铜纳米颗粒和绿色激光打印：经济高效的低电阻率电路板解决方案

印刷电路板通过导电垫、走线和多片铜片连接电气元件。这些组件通常焊接到电路上，轨道作为固定电线，通过电路板基板材料彼此隔离。

这些板的主要目标是减少电路中使用的组件的重量、尺寸和成本。在过去的十年中，已经采用了许多直接打印策略。每个都有自己的优点和缺点。其中一种方法是金属纳米粒子墨水印刷，这是一种简单、廉价且快速的过程。

由于其比传统方法更有效地生产更便宜的电路板的潜力，人们对该领域的兴趣不断增加。最近，韩国顺天乡大学的科学家研究了基于激光功率、预烘烤条件、扫描速度和薄膜厚度影响的薄层印刷技术。

他们发现，使用铜纳米粒子墨水和绿色激光可以更有效地印刷电子电路。此前，他们尝试过银纳米粒子墨水，但后来将重点转向铜作为可行的低成本替代品。

与大金属相比，纳米颗粒金属墨水的熔点较低。例如，铜的熔点为 1083°C，而铜纳米颗粒可以通过一种称为烧结的过程将熔点降至 150-500°C，在烧结过程中，金属被加压或加热，但不会将其熔化至液化点。然后，将它们合并并绑定在一起。

为了执行相同的操作，研究人员选择了绿色激光，因为它具有合适的（500 至 800 nm）波长吸收率变化。他们使用氧化铜纳米颗粒墨水（市场上有售），以两种旋转速率将其旋涂到玻璃上以获得不同的厚度。

参考：AIP Advances | doi:10.1063/1.5047562 | AIP 出版

为了在烧结前干燥溶剂，研究人员对材料进行了预烘烤，这是减少氧化铜层厚度并防止辐照过程中因溶剂突然沸腾而可能发生气泡爆炸的重要步骤。

他们进行了多次测试后得出结论，完美的预烘烤温度略低于200°C。他们还寻找烧结过程中扫描速度和激光功率的最佳配置，以提高电路的导电性。

实验工作流程|由研究人员提供

本研究中，在0.3-0.5瓦的激光功率下获得了最佳的烧结效果，并且在激光扫描速度不慢于10毫米/秒或快于100毫米/秒时实现了所需的导电率。

就薄膜厚度而言，烧结可减少高达 74% 的厚度（从 546 纳米减少到 141 纳米）。纳米材料的致密性和连通性取决于烧结后厚度的减少：过度的厚度减少会导致电阻率降低。因此，本例中测得的电阻率在 9.5 至 20 μΩ·cm 之间。

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总的来说，实验表明，在激光烧结过程中，为了获得均匀的烧结和最小的薄膜损伤，氧化铜薄膜中残留少量的溶剂是必要的。在接下来的研究中，研究人员将研究基材对烧结的影响。

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