Impresión con nanopartículas de cobre y láser verde: solución económica y de baja resistividad para circuitos impresos

• Nueva técnica de impresión de capa delgada usa óxido de cobre y luz láser verde para imprimir una placa de circuito electrónico.
• Es más eficiente y barata que métodos tradicionales.
• Utiliza proceso de sinterización fotónica para lograr baja resistividad.

Una placa de circuito impreso conecta componentes eléctricos a través de pistas conductivas, almohadillas y múltiples láminas de cobre. Estos componentes se sueldan típicamente al circuito, y las pistas funcionan como cables fijos aislados entre sí por el material sustrato de la placa.

El objetivo principal de estas placas es disminuir peso, tamaño y costo de componentes usados en circuitos. Numerosas estrategias de impresión directa se han adoptado en la última década. Cada una tiene sus propias ventajas y deficiencias. Uno de tales métodos es impresión con tinta de nanopartículas metálicas, que es un proceso simple, económico y rápido.

El interés en este campo aumenta constantemente debido a su potencial de producir placas más baratas de manera más eficiente que metodologías tradicionales. Recientemente, científicos coreanos de la Universidad Soonchunhyang estudiaron técnicas de impresión de capa delgada basadas en potencia láser, condiciones de pre-horneado, velocidad de escaneo y efectos de espesor de película.

Encontraron que circuitos electrónicos pueden imprimirse más eficientemente con tinta de nanopartículas de cobre y luz láser verde. Previamente, experimentaron con tinta de nanopartículas de plata pero cambiaron su foco al cobre como alternativa factible de bajo precio.

El Experimento

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

Para realizar lo mismo, investigadores seleccionaron luz láser verde debido a su tasa de absorción de longitud de onda adecuada (500 a 800 nm). Usaron tinta de nanopartículas de óxido de cobre (disponible en el mercado) que fue centrifugada sobre vidrio a dos velocidades de centrifugado para lograr diferentes espesores.

Referencia: AIP Advances | doi:10.1063/1.5047562 | AIP Publishing

Para secar solvente antes de sinterizar, investigadores pre-hornearon el material, paso esencial para disminuir espesor de capa de óxido de cobre y prevenir explosiones de burbujas de aire que podrían ocurrir por ebullición repentina de solvente durante irradiación.

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

Procedimiento de trabajo del experimento | Cortesía de investigadores

En este estudio, mejores resultados sinterizados se obtuvieron con 0.3-0.5 vatios de potencia láser, y conductividad deseada se logra con velocidad de escaneo láser no menor a 10 milímetros por segundo, ni mayor a 100 mm/s.

En cuanto al espesor de película, la sinterización reduce hasta 74% del espesor (de 546 a 141 nanómetros). La compacidad y conectividad de nanomateriales dependen de reducción de espesor después de sinterización: reducción excesiva de espesor conduce a menor resistividad. Por tanto, en este caso, la resistividad medida cae entre 9.5 y 20 μΩ·cm.

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