Nanopartículas de cobre e impressão a laser verde:uma solução de placa de circuito econômica e de baixa resistividade

• Nova técnica de impressão em camada fina usa óxido de cobre e luz laser verde para imprimir uma placa de circuito eletrônico. 
• É mais eficiente e barato que os métodos tradicionais. 
• Ele utiliza processo de sinterização fotônica para obter baixa resistividade. 

Uma placa de circuito impresso conecta componentes elétricos através de blocos condutores, trilhos e múltiplas folhas de cobre. Esses componentes são normalmente soldados no circuito e as trilhas funcionam como fios fixos isolados uns dos outros pelo material do substrato da placa.

O principal objetivo dessas placas é diminuir o peso, tamanho e custo dos componentes utilizados nos circuitos. Numerosas estratégias de impressão direta foram adotadas na última década. Cada um tem suas próprias vantagens e deficiências. Um desses métodos é a impressão com tinta de nanopartículas metálicas, que é um processo simples, barato e rápido.

O interesse neste campo aumenta constantemente devido ao seu potencial de produzir placas mais baratas e mais eficientes do que as metodologias tradicionais. Recentemente, cientistas coreanos da Universidade Soonchunhyang estudaram as técnicas de impressão em camada fina com base na potência do laser, condições de pré-cozimento, velocidade de digitalização e efeitos de espessura do filme.

Eles descobriram que os circuitos eletrônicos podem ser impressos de forma mais eficiente com tinta de nanopartículas de cobre e luz laser verde. Anteriormente, eles experimentaram tinta de nanopartículas de prata, mas focaram no cobre como uma alternativa viável de baixo preço.

A experiência

As tintas metálicas de nanopartículas têm pontos de fusão mais baixos em comparação com grandes metais. Por exemplo, o cobre tem um ponto de fusão de 1083°C a granel, enquanto as nanopartículas de cobre podem ser reduzidas para um ponto de fusão de 150-500°C através de um processo denominado sinterização, no qual o metal é pressurizado ou aquecido sem derretê-lo até o ponto de liquefação. Então, eles são mesclados e unidos.

Para realizar o mesmo, os pesquisadores selecionaram a luz laser verde devido à sua mudança adequada na taxa de absorção do comprimento de onda (500 a 800 nm). Eles usaram tinta de nanopartículas de óxido de cobre (disponível no mercado) que foi revestida por rotação no vidro em duas taxas de rotação para atingir diferentes espessuras.

Referência:AIP Advances | doi:10.1063/1.5047562 | Publicação AIP 

Para secar o solvente antes da sinterização, os pesquisadores pré-cozinharam o material, etapa essencial para diminuir a espessura da camada de óxido de cobre e evitar explosões de bolhas de ar que poderiam ocorrer devido à ebulição repentina do solvente durante a irradiação.

Eles realizaram vários testes antes de concluir que a temperatura perfeita de pré-cozimento é ligeiramente inferior a 200°C. Eles também procuraram uma configuração ideal de velocidade de varredura e potência do laser durante a sinterização para melhorar a condutividade do circuito.

Procedimento de trabalho da experiência | Cortesia de pesquisadores

Neste estudo, os melhores resultados de sinterização foram obtidos com 0,3-0,5 watts de potência do laser, e a condutividade desejada é alcançada com velocidade de varredura a laser não inferior a 10 milímetros por segundo, ou superior a 100 mm/s.

No que diz respeito à espessura do filme, a sinterização diminui até 74% da espessura (de 546 para 141 nanômetros). A compacidade e a conectividade dos nanomateriais dependem da redução da espessura após a sinterização:a redução excessiva da espessura leva a menos resistividade. Portanto, neste caso, a resistividade medida fica entre 9,5 e 20 μΩ·cm.

Leia:Nanopartículas de ouro podem melhorar o armazenamento de energia solar

No geral, o experimento mostra que uma pequena quantidade de solvente restante no filme de óxido de cobre é necessária para obter uma sinterização uniforme com danos mínimos ao filme durante o processo de sinterização a laser. No próximo estudo, os pesquisadores investigarão os efeitos do substrato na sinterização.