CN103003012A - 烧结期间杂散光的减少 - Google Patents
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Abstract
一种导电颗粒烧结系统具有阻光涂层、孔隙或快门，以允许来自诸如闪光灯的辐射源的能量到达要烧结的工件的所需部分，同时阻挡杂散光到达其它工件和/或正被处理的工件的其它部分，以防止杂散光部分地烧结其它工件和/或工件的其它部分。
Description
相关申请案的交叉引用
本申请要求提交于2010年7月21日的临时申请序列案61/366,225的优先权，该申请以引用方式并入本文中。
发明背景
本公开涉及用于烧结特别是金属颗粒的系统和方法。
在处理具有细小颗粒的材料中，烧结是一种将金属颗粒加热和制备成彼此粘着到一起而形成连续金属薄膜的工艺。烧结系统和方法可能需要高温。在烧结基板上的金属的情况中，高温可能会损坏基板。纳米技术使得在比较大颗粒更低的温度下烧结形成于基板上的金属油墨成为可能。虽然金属具有具体熔融温度，但是作为金属的纳米级颗粒的纳米金属能在更低温度下熔融。使用脉冲光和/或高强度连续光的烧结系统能使用比常规烧结系统所使用的温度更低的温度将纳米金属彼此结合并结合到基板上。
烧结具有广泛的应用，诸如在新兴的印刷电子装置领域中。印刷电子装置包括印刷电功能性装置，包括但不限于照明装置、电池、超级电容器和太阳能电池。印刷电子装置可以比用于制备这样的装置的常规方法成本更低且更高效。
附图简述
附图中示出了某些实施方案的特征和优点。
图1是示出条带化问题的系统和方法的示意图。
图2是不同能级对导电油墨的影响的图形表示。
图3是用于在烧结期间使用掩模减少杂散光的系统和方法的示意图。
详细说明
诸如包括纳米金属的导电油墨可用辐射能烧结，该辐射能可包括脉冲光、高强度连续光、紫外光、辐射、以及热能的组合。例如，可以使用UV闪光灯。该灯提供UV辐射和热能(并且还包括在可见光范围内和红外范围内的能量)。当颗粒被烧结时，其形成连续的导电路径，该导电路径的电导率远高于颗粒在烧结前的电导率。
当在片材或移动的幅材上操作时，存在此处称为“条带化”的现象的潜在问题。当朝诸如脉冲灯的辐射源的主要能量移动的基板在到达将进行烧结的点之前已经暴露于杂散光时，将发生条带化。杂散光可能造成导电油墨仅部分地被烧结并且转变为块体状态(bulk state)。在块体状态下，导电油墨不再是纳米颗粒并且因此在较高温度下熔融，但材料可能不充分地烧结成具有所需电导率。因此，当工件的所需部分到达要烧结的位置时，较低温度下的脉冲光和/或高强度连续光可能不当地烧结金属。当工件例如在输送机上彼此靠近，并且工件在其处于要烧结的合适位置之前暴露于杂散光/能量时，也可能出现这个问题。
条带化现象可能在各种纳米金属中发生，包括但不限于铜、银、金、钯、锡、钨、钛、铬、钒、铝、以及它们的合金。在一些实施方案中，所公开的系统和方法防止了铜纳米金属的部分烧结。在低于第一阈值范围的辐射能级处，将不会有烧结。在高于该第一阈值和低于第二阈值下，铜纳米颗粒仅部分地烧结，但达不到所需电导率水平。这种材料的电导率高于未烧结的纳米颗粒的电导率，但不会和接收在高于第二阈值范围的优选范围的辐射能级的材料一样高。当部分烧结的材料以应足以将未烧结的纳米颗粒转变为完全导电状态的强度暴露于辐射能级持续第二时间时，先前部分地烧结的纳米颗粒的电导率并未改善。
这种现象展示在图1和图2中。图1是诸如闪光灯系统的灯系统的表示，该系统具有灯100、反射器102和在方向106上在输送机上移动的工件104。工件104可包括带有在导电油墨的顶部(未示出)上的迹线的基板，导电油墨具有诸如铜纳米颗粒的纳米颗粒。由箭头108表示的能量足以烧结导电油墨以获得所需的电导率水平。来自虚线箭头110的能量足以部分地烧结导电油墨，但是导致迹线不具有所需电导率。因为行进方向106向右，所以这通常仅是左手侧112的潜在问题。当左侧的部分到达暴露于由箭头108表示的能量的部分时，其可能被部分地烧结，并且能量因此对于完成烧结过程来说是低效率的。
图2通过图形以一般方式反映了该问题。当能量低于第一阈值Thl时，不存在烧结。当能量高于第三阈值Th3时，基板可能被损坏，至少对于诸如纸张、聚酯和其它的某些基板来说是这样。当能量高于第二阈值Th2且低于阈值Th3时，能量对于将迹线的电导率增加至所需水平来说是有效的。当能量在阈值Thl和Th2之间时，仅存在部分烧结，这种烧结至少在一些材料中能有助于防止完全有效烧结，即使导电油墨暴露于高于Th2的能量。因此，希望处于以Th2和Th3为界的区域中，如图2的阴影线所示。阈值可取决于系统和(多个)工件中的各种因素，例如，要烧结的材料的类型、其几何形状、以及基板的性质。
本公开涉及用于在烧结期间减少杂散光使得不期望的部分烧结被减少或消除的系统和方法。本公开中的实施方案涉及用于充分地阻挡能量，以便避免工件或工件的区域中的纳米颗粒在工件处于要接收用于烧结的能量的所需位置之前部分地烧结的系统和方法。在一个或多个实施方案中，所公开的光阻挡器防止“中间阶段”，其中纳米颗粒在第一次暴露于光能之后仅部分地烧结，但是在第二次暴露于光能之后不具有改善的电导率。
阻挡能量可能具有一些缺点，因为并非来自辐射能量源的所有能量都被利用。然而，已经发现，使用本公开的光阻挡器导致具有足够电导率的充分烧结的纳米颗粒。所公开的系统和方法避免了“条带化”和部分烧结的问题。
在烧结过程期间，诸如导体的电子材料被添加到基板上。要烧结的材料可使用本领域熟知的一种或多种技术添加到基板上，包括丝网印刷、喷墨印刷、凹版印刷、激光印刷、喷墨印刷、静电复印、移印、涂漆、浸笔、注射、喷枪、苯胺印刷、蒸镀、溅射等。各种基板可搭配所公开的系统和方法使用。基板包括但不限于低温、低成本基板，例如纸基板和聚合物基板，例如，聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(PDAA)、聚丙烯酸(PAA)、聚(丙烯胺盐酸盐)(PAH)、聚(4-苯乙烯磺酸)、聚乙烯硫酸钾盐、4-苯乙烯磺酸钠盐水合物、聚磺苯乙烯(PSS)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯等。
参看图3，在一个方面，用于在烧结期间减少杂散光的系统和方法包括使用一个或多个光阻挡器。在一个或多个实施方案中，光阻挡器为平掩模。图3具有与图1相同的部件，但进一步添加了用于阻挡由箭头304表示的能量的掩模302。掩模302定位在光源和基板的一部分之间，用于通过阻挡杂散光照射前进的基板来减少或消除部分烧结，但允许直接曝光，诸如在由箭头108表示的光源的正下方，使得可以进行完全烧结。如此处所示，掩模可以在输送机的进入侧上，并且不在另一侧上，或者掩模可以在输送机方向的两侧上以产生孔隙。孔隙可具有不同的形状和尺寸，包括但不限于大致三角形、圆形、椭圆形、矩形等。希望掩模阻挡将另外低于阈值Th2(图2)的能量在任何工件或工件的部分暴露于超出Th2的能量之前到达该工件或工件的部分并因此根据需要进行烧结。
在一些实施方案中，输送带系统在烧结期间连续地移动基板，并且因此通常在速度上与灯的闪光频率协调；在其它实施方案中，输送机以步进方式移动。在工件或多个工件静止的情况下，光源可以移动。
在一个实施方案中，烧结系统包括能量源、基板、位于基板上的纳米材料、以及一个或多个光阻挡器，其中，光阻挡器定位在光源和基板之间，使得光阻挡器阻挡足够量的光能，以防止纳米材料的部分烧结。纳米材料包括但不限于铜、银、金、钯、锡、钨、钛、铬、钒、铝、以及它们的合金。
在一个实施方案中，光阻挡器与光源紧密接触，即紧密接近或靠近光源。在另一个实施方案中，光阻挡器紧密接触基板。在一个或多个实施方案中，光阻挡器取向为竖直、水平或成角度方向。光阻挡器的接近度取决于系统的各种参数，包括物理孔径尺寸和形状、移动速度、辐射能量源的类型、以及材料的性质。在一些实施方案中，能量源包括作为主辐射能量源的脉冲灯或闪光灯。
在一个实施方案中，光阻挡器定位成紧邻基板但不接触基板材料。在一个实施方案中，光阻挡器定位成使得其处于从灯到工件的距离的至少50%处。在其它实施方案中，掩模处于从灯到工件的距离的至少60%或70%或80%或90%或95%处。准确距离可取决于系统的一个或多个参数，诸如掩模的几何形状、工件的构造、输送机的速度、以及能级。
在一个或多个实施方案中，可移动快门协调基板暴露于光源的时间。在一个或多个实施方案中，基板触发造成诸如遮光罩形式的光阻挡器移动至某点，直到所述基板位于光源正下方的检测器。
在另一方面，使用一个或多个反射器作为能进一步导向能量的掩模。反射器包括但不限于成像反射器。在一些实施方案中，反射器的具体部分被移除以减少成角度的光。在一些实施方案中，反射器将从光源发出的光朝基板反射。反射器产生孔隙并最大化施加到基板的定向能量。反射器的反射表面可形成为成预定角度，以将来自光源的光朝基板上将被处理的位置导向。在基板和光源之间的反射器的位置可调整，使得从反射表面反射的光的强度能增加或减小。
在一个实施方案中，光源在向上方向上发射光。在另一个实施方案中，光源在向下方向上发射光。光源发射光的方向可基于包括基板和光阻挡器的各种工件的条件和位置来确定。
本文所述系统和方法可单独或彼此结合使用，以在烧结期间减少杂散光。
烧结系统可包括输送机系统，其中基板位于输送机的正上方。输送机可例如以从2英尺/分钟至1000英尺/分钟的速度操作以移动基板。输送机控制模块可确定基板被移动的速度。例如，输送机系统可在起动/停止运动中以及连续运动中操作。输送机的运动与闪光动作协调以确保工件在需要时获得用于烧结的足够量的能量。工件可包括较大片段，使得能量可一次提供到一部分，然后提供到另一部分。或者，可例如在输送机上存在一连串不同的片段。掩模可允许将工件放置得更靠近在一起，以便对一个(或一组)的烧结不部分地烧结其它。
系统可包括接触护罩，其附接到掩模首先与灯接触的一侧。系统可包括准直装置，该装置用于收窄光束和/或在具体方向上对齐光束。
在另一方面，在电子材料被添加到基板之后，但在带有电子材料的基板到达光烧结工位之前，基板被涂以溶液，该溶液减少或消除来自杂散光的部分烧结，但允许来自定向光(例如，灯下方的光)的烧结，这是用作针对成角度进入的能量的光阻挡器。在一个或多个实施方案中，涂层可以随后在烧结期间被定向光的力移除和/或利用后续的工艺“冲刷掉”。
脉冲灯操作参数的示例性范围包括如下：
1.脉冲持续时间：1μs至100,000μs，在1/3峰值下测量。
2.每脉冲能量：1焦耳至5,000焦耳。
3.脉冲速率：1至1,000脉冲/秒。
4.脉冲模式：单脉冲、突发脉冲或连续脉冲。
5.灯构造(形状)：线性、螺旋形或U形。
6.光谱输出：180纳米至1,000纳米。
7.灯冷却：自然冷却、强制风冷或水冷。
8.波长选择(灯外部)：无或红外滤波器。
9.均匀度范围：±0.1%至±25%(中心到边缘)
10.灯外壳窗户：无、派热克斯玻璃、石英、透明石英或蓝宝石。
11.顶部和底部排序：在从0%至100%顶灯到0%至100%底灯之间的任意组合。
已经描述了本发明的多个实施方案，应当认识到，在不脱离本文所述发明的范围的情况下，可进行修改。所述系统可与其它滤波器结合使用。
Claims (19)
1.一种烧结系统，其包括：
闪光灯系统，其包括灯，所述灯用于向工件提供能量，并具有在1/3峰值下测量的1μs至100,000μs的脉冲持续时间和1-5000焦耳/脉冲；以及光阻挡器，其定位在所述灯和所述工件之间，以阻挡来自所述灯的能量到达所述工件的第一部分，同时允许来自所述灯的能量到达所述工件的第二部分。
2.根据权利要求1所述的系统，其与所述工件组合，其中所述工件包括带有导电油墨的基板，所述导电油墨具有在所述基板上的金属纳米材料。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述光阻挡器阻挡足够量的能量以防止所述纳米材料的部分烧结。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述纳米材料包括铜纳米颗粒。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述灯系统还包括用于保持工件的输送机，所述输送机可在行进方向上移动，所述行进方向基本上垂直于将能量从所述灯施加到工件的方向，掩模阻挡能量到达在所述输送机的进入侧上的所述工件的一部分。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述闪光灯包括UV灯。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述灯包括闪光灯，并且其中所述光阻挡器包括带孔隙的掩模。
8.根据权利要求1所述的系统，其中光阻挡器包括掩模，所述掩模防止低于阈值的能量到达所述工件的所述第一部分，同时允许高于阈值的能量到达所述工件的所述第二部分。
9.根据权利要求2所述的系统，其中所述工件足够大，以便所述灯一次烧结一部分。
10.根据权利要求2所述的系统，其中所述工件包括离散单元，所述离散单元被设置成使得一个或多个暴露于来自所述灯的能量，同时一个或多个其它部分被定位成使得所述能量与这样的一个或多个其它部分隔开。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光阻挡器包括快门。
12.一种闪光灯烧结系统，其包括闪光灯系统，所述闪光灯系统包括：用于向工件提供能量的闪光灯，所述闪光灯具有基板和带金属颗粒的导电油墨，所述能量大于第二阈值且小于第三阈值，所述第二阈值足以将所述导电油墨烧结成具有所需电导率，高于所述第三阈值的能量会损坏所述基板；以及光阻挡器，其定位在所述灯和所述工件之间，以阻挡来自所述灯的大于第一阈值的能量到达所述工件的第一部分，使得所述能量否则将部分地烧结所述工件，同时允许来自所述灯的处于所述第二阈值和所述第三阈值之间的能量到达所述工件的所需第二部分，以烧结所述工件中的所述导电油墨，其中所述第一阈值小于所述第二阈值。
13.根据权利要求12所述的系统，其中到所述第二部分的所述能量足以烧结具有纳米颗粒的导电油墨。
14.根据权利要求12所述的系统，其中到所述第二部分的所述能量足以烧结具有铜纳米颗粒的导电油墨。
15.根据权利要求12所述的系统，其中所述系统包括用于保持工件的输送机，所述输送机可在行进方向上移动，所述行进方向基本上垂直于将能量从所述灯施加到工件的方向，所述光阻挡器阻挡能量到达在所述输送机的进入侧上的所述工件的一部分。
16.根据权利要求12所述的系统，其中，所述闪光灯提供能量脉冲，所述能量脉冲具有在1/3峰值下测量的1μs至100,000μs的脉冲持续时间和1-5000焦耳/脉冲。
17.一种用于烧结具有带细小颗粒的导电油墨的工件的方法，其包括：使工件沿输送机移动至所述工件的所需部分暴露于能量的区域；用闪光灯施加足够的能量到所需区域，以允许烧结所述导电油墨；以及阻挡能量到达所述工件的其它部分以防止部分烧结。
18.根据权利要求17所述的方法，其包括沿用于保持工件的输送机提供工件，所述输送机可在行进方向上移动，所述行进方向基本上垂直于将能量从所述灯施加到工件的方向，其中所述阻挡包括阻挡能量到达在所述输送机的进入侧上的所述工件的一部分。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述烧结包括烧结带具有金属颗粒的导电油墨的基板。
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