FI121562B - Menetelmä johteiden ja puolijohteiden valmistamiseksi - Google Patents

Description

Menetelmä johteiden ja puolijohteiden valmistamiseksi

Keksintö koskee sintrausta ja sintraamalla valmistettuja tuotteita. Erityisesti keksintö koskee johtavien rakenteiden muodostamista substraatille sintraamalla metallisia tai puolijohteista 5 muodostettuja nanopartikkeleita.

Metallinanopartikkeleja sintrataan tunnetusti esimerkiksi painettavan elektroniikan sovelluksissa johderakenteiden aikaansaamiseksi. On tunnettua, että metalliset nanopartikkelit sulavat mikrotason partikkeleja matalammissa lämpötiloissa ns. "surface-phonon softening" -ilmiön 10 ansiosta. Tämä johtuu siitä, että partikkelin pinnassa olevien "löyhien" atomien määrä kasvaa merkittävästi partikkelin kokonaiskoon pienentyessä. Ilmiö tunnetaan kohtuullisen hyvin sekä teoreettisesti että kokeellisesti, vaikka ilmiön joitain puolia onkin osin vielä selittämättä. Kirjallisuudessa ei ole tyhjentävästi selitetty esimerkiksi sitä, että kun nanopartikkelit vuorataan ohuella kerroksella orgaanista yhdistettä ja tuodaan liuottimien avulla substraatin pintaan, 15 havaitaan, että sintraantumislämpötila voi olla huomattavasti alhaisempi kuin yksittäisten partikkeleiden sulamislämpötila ennustaa.

Vaikka nanopartikkelien sintraantumislämpötila onkin oleellisesti matalampi kuin mikro-partikkelien, tunnetuissa ratkaisuissa niidenkin sintraamiseksi tarvitaan ulkopuolista läm-20 mitystä.

Sintrautuminen saadaan aikaan kohottamalla lämpötilan avulla uunissa tai altistamalla partikkelit UV-valolle tai kuumalle levylle tai telalle. Tarvittavat lämpötilat ovat yleensä vähintään 100 °C. Ainoastaan erittäin pieniä puolijohdepartikkeleita voidaan sintrata matalis-25 sa lämpötiloissa, mutta tällöinkin sintrattujen rakenteiden suoritusarvot jäävät huonoiksi.

Lämmitys rajoittaa menetelmien yhteydessä käytettävien substraattien valintaa. Useat muovi- tai paperisubstraatit, jotka hintansa puolesta olisivat edullisia, muuttavat muotoaan tai hajoavat sintrauksessa tarvittavissa lämpötiloissa. Alalla onkin voimakas pyrkimys tuottaa sintrausmenetelmiä ja sintrattavia ainekoostumuksia, jotka soveltuvat käytettäväksi 30 matalissa lämpötiloissa. Joitain tällaisia tunnettuja menetelmiä on kuvattu mm. WO-julkaisuissa 2005/061598 ja 2004/075211.

2

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan täysin uudenlainen menetelmä nanopartikkelien sintraamiseksi, joka soveltuu käytettäväksi erittäin matalissa lämpötiloissa, jopa huoneenlämmössä, ja normaalipaineessa.

5 Keksinnön tarkoituksena on myös saada aikaan uusi elektroniikkatuote, elektroniikkamo-duuli ja käyttö.

Keksintö perustuu siihen havaintoon, että vuorattujen nanopartikkelien yli järjestetty jännite (sähkökenttä) käynnistää nanopartikkelien sintraantumisen jo matalissa lämpötiloissa. Niinpä 10 keksinnön mukaisessa menetelmässä johtavia tai puolijohtavia vuorattuja nanopartikkeleita sisältävää partikkelimateriaalia sintrataan tämän sähkönjohtavuuden kasvattamiseksi kytkemällä partikkelimateriaalin yli jännite.

Menetelmä toteutetaan tyypillisesti siten, että käyttää substraattia, jonka pinta on ainakin osin 15 varustettu nanopartikkelipitoisella kerroksella, joka sisältää johtavia tai puolijohtavia vuorat tuja nanopartikkeleita. Kerroksen sisältämiä nanopartikkeleita sintrataan kytkemällä kerroksen yli jännite. Jännite synnyttää kerroksen läpi tunnelointivirran, joka saa aikaan partikkelien sintraantumisen uudella tavalla, jota kuvataan tarkemmin myöhemmin. Niinpä yksittäisistä, esimerkiksi metallisista nanopartikkeleista voidaan muodostaa yhtenäisesti johtava metallinen 20 johdekuvio tai -kerros jännite-elektrodien väliin.

Keksinnön mukainen tuote käsittää substraatin ja substraatin pintaan järjestetyn nanopartikkeleista sintraamalla muodostetun johde- tai puolijohdekuvion. Kuvio on sintrattu jännitteen avulla, joka on johdettu vuorattuja johde- tai puolijohdenanopartikkeleita sisältävään kerrok-25 seen. Sintraantuneelle kuviolle on ominaista se, että se on laadultaan hyvä ja erittäin homogeeninen, koska sintrautuminen etenee järjestelmällisesti jännite-elektrodien keskikohdasta elektrodeihin päin, eikä satunnaisesti sieltä täältä.

Keksinnön mukainen elektroniikkamoduuli käsittää vähintään yhden sähköpiirin, jolla on 30 alkutilassa tietyt sähköiset ominaisuudet ja tietty toiminnallisuus. Moduuli käsittää lisäksi vähintään yhden nanopartikkelipitoisen vyöhykkeen, johon on johdettavissa jännite vyöhykkeen vähintään osittaiseksi sintraamiseksi. Vyöhyke on sintraantuessaan sovitettu yhdistämään sähköisesti vähintään kaksi sähköpiirin sisältämää johdealuetta sähköpiirin sähköisten ominaisuuksien tai toiminnallisuuden muuttamiseksi.

3

Keksintö syntyi, kun nanopartikkeleiden sintraantumisen ymmärtämiseksi ja mahdollisten ennustettujen sähköisten epälineaarisuuksien mittaamiseksi tehtiin koejärjestely, jossa ohuen kahden metallista muodostetun elektrodin väliin muodostettuun rakoon asetettiin huoneenlämpötilassa sitraantumatonta kuivunutta hopeananopartikkelimassaa. Havaittiin odotetusti, 5 että sintraantumaton rakenne oli hieman johtavaa. Noin 100 μιη elektrodirakoa käytettäessä ja noin viiden voltin jännitteellä (virta < 1 mA) johtavuus lisääntyi voimakkaasti ja lopputuloksena oli rakenne, joka johtavuudeltaan vastasi yli 100 °C lämpötilassa sintraamalla tuotettua johdetta. Jännitteen poistamisen jälkeen rakenne pysyi johtavana kaikissa tehdyissä kokeissa. Elektrodien välin kasvattaminen noin kaksinkertaiseksi aiheutti sen, että sintraantumiseen 10 johtava jännite piti myös kaksinkertaistaa. Tarkempi tutkimus osoitti, että hopea oli lähes täy sin sintraantunut prosessissa.

Niinpä keksintö soveltuukin erityisesti sellaisille partikkeleille, joilla tämä ilmiö on havaittavissa riittävän voimakkaana. Tällaisia partikkeleja ovat erityisesti metalliset johdepartikkelit 15 ja puolijohdepartikkelit, joiden pienimmän dimension keskimääräinen suuruus on alle 100 nm, ja joiden vuoraus on ohut. Niinpä esillä olevan keksinnön yhteydessä käytettäväksi sopivat monet sellaiset nanopartikkelit, joita yleisesti käytetään myös perinteisissä sintraussovellu-tuksissa. Näiden koko on 1 - 100 nm, tyypillisesti 1-50 nm.

20 Nanopartikkelit tuodaan substraatin pintaan tyypillisesti vuorattuina (agglomeraatteina). Ne voidaan tuoda substraatille dispersiona tai suspensiona jonkin nestemäisen tai pastamaisen kantajan mukana, mutta ne voidaan levittää myös jauhemaisena. Kantajina käytetään tyypillisesti liuottimia, musteita ja polymeeridispersioita. Yleisimpiä applikaatiotekniikoita ovat tulostus ja painaminen. Keksintö ei kuitenkaan ole rajoitettu johonkin tiettyyn applikointimene-25 telmään tai partikkelijauhe- tai pastakoostumukseen, vaikka joidenkin menetelmien yhteydes sä voidaan saavuttaa erityistä etua. Partikkelimateriaalilla tarkoitamme yleisesti nanopartikke-lipitoisia materiaaleja, joissa partikkelitiheys on riittävä niiden yhteensintrautumisen (koale-senssin) aikaansaamiseksi.

30 Erityisen tehokkaaksi olemme havainneet sovellutusmuodon, jossa nanopartikkeleista tehdyn ja kuivatun kalvon yli asetetaan jännite impedanssista, joka on pienempi kuin tunneloitumalla johtavan kalvon resistanssi. Tällöin kalvo sintraantuu keskeltä elektrodeihin päin. Jos edelleen jännitelähteen kanssa asetetaan sarjaan vastus tai jänniteohjaus lopetetaan pian sintraantumisen alkamisen jälkeen (esimerkiksi ajastimen tai impedanssimittauksen perusteella), kalvon 4 metallipartikkelit voidaan sintrata osittain. Tämä mahdollistaa erittäin ohuiden viivanleveyk-sien valmistamisen. Saijavastus aiheuttaa sen, että jännitelähde muuttuu sintrautumisen edetessä virtalähteeksi, jolloin prosessista saadaan tehokkaasti itseään säätävä. Oleellista tässä on, että halutussa sintrautumisen vaiheessa partikkelimateriaalin vastaanottama teho laskee alle 5 sintrautumisen etenemisen edellyttämän tehon.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on sanottu patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

10 Keksinnön mukaisille käytöille on tunnusomaista se, mitä on sanottu patenttivaatimuksissa 25 ja 26.

Keksinnön mukaiselle elektroniikkatuotteelle on tunnusomaista se, mitä on sanottu patenttivaatimuksen 27 tunnusmerkkiosassa.

15

Keksinnön mukaiselle elektroniikkamoduulille on tunnusomaista se, mitä on sanottu patenttivaatimuksen 32 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Sen avulla metallipartikkelien täydellinen 20 sintrautuminen saavutetaan jo huoneenlämpötilassa ilman ulkopuolista lämmönlähdettä. Jännitteen kytkeytymisen jälkeen, elektrodien keskellä lämpötila nousee sintraantumisläm-pötilaan yleensä muutamassa sekunnissa ja itse sintraantuminen alkaa muutamassa sadassa millisekunnissa. Eli sintraantuminen on huomattavan nopea verrattuna perinteisiin menetelmiin ja se ei tuota lämpöä substraatille. Niinpä substraatille voidaan saada aikaan johta-25 via kuvioita riippumatta substraatin lämmönsietokyvystä. Puolijohdenanopartikkelien sint-rautumislämpötila on yleensä metallinanopartikkeleja korkeampi, mutta myös näiden tapauksessa sintrautumislämpötila voidaan huomattavasti alentaa.

Niinpä tässä kuvattuun sähkökentän aikaansaamaan sintraantumiseen (myöhemmin myös: 30 sähköinen sintraus tai sähkösintraus) soveltuvien metalli- ja puolijohdepartikkelien tapauksessa voimme alentaa menetelmällä sintrautumislämpötilaa vähintään kymmenillä, tyypillisesti useilla sadoilla asteilla. Esimerkiksi 7 nm kokoisille hopeapartikkeleille sintraantuminen tapahtuu jo huoneenlämpötilassa.

5

Koska sintrauksessa ei tarvita mekaanista kontaktia sintrattavan massan kanssa, myöskään substraatin karheus tai epähomogeenisuus ei muodosta ongelmaa, kuten paineen alla suoritettavissa menetelmissä yleensä. Tämän ansiosta menetelmä soveltuu siten tunnettuja menetelmiä paremmin myös kolmiulotteisten johdekuvioiden sintraamiseen.

5

Koska menetelmä perustuu sähkökenttään, se mahdollistaa sintraantumisen lisäksi kuvioiden rakentamisen. Menetelmä soveltuu erityisesti ohuiden viivanleveyksien valmistamiseen esimerkiksi piirilevy elektroniikkaan, painettavaan elektroniikkaan ja komponenttivalmistukseen liittyvissä sovelluksissa. Myös komponenttien kontaktointi ja metalliset läpiviennit voidaan 10 saada aikaan menetelmää käyttäen.

Olemme havainneet, että nanopartikkelikerroksen lämpötila kohoaa partikkelien fuusioituessa. Koska nanopartikkelikerroksen lämpötilan kohoaminen on täysin sähkökentän aikaansaamaa, dielektriset substraatit eivät koe vastaavaa lämpenemistä. Lisäksi, koska ker-15 roksen massa on hyvin pieni, vain häviävän pieni lämpömäärä siirtyy substraattiin. Niinpä menetelmä soveltuu substraateille, jotka muuttavat fysikaalisia tai kemiallisia ominaisuuksiaan huomattavasti (kutistuvat, hajoavat, taipuvat, vaihtavat väriä tms.) kohotetussa lämpötilassa ja/tai paineessa. Tällaisia substraatteja ovat monet tyypilliset muovit ja paperit. Edullisesti keksinnön mukainen sintraus suoritetaankin alle 100 °C lämpötilassa, erityisen 20 edullisesti noin 0 - 50 °C lämpötilassa. Parhaana pidetyn suoritusmuodon mukaan säh- kösintraus suoritetaan huoneenlämpötilassa, mikä tekee lähes kaikista substraateista, joiden pinta vain on riittävän sileä yhtenäisen nanopartikkelikerroksen vastaanottamiseksi, sopivia alustoja.

25 Menetelmää voidaan käyttää täysin uusissa sovellutuksissa tai sitä voidaan käyttää tunnetuissa sovellutuksissa, joissa joko jännite ja/tai nanopartikkelikerros on luonnostaan käytettävissä. Esimerkkeinä sovelluksista mainitaan ohjelmoitavan muistin valmistaminen, ylijännitesuojan valmistaminen, varasantureiden passivoiminen esimerkiksi kaupan tiskillä, RFID antennin muuttaminen kaukoluettavasta lähiluettavaksi, metallin korkean resoluution kuvioiminen pai-30 netun elektroniikan sovellutuksissa, esimerkiksi paljaalla silmällä näkymättömän tai lähes näkymättömän johtimen tekeminen esim. painetulle näytölle.

Pienten kuvioiden prosessointi on menetelmän avulla yksinkertaista, sillä koska sintraantu-mista ohjataan sähkökentällä, ei kuvioiden resoluutiotasoa tarvitse saavuttaa mekaanisesti.

6

Seuraavassa keksinnön eri sovellutusmuotoja kuvataan yksityiskohtaisemmin oheisiin piirustuksiin viitaten.

5 Kuviossa 1 esitetään vuokaaviona esillä olevan menetelmän yksi toteutusmuoto, kuviossa 2 esitetään sivupoikkileikkauksina yksi mahdollinen prosessi transistorin valmistamiseksi sähköistä sintrausta hyödyntäen, kuviossa 3 esitetään tasokuvantona sähköisen kontaktin valmistaminen sähkösintrauksen avulla, 10 kuvioissa 4a - 4c esitetään sivupoikkileikkauksina sähköisen kontaktin valmistaminen säh kösintrauksen avulla, ja kuviossa 5 esitetään perspektiivikuvantona yhden sovellutusmuodon mukainen laitteisto kuvion sintraamiseksi rainamaisen substraatin pinnalle.

15 Esillä olevan keksinnön ymmärtämiseksi alla kuvataan lyhyesti fysikaalinen ilmiö, joka sub straatin pinnassa voidaan havaita, kun nanopartikkelikerroksen yli järjestetään jännite.

On tunnettua, että vuorattujen nanopartikkeleiden ollessa kolmiulotteisesti pinnassa, pinta voi johtaa sähköä jos sen terminen energia kBT on suurempi ja/tai samaa luokkaa kuin ns. va- 20 rausenergia e1 / C, missä e on elektronin varaus ja C kahden partikkelin välinen kapasitanssi. Tämän mukaan kerroksen sähkönjohtavuuden pitäisi olla erittäin huono matalissa lämpötiloissa. Partikkelien välillä vaikuttaa lisäksi ns. Casimirin voima, joka efektiivisesti pienentää varausenergiaa ja saa aikaan sen, että tällainen pienistä vuoratuista hiukkasista koostuva par-tikkelijoukko voi johtaa virtaa tunneloitumalla jo kohtuullisen matalissa lämpötiloissa.

25

Seuraava päättelyketju esittää yhden tavan jännitteen avulla aikaansaatavan sintrautumista-pahtuman mallintamiseksi käytettäessä polymeerikuorella vuorattuja nanopartikkeleita sisältävää sintrauskerrosta: - Koska kerroksen sähkönjohtavuus on alussa huono, myös kerroksen lämmönjohta- 30 vuus on huono. (Täytyy kuitenkin huomata, että ilmiön käynnistämiseksi sekä säh kön- että lämmönjohtavuuden tulee olla oleellisesti nollasta poikkeavia.) - Jännitteen noustessa kerros pyrkii lämpenemään (huono lämmönjohtavuus).

7 - Koska sähkönjohtavuus perustuu termiseen eksitaatioon, kerroksen sähkönjohtavuus paranee lämpötilan noustessa. Lisäksi voimakas sähkökenttä lisää pinnan johtavuutta, koska jännite kumoaa osittain ns. Coulombisen saarron.

- Kerroksen kyky ottaa tehoa ulkoisesta jännitelähteestä kasvaa (P = U2 / R).

5 - Tämä nopeuttaa lämpötilan kasvua keskellä kerrosta (elektrodien välisessä suunnas sa).

- Kun keskiosa saavuttaa kriittisen lämpötilan, keskiosan partikkelien polymeerikuori sulaa ja partikkelit ajautuvat lähemmäksi toisiaan.

- Tunnelivirta vierekkäisten partikkeleiden välillä lisääntyy ja samalla lämmönjohta- 10 vuus paranee.

- Kun muutamat nanopartikkelit sulavat kiinni toisiinsa niiden efektiivinen kokonaispinta-ala kasvaa ja ne luovuttavat lämpönsä elektronikaasun kautta muille partikkeleille.

- Myös sulaneiden nanopartikkelien lähellä olevat partikkelit sulavat ja metallisointi 15 etenee keskeltä kohti jännite-elektrodeja. Mikäli tapahtuman annetaan jatkua, koko kerros elektrodien välillä sintraantuu.

Yllä olevasta esimerkinomaisesta tapahtumaketjusta havaitaan, että keksinnön avulla voidaan hyödyntää tiheiden nanopartikkelisysteemien sisäänrakennettua sähkönjohtavuuden ja lämpö-20 tilan kasvun välistä positiivista takaisinkytkentää sintraantumisen aikaansaamiseksi. Niinpä sintrausta ohjataankin edullisesti vakiojännitteellä vakio virran sijaan. Menetelmän suorittamiseksi tarvitaan äärimmäisen vähän tehoa, koska systeemi on termisesti isoloituja koska positiivisen takaisinkytkennän ansiosta lämpeneminen tapahtuu äärimmäisen nopeasti. Lisäksi nanopartikkeleiden ominaislämpö ja massa ovat pieniä, joten pieni lämpömäärä nostaa hel-25 posti niiden lämpötilaa.

Sähköinen sintraus on pohjimmiltaan monimutkainen ilmiö. Yllä on kuvattu ilmiön taustalla olevaa teoriaa vain sellaisessa laajuudessa, joka mahdollisesti auttaa lukijaa ymmärtämään ja toistamaan keksinnön mukaista menetelmää ja sen sovellutusmuotoja. Menetelmässä ei siis 30 tuoda lämpöä järjcstcl mään suoraan, kuten tunnetuissa sintrausmenetelmissä, vaan sintraus tehdään jännitteellä, joka johtaa positiiviseen termiseen takaisinkytkentään ja sitä kautta nopeaan sintrautumiseen. Yksi menetelmän mielenkiintoinen piirre onkin kasvava sintrautumis-nopeus sintrauksen aloittamisen jälkeen. Myös saavutettavat sintratut rakenteet ovat hyvälaatuisia, eli kestäviä ja johtavuudeltaan homogeenisia.

8

Jos jännitebiasoinnin sijaan järjeste tm ää ohjataan virtabiaksella tai suuren vastuksen yli, positiivinen takaisinkytkentä voidaan estää ja sintraantumista ei tapahdu (ainakaan niin helposti). Jos vastuksen arvo on sopiva tai jännite katkaistaan tietyllä hetkellä, tapahtuma voidaan säätää 5 sellaiseksi, että vain elekrodien keskiosa sintraantuu ja muut osat jäävät metalloitumatta. Tämä mahdollistaa selvästi elekrodien väliä pienempien johtimien prosessoinnin. Olemme havainneet, että voidaan saavuttaa viivanleveys, joka on korkeintaan 1/5, jopa alle 1/10 elektrodien välisestä etäisyydestä. Tähän vaikuttaa luonnollisesti myös nanopartikkelien koko. Esimerkiksi käytettäessä 10 nm:n partikkeleita ja 50 μπι:η elektrodirakoa, on mahdollista valmis-10 taa alle 5 μηι:η johtimia. Pienemmillä partikkeleilla huomattavasti tätäkin pienempien johti mien valmistus on mahdollista. Myös kapeampi elektrodirako mahdollistaa ohuempien johtimien valmistamisen.

Menetelmän yhteydessä voidaan käyttää sekä metallisia nanopartikkeleita että puolijoh-15 denanopartikkeleita. Molempien osalta kuvataan tarkemmin esimerkinomaisia sovellusalueita myöhemmin. Metalleista käyttökelpoisia ovat erityisesti hopea, kulta, kupari, platina, nikkeli, palladium, rauta, titaani, tina ja näiden seokset. Puolijohteista mainitaan erityisesti pii-, germanium-, titaani-, sinkki-, GaAs- ja indium-pohjaiset puolijohteet. Myös oksidipuolijohteita voidaan käyttää, erityisesti titaanidioksidia ja sinkkioksidia.

20

Nanopartikkelien vuorauskerros (pinnoituskerros, encapsulation layer) on edullisesti ohut, jotta toimintalämpötilassa saavutetaan riittävä (sintrautumisen käynnistävä) tunneloitumisvir-ta. Ohuella vuorauksella tarkoitamme ensisijaisesti sitä, että pinnoittekerroksenpaksuus on alle 30 %, tyypillisesti alle 1-20 % agglomeraattien läpimitasta. Pinnoitteen paksuus onkin 25 tyypillisimmin noin 1-5 nm. Vuorausmateriaaleina käytetään tyypillisesti orgaanisia yhdisteitä, kuten polymeerejä. Vuorausmateriaalin pehmenemislämpötila on edullisesti matala, yleensä pienempi tai samansuuruinen kuin nanopartikkelien sulamislämpötila, tyypillisesti noin 50 - 150 °C. Olennaista on, että sähkösintrauksen aiheuttama mikrotason lämpeneminen mahdollistaa vierekkäisten nanopartikkelien yhteensintraantumisen (koalesenssin).

30

Partikkelien pinnoituksella on selvä yhteys sähkösintraamisen onnistumiseen. Edullisen sovellutusmuodon mukaan sintrattavat nanopartikkelit on pinnoitettu (encapsulated) poly-meerikuorella (esim. PEO, PPO), joka estää partikkelien klusteroitumisen ennen substraatille asettamista. Tällä on merkitystä esimerkiksi ink-jet-tulostuksessa, jossa tulostimessa 9 toisiinsa takertuneet partikkelit tukkisivat suuttimet. Applikoinnin lisäksi vastaavasta pinnoituksesta on etua myös itse sintraustapahtumassa. Pinnoittamattomat partikkelit takertuisivat toisiinsa osittain jo ennen "pakotettua" sintraantumista, jolloin materiaaliin varastoitunut energia olisi huomattavasti pienempi kuin selvästi erillään olevien partikkelien koh-5 dalla. Tällainen materiaali on hauras ja erittäin huonosti sähköäjohtava, eikä sitä pystytä sintraamaan vastaavalla tavalla, sillä osa materiaaliin varastoituneesta energiasta (potentiaalista) on purkautunut.

Yhteenvedonomaisesti voidaan todeta, että menetelmä siis perustuu partikkelimateriaalin al-10 kulämpenemiseen sen jännitelähteestä ottaman tehon vaikutuksesta ja edelleen lämpenemisen aiheuttamaan kasvavaan tehonkulutukseen, ja siten ainakin sintraustapahtuman alkuvaiheessa kiihtyvään sintrautumiseen. Heikon, mutta kuitenkin oleellisesti nollasta poikkeavan sähkön-ja lämmönjohtavuuden omaavat vuorattuja nanoskaalan partikkeleita sisältävät riittävän tiheät partikkelimateriaalit soveltuvat hyvin lähtömateriaaliksi. Niinpä jännitteen kytkeytymisen 15 jälkeen kerroksessa havaitaan paikallinen lämpötilan nousu, joka edelleen saa aikaan sintrau- tumistapahtuman leviämisen partikkelimateriaalissa oleellisesti sähkökentän suunnassa.

Nanopartikkelit voidaan tuoda substraatille liuottimeen dispergoituina, esimerkiksi musteena (ns. nanomuste), jolloin savutetaan hyvin tasainen partikkeli)akauma. Tällaisen applikaatio-20 menetelmän etuna on, että se voidaan toteuttaa ink jet -tyyppisen tulostuksen avulla. Muita nanopartikkelien applikaatiomenetelmiä ovat esimerkiksi painaminen, telalevitys, ruiskutus, maalaaminen ja elektrostaattinen siirto. Applikointi ei muodosta välttämätöntä menetelmävai-hetta esillä olevalle menetelmälle, koska nanomusteet ja vastaavat säilyttävät sintrattavuuten-sa pitkään applikoinnin jälkeen. Niinpä applikointi ja sintraus eivät ole ajallisesti tai paikalli-25 sesti kytköksissä toisiinsa.

Yksi tunnettu menetelmä metallinanopartikkelien tuomiseksi substraatin pintaan on esitetty WO-julkaisussa 2005/025787. Partikkelit ovat nestedispersiossa, joka voidaan tulostaa esimerkiksi perinteisellä mustesuihkumenetelmällä. Suihkutuksen aikana dispersiosta haihtuu 3 0 liuotinta, jo Ilo in sen viskositeetti kasvaa.

Kuviossa 1 esitetään yksi mahdollinen keksinnön mukaisen menetelmän suoritusmuoto. Vaiheessa 10 otetaan substraatti, jonka pinnalle johdekuvio halutaan valmistaa. Substraatti voi olla esimerkiksi paperi, kartonki, polymeerikalvo, kolmidimensioinen muovikappale, piirile 10 vy, keraaminen alusta, lasi tai muu vastaava eristemateriaali. Pysyviä kuvioita valmistettaessa valitaan substraatti, joka kykenee sitomaan applikoidun ja sintratun nanopartikkelipäällysteen pintaansa. Substraatti voi olla myös väliaikainen, jolloin sintrattu kuvio ei tartu siihen ja se voidaan siirtää substraatilta jollekin toiselle substraatille.

5

Vaiheessa 11 applikoidaan nanopartikkelit substraatille esimerkiksi dispersion avulla, kuten yllä on kuvattu. Käytettäessä liuottimia tai pastoja, päällysteen annetaan edullisesti kuivua substraatin pinnalla siten, että sen nanopartikkelikonsentraatio kasvaa sintraukseen soveltuvalle tasolle. Tällä tarkoitetaan sitä, että nanopartikkelit kykenevät sulaessaan yhdistymään toi-10 siinsa ja siten muodostamaan yhtenäisesti johtavia ketjuja tai alueita.

Vaiheessa 12 päällysteen läpi synnytetään sähkökenttä jäijestämällä sen yli jännite. Jännite voidaan saada aikaan substraatin pinnalla, nanopartikkelien applikointialueella valmiiksi olevilla elektrodeilla tai vaihtoehtoisesti elektrodeilla, jotka tuodaan jälkeenpäin päällysteen lä-15 heisyyteen. Toki voidaan toimia myös siten, että toinen elektrodeista on valmiiksi pinnalla, oleellisesti kosketuksissa päällysteeseen ja toinen elektrodi tuodaan pinnalle jälkeenpäin (esimerkiksi kontaktien valmistus). Jännitteen suuruus riippuu elektrodien välimatkasta ja halutusta sintrautumisnopeudesta ja resoluutiosta. Tyypillinen sintrausjännite 100 μιη elektrodivä-lillä on 1 - 10 V, edullisesti noin 5 - 8 V. Elektrodiväli vaihtelee tyypillisesti alueella 10 μιη-20 5 mm, ollen edullisesti 10 μιη - 1 mm.

Vaiheessa 13 sintrautuminen lopetetaan. Tämä voi tapahtua eri tavoilla. Ensiksi, sintrautumi-nen loppuu automaattisesti, jos koko päällystekerros on sintrautunut. Mikäli käytetään johde-partikkeleja, sintrautunut kerros oikosulkee elektrodipiirin. Toiseksi, jännite voidaan katkaista 25 tietyn ajan kuluttua sen kytkemisestä. Katkaisu voi perustua myös takaisinkytkentään. Jännitteen katkaisun jälkeen sintrautuminen lakkaa ja kerroksen lämpötila palautuu normaaliksi. Kolmanneksi, jännitteensyöttöpiiri voi olla suunniteltu siten, että päällysteen sintrauduttua tarpeeksi suurelta alalta sintrautuminen lakkaa. Tämä voidaan saada aikaan yksinkertaisesti esimerkiksi vakio jännitelähteen kanssa sarjaan kytketyn vastuksen avulla. Tällöin sintrautu-30 neen osan tehonkulutus kasvaa tietylle tasolle päällysteen resistanssin pienentyessä eikä syöt-töteho enää riitä saamaan aikaan enempää sintrautumista.

11

Vaiheessa 14 sintrautumaton aines voidaan poistaa substraatilta mekaanisesti, kemiallisesti tai muilla tavoin.

Menetelmää voidaan edelleen jatkaa vaiheiden 15 ja 16 avulla. Niissä sintratun johdekuvion 5 päälle applikoidaan ohut eristekerros (vaihe 15) ja tämän jälkeen jatketaan tuotteen valmistamista applikoimalla toinen johde- tai puolijohdekerros (vaihe 16). Näin voidaan valmistaa monikerroksisia puolijohdekomponenttirakenteita, piirilevyjä tai jopa kokonaisia toiminnallisia elektroniikkamoduuleita. Niinpä kuvattu menetelmä soveltuu erityisen hyvin painettavan elektroniikan sovelluksiin.

10

Erityisen tehokkaaksi olemme havainneet sovellutusmuodon, jossa jännite kytketään nanopar-tikkelipitoisen kerroksen yli oleellisesti substraatin pinnan suunnassa substraatin pintaan järjestettyjen pinnan suunnassa lateraalisesti kerroksen vastakkaisille puolille asetettujen, kerrokseen kanssa kontaktissa olevien elektrodien avulla. Elektrodit voivat olla osa rakenteeseen 15 jääviä johteita tai substraatille jälleenirrotettavasti tuotuja johteita.

Sintraantumisen aikaansaamiseksi esillä olevassa menetelmässä ei tarvita ulkopuolista läm-mönlähdettä tai kompressiota, vaan kerrokseen syötetyn jännitteen aikaansaama lämpötilan nousu on havaittu riittäväksi aiemmin kuvatun, rakenteen sisäisen positiivisen takaisinkytken-20 nän vuoksi. Jotta substraatin lämpötila ei nousisi huomattavasti, käytetäänkin edullisesti sellaista substraattia, jonka lämpökapasiteetti sintrausalueella on oleellisesti suurempi kuin sint-rattavan alueen lämpökapasiteetti. Tällaisen substraatin tulee siten kestää ainoastaan ulkoinen lämpötila, joka voi olla esimerkiksi -50 - 100 °C, edullisesti noin 10 - 40 °C, tyypillisesti normaali huoneenlämpö.

25

Menetelmää voidaan toteuttaa myös askeleittain esimerkiksi siten, että seuraavassa menetel-mävaiheessa elektrodina käytetään edellisessä menetelmävaiheessa sintrattua johderakennetta. Esimerkiksi laajojen pintojen sintraaminen voidaan toteuttaa siten, että käytetään valmiita johtimia niiden välissä olevan pinnan sintraamiseen. Esimerkiksi valmistettaessa tiheitä joh-30 dekuvioita tai johdehiloja, voidaan kuviota tihentää aina applikoimalla uusi nanopartikkeliker-ros ja kytkemällä jännite edellisiin, sintrattuihin kerroksiin. Ensimmäisessä vaiheessa substraatilla on alkuelektrodit (2 kpl), seuraavassa vaiheessa näiden välille tuotetaan ensimmäinen sintrattu johde (1 kpl), seuraavassa vaiheessa kunkin alkuelektrodin ja ensimmäisen sint- 12 ratun johteen välille valmistetaan uusi sintrattu johde (2 kpl), seuraavassa vaiheessa edelleen neljä uutta sintrattua viivaa jne.

5 Seuraavaksi kuvataan joitain keksinnön käytännön sovellutuksia.

Sovellutusesimerkki 1. Metallisten pintojen ja kuvioitujen metallirakenteiden sintraa-10 minen matalissa lämpötiloissa

Kuten yllä on kuvattu, luontevin tapa hyödyntää kuvattua menetelmää on sintrata metallia matalassa lämpötilassa tuomalla pintaan joko galvaanisesti tai kapasitiivisesti voimakas sähkökenttä. Jos sintraantuminen keskeytetään, voimme tehdä erittäin ohuita metallikuvioita 15 esim. painettavan elektroniikan transistorirakenteisiin ja diodeihin. Pienempi viivanleveys lisää transistorin ja diodin nopeutta. Ohut rakenne esimerkiksi näytössä tekee siitä huonommin näkyvän.

Eräs tapa valmistaa ohuen hilan muodostama transistori on esitetty kuviossa 2. Vaiheessa (a) 20 substraatilla (ei näytetty) olevien elektrodien 22a ja 22b välille (ja osittain päälle) on tulostettu nanopartikkelipitoista mustetta 20. Elektrodien 22a ja 22b välille on kytketty jännite siten, että musteen muodostaman kerroksen keskiosa 24 on sintraantunut. Vaiheessa (b) kerroksen sint-raantumaton osa on poistettu, jolloin elektrodien ja sintratun johteen 24 välille jää välivyöhy-ke 26. Vaiheessa (e) elektrodien 22a ja 22b väliselle sintrausvyöhykkeelle on tulostettu hila-25 eristettä 28. Vaiheessa (d) hilaeristeen päälle on edelleen tulostettu puolijohtava orgaaninen tai epäorgaaninen kerros 29, joka tule kosketuksiin elektrodien 22a ja 22b kanssa, mutta hila-eristeen 28 ansiosta jää välimatkan päähän sintratusta johteesta 24.

Tyypillistä esillä olevan menetelmän käytölle komponenttivalmistuksessa on se, että ainakin 3 0 yhtä substraatille j ärjestettyä elektrodia hyödynnetään sekä komponentin valmistusprosessissa sintrauselektrodina että valmiin komponentin kontaktiterminaalina. Menetelmän etuna on erityisesti se, että kaikkein eniten komponentin nopeuteen vaikuttavat, ja siten usein pienintä viivaleveyttä edustavat, osat voidaan valmistaa ilman mekaanista työstöä. Erityisesti yllä kuvattu kolmivaiheinen (tulostus, osittainen sintraus, sintrautumattoman osan poisto) menetelmä 35 soveltuu osaprosessiksi painettavan elektroniikan valmistukseen.

13

Sovellutusesimerkki 2. Puolijohteiden sintraaminen matalissa lämpötiloissa

Puolijohteet eivät kokeellisten tulosten perusteella sintraannu niin matalassa lämpötilassa kuin 5 metallit. Tätä ei ole yleisesti selitetty, mutta oletamme sen johtuvan pinnan huonosta johtavuudesta ja sitä kautta heikosta Casimir-ilmiöstä. Niinpä perinteisillä menetelmillä sintrattaes-sa puolijohteita matalassa lämpötilassa, joudutaan käyttämään hyvin alhaista hiukkaskokoa. Tämä johtaa erittäin suureen määrään kidevirheitä ja sitä kautta huonoon varauksenkuljettaji-en liikkuvuuteen. Esillä olevan menetelmän avulla voidaan hiukkaskokoa kasvattaa. Niinpä 10 sähkösintrauksella voidaan saada aikaan parempi liikkuvuus. Lisäksi, jos partikkelit suunna taan esim. magneettikentällä ennen sintrausta tai sen aikana voimme vähentää kidevirheitä vielä edelleen ja parantaa näin syntyneen puolijohteen liikkuvuutta. Koska menetelmä edellyttää jännite-elektrodien käyttämistä, sähköinen sintraus soveltuu erityisesti valmiiksi esiproses-soituun puolijohdevalmistukseen tai tapauksiin, joissa puolijohteita käyttävä teollisuus tekee 15 sintrauksen.

Sovellutusesimerkki 3. Metallisten nanopartikkeleiden käyttö elektroniikkakomponenttien liittämisessä 20 Elektroniikkateollisuus on siirtymässä lyijyttömään juottamiseen. On tunnettua, että nanopar- tikkeleita voidaan käyttää liittämiseen sintraamalla nanomuste alustametallin ja komponentin kontaktiterminaaliin UV-valolla tai lämmittämällä.

Kuviossa 2 on esitetty yksi esillä olevaa keksintöä hyödyntävä tapa metallisen kontaktin val-25 mistamiseksi jopa huoneenlämpötilassa. Menetelmässä kuivuneeseen nanopartikkelipitoiseen kerrokseen, tässä tapauksessa nanomusteeseen 30, joka on sijoitettu johteen 32b ja komponentin 35 kontaktiterminaalin vähin, johdetaan sähkökenttä kontaktin 34 valmistamiseksi. Johde 32b toimii myös ensimmäisenä jännite-elektrodina. Sähkökenttä voidaan saada aikaan käyttämällä toista elektrodia 32a, jonka kanssa kosketuksiin nanomuste on myös jäljestetty.

30 Vaihtoehtoisesti, toisena elektrodina voidaan käyttää komponentin 35 kontaktiterminaalia, mikäli tähän on kontaktoinnin aikana johdettavissa haluttu potentiaali.

Kuvioissa 4a - 4c esitetään sivukuvantona yksi kontaktointitapa. Kuviossa 4a substraatin 48 päälle on jäljestetty johteet 44 ja 46. Johteiden päälle on tulostettu nanopartikkeleita kerrok- 14 seksi 42. Kerroksen 42 päälle on asetettu komponentti 40 siten, että sen kontaktiterminaalit on kohdistettu johteiden 44 ja 46 kanssa. Kuviossa 4b komponentin 40 kontaktiterminaalien ja johteiden 44 ja 46 välille (tai vaihtoehtoisesti johteiden 44 ja 46 ja toisen elektrodin/toisten elektrodien välille) on kytketty jännitteet, jolloin niiden välialue 43 sintrautuu ja muodostaa 5 kontaktin. Kuviossa 4c sintrautumaton kerros on poistettu.

Sovellutusesimerkki 4. Sähköisesti kirjoitettava muisti

Muisti on elektroniikan keskeinen komponentti. Painettavassa elektroniikassa hyödynnetään 10 varautuvia rakenteita muistin tekemiseen. Niiden heikkouksia ovat kuitenkin alhainen kirjo it- tamisnopeus ja muistin huono pysyvyys. Sähköinen sintraus mahdollistaa 0/1 tyyppisen muistin, joka käsittää vastuselementtejä, jotka ovat ilman sintrausta lähes avoimia (vastus esimerkiksi 10 kOhm - 100 kOhm) ja jännite-elementtejä niiden vastuselementtien sintraamiseksi, jotka halutaan saattaa oikosulkutilaan. Olemme havainneet, että esimerkiksi kuivunut nano-15 muste säilyttää sähköisen sintrattavuutensa pitkään, jolloin muisti voidaan kirjoittaa vasta valmistuksen jälkeen. Lisäksi menetelmä mahdollistaa piirin muistin nollaamisen käytön jälkeen sintraamalla kaikki vastuselementit.

Yleisemmin, sähkösintrauksen avulla kirjoitettava muistielementti käsittää useasta alkiosta 20 koostuvan matriisin, jonka kussakin alkiossa on kaksi jännite-elektrodia ja nanopartikkelipi-toinen vyöhyke, joka on sintraantuessaan sovitettu pienentämään jännite-elektrodien välistä resistanssia, edullisesti oikosulkemaan ne. Tällaisen muistielementin kunkin alkion jännite-elektrodeille on erikseen ohjattavissa jännite kuvatun sintrautumisen aikaansaamiseksi.

25 Sovellutusesimerkki 5. Käyttö varasantureiden tai etätunnistepiirien passivoinnissa LC-resonanssityyppisissä varasantureissa passivointi tehdään synnyttämällä voimakas sähkökenttä ohuen eristeen yli. Tämä johtaa esimerkiksi alumiinipartikkeleiden kulkeutumiseen muovieristeen läpi, jolloin muodostuu oikosulku. Ongelmaksi on kuitenkin muodostunut se, 30 että näin tehdyllä oikosululla on taipumus palautua. Tämä on johtanut siihen, että varassuoja-usta ei ole voitu ottaa käyttöön ns. source taging sovellutuksissa, koska tuotteet aiheuttaisivat liikaa vikahälytyksiä. Esillä olevan menetelmän käyttäminen eliminoi varasantureiden uudelleen aktivoitumisen, koska sintrattu metallirakenne on erittäin stabiili.

15 Tällaisissa varasantureissa olisi siten substraatille applikoitu vähintään yksi sintraantumaton tai vain osittain sintrattu nanopartikkelikerros, joka sintraantuessaan on sovitettu yhdistämään sähköisesti kaksi varasanturin sisältämää johdetta. Tarvittava sintrausjännite tai -sähkökenttä on johdettavissa kerrokseen galvaanisesti, kapasitiivisesti tai induktiivisesti varasanturin ul-5 kopuolelta. Kontrolloidun sintraantumisen aikaansaamiseksi nanopartikkelikerroksen läheisyyteen voi olla sijoitettu erilliset sintrauselektrodit. Vaihtoehtoisesti sintrausjännite voidaan järjestää laitteessa luonnostaan olevien johteiden välille.

EU on vaatimassa, että kaikki RFID-piirit, jotka ajautuvat kuluttajan käyttöön pitää voida 10 deaktivoida. UHF-alueen RFID-piirejä voidaan käyttää myös varkaussuojauksessa. Käyttä mällä sähköistä sintraantumista voimme sähkökentällä oikosulkea RFID-piirin antennin ostoksen jälkeen ja tehdä piiristä näin ei-luettavan. Jos antenni oikosuljetaan sopivasti, voidaan järjestää tilanne, missä UHF-RFID lukuetäisyys laskee useista metreistä (esimerkiksi 4 - 6 m) muutamaan senttiin (esimerkiksi 0-10 cm). Näin asiakasta ei deaktivoimisen jälkeen epäillä 15 varkaaksi, eikä hänen ostamistaan tuotteista ulkopuolinen voi saada tietoja, mutta hän voi saada tuotteeseen liittyviä palveluja, lukemalla tuotteessa olevaa etätunnistinta lähietäisyydeltä. Järjestely voidaan tehdä myös siten, että UHF-antenni tuhoutuu, mutta antenni muodostaa esim. 13,56 MHz:n antennin, johon kuluttaja voi kytkeytyä tietojen saamiseksi piiriltä sopivaa lukijaa, esimerkiksi matkapuhelinta, käyttämällä. Nykyään eräät RFID-piirit sisältävät omi-20 naisuuden, että ne se saadaan käyttökelvottomaan kuntoon ohjelmoimalla, mutta tämä valitettavasti estää sen, että kuluttaja voi hyödyntää tuotteissaan olevia RFID-piirejä.

Yleisemmin sanottuna, keksintöä voidaan hyödyntää antennien, piirilevyjen ja muiden elektroniikkalaitteiden (yleisemmin: elektroniikkamoduulien) toimintataajuuden, herkkyyden tai 25 muiden ominaisuuksien muuttamiseksi. Tällaiset laitteet sisältävät vähintään yhden nanopar-tikkelipitoisen vyöhykkeen, joka on sintraantuessaan sovitettu pienentämään laitteen kahden johdealueen välistä impedanssia (yleensä oikosulkemaan ne). Sintrausjännite voidaan johtaa vyöhykkeelle esimerkiksi kuten yllä on kuvattu.

3 0 Elektroniikkamoduulien ominaisuuksien muuttaminen sisältää niiden passivoinnin ja toimin nallisen muuttamisen lisäksi myös niiden aktivoinnin. Niinpä moduulin sisältämä sähköpiiri voi olla alkutilassaan täysin käyttökelvoton, mutta sähkösintrauksen avulla muutettavissa toiminnalliseksi piiriksi.

16

Sovellutusesimerkki 6. Rullasintraus

Menetelmä soveltuu hyvin massatuotantoon. Esimerkkinä tällaisesta sovellutuksesta mainitaan toteutusmuoto, jossa sintrausjännite kytketään partikkelimateriaalikerroksen yli viemällä 5 substraatti sähkökenttään raina- tai arkkimuodossa. Sähkökenttä voidaan muodostaa esimerkiksi kuvioidulla elektrodi välineellä, joka käsittää edullisesti pyörivän telan, eli rullan, ja sisältää välineet jännitteen paikalliseksi kytkemiseksi partikkehmateriaalikerrokseen. Niinpä elektrodivälineen pintaan on tyypillisesti kuvioitu elektrodivyöhykkeitä ja näiden vastaelekt-rodivyöhykkeitä. Sintrautuminen saadaan tällöin aikaan oleellisesti substraatin pinnan suun-10 täisellä, mainittujen elektrodien välisellä sähkökentällä.

Menetelmä mahdollistaa siten sintrattujen kuvioiden valmistamisen yksinkertaisella paino-tyyppisellä välineistöllä, esimerkiksi ’’mllalta-rullalle”- tai ”mllalta-tasolle”-tyyppisesti.

15 Kuviossa 5 esitetään tarkemmin yksi rullasintrauksen toteutusmuoto. Rainaa 54 kuljetetaan telavälineistön 51, 56 avulla. Ensimmäisessä vaiheessa applikoidaan partikkelimateriaalia 52 rainan pintaan. Tämän jälkeen raina johdetaan elektroditelalle 56, jonka elektrodeihin on kytketty sintrausjännite. Elektrodigeometrian määräämä johdekuvio toistuu siten rainalle 54, jolloin saadaan aikaan johdekuvioitu raina 58. Substraatin kuljetusnopeus valitaan sellaiseksi, 20 että partikkelimateriaalin viipymäaika sähkökentässä on riittävän pitkä täydellisen sintraan-tumisen aikaansaamiseksi.

Rullasintraus voidaan toteuttaa myös substraatin pintaa vastaa kohtisuoran kentän avulla, etenkin, jos substraatin resistanssi ei liikaa rajoita partikkelimateriaaliin muodostuvaa tunne-25 lointivirtaa. Tällöin käytetään yleensä tämän yhdelle pinnalle sovitettua elektrodivälinettä ja toisen pinnan puolelle sovitettua vastaelektrodivälinettä. Ainakin toinen mainituista elektrodi-välineistä käsittää johdekuvion vastaavan johdekuvion sintraamiseksi substraatille. Mikäli substraatti on itsessään johtava, voidaan substraattia käyttää vastaelektrodina.

30 Elektrodiväline- tai välineet voivat olla myös osa nippiä, jonka välistä substraatti on kuljetettavissa. Elektrodivälineiden ei kuitenkaan tarvitse kohdistaa substraattiin huomattavaa painetta tai lämpötilaa, kuten tunnetuissa sintraussovelluksissa, vaan sintraus tapahtuu edullisimmin yksinomaan elektrodien välisen jännitteen ja partikkelimateriaaliin syntyvän tunnelointivirran avulla. Menetelmä soveltuu siten myös pehmeille, huokoisille ja hauraille substraateille.

17

Kuten asiantuntija yllä olevan perusteella ymmärtää, vastaava tulos voidaan saada aikaan myös tasomaisen tai tasomaisten tai muunlaisten elektrodivälineiden avulla.

5 Sovellutusesimerkki 7. Läpivientien valmistaminen

Keksinnön mukainen menetelmä soveltuu myös läpivientien valmistamiseen piirilevy- ja komponenttiteollisuudessa. Erityisesti mainitaan pinta-asennuspiirilevyjen ja upotettuja komponentteja käsittävien yksi- ja monikerroksisten piirilevyjen läpiviennit. Tyypillisesti partik-10 kelimateriaali järjestetään läpivientireikään (tai syvennykseen) juoksevassa muodossa (flui- dimaisena), minkä jälkeen materiaalin yli kytketään sintrausjännite, yleensä läpiviennin suunnassa.

15 Yllä kuvatut sovellusesimerkit havainnollistavat keksinnön laajaa teollista käyttökelpoisuutta. Alan asiantuntija ymmärtää, että kuvattua menetelmää voidaan käyttää myös monissa muissa sovelluksissa näiden esimerkkien ulkopuolella. Oheisia patenttivaatimuksia onkin tulkittava niiden täydessä laajuudessa ja ekvivalenssitulkinta huomioonottaen.

Claims (34)

1. Sintrausmenetelmä, jossa johtavia tai puolijohtavia vuorattuja nanopartikkeleita sisältävää partikkelimateriaalia (20) sintrataan tämän sähkönjohtavuuden kasvattamiseksi, tunnettu 5 siitä, että sintraus suoritetaan kytkemällä partikkelimateriaalin yli jännite.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siinä hyödynnetään partikkelimateriaalin (20) ja jännitteensyötön välille muodostuvaa sintrautumista edesauttavaa positiivista termistä takaisinkytkentää. 10

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sintraus suoritetaan oleellisesti partikkelimateriaalin (20) vastakkaisille puolille asetettujen jännite-elektrodien (22a, 22b) avulla.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jännite syn nytetään jännitelähteen avulla, jonka impedanssi on pienempi kuin tunneloitumalla johtavan partikkelimateriaalin (20, 42) resistanssi hetkellä, jolloin jännite kytketään.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jännite kyt-20 ketään vakiojännitelähteen avulla.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vain partikkelimateriaalin (20) keskiosa (24) sintrataan.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jännite katkaistaan sint- raantumisen edettyä materiaalissa (20) ennalta määrätylle tasolle.

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jännite syötetään vastuksen yli, jolloin vastuksen suuruus on sovitettu siten, että kun nanopartikkelipitoisen kerrok-30 seen (20) syötetty teho on kasvanut sintrautumisen ansiosta tietylle tasolle, sintrautuminen pysähtyy.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sintraus suoritetaan ulkoisessa lämpötilassa -50 - 100 °C, tyypillisesti lämpötilassa 0-50 °C, edullisesti huoneenlämmössä.

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sintraus suoritetaan normaalipaineessa.

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään metallisia nanopartikkeleita tai puolijohdenanopartikkeleita. 10

12. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään orgaanisella materiaalilla vuorattuja nanopartikkeleita.

13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään 15 nanopartikkeleita, joiden läpimitta on keskimäärin 1-100 nm, mielellään alle 50 nm, edulli sesti alle 20 nm.

14. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sintraan-tumisen aikaansaamiseksi siinä hyödynnetään ainoastaan mainitun jännitteen aikaansaamaa 20 nanopartikkelipitoisen kerroksen lämpötilan nousua.

15. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valmistetaan substraatille johtavia tai puolijohtavia rakenteita, jolloin käytetään substraattia, jonka pinta on ainakin osin varustettu kerroksella mainittua partikkelimateriaalia (20). 25

16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jännite kytketään par-tikkelimateriaalikerroksen (20) yli oleellisesti substraatin pinnan suunnassa, edullisesti substraatin pintaan järjestetyn kerroksen suunnassa lateraalisesti kerroksen vastakkaisille puolille asetettujen elektrodien (22a, 22b) avulla. 30

17. Patenttivaatimuksen 15 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jännite kytketään par-tikkelimateriaalikerroksen (20) yli ainakin osittain substraatin pinnan normaalin suunnassa.

18. Jonkin patenttivaatimuksen 15-16 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sintraus lopetetaan ennen kuin koko partikkelimateriaalikerros (20) on sintraantunut ja partikkelimate-riaalikerroksen sintraantumaton osa poistetaan substraatin pinnalta.

19. Jonkin patenttivaatimuksen 15-18 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään partikkelimateriaalikerrosta (20), jonka lämpökapasiteetti on oleellisesti pienempi kuin substraatin lämpökapasiteetti partikkelimateriaalikerrosta vastaavalla alalla.

20. Jonkin patenttivaatimuksen 15-19 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään 10 partikkelimateriaalikerrosta (20), joka käsittää nestemäisestä tai pastamaisesta dispersiosta, kuten metallinanopartikkelipitoisesta musteesta, kuivatetun kerroksen.

21. Jonkin patenttivaatimuksen 15-20 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään substraattia, joka koostuu materiaalista, jonka kemialliset tai fysikaaliset ominaisuudet muut- 15 tuvat pysyvästi yli 100 °C lämpötilassa, edullisesti paperista, kartongista tai muovista.

22. Jonkin patenttivaatimuksen 15-21 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se käsittää vaiheen, jossa substraatin pinnalle applikoidaan nanopartikkelipitoista päällystettä mainitun partikkelimateriaalikerroksen (20) muodostamiseksi.

23. Jonkin patenttivaatimuksen 15-21 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sintrausjän-nite kytketään partikkelimateriaalikerroksen (20) yli viemällä substraatti oleellisesti kontaktiin sellaisen elektrodivälineen kanssa, joka käsittää välineet jännitteen paikalliseksi kytkemiseksi partikkelimateriaalikerrokseen (20). 25

24. Patenttivaatimuksen 23 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että elektrodiväline käsittää pyörivän telan (56).

25. Jonkin patenttivaatimuksen 1-24 mukaisen menetelmän käyttö painettujen elektroniik-30 kapiirien, puolijohdekomponenttien tai läpivientien valmistuksessa tai sähköisten komponenttien kontaktoinnissa.

26. Jonkin patenttivaatimuksen 1-24 mukaisen menetelmän käyttö vähintään yhden nano-partikkelipitoisen vyöhykkeen, joka on sintraantuessaan sovitettu pienentämään moduulin kahden johdealueen välistä resistanssia, käsittävien elektroniikkamoduulien sähköisten ominaisuuksien, kuten taajuusvasteen tai herkkyyden, muuttamiseksi.

27. Elektroniikkatuote, joka käsittää substraatin ja substraatin pintaan järjestetyn nanopartik- 5 keleistä sintraamalla muodostetun johde- tai puolijohdekuvion (24), tunnettu siitä, että johde-tai puolijohdekuvio (24) on sintrattu jännitteen avulla, joka on johdettu vuorattuja johde- tai puolijohdenanopartikkeleita sisältävän kerroksen (20) yli.

28. Patenttivaatimuksen 27 mukainen elektroniikkatuote, tunnettu siitä, että se käsittää lisäksi 10 jännite-elektrodit (22a, 22b), jotka sijaitsevat mainitun kuvion vastakkaisilla puolilla kuvion sintraamiseksi.

29. Patenttivaatimuksen 27 tai 28 mukainen elektroniikkatuote, tunnettu siitä, että se käsittää sintraamalla muodostetun johde- tai puolijohdekuvion (24) välittömässä ympäristössä sintrau- 15 tumattoman, substraatilta poistettavissa olevan partikkelimateriaalikerroksen.

30. Jonkin patenttivaatimuksen 27 - 29 mukainen elektroniikkatuote, tunnettu siitä, että se on piirilevy, puolijohdekomponentti, näyttömatriisi, etätunniste, varasanturi tai muistipiiri.

31. Jonkin patenttivaatimuksen 27 - 30 mukainen elektroniikkatuote, tunnettu siitä, että se on painettu elektroniikkatuote.

32. Elektroniikkamoduuli, joka käsittää vähintään yhden sähköpiirin, jolla on alkutilassa tietyt sähköiset ominaisuudet ja tietty toiminnallisuus, tunnettu siitä, että se käsittää vähintään yh-25 den nanopartikkelipitoisen vyöhykkeen (20), johon on johdettavissa jännite vyöhykkeen vä hintään osittaiseksi sintraamiseksi, ja joka vyöhyke on sintraantuessaan sovitettu yhdistämään sähköisesti vähintään kaksi sähköpiirin sisältämää johdealuetta sähköpiirin sähköisten ominaisuuksien tai toiminnallisuuden muuttamiseksi.

33. Patenttivaatimuksen 32 mukainen elektroniikkamoduuli, tunnettu siitä, että mainittuijen johdealueiden välille on johdettavissa elektroniikkamoduulin ulkopuolelta jännite, joka aikaansaa mainitun sintraantumisen.

34. Patenttivaatimuksen 32 tai 33 mukainen elektroniikkamoduuli, tunnettu siitä, että se on varasanturi, etätunniste tai muistipiiri.