低熔点金属掺杂调控改善纳米银互连线性能

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通过纳米压印技术和喷墨打印技术印刷电子器件的技术被统称为印刷电子技术,其有高灵活性、高效率等优点。目前,印刷电子技术广泛的应用于制备射频识别、柔性器件等领域。使用印刷电子技术制备互连线经常使用金属纳米颗粒作为导电墨水,需要对墨水进行加热使其导电性,由于柔性衬底往往不能承受较高的加热温度,限制了印刷电子技术的使用。在本文中在由金属银纳米颗粒制备的导电墨水中加入熔点较低的锡、铟的纳米颗粒作为掺杂剂,对金属银互连线的导电性能进行调控。使用分子动力学仿真的手段对金属银纳米颗粒在烧结烧结中的一般行为和规律进行了仿真。仿真结果说明,金属银纳米颗粒的烧结主要是颗粒表面的原子在烧结过程中起到作用。这种扩散方式在烧结的初期效率比较高,且与烧结温度的关系不大,结果也说明了在温度比较低情况下很难实现比较高的导电性。不同的金属颗粒的熔点与金属本身的熔点有着比较大的关系,其中低熔点金属颗粒的熔点比较低,结合液相烧结技术有望实现低温而高效的烧结。通过实验的方法对理论进行了验证。首先,在金属锡的掺杂实验中发现锡在空气中会被氧化,进而对互连线的导电性能造成了负面影响,通过XRD和SEM对这种现象进行了观测。其次,互连线烧结的温度对烧结效果有着明显的影响,掺杂金属锡颗粒的互连线在不同温度下的也有着不同的表现,当烧结温度升高时掺杂的样品导电性能优于不掺杂样品,特别是温度超过金属锡熔点时掺杂的互连线样品导电性能更好。而掺杂金属铟纳米颗粒的实现的导电性能提升基本规律是和金属锡的掺杂是相似的,掺杂金属铟的互连线样品在烧结温度为200℃的情况下电阻率达到体金属银的一半,远远优于不掺杂样品。在140℃下掺杂达到未掺杂样品在200℃的导电性能,即通过掺杂金属铟在不降低导电性能的情况下使烧结温度下降了60℃。使用XRD和SEM观测不同情况下的样品的表观形貌和颗粒大小的变化,验证了掺杂低熔点金属能够使金属颗粒之间的孔隙变得更小,融化的液态金属能够为金属银颗粒的扩散起到促进的作用,使金属银的颗粒能够生长到更大。对比两种金属掺杂发现熔点更低的金属能够更好的改善金属纳米颗粒的烧结。这为进一步降低金属纳米颗粒墨水的烧结温度提供了改进的方向。
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