《Scientific Reports》：在FTO镀膜玻璃上通过光子烧结技术进行快速制备厚膜铜电路

文献摘要：

铜可能为印刷电子电路中的银提供具有成本效益的替代品，可用于医疗保健，太阳能，物联网设备和汽车应用中的各种应用。铜面临的主要挑战是它在烧结过程中容易氧化成不导电状态。光子烧结提供了一种克服氧化的方法，通过这种方法可以从离散的纳米微粒子迅速转化为完全或部分烧结的产物。在FTO镀膜玻璃上进行了混合纳米铜和混合纳米/微铜厚膜丝网印刷结构的闪光灯烧结实验研究。结果表明，可能存在多个能量窗口，可以成功地烧结厚膜铜印，防止有害的铜氧化。在最佳条件下，在1秒内获得的电导率为(3.11-4.3×-10-7Ωm)，与在250℃还原气条件下90分钟获得的电导率相当，显著提高了生产率并降低了能源需求。同时也表现出良好的薄膜稳定性，100n材料的线电阻增14%，50N50M墨水增加10%左右，20N80M墨水仅增加2%左右。

铜有可能在印刷电路中替代银，而印刷电路是任何电气/电子设备的基本组成部分。虽然银具有优异的导电性，在有机悬浮液中稳定，寿命长，但它不仅更贵，而且价格也会波动。人们对使用铜作为潜在的印刷导电材料越来越感兴趣，正在探索几种选择，包括铜前体、铜盐、氧化铜颗粒、纳米铜和微铜配方。其中，铜颗粒油墨提供了许多有利的特性，具有与银颗粒相似的流变性和印刷性能。一个挑战是形成在加工过程中不会迅速转化为电绝缘氧化铜的颗粒，这会降低它们的导电性。防止氧化最常用的方法是在惰性、真空或理想的还原性气氛中对材料进行热烧结(150-400℃)。然而，传统的热烘箱工艺通常本质上是一个间歇工艺，工艺时间为60-120分钟。这限制了生产率，并且还具有固有的高碳足迹，与高温直接相关，加工时间长，与还原气氛气体的生产和储存间接相关。广域闪光灯光子烧结已被广泛用于烧结银纳米、镍纳米以及加工其他复杂的纳米材料和器件。除了快速烧结之外，光子烧结技术的主要优点是，它可能会烧结而不会对衬底造成任何损害，并且不需要使用还原气氛。这大大减少了加工时间，降低了烧结过程的整体能源需求。

关于光子烧结在铜导电油墨上的应用，已有多篇报道。光子烧结已被广泛证明能够在聚合物衬底上烧结薄喷墨印刷的铜纳米颗粒油墨，从而在保护气氛下产生等效的热烧结电导率。关于通常由丝网印刷产生的较厚薄膜(>5µm)的文献很少。基材的厚膜特性提供了额外数量的需要烧结的材料，并且提供了将能量从暴露表面通过大块转移到薄膜核心的额外挑战。在甲酸还原气氛下对PI基板上丝网印刷铜纳米颗粒油墨的热和激光烧结的比较表明，在控制激光功率和扫描速度的情况下，激光烧结过程可以获得与氮气氛下热烧结(1.30×-10⁻⁵Ωcm)几乎相同的电阻率(1.41×-10⁻⁵Ωcm)。这突出了光子烧结更厚薄膜的可行性，尽管这项研究不是在闪光灯下进行的。作为一种大面积单曝光工艺，闪光灯烧结比激光烧结具有潜在的优势，能够瞬间加工更大的区域。

实验过程：

1.铜材料：三种铜材料来源于intrinq材料，根据纳米(N)和微米(M)颗粒的比例分别标记为100N、50N50M和20N80M。

2.基材：FTO(氟掺杂氧化锡)是一种应用于玻璃的流行涂层，与ITO(铟掺杂氧化锡)相比，它具有更低的导电性和透明度。

3.印刷方式：丝网印刷。

4.预烘：将所有样品在热干燥机中以80℃的温度进行热干燥，停留时间为15分钟。

5.烧结：采用了3脉冲和10脉冲策略。

实验结论与图片：

打印的干燥但未烧结的图像(a)和(b)以及10脉冲光子能量分布图(能量密度为8.9J/cm²)

600µm线路各材料的绝对电阻率关系

最佳烧结条件下，每种光子烧结油墨的600µm线电阻随时间的变化以周为单位

文献结论：

在FTO玻璃基板上进行丝网印刷厚铜薄膜的光子烧结是可能的。在纳米和微观尺度上，材料性能与成功烧结丝网印刷铜所需的光子能量之间存在着显著的相互作用。当光子烧结时，纯纳米颗粒油墨的电导率降低了5倍和7倍，这可能与薄膜内缺乏纳米颗粒烧结有关。对于纯纳米材料来说，烧结的操作窗口很小，灯输出能级略低于窗口而无法烧结薄膜，而超过上限则会发生灾难性失效。纳米/微粒子共混物的操作窗口更宽，由此产生的电导率接近纯纳米材料，但提供了改进的粘附性能。与热烧结的数小时相比，这提供了一种无需受控气体环境的烧结方法，只需几秒钟即可完成。理想的光子曝光条件与特征尺寸和薄膜厚度有关，并且这在加工和设计阶段之间施加了关键的相互作用。建议进一步开展工作，建立设计规则，将印刷和材料特性与所需的排放剖面联系起来。然而，最佳烧结条件随特征尺寸而变化，这限制了电路设计的灵活性。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-023-32044-2