成果報告書詳細
管理番号20160000000803
タイトル平成27年度成果報告書 次世代プリンテッドエレクトロニクス材料・プロセス基盤技術開発 電子・材料・ナノテクノロジー部実施事業の周辺技術・関連課題における小規模研究開発の実施 銅ナノインク低温結晶化技術を用いた大面積化向けタイリング実装技術の研究開発
公開日2016/8/23
報告書年度2015 - 2015
委託先名国立研究開発法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P10026
部署名IoT推進部
和文要約件名:平成27年度成果報告書 次世代プリンテッドエレクトロニクス材料・プロセス基盤技術開発/電子・材料・ナノテクノロジー部実施事業の周辺技術・関連課題における小規模研究開発の実施「銅ナノインク低温結晶化技術を用いた大面積化向けタイリング実装技術の研究開発」

フィルム状コネクタの素材として、ポリイミドフィルム上にエッチングで幅65μm(上底)-106μm(下底)、高さ52μm、ピッチ350μmの銅電極を140本形成したものを用意した。その電極上面に、超微細インクジェットプリンタにより銅ナノ粒子インクを塗布した。それを下部電極とし、同様にエッチング形成された上部電極フィルムを貼り合わせた。上部電極フィルムには、CPS処理時にプラズマガスが通るよう、ライン間のスペース部分にφ150μmの穴を開けてある。プラズマトーチで発生したプラズマが確実にそれらの穴を通るよう、プラズマトーチをガラス製ベルジャーで覆い、ベルジャーをフィルムコネクタに押し付けてガスが漏れないようにした。この試料を密閉容器内のホットプレート上に置いた。容器内は大気圧の窒素で満たされており、その酸素分圧は、酸素ポンプによって、酸化銅が180℃以下で自然に解離するレベルまで低減される。プラズマトーチは、電極間の高電圧放電により、窒素の大気圧プラズマを発生する。大気圧プラズマガスの温度は低いので、ホットプレートで基板加熱を行なう。酸素ポンプで極低酸素化した窒素を大気圧プラズマにして試料に吹き付けることにより焼結品質を段違いに高めるのがCPS(低温プラズマ焼結)の要諦である。貼り合わせたフィルムは、最初にインク中の有機成分を飛ばすため、オゾン気流中180℃で焼成する。この時点で電極同士が相当程度密着する現象が見られた。そののち250℃でCPS処理を行なうことにより、銅ナノインクが焼結され、接触抵抗0.03Ω程度の接続が得られた。既存の接続技術と比べた場合、はんだ付けに匹敵する低抵抗であり、ばね式のコネクタ(勿論フィルム状ではない)を凌駕し、粘接着式フィルムコネクタより2桁小さい。しかもフィルム同士は直接接着していないので、はがして再利用することは容易である。結論として、CPSにおいては、プラズマガスが銅ナノ粒子に当たってさえいれば、フィルム間の隙間のような物陰に隠れた部分でも焼結が進行することがわかった。これは光焼成に対するアドバンテージと言える。また電極間接続に用いた場合の接触抵抗は、はんだ付けに匹敵し、粘接着式フィルムコネクタの1/100程度まで低減できた。コネクタの再利用も容易である。CPSを電極間接続に用いて低抵抗の接続を得ることに関して、大きな可能性を見出すことができた。
英文要約Title: Development of Basic Technology for Next-generation Printed Electronics Materials and Process Technology/An Execution of Small Scale Research and Development in the Peripheral Technologies and Related Issues of the Projects Conducted by the Electronics, Materials Technology and Nanotechnology Department. Research and Development of Tiling Expansion Technology for Large-area Electronics Using Low-temperature Crystallization Technology of Copper Nanoparticle Inks (FY2015) Final Report

140 copper lines of 65 (upper base)-106 (lower base) micrometer width, 52 micrometer height, and 350 micrometer pitch have been etched on polyimide films as electrodes on a mating piece of a film-type connector. A copper nanoparticle ink was dispensed on these electrodes with a superfine inkjet printer. Thus prepared film was used as a bottom piece, onto which an upper piece was pasted. The upper piece had been similarly etched, but also holes of 150-micrometer diameter were formed in the spaces between the lines to make them act as entrances for the plasma gas during the CPS process. The plasma torch was sealed within a glass bell jar, which was pressed against the upper film so that the only way out for the generated plasma would be through these holes and the tunnels between the copper lines. These samples were placed on a hot plate within an airtight chamber, which was filled with atmospheric-pressure nitrogen. An oxygen pump lowered the oxygen partial pressure (p(O2)) within the chamber to the extent that copper oxides would decompose spontaneously into copper and oxygen below 180 degrees C. The plasma torch generates atmospheric-pressure plasma of nitrogen by a high-voltage discharge between a pair of electrodes. Since the gas temperature of the plasma is too low, the sample is mainly heated by the hot plate. CPS is defined as a process where metal sintering is vastly facilitated by blowing an atmospheric-pressure plasma of an extremely-low p(O2) gas generated by an oxygen pump against the sample. The pasted pair of films were first heated in an ozone stream at 180 degrees C to remove organics in the ink. The electrodes seemed somewhat joined at this point. The subsequent CPS process at 250 degrees C sintered the copper nanoparticle ink to form a connection with a contact resistance of about 0.03 ohm. Comparing our result with the existing connection technologies, our contact resistance is as low as that of soldering, much lower than that of ordinary spring-loaded connectors (naturally not a film-type connector), and two orders of magnitude lower than that of film-type connectors using adhesives. In addition, our connection technology is re-doable since the films are not glued together. In conclusion, CPS can facilitate sintering as long as the plasma gas is in contact with the target, even when the target is in confined space. This is a clear advantage over photosintering. Our contact resistance is comparable to that of soldering and about 1/100 of those film connectors using adhesives. Connectors are reusable. We have found a great promise in realizing a connection technology involving CPS.
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