DE60206641T2

DE60206641T2 - Eingebettete elektrische leiter und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE60206641T2
Application number: DE60206641T
Authority: DE
Inventors: C. David KOSKENMAKI; N. Michael MILLER; Naiyong Jing
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2022-06-28
Also published as: US20030042045A1; WO2003028417A1; ATE306804T1; JP2005503942A; US6929849B2; EP1421835A1; US20030196830A1; US6591496B2; EP1421835B1; DE60206641D1; JP4243541B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft feine, elektrisch leitfähige Leitungen, Raster oder Schaltkreise, die in einem Substrat eingebettet sind, und ein Verfahren zur Herstellung solcher Bausteine. In einer Ausführungsform ist das leitfähige Raster ausreichend fein, dass es mit bloßem Auge nicht sichtbar ist, und das Substrat ist eine transparente thermoplastische Bahn. Transparente leitfähige Bahnen weisen eine Vielfalt von Verwendungszwecken auf, einschließlich elektrischer Scheibenheizung, Abschirmung gegen elektromagnetische Interferenzen (EMI-Abschirmung), statische Abschirmung, Antennen, Berührungsbildschirmen für Computeranzeigen und Oberflächenelektroden für elektrochrome Fenster und Flüssigkristallanzeigen.
Die Verwendung von im Wesentlichen transparenten, elektrisch leitfähigen Rastern für solche Anwendungen als EMI-Abschirmung ist wohl bekannt. Das Raster kann aus einem Netzwerk oder Gitter aus Metalldrähten ausgebildet werden, die zwischen transparente Bahnen eingeschoben oder laminiert oder in Substraten eingebettet werden ( US 3,952,152 ; US 4,179,797 ; US 4,321,296 ; US 4,381,421 ; US 4,412,255 ). Der Nachteil der Verwendung von Drahtgittern besteht in der Problematik der Handhabung sehr feiner Drähte oder der Herstellung und Handhabung sehr feiner Drahtgitter. Ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von 20 Mikrometer (Mikron) beispielsweise hat eine Zugfestigkeit von lediglich 0,28 N (1 oz; 28 Gramm Kraft) und wird daher leicht beschädigt. Mit Drähten mit einem Durchmesser von 20 Mikrometer (Mikron) gefertigte Drahtgitter sind erhältlich, sind jedoch aufgrund des Problems der Handhabung sehr feinen Drahts sehr kostspielig.
Anstelle ein bereits existierendes Drahtgitter in ein Substrat einzubetten, kann eine leitfähige Struktur vor Ort gefertigt werden, indem zunächst eine Struktur von Nuten oder Rillen in einem Substrat ausgebildet wird und dann die Rillen mit einem leitfähigen Material gefüllt werden. Dieses Verfahren ist zum Herstellen von leitfähigen Schaltkreisleitungen und Strukturen mittels einer Vielfalt von Mitteln angewendet worden, wenngleich in der Regel für Leitungen und Strukturen in einem relativ groben Maßstab. Die Nuten können in dem Substrat durch Formen, Prägen oder lithographische Techniken und anschließend Füllen der Nuten mit leitfähigen Tinten oder Epoxidharzen ( US 5,462,624 ), mit aufgedampftem, aufgesputtertem oder galvanisiertem Metall ( US 3,891,514 ; US 4,510,347 ; US 5,595,943 ), mit geschmolzenem Metall ( US 4,748,130 ) oder mit Metallpulver ( US 2,963,748 ; US 3,075,280 ; US 3,800,020 ; US 4,614,837 ; US 5,061,438 ; US 5,094,811 ) ausgebildet werden.
Diese Verfahren des Stands der Technik weisen jedoch erhebliche Einschränkungen auf. Ein Problem bei leitfähigen Tinten oder Epoxidharzen beispielsweise besteht darin, dass die elektrische Leitfähigkeit von der Ausbildung von Kontakten zwischen benachbarten leitfähigen Teilchen abhängt, und die gesamte Leitfähigkeit ist in der Regel viel geringer als die von festem Metall. Die Aufdampfung von Metall oder Galvanisierung geht im Allgemeinen ziemlich langsam vor sich und bedingt häufig einen Folgeschritt zum Entfernen überschüssigen Metalls, das zwischen den Nuten abgeschieden ist. Geschmolzenes Metall kann in den Nuten angeordnet werden, bedingt jedoch in der Regel zunächst die Abscheidung von etwas Material in den Nuten, die das Metall benetzen wird. Andernfalls wird das geschmolzene Metall aufgrund der Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls weder in die Nuten eindringen noch darin verbleiben.
Schaltkreise sind hergestellt worden, indem Metallpulver in Nuten angeordnet und daraufhin das Pulver verdichtet wurde, um den elektrischen Kontakt zwischen den Teilchen zu erhöhen. Lillie et al. ( US 5,061,438 ) und Kane et al. ( US 5,094,811 ) haben dieses Verfahren zum Ausbilden von Leiterplatten angewendet. Das Verfahren, wie es von diesen Erfindern beschrieben wurde, ist jedoch zum Herstellen von sehr feinen Schaltkreisen und Metallstrukturen nicht zweckmäßig. Das beschriebene Verfahren bildet in einem Substrat durch Prägen des Substrats mit einem strukturierten Werkzeug eine Struktur von Rillen aus, ordnet Metallpulver in den Rillen an und verwendet dann dasselbe Werkzeug zum Verdichten des Pulvers. Bei einem feinen Maßstab wäre das Austauschen oder erneute Einrichten der Passgenauigkeit des Werkzeugs über der geprägten Struktur zum Durchführen der Metallverdichtung äußerst schwierig. Eine Bahn mit einer Struktur von 20 Mikron breiten Rillen beispielsweise würde bedingen, dass das Werkzeug über der Struktur mit einer Genauigkeit von ungefähr 3 Mikron von einer Seite der Bahn zu der anderen angeordnet werden würde. Bei vielen Anwendungen kann die Bahn in einer Größenordnung von 30 cm mal 30 cm sein. Maßänderungen aufgrund von thermischer Kontraktion einer thermoplastischen Bahn machen bei Abkühlung von der Ausbildungstemperatur auf Raumtemperatur für gewöhnlich 1 % oder mehr aus. Folglich würde eine Kontraktion von 1 % bei einer Bahn von 30 cm mal 30 cm eine Gesamtschrumpfung von 0,3 cm ergeben. Dieser Wert ist 1000 Mal größer als die erforderliche Anordnungsgenauigkeit von 3 Mikron, was eine präzise Neupositionierung des Werkzeugs unmöglich macht.
Alternativ dazu haben Lillie et al. (WO 85/01231) vorgeschlagen, ein verformbares Material, wie Kunststoff, über dem Pulver anzuordnen und dann Druck auf das verformbare Material anzuwenden, um das Metallpulver in den Nuten zu verdichten. Jack et al. ( US 3,075,280 ) wenden Druck auf eine Elastomerbahn über einer Struktur von mit Teilchen gefüllten Nuten an. In diesen Fällen muss ein relativ hoher Druck auf die Rückseite der Kunststoff- oder elastomeren Schicht ausgeübt werden, um einen ausreichenden hydrostatischen Druck im Bereich einer Nut zu erzeugen, um zu bewirken, dass die nachgiebige Schicht zum Verdichten des Pulvers in die Nut gedrückt wird. Insbesondere Nuten, die im Hinblick auf ihre Breite tief sind, würden ein Problem darstellen. Wenn die nachgiebige Schicht ein Weichkunststoff ist, wird sie die Teilchen einhüllen, was es unmöglich macht, die nachgiebige Schicht zu entfernen, ohne zumindest einige der Teilchen zu entfernen.
EP-A-0 138 673 beschreibt ein Trockenverfahren zum Anordnen von elektrisch leitfähigen Kontaktflächen auf einem Substrat und ist bei der Herstellung einer Platine von Nutzen. In GB-A-993 984 wird ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Leiteranordnung offenbart.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist ein wie in Anspruch 1 definiertes Verfahren und ein wie in Anspruch 2 definierter Gegenstand. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Das Verfahren weist die Schritte des Bereitstellens eines Polymersubstrats, Ausbildens einer Struktur von Nuten in dem Substrat, Füllens der Nuten mit elektrisch leitfähigem Pulver und anschließend Anwendens von Wärme und/oder Druck auf das Substrat auf. Die Anwendung von Wärme und/oder Druck auf das Substrat bewirkt, dass die Nuten nach innen gegen das leitfähige Pulver einfallen. Das Einfallen der Nuten dient zwei Zwecken. Erstens verdichtet es das leitfähige Pulver in der Nut, wodurch eine durchgängig leitfähige Rasterleitung oder ein durchgängig leitfähiger Schaltkreis hergestellt wird. Zweitens werden die Nuten, wenn sie einfallen, schmaler. Bei Anwendungen, in denen Transparenz wünschenswert ist, ermöglichen die resultierenden schmaleren Rasterleitungen, dass mehr Licht durch das Substrat durchgelassen wird. Dieses erfinderische Verfahren ermöglicht, dass Rasterleitungen mit größeren Seitenverhältnissen (Verhältnis der Leitungstiefe zur Leitungsbreite) hergestellt werden können, als dies mit bisherigen Metallpulververfahren möglich ist. Das hierin beschriebene erfinderische Verfahren ermöglicht außerdem die Fertigung von elektrisch leitfähigen Rastern in der Fläche von Materialien, wie Fluorpolymeren, auf denen die Anhaftung von Metall schwierig ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird ausreichend Wärme und Druck angewendet, um zu ermöglichen, dass das Polymer das verdichtete Pulver in den Nuten vollständig einhüllt. In dieser Ausführungsform wird das eingebettete Pulver von der Umgebung isoliert und vor dieser geschützt. Alternativ dazu kann ermöglicht werden, dass das Polymer die leitfähigen Teilchen nur teilweise einhüllt. In bestimmten Anwendungen ist das Freilegen von zumindest einigen der Teilchen an der Substratfläche wünschenswert, um einen elektrischen Kontakt mit dem leitfähigen Rastermaterial zu ermöglichen.
In einer anderen Ausführungsform können die Teilchen ein Metall oder eine Legierung sein, das bzw. die bei einer Temperatur schmilzt, die niedriger als die beim Heiz- und/oder Druckschritt angewendete Temperatur ist. Normalerweise werden feine Metallpartikel, die in Abwesenheit von Druck geschmolzen werden, aufgrund des Vorliegens einer Oxidhaut um die Teilchen herum nicht einfach zusammenkoaleszieren. Die Anwendung von Druck bewirkt, dass die Teilchen sich ausreichend verformen, um die Oxidhaut aufzubrechen, wodurch ermöglicht wird, dass das geschmolzene Metall koalesziert und längs der Rillen fließt.
Bei einem thermoplastischen Substrat werden die Nuten mittels Anwenden von Wärme und Druck auf die ebene Fläche des Substrats zum Einfallen veranlasst. Die Druckbelastung, die im Körper des thermoplastischen Substrats erzeugt wird, verteilt sich selbst isostatisch in dem Polymer und bewirkt, dass die Nuten von den Seitenwänden und Böden der Nuten nach innen einfallen. Die einfallenden Seitenwände üben Druck auf die Teilchen aus, wodurch sie deren elektrischen Kontakt erhöhen oder in dem Fall, in dem die Teilchen schmelzen, die Oxidhaut um die nun geschmolzenen Teilchen herum aufbrechen, was ermöglicht, dass diese zu einer durchgängigen elektrischen Spur koaleszieren.
In einem wärmehärtbaren Polymer sind die Moleküle vernetzt, was plastisches Kriechen verhindert. Es können jedoch trotzdem leitfähige Spuren in der Fläche eines wärmehärtbaren Polymersubstrats eingebettet werden, indem mittels eines scharfen Werkzeugs, das in die Oberfläche einschneidet, Nuten in dem Polymer hergestellt werden. Die Bereiche des Polymers neben den Nuten behalten Eigenspannungen zurück. Wenn das Polymer erhitzt wird, bewirken diese Eigenspannungen, dass die Polymernut sich bis zu nahezu der ursprünglichen Form des unbeeinträchtigten Polymers schließt, wodurch jegliches Material eingeschlossen wird, das in der Nut angeordnet wurde, und Druck auf das Material in den Nuten angewendet wird. Obwohl in vielen Fällen Wärme allein die Nuten einfallen lassen wird, kann das Einfallen durch die Anwendung von Druck von einer ebenen Platte gegen das Substrat verstärkt werden. Das Meiste des angewendeten Drucks wird in diesem Fall gegen die aufgeworfenen Bereiche an den Seiten oder Kanten der Nuten gerichtet sein. In jedem Fall ist das Resultat eine leitfähige Spur, die schmaler als die ursprüngliche Breite der Nut ist und bis zu die gleiche Tiefe wie die Nut vor ihrem Einfallen aufweist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme, die eine Polycarbonatbahn mit einer geprägten Struktur von Nuten zeigt.
2 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme, die eine Polycarbonatbahn mit einer geprägten Struktur von Nuten nach der Anwendung von Wärme und Druck durch eine ebene Metallfläche gegen die Struktur von Nuten zeigt.
3, 4 und 5 sind Schnittzeichnungen von Nuten, die zeigen, wie sie unter Zusammendrücken des Substrats durch eine ebene Platte einfallen.
6 und 7 sind rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Querschnitten einer Nut in Polyimid vor bzw. nach Erhitzung.
8 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Nut in Polyetheretherketon (PEEK). Der Abschnitt der Nut im linken oberen Teil der fotografischen Aufnahme ist erhitzt worden, um zu bewirken, dass sich die Nut schließt.
9 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Polycarbonatbahn mit einer Struktur von teilweise eingefallenen Nuten, die Kupferteilchen enthalten, die in den Nuten eingeschlossen sind.
10 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts einer teilweise eingefallenen Nut in Polycarbonat, die feine Kupferteilchen enthält.
11 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von einigen Kupferteilchen, die als dendritisches Kupfer bekannt sind.
12 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Polycarbonatbahn mit einer Struktur einer niedrigschmelzenden ternären Legierung von Zinn, Wismut und Blei, die geschmolzen und unter dem Druck einer ebenen Fläche verfestigt worden ist.
13 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts einer der in 12 gezeigten Nuten.
14 ist ein Querschnitt einer Metallleitung in Polyimid.
15 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer mit Teilchen gefüllten Nut in PEEK.
16 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der in 15 dargestellten, mit Teilchen gefüllten Nut nach Erhitzung.
17 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der mit Teilchen gefüllten Nut von 15 und 16, nachdem überschüssige Teilchen abgewischt worden sind.
18 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts einer abgeschrägten Nut in Polyimid.
19 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts einer Nut in Polyimid, die anfangs der in 1 gezeigten ähnlich ist. Die Nut wurde mit SnBi/SnPb-Teilchen gefüllt und erhitzt. Dann wurden die überschüssigen Teilchen abgewischt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist ein geprägtes Substrat, das eine Polycarbonatbahn aufweist, gezeigt. Die geprägten Nuten können beispielsweise durch Heißprägen eines ebenen Substrats gegen einen strukturierten Prägestempel, Gießen von heißem Polymerharz gegen einen strukturierten Prägestempel oder Schneiden in die Fläche mit einem scharfen Werkzeug ausgebildet werden. Das Substrat kann aus einer beliebigen Familie von Materialien ausgewählt werden, die unter der Anwendung von Druck, der Anwendung von Wärme oder der kombinierten Anwendung von Wärme und Druck fließen. Bevorzugte Substrate umfassen beliebiges warmformbares oder thermoplastisches Polymer und können elastomere Materialien umfassen. Das Substrat kann ein Fluorpolymer sein, einschließlich perfluorierter und teilweise fluorierter Polymere. Bei ausgewählten Anwendungen kann es bevorzugt sein, dass das Substrat transparent ist.
Wie in 2 gezeigt, fallen die geprägten Nuten teilweise ein, wenn das in 1 gezeigte Polycarbonatsubstrat Wärme und Druck unterworfen wird. Wenn Druck in einer Richtung angewendet wird, die senkrecht zur ebenen Fläche des Polymersubstrats ist, fallen die Wände der Nuten nach innen und die Böden der Nuten nach oben ein. Das Einfallen der Nuten ist in 3 schematisch dargestellt und wird im Folgenden ausführlicher erläutert.
Wie in 3 zu sehen ist, weist ein Polymersubstrat 30 eine Nut 31 mit einem im Allgemeinen rechteckigen Querschnitt auf. Die Nut 31 ist durch die Seitenwände 32 und die Bodenfläche 33 definiert. Wenn Druck auf die ebene Fläche 34 des Substrats 30 angewendet wird, beginnt der ursprüngliche, im Allgemeinen rechteckige Querschnitt der Nut 31 sich zu verformen, wobei die Seitenwände 32 und die Bodenfläche 33 nach innen einfallen. Nach einem moderaten Umfang des Einfallens der Seitenwände 32 und der Bodenfläche 33 weist die Nut 31 ein wie durch die gestrichelte Linie 35 dargestelltes Schnittprofil auf. Verlängerte Zeitdauer, erhöhte Wärme und/oder erhöhter Druck resultieren darin, dass die Nut 31 ein wie durch die gestrichelte Linie 36 dargestelltes Schnittprofil aufweist. Letztendlich wird die Nut 31, bei Abwesenheit etwaigen Fremdmaterials in der Nut 31, vollständig einfallen, so dass sie sich schließt. Wenn die Nut 31 bezüglich ihrer Breite ausreichend tief ist, werden die Seitenwände 32 der Nut 31 einander letztendlich während des Einfallens berühren.
4 ist eine Querschnittsdarstellung eines Polymersubstrats 40 mit einer Nut 41 mit einem dreieckigen Querschnitt. Wenn die Nut 41 durch Heißprägen oder Gießen eines thermoplastischen Polymersubstrats 40 ausgebildet wird, werden die Seitenwände 42 der Nut 41 auf die in 4 gezeigte Art und Weise einfallen. Das heißt, wenn das Polymersubstrat 40 vor der Anwendung von Wärme und Druck den ursprünglichen dreieckigen Querschnitt 43 aufweist, wird die Anwendung von Wärme, Druck und Zeit auf die ebene Fläche 44 des Substrats 40 bewirken, dass die Seitenwände 42 der Nut 41 zunächst zum Profil der gestrichelten Linie 45 und dann unter weiterer Wärme, weiterem Druck oder weiterer Zeit zum Profil der gestrichelten Linie 46 einfallen.
Nuten mit dreieckigen Querschnitten können mit einem scharfen Prägewerkzeug und ausreichendem Druck unterhalb der Glasübergangstemperatur des Polymersubstrats ausgebildet werden, selbst in vernetzten Polymeren, wie Polyimid oder Epoxidharz. In diesem Fall wird die Nut in der Regel wie in 5 dargestellt einfallen. Wie in 5 zu sehen ist, weist das Polymersubstrat 50 eine Nut 51 mit Seitenwänden 52 auf. Die Seitenwände 52 bilden einen dreieckigen Querschnitt 53. Wenn Wärme und/oder Druck auf die ursprünglich ebene Fläche 54 des Polymersubstrats 50 angewendet werden, fallen die Seitenwände 52 der Nut 51 zum Profil der gestrichelten Linie 55 und dann unter weiterer Wärme und weiterem Druck zum durch die gestrichelte Linie 56 dargestellten Profil ein. Wenn die Nut 51 durch Zusammendrücken des Substrats gegen ein scharfes Werkzeug (nicht gezeigt) ausgebildet wird, wird häufig eine erhabene oder aufgeworfene Kante 57 neben der Nut 51 vorliegen. Diese aufgeworfenen Kanten 57 und die auf dem Polymer anliegende Nut 51 weisen gespeicherte Eigenspannungen auf. Unter der Anwendung von Wärme werden die Eigenspannungen abgebaut, wenn das Substrat 50 sich zu seiner ursprünglichen Form bewegt oder fließt. Dieser Effekt kann unter der Anwendung von Wärme allein auftreten.
6 und 7 sind rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Querschnitten einer Nut in Polyimid, die bei Raumtemperatur mit einem scharfen Werkzeug geprägt (6) und dann ohne jegliche Anwendung von Druck erhitzt wurde (7). 8 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme, die eine Nut in einem Polyetheretherketonsubstrat (PEEK-Substrat) zeigt, die bei Raumtemperatur durch leichtes Ziehen einer Rasierklinge über die Fläche des Substrats ausgebildet wurde. Der Abschnitt der Nut, der in der linken oberen Ecke der mikroskopischen Aufnahme gezeigt ist, wurde dann erhitzt, ohne jeglichen externen Druck auf das Substrat anzuwenden. Bei Erhitzen bei Abwesenheit von Druck schließt die Nut sich zu ihrer ursprünglichen Form, wodurch an der Stelle der Nut ein schmaler Schlitz gebildet wird.
9 zeigt Kupferteilchen, die in einer teilweise eingefallenen Struktur von Nuten in einer Polycarbonatbahn zurückbehalten werden. wie in den Beispielen unten beschrieben, werden die Nuten vor der Anwendung von Wärme und Druck mit Metallteilchen gefüllt. Teilchen werden am einfachsten in den Nuten mittels wohl bekannten Verfahren angeordnet, wie Aufrakeln oder Verschmieren von Aufschlämmungen, die aus einer flüchtigen Flüssigkeit und den Teilchen bestehen, über dem genuteten Substrat. Solche Beschichtungsverfahren resultieren in der Regel in Teilchen, die die Nuten und die ebenen Bereiche zwischen den Nuten vollständig bedecken. Wenn die Nuten bezüglich der Größe der Teilchen ausreichend tief sind und das Seitenverhältnis (Tiefe gegen Breite) der Nuten größer als ungefähr 1 ist, können die auf den ebenen Flächen zwischen den Nuten verbleibenden überschüssigen Teilchen einfach weggewischt werden, ohne dass die in den Nuten angeordneten Teilchen beeinträchtigt werden.
Wenn Wärme und/oder Druck auf das Substrat angewendet werden, werden die Teilchen in den Nuten von dem Polymersubstrat eingeschlossen und eingehüllt. Die Seiten und Böden der Nuten verformen sich wie oben beschrieben und drücken gegen die Teilchen, wodurch sie bewirken, dass die Teilchen gegeneinander verdichtet werden, und einen verlässlichen elektrischen Kontakt zwischen den Teilchen ermöglichen. Zur optimierten Verdichtung sollte die Temperatur während der Verdichtung nur etwas über dem Erweichungspunkt des Polymers liegen und der Druck sollte relativ hoch sein. Auf diese Weise weisen die Wände der Nuten eine ausreichende Steifheit auf, um die Teilchen zusammenzuzwängen, ohne dass das Polymer einfach um die Teilchen herum fließt.
Das Ausmaß, zu dem die Nuten einfallen, kann für die geplante Anwendung des Endprodukts gesteuert werden. Lediglich teilweises Einfallenlassen der Nuten beispielsweise resultiert darin, dass die Teilchen an der Fläche des Substrats freigelegt sind (wie die in 9 gezeigten Teilchen), was wiederum einfachen elektrischen Kontakt zur Leitungsstruktur von verdichteten Teilchen ermöglicht. Unter der Anwendung von weiterer Zeit, Wärme und Druck können die Teilchen vollständig vom Polymersubstrat eingehüllt werden. In manchen Anwendungen ist ein vollständiges Einhüllen der Teilchen in dem Substrat aufgrund der verbesserten Abriebfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit, die von der Schutzschicht aus Polymer um die Teilchen herum hervorgebracht wird, wünschenswert. In manchen Anwendungen kann es ferner wünschenswert sein, eine weitere Schicht aus einem Polymer gegen die mit eingebetteten Teilchen gefüllte Struktur zu laminieren, um einen noch größeren Schutz des Metalls durch das Polymer zu liefern. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Dicke dieser zweiten Polymerschutzschicht derart gewählt werden, dass die Metallstruktur an der Ebene mittlerer Dicke der Laminatkonstruktion angeordnet wird. Eine Struktur von Metallleitungen an der Ebene mittlerer Dicke würde von abträglichen Dehnungsbeanspruchungen (wie den durch Biegen des Substrats hervorgerufenen) im Vergleich zu einer Struktur auf oder in der Nähe der Fläche des Substrats während des Biegens der Konstruktion nicht so sehr nachteilig beeinflusst.
Die Größe der Teilchen bezüglich der Nut ist wichtig. Es ist wünschenswert, eine durchschnittliche Teilchengröße zu haben, die bezüglich der Nutbreite gering ist. Es ist ebenfalls wünschenswert, eine Teilchengrößenverteilung zu haben, die die Erzeugung von Hohlräumen zwischen den Teilchen reduziert, wenn diese in einem begrenzten Raum zusammengedrückt werden. Idealerweise sollte die Teilchengröße zwischen etwa 1/4 bis 1/10 der Breite der Nuten ausmachen. Wenn die Teilchen jedoch zu fein sind, werden sie während der Anwendung von Wärme und Druck zwischen der Druckplatte und dem Polymer an der Kante der Nuten eingefangen. Dieser Effekt erhöht die Nutzbreite der Metallleitungen, was die Lichtmenge verringert, die durch die Metall-/Polymerkonstruktion durchgelassen werden kann. 10 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts einer eingefallenen Nut, die vor der Anwendung von Wärme und Druck mit übermäßig feinen Teilchen (Kupfer mit einem Durchmesser von 0,02 Mikrometer (Mikron)) gefüllt wurde. Die mit 81 gekennzeichneten Bereiche sind dünne Flächen von Metallteilchen, die während des Einfallens der Nut zwischen der Druckplatte und dem Polymer eingefasst wurden. Wie beim Betrachten der 10 gesehen werden kann, erhöhen die Bereiche 81 die sichtbare Breite der Metallleitungen.
Die Form der Metallteilchen hat einen gewissen Effekt auf die Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit der Metallleitungen. Ein besonders wünschenswerte Art von Teilchen, die als dentritische Kupferteilchen bekannt sind, in 11 gezeigt, wird durch Galvanisieren bei hohen Stromdichten ausgebildet, um eine sehr unregelmäßige, farnartige Form zu ergeben, die viele Finger aufweist. Die Finger von benachbarten Teilchen greifen während der Anwendung von Druck ineinander, um eine bessere mechanische Festigkeit und verbesserte elektrische Leitfähigkeit mit vielen Kontaktpunkten zu ergeben.
Obwohl oben Metallteilchen beschrieben werden, sollte beachtet werden, dass die Teilchen aus beliebigen geeigneten leitfähigen Teilchen bestehen können, einschließlich Metall-, organischen und anorganischen Teilchen. Bei Metallen sind Metalle mit hoher Leitfähigkeit, wie Kupfer oder Silber, wünschenswert. Alternativ dazu sind auch formbare Metalle, wie Zinn, wünschenswert, da sie sich unter ausreichendem Druck verformen können, um verbesserte elektrische Kontakte zwischen benachbarten Teilchen auszubilden. Die Teilchen können auch photoleitfähige Teilchen sein, wie Selen. In einer bevorzugten Ausführungsform können die Metallteilchen aus einem Metall oder einer Legierung bestehen, die während der Anwendung von Wärme und Druck schmilzt.
Bei Abwesenheit von angewendetem Druck werden die meisten losen Metallteilchen während des Schmelzens aufgrund des einschränkenden Effekts der Oxidschicht oder -haut, die jedes Teilchen umgibt, nicht koaleszieren. Dies gilt insbesondere für niedrigschmelzende natürliche Metalle und Legierungen von Zinn, Wismut, Blei, Indium, Antimon, Zink und Aluminium. Für gewöhnlich ist es erforderlich, Teilchen dieser Metalle in Anwesenheit eines Lötflussmittels zu erhitzen, um sie zum Koaleszieren zu bringen. Ein Beispiel eines solchen Flussmittels ist ein pulverförmiges Anhydrid einer Carbonsäure, das Teilchengrößen aufweist, die gering genug sind, um den Raum zwischen den größeren metallischen Teilchen einzunehmen. Wenn die Metallteilchen jedoch während des Schmelzens ausreichend verformt werden, wird die Oxidhaut aufbrechen und ermöglichen, dass das geschmolzene Metall ohne Erfordernis eines Lötflussmittels zu durchgängigen Leitungen aus Metall fließt und koalesziert.
12 zeigt ein Raster aus einer Legierung von Zinn, Wismut und Blei, das durch Füllen einer der von 1 ähnlichen, genuteten Polycarbonatbahn und dann Zusammendrücken des Substrats mit einer ebenen Platte bei einer Temperatur, die zum Schmelzen des Metalls ausreicht, ausgebildet wurde. 13 zeigt einen Querschnitt einer der Rasterleitungen von 12. Eine Polymer-/Metallkonstruktion einer Struktur von Metallleitungen aus niedrigschmelzendem Metall in einem Thermoplast, der sich oberhalb des Schmelzpunkts des Metalls verformt, kann eine gewisse Warmformbarkeit ohne Verlust elektrischer Leitfähigkeit aufweisen. Dies gilt insbesondere, wenn die Metallstruktur mit weiterem thermoplastischem Material überzogen wird, um das geschmolzene Metall daran zu hindern, während des Warmformens aus den Nuten herauszukommen.
Mischungen von höherschmelzenden Pulvern, wie Kupfer, mit niedrigerschmelzenden Pulvern, wie Zinn-Wismut, können vorteilhaft sein. Das Kupfer ist elektrisch leitfähiger als das Zinn-Wismut, das Zinn-Wismut wird jedoch schmelzen und die Hohlräume auffüllen, die andernfalls in dem verpressten Kupferpulver allein vorliegen würden. Selbst wenn das Zinn-Wismut das Kupfer nicht ohne Unterstützung durch Lötflussmittel benetzt, steigert es trotzdem weiter die elektrische Leitfähigkeit, indem es die Hohlräume füllt, die möglicherweise vorliegen. Darüber hinaus steigert es, wenn es mit dendritischen Kupferteilchen gemischt wird, die mechanische Festigkeit der elektrischen Spur, indem es die unregelmäßigen farnartigen Finger und Überstände der dendritischen Kupferteilchen einkapselt. Das Vorliegen von nicht schmelzenden Teilchen, wie Kupfer, kann außerdem eine gewisse Kontrolle über den Umfang des Einfallens der Nuten unter Wärme und Druck bereitstellen. Uneingeschränktes geschmolzenes Metall bietet dem Einfallen der Seitenwände der Nuten nicht viel Widerstand und die Nuten könnten unter der Anwendung von zuviel Zeit, Wärme und Druck vollständig einfallen. Feste Teilchen können helfen, ein vollständiges Einfallen zu verhindern.
14 zeigt einen Querschnitt einer Metallspur in Polyimid, die ausgebildet wurde, indem eine Nut mit Metallteilchen einer Zinn-Wismut-Blei-Legierung gefüllt und dann das Polyimid erhitzt wurde, um das Metall zu schmelzen und die Nut zum Einfallen zu bringen, wodurch mindestens ein Teil des Metalls eingefangen wird. Die Spur ist ungefähr 10 Mikrometer (Mikron) tief und zwischen 1 und 2 Mikrometer (Mikron) breit. 14 stellt die Feinheit der elektrischen Spur dar, die unter Verwendung der Verfahren dieser Erfindung erreicht werden kann.
15 zeigt eine Nut in PEEK (ähnlich dem nicht erhitzten Teil der in 6 gezeigten Nut), nachdem die Nut mit Zinn-Blei- und Zinn-Wismut-Teilchen geflutet wurde. Wenn die Nut nur mit Wärme geschlossen wird, ist es nicht erforderlich, die überschüssigen Teilchen in dem Bereich zwischen den Nuten vor dem Erhitzen des Substrats zu entfernen. Das Belassen von überschüssigen Teilchen auf dem Substrat hilft dabei, einen möglichen Verlust von Teilchen aus den Nuten zu verhindern, der häufig während eines Reinigungs- oder Wischschritts auftritt. Beim Erhitzen wird überschüssiges Metall aus der Nut herausgezwängt, während die Nut sich schließt, wodurch periodische Metallkügelchen längs der Nut gebildet werden, wie in 16 gezeigt. Ein Teil des Metalls wird in der Nut belassen, um eine elektrisch leitfähige Spur auszubilden, während etwas des Metalls aufgrund der Tatsache, dass das Metall sein eigenes Oxid benetzt, in der Nut verbleibt. Die ursprünglichen Oxidhäute der Teilchen neigen dazu, in den Nuten anzuhaften, und helfen dabei, das geschmolzene Metall zu verankern. Die Kügelchen, die sich außerhalb der Nuten bilden, und die überschüssigen Teilchen zwischen den Nuten können zur Wiederverwendung durch Abbürsten oder Abwischen entfernt werden. Die resultierende Metallspur ist in 17 gezeigt.
Wenn die ursprüngliche Nut relativ schmal ist, kann sie einfacher und effizienter mit Metallteilchen gefüllt werden, indem die Teilchen über das Substrat gebürstet oder gewischt werden, während das Substrat um eine zur Nut parallele zylindrische Fläche gebogen wird, um die Oberseite der Nut vollständiger zu öffnen. Es ist bevorzugt, dass sehr schmale, schlitzartige Nute auf diese Art und Weise gefüllt werden, um sicherzustellen, dass ein adäquates Volumen der Metallteilchen in der Nut vorliegt.
In manchen Anwendungen kann es ein Vorteil sein, die Nuten und die Profile der resultierenden elektrischen Spuren in einem Winkel von weniger als 90° von der Fläche des Substrats ausgerichtet zu haben, wie in 18 gezeigt. Ein Vorteil einer nichtorthogonalen Ausrichtung besteht in der Möglichkeit, eine tiefere Spur herzustellen, als aufgrund der Dickeneinschränkungen des Substrats andernfalls möglich wäre. Es könnte auch optische Anwendungen geben, in denen erwünscht ist, dass die maximale Lichtdurchlässigkeit in einem gewissen, durch das Spurprofil definierten Winkel erfolgt. Darüber hinaus kann es einfacher sein, eine Nut mit einem winkligen Tiefenprofil mit Teilchen zu füllen, insbesondere wenn die aufgeworfene Kante an einer Seite der Nut dicker als an der anderen ist. Diese überstehende Kante kann das Sammeln von Teilchen unterstützen, die in einer Richtung zur überstehenden Kante gewischt werden. 18 zeigt einen Querschnitt einer Nut, die in die Fläche eines Polyimidsubstrats unter Verwendung einer Rasierklinge geschnitten wurde, die in einem Winkel und nicht rechtwinklig zum Substrat gehalten wurde. 19 zeigt einen Querschnitt einer elektrischen Spur, die unter Verwendung einer winkligen Nut ausgebildet wurde.
BEISPIELE
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Verwendung und Anwendung der oben beschriebenen Erfindung. Die Beispiele sind exemplarisch und sollen in ihrer Beschreibung nicht einschränkend sein.
Beispiel 1
Ein galvanoplastisch hergestelltes Nickelwerkzeug von 25 cm mal 25 cm mal 0,15 cm mit einer quadratischen Struktur von Graten mit einer Breite von 25 Mikrometer (Mikron) mal einer Höhe von 25 Mikrometer (Mikron) und einem Abstand von 125 Mikrometer (Mikron) wurde zum Prägen eines Polycarbonatstücks (Lexan 8010MC, von Plastic Films Co., Schiller Park, IL, USA, bezogen) von 25 cm mal 25 cm mal 250 Mikrometer (Mikron) verwendet. Das Prägen wurde in einer Wabash-Presse durchgeführt, die 50 Tonnen Kraft über eine Fläche von 46 cm mal 46 cm erbringen konnte. Das Polycarbonat wurde durch Anordnen der Polycarbonatbahn gegen das Nickelwerkzeug auf einer Seite und ein Polyimidstück (Kapton^®) mit einer Dicke von 50,8 Mikrometer (2 Mil) auf der anderen Seite geprägt. Ein Silikonkautschukstück von 25 cm mal 25 cm mal 0, 3 cm wurde auf der anderen Seite der Polyimidbahn angeordnet und der Verbund von Nickelwerkzeug, Polycarbonat, Polyimid und Silikonkautschuk wurde zwischen zwei Stahlplatten von 25 cm mal 25 cm mal 1,3 cm und dann in der Heißpresse angeordnet. Die Presse wurde unter einen Druck von 8 Tonnen (entspricht über die 100 sq in der Probekörperfläche 160 psi = 1,1 MPa) gesetzt und über einen Zeitraum von 15 Minuten von Raumtemperatur auf 182 °C erhitzt. Die Presse wurde dann wieder auf Raumtemperatur abgekühlt, indem Wasser durch ihre Plattenkühlrohre geleitet wurde, ein Vorgang, der ungefähr 8 Minuten in Anspruch nahm. Der Druck wurde entspannt und die Polycarbonatbahn aus der Presse genommen. Die resultierende Struktur ist in 1 gezeigt.
Kupferpulver wurde von Atlantic Equipment Engineers, Inc. (Nr. Cu110, 1–5 Mikrometer (Mikron)) bezogen. Um die größeren Teilchen auszusieben, wurden etwa 20 g des Kupferpulvers zu 250 ml Wasser gegeben, geschüttelt und in einem Messzylinder 1 Minute lang absetzen gelassen. Das Wasser und feine Kupferteilchen wurden ausgegossen, wobei die gröberen Teilchen am Boden des Zylinders zurückgelassen wurden. Die feinen Teilchen wurden in 0,1 N HCl gespült, um ihre Oxidschichten zu entfernen, und zwei weitere Wasserspülungen, wobei jedes Mal die Teilchen 5 Minuten lang auf dem Boden eines Becherglases absetzen gelassen wurden. Eine letzte Spülung wurde mit etwa 10 ml Methanol durchgeführt.
Eine Mischung von 0,5 g dieses feinen Kupferpulvers und 1 ml Methanol wurde über der Fläche des strukturierten Polycarbonats verteilt. Die Aufschlämmung wurde mit einem Baumwolltuchstück von 5 cm mal 10 cm verteilt, das gefaltet wurde, um ein Stück von 5 cm mal 5 cm zu bilden. Die Aufschlämmung wurde diagonal auf der quadratischen Struktur von Nuten in dem Polycarbonat hin und her verteilt, bis die Nuten vollständig mit der Aufschlämmung bedeckt waren. Während das Methanol verdunstete, nahm das Tuch die überschüssigen Teilchen von den Abquetschflächen auf. Dieser Vorgang nahm etwa 15 bis 30 Sekunden in Anspruch. Es gibt einen Zeitraum, zu dem das Methanol von den Abquetschflächen der Struktur vollständig verdunstet ist oder in das Tuch eingesogen worden ist und jegliche überschüssigen Teilchen von den Abquetschflächen abgewischt worden sind. Wenn die Wischbewegung fortgesetzt wird, trocknet das Methanol auch aus den Nuten aus und das Tuch beginnt ebenfalls zu diesem Zeitpunkt, die Teilchen in den Nuten aufzunehmen. Es ist notwendig, die Wischbewegung zu stoppen, bevor dies geschieht.
Die mit Teilchen gefüllte Polycarbonatbahn wurde dann zwischen zwei Stücke von 2 Mil dickem Polyimid und dieser Verbund wiederum zwischen zwei Stücke von 1/8 Inch dickem Silikonkautschuk eingeschoben und wiederum zwischen zwei 1/2 Inch dicken Stahlplatten angeordnet und wieder in die Heißpresse gelegt. Es wurden fünf Tonnen Kraft (100 psi = 680 kPa über den Probekörper) angewendet. Die Heißpresse wurde über einen Zeitraum von 15 Minuten auf 340 °F (171 °C) erhitzt, wonach die Presse dann wieder mittels Durchleiten von Wasser durch die Kühlleitungen der Platten auf Raumtemperatur abgekühlt wurde, ein Vorgang, der weitere 7 Minuten in Anspruch nahm.
Um den spezifischen elektrischen Widerstand der Bahn grob zu messen, wurde aus zwei Stücken von Kupferdraht Nr. 18 ein Prüfkopf hergestellt, die derart einzeln um ein Stückchen Glas von 0,63 cm mal 5 cm mal 1,3 cm gewickelt wurden, dass die Drähte um 1,3 cm beabstandet waren, wodurch ein Quadrat von 1,3 cm mal 1,3 cm auf der 1,3 cm breiten Oberfläche des Glases gebildet wurde. Die Drähte wurden mit Epoxidharz an Ort und Stelle gehalten. Die Sondenoberfläche wurde behutsam mit Schmirgelpapier Nr. 320 abgeschliffen, um Ebenheit sicherzustellen und überschüssiges Epoxidharz zu entfernen.
Der elektrische Widerstand der eingebetteten Maschenstruktur auf dem Polycarbonat betrug etwa 0,3 Ohm/square in der Mitte des Probenkörpers und etwa 1 Ohm/square innerhalb von 5 cm von der Kante. Innerhalb von 2,5 cm von der Kante stieg der elektrische Widerstand drastisch auf mehr als 30 Megohm an.
Beispiel 2
Ein mit Kupferteilchen gefülltes Raster auf Polycarbonat wurde auf eine zu der von Beispiel 1 ähnlichen Art und Weise hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Kupferteilchen von Aldrich bezogen wurden und als „35,745-6, dentritisch, 3 Mikron" gekennzeichnet waren. Ein paar dieser Teilchen sind in 11 dargestellt. Sie wurden durch ein Edelstahlsieb Nr. 635 gesiebt, um etwaige größere Teilchen zu entfernen. Die Heißpresstemperatur betrug 180 °C. Der resultierende Probekörper wies einen Oberflächenwiderstand von etwa 1 Ohm/square auf. Ein 2,5 cm mal 15 cm breiter Streifen dieses Probekörpers wurde 180° um einen 4-mm-Radius mit der strukturierten Seite nach außen gezogen. Der spezifische elektrische Widerstand wurde erneut gemessen. Er stieg um einen Faktor von etwa 1,5 bis 2 an. Der Probekörper von Beispiel 1 wurde ebenfalls auf dieselbe Art und Weise durch einen Radius gezogen. Der spezifische elektrische Widerstand stieg um einen Faktor von 3 bis 5 an.
Beispiel 3
Eine Polycarbonatbahn wurde strukturiert, mit Pulver gefüllt und auf eine zu der von Beispiel 1 ähnlichen Art und Weise heißverpresst, mit der Ausnahme, dass anstelle von Kupferteilchen eine Mischung von 50:50 (bezogen auf das Gewicht) von eutektischem Zinn-Wismut-Pulver und eutektischem Zinn-Blei-Pulver verwendet wurde. Das eutektische Zinn-Wismut-Pulver war hergestellt worden, indem ein geschmolzener Strom von eutektischem Zinn-Wismut aus einer Düse gegen mehrere Ströme von heißem Stickstoffgas mit hoher Geschwindigkeit geblasen wurde, um den geschmolzenen Strahl in sehr feine Teilchen aufzutrennen. Die Teilchen wurden durch ein Edel stahlsieb Nr. 635 gesiebt. Das eutektische Zinn-Blei-Pulver wurde von Sherritt (Typ 6501 63Sn37Pb – 10 Mikrometer (Mikron)) bezogen. Es wurde kein Versuch unternommen, den Oxidüberzug der Teilchen zu entfernen, bevor diese in die Struktur auf der Polycarbonatbahn geschmiert wurden. Die resultierenden spezifischen elektrischen Widerstände der Bahn betrugen etwa 2–5 Ohm/square.
Beispiel 4
Eine Polycarbonatbahn wurde auf eine zu der des Verfahrens von Beispiel 3 ähnlichen Art und Weise strukturiert, mit der Ausnahme, dass das Pulver aus einer Mischung des Kupferpulvers von Beispiel 1, des SnBi/SnPb-Pulvers von Beispiel 3 und etwas feinem Zinnpulver (AEE-Typ SN-101, 1–5 Mikrometer (Mikron)) in einem Gewichtsverhältnis von 1:1:1 bestand. Die zinnbasierten Pulver schmolzen bei der Heißverpressung. In diesem Fall dient das Kupferpulver zum Erhöhen der elektrischen Leitfähigkeit und, während das zinnbasierte Pulver schmilzt und fließt, um die Hohlräume zwischen den Kupferteilchen zu füllen, zum Erhöhen der mechanischen Festigkeit der elektrischen Spur. Das geschmolzene Metall schien die Kupferteilchen jedoch nicht zu benetzen. Der resultierende spezifische elektrische Widerstand der Bahn betrug zwischen 1 und 2 Ohm/square.
Beispiel 5
Eine Polycarbonatbahn wurde strukturiert, mit Kupferpulver gefüllt und auf dieselbe Art und Weise wie Beispiel 1 heißverpresst. In diesem Beispiel wurden die Kupferteilchen in den ebenen Flächen zwischen den Nuten energisch genug abgewischt, um eine Menge des Pulvers in den Nuten zu entfernen. Der Probekörper wies einen gemessenen anfänglichen elektrischen Widerstand von mehr als 1 kOhm/square in der Mitte des Probekörpers bis mehr als 1 Megohm/square an den äußeren Bereichen des Probekörpers auf. Ein Abschnitt dieses Materials wurde dann katalysiert, indem er in eine saure Palladium(II)-chloridlösung eingeführt wurde, worauf Galvanisieren in einem stromlosen Kupferbad (Lea Ronal Cu-872) für 4 Minuten bei 60 °C folgte. Nach der Kupfergalvanisierung lag ein einheitlicher spezifischer elektrischer Widerstand der Bahn von 2,5 Ohm/square vor.
Beispiel 6
Ein leitfähiges Raster von Kupferteilchen wurde in Teflon FEP auf eine zu der des Verfahrens von Beispiel 1 ähnlichen Art und Weise strukturiert, mit der Ausnahme, dass die Heißpresstemperatur 204 °C betrug, um das Teflon zum Ausbilden des leitfähigen Rasters zu strukturieren und heißzuverpressen. Das resultierende strukturierte Substrat wies einen spezifischen elektrischen Widerstand der Bahn von etwa 0,5 bis 1 Ohm/square auf.
Beispiel 7
Ein galvanoplastisch hergestelltes Nickelwerkzeug wurde gegen ein Stück von 127 Mikrometer (Mikron) dickem Polyimid (Dupont Kapton^® H-Folie) von 15 cm mal 20 cm mit einem über die 300-cm²-Fläche des Polyimids gemittelten Druck von 3,4 MPa gepresst. Das galvanoplastisch hergestellte Werkzeug wies eine quadratische Struktur von scharfen Graten mit einem dreieckigen Querschnitt und einem Innenwinkel von 35°, einer Grathöhe von 300 Mikrometer (Mikron) und Breite des Grats an der Basis von 190 Mikron auf. Die Grate hatten einen Zwischenraum (Abstand zwischen den Graten) von 1,27 mm. Unter dem Druck von 3,4 MPa drangen die Grate dieses Werkzeugs nicht vollständig in das Polyimidsubstrat ein, erschufen jedoch eine quadratische Struktur von Nuten mit einer Breite von 40 Mikrometer (Mikron) und einer Tiefe von 70 Mikrometer (Mikron). Ein Querschnitt der resul tierenden Nut ist in 6 gezeigt. Das in Beispiel 3 verwendete SnBi/SnPb-Pulver wurde in dem Raster von Nuten in dem Polyimid angeordnet, indem das Pulver mit einem Kamelhaarpinsel über die Oberfläche des Polyimids gestreut wurde. Das Substrat wurde dann durch Legen des Substrats auf eine heiße Platte etwa 10 Sekunden lang auf 300 °C erhitzt. Die Nuten in dem Polyimid schlossen sich. Überschüssiges geschmolzenes Metall wurde aus den Nuten in der Form von Kügelchen ausgestoßen, die längs der Nuten beabstandet waren. Diese Kügelchen und das überschüssige Metallpulver wurden unter Verwendung eines feuchten Baumwolltuchs von der Fläche des Polyimids gewischt. Die resultierenden Metallleitungen wiesen einen elektrischen Widerstand von ungefähr 1 kOhm/cm auf. Ein Querschnitt einer dieser Leitungen ist in 14 gezeigt.
Beispiel 8
Ein PEEK-Folienstück von 5 cm mal 12 cm mal 250 Mikrometer (Mikron) wurde auf die ebene Wiegefläche einer Ohaus GT8000-Mikrowaage geklebt. Eine Rasierklinge wurde rechtwinklig zum Substrat gehalten, jedoch mit in ungefähr 20° von dem Substrat gehaltenen scharfen Kante, und über die zur Klinge parallele Fläche des PEEK gezogen, um eine Nut mit dreieckigem Querschnitt in der Fläche des PEEK zu schaffen. Die auf der Mikrowaage bei Anwendung der Rasierklinge gemessene, nach unten gerichtete Kraft betrug 60 Gramm. Dieselbe Mischung von feinem Zinn-Blei- und Zinn-Wismut-Pulver, die in Beispiel 3 verwendet wurde, wurde auf die Fläche der PEEK-Folie angewendet und rechtwinklig zur Nut über die Fläche gebürstet. Die Fläche wurde dann behutsam mit einem Propanbrenner erhitzt, der auf eine niedrige Flamme eingestellt war (etwa 1 cm blauer Innenkegel der Flamme), und über die Fläche oberhalb der Nut geführt (etwa 4 cm/s), um die Nut über den Schmelzpunkt des Metallpulvers zu erhitzen. Die Hitze reichte nicht aus, um das PEEK zu kristallisieren. Das überschüssige Metallpulver wurde unter Verwendung eines in Methanol angefeuchteten Baumwolltuchs weggewischt. Die resultierende Metallleitung wies einen elektrischen Widerstand von etwa 200 Ohm/cm auf. Das Aussehen der Leitung während dieser Verfahrensschritte ist in 15–17 gezeigt.
Beispiel 9
Eine Nut wurde in einem Stück von 20 Mikrometer (Mikron) dickem Polyimid (Dupont Kapton^® H-Folie) auf eine zu der von Beispiel 8 ähnlichen Art und Weise ausgebildet, mit der Ausnahme, dass das Rasiermesser, anstelle es rechtwinklig zum Substrat zu halten, in einem seitlichen Winkel von 45 Grad gehalten wurde, um eine Nut herzustellen, die sich um ungefähr 45° von der Fläche des Substrats neigte. Die nach unten gerichtete Kraft auf der Rasierklinge betrug etwa 40 g. Der resultierende Querschnitt der Nut ist in 18 gezeigt. Die Nut wurde mit Zinn-Wismut- und Zinn-Blei-Pulver auf eine zu der von Beispiel 8 ähnlichen Art und Weise gefüllt, mit der Ausnahme, dass das Pulver in Richtung der scharfen Kante der aufgeworfenen Kante neben der Nut gebürstet wurde. Auf diese weise half die aufgeworfene Kante dabei, die Teilchen in der Nut einzufangen. Nach Erhitzen zum Schmelzen der Teilchen und Schließen der Nut wies die resultierende elektrische Spur einen elektrischen Widerstand von 200 Ohm/cm auf. 19 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des resultierenden Querschnitts.
Obwohl die Erfindung möglicherweise auf verschiedene Modifizierungen und alternative Formen angepasst werden kann, sind hierin gezeigte und beschriebene spezifische Ausführungsformen lediglich beispielhaft. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf bestimmte offenbarte Formen beschränkt sein soll. Die Erfindung soll vielmehr alle Modifizierungen, Äquivalente und Alternativen umfassen, die in den Schutzumfang der Erfindung fallen, wie er durch die angehängten Ansprüche definiert ist.

Claims

Verfahren zur Fertigung mehrerer elektrisch leitender Spuren in einem Polymersubstrat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines Polymersubstrats (30, 40, 50); Ausbilden einer Struktur von Rillen (31, 41, 51) in einer Fläche des Substrats (30, 40, 50); Anordnen leitfähiger Teilchen in den Rillen (31, 41, 51); gekennzeichnet durch: Einfallenlassen der Seiten (32, 42, 52) der Rillen nach innen gegen die leitfähigen Teilchen, um eine leitfähige Spur im Substrat auszubilden.
Elektrisch leitfähiges Bahnenmaterial, mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gefertigt, wobei das Material Folgendes umfasst: ein Polymersubstrat (30, 40, 50); eine Struktur von Metallspuren im Substrat, wobei die Metallspuren durch das Substrat auf zusammendrückende Weise in Rillen (31, 41, 51) im Substrat (30, 40, 50) gehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen Teilchen Metall, organisch, anorganisch oder photoleitfähig sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Material nach Anspruch 2, wobei das Polymersubstrat (30, 40, 50) ein warmformbares Material oder ein elastomeres Material ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ausbildens einer Struktur von Rillen (31, 41, 51) in der Fläche des Substrats (30, 40, 50) das Verformen des Substrats bei einer Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur des Substrats aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, wobei die Rillen (41) mit einem dreieckigen Querschnitt ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, wobei der Schritt des Einfallenlassens der Seiten (32, 42, 52) der Rillen den Schritt des Anwendens von Kraft, Anwendens von Wärme oder Anwendens von Kraft und Wärme auf die Fläche des Substrats aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, das ferner den Schritt des Schmelzens und Koaleszierens der Metallteilchen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Material nach Anspruch 2, wobei das Substrat (30, 40, 50) ein Fluorpolymer, ein perfluoriertes Polymer oder ein teilweise fluoriertes Polymer ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Material nach Anspruch 2, wobei die Spur weniger als 2 Mikrometer (Mikron) breit ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Material nach Anspruch 2, wobei die Spur ein Tiefen-Breiten-Verhältnis von mehr als 5 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt des Laminierens einer Polymerdeckschicht auf die strukturierte Fläche des Substrats (30, 40, 50) nach dem Einfallenlassen der Seiten der Rillen (31, 41, 51) aufweist.