CN101513139B - 印刷产品和印刷所用的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在绝缘衬底上形成导电图案的方法和相关的设备。在该方法中，将颗粒型导电物质转移到衬底表面上，并在升高的温度和压力下使颗粒型导电物质至少部分地烧结以将颗粒形成的图案转变成固定到所述衬底上的连续地导电的图案。根据本发明，导电物质以预定图案的形式进行转移，并通过利用压区执行烧结，所述压区包括两个相对的压轧部件，在其之间供给衬底。该方法提供了一种在低温下制造高分辨率的导体结构的有效方式。

Description

印刷产品和印刷所用的方法和设备
技术领域
本发明涉及印刷导电图案。具体地说，本发明涉及一种用于在平的衬底上形成导电图案的方法。在该方法中，将导电材料施加于衬底的表面上，并且处理材料，以便在衬底上形成稳定的(static)图案。本发明还涉及一种用于执行该方法的设备。 
背景技术
电子印刷，尤其在柔性衬底上的电子印刷，致力于提供用于逻辑解法的电子元件和装置、一次性电子器件、甚至印刷的显示器。现今，印刷电子应用都利用传统的电子元件的制造中所熟悉的方法，例如电镀和丝网印刷。不幸的是，这些方法都很缓慢，不太适合多孔的衬底和/或呈卷筒纸形式的衬底。另外，已经使用苯胺印刷和轮转凹版印刷来印制电子元件。这些上述方法的问题是，其产生了带非连续性的结构(由于网点)、溶剂蒸发和多孔结构中的成分吸收(对于液体材料)。导电聚合物的主要挑战是不足的电导率和对于环境影响(例如氧化)的防护。 
在WO 04/080138中，公开了一种用于在衬底上形成电子电路的备选方法。在该方法中，金属粉末作为层而沉积在衬底上，并且，沉积表面的某些部分受到压缩。在那些区域，利用高压液压机而将粉末压入到衬底中，以形成永久的导体结构。这种压入被激活达数秒，甚至数分钟。因而，该方法相对较为缓慢，并且涉及使用非常高的压力，并因此还涉及大规模的设备。该方法还基于衬底的变形(可压缩性)。这造成衬底的机械弱化，尤其在涉及纸衬底时。 
EP 0297678公开了相当相似的方法，所不同的是，其涉及形成均 匀的导电层，例如用于EMC屏蔽作用。 
在US 4698907和WO 01/45935中公开了另一种用于通过静电印刷来制造印刷电路板的方法。另一方面，WO 95/14260公开了一种用于将“调色剂”颗粒(toner particles)静电转移(transfer)至表面的埋置式电极鼓。 
US 5817374公开了一种用于通过利用受体(receptor)上的掩模(mask)而将带电颗粒作为厚层转移到受体材料上的方法。也就是说，首先通过掩模中的选择孔将颗粒转移到受体上，之后从受体表面中除去掩模。为将层固定在受体上，受体的表面可被涂布，或者，可使颗粒在表面上交联或聚合。当关系到颗粒转移的速度和分辨率时，任何类型的丝网或掩模的使用都是不合需要的。 
US 2002/0034617公开了这样一种用于将湿的导电调色剂转移到布线板上的方法，即，通过首先将调色剂粘到可重复使用的图象面的交联区域上，然后用电晕放电将调色剂转移到布线板上。调色剂在该板上干燥，之后其经受烘烤处理。在该最后步骤中，在干燥的调色剂上沉积铜层，以便取得良好的电导率。因而，该方法需要大量的处理步骤。 
EP 0034817涉及将包括金属颗粒和调色剂颗粒(在受到高温时具有粘性特性)的混合物施加到惰性衬底的表面上。然后将颗粒混合物燃烧，以完成产品。这个方法的一个缺点是，为了形成所需的导电图案需要粘性调色剂作为辅助剂。 
JP 11298119公开了含铜的粉末，其可应用于陶瓷衬底上，用于形成电路。粉末还包括压敏性聚合物和电荷控制剂。粉末通过捏合而附连在衬底上。该方法不适合于柔性衬底，并且不容许低温的使用。 
另外，几种用于利用导电的膏剂、凝胶和油墨来印刷导电图案的技术是己知。然而，由于其复杂的处理和相对较低的印刷迹线的电导率和/或分辨率，液相材料的应用是不合需要的。最初包含在成分中的溶剂或辅助剂的去除需要耗时的步骤。 
上述方法对可用于该方法的衬底设有一定的限制。它们由于所使用的弱化衬底的局部压缩或非常高的温度而全都不能很好地适用于纸衬底。另一方面，就以工艺的速度、可定制性和柔性为目标而言，沉积掩模、模版或丝网都是不合需要的，因为它们使沉积工艺多余地变得复杂，且限制了可获得的分辨率。 
发明内容
本发明的目的是解决当前技术的某些问题，并且提供一种有效且相对较简单的用于在衬底上形成导电图案的方法，该方法适合于高的分辨率和生产能力(即使在低温下)。具体地说，本发明的一个目的是提供一种方法，其适合于纸衬底以及其它在高的温度(＞约200℃-300℃以及甚至更低的温度)下易损的衬底。 
本发明的目的还包括，提供一种新颖的设备，其用于沉积导电颗粒，以便在衬底上形成永久的导电图案。 
本发明基于以下想法，即，以预定图案的形式将呈粉末形式的导电颗粒转移到衬底上，并利用衬底的相继的热压，以便在导电颗粒之间形成导电结合并将该图案附到衬底上。 
在本发明的一个优选实施例中，无丝网(screenless)应用被用于转移颗粒。极为有利的是，采用无丝网静电应用。 
根据本发明的方法包括，通过将颗粒型导电物质(particle-typeconductive matter)以预定图案的形式转移到衬底的表面上从而在平的绝缘衬底上形成导电图案。在该转移之后，颗粒型导电物质在升高的(elevated)温度和压力下至少部分地烧结以将颗粒形成的图案转变成固定至(affixed to)衬底的连续地导电的图案。烧结优选地在压区(nip)中执行，其包括两个相对而置的压轧部件(nip members)，其中的至少一个可以为可加热的，衬底在它们之间被供给。 
这种类型的转移可通过包括静电转移装置的设备来实现，静电转移装置用于将颗粒型导电物质转移到衬底的表面上，直接形成预定的 图案。因为该图案呈预定的形式，所以其可在烧结压区中烧结。 
如果使用静电转移，那么转移装置(transfer means)通常包括这样一种工具，其包括转移部件(例如辊子、板或带)，该转移部件具有埋置(embedded)在其中的至少一个转移电极和平滑的电介质表面层，其用于防止带电的导电颗粒的放电，该带电的导电颗粒通过应用到转移电极上的电压而转移到该部件表面上。上面类型的设备容许精确且方便地将颗粒以无丝网的方式转移至衬底上。 
根据本发明的方法更具体地由权利要求1的特征部分中的声明来描述特征。 
根据本发明的设备由权利要求25的特征部分中的声明来描述特征。 
借助于本发明可获得极大的优势。该方法提供了一种通过压区烧结而在所希望的表面上形成导电图案的有效方式。即，热暴露和压缩性暴露(thermal and compressive exposure)不需要被特别地聚集至所希望的区域，而通常聚集至衬底的整个区域。 
如果使用无丝网静电转移，那么将获得特别的优势。该技术广泛地用于将粉末状绝缘调色剂施加于衬底上(即，电子照相)。然而，我们已惊奇地发现，其可用于以高的生产能力和分辨率在烧结应用中沉积导电颗粒。 
静电转移的另一优势是，静电转移的导电颗粒可在升高的温度和压力下烧结到衬底的表面上，以使其既彼此粘在一起又粘到衬底上(即使没有辅助剂或其它工艺步骤)。也就是说，即使基本上金属的颗粒也可在低温下以无丝网的方式转移并被烧结，以形成可良好地导电的图案。因为本发明基于用静电力来转移导电颗粒，其后跟随着那些颗粒的烧结，所以该方法可以很容易地结合传统的电子照相系统一起使用，以产生成层的结构。 
具体地说，本方法适合于在柔性衬底，例如纸、板和聚合物膜上形成导电结构。这些类型的衬底最合适以呈卷筒纸(web)或平张(sheet) 的形式由辊压设备进行处理。 
用于执行该方法的装置可以很容易地安装在大型造纸机或印刷机(printing machine)上，但也可安装在小型打印机(printers)上。本发明可例如用于生产RFID天线、用于各种电子模块的印刷电路，以及传感器等等。印刷图案还可用作产品的授权标记。其还可埋置在多层产品的内层中，由此将其隐藏起来而不被看到，并受到保护以免受到机械磨损。 
在一个优选的实施例中，颗粒型导电物质基本上由金属颗粒或金属合金颗粒组成。金属或金属合金优选地具有小于300℃的大气压熔点。通过这种热压烧结方法，这种颗粒可在小于250℃，通常在小于200℃的温度下烧结，这使得该方法合适于例如传统的纸，该纸的物理性质在这种温度下可能永久性地发生变化。通过使用这种金属，还可以较低的材料使用量而获得非常高的电导率。通过这种新颖的静电转移方法，还可以无需电介质粘性调色剂(dielectric tack toners)、无需将导电颗粒结合到辅助剂上或将导电颗粒与辅助剂相混合。 
根据本发明的优选实施例，使用无丝网静电转移。对于无丝网方法，我们指的是一种类似电子照相的方法，其中，导电颗粒通过空间地分布的(局部的)静电相互作用和静电转移装置而以预定图案的形式直接地沉积在衬底的表面上(在这个阶段，图案通常是不连续的)。在用于形成图案的转移部件或衬底上不使用额外的过滤器、模版、掩模或丝网。该特征具有如下的优势，即，基本上没有粉末被浪费或需要在转移后进行收集及再循环。这可通过后面更详细描述的一种新颖的转移辊子组件来实现，其容许颗粒的电荷被保持直至被沉积到衬底上。 
对于″至少部分的烧结″，我们指的是，颗粒通过熔融的材料的重新凝固而聚结(coalescence)。也就是说，至少颗粒的表面层经历其物理状态的可逆变化。在烧结过程中，颗粒不仅彼此电连接在一起，而且还直接连接到衬底的表面结构上。 
虽然已经发现静电转移可提供显著的优势，但是其它的印刷形式也可被使用。这些方法中，尤其涉及丝网印刷、照相凹版印刷、柔性版印刷(flexographic printing)、平版印刷(offset prnting)和凸版印刷。对于所有这些方法而言都相同的是，不需要在沉积颗粒期间的额外的网点化(screening)或在沉积之后的颗粒的去除，尤此，不发生颗粒的损失或再循环。也就是说，颗粒可在最初就以便于随后在双辊压区间进行烧结的形态来沉积。 
以下将详细地描述本发明的其它实施例和优势。 
附图说明
图1以横截面图显示了通过利用转移辊子和电极辊子而静电转移导电颗粒的基本原理， 
图2a和2b以横截面图显示了根据本发明的转移和烧结装置的两个示例， 
图2c以横截面图更详细地显示了烧结阶段， 
图3以透视图显示了安装在印刷设备上的转移压区(transfer nip)， 
图4a以横截面图显示了适合于完全导电颗粒的静电转移的转移辊子结构， 
图4b显示了图4a的辊子的一个增强的实施例，其具有用于提高的分辨率的背衬电极， 
图4c以透视图显示了一种可编程转移辊子，其包括转移电极的密集的网格(grid)， 
图5显示了图4b的背衬电极的效果， 
图6a和6b分别显示了通过使用30μm和80μm粒径而由本方法获得的结构的微观图像， 
图7a和7b分别显示了通过使用10μm的锡-铋颗粒而由本方法获得的500μm和300μm线(lines)的微观图像， 
图8a和8b分别以总的视图和放大的视图显示了锡-铋导体的微观图像，且 
图9显示了说明包括由本方法获得的锡-铋结构在内的不同材料及材料结构的体电阻率的图表。 
具体实施方式
本方法源自于以下发现，即，微粒可沉积并永久地附在各种衬底上，同时增加所沉积的图案的电导率。这通过相继的转移和压区烧结步骤来实现。根据所使用的沉积方法，不需要中间阶段(如果颗粒以干燥形式沉积)，或者，使用用于沉积材料的干燥阶段(如果颗粒以液体悬浮的方式进行沉积)。 
根据本发明的方法尤其适合于呈粉末形式的干燥状态的导电(包括半导电的)微粒。以下将详细地公开该实施例。导电颗粒可以是金属的、聚合物的、或其组合。所产生的结构的分辨率极大地依赖于粉末状材料的粒径，而在沉积和烧结工艺中，材料的组成很重要。根据我们的研究，金属微粒同样良好地适合于本方法。以下将简短描述那些颗粒以及其它可用的颗粒类型。 
金属微粒
对于这个实施例，优选低熔点的金属和金属合金。尤其地，锡-铋合金已被证实是适合于该应用的。在这种情况下，低熔点金属和合金包括具有小于300℃，通常为50℃-250℃，尤其为100℃-200℃的熔点的材料。合适的金属包括，例如，锡、铋、铟、锌、镍或类似者。提到的金属也是适合本方法的合金的优选成分(component)，因为其具有产生低熔点合金的能力。例如，在这方面，不同比率的锡-铋、锡-铋-锌、锡-铋-铟或锡-铋-锌-铟已被证明是有利的。改变合金中这些金属的比率可极大地改变合金的熔融特性。我们已经发现，这样的含锡合金在低温下既可很好地沉积也可很好地烧结，其中，合金中锡的比率为合金中成分的总重的20％重量-90％重量(20-90wt-％)，优选为30％重量-70％重量。合金还包括数量达合金的总重量的1％重量-60％ 重量的铟和/或锌。例如，带有42％重量的锡和58％重量的铋的锡-铋合金产生了一种低共熔合金，其具有为139℃的熔点。当将比率改变为63％重量的锡和37％重量的铋时，熔化开始于139℃，但例如在150℃时，相对液体量只有大约50％，并且直到180℃以上时，合金才完全呈液态。 
如下组成，即，15.6％重量的锡、36.1％重量的铋和48.3％重量的铟会导致低至59℃的熔点。因此，真正的低温应用是可行的。 
金属或金属合金的颗粒的粒径优选在0.5μm和100μm之间，在非常高的分辨率应用中优选为1μm和20μm之间。颗粒可基本上100％地由金属组成。也就是说，不需要为能成功地执行本方法而在颗粒中包含辅助剂、将辅助剂混合到粉末中、或提前施加于衬底上。 
其它材料
导电聚合物，例如聚苯胺(PANI)、聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT)，同样也可用于沉积，然而导电聚合物的难熔性质为材料的烧结设置了难题。基本上，带有本征电导率的聚合物在任何普通的溶剂中都不会熔化或溶解。然而，它们在大大超过200℃时发生降解，这使其能够与各种合成聚合物相混合，诸如聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物(polyethylene-co-methylacrylate)(EMA)、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(EPDM)等等。这些复合材料仍具有半导体水平的电导率。 
现在参看图1，根据本发明的一个优选实施例，导电的分离的颗粒140被用于在绝缘衬底材料100上的无丝网静电印刷。这种系统利用了以粉末承载器130中的高压电极132来使颗粒140带电。带电颗粒140通过第一电场而从粉末承载器130转移至转移辊子110的表面116上。转移辊子110由处于不同电势的电极112，114所形成。带电颗粒140相应于电势差而附连到转移辊子110上。例如，带有正电荷的颗粒140附连到电势为负或接地的区域114上。颗粒140的电荷基本上被保持(在转移辊子110的表面116上)。带电颗粒140从转移辊子110移动至转移压区处。在这个压区中，颗粒140通过由电极辊子 120所产生的引力而移动到衬底上。因而，压区中的转移由于转移辊子110和电极辊子120之间的第二电场而发生。本领域中的技术人员应懂得，利用所述原理还可通过转移板及电极板(或转移带及电极带)、或其它合适的部件替代辊子而实现转移。 
在将颗粒140转移到衬底材料100的表面102上之后，使颗粒140烧结，以形成连续的导电的结构。烧结在温度和压力下优选地在独立(separate)的或半独立的烧结压区中发生，该烧结压区分别在图2a和2b中所示。独立的烧结压区包括两个独立的辊子250，260，而半独立的烧结压区利用电极辊子220作为用于烧结辊子270的对置辊子。辊子中的一个或两者都进行加热，以取得所需的烧结温度。根据所选择的温度，在烧结压区中还产生足以使烧结发生的压力。除了在辊子压区中进行烧结，还可使用带或长的压区例如靴状压区(shoe-nip)。在这些方法中，压区长度可为若干毫米，通常在2mm-500mm之间，并且具有在10-20000kPa之间变化的压力。用于加热的构造使用与上述辊子压区系统相同的原理。 
在烧结步骤中，形成所需的导电的(包括半导电的，根据所使用材料的属性)表面图案。这显示在图2c中，其中，颗粒形成的图案用标号240表示，而烧结的图案用标号240′表示。衬底用标号200表示。使用导电的金属或金属合金的颗粒240时，目标是形成带有与块体金属或合金(或称体积金属或合金)相当的(equal)电导率的图案。对于相当的电导率，我们指的是为体电导率(bulk conductivity)的大约1∶100-1∶1的电导率水平。通过导电颗粒彼此的直接聚结，这是可能的。 
所述的转移和烧结技术使得无须使用丝网或掩模来获取所希望的导体图案。在被进一步沉积到衬底上之前，所希望图案的几何形状于转移部件上作为粉末状的顶层而临时地成形。具体地说，可使用平滑且均匀的辊子表面，其容许高分辨率的转移，可下至100μm-300μm，甚至50μm-100μm，以及甚至更小的分辨率水平(根据可获得的线宽)。具体地说，在这种双阶段(two-phase)无丝网沉积工艺中，沉积的颗粒 在被沉积到衬底上之前并不失去其电荷。通常容许该电荷主要地衰减至该衬底，但也可使用中和电离剂(neutralizing ionizer)(参看以下的分离系统)。 
衬底几乎可以是任何绝缘且平直的平张或卷筒纸。已经发现纸、板和聚合物膜(塑料)非常适合该工艺，但是，也可使用其它类似的非导电的表面。纸或板可以是经过涂布的，未经涂布的、不含木浆的或包含木浆的。多层的衬底同样也是可用的。 
其它可能的衬底包括纺织品、非织物材料、电子工业的电路板、模制品、玻璃、建筑材料、例如壁纸和地面涂层、未烧制和烧制的陶瓷、(生物)聚合物基体及复合材料((bio)polymer bases and composites)。列出的衬底中每一个都具有其自身的应用领域和优势。 
具体地说，涉及压区烧结的本方法适合于具有低于300℃，尤其低于250℃，甚至低于200℃的损坏点或变形点(shattering ordeformation point)的衬底，也就是说，至少适合于不耐受高温的各种纸和塑料等级。
图3显示了一种示例性的设备，其具有安装在装置本体上的电极辊子320，粉末承载器330、转移辊子310。衬底300处于其位于辊子310，320之间的处理位置上。可能的半独立的烧结压区辊的安装位置用标号370′表示。 
粉末容器
粉末容器，如130，230，330等，被用于颗粒储存和充电(即，使其带电)。充电可通过传导、通过摩擦充电(triocharging)(例如，利用存在于粉末中的绝缘材料)或通过利用过量的离子的充电(电晕充电、等离子体)来实现。例如，当使用导电的(金属)颗粒时，颗粒在粉末承载器中达到与在下面的电极板相等的电势。在摩擦充电中，导电颗粒与绝缘的结构、颗粒或表面相接触，由此，其获得电荷。在此之后，借助于电场将其转移到转移辊子的表面上。我们已经发现，为使电荷均匀地分布到颗粒承载器中的颗粒上，通常需要某一阈电压。阈电压的 水平依赖于颗粒的类型，锡-铋合金通常需要大约200V的电压。 
在粉末盒130中，为了产生均一的粉末扩散，建议使粉末流化(fluidization)。这确保将颗粒均匀地转移和沉积到转移辊子上。流化可利用空气、机械振动及利用排斥性的静电力(使用导电颗粒时)来实现。 
转移辊子
转移辊子包括电极，其处于与沉积在转移辊子表面上的颗粒不同的电势下。这个电势差还可利用辊子、带等等的表面中的不同的表面电荷来产生。这些电极在粉末承载器和转移辊子之间产生电场。当在粉末承载器(及其中的粉末)和转移辊子之间形成电场时，带电颗粒由于电场而转移到转移辊子的表面上。 
图4a显示了用于完全导电的颗粒的合适的辊子结构。在这种辊子中，在转移电极412上使用非导电的表面精饰(surface finish)418。因而，转移辊子的表面上的颗粒不会失去其电荷，并且，其保持在该表面上，直至颗粒在转移压区中被转移到衬底表面上。例如由POM制成的辊子体用标号414表示。辊子体设有粘合层416，其充当转移电极412的下层。转移电极412可由铜或其它导电金属制成，并且被以电信号或接地电线或线480进行控制。转移辊子的表面层418可包括连续且平滑的电介质材料层，例如，非导电的聚合物或陶瓷。已经发现聚酰亚胺在机械和电气方面很适合该目的。当转移电极412和导电颗粒之间的静电力足以将颗粒保持在转移部件上时，在转移之前或在转移期间不需要进行转移辊子的表面图案化或其它空间表面处理。 
转移辊子优选地装备有背衬电极484(例如，位于铜图案电极下面的金属箔)，如图4b中所示。这种背衬电极484可使电场集中于精确的区域上，并从而利用带电颗粒产生所希望的图案结构。图5显示了背衬电极的场聚焦(field focusing)效应的计算示例。在电极512后面不存在电极584的情况下，场的″光点″在水平直径方面将为至少三倍(同所显示的情形相比)。粉末盒的放置用标号530显示，而曲线598显示了计算的颗粒轨道(当其从粉末盒移动到电极512附近时)。 
转移辊子还可包括独立的电极点的网格，点的电势是可控制的。图4c中显示了这种辊子。点的尺寸和间距必须与所希望的分辨率水平相匹配。如上所述，如果使用完全导电的颗粒，那么与带电颗粒发生接触的销钉(pin)的顶部必须具有施加于其上的绝缘层，以防止颗粒电荷衰减。更精确地说，绝缘层实际上允许电荷衰减，不过，是以受控制方式衰减。例如，106-1011Ohm*m的体积电阻率(volume resistivity)是可接受的。 
除此之外，可使用自组织材料来产生带电荷的区域，在其中，带电颗粒发生转移。在聚合物的自组织中，使衬底带电，之后浸入到聚合物-溶剂池中，在聚合物-溶剂池中，一个聚合物层附连到衬底表面上。因为聚合物倾向于卷成圈(fold in coil)，所以聚合物的表面不会被衬底上的电荷中和。下一聚合物层可类似于之前层地被浸入，但带有相反的电荷。聚合物层在浸入之前可用中性材料进行图案化。因而，所得表面的一部分带有电荷而另一部分是中性的。另外，如果掩蔽材料选择成能够被除去，那么就可获得图案化的相反的电荷的表面。这种表面可用作与传统的电子照相相似的系统。在后一情况下，由于光线(例如激光)的效应，暴露区域被中和。因而，如果可防止导电颗粒的电荷衰减，那么还可使用与电子照相中相类似的光电导体。 
电极辊子
在其最简单的形式中的电极是包括金属辊子的辊子，其与其它系统构件绝缘，且处于与带电颗粒相反的电势下。其目的是在转移辊子(且连同在其表面上的颗粒)和电极辊子之间产生电场，以使得颗粒可转移到衬底的表面上。除此之外，在颗粒转移中可使用电晕充电以在带电颗粒和衬底之间产生电势差。可用来自电晕充电的离子使衬底的对置侧充电，而衬底的另一侧与带电颗粒相接触或位于其附近，从而发生颗粒转移。 
脱离系统
在颗粒已被转移到衬底表面上之后，可能需要使衬底和颗粒从电 极辊子脱离。根据衬底的介电性质(体积电阻率和表面电阻率)，颗粒具有维持朝向电极辊子的静电力的倾向。这是由于颗粒和辊子之间的电势差而造成的。为了减小颗粒和电极辊子之间的静电力，可采用若干措施。首先，可增加带有基于纤维的材料(纸张和板)的卷筒纸的含湿量(moisture content)，以使电荷能够从颗粒转移至带有基于纤维的材料和聚合物膜或类似者的卷筒纸上。其次，可使用备选的电流电离剂来中和颗粒的电荷。再次，可设置电势差，以保持稳定，直至颗粒的电荷衰减(例如，通过使卷筒纸与电极辊子接触较长的一段时间)。第四，颗粒可在仍与电极辊子保持接触的同时进行烧结(上述图2b中的所谓半独立的烧结压区)。 
我们已经发现，在某些条件下，可较好地实现导电颗粒在转移之后从电极辊子的影响的成功的脱离，而在其它条件下，分离是不充分的，这可从图案品质中看出来。尤其当使用纸或板作为衬底，并且利用依赖于湿气的分离时，工艺环境的相对湿度优选为大约20％-90％，通常为30％-60％。这种相对湿度意味着例如纸的含湿量在2％-20％之间。这为带电颗粒提供了用于分离的合适的电荷衰减时间。 
烧结系统
在烧结工艺中，将金属(或聚合物)粉末颗粒烧结在一起，以形成连续的导电的结构。烧结程序仅利用压力和温度(在辊子或板结构中)。这被用于超过所使用的导体材料的熔化和烧结的温度。烧结压区中的两个辊子、板或带中的任一个都可被加热。被加热材料的表面材料应能承受所使用的温度(例如，50℃-250℃)而不会变形。可用于辊子的表面材料例如为碳化钨、硬铬、PTFE覆层及其衍生物以及具有抗粘着(低表面能)的陶瓷材料。烧结可以与加热的辊子成直接接触的方式进行，或者可将热量传递穿过衬底材料。此外，可以将两个接触辊子都加热，以增进压区中的热传递。我们的研究表明，为了提高颗粒至衬底的粘附(affixation)，优选地，至少与衬底的不包括颗粒形成图案的表面发生接触的辊子或板(第二辊子)被加热。与粉末接触的辊子(第 一辊子)可处于相当低的温度，甚至未被加热且为冷的。然而，通过只加热该辊子(第一辊子)可获得耐久的图案。 
重要的辊子表面性质包括非常高的平滑度(优选地，Ra＜1μm)和低的表面能(优选地＜100mN/m)。这是为了降低熔融金属至辊子的粘着倾向。 
在压区中进行压缩之前还可利用激光，或通过感应，IR加热，以及微波加热来实现加热。 
用于半导体材料(以及用于成层的结构的绝缘材料)的沉积系统的特殊特征
对于半导体和绝缘材料，沉积原理可类似于传统的电子照相。对于半导体，我们指的是包含导电和绝缘材料(即，具有相当大的电荷衰减时间的颗粒)的聚集体或固有的半导电材料。与导电颗粒的充电的差异在于充电方法，其是摩擦充电和利用过量离子的充电，例如场充电(高压，1000V-20000V，用于产生电晕放电，并因而产生大量的离子)。该方法还可很好地用于产生成层的结构。具有不同的性质的颗粒(例如金属的和聚合物的颗粒)将优选在分离的步骤中进行沉积。例如，首先，可沉积和烧结金属的导电路径，其后，可将绝缘材料(聚合物，漆)沉积在表面上并烧结。值得注意的是，在后面的步骤中不得损坏任何在下面的层。这可例如通过以下做法来实现，即，将在下面的层的材料熔点选择成高于最顶层材料的熔点。备选地，可使用热固性树脂来防止材料的重新熔化。所使用的树脂的原始的熔点可实际上低于沉积在其上面的材料的熔点。当某些交联剂与树脂混合时，树脂将在施加工艺(application process)期间发生交联。触发交联反应的引发剂可以例如为热量、UV辐射或其它辐射。交联层不再是可通过加热而塑形的。作为这些树脂的示例，可提到以下的组：酚醛树脂，氨基树脂和呋喃树脂、不饱和聚酯和乙烯基酯树脂、烯丙基树脂，环氧树脂、热固性聚氨酯、聚酰亚胺和聚硅氧烷。 
实验结果
实验测试中所使用的系统被设计用于平张印刷，但对基于卷筒纸的材料和更宽的系统没有限制。运行速度受到颗粒转移至转移辊子，以及在转移压区中进一步转移至衬底表面上的转移速率的限制，并且另外还受到烧结工艺(需要停留时间以实现充分的材料烧结、熔化)的限制。用于烧结颗粒的停留时间在1ms-10s之间变化，温度根据材料的熔点而在50℃-250℃之间变化，并且压力在50kPa至10MPa之间变化。 
图6a显示了在烧结之前转移到纸表面上的颗粒。线宽为500μm，并且使用的颗粒具有30μm的平均直径。在图6b中，显示了具有1mm线宽和80μm的平均颗粒直径的烧结结构。颗粒越小，所获得的分辨率越好。通常，商品锡-铋粉末的粒径范围是5μm-100μm。在这整个范围内可获得可良好地导电的图案。 
图7a显示了500μm的线而图7b显示了的300μm的锡-铋线(沉积在PET膜上)。平均粒径是10μm。在这两种情况下都获得了连续的结构。 
图8a和8b以两个不同的比例呈现了烧结在纸表面上的锡-铋粉末。在图8a中，线宽为500μm，并且图8b中的定标线条的长度等于10μm。 
从图6-8中可看出，颗粒彼此直接地融合(merged)，从而形成连续的导体结构。图9中显示了这一事实的重要性，其显示了以静电的方式转移并烧结的锡-铋合金相对于块体锡-铋(bulk tin-bismuth)及几种其它金属和聚合物的实验的电导率测量结果。从中可以看出，获得了几乎相当于块体金属的电导率。 
以下将更详细地描述与上述那些方法不同的合适的转移方法。 
电子照相转移
基本上静电转移可如上所述地被执行(干式/传统的电子照相)。其它形式包括液体电子照相，其中使用了溶剂。锡-铋颗粒(或其它合适的颗粒)沉积在溶剂中。溶剂被蒸发或被衬底(尤其是纸或板)吸收，其 后，对(几乎)干燥的颗粒执行烧结。除了上述那些机理之外，可能的转移机理包括瀑布显影(两成分显影)、毛刷显影、磁刷显影、压印显影(impression development)、粉末云显影(powder-cloud development)、液体喷雾显影(liquid spray development)、液体电泳显影(liquidelectrophoretic development)、热显影、液膜显影、选择性的调色剂(锡-铋)释放以及其它机理。 
丝网印刷
液体形式的″颜料″通过卷筒纸状丝网装置(织物或金属)或通过模版而转移至衬底。锡-铋(或其它合适的颗粒)被散布到溶剂或载体介质中，其用于将颗粒作为液体膏剂施加到衬底上。溶剂在烧结之前被蒸发或被吸收到衬底中。 
照相凹版印刷、柔性版印刷、平版印刷、喷墨印刷和凸版印刷
锡-铋(或其它合适的颗粒)被散布到溶剂或载体介质中，这被用于相应于所述的技术而将颗粒作为液体膏剂施加到衬底上。溶剂在烧结之前被蒸发或被吸收到衬底中。 
总而言之，所公开的技术可被加以改变，从而使用某些其它烧结技术替代压区烧结。因而，按照总的形式而言，该方法包括尤其在平的绝缘衬底上形成导电图案，使得 
-颗粒型导电物质被转移到衬底的表面上形成预定的图案，且 
-颗粒型导电物质在升高的温度和压力下至少部分地烧结，以将颗粒形成的图案转变成固定到衬底上的连续地导电的图案。 
如上所述，优选地使用能够以无丝网的方式将颗粒型导电物质转移到衬底表面上以形成预定的图案的静电转移方法和转移装置，但也可采用其它印刷方法。因而，本文中所描述的所有实施例和所附权利要求中所限定的实施例都可与上面公开的基本概念自由地组合。 

Claims (43)

1.一种用于在平的绝缘衬底上形成导电图案的方法，其中
-将颗粒型导电物质转移到所述衬底的表面上，且
-使所述颗粒型导电物质在升高的温度和压力下至少部分地烧结以将所述颗粒型导电物质转变成固定到所述衬底上的连续地导电的图案，
其特征在于，
-所述导电物质以预定图案的形式进行转移，
-通过使用包括两个相对的压轧部件的压区来执行所述烧结，所述衬底供给于所述压轧部件之间，
所述颗粒型导电物质具有低于200℃的大气压熔点，
所述衬底具有低于200℃的损坏点或变形点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述颗粒型导电物质基本上由金属或金属合金组成。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述颗粒型导电物质具有为0.5μm-100μm的粒径。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述颗粒型导电物质具有为1μm-20μm的粒径。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述衬底是基于纤维的产品或聚合物的膜。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述衬底是纸或板。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在100℃-200℃的温度下，且在50kPa-10MPa的压力下执行所述烧结的步骤。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述压轧部件包括辊子、板、带或长的压区，在其之间供给所述衬底。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述长的压区为靴状压区。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将与所述衬底的不包括所述颗粒形成的图案的表面相接触的所述压轧部件加热以增强所述导电图案至所述衬底的表面的粘附。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，不加热或仅略微加热与所述颗粒形成的图案相接触的所述压轧部件。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将锡或包含锡和铋的合金用作所述颗粒型导电物质的导电材料，合金中的锡的比率为这些成分的总重量的20％重量-90％重量。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，合金中的锡的比率为这些成分的总重量的30％重量-70％重量。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，使用这样的合金，所述合金还包括数量达所述合金的总重量的1％重量-60％重量的铟和/或锌。
15.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在烧结所述导电图案之后，将至少一个绝缘层沉积在包含所述导电图案的所述衬底的表面上，并且，将至少一个额外的导电图案转移并烧结在所述绝缘层上。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述绝缘层的损坏点或变形点低于所述绝缘衬底的损坏点或变形点。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述绝缘层由热固性材料制成，所述热固性材料是交联的。
18.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过静电转移方法将所述颗粒型物质转移到所述衬底上。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，通过以下做法将所述颗粒型物质转移到所述衬底上
-使所述颗粒型导电物质的颗粒带电，
-借助于第一电场将所述颗粒转移至转移部件的预定的区域中，并且
-通过第二电场将所述颗粒从所述转移部件转移到所述衬底上。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述转移部件为辊子、板或带。
21.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用这样的静电转移方法，所述静电转移方法能以无丝网的方式将所述颗粒型导电物质转移至所述衬底的表面上形成预定的图案。
22.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，在静电转移的所述步骤中使用转移部件，其具有至少一个由电介质表面层所覆盖的转移电极。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述转移部件为辊子或板。
24.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过丝网印刷而将所述颗粒型物质转移到所述衬底上。
25.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过照相凹版印刷而将所述颗粒型物质转移到所述衬底上。
26.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过柔性版印刷而将所述颗粒型物质转移到所述衬底上。
27.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过平版印刷而将所述颗粒型物质转移到所述衬底上。
28.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过凸版印刷而将所述颗粒型物质转移到所述衬底上。
29.一种用于在平的绝缘衬底上形成导电图案的设备，其包括：
-转移装置，其用于将颗粒型导电物质转移到所述衬底的表面上，以及
-用于至少部分地烧结所述颗粒型导电物质以将所述颗粒形成的图案转变成固定到所述衬底上的连续地导电的图案的装置，
其特征在于，
-所述转移装置能够以预定图案的形式转移所述颗粒型导电物质，且
-所述用于烧结的装置包括压区，该压区具有两个压轧部件，所述衬底可在其之间被供给，
所述颗粒型导电物质具有低于200℃的大气压熔点，
所述衬底具有低于200℃的损坏点或变形点。
30.根据权利要求29所述的设备，其特征在于，所述用于烧结的装置包括用于将升高的温度和压力施加至所述衬底的装置，所述温度为100℃-200℃，且所述压力为50kPa至10MPa。
31.根据权利要求29或30所述的设备，其特征在于，所述压轧部件中的至少一个是可加热的。
32.根据权利要求31所述的设备，其特征在于，所述压轧部件为辊子、板或带。
33.根据权利要求31所述的设备，其特征在于，与所述衬底的不包括所述颗粒形成的图案的表面相接触的所述压轧部件是可加热的，以增强所述导电图案至所述衬底的表面的粘附。
34.根据权利要求29或30所述的设备，其特征在于，单个压轧部件既用作所述转移装置的电极又用作所述用于烧结的装置的烧结部件。
35.根据权利要求34所述的设备，其特征在于，所述单个压轧部件为辊子、板或带。
36.根据权利要求29或30所述的设备，其特征在于，所述转移装置包括静电转移装置。
37.根据权利要求29或30所述的设备，其特征在于，所述转移装置包括这样的静电转移装置，所述静电转移装置能够以无丝网的方式将所述颗粒型导电物质转移至所述衬底的表面上形成预定的图案。
38.根据权利要求36所述的设备，其特征在于，所述静电转移装置包括转移部件，所述转移部件具有至少一个转移电极和电介质表面层，用于使导电颗粒能够粘在其表面上。
39.根据权利要求38所述的设备，其特征在于，所述转移部件包括位于所述电介质表面层的转移电极之后的背衬电极，用于提高所述导电的图案的分辨率。
40.根据权利要求36所述的设备，其特征在于，所述静电转移装置包括：
-充电装置，用于使所述颗粒型导电物质的颗粒产生感应电荷，
-转移部件，具有电极或电荷图案，用于接收带电颗粒至所述转移部件的预定区域，和
-电极部件，用于借助于电场而将所述颗粒从所述转移部件转移至所述衬底的表面。
41.根据权利要求40所述的设备，其特征在于，所述转移部件为转移辊子、板或带，并且所述电极部件为电极辊子、板或带。
42.根据权利要求29或30所述的设备，其特征在于，所述转移装置包括用于利用选自以下组的方法进行印刷的装置，该组包括：丝网印刷、照相凹版印刷、柔性版印刷、平版印刷和凸版印刷。
43.一种用于在平的绝缘衬底上形成导电图案的方法，其中
-将颗粒型导电物质转移至所述衬底的表面上，且
-使所述颗粒型导电物质在升高的温度和压力下至少部分地烧结，以将所述颗粒形成的图案转变成固定至所述衬底的连续地导电的图案，
其特征在于，使用能够以无丝网的方式将所述颗粒型导电物质转移至所述衬底的表面上而形成预定的图案的静电转移方法，
所述颗粒型导电物质具有低于200℃的大气压熔点，
所述衬底具有低于200℃的损坏点或变形点。
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