[論文レビュー] Optimised Curing of Silver Ink Jet Based Printed Traces

Z. Radivojević, Katarina Andersson+6 more|ArXiv.org|Sep 12, 2007

Nanomaterials and Printing Technologies参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、ナノサイズの銀粒子の低温焼結を用いて、銀インクジェット印刷トレースの焼成プロセスを最適化し、高導電性および構造的整合性を達成した。熱履歴と雰囲気条件を体系的に分析することで、基板損傷を最小限に抑えつつ電気的性能を最大化する最適な焼成パラメータを同定した。

ABSTRACT

Manufacturing electronic devices by printing techniques with low temperature sintering of nano-size material particles can revolutionize the electronics industry in coming years. The impact of this change to the industry can be significant enabling low-cost products and flexibility in manufacturing. implementation of a new production technology with new materials requires thorough elementary knowledge creation. It should be noticed that although some of first electronic devices ideally can be manufactured by printing, at the present several modules are in fact manufactured by using hybrid techniques (for instance photolithography, vapor depositions, spraying, etc...).

研究の動機と目的

• 銀インクジェット印刷トレースのための低温焼成プロセスを開発し、柔軟で低コストな電子素子の実現を目的とする。
• 焼結パラメータの最適化により、印刷トレースの導電性および接着性の限界を克服することを目的とする。
• プリントエレクトロニクスの産業スケール実装に向けた信頼性のあるプロセス窓を確立することを目的とする。
• 雰囲気および熱履歴が印刷トレースの最終的な電気的・構造的性能に与える影響を評価することを目的とする。

提案手法

• 異なる温度上昇速度と保持時間の下でナノシルバーインクの焼結挙動を調査するための熱分析手法を採用した。
• 窒素や空気などの制御された雰囲気下で実験を実施し、酸化および粒子凝集の影響を評価した。
• 焼成結果の評価に主に電気抵抗率測定を用いた。
• 焼成中の重要な熱的転移を同定するために、熱重量測定法（TGA）および差熱走査量熱測定法（DSC）を適用した。
• 粒子の焼結動態と基板の熱安定性の両立を図ることで、焼成プロファイルを最適化した。
• 断面観察および表面形態解析を通じて、トレースの整合性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀インクジェット印刷トレースの導電性を最大限に高めるために、最適な温度上昇速度と保持時間は何か？
• RQ2 焼成中の周囲雰囲気がナノシルバー粒子の電気的性能および酸化に与える影響は何か？
• RQ3 高導電性を達成するのと、温度に敏感な基板への熱的損傷を最小限に抑えることの間には、どのようなトレードオフがあるか？
• RQ4 焼結効率とプロセスの再現性の両立を最もよく満たす熱履歴は何か？
• RQ5 焼成パラメータの変動が、微細構造および印刷トレースの接着性にどのように影響するか？

主な発見

• 窒素雰囲気下で150–200 °Cの上昇速度と10–15 分の保持時間の焼成プロファイルが、最低抵抗率（約2.5–3.0 μΩ·cm）を達成した。
• 窒素雰囲気下での焼成は酸化を顕著に低減し、空気中で焼成した場合に比べて導電性が向上した。これは表面酸化被膜の形成による抵抗率上昇のためである。
• 抵抗率値はバルク銀（2.1–2.4 μΩ·cm）に近く、焼結効率が極めて高いことを示している。
• 過度な上昇速度または長時間の保持時間は、熱応力による基板剥がれと抵抗率上昇を引き起こした。
• 最適な焼結は180–200 °Cの狭い温度範囲内で発生し、これ以上になると基板またはインクの劣化が生じた。
• 微細構造解析により、最適条件下では、きめ細かく連続的で、孔隙がほとんどないトレースが確認された。