Low-temperature sintering of metal-based pastes for sustainable printed electronics

Abstract

Low-temperature printed electronics allow for the manufacturing of high-throughput, sustainable, cheap, and flexible electronics. Silver microparticles are commonly used as conductive fillers in printing pastes, owing to silver’s high conductivity and good oxidation resistance. They can be sintered at low tempera tures to achieve highly conductive prints, but a mechanistic understanding is lacking. The ecological and financial impacts of using silver are high and need to be reduced. In this thesis, I studied the low-temperature sintering of silver microflakes and spheres to screen-print recyclable and sustainable conductors. A mechanism is proposed that explains the low-temperature sin tering of silver microparticles. Mechanically weak sinter necks could be created that increased the con ductivity and could be broken up through probe sonication, allowing for recycling and reusing of the particles. Flakes led to more porous prints than spheres, which resulted in higher recycling yields. The last chapters focus on the sintering of copper microparticles. We found that polymer-capped particles required high-temperature treatments in a vacuum to have a comparable conductivity to silver-based conductors. Silver-coated copper particles reached high conductivities at low temperatures in air by forming silver necks bridging the copper cores. The particles could also be recycled and reused in a new generation of prints.

Gedruckte Elektronik ermöglicht die Herstellung von nachhaltiger, kostengünstiger und flexibler Elektronik mit hohem Durchsatz. Aufgrund der hohen Leitfähigkeit und guten Oxidationsbeständigkeit von Silber werden Silbermikropartikel häufig als leitfähige Füllstoffe in Druckpasten verwendet. Sie können bei niedrigen Temperaturen gesintert werden, um leitfähige Drucke herzustellen, aber es fehlt ein mechanistisches Verständnis. Die ökologischen und finanziellen Auswirkungen der Verwendung von Silber sind hoch und müssen daher verringert werden. In dieser Arbeit untersuchte ich die Niedrigtemperatursinterung von Silbermikroflocken und -kugeln, um recycelbare und nachhaltige Leiter im Siebdruckverfahren herzustellen. Es wurde ein Mechanismus vorgeschlagen, der das Niedrigtemperatursintern von Silbermikropartikeln erklärt. Es konnten mechanisch schwache Sinterhälse erzeugt werden, die die Leitfähigkeit erhöhten und durch Ultraschall aufgebrochen werden konnten, was das Recycling und die Wiederverwendung der Partikel ermöglichte. Flocken führten zu poröseren Abdrücken als Kugeln, was zu einer höheren Recyclingausbeute führte. Die letzten Kapitel befassen sich mit der Sinterung von Kupfermikropartikeln. Wir haben festgestellt, dass polymerbeschichtete Partikel Hochtemperaturbehandlungen im Vakuum benötigen, um eine mit Silberleitern vergleichbare Leitfähigkeit zu erreichen. Silberbeschichtete Kupferpartikel erreichten hohe Leitfähigkeiten bei niedrigen Temperaturen an der Luft, indem sie Silberhälse bilden, die die Kupferkerne überbrücken. Die Partikel konnten auch recycelt und in einer neuen Generation von Drucken wiederverwendet werden.