在將要印刷的襯底上以流體形式轉(zhuǎn)移導(dǎo)電材料的方法和結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】公開了一種用于將導(dǎo)電材料以流體形式轉(zhuǎn)移到襯底上的方法和結(jié)構(gòu)裝置。將所述襯底預(yù)熱到第一溫度，并且產(chǎn)生所述導(dǎo)電材料的流體導(dǎo)電材料。將所述流體導(dǎo)電材料噴涂到所述已預(yù)熱的襯底上以形成預(yù)定種類的圖案。將所述流體導(dǎo)電材料被噴涂到上面的襯底冷卻到第三溫度，所述第三溫度低于所述導(dǎo)電材料的熔點。
【專利說明】在將要印刷的襯底上以流體形式轉(zhuǎn)移導(dǎo)電材料的方法和結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明通常涉及在將要印刷的襯底上轉(zhuǎn)移導(dǎo)電材料的技術(shù)。特別是，本發(fā)明涉及當(dāng)導(dǎo)電材料被轉(zhuǎn)移到襯底上時使用流體(即，非固體)形式的導(dǎo)電材料。

【背景技術(shù)】
[0002]最近，通過使用印刷工藝在電介質(zhì)襯底(例如，紙、紙板、織物或聚合物膜)上產(chǎn)生導(dǎo)電圖案已變得越來越有吸引力。印刷電子【技術(shù)領(lǐng)域】涉及在襯底上產(chǎn)生導(dǎo)電、并且在一些情況下半導(dǎo)電的區(qū)域和跡線，它們經(jīng)常通過將單獨的電子組件(例如，半導(dǎo)體芯片)附加到導(dǎo)電或半導(dǎo)電區(qū)域的至少一些來增加。
[0003]同樣地，自從十五世紀的古騰堡印刷機時代以來，已經(jīng)知道在紙上或類似物上印刷。然而，簡單地用導(dǎo)電的印刷油墨或墨粉取代傳統(tǒng)的非導(dǎo)電印刷油墨或墨粉遠遠沒有那么簡單?，F(xiàn)有技術(shù)的固有特性可能使得難以或不可能改變到導(dǎo)電油墨或墨粉。印刷電子的許多計劃應(yīng)用涉及一次性產(chǎn)品，例如日常消耗品的包裝，它對經(jīng)濟因素提出相當(dāng)大的壓力:包裝或其印刷不應(yīng)花費太多?？梢圆捎靡后w溶液形式的導(dǎo)電或半導(dǎo)電聚合物，并用它作為印刷機或噴墨印刷機的油墨，但是在撰寫本說明書時已知的大多數(shù)導(dǎo)電聚合物太昂貴或難以像油墨那樣應(yīng)對大規(guī)模的使用。許多金屬化合物因此是相對廉價的，并且可以以小固體顆粒的形式使用，來制成糊狀物，但將它們粉碎成(例如)順利地流經(jīng)噴墨噴嘴或方便地適合凹版印刷所要求的粒徑根本上增加了它們的價格。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的實施例的一個有利特征是提供了一種用于在將要通過有利地以大規(guī)模生產(chǎn)方式應(yīng)用并且適用于各種導(dǎo)電材料的工藝在要印刷的表面上轉(zhuǎn)移導(dǎo)電材料的方法和結(jié)構(gòu)。
[0005]本發(fā)明的目的是通過對襯底進行預(yù)熱并且將導(dǎo)電材料以流體形式噴涂到襯底上來實現(xiàn)。對襯底進行預(yù)熱確保導(dǎo)電材料同樣襯底的良好粘附。
[0006]一種根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于:
[0007]-將襯底預(yù)熱到第一溫度，
[0008]-產(chǎn)生流體導(dǎo)電材料，
[0009]-將所述流體導(dǎo)電材料噴涂到已預(yù)熱的襯底上以形成預(yù)定種類的圖案，并且
[0010]-將所述流體導(dǎo)電材料被噴涂到上面的襯底冷卻到第三溫度，所述溫度低于所述導(dǎo)電材料的所述熔點；
[0011]其中所述冷卻包括:將所述流體導(dǎo)電材料被噴涂到上面的襯底的表面壓靠在滾筒上；以及主動保持所述滾筒的表面溫度低于所述導(dǎo)電材料的所述熔點，其中壓靠在所述滾筒上實現(xiàn)襯底的所述冷卻。
[0012]一種根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的特征在于，它包括:
[0013]-襯底處置器，其被配置為保持襯底，
[0014]-襯底預(yù)熱器，其被配置為將所述襯底預(yù)熱到第一溫度，
[0015]-材料處置器，其被配置為產(chǎn)生流體導(dǎo)電材料，
[0016]-噴涂頭，其被配置為將所述流體導(dǎo)電材料噴涂到已預(yù)熱的襯底上以形成預(yù)定種類的圖案，以及
[0017]-冷卻部件，其被配置為將所述流體導(dǎo)電材料被噴涂到上面的襯底冷卻到第三溫度，所述第三溫度低于所述導(dǎo)電材料的所述熔點；
[0018]其中所述冷卻部件包括:輥隙，其被配置為將所述流體導(dǎo)電材料被噴涂到上面的襯底的表面壓靠在滾筒上；以及溫度控制裝置，其被配置為主動地保持所述滾筒的表面溫度低于所述導(dǎo)電材料的所述熔點。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在將導(dǎo)電材料涂覆到襯底上的階段，以流體(即，液體或蒸汽；或者氣體載體中的小液滴或小固體微粒的膠態(tài)懸浮液)形式來處置導(dǎo)電材料。所述流體形式不是主要通過導(dǎo)電材料在溶劑中的任何溶解來實現(xiàn)，而是主要通過將其加熱到其熔化溫度以上和/或通過將其霧化成氣霧形式來實現(xiàn)。為了防止導(dǎo)電材料在擊中襯底時固化過快，和/或為了確保與襯底的適當(dāng)粘附，將襯底預(yù)熱到一定的溫度，使得固化發(fā)生得足夠慢并且導(dǎo)電材料緊密地粘附到襯底。冷卻到熔點以下可以通過被動過程(例如對流和輻射)來發(fā)生，或者可以主動在(例如)冷輥隙中對具有印刷的導(dǎo)電圖案的襯底進行冷卻。導(dǎo)電材料將要在其中形成圖案的襯底區(qū)域可能已經(jīng)用通過流體形式的導(dǎo)電材料對襯底表面的浸潤性加以增強的粘合劑或其它制劑預(yù)先進行了處理。
[0020]本發(fā)明的一類具體的實施例涉及將導(dǎo)電材料以液體形式涂覆到襯底上。用于分配熱液體的技術(shù)可以具有與用于將焊料凸塊制作到印刷電路板和半導(dǎo)體芯片上的已知技術(shù)類似的特征，其中在將焊料保持在例如240°C的升高的溫度時，可以以高精確度將熔融焊料的微微升規(guī)模的體積分配到焊墊。然而，與在本身已經(jīng)導(dǎo)電的表面上產(chǎn)生離散并清楚地突出的焊料凸塊的已知技術(shù)相對比，本發(fā)明能夠在固有絕緣的襯底上產(chǎn)生包括導(dǎo)電物質(zhì)的相對大、均勻并且非常薄的覆蓋層的預(yù)定種類的圖案。
[0021]本發(fā)明的另一類具體的實施例的涉及將導(dǎo)電材料以蒸汽或者氣體載體中的小液滴或小固體微粒的膠態(tài)懸浮液(其物理上的表現(xiàn)很像蒸汽)的形式涂覆到襯底上。名稱“氣霧”通常被用來描述這樣的膠態(tài)懸浮液，特別是當(dāng)氣體載體是空氣時。通過噴嘴作為不連續(xù)的點射(burst)(將要印刷的圖案的離散性質(zhì)要求)來分配純蒸汽或類似物可能涉及其存在的問題，由于這個原因，可優(yōu)選在蒸汽或類似物的周圍使用護套氣體的同心流動，和/或使用噴涂噴嘴與吸嘴的可控組合。在后一種情況下，可以使用噴涂噴嘴來分配蒸汽或類似物的相對連續(xù)的流，而所述吸嘴選擇性地操作，以在由所述噴涂噴嘴噴涂的蒸汽粘附到所述襯底之前從所述襯底附近除去所述蒸汽。
[0022]本發(fā)明的實施例還在從屬權(quán)利要求中描述。
[0023]被認為是本發(fā)明的特性的新穎特征(特別是)在所附權(quán)利要求中闡述。然而，本發(fā)明本身(無論是其構(gòu)造還是其操作方法)以及它的其它目的和優(yōu)點將在結(jié)合附圖閱讀具體實施例的以下描述時最好地理解。
[0024]本專利申請中提出的本發(fā)明的示例性實施例不應(yīng)被解釋為構(gòu)成對所附權(quán)利要求的適用性的限制。動詞“包括”在本專利申請中用作開放性限制，它并不排除也未列舉的特征的存在。從屬權(quán)利要求中列舉的特征可以相互自由組合，除非另有明確說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1示出了印刷工藝的原理，
[0026]圖2示出了加熱滾筒，
[0027]圖3示出了加熱輻射的源，
[0028]圖4示出了已加熱氣體的吹風(fēng)機，
[0029]圖5示出了噴涂頭中的噴嘴的示例，
[0030]圖6示出了噴涂頭中的噴嘴的另一個示例，
[0031]圖7示出了噴涂頭中的噴嘴的另一個示例，
[0032]圖8示出了噴涂頭中的噴嘴的另一個示例，
[0033]圖9示出了噴涂頭中的噴嘴的另一個示例，
[0034]圖10示出了重新加熱和冷輥隙的使用，
[0035]圖11示出了對襯底進行預(yù)處理的示例，以及
[0036]圖12示出了印刷導(dǎo)電橋。

【具體實施方式】
[0037]圖1是根據(jù)本發(fā)明的可以將導(dǎo)電材料以流體形式轉(zhuǎn)移到襯底上的工藝的示意性基本說明。為了可控地將襯底引入到工藝中，存在襯底處置器101，其被配置為固持襯底102，并且在此示例中還基本上連續(xù)地或以離散的片的形式將襯底102供給到工藝中。由襯底處置器101供給的襯底去往襯底預(yù)熱器103，襯底預(yù)熱器103在這里被示為設(shè)備的單獨部件，但其也可以至少部分地集成在襯底處置器中。襯底預(yù)熱器103被配置為將襯底102預(yù)熱到第一溫度。
[0038]在本發(fā)明的那些其中導(dǎo)電材料在遇到襯底之前是熔融形式的實施例中，將襯底預(yù)熱到所述第一溫度的目的是為了確保熔融的導(dǎo)電材料不會固化太快。怎樣才算固化太快，在很大程度上取決于所涉及的材料和進行印刷的目的。作為兩個說明性示例，我們可以考慮在光面紙上和氈制品上印刷導(dǎo)電圖案。規(guī)則的光面印刷紙的表面的PPS(派克印刷面)粗糙度大約只有幾微米的量級，而氈制品可以是足夠多孔的，從而顯示出至少高二十倍或甚至三十倍的清楚宏觀粗糙度。為了在光面紙的非常光滑的表面上印刷基本上連續(xù)并導(dǎo)電的圖案并且使其正確附著，僅需要產(chǎn)生厚度在微米量級的導(dǎo)電材料層。在到達光面紙的表面后，導(dǎo)電材料只需要保持液體狀態(tài)足夠長的時間，以確保它與紙張表面的最外層之間的正確分子級粘附，并且實現(xiàn)可能只有幾微米厚的基本上連續(xù)的導(dǎo)電層的累積。
[0039]與此相反，為了在氈制品的粗糙和多孔表面上印刷基本上連續(xù)并導(dǎo)電的圖案，導(dǎo)電材料的噴涂層必須足夠厚，并且保持液體狀態(tài)足夠長的時間，以流入到表面中的無數(shù)空腔中，而不會在任何實質(zhì)上的程度沿在表面的平面方向丟失其連續(xù)性。盡管后續(xù)的再加熱(這將在后面更詳細地描述)可以提供一些緩解，但是清楚的是與粗糙和多孔材料相關(guān)的預(yù)熱要求可能比那些與非常光滑的材料相關(guān)的預(yù)熱要求高得多。另外，需要考慮流體導(dǎo)電材料的特性表面張力以及影響其在襯底表面上的流動和其附著在襯底表面上的能力的其它參數(shù)。在一些情況下，可能需要集成襯底預(yù)熱器103的至少某些部件與裝置的以流體形式分配導(dǎo)電材料的那些部件，以確保襯底在足夠長的時間內(nèi)保持足夠熱。
[0040]此外，必須考慮飛行時間，也就是流體形式的導(dǎo)電材料在從其涂覆器的主動溫度受控部件飛行到襯底的表面上的路徑上花費的時間，特別是在本發(fā)明的那些其中導(dǎo)電材料在遇到襯底之前是熔融形式的實施例中。導(dǎo)電材料趨向于在路徑中冷卻，必須通過在朝向襯底噴出導(dǎo)電材料之前將導(dǎo)電材料足夠地加熱或者通過將襯底充分地預(yù)熱或者兩者來補償這種冷卻。
[0041]在本發(fā)明的那些其中流體導(dǎo)電材料是氣體載體中的固體微粒的膠態(tài)懸浮液的實施例中，將襯底預(yù)熱到所述第一溫度的目的是為了確保當(dāng)導(dǎo)電材料的固體微粒擊中已預(yù)熱的襯底時熔化。在這種情況下，假設(shè)第一溫度不僅高于導(dǎo)電材料的熔點、而且高到足以使得能夠?qū)⑷诤纤璧奶囟ǖ臐摕徂D(zhuǎn)移到被噴涂到襯底上的導(dǎo)電材料總量上是合理的。
[0042]在圖1中示意性地示出的下一個部件是材料處置器104，其被配置為產(chǎn)生流體導(dǎo)電材料。根據(jù)第一備選方案，材料處置器104被配置為將導(dǎo)電材料加熱到這里所謂的第二溫度，所述第二溫度高于所述導(dǎo)電材料的熔點。第二溫度可以與預(yù)熱器103將襯底102所預(yù)熱到的第一溫度相同或不同。通過將材料足夠地加熱，材料處置器104產(chǎn)生流體導(dǎo)電材料，其中描述語“流體”現(xiàn)在是指導(dǎo)電材料是液體或蒸汽狀態(tài)，或者是氣體載體中的液滴的膠態(tài)懸浮液狀態(tài)，或者包含它們的一些混合物。始終和熱力學(xué)現(xiàn)象一樣，除了溫度以外，由材料處置器104產(chǎn)生和/或控制的壓力也可以在使導(dǎo)電材料以流體形式出現(xiàn)時起作用。材料處置器104可以是獨立的組件，或者可以至少部分地與預(yù)熱器103集成或耦合，例如它們可以使用相同的熱源。
[0043]根據(jù)第二備選方案，材料處置器104被配置為將導(dǎo)電材料轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w載體中的固體微粒的膠態(tài)懸浮液的形式。此外，在這種情況下，所謂的霧化程序(是指產(chǎn)生膠態(tài)懸浮液)可能涉及首先將導(dǎo)電材料熔化，除非導(dǎo)電材料已經(jīng)是以足夠細的粉碎形式提供，以使其能夠充分地支撐在氣體載體中。與上面的第一備選方案的不同之處在于，在霧化程序后或結(jié)合霧化程序，故意地允許導(dǎo)電材料的顆粒在最終擊中襯底之前呈現(xiàn)固態(tài)。
[0044]根據(jù)本發(fā)明，可以被用作導(dǎo)電材料的有利的材料包括但不限于鉍、鉛、錫、銦、鎘和它們的各種合金。例如，根據(jù)由紐約的Indium公司發(fā)布的表格，具有51%的銦、32.5%的鉍和16.5%的錫的共晶合金的熔點為+60°C;具有66.3%的銦和33.7%的鉍的另一種共晶合金的熔點為+72°C ;具有58.0%的鉍和42.0 %的錫又一種共晶合金的熔點為+138°C ;以及37%的鉛和63%的錫的共晶合金的熔點為183°C。一類具體的材料包括非共晶合金，它們沒有確切的熔點，但是具有所謂的固相線溫度和液相線溫度，在固相線溫度與液相線溫度之間，材料作為較低熔化相的熔體中的固體微粒的糊狀物而存在。例如，具有60.0%的錫和40.0%的鉍的非共晶合金具有138°C的固相線溫度和170°C的液相線溫度。具有90.0%的銦和10.0%的錫的另一種非共晶合金具有143°C的固相線溫度和151°C的液相線溫度。
[0045]在非共晶合金的情況下，并不總是清楚應(yīng)當(dāng)將哪個溫度視為熔點。在固相線溫度和液相線溫度之間存在的糊狀物的特性取決于許多因素，包括但不限于合金中組分的相對量。高于液相線溫度，合金的所有組分為熔化形式，所以至少高于液相線溫度，合金的表現(xiàn)才類似于流體。然而，存在在固相線溫度與液相線溫度之間具有足夠低粘度的合金，因此可以說它們表現(xiàn)得像流體，在這種情況下，可以將固相線溫度視為熔點。
[0046]不含鉛或鎘的合金是更優(yōu)選的，因為鉛和鎘具有毒性。具有相對低熔點的金屬和合金是優(yōu)選的，因為將在上面有利地印刷印刷電子器件的許多襯底僅具有適度的耐高溫性。另外，如果工藝的最熱和最冷部分之間的溫差不是很大，那么工藝通常更容易控制并且甚至能量更高效。
[0047]材料處置器104被配置為向噴涂頭105輸送流體導(dǎo)電材料，噴涂頭105又被配置為可控地將流體導(dǎo)電材料噴涂到預(yù)熱的襯底，以形成預(yù)定種類的圖案。在本說明書的上下文中，噴涂意味著沿預(yù)定方向噴出流體材料。通常，噴涂頭包括:一個或多個噴嘴；用于在一定壓力下將流體材料保持在噴涂頭內(nèi)或者暫時使噴涂頭內(nèi)的流體材料經(jīng)受壓力的裝置，所述壓力高于外部壓力；以及一些調(diào)節(jié)裝置，其用于調(diào)節(jié)流體材料經(jīng)由噴嘴從噴涂頭內(nèi)部到外部的流動。流體材料從噴涂頭的流出可以以基本上連續(xù)的方式發(fā)生，從而通過流體導(dǎo)電材料的連續(xù)噴射流在襯底上繪制圖案，或者可以作為短的單次點射發(fā)生，使得每一次點射在襯底上形成導(dǎo)電材料的一個“像素”。點射模式與連續(xù)模式之間的交替也是可能的。
[0048]可以用保護流體材料免受氧化和/或非故意冷卻的熱氣體流來支撐流體材料從噴涂頭的流出。如果需要防止氧化，則該氣體不能含有氧。例如，可以使用熱氮氣流(其中“熱”是指氮氣足夠熱以顯著幫助保持流體材料為流體狀態(tài)足夠長的時間，以使其很好地附著到襯底)，因為氮氣可以有效地消除氧化。熱氮氣流可以從與流體導(dǎo)電材料相同的噴涂頭或者從單獨的熱氮氣分配器噴出。
[0049]為了形成所述預(yù)定種類的圖案，可以在噴涂流體油墨的已知印刷應(yīng)用中采用幾種方法。例如，可以使用壓盤和/或臺架來相對于襯底移動噴涂頭的噴嘴(或整個噴涂頭)，和/或相對于噴涂頭移動襯底。也可以在噴涂頭中具有一排或一個陣列的單獨可控噴嘴，并且在襯底和噴涂頭的相對移動期間控制單個噴嘴的操作，從而使圖案形成為由單個噴嘴所形成的合并組成圖案產(chǎn)生的組合結(jié)果。圖案是預(yù)定種類的事實是指已經(jīng)預(yù)先決定了如襯底和噴涂頭的相對移動、噴嘴的開啟和關(guān)閉時間、導(dǎo)電材料被噴涂的速率以及其它相關(guān)參數(shù)等因素，以使操作者能夠以合理的確定性預(yù)期當(dāng)完成時圖案的每個部分將具有什么輪廓、厚度和尺寸。
[0050]為了防止在襯底的表面上產(chǎn)生的導(dǎo)電材料圖案扭曲和模糊，導(dǎo)電材料必須從它的流體狀態(tài)固化。因為我們假設(shè)之前是通過將它加熱到它的熔點以上來使它成為流體，因此很自然地假設(shè)固化將涉及將導(dǎo)電材料冷卻到它的熔點以下。為此目的，圖1的工藝包括冷卻部件106，其被配置為將襯底以及被噴涂在上面的導(dǎo)電材料冷卻到第三溫度，所述第三溫度低于或等于導(dǎo)電材料的熔點。冷卻可以包括被動冷卻(其中，只是允許襯底和被噴涂在上面的導(dǎo)電材料與它們的周圍環(huán)境通過對流和熱傳導(dǎo)自由交換熱能)和/或主動冷卻(其中，采取有效措施來控制襯底和被噴涂在上面的導(dǎo)電材料的溫度將發(fā)生變化的速率和/或它們將實現(xiàn)的結(jié)果溫度)。
[0051]該工藝還可以包括目的在于(例如)加強和/或測試印刷的導(dǎo)電圖案的質(zhì)量和外觀的其它步驟。最終，完成的印刷襯底將最后會在工件處置器107中，該工件處置器107收集完成的襯底件并且將其儲存，以在同一個工藝的其它部分中或在不同的工藝中使用。最后的工件處置器并不是工藝的必要部件，因為通過前面的部件實現(xiàn)的印刷步驟可以被集成到更大的制造工藝中，從而使印刷襯底在冷卻后直接繼續(xù)到一些進一步的處理。
[0052]在下面我們將詳細考慮實現(xiàn)工藝的各個部分的一些示例性方法。除非另有明確說明，一個部分的各種物理實現(xiàn)可以與另一部分的任何物理實現(xiàn)自由組合。
[0053]本發(fā)明非常適合于卷到卷處理，這意味著方法可以包括:在襯底預(yù)熱器103中對襯底進行預(yù)熱之前(和/或同時)，在上文描述為襯底處置器101的那部分工藝中，將襯底從卷展開；以及在上文描述為工件處置器107的那部分工藝中，將導(dǎo)電材料被噴涂到上面的襯底在冷卻后纏繞到滾筒上。作為卷到卷處理的備選方案，可以將襯底作為分立件(例如，片材)進行處置。
[0054]本發(fā)明并不限制襯底的選擇，但是因為可以預(yù)料導(dǎo)電圖案將用作印刷電子器件的部分，因此假設(shè)至少流體導(dǎo)電材料將被噴涂到上面的襯底的表面是電絕緣的是合理的。使用紙、紙板、硬紙板、棉紙、聚合物膜或它們的某種組合作為襯底涉及的優(yōu)點是由于它們通常被用來制造產(chǎn)品的封面和包裝，因此本發(fā)明提供了將印刷電子器件與產(chǎn)品封面和包裝進行集成的特別有利的方法。使用無紡織物、機織織物、氈制品或它們的某種組合作為襯底涉及的優(yōu)點是本發(fā)明提供了將印刷電子器件與衣服和紡織品進行集成的特別有利的方法。來自紙、紙板、硬紙板、棉紙、聚合物膜、無紡織物、機織織物和氈制品的列表的組成襯底的任意組合可以用作襯底，只要組合能夠承受住當(dāng)對襯底進行預(yù)熱并且將流體導(dǎo)電材料噴涂到上面時的瞬時熱暴露。
[0055]圖2、圖3和圖4示意性地示出了對襯底進行預(yù)熱的各種方法。圖2示出了將襯底壓靠在加熱滾筒201上，圖3示出了使襯底經(jīng)受來自加熱輻射源301的加熱輻射，而圖4示出了使襯底經(jīng)受來自已加熱氣體的吹風(fēng)機401的加熱氣體流。其它的物理實現(xiàn)也是可能的，例如移動襯底越過平坦底座，該平坦底座的至少一部分包含加熱器。
[0056]圖5、圖6和圖7示意性地示出了在本發(fā)明實施例中實現(xiàn)噴涂頭的一部分的各種方法，所述方法通?？梢员碚鳛榕c所謂的焊料噴射具有一些相似之處。根據(jù)制造傳統(tǒng)的電子器件和集成電路的技術(shù)，已知通過將熔化焊料的小液滴精確地分配到印刷電路板或半導(dǎo)體芯片的表面上的金屬焊盤上來產(chǎn)生焊料凸塊的技術(shù)。圖5示出了適用于本發(fā)明的目的的根據(jù)被稱為按需滴落的原理構(gòu)建的可控噴嘴。
[0057]沿箭頭501的方向以液體形式從材料處置器(未示出)向可控噴嘴輸送流體導(dǎo)電材料。在由噴嘴主體503限定的儲存器502中，流體導(dǎo)電材料通常保持在基本上環(huán)境壓力，這意味著流體導(dǎo)電材料的重力、毛細現(xiàn)象和內(nèi)聚力的組合防止它通過孔口 504逸出，該孔口 504在圖5出現(xiàn)在噴嘴主體503的下端。壓電致動器505位于噴嘴主體503的一側(cè)，即通常在孔口 504的相對側(cè)。耦合到噴嘴的控制信號采取電壓脈沖的形式，當(dāng)施加到壓電致動器505時，在儲存器502中的流體導(dǎo)電材料中產(chǎn)生壓力和速度的瞬變。電壓脈沖的結(jié)果是流體導(dǎo)電材料滴落通過孔口 504噴射。通過對電壓脈沖的輸送和噴嘴和襯底(未示出)的相對移動進行協(xié)調(diào)，能夠形成預(yù)定種類的圖案，該圖案是從噴出的液滴與已經(jīng)噴涂在襯底上的導(dǎo)電材料的合并逐漸建立起來的。自然必要的是確保噴嘴主體503在操作期間恒定地足夠熱，從而使固化的導(dǎo)電材料不堵塞孔口 504。
[0058]圖6示出了所謂的連續(xù)模式實施例，其中許多部件和功能可以類似于圖5的那些部件和功能:按照箭頭501輸送液體形式和環(huán)境壓力下的流體導(dǎo)電材料；噴嘴主體502、儲存器503以及壓電致動器505。然而，代替改變控制信號，將一串穩(wěn)定的電壓脈沖耦合到壓電致動器505。這會使穩(wěn)定的液滴流通過孔口噴出。與圖5相對比，由于充電電壓(在圖6中表示為++)已經(jīng)被耦合到噴嘴主體502，因此這些液滴是帶電的。一對偏轉(zhuǎn)電極601靠近孔口而定位，以使噴出的流體導(dǎo)電材料的帶電液滴必須經(jīng)過偏轉(zhuǎn)電極601之間。取決于耦合到偏轉(zhuǎn)電極的控制信號的瞬時極性和值，噴出的帶電液滴會被允許繼續(xù)朝向襯底(即，在圖6的右下)或捕獲于再循環(huán)箱602中。
[0059]圖7示出了另一個備選實施例，其中再次以液體形式向可控噴嘴輸送流體導(dǎo)電材料，但是這一次壓力比環(huán)境壓力高。壓電或其它微型機電閥701位于流體導(dǎo)電材料可以通過以朝向襯底(未示出)流動的孔口處。控制信號驅(qū)動閥701，使得只是作為對預(yù)定的控制信號值的響應(yīng)，閥打開，并且一些流體導(dǎo)電材料通過孔口噴出。
[0060]圖8和圖9示出了實現(xiàn)本發(fā)明實施例中的噴涂頭的一部分的示意性的各種方法，所述方法通常可以表征為與所謂的氣霧噴射具有一些相似之處。本發(fā)明的這些實施例的共同特征是，流體導(dǎo)電材料以氣體載體中的液滴或固體微粒的膠態(tài)懸浮液的蒸汽的形式流經(jīng)噴涂頭的至少一部分。
[0061]在圖8中，噴涂頭包括噴嘴，流體導(dǎo)電材料沿箭頭801的方向以氣體載體中的液滴或固體微粒的膠態(tài)懸浮液的蒸汽形式去往該噴嘴。沿箭頭802和803的方向向噴嘴中提供護套氣體。在由噴嘴主體805限定的內(nèi)部腔室804中，將護套氣體和流體導(dǎo)電材料的流進行組合，因此噴出軸向?qū)ΨQ的復(fù)合流，其中包含流體導(dǎo)電材料的中央部分由同心的護套氣體流包圍。為了實現(xiàn)操縱操作(shuttering operat1n),即可控地允許和阻止流體導(dǎo)電材料的流動，存在節(jié)流閥806，它響應(yīng)于控制信號并且沿著將噴嘴耦合到流體導(dǎo)電材料產(chǎn)生的地方(未示出)的線路而定位。可控節(jié)流閥(或者概括地說可控閥)的使用使圖8的噴嘴成為可控噴嘴。
[0062]圖9是包括噴涂噴嘴901和吸嘴902的可控組合的噴涂頭的更加示意性的說明。材料處置器(未示出)被配置為沿箭頭903的方向以蒸汽或膠態(tài)懸浮液的形式向噴涂噴嘴輸送流體導(dǎo)電材料。雖然明顯需要一些控制單元來調(diào)節(jié)蒸汽或膠態(tài)懸浮液向噴涂噴嘴的流動，但這些在本實施例中主要不是用于在圖案的印刷期間操縱流體導(dǎo)電材料朝向襯底的噴涂。代替地，吸嘴902被配置為通過在由噴涂噴嘴噴涂的蒸汽或膠態(tài)懸浮液粘附到襯底之前從所述襯底附近將其除去來響應(yīng)“停止印刷”類型的控制信號。更詳細地，吸嘴902通過可控閥904耦合到護套氣體出口，使得當(dāng)所述閥打開時，靠近噴涂噴嘴和吸嘴的孔口的流體材料足夠強烈地流入吸嘴902，以抽走從噴涂噴嘴901噴出的任何流體導(dǎo)電材料。
[0063]可以通過同時從位于吸嘴902對面的吹風(fēng)機噴嘴905吹送護套氣體來增強上文所描述的“真空吸塵器”效果，吹風(fēng)機噴嘴905通過另一個可控閥906耦合到護套氣體源。當(dāng)可控閥904和906打開時，噴涂噴嘴901正前方的區(qū)域中所產(chǎn)生的強大護套氣體層流帶走從噴涂噴嘴901噴出的任何流體導(dǎo)電材料。為了不引起導(dǎo)電材料的過度浪費，通過吸嘴902進入的一切物質(zhì)都去往分離器裝置907，分離器裝置907將分離的導(dǎo)電材料再循環(huán)回去使用。分離的導(dǎo)電材料的回收由從圖9中的分離器裝置907向上指向的箭頭示意性地示出。
[0064]還可以通過與圖9示意性地示出的吸嘴和可能的吹風(fēng)機噴嘴的配置不同的配置來實現(xiàn)在由噴涂噴嘴噴涂的蒸汽或膠態(tài)懸浮液粘附到襯底之前從所述襯底附近除去所述蒸汽或膠態(tài)懸浮液的原理。例如，吸嘴可以在噴涂噴嘴周圍具有環(huán)狀形式，或者可以使用具有更寬覆蓋范圍的常見吸嘴，來可控地除去由大量的單個噴涂噴嘴噴涂的蒸汽或膠態(tài)懸浮液。
[0065]在熱量在維持導(dǎo)電材料的流體形式中發(fā)揮顯著作用的本發(fā)明的所有這些實施例中，可以假設(shè)噴涂頭和/或它的噴嘴包括被配置為將其維持在足夠高溫度所需的加熱結(jié)構(gòu)，使得固化的導(dǎo)電材料不會引起不期望的堵塞。
[0066]可以通過在將流體導(dǎo)電材料噴涂到經(jīng)預(yù)熱的襯底上與冷卻襯底之間或者甚至在冷卻步驟之后使用進一步的處理步驟來實現(xiàn)圖案平滑性、與襯底的粘附、外觀和/或其它特性的有益效果。圖10示意性地示出了冷卻之前這種進一步處理步驟的示例。在本實施例中，該方法包括將導(dǎo)電材料在襯底的表面上所形成的圖案再加熱到高于或接近其熔點的溫度。在本發(fā)明的這個實施例中，冷卻步驟是在所謂的冷輥隙中來實現(xiàn)，該冷輥隙包括位于在上面施加導(dǎo)電材料的襯底的一側(cè)的已冷卻滾筒1001，和位于襯底的另一側(cè)的對應(yīng)滾筒。在冷輥隙之前沿著襯底的軌道定位的是再熱器1002，其被配置為加熱在前一個工藝步驟(未示出)噴涂到襯底上的導(dǎo)電材料1003。在該所示實施例中，預(yù)熱器1002是輻射加熱器，但是也可以使用任何其它加熱技術(shù)。對導(dǎo)電材料1003進行再加熱使之熔化或至少實現(xiàn)易延展的狀態(tài)。使導(dǎo)電材料在冷輥隙中經(jīng)受壓力和冷卻后立即使圖案的表面平滑化，從而消除印刷質(zhì)量中的至少某些可能剩余的缺陷。
[0067]不管是否使用單獨的再加熱，當(dāng)導(dǎo)電材料被噴涂在上面的襯底來到冷卻步驟時，所噴涂的導(dǎo)電材料可以是至少部分熔化的狀態(tài)。先前在本說明書中已經(jīng)指出，對冷卻步驟的自然要求是要確保導(dǎo)電材料以受控制的方式固化。如果使用冷輥隙來進行冷卻，這引發(fā)自然的假設(shè)，即正在主動保持經(jīng)冷卻滾筒的溫度低于或最多等于導(dǎo)電材料的熔點。但是，不必保持其低非常多。如果已冷卻滾筒比導(dǎo)電材料的熔點冷很多，則已經(jīng)在離冷輥隙一段距離處產(chǎn)生的強烈熱吸收可能會導(dǎo)致導(dǎo)電材料在實際上到達輥隙之前已經(jīng)完全固化。這又可能會導(dǎo)致失去原本可以在輥隙中獲得的某些有益效果?？梢杂欣刂鲃颖３帧敖?jīng)冷卻”滾筒的溫度只比導(dǎo)電材料的熔點低幾度或幾十度。作為示例，如果導(dǎo)電材料是(例如)42%的錫和58%的鉍的共晶合金，具有138°C的熔點，則“已冷卻”滾筒的控制溫度可能在110°C度的量級，加減幾度，這取決于如襯底和環(huán)境溫度的驅(qū)動速度等因素。
[0068]即使冷輥隙的“已冷卻”滾筒實際上是相對于環(huán)境溫度加熱而非冷卻，確保其溫度保持低于導(dǎo)電材料的熔點除了確保導(dǎo)電材料固化之外，仍然提供至少兩個另外的優(yōu)點。還在其中施加壓力的區(qū)域處的相對快速固化確保仍然處于熔化狀態(tài)的導(dǎo)電材料的那些部分不容易從圖案實際上應(yīng)該覆蓋的那些區(qū)域顯著流瀉。另一優(yōu)點是，熔化的導(dǎo)電材料不容易粘到“已冷卻”滾筒的表面。然而應(yīng)當(dāng)注意，后一個優(yōu)點，即印刷的圖案不會粘到滾筒表面也可以通過適當(dāng)選擇滾筒表面的材料來實現(xiàn)，即使?jié)L筒溫度實際上更高。
[0069]第一(預(yù)熱)、第二(使導(dǎo)電材料成為流體)和第三(冷輥隙)溫度的選擇是優(yōu)化問題，其必須考慮如襯底的驅(qū)動速度、在各個工藝步驟之間沿著襯底的距離、噴出的流體形式的導(dǎo)電材料的飛行時間、環(huán)境溫度、使用護套氣體流的可能性等因素?？傮w上認為(雖然不是必需的)，襯底被預(yù)熱到的第一溫度高于第三溫度，第三溫度是冷輥隙的溫度。可以直觀地容易理解這樣的建議，因為第三溫度的目的是使導(dǎo)電材料固化，而第一溫度的目的是幫助在必要長的時間內(nèi)保持導(dǎo)電材料為流體。
[0070]圖11示意性地示出了在到目前為止所描述的本發(fā)明的所有實施例中可以進行的添加。為了增強導(dǎo)電材料最終將填充襯底表面的所需部分的方式，圖11示意性地示出的方法和結(jié)構(gòu)包括用促進流體導(dǎo)電材料在襯底上擴散的制劑對襯底進行預(yù)處理。在本說明書中，我們稱這樣的制劑為浸潤劑。預(yù)處理是通過被配置為執(zhí)行這項任務(wù)的所謂的浸潤劑涂覆器來實現(xiàn)。沿襯底102的移動方向，浸潤劑涂覆器可以位于預(yù)熱器103之前，如附圖標記1101所示，或者可以位于預(yù)熱器103之后，如附圖標記1102所示。
[0071]本發(fā)明并不限制對用于實現(xiàn)浸潤劑涂覆器的技術(shù)的選擇。在示例中，浸潤劑涂覆器可以具有噴墨印刷頭的外觀，可以精確控制它在襯底102旁邊的移動，如每一種情況1101和1102下的箭頭所示。在其它示例中，浸潤劑涂覆器可以具有印刷滾筒、涂抹頭、具有遮罩的噴涂頭或類似物的外觀。
[0072]本發(fā)明不限制對用作浸潤劑的物質(zhì)的選擇，只要它具有促進流體導(dǎo)電材料在襯底上擴散的所需特性即可。自然，用作浸潤劑的物質(zhì)應(yīng)當(dāng)易于適用于通過所選擇的涂覆器技術(shù)涂敷到襯底上，并且能夠承受流體導(dǎo)電材料的熱量。圖11右側(cè)的局部放大圖示出了浸潤劑的一小部分1103如何已經(jīng)涂覆到襯底的表面上。其結(jié)果是，流體導(dǎo)電材料的液滴1104容易地擴散，從而使接觸角(根據(jù)一般的定義，是指流體導(dǎo)電材料遇到固體表面的角度)是小的。除了促進擴散的任務(wù)外或者作為促進擴散的任務(wù)的備選方案，浸潤劑可以具有增強襯底與導(dǎo)電材料之間的粘合的任務(wù)(一旦后者已固化)。
[0073]圖12示出了可以通過根據(jù)本發(fā)明的實施例的方法制作的導(dǎo)電橋結(jié)構(gòu)的橫截面。襯底102已被圖案化上了導(dǎo)電圖案，例如螺旋形天線，它的連續(xù)圓形物(round)在圖12中可見為陰影線的矩形1201。在這之后，一些電介質(zhì)材料已經(jīng)涂敷在已圖案化的襯底的至少一些部分上；在圖12中，我們假設(shè)電介質(zhì)貼片1202覆蓋圓形物1201。對襯底的預(yù)熱可以發(fā)生在涂敷形成電介質(zhì)貼片的電介質(zhì)材料之前，或之后(如果工藝在完全不同的地方和機器那里繼續(xù)，則甚至在它之后很長時間)。已經(jīng)通過將流體導(dǎo)電材料噴涂到已預(yù)熱的襯底上以形成預(yù)定種類的圖案印刷了導(dǎo)電橋1203 ;在這種情況下，圖案跨越電介質(zhì)貼片1202到達導(dǎo)電圖案1204和1205并且將它們連接在一起。相比提供印刷導(dǎo)電圖案的許多其它更傳統(tǒng)的技術(shù)，通過以流體形式噴涂來涂覆形成橋1203的導(dǎo)電材料是特別有利的，因為它允許產(chǎn)生的圖案具有一些立體感。此外，可以通過將電介質(zhì)材料以液體形式噴到期望的區(qū)域上以使其填滿任何空隙并固化成可以在上面以流體形式涂覆導(dǎo)電材料的相對光滑的表面來產(chǎn)生電介質(zhì)貼片1202。
[0074]如上所述，本發(fā)明可以有利地應(yīng)用于在電絕緣襯底上產(chǎn)生印刷電子器件。然而，這不應(yīng)當(dāng)被解釋為限制本發(fā)明也對其它用途的適用性。
【權(quán)利要求】
1.一種用于將導(dǎo)電材料以流體形式轉(zhuǎn)移到襯底上的方法，包括: -將所述襯底預(yù)熱到第一溫度， -將所述導(dǎo)電材料加熱到第二溫度，所述第二溫度高于所述導(dǎo)電材料的熔點，從而產(chǎn)生流體導(dǎo)電材料， -將所述流體導(dǎo)電材料噴涂到所述已預(yù)熱的襯底上以形成預(yù)定種類的圖案，以及 -將所述流體導(dǎo)電材料被噴涂到上面的所述襯底冷卻到第三溫度，所述第三溫度低于或等于所述導(dǎo)電材料的所述熔點； 其中所述冷卻包括:將所述流體導(dǎo)電材料被噴涂到上面的所述襯底的表面壓靠在滾筒上；以及主動地保持所述滾筒的表面溫度低于所述襯底所述導(dǎo)電材料的所述熔點，其中壓靠在所述滾筒上實現(xiàn)襯底的所述冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，特征在于:襯底的所述預(yù)熱包括以下中的至少一個:壓靠在加熱滾筒上、經(jīng)受加熱輻射、經(jīng)受加熱氣流。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，特征在于其包括:在所述預(yù)熱之前將所述襯底從滾筒展開。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，特征在于其包括:在所述冷卻后將所述流體導(dǎo)電材料被噴涂在上面的所述襯底纏繞到滾筒上。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，特征在于:所述襯底是以下中的一個:紙、紙板、硬紙板、棉紙、聚合物膜、無紡織物、機織織物、氈制品。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，特征在于: -產(chǎn)生流體導(dǎo)電材料包括將導(dǎo)電材料加熱到第二溫度，所述第二溫度高于所述導(dǎo)電材料的熔點，以及 -將所述流體導(dǎo)電材料噴涂到已預(yù)熱的襯底包括通過使用可控噴嘴將所述流體導(dǎo)電材料以液體形式噴涂到預(yù)先定義形式的區(qū)域上，所述可控噴嘴通過朝向所述襯底噴出所述導(dǎo)電材料中的一些來響應(yīng)耦合到所述可控噴嘴的控制信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項所述的方法，特征在于:將所述流體導(dǎo)電材料噴涂到已預(yù)熱的襯底包括將所述流體導(dǎo)電材料以蒸汽或膠態(tài)懸浮液的形式噴涂到預(yù)先定義形式的區(qū)域上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，特征在于其包括:使用噴涂噴嘴和吸嘴的可控組合，所述可控組合的所述吸嘴在操作時，在由所述噴涂噴嘴噴涂的蒸汽或膠態(tài)懸浮液粘附到所述襯底之前從所述襯底附近除去所述蒸汽或膠態(tài)懸浮液。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，特征在于:在將所述流體導(dǎo)電材料噴涂到已預(yù)熱的襯底上與冷卻襯底之間，所述方法包括重新加熱通過所述導(dǎo)電材料在襯底的表面上形成的圖案。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，特征在于:所述方法包括在電絕緣襯底上產(chǎn)生印刷電子器件。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，特征在于:所述方法包括用促進流體導(dǎo)電材料在所述襯底上擴散的制劑對所述襯底進行預(yù)處理。
12.一種用于將導(dǎo)電材料以流體形式轉(zhuǎn)移到襯底上的結(jié)構(gòu)，包括: -襯底處置器，其被配置為保持襯底， -襯底預(yù)熱器，其被配置為將所述襯底預(yù)熱到第一溫度， -材料處置器，其被配置為產(chǎn)生流體導(dǎo)電材料， -噴涂頭，其被配置為將所述流體導(dǎo)電材料噴涂到已預(yù)熱的襯底上以形成預(yù)定種類的圖案，以及 -冷卻部件，其被配置為將所述流體導(dǎo)電材料被噴涂到上面的襯底冷卻到第三溫度，所述第三溫度低于或等于所述導(dǎo)電材料的所述熔點； 其中所述冷卻部件包括:輥隙，其被配置為將所述流體導(dǎo)電材料被噴涂到上面的襯底的表面壓靠在滾筒上；以及溫度控制裝置，其被配置為主動地保持所述滾筒的表面溫度低于所述導(dǎo)電材料的所述熔點。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的結(jié)構(gòu)，特征在于:所述襯底預(yù)熱器包括以下中的至少一個:加熱滾筒、加熱輻射源、已加熱氣體的吹風(fēng)機。
14.根據(jù)權(quán)利要求12到13中任一項所述的結(jié)構(gòu)，特征在于: -所述噴涂頭包括可控噴嘴，所述可控噴嘴被配置為通過朝向襯底噴出所述流體導(dǎo)電材料中的一些來響應(yīng)耦合到所述可控噴嘴的控制信號，并且 -所述材料處置器被配置為將所述流體導(dǎo)電材料以液體、蒸汽或膠態(tài)懸浮液的形式輸送到所述可控噴嘴。
15.根據(jù)權(quán)利要求12到13中任一項所述的結(jié)構(gòu)，特征在于: -所述噴涂頭包括噴涂噴嘴和吸嘴的可控組合， -所述材料處置器被配置為將所述流體導(dǎo)電材料以蒸汽或膠態(tài)懸浮液的形式輸送到所述噴涂噴嘴，以及 -所述吸嘴被配置為通過在由所述噴涂噴嘴噴涂的蒸汽或膠態(tài)懸浮液粘附到所述襯底之前從所述襯底附近除去所述蒸汽或膠態(tài)懸浮液來響應(yīng)控制信號。
16.根據(jù)權(quán)利要求12到15中任一項所述的結(jié)構(gòu)，特征在于:所述材料的處置器被配置為將所述導(dǎo)電材料加熱到第二溫度，所述第二溫度高于所述導(dǎo)電材料的熔點。
17.根據(jù)權(quán)利要求12到16中任一項所述的結(jié)構(gòu)，特征在于:所述結(jié)構(gòu)包括浸潤劑涂覆器，所述浸潤劑涂覆器被配置為用促進流體導(dǎo)電材料在所述襯底上擴散的制劑對所述襯底進行預(yù)處理。
【文檔編號】H05K3/12GK104170533SQ201380007268
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年1月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月30日
【發(fā)明者】尤哈·麥加拉, 派翠·瑟維奧 申請人:斯塔諾 阿埃索 澳吉有限公司