PL244585B1 - Materiał z metaliczną fazą wiążącą do zastosowań w technikach addytywnych - Google Patents

Materiał z metaliczną fazą wiążącą do zastosowań w technikach addytywnych Download PDF

Info

Publication number
PL244585B1
PL244585B1 PL438920A PL43892021A PL244585B1 PL 244585 B1 PL244585 B1 PL 244585B1 PL 438920 A PL438920 A PL 438920A PL 43892021 A PL43892021 A PL 43892021A PL 244585 B1 PL244585 B1 PL 244585B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
copper
weight
hcoo
formate
binding phase
Prior art date
Application number
PL438920A
Other languages
English (en)
Other versions
PL438920A1 (pl
Inventor
Marcin Słoma
Bartłomiej Wałpuski
Original Assignee
Politechnika Warszawska
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Politechnika Warszawska filed Critical Politechnika Warszawska
Priority to PL438920A priority Critical patent/PL244585B1/pl
Publication of PL438920A1 publication Critical patent/PL438920A1/pl
Publication of PL244585B1 publication Critical patent/PL244585B1/pl

Links

Landscapes

  • Conductive Materials (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Chemically Coating (AREA)
  • Parts Printed On Printed Circuit Boards (AREA)

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest materiał z metaliczną fazą wiążącą do zastosowań w technikach addytywnych, w szczególności w wytwarzaniu obwodów, ścieżek i elementów elektroprzewodzących w obwodach elektroniki strukturalnej, który charakteryzuje się tym, że składa się z 60 - 73% wag. proszku miedzi o uziarnieniu 5 - 25 µm, 5 - 30% wag. nasyconego roztworu mrówczanu miedzi (Cu(HCOO)2) w aminie, oraz wodnego roztworu gliceryny (C3H5(OH)3) w ilości nie większej niż 4% wag.

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest materiał z metaliczną fazą wiążącą do zastosowań w technikach addytywnych, w szczególności w wytwarzaniu obwodów, ścieżek i elementów elektroprzewodzących w obwodach elektroniki strukturalnej.
Jedną z metod wytwarzania elektroniki strukturalnej jest naprzemienne nanoszenie materiału strukturalnego i elektronicznego w każdej z warstw, aż do wykonania całego produktu. Głównym wyzwaniem w tej technice jest uzyskanie wysokich właściwości elektrycznych (zwłaszcza przewodności) oraz ograniczenie kosztów produkcji. Litymi materiałami o najwyższej przewodności elektrycznej są metale, jednak istniejące na rynku systemy do addytywnego wytwarzania warstw metalicznych wymagają stosowania materiałów strukturalnych (podłoży) o dużej odporności termicznej, takich jak ceramika. Pociąga to za sobą wysokie koszty zarówno urządzenia (oparte są one o lasery wysokiej mocy), jak i materiałów - elektronika na podłożach ceramicznych stosowana jest tylko do specjalnych zastosowań, takich jak urządzenia medyczne i wojskowe. Podłożami najczęściej stosowanymi w elektronice są polimery, ze względu na ich niewielki koszt i bardzo dobre właściwości dielektryczne.
Istnieje także wiele metod ich addytywnego wytwarzania, jednak większość tych materiałów w temperaturze powyżej 300°C ulega degradacji. Konieczne więc jest opracowanie sposobu wytwarzania metalicznych warstw w temperaturze poniżej 300°C. Metalami o najwyższej przewodności są srebro (63 MS/m), miedź (60 MS/m) i złoto (41 MS/m), lecz srebro i złoto są zdecydowanie droższe od miedzi (kolejno o dwa i cztery rzędy wielkości), więc najbardziej odpowiednim metalem byłaby miedź. Głównym mechanizmem łączenia metalu przy wytwarzaniu addytywnym jest jego miejscowe spiekanie lub przetapianie, więc pewnym rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie nanoproszków metali, które charakteryzują się znacznie niższą temperaturą topnienia, w stosunku do litych postaci. Wytwarzanie nanoproszków metali jest jednak procesem mało wydajnym, przez co materiały te są nawet kilkanaście razy droższe niż lity metal. Ponadto, nanoproszki miedzi ulegają spontanicznemu utlenieniu w powietrzu, więc ich przechowywanie i przetapianie musiałoby być przeprowadzone w atmosferze ochronnej, co utrudnia cały proces i podnosi jego koszty.
Istnieją związki miedzi, np. sole organiczne, które pod wpływem podwyższonej temperatury rozpadają się do czystej miedzi i pozostałości gazowych. Ponadto temperatura tego rozpadu, jest znacznie niższa niż temperatura topienia miedzi np. mrówczan miedzi rozpada się w ok. 230°C, a miedź topi się w ok. 1085°C. Z tego powodu związki te (sole metaloorganiczne) badane są jako główny składnik jednorodnych tuszy na potrzeby elektroniki drukowanej.
Z opisu patentowego nr US6770122 B2 znany jest sposób osadzania miedzi ze związku kompleksowego mrówczanu miedzi. Sposób ten prowadzi jednak do wytworzenia jednorodnej warstwy miedzi, a nie fazy wiążącej. Ponadto nie znane są właściwości elektryczne tak wytworzonej warstwy. Wytwarzane są one poprzez nanoszenie na podłoże związku kompleksowego pędzlem lub przez zanurzenie, a następnie ogrzanie całości do temperatury poniżej 200°C.
Znane są z publikacji niepatentowej Y. Dong, Z. Lin, X. Li, Q. Zhu, J. Li, X. Sun, J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 6406-6415 warstwy miedzi utworzone z kompleksowych związków. Posiadają one bardzo niską rezystywność (jeden rząd wielkości większą niż czysta miedź) i powstały w oparciu o mrówczan miedzi oraz mono- i diaminy. Warstwy te powstały jednak z jednorodnej miedzi, wytworzonej z kompleksowego związku metaloorganicznego. Wytwarzane są przez powlekanie obrotowe lub nanoszenie pisakiem na wytrzymałym termicznie tworzywie (taśmie poliimidowej), a następnie wygrzewanie w temperaturze poniżej 200°C. Kompleksowe związki miedzi, na bazie których powstają metaliczne warstwy, zostały też opisane w artykule W. Xu, T. Wang, Langmuir, 2017, 33, 82-90. Przedstawione tam warstwy posiadały rezystancję prawie sześciokrotnie większą o litej miedzi na podłożu z poliimidu i trzynastokrotnie większą na podłożach z polinaftelenu etylenu (PEN) i politereftalenu etylenu (PET). Przedstawiony materiał bazował jedynie na mrówczanie miedzi, alkoholu i aminie lub mieszaninie amin. Metaliczne warstwy powstały jednak jedynie z jednorodnej m iedzi pochodzącej ze związku metaloorganicznego i wytwarzane były poprzez nanoszenie pipetą i ogrzewanie w piecu próżniowym do temperatury 160-180°C.
Warstwy z kompleksowych związków miedzi znane są z pracy Y. Farraj, A. Smooha, A. Kamyshny, S. Magdassi, ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 8766-8773. Posiadają one bardzo niską rezystywność (prawie 5 razy większą niż czysta miedź) i powstały w oparciu o mrówczan miedzi i monoaminę. Warstwy te powstały jednak z jednorodnej miedzi, wytworzonej z kompleksowego związku metaloorganicznego, a jako substancję wiążącą wykorzystano tam poliwinylopirolidon. Wykonywane są one przez sitodruk lub druk strumieniowy na polinaftelenie etylenu (PEN) lub na podłożu wykonanym addytywnie z materiału VeroBlue. Metaliczna warstwa uzyskiwana jest przez rozpad wspomagany plazmą (argonową lub azotową).
Miedziane warstwy z kompleksowych związków metaloorganicznych zostały opisane w publikacji W. Li, L. Li, Y. Gao, D. Hu, C. Li, H. Zhang, J. Jiu‘ S. Nagao, K. Suganuman, J Alloys Compd 2018, 732, 240-247. Warstwy te posiadają bardzo niską rezystancję (3,5 razy większą niż czysta miedź) i powstają z materiału zawierającego submikronowy proszek miedzi oraz związek mrówczanu miedzi i monoaminy. Warstwy te powstawały przez nanoszenie materiału przez szablon na podłoża poliimidowe, a następnie dwuetapowe spiekanie: najpierw poprzez ogrzanie do temperatury 140°C w atmosferze obojętnej, a następnie naświetleniu próbki przez 2 ms intensywnym światłem o energii dochodzącej do 3,3 J/cm2. Zastosowanie tak drobnych ziaren (o wymiarze rzędu kilkuset nm) i przedstawionej procedury spiekania, spowodowało, że związek metaloorganiczny w tym materiale pełnił formę topnika, a cały proces przypomina spiekanie w fazie stałej. Zarówno sposób nanoszenia jak i spiekania nie jest możliwy do zastosowania przy wytwarzaniu elektroniki strukturalnej.
Uzyskiwanie obwodów drukowanych ze związków kompleksowych miedzi zostało przedstawione w pracy H. Min, B. Lee, S. Jeong, M. Lee, Opt Laser Technol, 2017, 88, 128-133. Przedstawiony sposób pozwalał na uzyskanie linii o szerokości ok. 11 μm i rezystywności ok. 50 razy wyższej niż lita miedź. Obwód ten powstał przez powlekanie obrotowe tuszu na bazie mrówczanu miedzi, monoaminy i alkoholu izopropylowego na foliach poliimidowych, szkle lub szkle pokrytym tlenkiem indu cyny, selektywną pirolizę tuszu poprzez skanowanie laserem UV o mocy ok. 5W w atmosferze obojętnej, a następnie wypłukaniu nieutwardzonego tuszu alkoholem izopropylowym.
Materiał z metaliczną fazą wiążącą do zastosowań w technikach addytywnych, składa się z 60-73% wag. proszku miedzi o uziarnieniu 5-25 μm, 5-30% wag. nasyconego roztworu mrówczanu miedzi (Cu(HCOO)2) w aminie, oraz wodnego roztworu gliceryny (C3Hs(OH)3) w ilości nie większej niż 4% wag.
Korzystnie, aminą jest etylenodiamina (C2H4(NH2)2).
Korzystnie, materiał zawiera 61,54% wag. proszku miedzi (Cu), 23,57% wag. etylenodiaminy (C2H4(NH2)2) i 14,89% wag. mrówczanu miedzi (Cu(HCOO)2).
Równie korzystnie, materiał zawiera 71,43% wag. proszku miedzi (Cu), 13,08% wag. etylenodiaminy (C2H4(NH2)2), 11,92% wag. mrówczanu miedzi (Cu(HCOO)2) i 3,57% wag. gliceryny (C3Hs(OH)3).
Rozwiązanie obniża koszty produkcji układów i elementów elektronicznych wbudowanych w struktury konstrukcyjne. Technologia może być wdrożona przy małych kosztach inwestycyjnych w urządzenia i materiały do produkcji. Zastosowanie tego materiału, w porównaniu do materiałów opartych na srebrze, zwiększa też niezawodność całych układów, gdyż miedź posiada zdecydowanie mniejszą zdolność do elektromigracji i tworzenia rezystywnych warstw międzymetalicznych z pozostałymi komponentami.
Rozwiązanie według wynalazku zostało ujawnione w przykładach wykonania poniżej.
Przykład 1
Opracowana pasta składa się z dwóch frakcji: stałej - proszku miedzi oraz roztworu mrówczanu miedzi (Cu(HCOO)2) w etylenodiaminie (C2H4(NH2)2). Do 23,57% wag. etylenodiaminy (C2H4(NH2)2) trzykrotnie dodano po 4,96% wag. mrówczanu miedzi (Cu(HCOO)2) i po każdym dodaniu mieszaninę mieszano przez okres 2 h z wykorzystaniem mieszalnika magnetycznego lub mechanicznego. Następnie dodano 61,54% wag. proszku miedzi (Cu) i całą mieszaninę ucierano w ucieraku moździerzowym przez 30 minut. W opracowanym sposobie, otrzymana pasta nakładana była na wykonane addytywn ie podłoże polimerowe, za pomocą druku bezpośredniego tj. wytłaczania pasty z poruszającej się strzykawki i igły dozującej, a następnie, piroliza indukowana była pod wpływem promieniowania laserowego o mocy 7,6 W i długości fali z zakresu bliskiej podczerwieni (980 nm), skanującego selektywnie powierzchnię z prędkością ok. 1 m/min. Zaobserwowano rezystancję warstwy na poziomie 0,29 mΩ/□.
Przykład 2
Do 13,08% wag. etylenodiaminy (C2H4(NH2)2) dwukrotnie dodano po 4,18% wag. mrówczanu miedzi (Cu(HCOO)2) i po każdym dodaniu mieszaninę mieszano w temperaturze pokojowej przez okres 2 h z wykorzystaniem mieszalnika magnetycznego lub mechanicznego. W osobnym naczyniu w 3,57% wag. gliceryny (C3Hs(OH)3) rozpuszczono 3,57% wag. mrówczanu miedzi (Cu(HCOO)2). Gliceryna zapewniła odpowiednią reologię dla otrzymania pasty o lepkości ok. 1 Pa-s. Następnie do 71,43% wag.
proszku miedzi (Cu) dodano etylenodiaminę z mrówczanem miedzi oraz glicerynę z mrówczanem miedzi i całą mieszaninę ucierano w ucieraku moździerzowym przez 30 minut. W opracowanym sposobie, otrzymana pasta nałożona została na wykonane addytywnie podłoże polimerowe, za pomocą druku bezpośredniego tj. wytłaczania pasty z poruszającej się strzykawki i igły dozującej, a następnie, piroliza indukowana była pod wpływem promieniowania laserowego o mocy 7,2 W i długości fali z zakresu bliskiej podczerwieni (980 nm), skanującego selektywnie powierzchnię z prędkością ok. 1 m/min. Zaobserwowano rezystancję warstwy na poziomie 0,17 mΩ/□.

Claims (4)

1. Materiał z metaliczną fazą wiążącą do zastosowań w technikach addytywnych, znamienny tym, że składa się z 60-73% wag. proszku miedzi o uziarnieniu 5-25 μm, 5-30% wag. nasyconego roztworu mrówczanu miedzi (Cu(HCOO)2) w aminie, oraz wodnego roztworu gliceryny (C3Hs(OH)3) w ilości nie większej niż 4% wag.
2. Materiał według zastrz. 1, znamienny tym, że aminą jest etylenodiamina (C2H4(NH2)2).
3. Materiał według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera 61,54% wag. proszku miedzi (Cu),
23,57% wag. etylenodiaminy (C2H4(NH2)2) i 14,89% wag. mrówczanu miedzi (Cu(HCOO)2).
4. Materiał według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera 71,43% wag. proszku miedzi (Cu),
13,08% wag. etylenodiaminy (C2H4(NH2)2), 11,92% wag. mrówczanu miedzi (Cu(HCOO)2) i 3,57% wag. gliceryny (C3Hs(OH)3).
PL438920A 2021-09-10 2021-09-10 Materiał z metaliczną fazą wiążącą do zastosowań w technikach addytywnych PL244585B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL438920A PL244585B1 (pl) 2021-09-10 2021-09-10 Materiał z metaliczną fazą wiążącą do zastosowań w technikach addytywnych

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL438920A PL244585B1 (pl) 2021-09-10 2021-09-10 Materiał z metaliczną fazą wiążącą do zastosowań w technikach addytywnych

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL438920A1 PL438920A1 (pl) 2023-03-13
PL244585B1 true PL244585B1 (pl) 2024-02-12

Family

ID=85480546

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL438920A PL244585B1 (pl) 2021-09-10 2021-09-10 Materiał z metaliczną fazą wiążącą do zastosowań w technikach addytywnych

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL244585B1 (pl)

Also Published As

Publication number Publication date
PL438920A1 (pl) 2023-03-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11699632B2 (en) Methods for attachment and devices produced using the methods
CN104812175B (zh) 金属糊料和油墨
Kang et al. Sintering of inkjet-printed silver nanoparticles at room temperature using intense pulsed light
US7553512B2 (en) Method for fabricating an inorganic resistor
JP6975055B2 (ja) ハイブリッドナノ銀/液体金属インク組成物およびその使用
US6951666B2 (en) Precursor compositions for the deposition of electrically conductive features
KR20050033513A (ko) 저점도 전구체 조성물 및 전도성 전자 형상의 증착 방법
US20140287159A1 (en) Conductive paste formulations for improving adhesion to plastic substrates
Eun et al. Electromechanical properties of printed copper ink film using a white flash light annealing process for flexible electronics
US20200010707A1 (en) Method of finishing a metallic conductive layer
TWI784320B (zh) 燒結組成物、其製造和使用方法及其用途
Nguyen et al. Nitrocellulose-stabilized silver nanoparticles as low conversion temperature precursors useful for inkjet printed electronics
PL244585B1 (pl) Materiał z metaliczną fazą wiążącą do zastosowań w technikach addytywnych
KR20190112803A (ko) 열 안정성이 개선된 분자 잉크
CN102119064A (zh) 复合纳米粒子及其制造方法
CN108140442B (zh) 聚合物厚膜铜导体组合物的光子烧结
Keck et al. Low-temperature sintering of nanometal inks on polymer substrates
KR102217021B1 (ko) 전도성 고분자를 포함하는 솔더 조성물 및 이를 이용한 전도성 패턴 결합 방법
CN108140445B (zh) 可焊接的聚合物厚膜铜导体组合物的光子烧结
Putaala et al. Characterization of laser-sintered thick-film paste on polycarbonate substrates
TWI842810B (zh) 電子零件及其製造方法
JP7072812B2 (ja) 導体の製造方法、配線基板の製造方法及び導体形成用組成物
JP2020139223A (ja) 焼結体の製造方法、焼結体および発光装置の製造方法