Как проводящие чернильные формулы влияют на электрические свойства печатной электроники

Критическая роль проводящих формулировок чернил в печатной электронике

Печатная электроника стала преобразующей производственной парадигмой, позволяющей производить гибкие, легкие и экономичные электронные устройства на подложках, начиная от полимеров и бумаги до текстиля и стекла. В основе этой технологии лежат проводящие чернила, функциональный материал, который должен быть тщательно спроектирован для баланса электрических характеристик, печатаемости и механической долговечности. Формулировка проводящих чернил непосредственно регулирует свои электрические свойства, включая проводимость, сопротивление, пропускную способность тока и целостность сигнала. По мере продвижения отрасли к более высокопроизводительным приложениям, таким как гибкие дисплеи, RFID-антенны, носимые датчики и фотоэлектрические элементы, понимание и контроль параметров состава становится необходимым для достижения надежной работы устройства.

Определены основные электрические свойства

Перед изучением деталей формулы необходимо установить фундаментальные электрические свойства, которые оптимизируют инженеры печатной электроники. Электрическая проводимость (] σ) измеряет способность материала проводить электрический ток; это взаимное сопротивление (]ρ. В печатных проводниках целью обычно является низкое сопротивление (высокая проводимость) для минимизации потерь мощности и задержек распространения сигнала. Например, объемное серебро имеет сопротивление около 1,59 × 10-8;·m, в то время как печатные серебряные чернила часто достигают сопротивления в диапазоне 2-10 раз больше объема, в зависимости от состава чернил и условий постобработки. Пропускная способность (пропускная способность) определяет, сколько тока может выдержать печатный след до перегрева или электромиграции. Импеданс, особенно на высоких частотах, становится критическим для применения антенн и межсоединений. Формулаторы должны учитывать эффект кожи, паразитную емкость и

Выбор проводящего материала: серебро, медь, углерод и за его пределами

Выбор проводящего наполнителя является единственным наиболее эффективным решением для формулирования. Каждый материал представляет собой отличный компромисс между требованиями к проводимости, стоимости, стабильности и обработке.

Серебряные чернила

Серебро остается рабочей лошадкой печатной электроники благодаря своей самой высокой внутренней электропроводности среди металлов (6,30 × 10 7 S/m) и его устойчивости к окислению в условиях окружающей среды. Чернила из серебра и наночастицы широко используются для высокопроизводительных применений, таких как диэташ, замена проводных связей и высокочастотные антенны. Однако стоимость серебра является ограничивающим фактором для большой площади или одноразовой электроники. Последние разработки в чернилах из меди с серебряным покрытием и серебряных нанопроводах направлены на снижение затрат материала при сохранении проводимости. Типичные чернила из серебра высокого класса могут достигать удельного сопротивления 3-5 µ & Omega; · см после правильного спекания.

Медные чернила

Медь обеспечивает примерно 90% проводимости серебра при доле стоимости материала (резистентность к массе 1,68 × 10 -8 & Omega;·m. Основной проблемой является быстрое окисление меди во время обработки и в эксплуатации, что резко ухудшает электрические характеристики. Для решения этой проблемы, составители используют наночастицы меди, защищенные лигандами, ингибирующими оксид, или разрабатывают чернила, которые спекаются в уменьшающих атмосферах (например, азот с муравьиной кислотой). Достижения в спекании флэш-ламп позволили обрабатывать медные чернила в условиях окружающей среды с минимальным окислением. Медные чернила набирают тягу в приложениях, где чувствительность к затратам высока, таких как емкостные сенсорные датчики и электромагнитное помехи экранирование.

Чернила на основе углерода

Углеродные краски, полученные из графита, углеродного черного или графеновых хлопьев, обеспечивают гораздо меньшую проводимость, чем металлы (обычно 10-100 S / см), но превосходят по химической инертности, гибкости и низкой стоимости. Углеродные краски широко используются в экранных электродах для биосенсоров, пьезоэлектрических приводов и электрохимических накопителей энергии. Порог перколяции в углеродно-полимерных композитах имеет решающее значение; достижение непрерывной проводящей сети требует точного контроля соотношения сторон наполнителя и дисперсии. Краски на основе графена с их двумерной морфологией тромбоцитов могут достигать проводимости выше 1000 S / см при оптимальном выравнивании и уменьшении, хотя масштабируемое производство остается проблемой.

Другие проводящие материалы

Никель, алюминий и проводящие полимеры (например, PEDOT:PSS) занимают нишевые роли. Никель используется для магнитных компонентов, алюминий для легких межсоединений (несмотря на его родной оксид) и PEDOT:PSS для прозрачных электродов в органической электронике и электрохромных устройствах. Гибридные составы, такие как сплавы серебра и меди или углеродно-серебряные композиты, могут сочетать преимущества нескольких материалов по средней стоимости.

Морфология частиц, распределение размеров и химия поверхности

Физическая форма проводящего наполнителя сильно влияет как на электрические свойства, так и на печатаемость. Сферические наночастицы (1-100 нм) обеспечивают высокую площадь поверхности и позволяют низкотемпературное спекание из-за высокой поверхностной энергии, но они могут агломерироваться и требовать тщательной дисперсии. Острицы (пластинчатые частицы с высоким соотношением сторон) обычно используются в экранной печати, потому что они выравниваются во время сдвига, создавая плотные проводящие слои. Соотношение сторон влияет на перколяцию: наполнители с высоким соотношением сторон, такие как серебряные нанопровода или углеродные нанотрубки, могут образовывать проводящие сети на гораздо меньших объемных фракциях, чем сферы, уменьшая расход материала и сохраняя механическую гибкость.

Для струйной печати частицы должны быть менее одной двадцатой диаметра сопла, чтобы избежать засорения, как правило, ниже 500 нм. И наоборот, толстопленочная экранная печать может переносить частицы до нескольких микрометров. Бимодальный или мультимодальный PSD может увеличить плотность упаковки и улучшить проводимость, поскольку мелкие частицы заполняют промежутки между более крупными.

Химия поверхности одинаково важна. Проводящие частицы часто покрываются диспергаторами, поверхностно-активными веществами или полимерными стабилизаторами для предотвращения агломерации в чернильном носителе. Однако эти органические оболочки могут действовать как электрические изоляторы на соединениях частиц, повышая контактное сопротивление. Для достижения низкого сопротивления требуется разумный выбор способа покрытия и удаления (термический, УФ или химический) во время спекания. Например, поливинилпирролидон (ПВП) является обычным диспергатором для наночастиц серебра; он разлагается чисто выше 300 °C, но оставляет изолирующие остатки, если не полностью удаляется.

Системы биндеров и их влияние на электрические свойства

Связующее (или матрица) служит для закрепления проводящих частиц на подложке и друг к другу после удаления растворителя. Связующими могут быть органические полимеры (эпоксидные, акриловые, полиуретановые), неорганические стекла (для плотнопленочных паст) или гибридные системы. Связующее вещество должно обеспечивать адгезию и гибкость без образования толстых изолирующих слоев между частицами. Как правило, связующее занимает пустоты, оставшиеся после упаковки частиц, и частично или полностью удаляется во время спекания, или оно может оставаться в качестве матрицы в полимерном толстопленочном проводнике.

Объемная фракция связующего относительно проводящего наполнителя непосредственно влияет на сеть перколяции. При низком содержании связующего (высокая наполнительная нагрузка) контакты частиц с частицами обильны, что дает высокую проводимость, но потенциально плохую адгезию и хрупкость. При высоком содержании связующего проводимость резко падает, иногда ниже порога перколяции, где частицы изолированы. Формулаторы часто нацелены на наполнительную нагрузку чуть выше порога перколяции, чтобы сбалансировать проводимость с механическими свойствами. Для напечатанных на экране серебряных чернил типичное содержание наполнителя составляет 60-80 мас.% (серебро), а остальная часть является связующим, растворителем и добавками.

Гибкие подложки требуют, чтобы связующее вмещало изгибающие штаммы без растрескивания проводника. Предпочтительны эластомерные связующие (полиуретан, силикон), но они обладают более высокими электроизоляционными свойствами. Некоторые исследователи включают проводящие полимеры в связующем для поддержания проводимости, даже если частицы контактируют отдельно. Температура стеклования (Tg) связующего также должна учитываться: низкое Tg] связующее может ползти под текущей нагрузкой, в то время как высокое Tg] связующее может вызывать растрескивание во время теплового цикла.

Растворительные системы и добавки

Растворители контролируют реологию чернил: вязкость, поверхностное натяжение и скорость сушки. Растворитель должен растворять или суспендировать связующее и добавки, влажную подложку и испаряться с контролируемой скоростью, чтобы избежать дефектов, таких как эффекты кольца кофе, трещины или пинхолы. Общие растворители включают эфиры гликоля (например, Dowanol PMA), терпинеол, бутилкарбитол и N-метил-2-пирролидон (NMP). Правила окружающей среды и здравоохранения все чаще толкают составители к более зеленым растворителям, таким как вода, этиллактат или карбонат пропилена.

Добавки, такие как смачивающие агенты, дефомеры и реологические модификаторы, используются для корректировки поведения чернил для конкретных методов печати. Например, струйная печать требует высокой вязкости (тиксотропные) чернила; струйная печать требует низкой вязкости (ньютоновские или слегка разжижающие сдвига) с поверхностным натяжением около 25-35 мН/м. Слишком высокое поверхностное натяжение вызывает плохое образование капель; слишком низкое приводит к спутниковым каплям и распространению. Некоторые добавки, такие как жертвенные полимеры, которые полностью разлагаются во время спекания, могут быть включены для улучшения упаковки частиц, не оставляя остатков, которые увеличивают контактную стойкость.

Постпроцессинг: спекание и его влияние на проводимость

После печати чернила должны быть преобразованы из слоя твердых частиц в непрерывную проводящую пленку. Процессы спекания - термический, фотонный, химический или электрический - приводят к слиянию частиц и удалению связующего. Температура спекания и продолжительность глубоко влияют на конечное сопротивление. Недостаточное спекание оставляет изолирующие барьерные слои (например, остаточный диспергатор, оксидные оболочки) между частицами, что приводит к высокому контактному сопротивлению. Сверхспекание может вызвать повреждение подложки (особенно для полимерных пленок), коалесценцию частиц в острова или деламинацию из-за дифференциального теплового расширения.

Термическое спекание при 100-300 °C является стандартным для термостойких субстратов, таких как стекло или полиимид. Для ПЭТ и других гибких пластмасс, которые не могут превышать 150-180 °C, требуются альтернативные методы. Интенсивное импульсное спекание света (IPL) использует ксеноновые флеш-лампы для быстрого нагрева только печатной пленки, в то время как субстрат остается прохладным. IPL может достигать проводимости, близкой к объемному металлу, в миллисекундах. Фотонное спекание с лазерными источниками позволяет локализовать нагрев и узорообразование. Химическое спекание при комнатной температуре использует реактивные агенты (например, слабые кислоты или солевые растворы), которые растворяют поверхностные оксиды и облегчают коалесценцию частиц. Каждый метод влияет на микроструктуру и, следовательно, электрические свойства; например, пленки с интерферированными IPL часто демонстрируют более тонкую структуру зерна и более низкую пористость, чем термически спекаемые.

Характеристика и тестирование электрических свойств

Точные измерения свойств печатных проводников имеют важное значение для оптимизации состава. Устойчивость обычно измеряется с использованием метода четырехточечного зонда, который устраняет контактное и свинцовое сопротивление. Сопротивление листа (в Ом на квадрат, Ω/sq) является удобной метрической величиной для тонких пленок и преобразуется в удельное сопротивление путем умножения на толщину пленки. Для анизотропных проводников, где имеет значение выравнивание (например, углеродные нанотрубки или графеновые чернила), необходимы измерения направления.

Тест на сцепление (тест на тягу ленты, царапину или изгиб) коррелирует с электрической надежностью; проводник, который деламинирует, выйдет из строя электрически. Гибкость оценивается путем многократного изгиба образца при мониторинге изменения сопротивления. Испытания на надежность окружающей среды - температурный цикл, хранение с высокой влажностью и тепловой удар - имеют решающее значение для применений в автомобильной или носимой электронике, где устройство должно выдерживать условия реального мира. Для высокочастотных приложений (RFID, антенны), векторные сетевые анализаторы измеряют S-параметры и потери возврата. Электромиграция тестирование при плотности постоянного тока (например, 10 5 - 10 6 A / cm 2 оценивает долгосрочную надежность.

Стратегии разработки конкретных приложений

Ни одна формула чернил не подходит для всех печатных электронных приложений. Формулаторы адаптируют чернила для целевых устройств:

Будущие направления в дирижирующей формуле чернил

Граница исследований проводящих чернил фокусируется на повышении проводимости к объемным значениям, что позволяет снизить температуры отверждения и расширить совместимость субстрата. Реактивные чернила, такие как те, которые используют серебристые карбоксилаты-предшественники, которые разлагаются на серебристый металл во время печати, устраняют необходимость в спекании дискретных частиц. Нанокомпозитные чернила, сочетающие металлические наночастицы с углеродными нанотрубками, могут достигать перколяции при меньших объемах наполнителя, снижая стоимость и вес. Самоисцеляющиеся чернила, которые включают микрокапсулы проводящей смолы, которые восстанавливают трещины при механических повреждениях, разрабатываются для прочной электроники.

Давление устойчивости стимулирует разработку связующих веществ на биооснове (например, целлюлозы, лигнина) и растворителей на водной основе. Медные чернила с растворимым сокращением оксида созревают, потенциально вытесняя серебро во многих приложениях. Присадочные технологии производства, такие как аэрозольная струйная печать и электрогидродинамическая печать, накладывают новые ограничения вязкости и размера частиц, которые будут дополнительно совершенствовать химики чернил.

Заключение

Проводящая формула чернил является многогранной дисциплиной, которая в корне определяет электрические свойства печатных электронных устройств. Тщательно выбирая проводящие материалы, контролируя размер частиц и морфологию, проектируя систему связующего растворителя и проектируя соответствующие этапы постобработки, составители могут достичь широкого спектра резистивности, текущих мощностей и механических гибких возможностей. По мере роста индустрии печатной электроники продолжающиеся инновации в химии чернил будут открывать новые приложения в гибких дисплеях, медицинских датчиках, умной упаковке и преобразовании энергии. Глубокое понимание того, как каждый элемент формулы влияет на электрическое поведение, остается основой для надежной, высокопроизводительной печатной электроники.

Для дальнейшего чтения о проводимости в печатной электронике, обратитесь к обзору Cao et al. в Journal of Materials Chemistry C и практическому руководству по формулированию чернил в Printed Electronics: Materials, Technologies and Applications. Данные по свойствам чернил серебра доступны на странице печатных электронных материалов DuPont.