FI20060697A - Procedure for manufacturing conductors and semiconductors - Google Patents
Procedure for manufacturing conductors and semiconductors Download PDFInfo
- Publication number
- FI20060697A FI20060697A FI20060697A FI20060697A FI20060697A FI 20060697 A FI20060697 A FI 20060697A FI 20060697 A FI20060697 A FI 20060697A FI 20060697 A FI20060697 A FI 20060697A FI 20060697 A FI20060697 A FI 20060697A
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- sintering
- voltage
- layer
- substrate
- sintered
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
- H05K3/10—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/52—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames
- H01L23/522—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames including external interconnections consisting of a multilayer structure of conductive and insulating layers inseparably formed on the semiconductor body
- H01L23/525—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames including external interconnections consisting of a multilayer structure of conductive and insulating layers inseparably formed on the semiconductor body with adaptable interconnections
- H01L23/5252—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames including external interconnections consisting of a multilayer structure of conductive and insulating layers inseparably formed on the semiconductor body with adaptable interconnections comprising anti-fuses, i.e. connections having their state changed from non-conductive to conductive
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
- H05K3/40—Forming printed elements for providing electric connections to or between printed circuits
- H05K3/4038—Through-connections; Vertical interconnect access [VIA] connections
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
- H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
- H01L2224/161—Disposition
- H01L2224/16151—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/16221—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/16225—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
- H01L2224/732—Location after the connecting process
- H01L2224/73201—Location after the connecting process on the same surface
- H01L2224/73203—Bump and layer connectors
- H01L2224/73204—Bump and layer connectors the bump connector being embedded into the layer connector
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Parts Printed On Printed Circuit Boards (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Description
Menetelmä johteiden ja puolijohteiden valmistamiseksiMethod for the manufacture of conductors and semiconductors
Keksintö koskee sintrausta ja sintraamaila valmistettuja tuotteita. Erityisesti keksintö koskee johtavien rakenteiden muodostamista substraatille sintraamaila metallisia tai puolijohteista muodostettuja nanopartikkeleita.The invention relates to sintering and sintered rod products. In particular, the invention relates to forming conductive structures on a substrate by sintering metallic or semiconductor nanoparticles.
Metallinanopartikkeleja sintrataan tunnetusti esimerkiksi painettavan elektroniikan sovelluksissa johderakenteiden aikaansaamiseksi. On tunnettua, että metalliset nanopaitikkelit sulavat mikrotason partikkeleja matalammissa lämpötiloissa ns. "surface-phonon softening” -ilmiön ansiosta. Tämä johtuu siitä, että partikkelin pinnassa olevien "löyhien" atomien määrä kasvaa merkittävästi partikkelin kokonaisköon 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 nanopaitikkelit vuorataan ohuella kerroksella orgaanista yhdisteettä ja tuodaan liuottomien avulla substraatin pintaan, havaitaan, että sintraantumislämpötila voi olla huomattavasti alhaisempi kuin yksittäisten partikkeleiden sulamislämpötila ennustaa.Metal nanoparticles are known to be sintered, for example, in applications in printable electronics to provide conductive structures. It is known that metallic nanobonds melt microparticles at lower temperatures in the so-called. This is due to the fact that the number of "loose" atoms on the particle surface increases significantly as the total particle size decreases. This phenomenon is reasonably well known both theoretically and experimentally, although some aspects of the phenomenon have not yet been fully explained. it is exhaustively explained, for example, that when nanoparticles are lined with a thin layer of organic compound and applied to the substrate by means of solvents, it is found that the sintering temperature may be significantly lower than the melting temperature of the individual particles.
Vaikka nanopartikkelien sintraantumislämpötila onkin oleellisesti matalampi kuin mikro-partikkelien, tunnetuissa ratkaisuissa niidenkin sintraamiseksi tarvitaan ulkopuolista lämmitystä.Although the sintering temperature of nanoparticles is substantially lower than that of microparticles, prior art solutions require external heating to sinter them.
Smtrautuminen 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 matalissa 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 sintrausmenetelraiäja sintrattavia ainekoostumuksia, jotka soveltuvat käytettäväksi matalissa lämpötiloissa. Joitain tällaisia tunnettuja menetelmiä on kuvattu mm. WO-julkaisuissa 2005/061598 ja 2004/075211.Smelting is accomplished by raising the temperature in the oven or by exposing the particles to UV light or a hot plate or roll. The temperatures required are generally at least 100 ° C. Only very small semiconductor particles can be sintered at low temperatures, but even then the performance of the sintered structures remains poor. Heating limits the choice of substrates used in the methods. Many of the plastic or paper substrates that are inexpensive in cost are deformed or decomposed at the temperatures required for sintering. Indeed, there is a strong tendency in the art to produce sintering process and sinterable material compositions suitable for use at low temperatures. Some such known methods are described e.g. WO publications 2005/061598 and 2004/075211.
Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan täysin uudenlainen menetelmä nanopartikkelien sintraamiseksi, joka soveltuu käytettäväksi erittäin matalissa lämpötiloissa, jopa huoneenlämmössä, ja normaalipaineessa.The object of the invention is to provide a completely novel method of sintering nanoparticles, which is suitable for use at very low temperatures, even at room temperature, and at normal pressure.
Keksinnön tarkoituksena on myös saada aikaan uusi elektroniikkatuote, elektroniikkamo-duuli ja käyttö.It is also an object of the invention to provide a new electronic product, an electronics duo and a use.
Keksintö perustuu siihen havaintoon, että vuorattujen nanopartikkelien yli jäljestetty jännite (sälikökenttä) käynnistää nanopartikkelien sintraantumisen jo matalissa lämpötiloissa. Niinpä keksinnön mukaisessa menetelmässä johtavia tai puoiijohtavia vuorattuja nanopartikkeleita sisältävää partikkelimateriaalia sintrataan tämän sähkönjohtavuuden kasvattamiseksi kytkemällä parlikkeliinateriaalin yli jännite.The invention is based on the observation that the voltage (gap field) imaged over the lined nanoparticles initiates sintering of the nanoparticles even at low temperatures. Thus, in the process of the invention, the particulate material containing conductive or semiconducting lined nanoparticles is sintered to increase this electrical conductivity by applying a voltage across the parlikelin material.
Menetelmä toteutetaan tyypillisesti siten, että käyttää substraattia, jonka pinta on ainakin osin varustettu nanopaitikkelipitoiseila kerroksella, joka sisältää johtavia tai puoiijohtavia vuorattuja nanopartikkeleita. Kerroksen sisältämiä nanopartikkeleita sintrataan kytkemällä kerroksen yli jännite. Jännite synnyttää kerroksen läpi tunnelointivinran, joka saa aikaan partikkelien sintraantumisen uudella tavalla, jota kuvataan tarkemmin myöhemmin. Niinpä yksittäisistä, esimerkiksi metallisista nanopartikkeleista voidaan muodostaa yhtenäisesti johtava metallinen johdekuvio tai -kerros jännite-elektrodien väliin.The process is typically carried out using a substrate having a surface at least partially provided with a nano-carrier-containing layer containing conductive or semi-conductive lined nanoparticles. The nanoparticles in the layer are sintered by applying a voltage across the layer. The voltage generates a tunneling oscillation through the layer which causes the particles to sinter in a new way, which will be described in more detail later. Thus, single, for example, metallic nanoparticles can be uniformly formed into a conductive metallic conductor pattern or layer between the voltage electrodes.
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 kerrokseen. Sintraantuneelle kuviolle on ominaista se, että se on laadultaan hyvä ja erittäin homogeeninen, koska sintrautuminen etenee jäijcstclmällisesti jännite-elektrodien keskikohdasta elektrodeihin päin, eikä satunnaisesti sieltä täältä.The product of the invention comprises a substrate and a conductor or semiconductor pattern formed by sintering nanoparticles on the substrate surface. The pattern is sintered by a voltage applied to a layer containing lined conductor or semiconductor nanoparticles. The sintered pattern is characterized in that it is of good quality and very homogeneous, since sintering proceeds rigidly from the center of the voltage electrodes to the electrodes, not randomly from here.
Keksinnön mukainen elektroniikkamoduuli käsittää vähintään yhden sähköpiirin, jolla on 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 säliköpiirin sähköisten ominaisuuksien tai toiminnallisuuden muuttamiseksi.The electronic module according to the invention comprises at least one electrical circuit having certain electrical properties and a certain functionality in the initial state. The module further comprises at least one nanoparticulate zone to which a voltage can be applied to at least partially sinter the zone. Upon sintering, the zone is adapted to electrically connect at least two conductive regions contained in the electrical circuit to alter the electrical properties or functionality of the chip circuit.
Keksintö syntyi, kun nanopartikkeleiden sintraantumisen ymmärtämiseksi ja mahdollisten ennustettujen sähköisten epälineaarisuuksien mittaamiseksi tehtiin koejärjestely, jossa ohuen kahden metallista muodostetun elektrodin väliin muodostettuun rakoon aseteltiin huoneenlämpötilassa sitraantumatonta kuivunutta hopeananopartikkelimassaa. Havaittiin odotetusti, että sintraantumaton rakenne oli hieman johtavaa. Noin 100 pm 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 johtava jännite piti myös kaksinkertaistaa. Tarkempi tutkimus osoitti, että hopea oli lähes täysin sintraantunut prosessissa.The invention arose when an experimental arrangement was made in order to understand the sintering of nanoparticles and to measure any predicted electrical nonlinearities, in which a slit formed of thin metal nanoparticles was placed in a gap formed between a thin two-metal electrode at room temperature. As expected, the non-sintered structure was found to be slightly conductive. With an aperture of about 100 µm and a voltage of about 5 volts (current <1 mA), the conductivity increased dramatically, resulting in a structure having a conductivity similar to that produced by sintering at temperatures above 100 ° C. After the voltage was removed, the structure remained in the lead in all tests performed. The doubling of the electrode gap caused the sintering voltage to be doubled as well. Further investigation showed that silver was almost completely sintered in the process.
Niinpä keksintö soveltuukin erityisesti sellaisille partikkeleille, joilla tämä ilmiö on havaittavissa riittävän voimakkaana. Tällaisia partikkeleja ovat erityisesti metalliset johdepaitikkelit ja puoiijohdepartikkelit, joiden pienimmän dimension keskimääräinen suuruus on alle 100 nm, ja joiden vuoraus on ohut. Niinpä esillä olevan keksinnön yhteydessä käytettäväksi sopivat monet sellaiset nanopartikkclit, joita yleisesti käytetään myös perinteisissä sintraussovellu-tuksissa. Näiden koko on 1 - 100 nm, tyypillisesti 1-50 nm.Thus, the invention is particularly applicable to such particles where the phenomenon is detectable with sufficient intensity. Such particles include in particular metal conductor pads and semiconductor particles having an average size of less than 100 nm and a thin lining. Thus, many nanoparticles which are also commonly used in conventional sintering applications are suitable for use in the present invention. These have a size of 1 to 100 nm, typically 1 to 50 nm.
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 appi ikaatiotekniikoita ovat tulostus ja painaminen. Keksintö ei kuitenkaan ole rajoitettu johonkin tiettyyn applikointimene-telmään tai partikkelijauhe- tai pastakoostumukseen, vaikka joidenkin menetelmien yhteydessä voidaan saavuttaa erityistä etua. Partikkelimateriaalilla tarkoitamme yleisesti nanopartikke-lipitoisia materiaaleja, joissa partikkelitihcys on riittävä niiden yhteensintrautumisen (koale-senssin) aikaansaamiseksi.The nanoparticles are typically introduced on the substrate surface in the form of lined (agglomerates). They may be delivered to the substrate in the form of a dispersion or suspension with a liquid or paste carrier, but they may also be applied in powder form. Solvents, inks and polymer dispersions are typically used as carriers. The most common application techniques are printing and printing. However, the invention is not limited to any particular application method or particulate powder or pasta composition, although some methods may provide a particular advantage. By particulate material, we generally refer to nanoparticulate lipid materials in which the particle density is sufficient to effect coalescence (coalescence).
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 metal! ipartikkelit voidaan sintrata osittain. Tämä mahdollistaa erittäin ohuiden viivanleveyk-sien valmistamisen. Sarjavastus aiheuttaa sen, että jännitelähde muuttuu sintrautumisen edetessä virtalähteeksi, jolloin prosessista saadaan tehokkaasti itseään säätävä. Oleellista tässä on, että halutussa sintrautumisen vaiheessa partikkeiimateriaalin vastaanottama teho laskee alle sintrautumisen etenemisen edellyttämän tehon.In particular, we have found an embodiment of applying a voltage across an nanoparticle-dried film to an impedance that is less than that of a conductive film by tunneling. The film is then sintered from the center towards the electrodes. If a resistor is still in series with the voltage source or the voltage control is terminated soon after sintering begins (for example, based on a timer or impedance measurement), the metal of the membrane! iparticles may be partially sintered. This allows the production of extremely thin line widths. The series resistor causes the voltage source to change to a power source as sintering progresses, effectively making the process self-regulating. It is essential here that, at the desired sintering step, the power received by the particle material drops below the power required to proceed with sintering.
Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on sanottu patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.More specifically, the method according to the invention is characterized by what is said in the characterizing part of claim 1.
Keksinnön mukaisille käytöille on tunnusomaista se, mitä on sanottu patenttivaatimuksissa 25 ja 26.The uses according to the invention are characterized by what is stated in claims 25 and 26.
Keksinnön mukaiselle elektroniikkatuotteelle on tunnusomaista se, mitä on sanottu patenttivaatimuksen 27 tunnusmerkkiosassa.The electronic product according to the invention is characterized by what is said in the characterizing part of claim 27.
Keksinnön mukaiselle elektroniikkamoduulille on tunnusomaista se, mitä on sanottu patenttivaatimuksen 32 tunnusmerkkiosassa.The electronics module according to the invention is characterized by what is said in the characterizing part of claim 32.
Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Sen avulla metallipartikkelien täydellinen 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 johtavia kuvioita riippumatta substraatin lämmönsietokyvystä. Puolijohdenanopartikkelien sint-rautumislämpötila on yleensä metallinanopartikkeleja korkeampi, mutta myös näiden tapauksessa sintrautumislämpötila voidaan huomattavasti alentaa.The invention provides considerable advantages. It allows complete sintering of metal particles already at room temperature without an external source of heat. After the voltage is applied, the temperature at the center of the electrodes rises to a sintering temperature, usually within a few seconds, and the sintering itself begins within a few hundred milliseconds. That is, sintering is remarkably fast compared to conventional methods and does not produce heat on the substrate. Thus, conductive patterns can be obtained on the substrate regardless of the heat resistance of the substrate. The Sint decomposition temperature of semiconductor nanoparticles is generally higher than the metal nanoparticles, but also in these cases the sintering temperature can be significantly reduced.
Niinpä tässä kuvattuun sähkökentän aikaansaamaan sintraantumiseen (myöhemmin myös: sähköinen sintraustai sähkösintraus) soveltuvien metalli-ja puoiijohdepartikkelien tapauksessa voimme alentaa menetelmällä sintrautumislämpötilaa vähintään kymmenillä, tyypillisesti useilla sadoilla asteilla. Esimerkiksi 7 nm kokoisille hopeapartikkeleiile sintraantuminen tapahtuu jo huoneen lämpötilassa.Thus, in the case of metal and semiconductor particles suitable for sintering (hereinafter also referred to as: electric sintering or electric sintering) by the electric field described herein, the process can reduce the sintering temperature by at least tens, typically several hundred degrees. For example, 7 nm silver particles have already been sintered at room temperature.
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.Since sintering does not require mechanical contact with the pulp to be sintered, the roughness or inhomogeneity of the substrate also does not pose a problem, as is generally the case with pressurized processes. As a result, the method is also better suited to sintering three-dimensional conductor patterns than known methods.
Koska menetelmä perustuu sähkökenttään, se mahdollistaa sintraantumisen lisäksi kuvioiden rakentamisen. Menetelmä soveltuu erityisesti ohuiden viivanleveyksien valmistamiseen esimerkiksi piirilevyelektroniikkaan, painettavaan elektroniikkaan ja koinponenttivalmistukseen liittyvissä sovelluksissa. Myös komponenttien kontaktointi ja metalliset läpiviennit voidaan saada aikaan menetelmää käyttäen.Because the method is based on an electric field, it allows not only sintering but also the construction of patterns. The method is particularly suitable for the production of thin line widths in applications related to, for example, circuit board electronics, printed electronics, and co-component fabrication. Component contacting and metal penetrations can also be achieved using the method.
Olemme havainneet, että nanopartikkelikerroksen lämpötila kohoaa partikkelien fuusioituessa. Koska nanopartikkelikerroksen lämpötilan kohoaminen on täysin sähkökentän aikaansaamaa, dielektriset substraatit eivät koe vastaavaa lämpenemistä. Lisäksi, koska kerroksen 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 edullisesti noin 0 - 50 °C lämpötilassa. Parhaana pidetyn suoritusmuodon mukaan säh-kösintraus suoritetaan huoneen lämpötilassa, mikä tekee lähes kaikista substraateista, joiden pinta vain on riittävän sileä yhtenäisen nanopartikkelikerroksen vastaanottamiseksi, sopivia alustoja.We have found that the temperature of the nanoparticle layer increases as the particles fuse. Since the increase in temperature of the nanoparticle layer is entirely caused by the electric field, dielectric substrates do not experience corresponding heating. Furthermore, since the layer mass is very small, only a negligible amount of heat is transferred to the substrate. Thus, the process is applicable to substrates which significantly alter their physical or chemical properties (shrinkage, decomposition, bending, color change, etc.) at elevated temperature and / or pressure. Such substrates include many typical plastics and papers. Preferably, the sintering according to the invention is carried out at a temperature below 100 ° C, particularly preferably at a temperature from about 0 ° C to 50 ° C. According to a preferred embodiment, the electrospinning is carried out at room temperature, which makes almost any substrate whose surface is only sufficiently smooth to receive a uniform layer of nanoparticles, suitable substrates.
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, ylijännilesuojan valmistaminen, varasantureiden passivoiminen esimerkiksi kaupan tiskillä, RFID antennin muuttaminen kaukoluettavasta lähiluettavaksi, metallin korkean resoluution kuvioiminen painetun elektroniikan sovellutuksissa, esimerkiksi paljaalla silmällä näkymättömän tai lähes näkymättömän johtimen tekeminen esim. painetulle näytölle.The method can be used in entirely novel applications or it can be used in known applications where either voltage and / or nanoparticle layer is naturally available. Examples of applications include manufacture of programmable memory, manufacturing of surge protector, passivation of spare sensors, for example, at a retail counter, conversion of an RFID antenna from remote reading to close reading, high-resolution metal patterning in printed electronics applications, e.g.
Pienten kuvioiden prosessointi on menetelmän avulla yksinkertaista, sillä koska sintraantu-mista ohjataan sähkökentällä, ei kuvioiden resoluutiotasoa tarvitse saavuttaa mekaanisesti.The processing of small patterns is simple by the method because since the sintering is controlled by an electric field, the resolution level of the patterns need not be achieved mechanically.
Seuraavassa keksinnön eri sovellutusmuotoja kuvataan yksityiskohtaisemmin oheisiin piirustuksiin viitaten.The various embodiments of the invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
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, 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.Fig. 1 is a flow chart of one embodiment of the present method, Fig. 2 is a side view of one possible process for fabricating a transistor using electric sintering, Fig. 3 is a perspective view of an apparatus according to one embodiment for sintering a pattern on the surface of a web-like substrate.
Esillä olevan keksinnön ymmärtämiseksi alla kuvataan lyhyesti fysikaalinen ilmiö, joka substraatin pinnassa voidaan havaita, kun nanopartikkelikerroksen yli järjestetään jännite.In order to understand the present invention, the physical phenomenon that can be observed on the surface of the substrate when applying a voltage over the nanoparticle layer is briefly described below.
On tunnettua, että vuorattujen nanopartikkeleiden ollessa kolmiulotteisesti pinnassa, pinta voi johtaa sähköä jos sen terminen energia on suurempi ja/tai samaa luokkaa kuin ns. va- rausenergia e11C, missä e on elektronin varaus ja C kahden partikkelin välinen kapasitanssi. Tämän mukaan kenoksen 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.It is known that when the lined nanoparticles are three-dimensional on the surface, the surface can conduct electricity if its thermal energy is higher and / or of the same order as the so-called. the charge energy e11C, where e is the electron charge and C is the capacitance between the two particles. According to this, the conductivity of the kena should be very low at low temperatures. In addition, there is a so-called interactions between the particles. Casimir's power, which effectively reduces the charge energy and causes such a set of particles of small lined particles to conduct current by tunneling at already reasonably low temperatures.
Seuraava päättelyketju esittää yhden tavan jännitteen avulla aikaansaatavan sintrautumista-pahtuman mallintamiseksi käytettäessä polymeerikuorella vuorattuja nanopartikkeleita sisältävää sintrauskerrosta:The following deduction circuit illustrates one way to model voltage-induced sintering using a sintered layer containing nanoparticles lined with a polymer shell:
Koska kerroksen sähkönjohtavuus on alussa huono, myös kerroksen lämmönjohta-vuus on huono. (Täytyy kuitenkin huomata, että ilmiön käynnistämiseksi sekä sähkön- että lämmönjohtavuuden tulee olla oleellisesti nollasta poikkeavia.) - Jännitteen noustessa kerros pyrkii lämpenemään (huono lämmönjohtavuus).Since the electrical conductivity of the layer is poor at first, the thermal conductivity of the layer is also poor. (However, it must be noted that in order to trigger the phenomenon, both electrical and thermal conductivity must be substantially non-zero.) - As the voltage rises, the layer tends to warm up (poor thermal conductivity).
Koska sähkönjohtavuus perustuu termiseen eksitaatioon, kerroksen sähkönjohtavuus paranee lämpötilan noustessa. Lisäksi voimakas sähkökenttä lisää pinnan johtavuutta, koska jännite kumoaa osittain ns. Coulombisen saarron.Since the electrical conductivity is based on thermal excitation, the electrical conductivity of the layer improves as the temperature increases. In addition, a strong electric field increases the conductivity of the surface because the voltage partially overrides the so-called. Coulombise's blockade.
Kerroksen kyky ottaa tehoa ulkoisesta jännitelähteestä kasvaa (P = UZ IR), Tämä nopeuttaa lämpötilan kasvua keskel lä kerrosta (elektrodien välisessä suunnassa).The ability of the layer to draw power from the external voltage source increases (P = UZ IR), This accelerates the temperature rise in the middle of the layer (in the inter-electrode direction).
Kun keskiosa saavuttaa kriittisen lämpötilan, niiden polymeerikuori sulaa ja partikkelit ajautuvat lähemmäksi toisiaan.When the central portion reaches a critical temperature, their polymeric shell melts and the particles drift closer together.
- Tunnelivirta vierekkäisten partikkeleiden välillä lisääntyy ja samalla läromönjohta- vuus paranee.- The tunnel flow between adjacent particles increases and at the same time the leakage conductivity is improved.
Kun muutamat nanopartikkelit sulavat kiinni toisiinsa niiden efektiivinen kokonaispinta-ala kasvaa ja ne luovuttavat lämpönsä elektronikaasun kautta muille partikkeleille.When a few nanoparticles melt together, their total effective surface area increases and they release their heat through the electron gas to the other particles.
Myös sulaneiden nanopartikkelien lähellä olevat partikkelit sulavat ja metallisointi etenee keskeltä kohti jännite-elektrodeja. Mikäli tapahtuman annetaan jatkua, koko kerros elektrodien välillä sintraantuu.Also, the particles near the melted nanoparticles melt and the metallization proceeds from the center toward the voltage electrodes. If the event is allowed to continue, the entire layer between the electrodes will sinter.
Yllä olevasta esimerkinomaisesta tapahtumaketjusta havaitaan, että keksinnön avulla voidaan hyödyntää tiheiden nanopartikkelisysteemien sisäänrakennettua sähkönjohtavuuden ja lämpötilan kasvun välistä positiivista takaisinkytkentää sintraantumisen aikaansaamiseksi. Niinpä sintrausta ohjataankin edullisesti vakiojännitteellä vakiovirran 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 helposti niiden lämpötilaa.From the exemplary chain of events above, it is found that the invention can utilize the built-in positive feedback between dense nanoparticle systems for conducting sintering to achieve sintering. Thus, sintering is preferably controlled by a constant voltage rather than a constant current. Extremely low power is required to perform the method because the system is thermally insulated due to the extremely fast warm-up due to positive feedback. In addition, the nanoparticles have low specific heat and mass, so that a small amount of heat can easily raise their temperature.
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 tuoda lämpöä järjestelmään suoraan, kuten tunnetuissa sintrausmenetelmissä, vaan sintraus tehdään j äruiitteellä, joka johtaa positiiviseen teimiseen 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.Electronic sintering is basically a complex phenomenon. The theory behind the phenomenon is described above only to the extent that it may assist the reader in understanding and reproducing the method of the invention and its embodiments. Thus, the process does not directly introduce heat into the system, as in the known sintering processes, but instead, the sintering is carried out by means of a jet, which results in positive teaming feedback and thereby rapid sintering. An interesting feature of the process is, therefore, the increasing sintering rate after initiation of sintering. The achievable sintered structures are also of good quality, i.e. durable and homogeneous in conductivity.
Jos jäimitebiasoinnin sijaan jäijestelmää ohjataan virtabiaksella tai suuren vastuksen yli, positiivinen takaisinkytkentä voidaan estää ja sintraantumista ci tapahdu (ainakaan niin helposti). Jos vastuksen arvo on sopiva tai jännite katkaistaan tietyllä hetkellä, tapahtuma voidaan säätää sellaiseksi, että vain elekrodicn keskiosa sintrsantuu ja muut osat jäävät metalloitumatta. Tämä mahdollistaa selvästi elekiodien 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 mn:n partikkeleita ja 50 pm:n elektrodirakoa, on mahdollista valmistaa alle 5 pm:n johtimia. Pienemmillä partikkeleina huomattavasti tätäkin pienempien j ohti-mien valmistus on mahdollista. Myös kapeampi elektrodiako mahdollistaa ohuempien johtimien valmistamisen.If the stiffness system is controlled by current bias or high resistor instead of ice biasing, positive feedback can be prevented and sintering will not occur (at least not so easily). If the value of the resistor is appropriate or the voltage is cut off at a given moment, the event can be adjusted so that only the middle part of the electrode will sinter and the other parts will not be metallized. This makes it possible to process conductors that are significantly smaller than the electrode spacing. We have found that a line width of up to 1/5, even less than 1/10 of the electrode distance can be achieved. Naturally, this is also affected by the size of the nanoparticles. For example, using 10 mn particles and a 50 µm electrode gap, it is possible to fabricate wires of less than 5 µm. As smaller particles, it is possible to fabricate conductors that are considerably smaller than this one. Also, a narrower electrode aperture allows for thinner conductors.
Menetelmän yhteydessä voidaan käyttää sekä metallisia nanopartikkeleita että puolijoh-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.Both metallic nanoparticles and semiconductor nanoparticles can be used in the process. For both, exemplary application areas will be described in more detail later. Among the metals useful are in particular silver, gold, copper, platinum, nickel, palladium, iron, titanium, tin and alloys thereof. Particularly mentioned are semiconductors based on silicon, germanium, titanium, zinc, GaAs * and indium. Oxide semiconductors can also be used, especially titanium dioxide and zinc oxide.
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 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).The nanoparticle liner (encapsulation layer) is preferably thin to provide a sufficient (sintering) tunneling current at operating temperature. By thin lining we mean primarily that the coating layer thickness is less than 30%, typically less than 1-20%, of the agglomerate diameter. Most typically, the coating has a thickness of about 1 to about 5 nm. Organic compounds such as polymers are typically used as lining materials. The softening temperature of the lining material is preferably low, generally less than or equal to the melting temperature of the nanoparticles, typically about 50-150 ° C. Crucially, the microscopic warming caused by electrical sintering enables co-sintering (coalescence) of adjacent nanoparticles.
Partikkelien pinnoituksella on selvä yhteys sähkösintraamisen onnistumiseen. Edullisen sovellutusmuodon mukaan sintrattavat nanopartikkclit on pinnoitettu (encapsulated) poly-meerikuorella (esim. PEO, PPO), joka estää partikkelien kiusteroitumisen ennen substraatille asettamista. Tällä on merkitystä esimerkiksi ink-jet-tulostuksessa, jossa tulostimessa toisiinsa takertuneet partikkelit tukkisivat suuttimet Applikoinnin lisäksi vastaavasta pinnoituksesta on etua myös itse sintraustapahtumassa. Pinnoittamattomat partikkelit takertuisivat toisiinsa osittain jo ennen "pakotettua1' sintraantumista, jolloin materiaaliin varastoitunut energia olisi huomattavasti pienempi kuin selvästi erillään olevien partikkelien kohdalla. Tällainen materiaali on hauras ja erittäin huonosti sähköäjohtava, eikä sitä pystytä sintraamaan vastaavalla tavalla, sillä osa materiaaliin varastoituneesta energiasta (potenti-, aalista) on purkautunut.Particle coating has a clear connection to the success of electro sintering. According to a preferred embodiment, the sintered nanoparticles are coated (Encapsulated) with a polymeric shell (e.g., PEO, PPO) which prevents the particles from pelleting before being applied to the substrate. This is important, for example, in ink-jet printing, where adherent particles would clog the nozzles in the printer. In addition to application, a similar coating is also advantageous in the sintering process itself. The uncoated particles would partially adhere to one another prior to the "forced1" sintering, whereby the energy stored in the material would be significantly less than that of the clearly separated particles. Such material is brittle and very poorly conductive and cannot be similarly sintered , aal) has been discharged.
Yhteenvedonomaisesti voidaan todeta, että menetelmä siis perustuu partikkelimateriaalin al-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 jälkeen kerroksessa havaitaan paikallinen lämpötilan nousu, joka edelleen saa aikaan sintrau-tumistapahtuman leviämisen partikkelimateriaalissa oleellisesti sähkökentän suunnassa.In summary, the method is thus based on the initial heating of the particle material by the power it draws from the voltage source and the increasing power consumption due to further warming, and thus at least in the early stages of the sintering process. Particularly dense but still substantially non-zero conductivity and thermal conductivity of lined nanoscale particles are suitable as a starting material. Thus, after the voltage is applied, a local temperature rise is observed in the layer, which further causes the sintering event to propagate in the particulate material substantially in the direction of the electric field.
Nanopartikkelit voidaan tuodaan substraatille liuottimeen dispergoituina, esimerkiksi musteena (ns. nanomuste), jolloin savutetaan hyvin tasainen partikkelijakauma. Tällaisen applikaa-tiomenetelmän etuna on, että se voidaan toteuttaa inkjet -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 paikallisesti kytköksissä toisiinsa.The nanoparticles can be introduced onto the substrate dispersed in a solvent, for example as an ink (so-called nano ink), whereby a very uniform particle distribution is smoked. The advantage of such an application method is that it can be implemented with inkjet-type printing. Other application methods for nanoparticles include printing, roller application, spraying, painting and electrostatic transfer. Application does not constitute a necessary method step for the present process as nanomaterials and the like retain their sinterability for a long time after application. Thus, application and sintering are not temporally or locally interconnected.
Yksi tunnettu menetelmä metallinanopartikkelien tuomiseksi substraatin pintaan on esitetty WO-julkaisussa 2005/025787. Partikkelit ovat nestedispersiossa, joka voidaan tulostaa esimerkiksi perinteisellä mustesuihkumcneteimällä. Suihkutuksen aikana dispersiosta haihtuu liuotinta, jolloin sen viskositeetti kasvaa.One known method for depositing metal nanoparticles on a substrate surface is disclosed in WO 2005/025787. The particles are in a liquid dispersion which can be printed, for example, by conventional ink jet printing. During spraying, the solvent evaporates from the dispersion, thereby increasing its viscosity.
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 vy, keraaminen alusta, lasi tai muu vastaava eristemateriaali. Pysyviä kuvioita valmistettaessa valitaan substraatti, joka kykenee sitomaan applikoidun ja sintratun nanopartikkelipiiällysteen pintaansa. Substraatti voi olla myös väliaikainen, jolloin sintrattu kuvio ei tartu siihen ja se voidaan siirtää substraatilta jollekin toiselle substraatille.Figure 1 shows one possible embodiment of the method according to the invention. In step 10, the substrate on which the conductor pattern is to be produced is taken. The substrate may be, for example, paper, cardboard, polymer film, three-dimensional plastic body, printed circuit board, ceramic substrate, glass or other similar insulating material. In making permanent patterns, a substrate is selected which is capable of bonding the applied and sintered nanoparticle coating to its surface. The substrate may also be temporary, so that the sintered pattern does not adhere to it and can be transferred from the substrate to another substrate.
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 soveltuva!’ le tasolle. Tällä tarkoitetaan sitä, että nanopartikkelit kykenevät sulaessaan yhdistymään toisiinsa ja siten muodostamaan yhtenäisesti johtavia ketjuja tai alueita.In step 11, the nanoparticles are applied to the substrate, for example, by dispersion as described above. When using solvents or pastes, the coating is preferably allowed to dry on the substrate surface so that its nanoparticulate concentration increases to a level suitable for sintering. This means that the nanoparticles, when melted, are able to merge with one another and thus form uniformly conductive chains or regions.
Vaiheessa 12 päällysteen läpi synnytetään sähkökenttä järjestämällä sen yli jännite. Jännite voidaan saada aikaan substraatin pinnalla, nanopartikkelien applikointialueella valmiiksi olevilla elektrodeilla tai vaihtoehtoisesti elektrodeilla, jotka tuodaan jälkeenpäin päällysteen läheisyyteen. 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 pm elektrodivä-lillä on 1 -10 V, edullisesti noin 5 - 8 V. Elektrodiväli vaihtelee tyypillisesti alueella 10 pm-5 mm, ollen edullisesti 10 pm -1 mm.In step 12, an electric field is generated through the coating by applying a voltage across it. Voltage can be applied to the surface of the substrate, to the electrodes in the application area of the nanoparticles, or alternatively to the electrodes which are subsequently introduced in the vicinity of the coating. Of course, it may also be possible for one of the electrodes to be finished on the surface, substantially in contact with the coating, and the other electrode to be brought to the surface afterwards (e.g., making contacts). The magnitude of the voltage depends on the distance between the electrodes and the desired sintering rate and resolution. Typical sintering voltages within a 100 µm electrode gap are 1 to 10 V, preferably about 5 to 8 V. The electrode gap typically ranges from 10 µm to 5 mm, preferably 10 µm to 1 mm.
Vaiheessa 13 sintrautuminen lopetetaan. Tämä voi tapahtua ei tavoilla. Ensiksi, sintrautumi-nen loppuu automaattisesti, jos koko päällystekerros on sintrautunut. Mikäli käytetään johde-partikkeleja, sintrautunut kerros oikosulkee elekfrodipiirin. Toiseksi, jännite voidaan katkaista 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 vakiojännitelähteen kanssa Saijaan kytketyn vastuksen avulla. Tällöin sintrautu-necn osan tehonkulutus kasvaa tietylle tasolle päällysteen resistanssin pienentyessä eikä syöt-töteho enää riitä saamaan aikaan enempää sintrautumista.In step 13, sintering is stopped. This cannot happen in any way. First, sintering stops automatically if the entire coating layer is sintered. If conductive particles are used, the sintered layer will short circuit the electrode circuit. Second, the voltage can be switched off after a certain time after it has been switched on. Disconnection can also be based on feedback. After disconnecting the voltage, sintering stops and the layer temperature returns to normal. Third, the voltage supply circuit may be designed such that, when the coating is sintered over a sufficiently large area, sintering stops. This can be achieved simply by, for example, a constant-voltage resistor connected to a constant voltage source. Then the power consumption of the sintered part increases to a certain level as the coating resistance decreases and the feed power is no longer sufficient to effect further sintering.
Vaiheessa 14 sintrautumaton aines voidaan poistaa substraatilta mekaanisesti, kemiallisesti tai muilla tavoin.In step 14, the non-sintered material may be removed from the substrate mechanically, chemically, or otherwise.
Menetelmää voidaan edelleen jatkaa vaiheiden 15 ja 16 avulla. Niissä sintratun johdekuvion päälle applikoidaan ohut eristekerros (vaihe 15) ja tämän jälkeen jatketaan tuotteen valmistamista applikoimalla toinen johde- tai puoiijohdekenos (vaihe 16). Näin voidaan valmistaa monikerroksisia puolijohdekomponenttirakenteita, piirilevyjä tai jopa kokonaisia toiminnallisia elektroniikkamoduuleita. Niinpä kuvattu menetelmä soveltuu erityisen hyvin painettavan elektroniikan sovelluksiin.The process can be continued with steps 15 and 16. They apply a thin layer of dielectric over a sintered conductor pattern (step 15) and then continue to manufacture the product by applying another conductor or semiconductor element (step 16). In this way, multilayer semiconductor component structures, circuit boards, or even whole functional electronic modules can be manufactured. Thus, the method described is particularly well suited for applications in printable electronics.
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 jääviä johteita tai substraatille jälleenirrotettavasti tuotujajohteita.In particular, we have found an embodiment in which the voltage is applied across the nanoparticulate layer substantially in the direction of the surface of the substrate by means of electrodes placed laterally on opposite sides of the layer and in contact with the layer. The electrodes may be part of the conductors remaining in the structure or removably applied to the substrate.
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 takaisinkytkennän 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.In the present process, no external heat source or compression is required to effect sintering, but a rise in temperature due to the voltage applied to the layer has been found to be sufficient due to the previously described internal positive feedback of the structure. Thus, in order to avoid a significant increase in the temperature of the substrate, a substrate having a substantially higher thermal capacity in the sintering region than the Sint-rotating region is preferably used. Thus, such a substrate should withstand only an external temperature, for example from -50 ° C to 100 ° C, preferably from about 10 ° C to 40 ° C, typically normal room temperature.
Menetelmää voidaan toteuttaa myös askeleittain esimerkiksi siten, että seuraavassa menetel-mävaiheessa elektrodina käytetään edellisessä menetelmävaiheessa sintrattua johderakennetta. Esimerkiksi laajojen pintojen sintraamnen voidaan toteuttaa siten, että käytetään valmiita johtimia niiden välissä olevan pinna sintraamiseen. Esimerkiksi valmistettaessa tiheitä johdeku-vioita tai johdehiloja, voidaan kuviota tihentää aina applikoimalla uusi nanopartikkelikerros ja kytkemällä jännite edellisiin, sintrattuihin kerroksiin. Ensimmäisessä vaiheessa substraatilla on alkuelektrodit (2 kpl), seuraavassa vaiheessa näiden välille tuotetaan ensimmäinen sintrattu johde (l kpl), seuraavassa vaiheessa kunkin alkuelektrodin ja ensimmäisen sintratun johteen välille valmistetaan uusi sintrattu johde (2 kpl), seuraavassa vaiheessa edelleen neljä uutta sintrattua viivaa jne.The process can also be carried out step by step, for example, by using a sintered conductor structure in the previous process step as the electrode in the next process step. For example, sintering of large surfaces can be accomplished by using ready-made conductors to sinter the surface therebetween. For example, in the manufacture of dense conductor patterns or conductor lattices, the pattern can always be densified by applying a new layer of nanoparticles and applying voltage to previous, sintered layers. In the first step, the substrate has initial electrodes (2 pieces), in the next step a first sintered conductor (1 piece) is produced between them, in the next step a new sintered wire (2 pieces) is made between each initial electrode and the first sintered conductor.
Seuraavaksi kuvataan joitain keksinnön käytännön sovellutuksia.Some practical applications of the invention will now be described.
Sovellutusesimerkki 1, Metallisten pintojen ja kuvioitujen metallirakenteiden sintraa-minen matalissa lämpötiloissaApplication Example 1, Low Temperature Sintering of Metallic Surfaces and Textured Metal Structures
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 esim. painettavan elektroniikan transistorirakenteisiin ja diodeihin. Pienempi viivanleveys lisää transistorin ja diodin nopeutta. Ohut rakenne esimerkiksi näytössä tekee siitä huonommin näkyvän.As described above, the most natural way to utilize the method described is to sinter the metal at low temperature by applying either a galvanically or capacitively powerful electric field. If sintering is interrupted, we can make very thin metal patterns on eg transistor structures and diodes in printed electronics. A smaller line width increases the speed of the transistor and diode. The thin structure, for example, on the screen makes it less visible.
Eräs tapa valmistaa ohuen hilan muodostama transistori on esitetty kuviossa 1. Vaiheessa (a) 1 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 (c) elektrodien 22a ja 22b väliselle sintrausvyöhykkeelle on tulostettu hila-eristettä 28. Vaiheessa (d) hilaeristeen päälle on edelleen tulostettu puolijohtava orgaanista tai epäorgaaninen kerros 29, joka tule kosketuksiin elektrodien 22a ja 22b kanssa, mutta hilaeristeen 28 ansiosta jää välimatkan päähän sintratusta johteesta 24.One way to fabricate a thin gate transistor is shown in Figure 1. In step (a) 1, nanoparticulate ink 20 is printed between (and partially over) the electrodes 22a and 22b on the substrate (a), so that a voltage is applied between the electrodes 22a and 22b. the central portion 24 of the ink-forming layer is sintered. In step (b), the non-sintered portion of the layer is removed, leaving an intermediate zone between the electrodes and the sintered conductor 26. In step (c), a gate insulation 28 is printed on the sintering zone between the electrodes 22a and 22b. a printed semiconductor organic or inorganic layer 29 which comes into contact with the electrodes 22a and 22b but, thanks to the gate insulation 28, remains at a distance from the sintered conductor 24.
Tyypillistä esillä olevan menetelmän käytölle komponcnttivalmistuksessa on se, että ainakin yhtä substraatille jäljestettyä elektrodia hyödynnetään sekä komponentin valmistusprosessissa sintrauselektxodina 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 soveltuu osaprosessiksi painettavan elektroniikan valmistukseen.Typical for the use of the present method in component manufacturing is that at least one electrode tracked on the substrate is utilized both in the component manufacturing process as a sintering electrode and as a contact terminal for the finished component. In particular, the process has the advantage that the parts which have the greatest influence on the speed of the component and thus often have the smallest line width can be manufactured without mechanical processing. In particular, the three-step process described above (printing, partial sintering, removal of the non-sintered part) is suitable as a subprocess for the production of printed electronics.
Sovellutusesimerkki 2. Puolijohteiden sintraaminen matalissa lämpötiloissaApplication Example 2. Low temperature sintering
Puolijohteet eivät kokeellisten tulosten perusteella sintraannu niin matalassa lämpötilassa kuin 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 sähkösintrauksella voidaan saada aikaan parempi liikkuvuus. Lisäksi, jos partikkelit suunnataan 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 sintrauksen.Experimental results show that semiconductors do not sinter at temperatures as low as metals. This is not generally explained, but we assume it is due to the poor conductivity of the surface and hence the weak Casimir phenomenon. Thus, conventional methods of sintering semiconductors at low temperatures require the use of very low particle size. This results in a very high number of crystal errors and, consequently, poor mobility of the booking carriers. The present process enables the particle size to be increased. Thus, electric mobility can provide better mobility. In addition, if the particles are aligned with, for example, a magnetic field before or during sintering, we can further reduce crystal errors and improve the mobility of the resulting semiconductor. Because the process requires the use of voltage electrodes, electronic sintering is particularly suited to pre-process semiconductor fabrication or where the semiconductor industry is performing sintering.
Sovellutusesimerkki 3. Metallisten nanopartikkeleiden käyttö elektroniikkakomponenttien liittämisessäApplication Example 3. Use of metallic nanoparticles in the connection of electronic components
Elektroniikkateollisuus on siirtymässä lyijyttömään juottamiseen. On tunnettua, että nanopar-tikkeleita voidaan käyttää liittämiseen sintraamalla nanomuste alustametallm ja komponentin kontaktiterminaaliin UV-valolla tai lämmittämälläThe electronics industry is moving to lead-free soldering. It is known that nanoparticles can be used for bonding by sintering the nano ink to the contact terminal of the substrate metal and the component by UV light or by heating
Kuviossa 2 on esitetty yksi esillä olevaa keksintöä hyödyntävä tapa metallisen kontaktin valmistamiseksi jopa huoneen lämpötilassa. Menetelmässä kuivuneeseen nanopartikkelipitoiseen kerrokseen, tässä tapauksessa nanomusteeseen 30, joka on sijoitettu johteen 32b ja komponentin 35 kontaktiterminaalin väliin, 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 järjestetty. Vaihtoehtoisesti, toisena elektrodina voidaan käyttää komponentin 35 kontaktiterminaalia, mikäli tähän on kontaktoinnin aikana johdettavissa haluttu potentiaali.Figure 2 shows one method utilizing the present invention for making a metal contact even at room temperature. In the method, an electric field is applied to the dried nanoparticulate layer, in this case nano ink 30, which is disposed between the conductor 32b and the contact terminal of component 35 to make contact 34. The conductor 32b also functions as the first voltage electrode. The electric field can be generated by using a second electrode 32a with which the nano ink is also contacted. Alternatively, the contact terminal of component 35 may be used as a second electrode, if the desired potential can be supplied to it during the contact.
Kuvioissa 4a - 4c esitetään sivukuvantona yksi kontaktointitapa. Kuviossa 4a substraatin 48 päälle on jäljestetty johteet 44 ja 46. Johteiden päälle on tulostettu nanopartikkeleita kerrok 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 kontaktin. Kuviossa 4c sintrautumaton kerros on poistettu.Figures 4a-4c show a side view of one of the contact modes. In Fig. 4a, the conductors 44 and 46 are imprinted on the substrate 48. Nanoparticles are printed on the conductors as a layer 42. A layer 40 is placed on the layer 42 so that its contact terminals are aligned with the conductors 44 and 46. In Fig. 4b, voltages are applied between the contact terminals of the component 40 and the conductors 44 and 46 (or alternatively between the conductors 44 and 46 and the second electrode (s)), whereby their intermediate region 43 is sintered to form a contact. In Figure 4c, the non-sintering layer is removed.
Sovellutusesimerkki 4. Sähköisesti kirjoitettava muistiApplication Example 4. Electronically writable memory
Muisti on elektroniikan keskeinen komponentti. Painettavassa elektroniikassa hyödynnetään varautuvia rakenteita muistin tekemiseen. Niiden heikkouksia ovat kuitenkin alhainen kitjoit-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-muste säilyttää sähköisen sintrattavuutensa pitkään, jolloin muisti voidaan kirjoittaa vasta valmistuksen jälkeen. Lisäksi menetelmä mahdollistaa piirin muistin nollaamisen käytön jälkeen sintraamaila kaikki vastuselementilMemory is a key component of electronics. Printable electronics utilize precautionary structures to make memory. However, their weaknesses are low picking speed and poor memory stability. Electronic sintering enables a 0/1 type of memory comprising resistor elements that are almost open without sintering (for example, a resistor of 10 kOhm to 100 kOhm) and voltage elements to sinter the resistor elements that are to be short-circuited. We have found, for example, that dried nano ink retains its electrical sinterability for a long time, so that memory can only be written after manufacture. In addition, the method allows to reset the circuit memory after use by sintering all the resistor elements
Yleisemmin, sähkösintrauksen avulla kirjoitettava muistielementti käsittää useasta alkiosta koostuvan matriisin, jonka kussakin alkiossa on kaksi jännite-elektrodia ja nanopartikkelipi-toinen vyöhyke, joka on sintraantuessaan sovitettu pienentämään jännite-elektrodien välistä resistanssia, edullisesti oikosulkunaan ne. Tällaisen muistielementin kunkin alkion jännite-elektrodeille on erikseen ohjattavissa jännite kuvatun sintrautumisen aikaansaamiseksi.More generally, the memory element to be written by electrical sintering comprises a matrix of multiple cells each having two voltage electrodes and a nanoparticulate zone which when sintered is adapted to reduce the resistance between the voltage electrodes, preferably short-circuiting them. The voltage electrodes of each element of such a memory element are individually controllable to provide the described sintering.
Sovellutusesimerkki 5. Käyttö varasantureiden tai etätunnistepiirien passivoinnissa LC-resonanssityyppisissä varasantureissa passivointi tehdään synnyttämällä voimakas sähkökenttä ohuen eristeen yli. Tätnä johtaa esimerkiksi alumiinipartikkeleiden kulkeutumiseen muovieristeen läpi, jolloin muodostuu oikosulku. Ongelmaksi on kuitenkin muodostunut se, että näin tehdyllä oikosululla on taipumus palautua. Tämä on johtanut siihen, että varassuoja-usta ei ole voitu ottaa käyttöön ns. source taging sovellutukissa, koska tuotteet aiheuttaisivat liikaa vikahälytyksiä. Esillä olevan menetelmän käyttäminen eliminoi varasantureiden uudelleen aktivoitumisen, koska sintrattu metallirakenne on erittäin stabiili.Application Example 5. Use for Passivation of Spare Sensors or Remote Identification Circuits In LC-resonance type spare sensors, passivation is achieved by generating a strong electric field across the thin dielectric. This, for example, results in the passage of the aluminum particles through the plastic insulator, resulting in a short circuit. However, the problem has been that the short circuit thus made tends to recover. This has led to the inability to introduce a so-called "burglar" door. source taging in application support because the products would cause too many fault alarms. The use of the present method eliminates the reactivation of backup sensors because the sintered metal structure is very stable.
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 ulkopuolelta. Kontrolloidun sintraantumisen aikaansaamiseksi nanopartikkelikerroksen läheisyyteen voi olla sijoitettu erilliset sintrauselektrodit. Vaihtoehtoisesti sintrausjännite voidaan jäljestää aikaan laitteessa luonnostaan olevien johteiden välille.Such backup sensors would thus have at least one layer of non-sintered or only partially sintered nanoparticle applied to the substrate, which, when sintered, is adapted to electrically connect two conductors contained in the backup sensor. The required sintering voltage or electric field can be applied to the layer galvanically, capacitively, or inductively from outside the backup sensor. To achieve controlled sintering, separate sintering electrodes may be disposed near the nanoparticle layer. Alternatively, the sintering voltage can be traced between the conductors naturally present in the device.
EU on vaatimassa, että kaikki RFID-piirit, jotka ajautuvat kuluttajan käyttöön pitää voida . deaktivoida. UHF-alueen RFID-piirejä voidaan käyttää myös varkaussuojauksessa. Käyttämällä sähköistä sintraantumista voimme sähkökentällä oikosulkea RFID-piirin antennin ostoksen jälkeen ja tehdä piiristä näin ei luettavan. Jos antenni oikosuljetaan sopivasti, voidaan jäljestää tilanne, missä UHF-RFID lukuetäisyys tipahtaa useista metreistä (esimerkiksi 4-6 m) muutamaan senttiin (esimerkiksi 0-10 cm). Näin asiakasta ei deakti voimisen jälkeen epäillä varkaaksi, eikä hänen ostamistaan tuotteista ulkopuolinen voi saada tietoja, mutta hän voi saada tuotteeseen liittyviä palveluja, lukemalla tuotteessa olevaa etätunnistinta lähietäisyydeltä. Jäijesiely 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 ominaisuuden, että ne se saadaan käyttökelvottomaan kuntoon ohjelmoimalla, mutta tämä valitettavasti estää sen, että kuluttaja voi hyödyntää tuotteissaan olevia RFID-piirejäThe EU is demanding that all RFID circuits that end up in the consumer's hands must be able to. deactivated. UHF RFID circuits can also be used for theft protection. By using electronic sintering, we can short circuit the RFID circuit after purchasing the antenna and make the circuit unreadable. If the antenna is suitably short-circuited, the situation can be followed when the UHF-RFID reading range drops from several meters (e.g. 4-6 m) to a few centimeters (e.g. 0-10 cm). This way, after being able to deactivate, the customer is not suspected of being stolen and the outsourced product is not accessible to an outsider, but can receive services related to the product by reading the remote sensor on the product at close range. The ice cell can also be made such that the UHF antenna is destroyed, but the antenna forms, for example, a 13.56 MHz antenna which the consumer can connect to obtain information from the circuit using a suitable reader, for example a mobile phone. is rendered unusable by programming, but unfortunately this prevents the consumer from utilizing the RFID circuits in their products
Yleisemmin sanottuna, keksintöä voidaan hyödyntää antennien, piirilevyjen ja muiden elektroniikkalaitteiden (yleisemmin: elektroniikkamoduulien) toimintataajuuden, herkkyyden tai 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.More generally, the invention can be utilized to modify the operating frequency, sensitivity, or other characteristics of antennas, circuit boards, and other electronic devices (more generally, electronic modules). Such devices include at least one nanoparticle-containing zone, which when sintered is adapted to reduce (usually short-circuit) the impedance between the two conductor regions of the device. The sintering voltage may be applied to the zone, for example as described above.
Elektroniikkamoduulien ominaisuuksien muuttaminen sisältää niiden passivoinnin ja toiminnallisen muuttamisen lisäksi myös niiden aktivoinnin. Niinpä moduulin sisältämä sähköpiiri voi olla alkutilassaan täysin käyttökelvoton, mutta sähkösintrauksen avulla muutettavissa toiminnalliseksi piiriksi.Changing the properties of electronic modules includes not only their deactivation and functional modification, but also their activation. Thus, the electrical circuit contained in the module may be completely unusable in its initial state, but may be converted into a functional circuit by electrical sintering.
Sovellutusesimerkki 6. RullasintrausApplication Example 6. Roller sintering
Menetelmä soveltuu hyvin massatuotantoon. Esimerkkinä tällaisesta sovellutuksesta mainitaan toteutusmuoto, jossa sintrausjännite kytketään partikkelimateriaalikerroksen yli viemällä substraatti sähkökenttään raina- tai arkkimuodossa. Sähkökenttä voidaan muodostaa esimerkiksi kuvioidulla elektrodivälineellä, joka käsittää edullisesti pyörivän telan, eli rullan, ja sisältää välineet jännitteen paikalliseksi kytkemiseksi partikkelimateriaalikerrokseen. Niinpä elektrodivälineen pintaan on tyypillisesti kuvioitu elektrodivyöhykkeitä ja näiden vastaelekt-rodivyöhykkeitä. Sintrautuminen saadaan tällöin aikaan oleellisesti substraatin pinnan suuntaisella, mainittujen elektrodien välisellä sähkökentällä.The process is well suited for mass production. As an example of such an embodiment is mentioned an embodiment in which the sintering voltage is applied across a layer of particulate material by applying a substrate to an electric field in a web or sheet form. The electric field may be formed, for example, by a patterned electrode means, which preferably comprises a rotating roll, i.e. a roll, and includes means for locally applying a voltage to the particle material layer. Thus, electrode zones and their counter-electrode zones are typically patterned on the surface of the electrode device. Sintering is then effected by an electric field substantially parallel to the surface of the substrate between said electrodes.
Menetelmä mahdollistaa siten sintrattuj en kuvioiden valmistamisen yksinkertaisella paino-tyyppisellä välineistöllä, esimerkiksi ’’rullalta-rullalle”- tai ”rullalta-tasolle”-tyyppisesti.The method thus permits the production of sintered patterns by simple weight-type equipment, for example, roll-to-roll or roll-to-roll.
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, että partikkelimateriaalin viipymäaika sähkökentässä on riittävän pitkä täydellisen sintraan-tumisen aikaansaamiseksi.Figure 5 illustrates in more detail one embodiment of roll sintering. The web 54 is conveyed by roller equipment 51.56. In the first step, particle material 52 is applied to the surface of the web. The web is then fed to an electrode roll 56 whose electrodes are connected to a sintering voltage. The conductive pattern determined by the electrode geometry is thus repeated on the web 54 to provide a conductive textured web 58. The substrate transport velocity is chosen such that the residence time of the particulate material in the electric field is long enough to achieve complete sintering.
Rullasintraus voidaan toteuttaa myös substraatin pintaa vastaa kohtisuoran kentän avulla, etenkin, jos substraatin resistanssi ei liikaa rajoita partikkelimateriaaliin muodostuvaa tunne-lointivirtaa. Tällöin käytetään yleensä tämän yhdelle pinnalle sovitettua elektrodi välhiettä 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.Roller sintering can also be accomplished by means of a field perpendicular to the surface of the substrate, especially if the resistance of the substrate does not unduly restrict the sensing current formed in the particulate material. In this case, an electrode spacer fitted on one surface and a counter electrode means mounted on the other side are generally used. At least one of said electrode means comprises a conductor pattern for sintering the corresponding conductor pattern on the substrate. If the substrate itself is conductive, the substrate can be used as a counter electrode.
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.The electrode means or means may also be part of a nip between which the substrate is transportable. However, the electrode means do not need to exert significant pressure or temperature on the substrate, as in known sintering applications, but most preferably sintering is accomplished solely by the voltage between the electrodes and the tunneling current generated on the particle material. The method is thus also applicable to soft, porous and brittle substrates.
Kuten asiantuntija yllä olevan perusteella ymmärtää, vastaava tulos voidaan saada aikaan myös tasomaisen tai tasomaisten tai muunlaisten elektrodivälineiden avulla.As the skilled artisan will understand from the foregoing, similar results may also be obtained by planar or planar or other types of electrode means.
Sovellutusesimerkki 7. Läpivientien valmistaminenApplication Example 7. Preparation of lead-throughs
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-kelimateriaali jäljestetään läpivientireikään (tai syvennykseen) juoksevassa muodossa (flui-dimaisena), minkä jälkeen materiaalin yli kytketään sintrausjännite, yleensä läpiviennin suunnassa.The method according to the invention is also suitable for the manufacture of bushings in the circuit board and component industry. In particular, the lead-throughs for surface mounting circuit boards and single- and multi-layer circuit boards with embedded components are mentioned. Typically, the particulate material is tracked into the lead-through (or recess) in a fluid form (fluid-like), after which a sintering voltage is applied across the material, generally in the direction of the lead-through.
Yllä kuvatut sovellusesimerkit havainnollistavat keksinnön laajaa teollista käyttökelpoisuutta. Alan asiantuntuja ymmärtää, että kuvattua menetelmää voidaan käyttää myös monissa muissa sovelluksissa näiden esimerkkien ulkopuolella. Oheisia patenttivaatimuksia onkin tulkittava niiden täydessä laajuudessa ja ekvivalenssitulkinta huomioonottaen.The application examples described above illustrate the broad industrial utility of the invention. It will be appreciated by those skilled in the art that the method described may also be used in many other applications beyond these examples. Accordingly, the appended claims are to be construed in their entirety and in light of the equivalence interpretation.
Claims (34)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FI20060697A FI121562B (en) | 2006-07-21 | 2006-07-21 | Method for the manufacture of conductors and semiconductors |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FI20060697A FI121562B (en) | 2006-07-21 | 2006-07-21 | Method for the manufacture of conductors and semiconductors |
FI20060697 | 2006-07-21 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FI20060697A0 FI20060697A0 (en) | 2006-07-21 |
FI20060697A true FI20060697A (en) | 2008-01-22 |
FI121562B FI121562B (en) | 2010-12-31 |
Family
ID=36758304
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FI20060697A FI121562B (en) | 2006-07-21 | 2006-07-21 | Method for the manufacture of conductors and semiconductors |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
FI (1) | FI121562B (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2001272A2 (en) | 2007-06-08 | 2008-12-10 | Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus | Method and apparatus related to nanoparticle systems |
EP2001053A2 (en) | 2007-06-08 | 2008-12-10 | Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus | Electronics module, method for the manufacture thereof and applications |
EP2001273A2 (en) | 2007-06-08 | 2008-12-10 | Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus | Method for producing conductor structures and applications thereof |
-
2006
- 2006-07-21 FI FI20060697A patent/FI121562B/en not_active IP Right Cessation
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2001272A2 (en) | 2007-06-08 | 2008-12-10 | Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus | Method and apparatus related to nanoparticle systems |
EP2001053A2 (en) | 2007-06-08 | 2008-12-10 | Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus | Electronics module, method for the manufacture thereof and applications |
EP2001273A2 (en) | 2007-06-08 | 2008-12-10 | Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus | Method for producing conductor structures and applications thereof |
EP2001273A3 (en) * | 2007-06-08 | 2010-02-24 | Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus | Method for producing conductor structures and applications thereof |
EP2001272A3 (en) * | 2007-06-08 | 2010-02-24 | Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus | Method and apparatus related to nanoparticle systems |
US7759160B2 (en) | 2007-06-08 | 2010-07-20 | Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus | Method for producing conductor structures and applications thereof |
US7915097B2 (en) | 2007-06-08 | 2011-03-29 | Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus | Electronic module with conductivity transformation region, method of manufacture and applications thereof |
US8916089B2 (en) | 2007-06-08 | 2014-12-23 | Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus | Method and apparatus related to nanoparticle systems |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FI20060697A0 (en) | 2006-07-21 |
FI121562B (en) | 2010-12-31 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9011762B2 (en) | Method for manufacturing conductors and semiconductors | |
JP2009544838A5 (en) | ||
JP5238696B2 (en) | Method and apparatus for printing and printed products | |
EP2001272B1 (en) | Method related to nanoparticle systems | |
RU2478264C2 (en) | Method and device for creation of conductive pattern on flat insulating substrate; flat insulating substrate and chip set | |
Bellacicca et al. | Embedding electronics in 3D printed structures by combining fused filament fabrication and supersonic cluster beam deposition | |
CN107615896B (en) | Method and device for producing an electrically conductive pattern on a substrate | |
EP3064045B1 (en) | Methods of transferring electrically conductive materials | |
KR20120096506A (en) | Method and products related to deposited particles | |
FI121562B (en) | Method for the manufacture of conductors and semiconductors | |
EP2194764A1 (en) | Method for generation of electrically conducting surface structures, apparatus therefor and use | |
US7759160B2 (en) | Method for producing conductor structures and applications thereof | |
JP2006024551A (en) | Method of manufacturing anisotropic conductive film | |
JP6074453B2 (en) | Apparatus and method for forming conductive pattern on insulating flat substrate, insulating flat substrate, and chip set thereof | |
FI113570B (en) | Procedure for manufacturing a product sensor and product sensor | |
CN104228324B (en) | Equipment, method, dielectric base and the chipset of conductive pattern are formed in substrate | |
JP2010028015A (en) | Method for manufacturing component mounting substrate | |
JP2014027323A (en) | Device and method for forming conductive pattern on insulative planar substrate, insulative planar substrate and chipset therefor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM | Patent lapsed |