Nanopartículas de cobre e impresión láser verde:una solución de placa de circuito rentable y de baja resistividad

• La nueva técnica de impresión de capa fina utiliza óxido de cobre y luz láser verde para imprimir una placa de circuito electrónico. 
• Es más eficiente y económico que los métodos tradicionales. 
• Utiliza un proceso de sinterización fotónica para lograr una baja resistividad. 

Una placa de circuito impreso conecta componentes eléctricos a través de almohadillas conductoras, pistas y múltiples láminas de cobre. Estos componentes suelen estar soldados al circuito y las pistas funcionan como cables fijos que están aislados entre sí por el material del sustrato de la placa.

El principal objetivo de estas placas es disminuir el peso, tamaño y costo de los componentes utilizados en los circuitos. Durante la última década se han adoptado numerosas estrategias de impresión directa. Cada uno tiene sus propias ventajas y desventajas. Uno de esos métodos es la impresión con tinta de nanopartículas metálicas, que es un proceso sencillo, económico y rápido.

El interés en este campo aumenta constantemente debido a su potencial de producir placas más baratas y más eficientemente que las metodologías tradicionales. Recientemente, científicos coreanos de la Universidad Soonchunhyang estudiaron las técnicas de impresión de capa fina basadas en la potencia del láser, las condiciones de precocido, la velocidad de escaneo y los efectos del espesor de la película.

Descubrieron que los circuitos electrónicos se pueden imprimir de manera más eficiente con tinta de nanopartículas de cobre y luz láser verde. Anteriormente, experimentaron con tintas de nanopartículas de plata, pero se centraron en el cobre como una alternativa viable y de bajo precio.

El experimento

Las tintas metálicas de nanopartículas tienen puntos de fusión más bajos en comparación con los metales grandes. Por ejemplo, el cobre tiene un punto de fusión de 1083°C en masa, mientras que las nanopartículas de cobre pueden reducirse a un punto de fusión de 150-500°C mediante un proceso llamado sinterización, en el que el metal se presuriza o calienta sin fundirlo hasta el punto de licuefacción. Luego, se fusionan y unen.

Para realizar lo mismo, los investigadores seleccionaron luz láser verde debido a su cambio de tasa de absorción de longitud de onda adecuada (500 a 800 nm). Utilizaron tinta de nanopartículas de óxido de cobre (disponible en el mercado) que se recubrió por rotación sobre vidrio a dos velocidades de rotación para lograr diferentes espesores.

Referencia:Avances de AIP | doi:10.1063/1.5047562 | Publicación AIP 

Para secar el solvente antes de la sinterización, los investigadores precocieron el material, lo cual es un paso esencial para disminuir el espesor de la capa de óxido de cobre y evitar explosiones de burbujas de aire que podrían ocurrir debido a la ebullición repentina del solvente durante la irradiación.

Realizaron múltiples pruebas antes de concluir que la temperatura perfecta de prehorneado es ligeramente inferior a 200°C. También buscaron una configuración óptima de la velocidad de escaneo y la potencia del láser durante la sinterización para mejorar la conductividad del circuito.

Procedimiento de trabajo del experimento | Cortesía de investigadores

En este estudio, los mejores resultados sinterizados se obtuvieron con 0,3-0,5 vatios de potencia láser, y la conductividad deseada se logra con una velocidad de escaneo láser no inferior a 10 milímetros por segundo o superior a 100 mm/s.

En cuanto al espesor de la película, la sinterización disminuye hasta un 74% del espesor (de 546 a 141 nanómetros). La compacidad y la conectividad de los nanomateriales dependen de la reducción del espesor después de la sinterización:una reducción excesiva del espesor conduce a una menor resistividad. Por tanto, en este caso, la resistividad medida se sitúa entre 9,5 y 20 μΩ·cm.

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En general, el experimento muestra que es necesaria una pequeña cantidad de disolvente en la película de óxido de cobre para obtener una sinterización uniforme con un daño mínimo a la película durante el proceso de sinterización por láser. En el próximo estudio, los investigadores investigarán los efectos del sustrato en la sinterización.