thermique. Les conditions idéales d'exposition photonique sont liées à la taille des caractéristiques et à l'épaisseur du film, ce qui impose une interaction critique entre les étapes de traitement et de conception. Des travaux supplémentaires sont recommandés pour établir des règles de conception qui relient les caractéristiques d'impression et de matériau au profil d'émission requis. Cependant, les conditions de frittage optimales varient avec la taille de l'élément, ce qui limite la flexibilité de la conception du circuit.

Les ensembles de données générés et analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Zeng, X. et al. Encres au cuivre pour l'électronique imprimée : un bilan. Nanoscale 14(43), 16003–16032. https://doi.org/10.1039/d2nr03990g (2022).

Article CAS PubMed Google Scholar

Li, W. et al. L'essor des encres conductrices au cuivre : enjeux et perspectives. Appl. Mater. Aujourd'hui 18, 100451. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2019.100451 (2020).

Article MathSciNet Google Scholar

Magdassi, S., Grouchko, M. & Kamyshny, A. Nanoparticules de cuivre pour l'électronique imprimée : voies vers la stabilité à l'oxydation. Matériaux (Bâle) 3(9), 4626–4638. https://doi.org/10.3390/ma3094626 (2010).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Abbas, B., Mohammad, Y., Jewell, E. & Searle, J. Frittage thermique de cuivre imprimable pour une conductivité améliorée des substrats de verre revêtus de FTO. J. Mater. Sci. Mater. Électron. 0123456789, 17–19. https://doi.org/10.1007/s10854-019-02358-x (2019).

Article CAS Google Scholar

Deng, D., Jin, Y., Cheng, Y., Qi, T. & Xiao, F. Nanoparticules de cuivre : synthèse en phase aqueuse et fabrication de films conducteurs à basse température de frittage. ACS Appl. Mater. Interfaces 5(9), 3839–3846. https://doi.org/10.1021/am400480k (2013).

Article CAS PubMed Google Scholar

Joo, M., Lee, B., Jeong, S. & Lee, M. Études comparatives sur le frittage thermique et laser pour les films de Cu hautement conducteurs imprimables sur un substrat en plastique. Films solides minces 520(7), 2878–2883. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.11.078 (2012).

Article ADS CAS Google Scholar

Schroder, KA, Mccool, SC & Furlan, WF Système de recherche et de développement de processus de base de durcissement photonique de films de nanoparticules métalliques. Nanotechnologie. Conf. Salon professionnel 3 (512), 198–201 (2006).

CAS Google Scholar

Moon, CJ et al. Frittage à la lumière flash de films de maille ag pour électrode conductrice transparente imprimée. Films minces solides 629, 60–68. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.03.049 (2017).

Article ADS CAS Google Scholar

Son, YH, Jang, JY, Kang, MK, Ahn, S. & Lee, CS Application de la méthode de frittage à la lumière du flash à l'impression à jet d'encre flexible à l'aide de nanoparticules de cuivre antioxydantes. Thin Solid Films 656 (septembre 2017), 61–67. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2018.04.034 (2018).

Article ADS CAS Google Scholar

Kumpulainen, T. et al. Frittage de nanoparticules à basse température avec des lasers à ondes continues et à impulsions. Opter. Technologie laser. 43(3), 570–576. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2010.08.002 (2011).

Article ADS CAS Google Scholar

Park, SH & Kim, HS Frittage par lumière flash de nanoparticules de nickel pour l'électronique imprimée. Films solides minces 550, 575–581. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.11.075 (2014).

Article ADS CAS Google Scholar

Troughton, J. et al. Recuit flash photonique de cellules solaires à pérovskite à l'halogénure de plomb en 1 ms. J. Mater. Chim. A 4(9), 3471–3476. https://doi.org/10.1039/C5TA09431C (2016).

Article CAS Google Scholar

Hong, S. et al. Amélioration rapide de la cinétique de surface par frittage à la lumière flash pour les piles à combustible à oxyde solide à basse température. J. Alliages Compd. 778, 337–344. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.11.178 (2019).

Article CAS Google Scholar

Chung, WH, Hwang, HJ & Kim, HS Précurseur/nanoparticule de cuivre fritté par lumière flash avec une conductivité électrique élevée et une faible porosité pour l'électronique imprimée. Thin Solid Films 580 (février 2016), 61–70. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2015.03.004 (2015).

Article ADS CAS Google Scholar

Norita, S. et al. Électrodes de cuivre imprimées par jet d'encre par frittage photonique et leur application aux transistors organiques à couches minces. Org. Électron. 25, 131–134. https://doi.org/10.1016/j.orgel.2015.06.026 (2015).

Article CAS Google Scholar

Joo, S.-J., Hwang, H.-J. & Kim, H.-S. Encre à nano/microparticules de cuivre hautement conductrice par frittage à la lumière du flash pour l'électronique imprimée. Nanotechnologie 25(26), 265601. https://doi.org/10.1088/0957-4484/25/26/265601 (2014).

Article ADS PubMed Google Scholar

De Rossi, F. et al. Tous les modules solaires pérovskite imprimables avec une surface active de 198 cm 2 et une efficacité supérieure à 6%. Adv. Mater. Technol. 3(11), 1800156. https://doi.org/10.1002/admt.201800156 (2018).

Article CAS Google Scholar

Ling, JK et al. Une perspective sur la viabilité commerciale des cellules solaires à pérovskite. Sol. RRL 5(11), 1–48. https://doi.org/10.1002/solr.202100401 (2021).

Article CAS Google Scholar

Zhong, Y. et al. Fabrication de la fenêtre intelligente à double réponse électrique-thermique FTO/PNIPAm/FTO pour la gestion du rayonnement solaire dans toute la plage de température**. ChimieSelect 6(22), 5496–5503. https://doi.org/10.1002/slct.202101124 (2021).

Article CAS Google Scholar

Xia, Y. Jeter la lumière sur les fenêtres intelligentes de stockage d'énergie électrochromique de nouvelle génération. ACS Cent. Sci. 6(12), 2130–2132. https://doi.org/10.1021/acscentsci.0c01539 (2020).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dexter, M. et al. Modélisation des gradients de température à l'échelle nanométrique et de l'évolution de la conductivité dans le frittage par lumière pulsée de réseaux de nanofils d'argent. Nanotechnologie https://doi.org/10.1088/1361-6528/aae368 (2018).

Article PubMed Google Scholar

Dexter, M., Gao, Z., Bansal, S., Chang, CH et Malhotra, R. Température, phase cristalline et influence des propriétés du substrat dans le frittage à lumière pulsée intense de couches minces de nanoparticules de sulfure de cuivre. Sci. Rep. 8(1), 1–14. https://doi.org/10.1038/s41598-018-20621-9 (2018).

Article CAS Google Scholar

Shi, B. et al. Amélioration de l'absorption de la lumière des cellules solaires fines en pérovskite à l'aide de substrats texturés. Sol. Matière énergétique. Sol. Cellules 168, 214–220. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2017.04.038 (2017).

Article CAS Google Scholar

Gern, WGOJGJ Lettres de dispositifs électroniques IEEE. IEEE Electron. Dispositif Lett. 40(1), C2–C2. https://doi.org/10.1109/led.2018.2884068 (2019).

Article Google Scholar

Potts, S.-J. et coll. Imagerie à grande vitesse de l'effet de la distance de rupture et de la vitesse de la raclette sur le mécanisme de transfert d'encre des pâtes de carbone sérigraphiées. J. Manteau. Technol. Rés. https://doi.org/10.1007/s11998-019-00291-6 (2019).

Article Google Scholar

Maccarrone, F. & Paffuti, G. Capacité et forces pour deux électrodes carrées. J. Électrostat. 89, 20–29. https://doi.org/10.1016/j.elstat.2017.06.007 (2017).

Article Google Scholar

Home-Ortiz, JM, Vargas, R., Macedo, LH & Romero, R. Reconfiguration conjointe des départs et allocation des batteries de condensateurs dans les systèmes de distribution radiaux en tenant compte des modèles dépendant de la tension. Int. J. Electr. Système d'énergie d'alimentation. 107 (juillet 2018), 298–310. https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2018.11.035 (2019).

Article Google Scholar

de Araujo, LR, Penido, DRR, Carneiro, S. & Pereira, JLR Placement optimal des condensateurs déséquilibrés dans les systèmes de distribution pour le contrôle de la tension et la minimisation des pertes d'énergie. Électr. Système d'alimentation Rés. 154, 110–121. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2017.08.012 (2018).

Article Google Scholar

Yu, MH, Joo, SJ & Kim, HS Multi-pulse flash light sintering of bimodal Cu nanoparticle-ink for hautement conductive Printed Cu électrodes". Nanotechnologie https://doi.org/10.1088/1361-6528/aa6cda (2017).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Youn, JW, Lee, SJ, Kim, KS & Kim, DU Caractéristiques d'adhérence du film d'encre VO2 fritté par une lumière pulsée intense pour une fenêtre intelligente. Appl. Le surf. Sci. 441, 508-514. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.02.061 (2018).

Article ADS CAS Google Scholar

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Ce travail a été rendu possible grâce au soutien apporté au SPECIFIC Innovation and Knowledge Center par le Engineering and Physical Science Research Council [EP/N020863/1], Innovate UK [920036], le Engineering and Physical Science Research Council [EP/N509905/1] et par le Fonds européen de développement régional [c80892] via le gouvernement gallois. Les auteurs tiennent à remercier les entreprises et institutions partenaires de Hi-prospects, en particulier les matériaux Intrinsiq pour leur soutien dans la fourniture de matériaux.

Faculté des sciences et d'ingénierie, Université de Swansea, Swansea, Royaume-Uni

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

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BA : Conceptualisation, Méthodologie, Analyse formelle, Rédaction—Brouillon original, Investigation Université de Swansea (Royaume-Uni). EJ : Conceptualisation, Supervision, Administration de projet, Rédaction—Revue et édition Université de Swansea (Royaume-Uni). YCL : Conceptualisation, Méthodologie, Analyse formelle, Investigation Swansea University (UK). JS : Conceptualisation, Supervision, Administration de projet, Rédaction—Revue et édition Université de Swansea (Royaume-Uni). TC : Supervision, Administration du projet.

Correspondance à Eastern Abbas.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Abbas, B., Jewell, E., Lau, YC et al. Frittage photonique du cuivre pour le traitement rapide des circuits conducteurs à couches épaisses sur verre revêtu FTO. Sci Rep 13, 5080 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32044-2

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Reçu : 22 décembre 2022

Accepté : 21 mars 2023

Publié: 28 mars 2023

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

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