Нанесение медного лазерного рисунка на гибкую подложку с использованием затрат

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21149 (2022) Цитировать эту статью

1138 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Мы изучили экономичное прямое лазерное нанесение рисунка меди (Cu) на тонкие полиимидные подложки (толщина PI: 12,5–50 мкм) с использованием лазерного модуля 405 нм, прикрепленного к недорогому 3D-принтеру. Фокусное расстояние лазера намеренно контролировалось, чтобы уменьшить дефекты на узорчатой ​​меди и повреждение поверхности ПИ в заранее определенных условиях процесса. Соответствующее фокусное расстояние было проверено на различных фокусных расстояниях. Фокусные расстояния – 2,4 мм и 3 мм были найдены для более короткого фокусного расстояния (SFL) и большего фокусного расстояния (LFL) соответственно по сравнению с фактическим фокусным расстоянием. В результате были получены чистые линии Cu без дефектов линий. Интересно, что в случае SFL картина роста Cu отличалась от модели LFL, что указывает на то, что небольшая разница в угле падения лазера может повлиять на спекание предшественника Cu. Квадратные образцы меди имели более низкое удельное сопротивление - 70 мкОм·см для LFL после трех или четырех лазерных сканирований, тогда как SFL показало удельное сопротивление ниже 48 мкОм·см для однократного лазерного сканирования. Остатки прекурсора Cu на ПИ легко удалялись проточной водой и обычными ПАВ. Однако после очистки удельное сопротивление образцов снизилось. Среди зазоров сканирования медный квадратный рисунок, сформированный при зазоре сканирования 70 мкм, имел самое низкое сопротивление листа и наименьшее изменение сопротивления примерно от 4 до 4,4 Ом/ϒ после очистки. Этот результат означает, что адгезия меди с рисунком может быть улучшена, если предшественник меди с покрытием хорошо спечен в соответствующих условиях процесса. Для применения этого метода в биоэлектронике, включая биосенсоры, светодиоды были подключены к медным рисункам на ПИ, прикрепленном к коже руки, и работали хорошо, даже когда подложка ПИ сгибалась во время подключения питания.

Небольшие портативные устройства на чувствительных и гибких подложках требуют процессов прямого нанесения рисунка вместо процессов литографии, которые требуют вакуумного осаждения, фоторезистов и токсичного химического травления1,2,3,4,5,6,7. Таким образом, процессы прямого нанесения рисунка широко исследовались с использованием чернил с наночастицами металлов, таких как серебро (Ag) и золото (Au)8,9,10. Вместо дорогих благородных металлов внимание привлекают композиты на основе меди (Cu) благодаря своим превосходным термическим и электрическим свойствам, а также экономической эффективности11,12,13. Однако из-за их низкой потенциальной энергии окисления (0,34 В) по сравнению с благородными металлами (Au 1,52 В; Ag 0,799 В) они имеют недостаток: легко окисляются на воздухе11. Следовательно, термическое спекание не может быть использовано для восстановления предшественника меди в окружающей среде. В последнее время сообщалось о многочисленных попытках альтернативного метода термического спекания. Одним из эффективных методов является защита и стабилизация Cu-NP путем нанесения защитного покрытия14,15 или использования тонкого благородного металла в структуре ядро-оболочка16,17. Прекурсор меди также можно спекать с помощью мощных ламп-вспышек, которые можно легко интегрировать в массивные производственные линии18,19,20,21. Поскольку этот метод позволяет нагреть предшественник меди до высокой температуры для полного спекания в течение нескольких миллисекунд, что может свести к минимуму окисление меди на воздухе и воздействие на подложки на основе полимеров, такое фотонное спекание является привлекательным вариантом для печатной электроники большой площади. Тем не менее, лампы-вспышки излучают сильный свет широкого спектра, который может вызвать частичную деформацию подложек на основе полимеров. Однако снижение интенсивности вспышки для снижения этого риска приведет к снижению качества спекания. Более того, этот метод не является методом прямого формирования рисунка, и требуется дополнительный процесс формирования рисунка до и после спекания меди.

Другой многообещающий метод — прямое лазерное спекание22,23,24,25,26,27. Во время фокусировки энергия сфокусированного луча поглощается предшественником и вызывает локализованный переходный процесс нагрева, который приводит к быстрому спеканию. Следовательно, могут быть получены металлические узоры, разрешение которых может быть ограничено оптической системой и предшественниками металлов. Быстрое сканирование позволяет получить металлические образцы высокого разрешения шириной в несколько микрометров. Кроме того, в условиях окружающей среды окисление меди предотвращается, если время спекания достаточно короткое. Неспеченные чернила легко удаляются промывкой, что завершает процесс нанесения рисунка. Однако этот процесс может повредить подложки на основе полимеров из-за использования сфокусированного лазера с высокой плотностью энергии.