デジタルアディティブ印刷によるプリンテッドエレクトロニクス向け
高導電性Ag、Au、Pt金属錯体インクによる高度なメタライゼーション
問題です。
エレクトロニクスの世界が文字通り変化し続け、製品がウェアラブル、フレキシブル、折りたたみ可能で、同時にデータ処理ができるようになるにつれ、それを可能にする小さな回路への需要が転換点を迎え、新しいソリューションへのニーズが高まっています。さらに、半導体パッケージングとバイオメディカルデバイスにおけるイノベーションと安全なサプライチェーンの推進は、今日の中核的な重要性を持っています。アディティブ・マニュファクチャリングにおける最も基本的なコンポーネントのひとつであり、イノベーションの新たな担い手となるのが、導電性インクです。現在、銀（Ag）、銅（Cu）、ニッケル（Ni）、白金（Pt）、金（Au）などの金属インクは、高い導電性、触媒活性、高い耐食性により、回路、ガス、熱、生体センサーに広く使用されています。しかし、従来の金属インクは、金属ナノ粒子（NP）をベースにしている。これらのインクは、凝集を防ぐために配位子によって捕獲されたコロイド状のNPの懸濁液を含んでいる。これらのインクの性能は、電気抵抗が高く、保存期間が短いために低下している。さらに、NPsベースのAg、Pt、Auインクの製造は高価であり、環境にもやさしくない。
解決策
エレクトロニンクス社（テキサス州オースチン）のパーティクルフリーのCu、Ni、Ag、Au、Pt導電性インクです。エレクトロニンクス社は、ナノ粒子ベースのインクに比べ、性能と信頼性の面でいくつかの利点を持つパーティクルフリーの有機金属ベースインクを開発しました。有機金属前駆体からなるパーティクルフリーインクは、一般に、より低温で金属膜をよりきれいに還元するため、より優れた性能を発揮する。最終的な膜は有機界面活性剤などを持たないため、応力/接着試験に耐える傾向があり、MSLや航空宇宙規格に対する信頼性も高い。
II. 背景
あらゆる形状、サイズ、電力レベルのエレクトロニクスを、より幅広いコンシューマー製品および工業製品に搭載することが、今ほど強く求められている時代はありません。新しい5Gフリップフォンの折りたたみ式ディスプレイから、スポーツウェアの医療用センサー、世界中のあらゆる港に入るコンテナのあらゆる品物のRFIDタグまで、強力な小型回路がそれを可能にしているのです。
このトレンドはムーアの法則に支えられていますが、アディティブ・マニュファクチャリングの進化も同様に重要です。これらの進歩は、低コストで高機能なマイクロエレクトロニクスの豊かな可能性を生み出しています。アディティブ・マニュファクチャリングにおける最も基本的なコンポーネントのひとつであり、イノベーションの新たな担い手となるのが導電性インクである。
このホワイトペーパーでは、エレクトロニクスのパーティクルフリー導電性インクの独自製品ラインを拡大するために開発中の、高度で高性能な導電性金属インクの新処方について詳しく説明しています。
現在、電極の製造には銀インクが効果的に使用されています。しかし、銀インクは比較的高い温度と湿度の条件下でエレクトロマイグレーションを起こすため、すべての用途に使用できるわけではありません。白金（Pt）や金（Au）をベースにした他の貴金属インクは、触媒活性と高い耐食性により、保護回路、ガス、熱、生体センサーに広く使用されている.
しかし、従来のメタライゼーションの考え方では – 物体の表面に金属をコーティングする技術には、限界があります。長年使用されてきたこれらの従来の手法は、特定の温度では性能が低下し、毒性が強く、粘度が低く、その他の工具の問題もあるため、大量生産には実用的ではありません。
例えば、従来の金やプラチナインクは、金属ナノ粒子（NP）をベースにしています。これらのインクは、凝集を防ぐためにリガンドで捕捉されたコロイド状のNPの懸濁液を含んでいます。これらのインクの性能は、電気抵抗が高く、保存期間が短いために低下している。さらに、NPsベースのPtやAuインクの製造は高価であり、環境にもやさしくない。
お客様のメリット
パーティクルフリーインクを使用することで、高精細な印刷を数時間かけて行うことができます。
より少ない貴金属でより高いパフォーマンスを実現し、より持続可能でコスト効率の高い製品を提供します。
エレクトロニクスの金（Au）粒子不使用の新インクを投入。現在、別の方法として、メタロオーガニックプレカーサーというものがあります。この有用な材料は、粒子を含まない導電性インク製剤の調製に注目されている。しかし、その正体は何なのだろうか？有機金属前駆体とは、金属原子と、その金属原子にさまざまな官能基を介して結合した1つ以上の有機配位子を持つ化合物である。
有機金属化合物は、金属と有機化合物からなる錯体の強さを変えることで、さまざまな温度領域で分解するように設計することができる。それでも、金インクは導電性機能の印刷に使用されてきた。そのほとんどは、従来のナノ粒子ベースの処方を使用している。エレクトロニクスの開発した粒子不含の金属-有機ベース前駆体は、ナノ粒子ベースのインクと比較していくつかの利点がある。有機金属前駆体からなるパーティクルフリーインクは、よりきれいに分解され、多くの場合、より低温で分解されます。パーティクルフリーインクにより、微細な特徴を持つ数時間の印刷を達成することができる。
有機金属インクはまた、ナノ粒子ベースのインクよりも保存性が高い。このホワイトペーパーでは、金（I）アミンベースのパーティクルフリーインク製剤を使用して、エアロゾルジェット印刷技術で高導電性の微細な金線を製造する方法を説明します。
エレクトロ二クスから白金（Pt）粒子不使用の新インク登場: また、金属白金薄膜の成膜も注目されている。マイクロエレクトロニクスデバイスの接点形成、高温電気化学、触媒用途など、エレクトロニクスの幅広い分野で利用が進んでいる。金や銀といった一般的な貴金属と比較すると、白金の応用は難しく、関連する報告もまばらである。白金の一般的な析出方法には、気相析出法、電気化学的析出法、無電解析出法がある。これらの従来のプロセスは、しばしば非実用的で、大規模な生産が困難である。
表1：NPを用いたAg、Au、Ptインクとエレクトロニクスの粒子を用いないAg、Au、Ptインクの比較
iii.エアロゾルジェットプリンティングプロセス
エアロゾルジェットプリンティングは、非接触の成膜方法の一つである。超音波霧化または空気圧霧化によって生成されたインクミストを噴射して印刷する方法です。エレクトロニクスの金・白金インクは、超音波霧化用に特別に設計されており、空気圧霧化プロセスと比較して、より高い印刷解像度を達成することができます。エアロゾルジェットプリンター（OPTOMECシステム、IDS nanojetシステム）で、エレクトロニクスのパーティクルフリーAu、Ptインクを用いて回路、センサー、インターコネクトを印刷するプロセスは、お客様や基板によってほとんど決まっています。しかし、以下にその代表的なプロセスを示します。
準備 - プリントパターンを基板に密着させるためには、基板の準備とクリーニングが重要です。表面実装基板がない平らな面を例にとると、基板は一般的な溶剤で洗浄され、表面の残留物やほこりを除去する。その後、基板は、溶剤を蒸発させるために脱水ベークステップを通過します。このステップでは、UVオゾンやプラズマなど、他の洗浄や処理も行うことができます。
マッピングアウトとサイズ補正 – 基板をプリンタのプラテンにセットします。プリンター内のアライメントカメラで表面の寸法を正確に測定し、AutoCAD®で表面のマッピングを行います。通常、お客様は基板のCADデザインを持っていますが、このステップはCADデザインと実際の基板サイズを合わせるために必要です。CADファイルと実測値からオフセットが検出された場合、サイズの修正・補正が必要です。
デザイン – パターンは、AutoCADでマップアウト/修正されたサーフェスを基にデザインされます。パッドはサーペンタインとペリメーターフィルの両方で印刷することができます。
印刷 – エレクトロニクスのパーティクルフリー金・白金インクは、超音波霧化装置によりエアロゾル噴射されます。アトマイザーからヘッドまでの間に揮発性溶剤が蒸発し、化学反応により基板上に金・白金薄膜が形成される仕組みになっています。この金・白金薄膜は粘着性がありゲル状であるため、RTプラテンでも良好な印刷品質が得られます。印刷チップ、シースガス、キャリアガス、印刷速度の組み合わせにより、インク流路の幅を制御することが可能です。多層塗布により、層間の待ち時間なく、所望の膜厚/OPSを得ることができます。
エレクトロニクスのPtインクは、UV硬化しても同等以上の電気特性を実現することが可能です。
IV. IDエアロゾルジェットシステム
Integrated Deposition Solution（IDS）は、次世代のエアロゾル噴射プリントヘッド技術を開発しました。図1に、デスクトッププリンタとナノジェットプリントヘッドのイメージを示します。ナノジェットの商標は、流体力学的および空気力学的集束を利用して、幅広い液滴サイズ分布を持つエアロゾルを衝突させ集束することにより、優れた印刷エッジ品質を持つ印刷ラインを実現するものである。ナノジェットテクノロジーは、複数の空力レンズの使用により、エアロゾルストリーム内の微細なエアロゾルを集束させることができ、従来はプリントラインの端にオーバースプレーが発生していたものを解消します。エレクトロニクスのインクを使用したナノジェットエアロプリントラインの例をパートVで紹介します。
図1: (a) ナノジェットデスクトッププリンタと、IOSで開発された次世代ナノジェットエアロゾルプリントヘッドを示す写真です。
V. エアロゾルジェット印刷による金・銀の構造体
IDSエアロゾルジェットシステムによる金印刷: エレクトロニクスのパーティクルフリーAuインクは、固形分が4～10wt.%程度ですが、NPsベースのインクと同等の吐出量を確保できます。また、超音波霧化装置から印刷ヘッドまでの間に高蒸気圧溶媒を除去することで、適切な吐出量を確保しています。図2(a)に示すように、付着したインクは視覚的に半透明で粘着性があり、基板上に付着します。この新しいインク処方設計により、エレクトロニクスのパーティクルフリーAuインクは、室温のプラテンで、比較的高い吐出量で印刷することが可能です。この特性は、凹凸のある表面に印刷する際に重要です。図2（b）は、エレクトロンリンクスのパーティクルフリーAuインクをエアロゾルジェットシステムで印刷した4点抵抗構造体です。印刷された構造体は、最良の導電性を得るために300°Cで1時間熱硬化されます。
上記金試料のSEMを図3に示す。図3(a)の上面SEMではネッキング形成や金クラスターの融着が観察されるが、平均粒子径は100nmと推定される。図3(b)の断面SEMでは、硬化した金薄膜が高密度に充填されており、最終的な厚みは900nmと測定された。
図2：ガラスへのAuインク印刷（a）熱硬化前、（b）300℃、1hの熱硬化後
図3: (a) 上面、(b) 断面 SEM イメージ（図中の条件による
エアロゾルジェット印刷では、オーバースプレーとサテライトスポットが避けられません。オーバースプレーとサテライトスポットは、慣性力の弱い液滴が中心鞘ガスによって集束され、デザインされたラインのエッジに沿って堆積することによって発生します。エレクトロニクスのパーティクルフリーAuインクは、優れた微粒化性能を持ち、IDSシステムによる微細形状印刷において、オーバースプレーやサテライトスポットの発生を抑制することができました。図4は、IDS NanoJet システムで印刷された約60μmの線幅を持つ微細ラインの光学画像です。このように、線幅と線品質が改善されたエレクトロリンクスのパーティクルフリーAuインクは、コンパクトエレクトロニクスにおける高密度配線の印刷に適しています。
図4：エレクトロニクスのAuインクをIDSシステムで印刷し、図の条件に従って硬化させたファインフィーチャ。
IDSエアロゾルジェットシステムによるシルバー印刷。
エレクトロニクスのパーティクルフリーシルバーインクは、銀搭載量14％で、エレクトロニクスのゴールドインクと同じインク調合機構を持ち、高質量の出力を確保します。既存の銀インクの多くは、印刷中の広がりを防ぐために高温で印刷する必要があります。このため、コンフォーマル・サーフェスへの印刷や3D基板への印刷には制限があります。エレクトロリンクスの銀インクは、高アスペクト比の構造体を加熱したプラテンなしで印刷できることが特長です。図5(a)は、室温のプラテンで印刷した微細形状を示したものです。図5(b)に示すように、印刷された形状は、オーバースプレーやサテライトスポットを最小限に抑え、線幅は15μm、厚さは約2μmとなっています。
図5：（a）エレクトロニクスのAgインクで印刷した微細形状、（b）印刷した微細形状のプロファイル
エアロゾル噴射技術の開発における初期の取り組みは、図 5 に示すように、線幅が 10μm と非常に細い線の印刷に焦点を当てたものでした。この能力は様々な用途で非常に有用ですが、最近の取り組みでは、より高いスループットと生産用途の要求を満たすために、IDS NanoJet からの材料出力速度を向上させることに重点を置いています。RF アプリケーション用にプリントされた構造の一例を図 6(a)に示します。これらの構造は、エレクトロニクスの銀インクを使用して、120℃のベッド温度で印刷されました。これらの印刷された構造体のプロフィロメトリー測定を図6(b)に示す。これらの構造体では、印刷層の厚さを確保するために、複数の印刷パスを使用した。プロフィロメトリーデータが示すように，印刷された層の厚さはいくらか変化し，特徴の均一性を改善するためにさらなる最適化が必要である。しかし，これらの特徴は，要求された概念実証の作業には有用である。印刷構造の平均高さは20μmで、最大高さは40μmです。このようなプリント構造は、さまざまな用途に役立つことが分かっています。開発中のデバイスの1つに、柔軟性のある埋め込み型刺激装置があり、厚みのあるプリントコイルにより、電源から最大5cmの範囲で埋め込みデバイスに高い電力結合効率が得られる。
図6: (a) RF性能評価用ナノジェットプリント構造体、(b) ナノジェットプリント構造体の高さ測定値を示すプロフィロメータ
エアロゾルジェット印刷のもう一つの重要な利点は、印刷ノズル出口面と印刷基板表面との間の作業距離が延びることです。IDSナノジェットのエアロゾルストリームはコリメートされているので、ノズル面とプリント基板との間隔が1～5mm以上でもきれいにプリントすることができます。この能力は、従来とは異なる基材に特徴を印刷する場合に特に有効です。
図7に、そのようなプリントの例を示す。基板は3Dプリントされたプラスチック製のドームで、エレクトロリンクスの銀インクをIDSシステムで使用し、フルブリッジ、ストレインゲージ回路をドームにプリントしました。このデモは、プリンテッドエレクトロニクス分野における最近の進歩を紹介するために行われました。IDS NanoJetの次世代エアロゾル印刷技術とエレクトロリンクスのパーティクルフリーインクを組み合わせることで、低融点基板への印刷中にその場で硬化させることができるインクを使用して、複雑な形状の表面に電子回路を連続的に印刷できることを実証することができたのです。このデモ回路は、より大きな概念実証プロジェクトの一部で、センサーに電力を供給し、センサーと通信するための遠隔遠隔測定を使って、センサーが問いかけられるまで不活性である構造物にセンサーを組み込み、センサーの応答の変化を断続的に測定する能力を示したものです。
図7：低温3Dプリントされた熱可塑性基板にエアロゾルでプリントされたフルブリッジストレインゲージ回路
VI. 結論
アディティブ・マニュファクチャリングの進歩は、文字通り、消費者や産業界がこれから生み出す新しい製品の形状、サイズ、そして用途にまで影響を及ぼしています。本論文では、エレクトロニクスのパーティクルフリーメタルインクとIDSの次世代ナノジェットを用いて、様々な表面にセンサーや回路を作製する方法を紹介します。エレクトロニクスのパーティクルフリーインクとIDSのNanoJetの組み合わせは、他の従来のデジタル印刷技術と比較して、高出力、高印刷品質、低コストで電子機器を製造することを可能にします。エレクトロニクスのAgおよびAuインクは、室温で処理することができ、複雑な表面への印刷に最適なインクです。エレクトロニクスのAgインクは5～7uohm-cm、Auインクは6uohm-cmの抵抗率を持ち、低抵抗のため印刷回数が少なく、市場の他のインクと比較して時間や労力を節約することができます。パイロットテストでは、エレクトロニクスのパーティクルフリーインクを使用したIDSの次世代エアロゾルジェット技術により、幅20μm×高さ2μmから幅mm×高さ20μmの範囲の形状をコンフォーマル表面にも印刷できることが示されました。印刷した形状は、サテライトスポットやオーバースプレーが少なく、エッジ品質が改善されていることが確認されています。
AUTHORS
Yuan Gu エレクトロニクスのシニアサイエンティスト Ayan Maity エレクトロニクスのシニアサイエンティスト Steven Brett Walker エレクトロニクスの CEO Dr. Marcelino Essien IDS のプレジデント Mr.
IDS、Yun Li博士
IDS社 Jacob Chavez氏
IDS社副社長 David Keicher氏
コミュニケーション・オーサー
エレクトロニンクス社 社長 メルブス・レミュー氏
[This is automatically translated from English]