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1、(10)申请公布号 CN 104170533 A (43)申请公布日 2014.11.26 CN 104170533 A (21)申请号 201380007268.1 (22)申请日 2013.01.30 20125088 2012.01.30 FI H05K 3/10(2006.01) H05K 3/12(2006.01) H05K 3/14(2006.01) (71)申请人 斯塔诺 阿埃索 澳吉有限公司 地址 芬兰赫尔辛基 (72)发明人 尤哈麦加拉 派翠瑟维奥 (74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任 公司 11021 代理人 赵伟 (54) 发明名称 在将要印刷的衬底上以流体形式。
2、转移导电材 料的方法和结构 (57) 摘要 公开了一种用于将导电材料以流体形式转移 到衬底上的方法和结构装置。将所述衬底预热到 第一温度， 并且产生所述导电材料的流体导电材 料。将所述流体导电材料喷涂到所述已预热的衬 底上以形成预定种类的图案。将所述流体导电材 料被喷涂到上面的衬底冷却到第三温度， 所述第 三温度低于所述导电材料的熔点。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2014.07.30 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/FI2013/050098 2013.01.30 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2013/113994 EN 2013.08.08。
3、 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 9 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书9页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104170533 A CN 104170533 A 1/2 页 2 1. 一种用于将导电材料以流体形式转移到衬底上的方法， 包括 ： - 将所述衬底预热到第一温度， - 将所述导电材料加热到第二温度， 所述第二温度高于所述导电材料的熔点， 从而产生 流体导电材料， - 将所述流体导电材料喷涂到所述已预热的衬底上以形成预定种类的图案， 以及 - 将所述流体导电材料被喷涂到上面的所述衬底冷却到第三温。
4、度， 所述第三温度低于 或等于所述导电材料的所述熔点 ； 其中所述冷却包括 ： 将所述流体导电材料被喷涂到上面的所述衬底的表面压靠在滚筒 上 ； 以及主动地保持所述滚筒的表面温度低于所述衬底所述导电材料的所述熔点， 其中压 靠在所述滚筒上实现衬底的所述冷却。 2.根据权利要求1所述的方法， 特征在于 ： 衬底的所述预热包括以下中的至少一个 ： 压 靠在加热滚筒上、 经受加热辐射、 经受加热气流。 3. 根据前述权利要求中任一项所述的方法， 特征在于其包括 ： 在所述预热之前将所述 衬底从滚筒展开。 4. 根据前述权利要求中任一项所述的方法， 特征在于其包括 ： 在所述冷却后将所述流 体导电材料。
5、被喷涂在上面的所述衬底缠绕到滚筒上。 5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法， 特征在于 ： 所述衬底是以下中的一个 ： 纸、 纸板、 硬纸板、 棉纸、 聚合物膜、 无纺织物、 机织织物、 毡制品。 6. 根据前述权利要求中任一项所述的方法， 特征在于 ： - 产生流体导电材料包括将导电材料加热到第二温度， 所述第二温度高于所述导电材 料的熔点， 以及 - 将所述流体导电材料喷涂到已预热的衬底包括通过使用可控喷嘴将所述流体导电材 料以液体形式喷涂到预先定义形式的区域上， 所述可控喷嘴通过朝向所述衬底喷出所述导 电材料中的一些来响应耦合到所述可控喷嘴的控制信号。 7. 根据权利要求 1 到 5。
6、 中任一项所述的方法， 特征在于 ： 将所述流体导电材料喷涂到 已预热的衬底包括将所述流体导电材料以蒸汽或胶态悬浮液的形式喷涂到预先定义形式 的区域上。 8. 根据权利要求 7 所述的方法， 特征在于其包括 ： 使用喷涂喷嘴和吸嘴的可控组合， 所 述可控组合的所述吸嘴在操作时， 在由所述喷涂喷嘴喷涂的蒸汽或胶态悬浮液粘附到所述 衬底之前从所述衬底附近除去所述蒸汽或胶态悬浮液。 9. 根据前述权利要求中任一项所述的方法， 特征在于 ： 在将所述流体导电材料喷涂到 已预热的衬底上与冷却衬底之间， 所述方法包括重新加热通过所述导电材料在衬底的表面 上形成的图案。 10. 根据前述权利要求中任一项所述。
7、的方法， 特征在于 ： 所述方法包括在电绝缘衬底 上产生印刷电子器件。 11. 根据前述权利要求中任一项所述的方法， 特征在于 ： 所述方法包括用促进流体导 电材料在所述衬底上扩散的制剂对所述衬底进行预处理。 12. 一种用于将导电材料以流体形式转移到衬底上的结构， 包括 ： - 衬底处置器， 其被配置为保持衬底， 权 利 要 求 书 CN 104170533 A 2 2/2 页 3 - 衬底预热器， 其被配置为将所述衬底预热到第一温度， - 材料处置器， 其被配置为产生流体导电材料， - 喷涂头， 其被配置为将所述流体导电材料喷涂到已预热的衬底上以形成预定种类的 图案， 以及 - 冷却部件，。
8、 其被配置为将所述流体导电材料被喷涂到上面的衬底冷却到第三温度， 所 述第三温度低于或等于所述导电材料的所述熔点 ； 其中所述冷却部件包括 ： 辊隙， 其被配置为将所述流体导电材料被喷涂到上面的衬底 的表面压靠在滚筒上 ； 以及温度控制装置， 其被配置为主动地保持所述滚筒的表面温度低 于所述导电材料的所述熔点。 13. 根据权利要求 12 所述的结构， 特征在于 ： 所述衬底预热器包括以下中的至少一个 ： 加热滚筒、 加热辐射源、 已加热气体的吹风机。 14. 根据权利要求 12 到 13 中任一项所述的结构， 特征在于 ： - 所述喷涂头包括可控喷嘴， 所述可控喷嘴被配置为通过朝向衬底喷出所。
9、述流体导电 材料中的一些来响应耦合到所述可控喷嘴的控制信号， 并且 - 所述材料处置器被配置为将所述流体导电材料以液体、 蒸汽或胶态悬浮液的形式输 送到所述可控喷嘴。 15. 根据权利要求 12 到 13 中任一项所述的结构， 特征在于 ： - 所述喷涂头包括喷涂喷嘴和吸嘴的可控组合， - 所述材料处置器被配置为将所述流体导电材料以蒸汽或胶态悬浮液的形式输送到所 述喷涂喷嘴， 以及 - 所述吸嘴被配置为通过在由所述喷涂喷嘴喷涂的蒸汽或胶态悬浮液粘附到所述衬底 之前从所述衬底附近除去所述蒸汽或胶态悬浮液来响应控制信号。 16. 根据权利要求 12 到 15 中任一项所述的结构， 特征在于 ： 所。
10、述材料的处置器被配置 为将所述导电材料加热到第二温度， 所述第二温度高于所述导电材料的熔点。 17. 根据权利要求 12 到 16 中任一项所述的结构， 特征在于 ： 所述结构包括浸润剂涂覆 器， 所述浸润剂涂覆器被配置为用促进流体导电材料在所述衬底上扩散的制剂对所述衬底 进行预处理。 权 利 要 求 书 CN 104170533 A 3 1/9 页 4 在将要印刷的衬底上以流体形式转移导电材料的方法和结 构 技术领域 0001 本发明通常涉及在将要印刷的衬底上转移导电材料的技术。特别是， 本发明涉及 当导电材料被转移到衬底上时使用流体 ( 即， 非固体 ) 形式的导电材料。 背景技术 000。
11、2 最近， 通过使用印刷工艺在电介质衬底(例如， 纸、 纸板、 织物或聚合物膜)上产生 导电图案已变得越来越有吸引力。印刷电子技术领域涉及在衬底上产生导电、 并且在一些 情况下半导电的区域和迹线， 它们经常通过将单独的电子组件(例如， 半导体芯片)附加到 导电或半导电区域的至少一些来增加。 0003 同样地， 自从十五世纪的古腾堡印刷机时代以来， 已经知道在纸上或类似物上印 刷。然而， 简单地用导电的印刷油墨或墨粉取代传统的非导电印刷油墨或墨粉远远没有那 么简单。现有技术的固有特性可能使得难以或不可能改变到导电油墨或墨粉。印刷电子的 许多计划应用涉及一次性产品， 例如日常消耗品的包装， 它对经。
12、济因素提出相当大的压力 ： 包装或其印刷不应花费太多。可以采用液体溶液形式的导电或半导电聚合物， 并用它作为 印刷机或喷墨印刷机的油墨， 但是在撰写本说明书时已知的大多数导电聚合物太昂贵或难 以像油墨那样应对大规模的使用。许多金属化合物因此是相对廉价的， 并且可以以小固体 颗粒的形式使用， 来制成糊状物， 但将它们粉碎成(例如)顺利地流经喷墨喷嘴或方便地适 合凹版印刷所要求的粒径根本上增加了它们的价格。 发明内容 0004 本发明的实施例的一个有利特征是提供了一种用于在将要通过有利地以大规模 生产方式应用并且适用于各种导电材料的工艺在要印刷的表面上转移导电材料的方法和 结构。 0005 本发明。
13、的目的是通过对衬底进行预热并且将导电材料以流体形式喷涂到衬底上 来实现。对衬底进行预热确保导电材料同样衬底的良好粘附。 0006 一种根据本发明的方法的特征在于 ： 0007 - 将衬底预热到第一温度， 0008 - 产生流体导电材料， 0009 - 将所述流体导电材料喷涂到已预热的衬底上以形成预定种类的图案， 并且 0010 - 将所述流体导电材料被喷涂到上面的衬底冷却到第三温度， 所述温度低于所述 导电材料的所述熔点 ； 0011 其中所述冷却包括 ： 将所述流体导电材料被喷涂到上面的衬底的表面压靠在滚筒 上 ； 以及主动保持所述滚筒的表面温度低于所述导电材料的所述熔点， 其中压靠在所述滚。
14、 筒上实现衬底的所述冷却。 0012 一种根据本发明的结构的特征在于， 它包括 ： 说 明 书 CN 104170533 A 4 2/9 页 5 0013 - 衬底处置器， 其被配置为保持衬底， 0014 - 衬底预热器， 其被配置为将所述衬底预热到第一温度， 0015 - 材料处置器， 其被配置为产生流体导电材料， 0016 - 喷涂头， 其被配置为将所述流体导电材料喷涂到已预热的衬底上以形成预定种 类的图案， 以及 0017 - 冷却部件， 其被配置为将所述流体导电材料被喷涂到上面的衬底冷却到第三温 度， 所述第三温度低于所述导电材料的所述熔点 ； 0018 其中所述冷却部件包括 ： 辊隙。
15、， 其被配置为将所述流体导电材料被喷涂到上面的 衬底的表面压靠在滚筒上 ； 以及温度控制装置， 其被配置为主动地保持所述滚筒的表面温 度低于所述导电材料的所述熔点。 0019 根据本发明的一个方面， 在将导电材料涂覆到衬底上的阶段， 以流体 ( 即， 液体或 蒸汽 ； 或者气体载体中的小液滴或小固体微粒的胶态悬浮液 ) 形式来处置导电材料。所述 流体形式不是主要通过导电材料在溶剂中的任何溶解来实现， 而是主要通过将其加热到其 熔化温度以上和 / 或通过将其雾化成气雾形式来实现。为了防止导电材料在击中衬底时固 化过快， 和 / 或为了确保与衬底的适当粘附， 将衬底预热到一定的温度， 使得固化发生。
16、得足 够慢并且导电材料紧密地粘附到衬底。冷却到熔点以下可以通过被动过程 ( 例如对流和辐 射)来发生， 或者可以主动在(例如)冷辊隙中对具有印刷的导电图案的衬底进行冷却。 导 电材料将要在其中形成图案的衬底区域可能已经用通过流体形式的导电材料对衬底表面 的浸润性加以增强的粘合剂或其它制剂预先进行了处理。 0020 本发明的一类具体的实施例涉及将导电材料以液体形式涂覆到衬底上。 用于分配 热液体的技术可以具有与用于将焊料凸块制作到印刷电路板和半导体芯片上的已知技术 类似的特征， 其中在将焊料保持在例如 240的升高的温度时， 可以以高精确度将熔融焊料 的微微升规模的体积分配到焊垫。然而， 与在本。
17、身已经导电的表面上产生离散并清楚地突 出的焊料凸块的已知技术相对比， 本发明能够在固有绝缘的衬底上产生包括导电物质的相 对大、 均匀并且非常薄的覆盖层的预定种类的图案。 0021 本发明的另一类具体的实施例的涉及将导电材料以蒸汽或者气体载体中的小液 滴或小固体微粒的胶态悬浮液 ( 其物理上的表现很像蒸汽 ) 的形式涂覆到衬底上。名称 “气雾” 通常被用来描述这样的胶态悬浮液， 特别是当气体载体是空气时。通过喷嘴作为不 连续的点射 (burst)( 将要印刷的图案的离散性质要求 ) 来分配纯蒸汽或类似物可能涉及 其存在的问题， 由于这个原因， 可优选在蒸汽或类似物的周围使用护套气体的同心流动， 。
18、和 /或使用喷涂喷嘴与吸嘴的可控组合。 在后一种情况下， 可以使用喷涂喷嘴来分配蒸汽或类 似物的相对连续的流， 而所述吸嘴选择性地操作， 以在由所述喷涂喷嘴喷涂的蒸汽粘附到 所述衬底之前从所述衬底附近除去所述蒸汽。 0022 本发明的实施例还在从属权利要求中描述。 0023 被认为是本发明的特性的新颖特征 ( 特别是 ) 在所附权利要求中阐述。然而， 本 发明本身(无论是其构造还是其操作方法)以及它的其它目的和优点将在结合附图阅读具 体实施例的以下描述时最好地理解。 0024 本专利申请中提出的本发明的示例性实施例不应被解释为构成对所附权利要求 的适用性的限制。动词 “包括” 在本专利申请中用。
19、作开放性限制， 它并不排除也未列举的特 说 明 书 CN 104170533 A 5 3/9 页 6 征的存在。从属权利要求中列举的特征可以相互自由组合， 除非另有明确说明。 附图说明 0025 图 1 示出了印刷工艺的原理， 0026 图 2 示出了加热滚筒， 0027 图 3 示出了加热辐射的源， 0028 图 4 示出了已加热气体的吹风机， 0029 图 5 示出了喷涂头中的喷嘴的示例， 0030 图 6 示出了喷涂头中的喷嘴的另一个示例， 0031 图 7 示出了喷涂头中的喷嘴的另一个示例， 0032 图 8 示出了喷涂头中的喷嘴的另一个示例， 0033 图 9 示出了喷涂头中的喷嘴的。
20、另一个示例， 0034 图 10 示出了重新加热和冷辊隙的使用， 0035 图 11 示出了对衬底进行预处理的示例， 以及 0036 图 12 示出了印刷导电桥。 具体实施方式 0037 图 1 是根据本发明的可以将导电材料以流体形式转移到衬底上的工艺的示意性 基本说明。为了可控地将衬底引入到工艺中， 存在衬底处置器 101， 其被配置为固持衬底 102， 并且在此示例中还基本上连续地或以离散的片的形式将衬底 102 供给到工艺中。由衬 底处置器101供给的衬底去往衬底预热器103， 衬底预热器103在这里被示为设备的单独部 件， 但其也可以至少部分地集成在衬底处置器中。衬底预热器 103 被。
21、配置为将衬底 102 预 热到第一温度。 0038 在本发明的那些其中导电材料在遇到衬底之前是熔融形式的实施例中， 将衬底预 热到所述第一温度的目的是为了确保熔融的导电材料不会固化太快。怎样才算固化太快， 在很大程度上取决于所涉及的材料和进行印刷的目的。作为两个说明性示例， 我们可以考 虑在光面纸上和毡制品上印刷导电图案。规则的光面印刷纸的表面的 PPS( 派克印刷面 ) 粗糙度大约只有几微米的量级， 而毡制品可以是足够多孔的， 从而显示出至少高二十倍或 甚至三十倍的清楚宏观粗糙度。 为了在光面纸的非常光滑的表面上印刷基本上连续并导电 的图案并且使其正确附着， 仅需要产生厚度在微米量级的导电材。
22、料层。在到达光面纸的表 面后， 导电材料只需要保持液体状态足够长的时间， 以确保它与纸张表面的最外层之间的 正确分子级粘附， 并且实现可能只有几微米厚的基本上连续的导电层的累积。 0039 与此相反， 为了在毡制品的粗糙和多孔表面上印刷基本上连续并导电的图案， 导 电材料的喷涂层必须足够厚， 并且保持液体状态足够长的时间， 以流入到表面中的无数空 腔中， 而不会在任何实质上的程度沿在表面的平面方向丢失其连续性。尽管后续的再加热 ( 这将在后面更详细地描述 ) 可以提供一些缓解， 但是清楚的是与粗糙和多孔材料相关的 预热要求可能比那些与非常光滑的材料相关的预热要求高得多。另外， 需要考虑流体导电。
23、 材料的特性表面张力以及影响其在衬底表面上的流动和其附着在衬底表面上的能力的其 它参数。在一些情况下， 可能需要集成衬底预热器 103 的至少某些部件与装置的以流体形 说 明 书 CN 104170533 A 6 4/9 页 7 式分配导电材料的那些部件， 以确保衬底在足够长的时间内保持足够热。 0040 此外， 必须考虑飞行时间， 也就是流体形式的导电材料在从其涂覆器的主动温度 受控部件飞行到衬底的表面上的路径上花费的时间， 特别是在本发明的那些其中导电材料 在遇到衬底之前是熔融形式的实施例中。导电材料趋向于在路径中冷却， 必须通过在朝向 衬底喷出导电材料之前将导电材料足够地加热或者通过将衬。
24、底充分地预热或者两者来补 偿这种冷却。 0041 在本发明的那些其中流体导电材料是气体载体中的固体微粒的胶态悬浮液的实 施例中， 将衬底预热到所述第一温度的目的是为了确保当导电材料的固体微粒击中已预热 的衬底时熔化。 在这种情况下， 假设第一温度不仅高于导电材料的熔点、 而且高到足以使得 能够将融合所需的特定的潜热转移到被喷涂到衬底上的导电材料总量上是合理的。 0042 在图 1 中示意性地示出的下一个部件是材料处置器 104， 其被配置为产生流体导 电材料。根据第一备选方案， 材料处置器 104 被配置为将导电材料加热到这里所谓的第二 温度， 所述第二温度高于所述导电材料的熔点。第二温度可以。
25、与预热器 103 将衬底 102 所 预热到的第一温度相同或不同。通过将材料足够地加热， 材料处置器 104 产生流体导电材 料， 其中描述语 “流体” 现在是指导电材料是液体或蒸汽状态， 或者是气体载体中的液滴的 胶态悬浮液状态， 或者包含它们的一些混合物。始终和热力学现象一样， 除了温度以外， 由 材料处置器 104 产生和 / 或控制的压力也可以在使导电材料以流体形式出现时起作用。材 料处置器104可以是独立的组件， 或者可以至少部分地与预热器103集成或耦合， 例如它们 可以使用相同的热源。 0043 根据第二备选方案， 材料处置器 104 被配置为将导电材料转变为气体载体中的固 体微。
26、粒的胶态悬浮液的形式。此外， 在这种情况下， 所谓的雾化程序 ( 是指产生胶态悬浮 液 ) 可能涉及首先将导电材料熔化， 除非导电材料已经是以足够细的粉碎形式提供， 以使 其能够充分地支撑在气体载体中。与上面的第一备选方案的不同之处在于， 在雾化程序后 或结合雾化程序， 故意地允许导电材料的颗粒在最终击中衬底之前呈现固态。 0044 根据本发明， 可以被用作导电材料的有利的材料包括但不限于铋、 铅、 锡、 铟、 镉和 它们的各种合金。 例如， 根据由纽约的Indium公司发布的表格， 具有51的铟、 32.5的铋 和 16.5的锡的共晶合金的熔点为 +60； 具有 66.3的铟和 33.7的铋。
27、的另一种共晶合 金的熔点为 +72 ； 具有 58.0的铋和 42.0的锡又一种共晶合金的熔点为 +138 ； 以及 37的铅和 63的锡的共晶合金的熔点为 183。一类具体的材料包括非共晶合金， 它们 没有确切的熔点， 但是具有所谓的固相线温度和液相线温度， 在固相线温度与液相线温度 之间， 材料作为较低熔化相的熔体中的固体微粒的糊状物而存在。 例如， 具有60.0的锡和 40.0的铋的非共晶合金具有 138的固相线温度和 170的液相线温度。具有 90.0的 铟和 10.0的锡的另一种非共晶合金具有 143的固相线温度和 151的液相线温度。 0045 在非共晶合金的情况下， 并不总是清楚。
28、应当将哪个温度视为熔点。在固相线温度 和液相线温度之间存在的糊状物的特性取决于许多因素， 包括但不限于合金中组分的相对 量。高于液相线温度， 合金的所有组分为熔化形式， 所以至少高于液相线温度， 合金的表现 才类似于流体。 然而， 存在在固相线温度与液相线温度之间具有足够低粘度的合金， 因此可 以说它们表现得像流体， 在这种情况下， 可以将固相线温度视为熔点。 0046 不含铅或镉的合金是更优选的， 因为铅和镉具有毒性。具有相对低熔点的金属和 说 明 书 CN 104170533 A 7 5/9 页 8 合金是优选的， 因为将在上面有利地印刷印刷电子器件的许多衬底仅具有适度的耐高温 性。 另外。
29、， 如果工艺的最热和最冷部分之间的温差不是很大， 那么工艺通常更容易控制并且 甚至能量更高效。 0047 材料处置器 104 被配置为向喷涂头 105 输送流体导电材料， 喷涂头 105 又被配置 为可控地将流体导电材料喷涂到预热的衬底， 以形成预定种类的图案。在本说明书的上下 文中， 喷涂意味着沿预定方向喷出流体材料。通常， 喷涂头包括 ： 一个或多个喷嘴 ； 用于在 一定压力下将流体材料保持在喷涂头内或者暂时使喷涂头内的流体材料经受压力的装置， 所述压力高于外部压力 ； 以及一些调节装置， 其用于调节流体材料经由喷嘴从喷涂头内部 到外部的流动。流体材料从喷涂头的流出可以以基本上连续的方式发。
30、生， 从而通过流体导 电材料的连续喷射流在衬底上绘制图案， 或者可以作为短的单次点射发生， 使得每一次点 射在衬底上形成导电材料的一个 “像素” 。点射模式与连续模式之间的交替也是可能的。 0048 可以用保护流体材料免受氧化和 / 或非故意冷却的热气体流来支撑流体材料从 喷涂头的流出。如果需要防止氧化， 则该气体不能含有氧。例如， 可以使用热氮气流 ( 其中 “热” 是指氮气足够热以显著帮助保持流体材料为流体状态足够长的时间， 以使其很好地附 着到衬底)， 因为氮气可以有效地消除氧化。 热氮气流可以从与流体导电材料相同的喷涂头 或者从单独的热氮气分配器喷出。 0049 为了形成所述预定种类的。
31、图案， 可以在喷涂流体油墨的已知印刷应用中采用几种 方法。例如， 可以使用压盘和 / 或台架来相对于衬底移动喷涂头的喷嘴 ( 或整个喷涂头 )， 和 / 或相对于喷涂头移动衬底。也可以在喷涂头中具有一排或一个阵列的单独可控喷嘴， 并且在衬底和喷涂头的相对移动期间控制单个喷嘴的操作， 从而使图案形成为由单个喷嘴 所形成的合并组成图案产生的组合结果。图案是预定种类的事实是指已经预先决定了如 衬底和喷涂头的相对移动、 喷嘴的开启和关闭时间、 导电材料被喷涂的速率以及其它相关 参数等因素， 以使操作者能够以合理的确定性预期当完成时图案的每个部分将具有什么轮 廓、 厚度和尺寸。 0050 为了防止在衬底。
32、的表面上产生的导电材料图案扭曲和模糊， 导电材料必须从它的 流体状态固化。因为我们假设之前是通过将它加热到它的熔点以上来使它成为流体， 因此 很自然地假设固化将涉及将导电材料冷却到它的熔点以下。为此目的， 图 1 的工艺包括冷 却部件 106， 其被配置为将衬底以及被喷涂在上面的导电材料冷却到第三温度， 所述第三温 度低于或等于导电材料的熔点。冷却可以包括被动冷却 ( 其中， 只是允许衬底和被喷涂在 上面的导电材料与它们的周围环境通过对流和热传导自由交换热能 ) 和 / 或主动冷却 ( 其 中， 采取有效措施来控制衬底和被喷涂在上面的导电材料的温度将发生变化的速率和 / 或 它们将实现的结果温。
33、度 )。 0051 该工艺还可以包括目的在于 ( 例如 ) 加强和 / 或测试印刷的导电图案的质量和外 观的其它步骤。最终， 完成的印刷衬底将最后会在工件处置器 107 中， 该工件处置器 107 收 集完成的衬底件并且将其储存， 以在同一个工艺的其它部分中或在不同的工艺中使用。最 后的工件处置器并不是工艺的必要部件， 因为通过前面的部件实现的印刷步骤可以被集成 到更大的制造工艺中， 从而使印刷衬底在冷却后直接继续到一些进一步的处理。 0052 在下面我们将详细考虑实现工艺的各个部分的一些示例性方法。 除非另有明确说 明， 一个部分的各种物理实现可以与另一部分的任何物理实现自由组合。 说 明 。
34、书 CN 104170533 A 8 6/9 页 9 0053 本发明非常适合于卷到卷处理， 这意味着方法可以包括 ： 在衬底预热器 103 中对 衬底进行预热之前 ( 和 / 或同时 )， 在上文描述为衬底处置器 101 的那部分工艺中， 将衬底 从卷展开 ； 以及在上文描述为工件处置器 107 的那部分工艺中， 将导电材料被喷涂到上面 的衬底在冷却后缠绕到滚筒上。作为卷到卷处理的备选方案， 可以将衬底作为分立件 ( 例 如， 片材 ) 进行处置。 0054 本发明并不限制衬底的选择， 但是因为可以预料导电图案将用作印刷电子器件的 部分， 因此假设至少流体导电材料将被喷涂到上面的衬底的表面是。
35、电绝缘的是合理的。使 用纸、 纸板、 硬纸板、 棉纸、 聚合物膜或它们的某种组合作为衬底涉及的优点是由于它们通 常被用来制造产品的封面和包装， 因此本发明提供了将印刷电子器件与产品封面和包装进 行集成的特别有利的方法。 使用无纺织物、 机织织物、 毡制品或它们的某种组合作为衬底涉 及的优点是本发明提供了将印刷电子器件与衣服和纺织品进行集成的特别有利的方法。 来 自纸、 纸板、 硬纸板、 棉纸、 聚合物膜、 无纺织物、 机织织物和毡制品的列表的组成衬底的任 意组合可以用作衬底， 只要组合能够承受住当对衬底进行预热并且将流体导电材料喷涂到 上面时的瞬时热暴露。 0055 图 2、 图 3 和图 4。
36、 示意性地示出了对衬底进行预热的各种方法。图 2 示出了将衬 底压靠在加热滚筒 201 上， 图 3 示出了使衬底经受来自加热辐射源 301 的加热辐射， 而图 4 示出了使衬底经受来自已加热气体的吹风机 401 的加热气体流。其它的物理实现也是可能 的， 例如移动衬底越过平坦底座， 该平坦底座的至少一部分包含加热器。 0056 图5、 图6和图7示意性地示出了在本发明实施例中实现喷涂头的一部分的各种方 法， 所述方法通常可以表征为与所谓的焊料喷射具有一些相似之处。根据制造传统的电子 器件和集成电路的技术， 已知通过将熔化焊料的小液滴精确地分配到印刷电路板或半导体 芯片的表面上的金属焊盘上来产。
37、生焊料凸块的技术。图 5 示出了适用于本发明的目的的根 据被称为按需滴落的原理构建的可控喷嘴。 0057 沿箭头 501 的方向以液体形式从材料处置器 ( 未示出 ) 向可控喷嘴输送流体导电 材料。在由喷嘴主体 503 限定的储存器 502 中， 流体导电材料通常保持在基本上环境压力， 这意味着流体导电材料的重力、 毛细现象和内聚力的组合防止它通过孔口 504 逸出， 该孔 口 504 在图 5 出现在喷嘴主体 503 的下端。压电致动器 505 位于喷嘴主体 503 的一侧， 即 通常在孔口 504 的相对侧。耦合到喷嘴的控制信号采取电压脉冲的形式， 当施加到压电致 动器 505 时， 在储。
38、存器 502 中的流体导电材料中产生压力和速度的瞬变。电压脉冲的结果 是流体导电材料滴落通过孔口 504 喷射。通过对电压脉冲的输送和喷嘴和衬底 ( 未示出 ) 的相对移动进行协调， 能够形成预定种类的图案， 该图案是从喷出的液滴与已经喷涂在衬 底上的导电材料的合并逐渐建立起来的。自然必要的是确保喷嘴主体 503 在操作期间恒定 地足够热， 从而使固化的导电材料不堵塞孔口 504。 0058 图 6 示出了所谓的连续模式实施例， 其中许多部件和功能可以类似于图 5 的那些 部件和功能 ： 按照箭头 501 输送液体形式和环境压力下的流体导电材料 ； 喷嘴主体 502、 储 存器 503 以及压。
39、电致动器 505。然而， 代替改变控制信号， 将一串稳定的电压脉冲耦合到压 电致动器 505。这会使稳定的液滴流通过孔口喷出。与图 5 相对比， 由于充电电压 ( 在图 6 中表示为+)已经被耦合到喷嘴主体502， 因此这些液滴是带电的。 一对偏转电极601靠近 孔口而定位， 以使喷出的流体导电材料的带电液滴必须经过偏转电极 601 之间。取决于耦 说 明 书 CN 104170533 A 9 7/9 页 10 合到偏转电极的控制信号的瞬时极性和值， 喷出的带电液滴会被允许继续朝向衬底 ( 即， 在图 6 的右下 ) 或捕获于再循环箱 602 中。 0059 图 7 示出了另一个备选实施例， 。
40、其中再次以液体形式向可控喷嘴输送流体导电材 料， 但是这一次压力比环境压力高。压电或其它微型机电阀 701 位于流体导电材料可以通 过以朝向衬底(未示出)流动的孔口处。 控制信号驱动阀701， 使得只是作为对预定的控制 信号值的响应， 阀打开， 并且一些流体导电材料通过孔口喷出。 0060 图 8 和图 9 示出了实现本发明实施例中的喷涂头的一部分的示意性的各种方法， 所述方法通常可以表征为与所谓的气雾喷射具有一些相似之处。 本发明的这些实施例的共 同特征是， 流体导电材料以气体载体中的液滴或固体微粒的胶态悬浮液的蒸汽的形式流经 喷涂头的至少一部分。 0061 在图8中， 喷涂头包括喷嘴， 流。
41、体导电材料沿箭头801的方向以气体载体中的液滴 或固体微粒的胶态悬浮液的蒸汽形式去往该喷嘴。沿箭头 802 和 803 的方向向喷嘴中提供 护套气体。在由喷嘴主体 805 限定的内部腔室 804 中， 将护套气体和流体导电材料的流进 行组合， 因此喷出轴向对称的复合流， 其中包含流体导电材料的中央部分由同心的护套气 体流包围。为了实现操纵操作 (shuttering operation)， 即可控地允许和阻止流体导电材 料的流动， 存在节流阀 806， 它响应于控制信号并且沿着将喷嘴耦合到流体导电材料产生的 地方 ( 未示出 ) 的线路而定位。可控节流阀 ( 或者概括地说可控阀 ) 的使用使图。
42、 8 的喷嘴 成为可控喷嘴。 0062 图 9 是包括喷涂喷嘴 901 和吸嘴 902 的可控组合的喷涂头的更加示意性的说明。 材料处置器 ( 未示出 ) 被配置为沿箭头 903 的方向以蒸汽或胶态悬浮液的形式向喷涂喷嘴 输送流体导电材料。 虽然明显需要一些控制单元来调节蒸汽或胶态悬浮液向喷涂喷嘴的流 动， 但这些在本实施例中主要不是用于在图案的印刷期间操纵流体导电材料朝向衬底的喷 涂。代替地， 吸嘴 902 被配置为通过在由喷涂喷嘴喷涂的蒸汽或胶态悬浮液粘附到衬底之 前从所述衬底附近将其除去来响应 “停止印刷” 类型的控制信号。更详细地， 吸嘴 902 通过 可控阀 904 耦合到护套气体出。
43、口， 使得当所述阀打开时， 靠近喷涂喷嘴和吸嘴的孔口的流 体材料足够强烈地流入吸嘴 902， 以抽走从喷涂喷嘴 901 喷出的任何流体导电材料。 0063 可以通过同时从位于吸嘴902对面的吹风机喷嘴905吹送护套气体来增强上文所 描述的 “真空吸尘器” 效果， 吹风机喷嘴 905 通过另一个可控阀 906 耦合到护套气体源。当 可控阀 904 和 906 打开时， 喷涂喷嘴 901 正前方的区域中所产生的强大护套气体层流带走 从喷涂喷嘴901喷出的任何流体导电材料。 为了不引起导电材料的过度浪费， 通过吸嘴902 进入的一切物质都去往分离器装置 907， 分离器装置 907 将分离的导电材料。
44、再循环回去使 用。分离的导电材料的回收由从图 9 中的分离器装置 907 向上指向的箭头示意性地示出。 0064 还可以通过与图 9 示意性地示出的吸嘴和可能的吹风机喷嘴的配置不同的配置 来实现在由喷涂喷嘴喷涂的蒸汽或胶态悬浮液粘附到衬底之前从所述衬底附近除去所述 蒸汽或胶态悬浮液的原理。 例如， 吸嘴可以在喷涂喷嘴周围具有环状形式， 或者可以使用具 有更宽覆盖范围的常见吸嘴， 来可控地除去由大量的单个喷涂喷嘴喷涂的蒸汽或胶态悬浮 液。 0065 在热量在维持导电材料的流体形式中发挥显著作用的本发明的所有这些实施例 中， 可以假设喷涂头和 / 或它的喷嘴包括被配置为将其维持在足够高温度所需的加。
45、热结 说 明 书 CN 104170533 A 10 8/9 页 11 构， 使得固化的导电材料不会引起不期望的堵塞。 0066 可以通过在将流体导电材料喷涂到经预热的衬底上与冷却衬底之间或者甚至在 冷却步骤之后使用进一步的处理步骤来实现图案平滑性、 与衬底的粘附、 外观和 / 或其它 特性的有益效果。 图10示意性地示出了冷却之前这种进一步处理步骤的示例。 在本实施例 中， 该方法包括将导电材料在衬底的表面上所形成的图案再加热到高于或接近其熔点的温 度。 在本发明的这个实施例中， 冷却步骤是在所谓的冷辊隙中来实现， 该冷辊隙包括位于在 上面施加导电材料的衬底的一侧的已冷却滚筒 1001， 和。
46、位于衬底的另一侧的对应滚筒。在 冷辊隙之前沿着衬底的轨道定位的是再热器 1002， 其被配置为加热在前一个工艺步骤 ( 未 示出 ) 喷涂到衬底上的导电材料 1003。在该所示实施例中， 预热器 1002 是辐射加热器， 但 是也可以使用任何其它加热技术。对导电材料 1003 进行再加热使之熔化或至少实现易延 展的状态。使导电材料在冷辊隙中经受压力和冷却后立即使图案的表面平滑化， 从而消除 印刷质量中的至少某些可能剩余的缺陷。 0067 不管是否使用单独的再加热， 当导电材料被喷涂在上面的衬底来到冷却步骤时， 所喷涂的导电材料可以是至少部分熔化的状态。先前在本说明书中已经指出， 对冷却步骤 的。
47、自然要求是要确保导电材料以受控制的方式固化。如果使用冷辊隙来进行冷却， 这引发 自然的假设， 即正在主动保持经冷却滚筒的温度低于或最多等于导电材料的熔点。 但是， 不 必保持其低非常多。如果已冷却滚筒比导电材料的熔点冷很多， 则已经在离冷辊隙一段距 离处产生的强烈热吸收可能会导致导电材料在实际上到达辊隙之前已经完全固化。 这又可 能会导致失去原本可以在辊隙中获得的某些有益效果。可以有利地主动保持 “经冷却” 滚 筒的温度只比导电材料的熔点低几度或几十度。 作为示例， 如果导电材料是(例如)42的 锡和 58的铋的共晶合金， 具有 138的熔点， 则 “已冷却” 滚筒的控制温度可能在 110度 。
48、的量级， 加减几度， 这取决于如衬底和环境温度的驱动速度等因素。 0068 即使冷辊隙的 “已冷却” 滚筒实际上是相对于环境温度加热而非冷却， 确保其温度 保持低于导电材料的熔点除了确保导电材料固化之外， 仍然提供至少两个另外的优点。还 在其中施加压力的区域处的相对快速固化确保仍然处于熔化状态的导电材料的那些部分 不容易从图案实际上应该覆盖的那些区域显著流泻。另一优点是， 熔化的导电材料不容易 粘到 “已冷却” 滚筒的表面。然而应当注意， 后一个优点， 即印刷的图案不会粘到滚筒表面 也可以通过适当选择滚筒表面的材料来实现， 即使滚筒温度实际上更高。 0069 第一 ( 预热 )、 第二 ( 使。
49、导电材料成为流体 ) 和第三 ( 冷辊隙 ) 温度的选择是优化 问题， 其必须考虑如衬底的驱动速度、 在各个工艺步骤之间沿着衬底的距离、 喷出的流体形 式的导电材料的飞行时间、 环境温度、 使用护套气体流的可能性等因素。总体上认为( 虽然 不是必需的 )， 衬底被预热到的第一温度高于第三温度， 第三温度是冷辊隙的温度。可以直 观地容易理解这样的建议， 因为第三温度的目的是使导电材料固化， 而第一温度的目的是 帮助在必要长的时间内保持导电材料为流体。 0070 图 11 示意性地示出了在到目前为止所描述的本发明的所有实施例中可以进行的 添加。为了增强导电材料最终将填充衬底表面的所需部分的方式， 图 11 示意性地示出的方 法和结构包括用促进流体导电材料在衬底上扩散的制剂对衬底进行预处理。在本说明书 中， 我们称这样的制剂为浸润剂。预处理是通过被配置为执行这项任务的所谓的浸润剂涂 覆器来实现。沿衬底 102 的移动方向， 浸润剂涂覆器可以位于预热器 10。