CN103210703B - 装配和封装分立电子元件 - Google Patents

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Abstract

电子元件组件包括印刷的元件结构，所述印刷的元件结构包括沉积在衬底上的半导体墨、绝缘墨和导电墨中的至少一种。元件结构限定至少一个接触区域，具有设置在接触区域上或者设置成邻近接触区域的连接导线。至少一个电绝缘材料层包封元件结构。衬底和电绝缘材料层中的至少一个包括封装材料。元件结构可以印刷在诸如纸张或者其它软质材料的衬底上，该衬底固定至诸如聚乙烯的绝缘封装材料层。替代地，衬底可以是绝缘封装材料层本身。施加硬质或软质衬底的变化例是可行的，并且公开了电子元件组件的各种示例。

Description

装配和封装分立电子元件
技术领域
本发明涉及一种制造电子元件、具体地分立元件的方法，并且涉及一种由该方法制造的元件。
背景技术
功能墨的印刷是电子设备领域中的长期传统。例如，基于颜料的墨用来在印刷电路板上丝网印刷内部连线和电阻器。在这些应用中，所采用的厚膜墨分别包括银和碳的载体和颜料，其中颜料颗粒可以具有纳米范围的尺寸。
传统地，已经通过诸如丝网印刷的传统印刷技术印刷大多数功能材料。最近的技术开发旨在印刷电路的不仅无源元件，而且有源元件。一个示例是在国际专利申请案WO2004/068536中公开了纳米颗粒硅的印刷元件，假设半导体层在如太阳能电池和晶体管的器件中。
在印刷电子设备的公知应用中，目标在于将独立元件集成在完整的电路中或者作为独立元件的阵列形成更大的器件，诸如用于驱动显示器的晶体管阵列或者形成完整模块的光伏电池阵列。在这些应用中，公知的采用印刷以及相关技术的处理的好处包括简化工艺、大规模生产、以及制造成本的降低。
本发明的一个目的在于扩充分立电子元件的制造的好处。
发明内容
根据本发明，提供了一种制造电子元件的方法，所述方法包括以下步骤：
印刷元件结构，所述元件结构包括沉积在衬底上的半导体墨、绝缘墨和导电墨中的至少一种，所述元件结构限定至少一个接触区域；
将连接导线设置在所述至少一个接触区域上或者设置成邻近所述至少一个接触区域；和
施加至少一个电绝缘材料层以包封所述元件结构；
其中所述衬底和所述电绝缘材料层中的至少一个包括封装材料。
而且，根据本发明，提供了一种电子元件组件，包括：
印刷的元件结构，所述印刷的元件结构包括沉积在衬底上的半导体墨、绝缘墨和导电墨中的至少一种，所述元件结构限定至少一个接触区域；
连接导线，所述连接导线设置在所述至少一个接触区域上或者设置成邻近所述至少一个接触区域；
至少一个电绝缘材料层，所述至少一个电绝缘材料层包封所述元件结构；
其中所述衬底和所述电绝缘材料层中的至少一个包括封装材料。
所述封装材料优选但不限于包括诸如聚酯或聚乙烯的聚合物膜。
所述封装材料可以形成包封物或可以为施加在所述衬底上的覆盖物。
所述电子元件可以为厚膜或薄膜器件，并且可以，例如是厚膜或薄膜晶体管、光电二极管、光伏电池或模块、电阻器、热敏电阻器、二极管、或电容器、或其它分立元件。
在一个优选示例实施例中，电子元件可以是热敏电阻器，诸如根据2010年9月13日提交的名称为印刷温度传感器的南非临时专利申请案2010/06532中所大体描述的负温度系数(NTC)热敏电阻器。
优选地，在薄片或者膜材料的情况下，所述衬底和所述电绝缘材料层是平面的。
所述衬底和所述电绝缘材料层中的至少一个为本文所限定的软质材料。
优选的是软质衬底材料，其可以在相对小的压缩力下塑性或者弹性变形。对于弹性材料，如果其硬度小于Shore A表中的100，那么可以将该材料定义为软质的。对于塑性材料，软质材料会具有典型小于30的布氏硬度(Brinell hardness)。所定义的硬质材料具有大于Shore B表中的100的硬度或者超过80的布氏硬度。硬度为中间值的材料可以被认作为相对软质的，取决于所施加的力。为了本发明的目的，软质材料被限定为硬度小于ShoreA表中的100。
对于在环境温度下通过印刷技术生产的电子元件，所述衬底可以例如是纸张、卡板、硬纸板、金属箔、塑料薄片、聚合物膜、或具有可印刷表面的任何其它合适材料。
在本发明的可选实施例中，所述衬底可以为本文所限定的硬质材料。
例如，所述衬底可以包括金属薄片、包括氧化铝和粘土基材料的烧结陶瓷薄片、诸如石英和蓝宝石的结晶陶瓷材料、诸如硅或碳化硅的半导体材料薄片或晶片、或者玻璃薄片。
电子元件组件可以包括在所述衬底表面和所述绝缘材料层之间的至少一个其他材料层，所述至少一个其他材料层包括这里所限定的软质材料。
在一个优选实施例中，所述封装材料可以为热塑性聚合物材料薄片或膜。
所述电子元件组件可以由被施加至所述组件的聚合物密封介质保护，例如通过使用任何常规公知技术，诸如浸渍或喷敷。
本发明扩展至一种封装物品，所述封装物品包括封装材料的封套或封装皮，以及本文所限定的电子元件组件。
附图说明
图1是根据本发明的一个示例的电子元件的分解示意图；
图2是根据本发明的所述方法制造的印刷硅NTC热敏电阻器的一个实施例的示意平面图；
图3是根据本发明的所述方法制造的印刷硅NTC热敏电阻器的一个示例的示意平面图；
图4是显示图3中所示的NTC热敏电阻器的电阻-温度特性的曲线图；
图5是根据本发明的所述方法制造的印刷碳电阻器的两个示例的照片图；
图6是根据本发明的所述方法制造的两个电容器的照片图；以及
图7是根据本发明的所述方法制造的平行板电容器的照片图。
具体实施方式
具有电阻的负温度系数的热敏电阻器通常被认作为NTC热敏电阻器，意味着它们的电阻随着温度的增加而大致以指数方式减少。
对于本发明技术领域的技术人员来说大体类似类型的现有分立热敏电阻器由包括半导体材料混合物和粘合剂材料的粉末的糊，诸如玻璃粉，构成。这种糊既可以丝网印刷至陶瓷衬底上或者铸造以形成生坯，此后在高温下烧结以形成半导体材料质量层或体。不变地，由于热处理期间的变形，假设是厚膜热敏电阻器的情况，需要在金属化之前进行材料的进一步修剪以获取正确的电阻。所应用的制造工艺限制了所采用的衬底和封装材料，排除了诸如纸片和聚合物膜的许多轻质、柔性材料的使用。
本发明本质上关注通过在平面衬底上印刷硅结构并且包括在两个平坦的封装材料层之间具有至少一个连接导线的结构，导线(多个导线)在器件的这些封装材料层之间穿出。
需待制造的元件或器件典型地是根据南非专利申请案2010/06532中公开的体系结构之一的硅墨印刷的负温度系数(NTC)热敏电阻器。然而，这里所公开的装配和封装方法还可以应用至沉积在平坦的或平面的衬底上的其它任何薄膜、厚膜或印刷热敏电阻器。通过扩展，所公开的相同方法还可以应用至任何其它薄膜、厚膜或印刷电子元件，以不受限制的示例的方式，诸如薄或厚膜晶体管、光电二极管、光伏电池或模块、电阻器、二极管、或电容器。
现在参见附图，图1是根据本发明的所述方法的电子元件的组件和包括的示意图。通过上述提及的印刷方法，电子元件沉积在平坦的或者平面的衬底10上，从而限定电传导接触垫14和16。提供一对连接导线或电线18和20，而导线的裸端设置在接触垫上或者设置成邻近接触垫，正如图中所示的。绝缘材料层22应用在衬底10上以将不同部件保持在一起。
在图1中，显示封装材料层12，衬底10通过绝缘材料层22固定至封装材料层12。然而，衬底10或层22(或两者)皆可以形成电子元件所应用至的封装材料的一部分，在此情况下所示的封装材料层12可能是多余的。
在一个实施例中，电子元件和接触垫沉积在衬底10上，而限定封套的外封装的衬底10和层22联接在一起。以此方式，印刷元件的接触垫14和16通过由衬底和外封装施加在它们上的压力与连接导线18和20的端部保持接触。
在衬底10和绝缘材料层22之间、或者在导线和绝缘材料之间可以包括进一步的支撑或绝缘材料。这些材料可以是与衬底或外封装相同的材料，但是会更厚，以提供机械支撑。例如，这种材料可以是纸张、纸板或硬纸板、或者诸如聚乙烯的其它软质材料。
可选地，电子器件可以印刷或者直接沉积在封装材料的内表面上，这随后形成衬底。
优选是在小的压缩力作用下可以塑性或弹性变形的软质衬底材料。对于在环境温度下通过印刷技术生产的电子元件，衬底材料可以例如是纸张、纸板、硬纸板、金属箔、塑料薄片、聚合物膜、或者优选具有可打印表面的任何其它适宜材料。
如果衬底材料是硬质的，或者是不可以压缩的，那么接触衬底表面的至少一个其它材料可能是软质的，具有上述物理特性。可以采用上述制造工艺而使用的硬质或者刚性材料包括但不限于金属薄片、包括氧化铝和粘土基材料的烧结陶瓷薄片、诸如石英和蓝宝石的结晶陶瓷材料、诸如硅或碳化硅的半导体材料片或晶片、和玻璃薄片。
当电子元件包括一个或多个集成电极时，电极应该优选被沉积使得它们向外延伸以在电子元件的外部区域中形成接触垫，且每一电极有至少一个接触垫。在图2中示意性显示了这种布置的示例，图2显示根据所公开的方法制造的印刷NTC热敏电阻器的实施例。平行传导轨迹24和26形式的两个电极以螺旋形式沉积在衬底材料薄片28上，并且通过包括印刷硅层20的半导体轨迹连接或桥接。在所示的设计中，这两个轨迹24和26向外延伸以在元件的相对边缘形成相对宽的接触垫32和34，各个连接导线36和38的端部置于接触垫32和34上。在两个外封装材料薄片40之间将完整的组件保持在一起(在图2中仅显示了最下层)。
采用任何适宜公知的厚或薄膜方法可以沉积接触垫，并且接触垫应该优选包括与接触电极相同的材料。在优选实施例中，采用可印刷银丝网印刷糊。可选地，可以应用包含石墨、富勒烯、金、铜、铝或任何其它导电材料以颗粒或者颗粒堆形式的墨。有机材料基的墨，诸如PEDOT:PSS，公知上用来印刷导电图案，但是为了实现此目的则是不推荐的。
优选地，封装材料的外表面预先印刷有标识、设计、图像、或者产品信息。可选地，可以在制造元件或封装以后实施这种印刷。
在一个优选实施例中，外封装材料是热塑性聚合物膜或薄片，这样所装配的元件可以通过热层叠而密封并且认为在机械上是稳定的。
可选地，外封装材料可以是胶粘的粘合剂，或者在金属化材料的情况下是软焊或者焊接的粘合剂。
如果外封装是刚性的或者半刚性的，可以通过采用螺丝、卡钉、螺栓、铆钉或任何类似机械紧固件闭合。
在一个优选实施例中，接触导线为单束金属电线。可选地，可以采用多束缠绕或者编织电线或者平带。用于导线的材料优选为铜或镀银铜线。然而，可以施加诸如银、金、镍、锡、铝、铬的金属、或它们的组合和合金，诸如因瓦合金、青铜或者镍铬铁合金。
在一个优选实施例中，通过封装的闭合而生成的机械压力将导线相对于接触垫适当保持。可选地，导线可以被软焊或焊接至接触件，用于附加的机械稳定性。
实现机械稳定性的另一个方法是采用粘合剂将导线粘结至接触件。这种粘合剂可以用来形成永久粘合或者在闭合封装之前适当保持导线，此后保持导线与接触垫通过机械力电接触。为了改善电连接，粘合剂可以是所填充的金属、或者其它导电物。
在所述优选方法中，所装配的元件在层叠和贴标签之后被剪切成合适尺寸。然而，在装配和闭合之前，任何或者所有元件的部件可以平等地剪切或者裁剪成合适尺寸。
在闭合和裁剪成合适尺寸之后，可以采用任何常规公知技术(诸如浸渍或喷涂)通过应用聚合物密封介质保护所装配的元件。
示例1
图3显示印刷在80g/m2空白纸张衬底42上的一连串NTC热敏电阻器的示例。热敏电阻器器件由用Du Pont5000银导体印刷的两个同心电极44和46构成，其通过印刷硅环48连接或桥接。接触件和硅环两者均通过丝网印刷沉积。所采用的硅墨包括根据WO2009/125370中描述的方法由2503级冶金硅研磨而成的重量百分比为88％的硅纳米颗粒，连同丙烯酸粘合剂。印刷器件的整体尺寸为15mm乘以10mm。
在此示例中，在完整热敏电阻器的装配之前，纸张衬底42被裁剪成合适尺寸。一对由绝缘0.5mm多束铜导线组成的连接导线50和52的端部通过由封装材料(未显示)的外绝缘层施加的压力单独地适当保持在每个垫54和56上。外绝缘层由100微米聚酯层叠膜构成并且在三个侧面围绕印刷热敏电阻器向外延伸至少10mm并且在连接导线的方向上向外至少100mm。
为了测试的目的，器件被浸入水浴中，使得连接导线的暴露部分保持在水面之外。通过在电热板上加热该水浴，同时用数字温度计记录水温。器件的电阻采用Keithley Model2000数字万用表直接确定。
图4显示上述类型的典型器件的在阿仑尼乌斯量表上绘制的电阻与温度特征之比的示例。热敏电阻器展示至少两个温度区域，其中电阻与绝对温度以指数方式成反比。
示例2
图5是根据本发明的所述方法制造的印刷碳电阻器的两个示例的照片图。每个电阻器包括两个银接触垫，用Du Pont5000银导体在作为衬底的在160gsm空白纸张上丝网印刷而成。由我们自己配制的合成物的碳基墨构成的电阻轨迹通过丝网印刷被施加至两个接触垫之间。电阻值通过接触件之间距离以及轨迹的宽度和厚度的变化而确定。在所示的示例中，电阻轨迹的尺寸分别为20mmx2mm和15mmx2mm。用Fluke111万用表所测量的电阻为60kΩ和43kΩ。同轴设置的连接导线由0.5mm的铜线形成并且被适当保持在一对外层叠层之间，这对外层叠层的每个包括用乙烯-醋酸乙烯酯热粘合剂粘合的125微米PET薄片。已经采用的透明封装显示器件的构造。为了表面安装，已生产没有连接导线的类似元件。在此情况中，具有印刷接触件的衬底的一部分允许从外封装突出，以实现适宜导线的后续连接。
示例3
图6是根据本发明的所述方法制造的两个类似低值电容器的照片图。与先前示例一样的，已经采用的透明叠层显示器件的构造。用Du Pont5000银导体通过在160gsm硬纸张上丝网印刷而施加两组相互交叉的四个银电极。电极的尺寸为7.0mmx0.75mm，并且沿着它们的长边隔开0.25mm的间隙。每组电极并联，并且宽的银轨迹用作接触垫。在装配之前，用PeakAtlas LCR40测量计测量的器件的电容为2.0±0.2pF。两个并联0.5mm铜制连接导线被施加至接触垫并且通过外层叠层被适当保持，该外层叠层包括用乙烯-醋酸乙烯酯粘合剂热粘合的两个125微米PET薄片。装配以后，除了衬底材料之外，外封装形成器件的介电材料的一部分。所装配的器件的最终电容值为4,0±0.2pF。
示例4
图7是根据本发明的所述方法制造的平行板电容器的照片图。与示例2和3中一样的，衬底材料为160gsm硬纸板，而外封装包括用乙烯-醋酸乙烯酯粘合剂热粘合的两个125微米PET薄片。用Du Pont5000银导体丝网印刷包括10mm见方的平面电极10以及至4mm直径接触垫的2mm宽连接部的第一银层。15mm见方的介电材料(Du Pont8165)丝网印刷在平面电极之上，仅暴露延伸部和接触垫。然而在介电材料之上丝网印刷具有在相反方向上延伸的接触垫的第二银层，这样第二平面电极直接在第二平面电极上方。在所示的示例中，0.5mm直径铜制连接导线被施加至接触垫并且通过外封装被适当固定。可选地，如需表面安装器件，可以允许接触垫从封装处突出。装配之前，用Peak Atlas LCR40测量计测量的此设计的元件的电容为300±30pF，而在层叠之后为400±40pF。

Claims (17)

1.一种制造电子元件的方法，所述方法包括以下步骤：
a.印刷元件结构到衬底上，所述元件结构包括半导体墨、绝缘墨和导电墨中的至少一种，所述元件结构限定至少一个接触区域；
b.将连接导线设置在所述至少一个接触区域上或者设置成邻近所述至少一个接触区域；和
c.施加至少一个电绝缘材料层以包封所述元件结构；
d.其中所述衬底和所述电绝缘材料层中的至少一个包括封装材料；
其中所述衬底和所述电绝缘材料层中的至少一个是软质材料，所述软质材料在相对小的压缩力作用下能够塑性或弹性变形并且硬度小于ShoreA表中的100或具有小于30的布氏硬度，并且通过衬底和至少一个电绝缘材料层施加到所述连接导线的端部和至少一个接触垫的压力，所述连接导线的端部保持和至少一个接触垫电接触。
2.一种制造电子元件的方法，所述方法包括以下步骤：
a.印刷元件结构到衬底上，所述元件结构包括半导体墨、绝缘墨和导电墨中的至少一种，所述元件结构限定至少一个接触区域；
b.将连接导线设置在所述至少一个接触区域上或者设置成邻近所述至少一个接触区域；和
c.施加至少一个电绝缘材料层以包封所述元件结构；
d.其中所述衬底和所述电绝缘材料层中的至少一个包括封装材料；和
e.在衬底表面和电绝缘材料层之间包括至少一个其他材料层，所述至少一个其他材料层包括在相对小的压缩力作用下能够塑性或弹性变形并且硬度小于Shore A表中的100或具有小于30的布氏硬度的软质材料，并且通过衬底和至少一个电绝缘材料层施加到所述连接导线的端部和至少一个接触垫的压力，所述连接导线的端部保持和至少一个接触垫电接触。
3.一种电子元件组件，包括：
a.印刷元件结构，所述印刷元件结构包括沉积到衬底上的半导体墨、绝缘墨和导电墨中的至少一种，所述元件结构限定至少一个接触区域；
b.连接导线，所述连接导线设置在所述至少一个接触区域上或者设置成邻近所述至少一个接触区域；和
c.至少一个电绝缘材料层，所述至少一个电绝缘材料层包封所述元件结构，
d.其中所述衬底和所述电绝缘材料层中的至少一个包括封装材料，
其中所述衬底和所述电绝缘材料层中的至少一个是软质材料，所述软质材料在相对小的压缩力作用下能够塑性或弹性变形并且硬度小于ShoreA表中的100或具有小于30的布氏硬度，并且通过衬底和至少一个电绝缘材料层施加到所述连接导线的端部和至少一个接触垫的压力，所述连接导线的端部保持和至少一个接触垫电接触。
4.一种电子元件组件，包括：
a.印刷元件结构，所述印刷元件结构包括沉积到衬底上的半导体墨、绝缘墨和导电墨中的至少一种，所述元件结构限定至少一个接触区域；
b.连接导线，所述连接导线设置在所述至少一个接触区域上或者设置成邻近所述至少一个接触区域；
c.至少一个电绝缘材料层，所述至少一个电绝缘材料层包封所述元件结构；
d.其中所述衬底和所述电绝缘材料层中的至少一个包括封装材料；和
e.在衬底表面和电绝缘材料层之间的至少一个其他材料层，所述至少一个其他材料层包括在相对小的压缩力作用下能够塑性或弹性变形并且硬度小于Shore A表中的100或具有小于30的布氏硬度的软质材料，并且通过衬底和至少一个电绝缘材料层施加到所述连接导线的端部和至少一个接触垫的压力，所述连接导线的端部保持和至少一个接触垫电接触。
5.如权利要求3或4所述的一种电子元件组件，其中所述封装材料包括聚合物膜。
6.如权利要求5所述的一种电子元件组件，其中所述聚合物膜包括聚酯和聚乙烯。
7.如权利要求3或4所述的一种电子元件组件，其中所述封装材料形成包封物。
8.如权利要求3或4所述的一种电子元件组件，其中所述封装材料为施加在所述衬底上的覆盖物。
9.如权利要求3或4所述的一种电子元件组件，其中所述衬底和所述电绝缘材料层是平面的。
10.如权利要求3或4所述的一种电子元件组件，其中所述衬底包括纸张、卡板、硬纸板、金属箔、塑料薄片材料、或聚合物膜。
11.如权利要求3或4所述的一种电子元件组件，其中所述衬底为硬质材料，所述硬质材料硬度大于Shore B表中的100或布氏硬度超过80。
12.如权利要求11所述的一种电子元件组件，其中所述衬底包括金属薄片、包括氧化铝和粘土基材料的烧结陶瓷薄片、结晶陶瓷材料、半导体材料薄片或晶片、或者玻璃薄片。
13.如权利要求11所述的一种电子元件组件，其中所述衬底包括石英和蓝宝石。
14.如权利要求11所述的一种电子元件组件，其中所述衬底包括硅或碳化硅。
15.如权利要求3或4所述的一种电子元件组件，其中所述封装材料为热塑性聚合物材料薄片或膜。
16.如权利要求3或4所述的一种电子元件组件，其中所述电子元件组件由被施加至所述电子元件组件的聚合物密封介质保护。
17.一种封装物品，所述封装物品包括封装材料的封套或封装皮，以及如权利要求3或4所述的电子元件组件。
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