JP2013544951A - 焼結の間の迷光の低減 - Google Patents

Abstract

導電性粒子焼結システムは、光遮断のためのコーティング、アパチャまたはシャッターを有し、放射源（例えば、閃光電球）からのエネルギーが焼結対象である加工対象物の所望の部分に到達する一方で、他の加工対象物および／または加工対象物の他の部分の部分的な焼結を回避するために、処理されている他の加工対象物および／または加工対象物の他の部分に迷光が到達するのを遮断することが可能になる。
【選択図】図３

Description

本出願は、仮出願シリアル番号第６１／３６６，２２５号（出願日：２０１０年７月２１日）の優先権を主張し、同文献は参考により本明細書に組み込まれる。

本開示は、焼結のためのシステムおよび方法に関し、詳細には金属粒子に関する。

微粒子による材料処理において、焼結は、金属粒子を加熱し、金属同士を結合させることによって、連続した金属膜が形成するプロセスである。焼結システムおよび方法は、高温を必要とする場合がある。基板上の金属を焼結する場合、高温が基板を損傷する可能性がある。ナノテクノロジーにより、基板上に形成された金属インクの焼結を、より大型の粒子の場合よりも低温で行うことが可能にしてきた。金属にはそれぞれ特定の溶融温度があり、粒子がナノメータサイズの金属であるナノ金属は、より低温で溶融することができる。パルス光および／または高強度連続光を用いた焼結システムは、従来の焼結システムで使用される場合よりも低温でナノ金属を相互結合させまた基板上に結合させることができる。

焼結は、多様な用途において用いられている（例えば、新興分野であるプリンテッドエレクトロニクス）。プリンテッドエレクトロニクスは、電気機能デバイス（例を非限定的に挙げると、点灯装置、バッテリー、超コンデンサ、および太陽電池）を印刷することを含む。電子デバイスを印刷することは、同様のデバイスを製造するための従来の方法よりも低コストかつ高効率となる。

特定の実施形態の特徴および利点を添付図面中に示す。

システムおよび方法の模式図であり、ストライピング問題を示す。 導電性インクに対するエネルギーレベル差の影響のグラフ表示である。 マスクを用いた焼結時における迷光を低減するためのシステムおよび方法の模式図である。

導電性インク（例えば、ナノ金属を含むもの）は、放射エネルギーによって焼結することができる。放射エネルギーとしては、パルス光、高強度連続光、紫外光、放射、および熱エネルギーの組み合わせを挙げることができる。例えば、ＵＶ閃光電球を用いることができる。ＵＶ閃光電球は、ＵＶ放射および熱エネルギーを提供する（ＵＶ閃光電球はまた、可視領域および赤外領域内のエネルギーを含む）。粒子が焼結されると、粒子は連続した導電経路を形成する。この導電経路の伝導度は、焼結前の粒子の伝導度よりもずっと高い。

シートまたは移動ウェブ上において処理を行う場合、本明細書で「ストライピング」と呼ばれる現象に起因する潜在的な問題がある。ストライピングは、放射源（例えば、パルスランプ）の主エネルギーに向かって移動している基板が、焼結ポイントに到達する前に既に迷光に露出されていた場合に発生する。迷光は、導電性インクを部分的にのみ焼結し、バルク状態に変換する。バルク状態においては、導電性インクはもはやナノ粒子の状態ではなく、かくしてより高温で溶融するが、材料に所望の伝導度を持たせるだけ充分に焼結されていない場合がある。そのため、加工対象物の所望の部分が焼結するための位置に到達したとき、パルス光および／または高強度連続光をより低温で行った場合、金属を適切に焼結しない場合がある。この問題は、加工対象物（複数）が例えばコンベヤ上において互いに近接していて、加工対象物が、焼結のための適切な位置になる前に迷光／エネルギーに暴露される場合にも起こる可能性がある。

ストライピング現象は、多様なナノ金属（例を非限定的に挙げると、銅、銀、金、パラジウム、錫、タングステン、チタン、クロム、バナジウム、アルミニウム、およびこれらの合金）において発生する可能性がある。いくつかの実施形態において、本開示のシステムおよび方法が、銅ナノ金属の部分的焼結を回避する。放射エネルギーレベルが第１の閾範囲よりも低い場合、焼結は発生しない。この第１の閾値よりも高くかつおよび第２の閾値よりも低い場合、銅ナノ粒子は部分的にのみ焼結するが、所望のレベルの伝導度には到達しない。この材料の伝導度は、未焼結のナノ粒子の伝導度よりも高いが、第２の閾範囲よりも上の好適な範囲内の放射エネルギーレベルを受ける材料ほどは高くない。部分的に焼結した材料が、未焼結ナノ粒子を完全導電状態に変換するのに充分な強度の放射エネルギーレベルに再度露出されると、先行して部分的に焼結したナノ粒子の伝導度は改善しない。

この現象を図１および図２に示す。図１は、ランプ１００と、反射器１０２と、コンベヤ上において方向１０６に移動する加工対象物１０４とを含む、ランプシステム（例えば、閃光電球システム）を示す。加工対象物１０４は、ナノ粒子（例えば、銅ナノ粒子）を含む導電性インクの上に（図示せず）トレースをともなう基板を含むことができる。矢印１０８によって示されるエネルギーは、所望の伝導度レベルを得るように導電性インクを焼結するのに充分である。点線矢印１１０からのエネルギーは、導電性インクを部分的に焼結させるのには充分であるが、結果としてトレースが所望の導電性を有しない。移動方向１０６は右方向であるため、これは、一般的に左側１１２のみにおける潜在的問題である。左側の部分は、矢印１０８によって示されるエネルギーにさらされる部分に達するときまでに、部分的に焼結される可能性があり、したがってこのエネルギーは焼結プロセスを完了するには効果がない。

図２は、この問題を一般的な方法でグラフ的に表示する。エネルギーが第１の閾値Ｔｈ１よりも低い場合、焼結は発生しない。エネルギーが第３の閾値Ｔｈ３よりも高い場合、少なくともいくつかの種類の基板（例えば、紙、ポリエステル等）においては、基板が損傷を受ける可能性がある。エネルギーが第２の閾値Ｔｈ２を越え、かつ閾値Ｔｈ３を下回る場合、トレースの伝導度を所望のレベルまで上昇するためにエネルギーは有効である。エネルギーが閾値Ｔｈ１と閾値Ｔｈ２との間にある場合、部分的焼結のみが発生する。このような部分的焼結が発生した場合、少なくともいくつかの種類の材料においては、（導電性インクがＴｈ２よりも高いエネルギーを受けた場合でさえも）完全に有効な焼結を回避する役に立つ可能性がある。そのため、図２中に影付きで示すようなＴｈ２とＴｈ３との間の領域内に収めることが望ましい。これらの閾値は、システムおよび加工対象物（単数または複数）における様々な要素（例えば、焼結対象材料の種類、当該材料の幾何学形状、および基板特性）に依存する可能性がある。

本開示は、望ましくない部分的焼結を低減または排除するなどの、焼結の間における迷光を低減するためのシステムおよび方法に関連する。本開示における実施形態は、加工対象物中のナノ粒子または加工対象物の領域が焼結エネルギーを受けるための所望の位置に到達する前に部分的に焼結する事態を回避するために、エネルギーを充分な程度まで遮断するシステムおよび方法に関連する。１つ以上の実施形態において、本開示の光遮断器は、「中間相」を回避する。中間相において、光エネルギーへの第１の暴露を受けた後のナノ粒子は、部分的にのみ焼結している。しかし、光エネルギーへの第２の暴露を受けた後のナノ粒子は、向上した伝導度を有しない。

エネルギーを遮断することは、放射エネルギー源からのエネルギーを全て利用する訳では無い点において、不利点を有する。しかし、本開示の光遮断器を用いることによって、結果的に充分な伝導度の完全焼結したナノ粒子がもたらされることが判明した。開示されたシステムは、「ストライピング」および部分的焼結の問題を回避する。

焼結プロセスの間、電子材料（例えば、導体）が基板上に付加される。焼結対象材料は、当該分野において周知の１つ以上の技術（スクリーン印刷、インクジェット印刷、グラビア印刷、レーザ印刷、インクジェット印刷、ゼログラフィ、パッド印刷、塗布、ディップペン、シリンジ、エアブラシ、フレキソ印刷、蒸着、スパッタリング等が挙げられる）を用いて、基板上へ付加することができる。本開示のシステムおよび方法において、多様な基板を利用することができる。基板としては、例えば、紙およびポリマー基板（例えば、ポリ（ジアリルジメチルアンモニウムクロライド（ＰＤＡＡ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリ（アリルアミン塩酸塩）（ＰＡＨ）、ポリ（４−スチレンスルホン酸）、ポリ（硫酸ビニル）カリウム塩、４−スチレンスルホン酸ナトリウム塩水和物、ポリスチレンスルホン酸塩（ＰＳＳ）、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン等）などの低温の低コスト基板が挙げられるが、これに限らない。

図３を参照すると、一態様において、焼結の間における迷光を低減するためのシステムおよび方法は、１つ以上の光遮断器の使用を含む。１つ以上の実施形態において、光遮断器は平坦なマスクである。図３は図１に示すものと同じ構成要素を有するが、矢印３０４によって示されるエネルギーを遮断するためのマスク３０２がさらに追加されている。マスク３０２は、光源と基板の一部との間に配置され、進行中の基板に照射しないように迷光を遮断することによって、部分的焼結を低減または排除するが、完全焼結をおこなうことができるように、直接的光暴露（例えば、矢印１０８によって示される光源下における直接的光暴露）は可能である。ここで図示するように、マスクは、コンベヤの入来側に設けることができるが、もう一方の側には設けない、あるいは、アパチャを生成するように、マスクをコンベヤ方向の両側に設けることができる。アパチャは、異なる形状およびサイズを有することができる（例を非限定的に挙げると、ほぼ三角形、円形、楕円形、矩形）。マスクが、任意の加工対象物または加工対象物の一部がＴｈ２を越えるエネルギーに暴露され、かくして所望されるように焼結される前に、そうでなければ、閾値Ｔｈ２（図２）を下回るエネルギーが任意の加工対象物または加工対象物の一部に達することから遮蔽することが望ましい。

いくつかの実施形態では、コンベヤベルトシステムは、焼結の間基板を継続的に移動される。そのため、一般的に、速度は、ランプの閃光頻度と協調される。他の実施形態では、コンベヤは、段階的な様式で移動される。加工対象物（単数または複数）が静止している状態で、光源を移動させることができる。

一実施形態において、焼結システムは、エネルギー源と、基板と、基板上に位置するナノ材料と、１つ以上の光遮断器とを備える。ナノ材料の部分的焼結を回避するために充分な量の光エネルギーが光遮断器が遮断するように、光遮断器は光源と基板との間に位置する。ナノ材料としては、銅、銀、金、パラジウム、錫、タングステン、チタン、クロム、バナジウム、アルミニウム、およびこれらの合金が挙げられるが、これに限らない。

一実施形態において、光遮断器は、光源に近接する（すなわち、近距離、または近い距離である）。他の実施形態において、光遮断器は、基板と近接する。１つ以上の実施形態において、光遮断器は、垂直方向、水平方向または角度付けされた方向に配向される。光遮断器の近接は、物理的なアパチャサイズおよび形状、移動速度、放射エネルギー源の種類、および材料特性を含むシステムの多様なパラメータに依存する。いくつかの実施形態において、エネルギー源は、主放射エネルギー源としてパルスランプまたは閃光電球を含む。

一実施形態において、光遮断器は、基板に近接しているが基板材料と接触しない状態で、位置する。一実施形態において、光遮断器は、ランプから加工対象物への距離の少なくとも５０％の距離に位置する。他の実施形態において、マスクは、ランプから加工対象物への距離の少なくとも６０％、または７０％、または８０％、または９０％、または９５％にある。正確な距離は、システムの１つ以上のパラメータに依存することができる（例えば、マスクの幾何学形状、加工対象物の構成、コンベヤ速度、およびエネルギーレベル）。

１つ以上の実施形態において、可動シャッターが、基板が光源へと暴露されるタイミングを調整する。１つ以上の実施形態において、基板が検出器をトリガすると、検出器は、基板が光源の真下に来るまで光遮断器（例えば、光遮断板の形態のもの）を特定のポイントへと移動させる。

別の態様において、エネルギーをさらに向けることができるマスクとして１つ以上の反射器を用いる。反射器としては、画像反射器が挙げられるが、これに限らない。いくつかの実施形態において、反射器の特定の部分を除去することにより、角度付けされた光を低減する。いくつかの実施形態において、反射器は、光源から基板へと発射された光を反射する。反射器は、アパチャを生成し、基板に当てられる、向けられたエネルギーを最大化する。反射器の反射面は、光源からの光を基板上の処理される位置へと向けるための所定の角度において形成することができる。基板と光源との間の反射器の位置を調節することができ、それによって、反射面からの反射光の強度を増減することができる。

一実施形態において、光源は光を上向きに発射する。別の実施形態において、光源は光を下向きに発射する。光源が光を発射する方向は、多様な加工対象物（基板および光遮断器を含む）の条件および位置に基づいて決定することができる。

本明細書中記載されるシステムおよび方法は、焼結の間の迷光を低減するために、単独で用いることができ、あるいは相互に併用することができる。

焼結システムは、基板がコンベヤ上に直接配置されるコンベヤシステムを含むことができる。コンベヤは、基板を搬送するために、例えば２フィート／分〜１０００フィート／分で作動することができる。コンベヤ制御モジュールは、基板が移動される速度を決定することができる。例えば、コンベヤシステムは、スタート／ストップ式に作動することもできるし、あるいは連続的に作動することもできる。コンベヤの動きは、加工対象物が焼結のために必要とされる充分な量のエネルギーを確実に受けることができるように、閃光動作と協調される。エネルギーを１度に１つの部分に対して提供し、その後別の部分に提供することができるように、加工対象物はより大型のピースを含むことができる。あるいは、例えばコンベヤ上に異なるピースを連続させることもできる。マスクは、加工対象物を相互に近密に配置し、これにより１つの加工対象物（または一群の加工対象物）を焼結し、他の加工対象物を部分的に焼結しないようにすることを可能にすることができる。

システムは、接触遮断板をマスクの、ランプと最初に接触する側部に取り付けることを含むことができる。システムは、光ビームを狭窄化するためおよび／または光ビームを特定の方向に整列するためのコリメートデバイスを含むことができる。

別の態様において、電子材料を基板上に載置した後でありかつ電子材料をともなう基板が光焼結ステーションに到達する前のタイミングにおいて、基板を溶液でコーティングする。溶液は、迷光に起因する部分的焼結を低減または排除するが、直接的光（例えば、ランプ下の光）による焼結は可能にする。この溶液は、角度を有して入来するエネルギーに対する光遮断器として機能する。１つ以上の実施形態において、コーティングは焼結の間に直接的光による力によって後で、および／またはその後のプロセスによる「洗い流し」によって除去することができる。

パルスランプの動作パラメータの例示的範囲は以下を含む。
１．パルス持続時間：１μｓ〜１００，０００μｓ（１／３ピーク値において測定）。
２．パルスあたりのエネルギー：１ジュール〜５，０００ジュール。
３．パルス繰返し数：１パルス〜１，０００パルス／秒。
４．パルスモード：単一パルス、バーストまたは連続パルシング。
５．ランプ構成（形状）：直線、らせん、またはｕ字型。
６．スペクトル出力：１８０ナノメートル〜１，０００ナノメートル。
７．ランプ冷却：大気、強制空気または水。
８．波長選択（ランプ外部）：無しまたはＩＲフィルタ。
９．均一性範囲±０．１％〜±２５％（中心から縁部）
１０．ランプハウジングウィンドウ：無し、パイレックス（登録商標）、石英、ｓｕｐｒａｓｉｌまたはサファイア。
１１．上部と下部の順序付け：上部ランプ０％〜１００％と、下部ランプ０％〜１００％との間の任意の組み合わせ。

本発明の実施形態について説明してきたが、本明細書中に記載の本発明の範囲から逸脱することなく改変を行うことが可能であることが明らかである。本システムは、他のフィルターと共に用いることが可能である。

Claims (19)

1. 焼結システムであって、
   加工対象物へエネルギーを提供し、１／３ピーク値において測定された１μｓ〜１００，０００μｓのパルス持続時間、および１〜５０００ジュール／パルスを有するランプと、前記ランプと前記加工対象物との間に位置し、前記ランプからのエネルギーが前記加工対象物の第１の部分に到達しないように遮断する一方、前記ランプからのエネルギーが前記加工対象物の第２の部分へ到達することを可能にする光遮断器と、を含む閃光電球システムを備える、システム。
2. 前記加工対象物と組み合わせで、前記加工対象物は、基板上に金属ナノ材料を有する導電性インクをともなう前記基板を含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記光遮断器は、前記ナノ材料の部分的焼結を回避できるだけの充分な量のエネルギーを遮断する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記ナノ材料は銅ナノ粒子を含む、請求項３に記載のシステム。
5. 前記ランプシステムは、加工対象物を保持するためのコンベヤをさらに含み、前記コンベヤは、前記ランプからのエネルギーが加工対象物へ付加される方向に対して実質的に垂直な移動方向において可動であり、前記マスクは、前記コンベヤの入来側上の前記加工対象物の一部からエネルギーを遮断する、請求項１に記載のシステム。
6. 前記閃光電球はＵＶランプを含む、請求項１に記載のシステム。
7. 前記ランプは閃光電球を含み、前記光遮断器は、アパチャを含むマスクを含む、請求項１に記載のシステム。
8. 前記光遮断器は、閾値を下回るエネルギーが前記加工対象物の第１の部分に到達することを回避する一方で、閾値を上回るエネルギーが前記加工対象物の第２の部分に到達することを可能にするマスクを含む、請求項１に記載のシステム。
9. 前記加工対象物は充分に大きく、前記ランプが一度に一部分を焼結する、請求項２に記載のシステム。
10. 前記加工対象物は別個のユニットを含み、前記別個のユニットのうち１つ以上が前記ランプからのエネルギーに暴露されるように配置される一方で、前記別個のユニットのうちの他の１つ以上のピースは前記エネルギーから遮断されるように、前記別個のユニットのうち他の１つ以上の部分が配置される、請求項２に記載のシステム。
11. 前記光遮断器はシャッターを含む、請求項１に記載のシステム。
12. 閃光電球システムを含む閃光電球焼結システムであって、前記閃光電球システムは、基板および金属粒子を含む導電性インクを有する加工対象物に、前記導電性インクを所望の伝導度となるよう焼結できるだけの充分な第２の閾値よりも高くかつ前記エネルギーがそれより高いと前記基板を損傷する第３の閾値よりも低いエネルギーを提供する閃光電球と、前記ランプと前記加工対象物との間に位置し、前記第２の閾値よりも低い第１の閾値を超える前記ランプからのエネルギーが、そうでなければ前記エネルギーが前記加工対象物を部分的に焼結させることになる前記加工対象物の第１の部分に到達するのを遮断し、一方で、前記第２の閾値と前記第３の閾値との間の前記ランプからのエネルギーが前記加工対象物の所望の第２の部分に到達することを可能にし、これにより前記加工対象物中の導電性インクを焼結させる光遮断器とを含む、閃光電球システムを備える、閃光電球焼結システム。
13. 前記第２の部分に対する前記エネルギーは、ナノ粒子を有する導電性インクを焼結するの充分である、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記第２の部分に対する前記エネルギーは、銅ナノ粒子を有する導電性インクを焼結するのに充分である、請求項１２に記載のシステム。
15. 前記システムは、加工対象物を保持する、前記ランプからのエネルギーが加工対象物へ付加される方向に対して実質的に垂直な移動方向において可動なコンベヤを含み、前記光遮断器は、前記コンベヤの入来側上の前記加工対象物の一部からのエネルギーを遮断する、請求項１２に記載のシステム。
16. 前記閃光電球は、１／３ピーク値において測定された１μｓ〜１００，０００μｓのパルス持続時間で、１〜５０００ジュール／パルスのエネルギーのパルスを提供する、請求項１２に記載のシステム。
17. 微粒子を含む導電性インクを有する加工対象物を焼結する方法であって、
    加工対象物をコンベヤに沿って前記加工対象物の所望の部分がエネルギーへと暴露される領域へと移動させることと、閃光電球によって充分なエネルギーを所望の領域へと付加して前記導電性インクを焼結できるようにすることと、前記加工対象物の他の部分からのエネルギーを遮断して部分的焼結を回避することと、を含む、方法。
18. 加工対象物を保持するコンベヤに沿って加工対象物を導入することであって、前記コンベヤは、前記ランプからのエネルギーが加工対象物へ付加される方向に対して実質的に垂直な移動方向において可動である、導入することを含み、前記遮断することは、前記コンベヤの入来側上の前記加工対象物の一部からエネルギーを遮断することを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記焼結することは、金属粒子を含む導電性インクをともなう基板を焼結することを含む、請求項１７に記載の方法。

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