JP2015513783A - 表面上に導電性パターンを生成する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

表面に導電性パターンを生成する方法及び装置が開示される。導電性固体粒子が基板の表面の所定形態の領域上に転写される。導電性固体粒子は、導電性固体粒子の特有の融点より高い温度まで加熱され、したがって溶融物をもたらす。溶融物は、ニップにおいて基板に対して押圧され、そこでは、溶融物に接するニップの部分の表面温度は、上記特有の融点より低い。【選択図】図１

Description

本発明は、包括的には、基板上に導電性パターンを生成する技術に関する。特に、本発明は、上記導電性パターンが印刷によって生成される場合に関する。

プリンテッドエレクトロニクスは、多種多様の消費者製品に電子機能を費用効率よく組み込むことを可能にすることが期待できるように見える。ここで、従来のエポキシベース又はポリエステルベースの回路基板がプリント回路基板（ＰＣＢ）と呼ばれることが多い場合であっても、ＰＣＢは、プリンテッドエレクトロニクスの実際の定義を満たすものではないことを留意するべきである。ＰＣＢでは、（シルクスクリーン）印刷の使用は、不要な銅をエッチングする前に耐エッチング性インクパターンを生成することとともに、他の点では完成している基板の表面に可視マーキングを生成することに限定される。真のプリンテッドエレクトロニクスは、電子回路の実際の機能素子を構成する導電性パターン、半導性パターン及び／又は場合によっては他のパターンが、印刷プロセスにおいて基板上に形成されることを意味する。必須ではないが、プリンテッドエレクトロニクスを生成するために使用されるプロセスは、いわゆるロールツーロール型である場合に非常に有利であり、それは、基板が、印刷ステップのために巻き出され、印刷ステップの後にロールに再度巻回することができる、長い巻かれたウェブの形態でもたらされる可能性があることを意味する。別の広く使用されている送り機構は、シート送りであり、その場合、基板が、印刷プロセスを通して送られる多数のシートの形態でもたらされる。

プリンテッドエレクトロニクスを生成する重要な問題は、導電性材料が基板の所望の部分にのみ分散し付着することを確実にする方法である。特許文献１の公開番号で公開されたＰＣＴ出願は、電気めっき、スクリーン印刷、フレキソ及びグラビア印刷を含む既知の方法の簡単な検討を含む。他の既知の方法としては、インクジェット印刷、及び導電性インクを用いるオフセット印刷が挙げられる。既知の方法の多くには、粒子サイズが噴霧ノズル等を詰まらせないように十分小さい非常に微粒子の金属粉末のように、費用のかかる原料が必要であるという欠点がある。

上記ＰＣＴ出願は、空間的に分散した電荷若しくは接着剤のいずれか又は両方を用いることにより、導電性粒子を引き寄せるパターンが基板に最初に提供される、改善された方法を開示している。導電性粒子（この場合、例えばインクジェット塗布の場合よりサイズがはるかに大きい可能性がある）は、所望のパターンにのみ付着するように、パターン化基板の上に分散する。そして、加熱ロールを備えた焼結ステーションを使用して、粒子で覆われたパターンが焼結され、基板に付着したままである最終的な導電性トレース及び領域になる。特許文献１として公開されたＰＣＴ出願は、引用することにより本明細書の一部をなす。

国際公開第２００９／１３５９８５号

上記改善された方法は、多くの先行する方法と比較して明確な進歩を表すが、剥離強度、導電性の連続性、種々の導電性化合物及びロール材料の適用可能性、並びに生産速度のような領域において改善の余地を残している。

本発明の態様の有利な特徴は、優れた付着力、高い剥離強度及び優れた導電性の連続性により、基板に導電性パターンを生成する方法及び装置を提供することである。

本発明の目的は、基板に付着した導電性粒子をそれらの融点を越えて加熱し、その後、それらを、有効温度が上記融点未満である低温ニップにおいて基板に対して押圧することにより、達成される。

本発明の一態様によれば、基板に予め付着した導電性粒子が、好ましくは非接触加熱方法により、導電性粒子の特有の融点より高い温度まで加熱される。「特有の」融点とは、例えば、導電性粒子が、２つ以上の成分が異なる粒子において及び／又は更には単一の粒子内で別個のままである複合粒子である場合、複数の溶融粒子からもたらされる溶融物内での凝集の生成に主に影響を与える成分が溶融する融点を言う。「特有の」融点を別の方法で定義すると、当の物質が主により粘性があるか粘性がない流体として挙動し始める温度、及び／又は当の物質がその温度を超えるとそのように挙動し始める温度であると言える。導電性粒子は、組成が均一であり、明確な融点を有する１つの金属又は合金のみからなる場合、直接的に、特有の融点はその金属又は合金の融点である。

上記加熱のすぐ後、溶融した導電性材料が著しい程度まで固化しない時間枠内で、溶融した導電性パターンを有する基板は、いわゆる低温（cold）ニップに運ばれ、そこで、パターン化表面基板に対して圧力が加えられる。「低温」であるニップは、ニップにおいてパターン化基板と接触する少なくとも１つの物体の温度が、上記特有の融点を下回ることを意味する。それは大きく下回る必要はなく、多くの場合全く反対に、低温ニップにおける温度は、融点よりわずかに低い場合に有利であることが分かった。したがって、室温に比較して、「低温」ニップを実施するロール又は他の実体を、実際には比較的高温であるとみなすことができる。圧力が、溶融した導電性材料の拡散及び合着に影響を与えることに加えて、相変態に影響を与えることも考慮しなければならない。合わせて、低温ニップにおける圧力及び温度は、導電性材料が、基板の表面における所望のサイズ、形状及び位置の本質的に導電性のパッチを形成する実質的に固化した形態でニップを離れるようなものである。

本発明の特定の種類の態様は、表面上に導電性パターンを生成する方法であって、以下の順序で、
紙、厚紙、ポリマーフィルム、布地、不織布材料のうちの１つを含む基板の表面の所定形態の領域上に、導電性固体粒子を転写することと、
前記導電性固体粒子を、該導電性固体粒子の特有の融点より高い温度まで加熱し、それにより溶融物を生成することと、
ニップにおいて前記溶融物を前記基板に対して押圧することであって、前記溶融物に接する前記ニップの部分の表面温度は、前記特有の融点より低いことと、
を含む、表面上に導電性パターンを生成する方法に関する。

本発明の別の特定の種類の態様は、表面上に導電性パターンを生成する装置であって、
紙、厚紙、ポリマーフィルム、布地、不織布材料のうちの１つを含む基板の表面の所定形態の領域上に、導電性固体粒子を転写するように構成された粒子ハンドラーと、
前記基板の前記表面の導電性固体粒子を、該導電性固体粒子の特有の融点より高い温度まで加熱するように構成され、それにより溶融物を生成するように構成されたヒーターと、
前記基板に対して前記溶融物を押圧するように構成されたニップと、
前記溶融物に接する前記ニップの部分の表面温度を前記特有の融点より低く維持するように構成されたニップ温度調整器と、
を具備する、表面上に導電性パターンを生成する装置に関する。

本発明の特性とみなされる新規な特徴は、特に、添付の特許請求の範囲に示されている。しかしながら、本発明自体は、その構造及びその動作方法の両方に関して、その追加の目的及び利点とともに、特定の実施形態の以下の説明を添付図面に関連して読むときにそこから最もよく理解されるであろう。

本特許出願で提示される本発明の例示的な態様は、添付の特許請求の範囲の適用範囲に対して制限を加えるように解釈されるべきではない。本特許出願において、「具備する、備える、含む（to comprise）」という動詞は、列挙されていない特徴も存在することを排除しない開かれた限定（open limitation）として使用されている。従属請求項で列挙されている特徴は、別段に明示的に述べていない限り、相互に自由に組合せ可能である。

本発明の一実施形態による方法及び装置を示す図である。 本発明の一実施形態による、基板上に導電性固体粒子を転写することを示す図である。 本発明の別の実施形態による、基板上に導電性固体粒子を転写することを示す図である。 本発明の更に別の実施形態による、基板上に導電性固体粒子を転写することを示す図である。 赤外線加熱を示す図である。 ミリメートル又はマイクロメートル波加熱を示す図である。 フラッシュランプ加熱を示す図である。 レーザー加熱を示す図である。 加熱のために加熱ロールを使用することを示す図である。 加熱のために加熱ガス流を使用することを示す図である。 相対的に大きい接触角での溶融物を示す図である。 相対的に小さい接触角での溶融物を示す図である。

図１は、本発明の一実施形態による方法及び装置両方の原理レベルの概略図である。基板ハンドラー機構は、例えば繊維ウェブがロールから巻き出される巻出しステーションとすることができる基板フィーダー１０１、又はシート若しくは対応する平面基板片が積層体から取り出される積層体ハンドラーを備えている。基板は、全体として参照識別子１０２で指定され、多種多様の材料、形状及び厚さのうちのいずれとすることもできる。紙、板及びポリマーフィルム（プラスチック）が、優れた基板と考えられてきたが、他の同様の非導電性表面を使用することもできる。

非導電性を想定する理由は、基板も導電性であり、そのため基板がパターンを互いに短絡させる場合、特にプリンテッドエレクトロニクスの目的で明確に導電性であるパターンを作成することが、それほど重要でないことにある。したがって、紙又は板は、コート、非コート、上質又は中質とすることができる。多層基板もまた使用可能であり、その場合、基板は完全に非導電性である必要はなく、導電性パターンが印刷される表面が非導電性であれば十分である。他のあり得る基板としては、例えば、布地、不織布材料、エレクトロニクス産業の回路基板、成形品及びガラスが挙げられる。更なる可能性には、壁紙及び床コーティング、未焼成セラミック及び焼成セラミック、（バイオ）ポリマー基体及び複合材等の建築材料が含まれる。列挙した基板の各々には、それ自体の用途領域及び利点がある。

図１の例では、基板フィーダー１０１が、基板１０２の表面に付着領域１０３を生成する手段も備えるものと想定する。本発明において、付着領域を生成することは必須ではないが、付着領域は、プロセスにおける次のステップを簡略化するのに役立つことができる。付着領域は、導電性固体粒子（次のステップで基板の表面に転写される）の基板への付着が、付着領域内の方がその外側より強力であるということを特徴とする。本発明において、付着力を増大させる実際の機構が何であるかは重要ではなく、それは、例えば、分散付着（すなわち接着）又は静電付着とすることができる。前者の一例として、基板フィーダー１０１は、接着剤又はラッカーを基板の上に散布して所定形態の付着領域を生成するように構成される接着剤印刷又はラッカー塗装セクション（別個には示さず）を備えることができる。静電付着による場合、基板フィーダー１０１は、基板の（又は基板表面上の）静電荷の空間分布を生成して所定形態の付着領域を生成するように構成された、帯電セクションを備えることができる。場合によっては、付着領域１０３が基板の表面全体を覆うようにすることが望ましい可能性があり、それは、表面全体が導電性パターンで覆われるべきであるためであるか、又は導電性パターンの形態及びサイズが、付着領域の一部にのみ導電性固体粒子を選択的に転写することによって決まるためである。したがって、「所定形態」という概念の限られた例が、基板全体の形態であると結論付けることができる。

図１のセクション１０４で行われるように示されているプロセスステップは、基板１０２の表面の所定形態の領域上に導電性固体粒子を転写することを含む。したがって、セクション１０４における動作に関与する装置の部分を、粒子ハンドラーと呼ぶことができ、この粒子ハンドラーは、基板１０２の表面の上記所定形態の領域上への導電性固体粒子の上記転写を実施するように構成されている。粒子ハンドラーのあり得る例示的な実施態様については、本文書において後に詳細に説明する。図１の例示的な実施形態では、導電性固体粒子が、基板フィーダー１０１内に生成された付着領域にのみ選択的に施されるものと想定する。必要な付着を同時にもたらすことを含む方法を用いて、基板の表面上に導電性固体粒子を転写することも可能である。例えば、導電性固体粒子を、導電性固体粒子に加えて、接着特性を有する流体又はゼラチン状物質を含む化合物の一部としてもたらすことができる。それにより、セクション１０４に先行するあらゆるステップにおいて付着領域１０３の準備作成を完全に不要とすることができ、他方で、付着領域の準備作成を省くことにより、粒子ハンドラーの動作精度に対してより厳密な要件が課される可能性があり、それは、粒子ハンドラー単独で、基板の表面の所望の所定領域のみが導電性固体粒子で覆われることを確実にしなければならないためである。

１０５として概略的に示す方法ステップ及び装置セクションは、導電性固体粒子を、導電性固体粒子の特有の融点より高い温度まで加熱することを含む。非接触加熱方法を適用するように構成されたヒーターを使用することは、加熱により、基板の表面においてスミアリング又は導電性材料の空間分布の望ましくない巨視的変化が容易にもたらされないという有利な特徴を含む。言い換えれば、導電性物質は、意図された適所に留まる。しかしながら、本発明は、接触する加熱方法を明確に排除しない。特に、接触加熱方法は、非常に低い接触圧の使用を含む場合、おそらくは同じ有利な非スミアリング特徴を有する。加熱の結果として、溶融物が生成される。

１０６として概略的に示す方法ステップ及び装置セクションは、いわゆる低温ニップであり、そこで、「低温」という識別子は、そのニップに先行する加熱セクションに比較して「相対的に低温」であることを意味するように理解しなければならない。低温ニップにおいて、セクション１０５において加熱によって生成された溶融物が、基板１０２に対して押圧される。本発明では、付着領域１０３を生成するために基板の表面に接着剤を使用することが可能である（ただし必須ではない）ため、基板に対して溶融物を押圧することは、概念的に、基板に対して溶融物を直接押圧することと、溶融物と基板との間の基板の表面に位置する接着剤層に対して溶融物を押圧することとをともに包含する。溶融物に接する低温ニップの部分の表面温度は、上述した特有の融点より低い。したがって、低温ニップにより、元々は固体の導電性粒子の、以前に溶融した材料が再度固化するが、この場合、別個の粒子の形態ではなく、導電性固体粒子が粒子ハンドラー１０４に転写された基板の表面の領域を覆う、本質的に連続した導電性層の形態である。

低温ニップにおいて、上記特有の融点よりわずかに低い有効温度（すなわち、溶融物に接する低温ニップのその部分の表面温度）を維持することが有利であることが分かった。これにより、例えば、溶融物が、基板に対して押圧される前に時期尚早に固化しないことが確実になる。それにより、ニップ圧の下で、溶融物が、流れて目標とする導電性の本質的に連続した層を形成するとともに、基板表面の最終的な細孔又は空隙内に流れ込むのに、依然として幾分か時間があり、それにより付着が促進されるように、固化は十分に低速に起こることも確実になる。他方で、低温ニップ（溶融物の溶融状態を維持することを意図する高温（hot）ニップではなく）を使用することには、ニップ圧にも関らず、所望の導電性パターンの縁がそれらの位置及びサイズを大部分維持するという利点がある。言い換えれば、溶融した導電性材料は、非導電性のままであるように意図された基板の領域を充填し、汚損し又はそこに滴下するように基板の表面を横切って噴出しない。

本発明の一実施形態によれば、低温ニップ温度と特有の融点との差は、約５０℃〜６０℃以下であり、すなわち、溶融物に接するニップの部分の表面温度は、特有の融点を６０℃下回る温度以上である。多くの場合、更にはるかに小さい温度差を使用することができる。低温ニップ温度と特有の融点との最適な差は、（少なくとも或る程度）基板がプロセスを通して駆動される速度の関数である。一試験配置では、基板は、６ｍ／分で駆動され、温度は、特有の融点に対して１７５℃と１７７℃との間（両端値を含む）であり、低温ニップに対して１４２℃であった。他のすべてが同じように維持されたが、駆動速度が１０メートル／分まで増大した場合、最適な低温ニップ温度は１５１℃であることが分かった。上記試験配置では、全体的な結論は、５メートル／分と１０メートル／分との間で変化する駆動速度では、低温ニップ温度を、１３５℃から１５５℃（両端値を含む）の範囲で選択するべきであり、高い駆動速度ほど高い低温ニップ温度に対応する、ということであった。

上記試験配置で使用された金属合金は、加熱されると、すでに１３５℃で軟化し始めるが、１７７℃（このため、上記例で使用された特有の融点に対して幾分か柔軟な値）でのみ完全に溶融することを留意するべきである。非共晶金属合金に対して、それらがいわゆる固相線温度及び液相線温度を有し、それらの温度の間で、より低い融解相の溶融物において固体粒子のペーストとして存在することは一般的である。非共晶合金によっては、液相線温度を特有の融点とみなすことがより適している場合があり、それは、液相線温度を超えると、当の物質は主に流体として挙動することが確実であるためである。一方、他の何らかの非共晶合金の場合、その固相線温度と液相線温度との間の物質の挙動は流体状である（例えば、２つの金属の合金が比較的少量の高温溶融金属しか含まない場合）ので、固相線温度（又は固相線温度と液相線温度との間の他の何らかの温度）を特有の融点とみなすように判断することができる。

非共晶合金は、概して、融点として明確な単一温度を有する共晶合金又は純金属より更に、本発明の目的に非常に適していることが分かった。これは、液相線温度未満ですでに流体状に挙動し始める、上述した種類の非共晶合金に対して特に当てはまる。部分的に溶融した合金は、ポリッジ又は相対的に粘性の流体のように挙動する可能性があり、それにより、基板の表面におけるその移動は、予見可能かつ制御が容易になる。さらに、固相線温度と液相線温度との間の温度範囲により、装置の様々な部分の温度を制御する際に幾分かの許容差が可能になる。逆に、共晶合金又は純金属は、完全固体状態と非常に低粘度の液体状態との間に非常に急峻な遷移を示す可能性があり、それにより、正確な温度を維持し、加熱時及び加熱後に導電性材料の流れを制御することが困難になりやすくなる。

生成された導電性パターンが本質的に連続的であるということは、それらが、各パターンを通して導電性物質の所望の断面を提供し、それにより電気抵抗が非常に高くはならない程度まで、連続的であればよいことを意味する。必要な連続性（及び位置の精度）を定義する別の要素は、印刷された導電性パターンに取り付けられる構成部品におけるコンタクトパッドのサイズとともに、こうした取り付けが行われる精度である。コンタクトパッドの通常のサイズが平方ミリメートルの桁である場合、対応する印刷された導電性パターンにおける個々の細孔は、例えば数１００マイクロメートル以下の程度のものより小さい場合、極めて許容可能であり得ることが容易に理解される。

本発明の幾つかの実施形態では、いわゆる低温ニップ温度を、使用される導電性材料の特有の融点に等しいか又は略等しい温度に維持することが更に有利である可能性がある。それが、材料の実際の固化が低温ニップの直後にのみ起こり低温ニップ自体では起こらないことを意味する可能性がある場合であっても、低温ニップのローラーによって加えられる圧力には、依然として、例えば付着力及び表面平滑さに関して非常に有利な効果がある可能性がある。

図１に概略的に示す基板ハンドラー機構は、基板収集器１０７を備え、そこで、表面に完成した導電性パターンを有する基板が収集される。基板収集器１０７は、例えばワインダーステーション又はスタッカーを備えることができ、そこで、基板のような連続したウェブがロールに巻き取られるか、又はシート状基板の切片がそれぞれ積み重ねられる。基板収集器１０７は、後処理手段も備えることができ、それらは、例えば、冷却、静電荷の除去、コーティング、基板内若しくは基板上に存在する物質の揮発性成分の蒸発等により、導電性パターンを形成した後の基板に対して後処理を行うように構成されている。

次に、上述したセクションのうちの幾つかを実際に実施する幾つかの例を考慮する。図２は、基板１０２上に接着剤塗布器２０１によって接着剤を拡散させることによって付着領域１０３が生成される、本発明の一実施形態を示す。平面、シート状又はウェブ状の基板の表面上に接着剤を塗布する非常に多種多様な方法が、長期にわたって既知であり、本発明において、いずれの方法が使用されるかは重要ではない。図１の概略図では、接着剤の塗布は、基板フィーダー１０１に含まれる。

したがって、接着剤の塗布されたパッチは、付着領域を構成する。導電性固体粒子をこれらの領域の上に転写するために、基板は、転写ロール２０２を通過して案内され、転写ロール２０２は、本発明のこの実施形態では、わずかに粘着性の表面を有しかつ導電性固体粒子の流動粉末床２０３を通して回転するように構成されている。これらは、転写ロール２０２の表面に一時的に付着し、同時に、特定の極性の電荷を取得する。通過する基板の後方に、反対の極性の対極２０４が位置し、それにより、帯電した導電性粒子が生成された電場に遭遇したとき、対極２０４に向かって流動する傾向がある。接着剤にぶつかる導電性粒子はそこに留まる一方で、他の導電性粒子は流動粉末床２０３に戻る。

電場の使用は、本発明のこの実施形態において単に追加の特徴である。寸法決めが正しい場合、一方では転写ロールの粘着性表面の付着特性及び他方では付着領域の付着特性にのみ頼ることにより、導電性固体粒子を、転写ロール２０２から付着領域まで飛び越えさせることができる。転写ロールのわずかに粘着性の表面に一時的に付着する粒子は、付着領域に接触する場合に付着領域により強力に貼り付き、したがって転写ロールの表面から剥離される一方で、基板１０２の露出した表面のみと接触する粒子は、転写ロールに付着したままである。「粘着性」である転写ロールの表面は、その表面と導電性固体粒子との間の付着がもたらされる方法を制限せず、特に、転写ロール表面と導電性固体粒子との間の付着は、接着性化学化合物が粘着性テープにおいてもたらす種類の分散付着に限定されない。導電性固体粒子が磁性を有する場合、付着を磁気でもたらすことができる。材料及びそれらの特性が可能とする場合、静電付着も考慮することができる。

図３は、付着領域の生成及び導電性固体粒子の転写の両方が異なる方法で実施された本発明の一実施形態を示す。付着領域を生成するために、基板がそれ自体は導電性でなく、したがって電荷の自発的な均衡を容易に可能にしないという事実を利用して、基板に静電荷の空間分布が生成される。この実施形態では、静電荷の空間分布は、コロナワイヤ３０１が回転グリッドロール３０２の内部に負電荷を放出するのを可能にすることによって生成される。基板１０２の方向に対極３０３があり、それは、コロナワイヤ３０１より正の電位を有し、電子を基板１０２に向かって加速させる電場を発生する。グリッドロール３０２の開口部を通過する電子は、基板の表面に突き当たり、それにより、過剰な負電荷の局部パッチが生成される。これらは、付着領域１０３を構成する。

粒子ジェット３０４を使用して、連続的に、又は粒子ジェット３０４が向けられているスポットにおける帯電した付着領域の既知の発生と同期して、導電性固体粒子が基板に向かって吹き出される。粒子ジェット３０４に結合された正電圧により、導電性固体粒子が正電荷を取得し、それによりクーロン相互作用によって、帯電した付着領域に向かって押し出されることが確実になる。収集システム３０５が、基板から跳ね返るか又は他の理由で付着領域に付着しなかった導電性固体粒子を収集する。

図２の実施形態と外面的に類似し、したがって図２によっても表すことができる本発明の一実施形態は、誘電体転写ロールの外面に電荷の空間分布が生成される実施形態である。導電性固体粒子は、誘電体転写ロールの表面に接触し、そこで、導電性粒子は、クーロン相互作用によって一時的に適所に保持されたままであるが、この場合は、基板の上に形成される所望の導電性パターンに対応する位置にのみ保持される。誘電体転写ロールは、基板の表面上に導電性固体粒子を転写するために基板に対して押圧される。

電場を使用して付着領域上に導電性固体粒子を転写するか、又は導電性固体粒子を付着させることは不要である。導電性固体粒子の移動を、特に、付着領域を生成するために基板上に接着剤が拡散される本発明の実施形態において、純粋に機械的な手段によって生成することができる。例えば、図３の粒子ジェット３０４及び収集システム３０５を、電圧を印加することなくこうした実施形態で使用することができる。

図４は、導電性固体粒子が、導電性固体粒子に加えて流体又はゼラチン状物質を含む化合物４０１の一部として、基板の表面の適切な領域上に転写される、本発明の一実施形態の概略図である。この目的で、粒子ハンドラーは、図４において参照数字４０２によって概略的に示す塗布器を備えている。ここでは、化合物４０１をペーストとして示すことができる。本発明において、何が塗布器４０２の正確な実施態様であるかは重要ではなく、例えば、はんだペーストを回路基板に塗布する技術から、平面基板の所望の領域上にペースト状化合物を塗布する既知の多数の異なる技法がある。

本発明により、導電性固体粒子のサイズを相対的に大きくすることができ、これは、粒子がペースト状化合物の一部である実施形態と、粒子が乾燥粉末として基板上に転写される実施形態との両方に適用されることを留意するべきである。これは、導電性固体粒子が、必要なサイズが小さいほど高価となる傾向があるため、重要である。例えば、本明細書を書いている時点で、銀ペーストが既知であり、インクジェット型塗布に対して推奨され、最大銀粒子サイズは１マイクロメートルであり、価格は１リットル当り数千ドルである。比較すると、サイズクラスが数十マイクロメートルである錫含有合金の粒子は、キログラム当りわずかに数十ドルの価格である。後者は、本発明の目的に完全に適している。

例えば、塗布器４０２としてシルクスクリーン型塗布方法が使用され、印刷ペーストにおける導電性粒子の密度が十分に高い場合、基本的に、（おそらくは印刷ペーストの揮発性化合物を蒸発させる乾燥期間の後）基板の上の導電性パターンとして直接シルクスクリーン印刷領域を利用することが可能であることも留意するべきである。しかしながら、経験により、本発明の実施形態による加熱及び低温ニップを使用しなかった場合、導電性の連続性並びに曲げ抵抗及び剥離強度の所望の高い値に達することが困難であることが分かる。概略的に示す塗布器４０２として使用することができる他の印刷方法としては、限定されないが、オフセット印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷、凸版印刷及びインクジェット印刷が挙げられる。

導電性固体粒子を含むペーストを塗布する前に、基板の表面に何らかの特定の付着領域が生成されたか否かは、本発明には重要ではない。接着剤又は下塗り剤を使用して付着領域を生成することは、ペーストにおける流体又はゼラチン状物質の接着特性に対してそれほど厳密な要件を課さない形態での利点を含むことができる。付着領域が生成される場合、それらの生成に対して上述した方法のいずれを使用することもできる。さらに、付着領域は、基板の表面を予め調整する役割を果たすことができ、それにより、ペーストに対して所望の流動特性及び湿潤特性が達成され、及び／又は加熱後に、溶融物に対して所望の流動特性及び湿潤特性が達成される。

図５〜図１０に、非接触加熱方法の幾つかの例とそれらを適用するように構成されたヒーターとを示す。各場合において、基板１０２及びヒーターを通過するその推定される移動を、概略的に示す。図５は放射器５０１から来る赤外線に曝露することによる加熱を示し、図６はマイクロメートル又はミリメートル放射線源６０１から来るマイクロメートル又はミリメートル放射線に曝露することによる加熱を示す。これらの実施形態では、導電性固体粒子の温度の上昇が電磁放射の吸収に基づくすべての実施形態と同様に、導電性固体粒子及び基板の異なる吸収特性を利用することができる。それは、導電性固体粒子を加熱するために使用することができる誘導加熱にも当てはまり、それは、基板が誘電体であり、いかなる誘導的に生成される電流にも遭遇せず、したがって比較的低温のままであるためである。

図７は、広帯域放射光に曝露することによる加熱を示し、この場合、放射光は、薄膜コーティングのいわゆるフラッシュランプアニーリングで使用されるものと同様とすることができる放電ランプ７０１から来る。図８は、加熱が、レーザー光線に曝露することによって発生し、レーザー光線が、レーザー源８０１から発して、制御可能な光学部品８０２を使用することにより基板表面の所望の位置に制御可能に向けられる、本発明の一実施形態を示す。制御可能なミラー及びシャッターの結合された使用により、レーザービームを、加熱されるべき導電性固体粒子がある基板表面の位置にのみ正確に向けることができる。これは、特に、基板が、その不要な加熱を回避するべきである種類のものである場合に有利である可能性がある。

加熱方法を非接触方法として記載することは、厳密には接触するべきではないのは導電性固体粒子のみであることを意味し、例えば基板の他の部分に接触することは、本発明のそれらの実施形態では排除されないことを留意すべきである。したがって、この定義は、図９の実施形態も包含し、そこでは、加熱は、基板１０２の他の面を、この場合は加熱ロール９０１である加熱体と接触させることによって達成される。図１０は、更に別の代替的な非接触加熱方法を示し、そこでは、高温ガス流が、ヒーター１００１から基板１０２の表面に向かって現れる。

非常に低い接触圧を使用する接触加熱法は、例えば、導電性粒子が分散されている表面が加熱ロールを通過して、ただしいかなる著しい圧力も加えることなく駆動される方法である。ロールと導電性粒子との間の接触が極めて軽いままであることを確実にするために、基板の気密性又は剛性、及びロールの回転軸の正確な空間的調整に依存することができる。

プリンテッドエレクトロニクスの重要な用途は、ポリマー及び他の層も含む可能性がある、紙及び厚紙のような感熱基板の導電性表面の提供である。特許文献１として公開された特許出願番号第ＰＣＴ／ＦＩ２００８／０５０２５６号に開示されているような方法により、いわゆる低温はんだである（又はそれに類似する）金属化合物の導電性表面を作製することができる。こうした金属化合物の非限定的な例のリストとして以下が挙げられる（示されているパーセントは重量パーセントである）。
−錫／銀（３．４３％）／銅（０．８３％）
−錫／銀（２％〜２．５％）／銅（０．８％）／アンチモン（０．５％〜０．６％）
−錫／銀（３．５％）／ビスマス（３．０％）
−錫／亜鉛（１０％）
−錫／ビスマス（３５％〜５８％）
−錫／インジウム（５２％）
−ビスマス（５３％〜７６％）／錫（２２％〜３５％）／インジウム（２％〜１２％）
−錫（３５％〜９５％）／ビスマス（５％〜６５％）／インジウム（０％〜１２％）

室温では、最初の４つの列挙した例は、１８０℃と２２０℃の間で溶融する一方で、４つの最後に述べた例は、著しく低い温度、１００℃未満でも溶融する可能性がある。同時に、金属化合物の溶融並びに続く拡散及び合着は、上昇する圧力がそれらを促進することができるように圧力によって決まる可能性がある。溶融温度又は特有の融点は、ヒーターの寸法に対して重要であり、それは、ヒーターが、本質的に、溶融物を生成するために必要であるものよりはるかに高い温度を発生することができる必要がないためである。

本発明の一実施形態によれば、導電性粒子は、融点が１３９℃である、錫及びビスマスの合金から作製され、溶融物に接するニップの部分の表面温度は、本質的に１１０℃である。本発明の別の実施形態によれば、導電性粒子は、融点が７９℃である、錫、ビスマス及びインジウムの合金から作製され、溶融物に接するニップの部分の表面温度はわずか数度低い。

本発明の実施形態での実験により、導電性固体粒子を加熱することによって生成される溶融物と、溶融物が載る表面との間の接触角が或る特定の重要性を持つことが示された。図１１は、基板１０２を示し、基板１０２の上に、その表面に接着剤層１１０１を拡散させることによって付着領域が生成されている。１つ又は複数の導電性粒子が、付着領域上に転写され、（好ましくは非接触）加熱方法によって、導電性固体粒子の特有の融点より高い温度まで加熱されている。したがって、溶融物１１０２が生成されている。図１１の場合、溶融物の原子の成分間の凝集力は、溶融物の原子の成分とその下の表面（接着剤層１１０１）の原子の成分との間の付着力と比較して相対的に大きいものと想定する。その結果、接触角θ_ｃは比較的大きいままであり、溶融物による付着面の湿潤が適度なままであると言うことができる。

比較すると、図１２は、他の点は同様である状況を示すが、この場合、上述した凝集力及び付着力は、接着剤層１２０１に対してわずかに異なる材料を選択することによりバランスがより優れている。場合によっては、上記力の同様のバランスを、導電性固体粒子に対して異なる材料を選択することにより、又は導電性固体粒子が加熱される異なる温度を選択することにより、又は接着剤層の異なる厚さを使用することにより、又は接着剤層を合わせて除外することにより、又は或る特定の量の適切な補助材料を導電性固体粒子とともに表面上に運ぶことにより、又は適切なガス状雰囲気において（すなわち、ガス状雰囲気の圧力及び成分をともに適切に選択して）溶融ステップを行うことにより、又はこれらの方法のあらゆる組合せによって得ることができた。その結果、接触角θ_ｃは比較的小さくなる。溶融物による付着面のより優れた湿潤が発生すると言うことができる。

本発明の目的で、図１２に示す状況がより好都合である。言い換えれば、材料、材料厚さ、プロセス温度及び加熱ステップに存在する他の特徴を、溶融物と溶融物がある表面との間の接触角を小さくするように選択するべきである。本発明の目的で、小さい接触角を優れた湿潤に関連付ける、図１１及び図１２に示すような接触角の定義を使用する。幾つかの原因で、「接触角」という概念の異なる定義を使用することができることに留意するべきである。

様々な原因からかつ様々な理由で、揮発性物質は、基板、あり得る接着剤層及び／又は導電性固体粒子がある層で終わった可能性がある。例えば、接着剤層で使用された接着物質、又は導電性固体粒子のペーストを作製するために使用された液体若しくはゼラチン状物質は、扱い及び拡散をより容易にするために溶剤を含むことができる。この種の溶剤及び他の揮発性物質を、多くの場合、最終的な生成物からなくすべきであり、それには、それらが製造プロセスの何らかの段階で蒸発及び／又は化学的に反応するのを可能にする必要がある。加熱により蒸発が促進され、そのため、（特に適切な換気が対処される場合、）溶融物を生成するために使用された加熱方法が、例えば上述した流体又はゼラチン状物質の揮発性成分である可能性がある揮発性成分の蒸発を更に実施することができる。

上述した例に対して変更及び追加を行うことができ、それは、例が、添付の特許請求の範囲の適用範囲を限定するものではないことを意味する。

Claims (20)

1. 表面上に導電性パターンを生成する方法であって、以下の順序で、
   紙、厚紙、ポリマーフィルム、布地、不織布材料のうちの１つを含む基板の表面の所定形態の領域上に、導電性固体粒子を転写することと、
   前記導電性固体粒子を、該導電性固体粒子の特有の融点より高い温度まで加熱し、それにより溶融物を生成することと、
   ニップにおいて前記溶融物を前記基板に対して押圧することであって、前記溶融物に接する前記ニップの部分の表面温度は、前記特有の融点より低い、押圧することと、
   を含む、表面上に導電性パターンを生成する方法。
2. 前記導電性固体粒子を、前記基板の前記表面の前記所定形態の領域上に転写する前に、前記基板の前記表面に付着領域が生成され、前記導電性固体粒子の前記基板への付着力は、前記付着領域内で該付着領域外より強い、請求項１に記載の方法。
3. 前記付着領域を生成するために、前記基板上に接着剤が拡散される、請求項２に記載の方法。
4. 前記付着領域を生成するために、前記基板において静電荷の空間分布が生成される、請求項２に記載の方法。
5. 前記導電性固体粒子は、乾燥粉末の形態で前記所定形態の領域上に転写される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記導電性固体粒子は、該導電性固体粒子に加えて流体又はゼラチン状物質を含む化合物の一部として、前記領域上に転写される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記加熱は、前記流体又は前記ゼラチン状物質の揮発性成分の蒸発を更に実施する、請求項６に記載の方法。
8. 前記ニップにおいて前記溶融物を前記基板に対して押圧した後、前記基板内又は該基板上に存在する物質の揮発性成分の蒸発を含む、請求項６又は７に記載の方法。
9. 前記化合物を前記基板上に転写するために使用される前記印刷方法は、シルクスクリーン印刷、オフセット印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷、凸版印刷、インクジェット印刷のうちの１つである、請求項６〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記基板の前記表面に付着領域を生成し、その後、該基板上に前記化合物を転写するために、同じ印刷方法が使用される、請求項９に記載の方法。
11. 前記導電性粒子の前記加熱は、赤外線への曝露、マイクロメートル又はミリメートル放射線への曝露、広帯域放射光への曝露、レーザー光線への曝露、及び前記基板の他方の表面を加熱体に接触させることのうちの少なくとも１つを含む、非接触加熱方法によって達成される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 誘電体転写ロールの外面に電荷の空間分布が生成され、
    前記導電性固体粒子が、前記誘電体転写ロールの前記面と接触し、そこで、該導電性粒子が、クーロン相互作用によって適所に一時的に保持され続け、
    前記誘電体転写ロールは、前記導電性固体粒子を前記基板の前記表面に転写するために、該基板に対して押圧される、請求項１、２、３、４又は１１に記載の方法。
13. 前記溶融物と接する前記ニップの部分の表面温度は、前記特有の融点を６０℃下回る温度以上である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記導電性粒子は、１３５℃と１７７℃との間（両端値を含む）の特有の融点を有する、錫及びビスマスの合金から作製され、前記溶融物と接する前記ニップの部分の前記表面温度は、１３５℃と１５５℃との間（両端値を含む）である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記導電性粒子は、融点が１００℃未満である、錫、ビスマス及びインジウムの合金から作製される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記導電性粒子は、固相線温度及び液相線温度を有する非共晶合金から作製され、前記特有の融点は、前記固相線温度又は前記固相線温度と前記液相線温度との間である、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 表面上に導電性パターンを生成する装置であって、
    紙、厚紙、ポリマーフィルム、布地、不織布材料のうちの１つを含む基板の表面の所定形態の領域上に、導電性固体粒子を転写するように構成された粒子ハンドラーと、
    前記基板の前記表面の導電性固体粒子を、該導電性固体粒子の特有の融点より高い温度まで加熱するように構成され、それにより溶融物を生成するように構成されたヒーターと、
    前記基板に対して前記溶融物を押圧するように構成されたニップと、
    前記溶融物に接する前記ニップの部分の表面温度を前記特有の融点より低く維持するように構成されたニップ温度調整器と、
    を具備する、表面上に導電性パターンを生成する装置。
18. 前記基板の上に接着剤を拡散させて前記所定形態の領域を生成するように構成された接着剤印刷セクションと、
    前記基板に静電荷の空間分布を生成して前記所定形態の領域を生成するように構成された帯電セクションと、
    のうちの少なくとも１つを具備する、請求項１７に記載の装置。
19. 前記粒子ハンドラーは、前記基板の前記表面の前記所定形態の領域上に前記導電性固体粒子を、乾燥粉末として、又は導電性固体粒子に加えて流体若しくはゼラチン状物質を含む化合物の一部として転写するように構成されている、請求項１７又は１８に記載の装置。
20. 前記ヒーターは、赤外線放射器と、マイクロメートル又はミリメートル波放射器と、フラッシュランプと、レーザー光源と、加熱体であって、導電性固体粒子を有していない前記基板の側が加熱体に接するように、該基板のそばを通る前記加熱体とのうちの少なくとも１つを備える、請求項１７〜１９のいずれか一項に記載の装置。

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