JP2020516069A - 固体半導体ダイを含む電子機器 - Google Patents
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Abstract
ポリマー材料層と、層内に部分的に埋め込まれた固体半導体ダイとを含む電子機器が提供される。ダイは、層の第１の主表面から離れるように突出する第１の端部を有する。電子機器は、ダイの第１の端部をライナーの主表面に沈めることによって形成し得る。流動性ポリマー材料が、ダイ間の空間に充填され、固化されて、ポリマー材料層を形成する。ダイの第１の端部は、ダイの第１の端部からライナーを剥離することによって露出される。電気導体が層上に設けられて、ダイの第１の端部を接続する。
Description
本開示は、固体半導体ダイを含む電子機器（例えば、熱電デバイス）と、該電子機器を製造及び使用する方法に関する。
固体半導体ダイは、各種電子機器に組み込まれるように利用可能である。例えば、セラミック熱電モジュールは、２つの平行なセラミック基材間に固体熱電ダイアレイを置くことによって製造することができる。電極を、セラミック基材上に形成し、典型的には手動組立工程である半田付け又は蝋付けによって、熱電ダイの脚部に電気的に接続することができる。
大面積に高い費用効果で、固体半導体ダイを含む電子機器を作製することが望ましい。概して言えば、一側面では、本開示は、それぞれが第１の端部と第１の端部に対向する第２の端部との間を延在する固体半導体ダイのアレイを提供することと、ダイの第１の端部を第１のライナーの主表面に沈めることと、流動性ポリマー材料を第１のライナーの主表面に充填することと、ポリマー材料を固化してポリマーマトリックス材料層を形成することと、を含む方法を記載する。固体半導体ダイのアレイは、層に少なくとも部分的に埋め込まれる。本方法は、ダイの第１の端部から第１のライナーを剥離して、ダイの第１の端部を露出させることと、ダイの露出した第１の端部を電気的に接続することと、を更に含む。
別の側面では、本開示は、対向する第１及び第２の主表面を有するポリマーマトリックス材料層と、層に少なくとも部分的に埋め込まれる固体半導体ダイのアレイと、を含む電子フィルムデバイスを記載する。ダイはそれぞれ、第１の端部と第２の端部との間に延在する。第１の端部は、層の第１の主表面から離れるように突出する。第１の電気導体は、層の第１の主表面上に延在して、ダイの第１の端部に接続される。
別の側面では、本開示は、対向する第１及び第２の主表面を有する可撓性ポリマー材料層と、層に少なくとも部分的に埋め込まれる固体熱電ダイのアレイと、を含む可撓熱電モジュールを記載する。ダイはそれぞれ、第１の端部と第２の端部との間に延在する。両端部は、可撓性ポリマー材料層から露出される。第１及び第２の端部のうちの少なくとも一方は、層から離れるように突出する。第１の電気導体は、層の第１の主表面上に延在して、ダイアレイの第１の端部を接続する。第２の電気導体は、層の第１の主表面上に延在して、ダイアレイの第２の端部を接続する。
様々な予期せぬ結果及び利点が、本開示の例示的な実施形態において得られる。本開示の例示的実施形態の利点の１つは、固体半導体ダイを含む電子機器が、大面積に高い費用効果で作製できることである。固体半導体ダイは、可撓性ポリマー層と一体化して、可撓性電子機器を形成することができる。可撓性電子機器の作製工程は、電子フィルムデバイスの厚さを有効に低減し、可撓性大面積電子機器を提供し、処理コストを節減し得るロールツーロール（Ｒ２Ｒ）工程を含むことができる。
以上が本開示の例示的な実施形態の様々な態様及び利点の概要である。上記の「発明の概要」は、本開示の特定の例示的な実施形態の、図示される各実施形態又は全ての実現形態を説明することを意図するものではない。以下の図面及び「発明を実施するための形態」は、本明細書に開示される原理を使用する特定の好ましい実施形態を、より詳細に例示するものである。
以下の本開示の様々な実施形態の詳細な説明を添付図面と併せて検討することで、本開示をより完全に理解し得る。
本開示の一実施形態による電子デバイスを示す断面図である。
本開示の一実施形態による、予構造化工具の断面図である。
本開示の一実施形態による、ダイアレイを配設した図２Ａの予構造化工具の断面図である。
本開示の一実施形態による、予構造化工具から接着テープに移送された図２Ｂのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、接着テープに配設された図２Ｃのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、接着テープから第１のライナーに移送された図２Ｄのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、ダイの一端が第１のライナーに沈み込んでいる図２Ｅのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、沈み込んだダイの他端が第２のライナーと接触している図２Ｆのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、第１及び第２のライナー間の空間がポリマー材料で充填されている図３Ａのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、ポリマー材料が固化されてポリマー層を形成している図３Ｂの基材の断面図である。
本開示の一実施形態による、ポリマー層に部分的に埋め込まれた図３Ｃのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、ダイの第１の端部が電気的に接続されている図３Ｄのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、ダイの第２の端部が電気的に接続されている図３Ｅのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、一端が第１のライナーに沈み込んでおり、ダイ間の空間がインクジェット印刷によってインク材料で充填されている図２Ｆのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、ダイ間の空間がインクジェット印刷によってインク材料で充填されている図４Ａのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、第１の端部が第１のライナーに沈み込んでおり、ダイ間の空間がコーティングによってポリマー材料で充填されている図２Ｆのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、ポリマー材料が一方の側から硬化によって固化されてポリマー層を形成している図５Ａのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、未硬化ポリマー材料が除去されるべき図５Ｂのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、未硬化ポリマー材料が洗い流されている図５Ｃのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、第１のライナーがダイの第１の端部から剥離されている図５Ｅのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、導電性低表面エネルギー材料がダイの第２の端部上にコーティングされている図２Ｆのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、ダイ間の空間がコーティングによってポリマー材料で充填されている図６Ａのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、ポリマー材料がダイの第２の端部から水分が除去されている図６Ｂのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、ポリマー材料が固化されてポリマー層を形成している図６Ｃのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、第１のライナーがダイの第１の端部から剥離されている図６Ｄのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、ダイの第２の端部が電気的に接続されている図６Ｅのダイの断面図である。
本開示の一実施形態による、ダイの第１の端部が電気的に接続されている図６Ｆのダイの断面図である。
図面において、類似の参照符号は類似の要素を表す。必ずしも原寸に比例していない上記に特定した図面は、本開示の様々な実施形態を説明しているが、「発明を実施するための形態」で指摘するように、他の実施形態もまた企図される。すべての場合に、本開示は、本明細書で開示される開示内容を、明示的な限定によってではなく、例示的な実施形態を示すことによって説明する。本開示の範囲及び趣旨に含まれる多くの他の修正及び実施形態が、当業者によって考案され得ることを理解されたい。
以下の定義された用語の用語解説に関して、これらの定義は、特許請求の範囲又は本明細書の他の箇所において異なる定義が提供されていない限り、本出願全体について適用されるものとする。
用語解説
ある特定の用語が、本明細書及び特許請求の範囲の全体を通して使用されており、これらの大部分については周知であるが、何らかの説明が必要とされる場合もある。以下のとおりであると理解すべきである。
ある特定の用語が、本明細書及び特許請求の範囲の全体を通して使用されており、これらの大部分については周知であるが、何らかの説明が必要とされる場合もある。以下のとおりであると理解すべきである。
「流動性ポリマー材料」という用語は、インク組成物などの液体組成物、又は溶融若しくは半溶融ポリマー材料を指す。
「ライナー」という用語は、主表面を有する基材を指し、主表面は、固体半導体ダイの端部の沈み込みに対応するように変形可能であり、主表面とダイの端部との間の流体封止を形成することができる。
開示されるコーティングされた物品における様々な要素の場所について、配向の用語、例えば「〜の上に（atop）」、「〜上に（on）」、「〜の上方に（over）」、「〜を覆う（covering）」、「最上部の（uppermost）」、「〜の下にある（underlying）」などを使用することによって、水平に配置され、上を向いた基材に対する、要素の相対位置について言及する。しかしながら、別途指示のない限り、基材又は物品は、製造中又は製造後において何らかの特定の空間的向きを有するべきであるということが意図されるわけではない。
数値又は形状への言及に関する用語「約」又は「おおよそ」は、数値又は特性若しくは特徴の±５パーセントを意味するが、明示的に、正確な数値を含む。例えば、「約」１Ｐａ・ｓｅｃの粘度とは、０．９５〜１．０５Ｐａ・ｓｅｃの粘度を指すが、１Ｐａ・ｓｅｃちょうどの粘度も明示的に含むものとする。同様に、「実質的に正方形」の外辺部とは、各横方向縁部が、他のいずれかの横方向縁部の長さの９５％〜１０５％の長さを有する４つの横方向縁部を有する幾何形状を説明することを意図するが、これはまた、各横方向縁部が正確に同じ長さを有する幾何形状を含むものとする。
特性又は特徴に関する用語「実質的に」は、その特性又は特徴が、その特性又は特徴の反対のものが呈される程度よりも高い程度で呈されることを意味する。例えば、「実質的に」透明な基材は、それが透過しない（例えば、吸収する及び反射する）放射線よりも多くの放射線（例えば、可視光）を透過する基材を指す。それゆえに、その表面上に入射する可視光のうちの５０％より多くを伝達する基材は、実質的に透明であるが、その表面上に入射する可視光のうちの５０％以下を伝達する基材は、実質的に透明ではない。
本明細書及び添付の実施形態において使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、特に内容により明確な指示がない限り、複数の対象を含む。したがって、例えば「化合物（a compound）」を含有する微細繊維への言及は、２種以上の化合物の混合物を含む。本明細書及び添付の実施形態において使用されるとき、用語「又は」は、その内容が特に明確に指示しない限り、一般的に「及び／又は」を包含する意味で用いられる。
本明細書で使用する場合、末端値による数値範囲での記述には、その範囲内に包含されるあらゆる数値が含まれる（例えば１〜５には１、１．５、２、２．７５、３、３．８、４、及び５が含まれる）。
特に指示がない限り、本明細書及び実施形態で使用する量又は成分、特性の測定値などを表す全ての数は、全ての場合において、「約」という用語によって修飾されていると理解するものとする。これに応じて、特に指示がない限り、前述の明細書及び添付の実施形態の列挙において示す数値パラメータは、本開示の教示を利用して当業者が得ようとする所望の特性に応じて変化し得る。最低でも、各数値パラメータは少なくとも、報告される有効桁の数に照らして通常の丸め技法を適用することにより解釈されるべきであるが、このことは請求項記載の実施形態の範囲への均等論の適用を制限しようとするものではない。
以下に、本開示の様々な例示的実施形態を、図面を具体的に参照しながら説明する。本開示の例示的実施形態には、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な修正及び変更を加えてもよい。したがって、本開示の実施形態は、以下に記載の例示的実施形態に限定されるものではないが、特許請求の範囲に記載されている限定及びそれらの任意の均等物により支配されるものであることを理解すべきである。
図１は、物品１００の断面図である。物品１００は、対向する位置にある第１の主表面１２及び第２の主表面１４を有するポリマー材料層１０を含む。いくつかの実施形態では、層１０は、ポリマーマトリックス材料の可撓性層であってもよく、可撓性層は、例えば、硬化性ポリマー材料の硬化生成物であってもよい。好適な硬化性ポリマー材料は、例えば、ポリウレタンアクリレート、ポリジメチルシロキサン、ポリウレタンゴム、ポリオレフィンフォームなどを含んでもよい。層１０は、例えば、約１０ミクロン〜約０．５ｃｍの厚さを有する。
固体半導体ダイ２０のアレイは、ポリマー層１０に少なくとも部分的に埋め込まれる。固体半導体ダイ２０はそれぞれ、第１の端部２２と第２の端部２４との間に延在する。第１の端部２２は、層１０の第１の主表面１２から離れるように突出する。いくつかの実施形態では、ダイ２０の第１の端部２２は、段部１２２を伴ってポリマー層１０の第１の主表面１２から離れるように突出する。段部１２２は、約１〜約１００ミクロン、約１〜約５０ミクロン、約１〜約２５ミクロン、又は約２〜約２５ミクロンの平均高を有してもよい。ダイ２０の第１の端部２２は、第１の電気導体３２によって電気的に接続されている。ダイ２０の第２の端部２４は、第２の電気導体３４によって電気的に接続されている。ダイ２０のアレイは、任意の数（例えば、１、２、３、又はそれ以上）のダイを含むことができる。ダイ２０は、規則的に又はランダムに配置することができる。
図１の物品１００は、固体半導体ダイ２０の種類に応じて、熱電デバイスや光電子機器などの電子機器であり得る。いくつかの実施形態では、固体半導体ダイ２０は１つ以上の熱電チップを含んでもよく、物品１００は熱電デバイスであり得る。熱電チップは、ｎ型半導体材料（例えば、Ｂｉ２Ｔｅ３又はその合金）又はｐ型半導体材料（例えば、Ｓｂ２Ｔｅ３又はその合金）で作製してもよい。いくつかの実施形態では、固体半導体ダイ２０は１つ以上のＬＥＤチップを含んでもよく、物品１００は光電子機器であり得る。
いくつかの実施形態では、固体半導体ダイ２０は、第１及び第２の端部２２及び２４のうちの少なくとも１つの表面に配設された電気接点（例えば、熱電チップ用の脚部）を含んでもよい。ダイ２０の電気接点は、例えば、第１又は第２の電気導体３２及び３４を介して電気的に接続して、所望の機能を有する電気回路を形成することができる。
固体半導体ダイ２０は、ポリマー材料層１０に少なくとも部分的に埋め込まれている。図１に示す実施形態では、第１及び第２の端部２２及び２４は、ポリマー材料層１０から少なくとも部分的に露出されており、電気導体３２及び３４がそれぞれ第１及び第２の端部２２及び２４上の接点を電気的に接続することを可能にする。
図２Ａ〜２Ｆは、一実施形態による、図１の物品１００の作製工程を示す。予構造化工具２の主表面６には、固体半導体ダイ２０を受容するための所定の空隙４が設けられる。予構造化工具２は、例えば、パターン化回転ベルトやパターン化ドラムなどであり得る。固体半導体ダイ２０の空隙４内への配置は、例えば、標準的な「ピックアンドプレイス」機器、チップシュータ、又はレーザベースの移送方法を用いて実行することができる。工具２上の所定の空隙４内に固体半導体ダイ２０を閉じ込めることは、ａ）高速でも精密な配置を可能にする、及びｂ）仮留めの必要なく、移動中の工具２上での固体半導体ダイ２０の絶対的及び相対的向きを維持する、という点で有益であり得る。
図２Ｂに示すように、固体半導体ダイ２０は、工具２の空隙４に配設される。第２の端部２４は、主表面６から離れるように突出する。次に、図２Ｃ〜２Ｄに示すように、固体半導体ダイ２０のアレイは、接着テープ８をダイ２０の第２の端部２４に接触させることによって、予構造化工具２から接着テープ８へ移送される。接着テープ８は、予構造化工具２の主表面６に押圧することができる。接着テープ８が工具２から除去されると、ダイ２０は接着テープ８に移送することができる。ダイ２０の相対的向きは、移送後に接着テープ８上で維持することができる。接着テープ８は、３Ｍスコッチ着脱可能テープなどの「弱い」接着剤でコーティングされた基材であり得る。接着テープ８は、ダイ２０の第２の端部を確実に保持し、後に容易に除去できるような任意の適切な保持面（例えば、接着面、パターン面など）であり得ると理解すべきである。
次に、図２Ｅに示すように、第１のライナー５０が、ダイ２０の第１の端部２２に接触するように設けられる。本明細書に記載されるライナーは、主表面を有する基材を指す。この主表面は、固体半導体ダイの端部の沈み込みに対応するように変形可能であり、主表面とダイの端部との間の流体封止を形成することができる。また、ライナーの主表面は、上に配設されたポリマーコーティング及びダイを引き剥がすことができるように低表面エネルギーを有していてもよい。
図２Ｅに示す実施形態では、第１のライナー５０は、基材５４上に配設された表面層５２を含む。表面層５２及び基材５４は異なる材料で製造することができ、表面層５２は基材５４よりも低い溶融温度を有する。いくつかの実施形態では、第１のライナー５０は、ダイ２０の第１の端部２２が表面層５２に沈み込むように、基材５４ではなく表面層５２を少なくとも部分的に溶融又は軟化させることができる特定温度まで加熱することができる。基材５４は、上記温度下で剛性を維持し、停止層として機能して表面層５２及びダイ２０を定位置に保持することができる。いくつかの実施形態では、第１のライナーは、ポリエチレンテレフタレート層及びポリエチレン層を含んでもよい。
いくつかの実施形態では、ダイ２０の第１の端部２２が第１のライナー５０の主表面に沈み込んだ後、主表面を再固化して、ダイのアレイを主表面上に固定することができる。例えば、第１のライナー５０を、例えば室温まで冷却されて、表面層５２を再固化することができる。図２Ｆに示すように、ダイ２０のアレイが第１のライナー５０上に配置及び固定された後、接着テープ８は除去され、ダイ２０は接着テープ８から第１のライナー５０へ移送することができる。
図３Ａに示す実施形態では、第２のライナー６０が、ダイ２０の第２の端部２４に接触するように設けられる。第１のライナー５０と同様、第２のライナー６０は、基材６４に配設された表面層６２を含む。第２のライナー６０の表面層６２及び基材６４は異なる材料で製造されてもよく、表面層６２は基材６４よりも低い溶融温度を有する。いくつかの実施形態では、第２のライナー６０は、ダイ２０の第２の端部２４が表面層６２に沈み込むように、基材６４ではなく表面層６２を少なくとも部分的に溶融又は軟化させることができる特定温度まで加熱することができる。基材６４は、上記温度下で剛性を維持し、停止層として機能して表面層６２及びダイ２０を定位置に保持することができる。
ダイ２０の第１の端部２２及び第２の端部２４がそれぞれ対向するライナー５０及び６０に配置されることにより、平行板状構造が形成される。対向するライナー５０及び６０の間の距離は、ダイ２０の高さによってほぼ決定される。次に、図３Ｂに示すように、第１及び第２のライナー５０及び６０間の空間１０’は、流動性ポリマー材料１０ａ’により充填される。ダイ２０の第１及び第２の端部２２及び２４は、ポリマー材料１０ａ’から保護されている。
いくつかの実施形態では、ポリマー材料１０ａ’は、空間１０’に流れ込むように設けることができる。いくつかの実施形態では、液体、溶融、又は半溶融ポリマー材料１０ａ’は、例えば、投入、注入、印刷などによって空間１０’に提供することができる。いくつかの実施形態では、ポリマー材料１０ａ’は低粘度の液体であってもよい。低粘度液体は、平行板状構造の縁部に接近すると、毛細管圧によって空間１０’に流れ込むことができる。液体が連続的に供給される限り、液体の最前部が前進し、ダイ２０の間の間隙を完全に充填することができる。毛細管流は、局所的な流体路を形成するライナー５０と６０も間のダイ２０のアレイの存在によって支援することができる。毛細管の充填速度は、ダイのレオロジー、表面エネルギー、高さ、及びその相対的向きなどによって決定することができる。
空間１０’の完全な充填後、流動性ポリマー材料１０ａ’は、例えば、熱硬化又は放射線硬化（例えば、ＵＶ硬化）により固化され、ポリマー材料層１０ａを形成することができる。図３Ｃは、ポリマー材料が固化され、層１０ａを形成している図３Ｂの平行板状構造の断面図である。流動性ポリマー材料は、その他の任意の適切な方法又は工程によって固化することができると理解すべきである。
層１０ａの形成後、第１のライナー５０及び第２のライナー６０は、ダイ２０及び層１０ａから剥離される。ライナー５０及び６０は、（ｉ）主表面が固体半導体ダイの端部の沈み込みに対応するように変形可能であり、（ｉｉ）ライナーがダイ及びポリマー層から剥離され得る限り、任意の適切な材料および構成を含むと理解すべきである。図３Ｄは、ポリマー材料層１０ａに部分的に埋め込まれたダイ２０の断面図である。ダイ２０の第１の端部２２及び第２の端部２４は、第１のライナー５０及び第２のライナー６０の除去後に露出される。いくつかの実施形態では、第１及び／又は第２の端部は、層１０ａのそれぞれの主表面１２又は１４から離れるように突出することができる。
図３Ｅ〜３Ｆに示すように、第１の電気導体３２は、ダイ２０の第１の端部２２上の接点に電気的に接続されるように設けられ、第２の電気導体３４は、ダイ２０の第２の端部２４上の接点に電気的に接続されるように設けられる。電気導体３２及び３４は、層１０ａのそれぞれの主表面１２及び１４上のダイ２２又は２４の隣接する端部間に延在することができる。電気導体３２及び３４は、任意の適切な方法によって層１０ａ上に形成することができる。いくつかの実施形態では、層１０ａが平滑で平坦であることは、例えば、印刷方法や積層方法などの使用を促進することができる。
図３Ｆに示す実施形態では、固体半導体ダイ２０は、熱電回路（例えば、熱電発電機）を形成するように電気的に接続されたｎ型及びｐ型の熱電チップアレイを含む。熱電チップ２０の対向する端部２２及び２４に間に温度差が生じるときに、直流電流が回路内を流れることができる。
電気導体３２又は３４は、蒸着又は印刷された金属パターンから形成することができる。金属は、例えば、銅、銀、金、アルミニウム、ニッケル、チタンモリブデン、それらの組み合わせなどを含み得る。いくつかの実施形態では、金属パターンは、金属複合インク又はペーストを用いて、シルクスクリーン印刷によって形成することができる。他の実施形態では、金属パターンは、フレキソ印刷又はグラビア印刷により形成することができる。他の実施形態では、金属パターンは、インクジェット印刷によって形成することができる。他の実施形態では、金属パターンは、無電解メッキによって形成することができる。他の実施形態では、金属は、スパッタリング又はＣＶＤ蒸着によって蒸着した後、フォトリソグラフィパターニングにより析出することができる。金属の厚さは、例えば、１ミクロン〜１００ミクロンの範囲とすることができる。いくつかの実施形態では、電気導体は、ポリマー層１０ａの平坦面上に印刷して、ダイ２０のそれぞれの端部に接続することができる。いくつかの実施形態では、電気導体は、パターン化金属テープ（例えば、Ｃｕテープ）の積層又は金属の無電解メッキによって形成することができる。電気導体は、ダイ２０のそれぞれの端部を電気的に接続する任意の適切な方法によって形成できると理解すべきである。
いくつかの実施形態では、半導体ダイ２０の端面を、電気導体３２及び３４を設ける前に更に清掃してもよい。清掃方法は、例えば、溶剤洗浄、超音波を用いた酸洗浄、サンドペーパー又はサンドブラストによる研磨、高圧水清掃、スパッタ清掃、プラズマ清掃などを含んでもよい。上記清掃は、電気接点の質を向上させることができる。
ダイ２０が第１のライナー５０に配置される第１の端部２２を有する場合、図２Ｆに示すように、ポリマー層を第１のライナー５０上に直接形成することができ、空間１０’を充填することができる。図４Ａに示す実施形態では、固体半導体ダイ２０間の間隙２６が、インクジェット印刷３によって供給されるインク材料１０ｂ’により充填される。インク１０ｂ’は、毛細管圧によって駆動され、各供給側から特定距離を移動することができ、この距離はレポロジー、表面エネルギー、及び／又はダイ形状に依存することがある。新しいインクを基材の幅に沿った周期的部位に供給することができ、ダイ２０間の間隙２６の連続適用範囲を確保することができる。
いくつかの実施形態では、インクが好適な特性で適量提供されることによって、図４Ｂに示すように、ダイ２０の間の空間／間隙を前進する間、インクはピン止め効果によってダイ２０の上縁で画定される高さより下に限定することができる。インク１０ｂ’は、ダイ２０の第２の端部２４上を流れる又は覆うことはない。完全な充填後、第１のライナー５０と、支持されるダイ２０及びインク１０ｂ’は、固化ステップ前に積層ニップを通過してインク面プロファイルを平坦化させることができる。
図５Ａに示す実施形態では、流動性ポリマー材料１０ｃ’は、コーティング装置５を介して第１のライナー５０に直接コーティングされ、ダイ２０間の間隙２６を充填する。ポリマー材料１０ｃ’は、ダイ２０を完全に覆う、すなわち、ポリマー材料１０ｃ’の高さ１２’がダイ２０の端部２４より高くなるようにコーティングすることができる。次に、ポリマー材料１０ｃ’は、ダイ２０の後側から放射線７によって硬化され、ポリマー材料層１０ｃを形成する。放射線７は、例えば、コリメートされたＵＶ照射であってもよい。ダイ２０は、放射線がダイ２０の第２の端部２４上のポリマー材料の部分１４’を硬化するのを阻止することができる。未硬化材料１４’を、（例えば、洗浄によって）除去して、層１０ｃの形成後にダイ２０の第２の端部２４を露出させることができる。図５Ｄに示すように、未硬化材料１４’の除去後、層１０ｃの第２の主表面１４からダイ２０の第２の端部２４までに窪み１４２を形成することができる。窪み１４２は、例えば、約１〜約１００ミクロン、約１〜約５０ミクロン、約１〜約２５ミクロン、又は約２〜約２５ミクロンの寸法を有してもよい。第１のライナー５０の除去後、ダイ２２の第１の端部２２を露出することができる。第１の端部２２は、段部１２２を有する層１０ｃの第１の主表面１２から離れるように突出する。段部１２２は、例えば、約１〜約１００ミクロン、約１〜約５０ミクロン、約１〜約２５ミクロン、又は約２〜約２５ミクロンの寸法を有してもよい。
図６Ａに示す実施形態では、導電コーティング３６は、ダイ２０の第２の端部２４に設けられる。導電コーティング３６は、例えば、シリコーンベースの銀インクなどの低表面エネルギー材料で製造することができる。任意の適切な方法を使用して、例えば、平坦押し型を用いて、ダイの上面に、フレキソ印刷によって導電コーティング３６を形成することができる。流動性ポリマー材料１０ｄ’は、コーティング装置５を介して、第１のライナー５０上にコーティングすることができる。図６Ｂ〜６Ｃに示すように、コーティングされたポリマー材料１０ｄ’は、ダイ２０の端部２４に接近するとき、導電コーティング３６から水分を除去することができる。コーティングされたポリマー１０ｄ’の高さ１２’は、導電コーティング３６の高さとほぼ等しいかそれ以下であってよい。次に、図６Ｄに示すように、ポリマー材料１０ｄ’はポリマー層１０ｄから固化される。図６Ｇに示すように、第１のライナー５０が、第１の電気導体３２によって電気的に接続されているダイ２０の第１の端部２２から露出するように除去される。図６Ｆ〜６Ｇに示すように、ダイの第２の端部２４上の導電コーティング３６は、第２の電気導体３４によって電気的に接続される。いくつかの実施形態では、導電コーティング３６が薄い（例えば、第１の電気導体３２よりも薄い）場合、第２の電気導体３４は、導電コーティング３６を覆うように製造することができる。
本開示は、可撓性電子機器（例えば、熱電デバイス）の製造工程を提供する。本明細書に記載される可撓性電子機器の作製工程は、電子フィルムデバイスの厚さを有効に低減し、可撓性大面積電子機器を提供し、処理コストを節減し得るロールツーロール（Ｒ２Ｒ）工程を含むことができる。
本開示の動作を、以下の実施形態に関連して更に説明する。これらの実施形態は、様々な具体的かつ好ましい実施形態及び技術を更に示すために提供する。しかしながら、本開示の範囲内に留まりつつ、多くの変更及び修正を加えることができるということが理解されるべきである。
例示的実施形態の列挙
実施形態１〜１８、１９〜２５及び２６〜２７はいずれも組み合わせることができると理解される。
実施形態１〜１８、１９〜２５及び２６〜２７はいずれも組み合わせることができると理解される。
実施形態１は、
それぞれが第１の端部と第１の端部と反対側の第２の端部との間に延在する固体半導体ダイのアレイを提供することと、
ダイの第１の端部を第１のライナーの主表面に沈めることと、
流動性ポリマー材料を第１のライナーの主表面に充填することと、
ポリマー材料を固化してポリマーマトリックス材料層を形成することであって、固体半導体ダイのアレイは層に少なくとも部分的に埋め込まれることと、
ダイの第１の端部から第１のライナーを剥離することと、
ダイの第１の端部を電気的に接続することと、
を含む方法である。
それぞれが第１の端部と第１の端部と反対側の第２の端部との間に延在する固体半導体ダイのアレイを提供することと、
ダイの第１の端部を第１のライナーの主表面に沈めることと、
流動性ポリマー材料を第１のライナーの主表面に充填することと、
ポリマー材料を固化してポリマーマトリックス材料層を形成することであって、固体半導体ダイのアレイは層に少なくとも部分的に埋め込まれることと、
ダイの第１の端部から第１のライナーを剥離することと、
ダイの第１の端部を電気的に接続することと、
を含む方法である。
実施形態２は、第１のライナーの反対側に、第２の端部でダイのアレイと接触する第２のライナーを提供することを更に含む、実施形態１の方法である。
実施形態３は、ポリマー材料を固化することは、熱硬化又は放射線硬化を含む、実施形態１又は２の方法である。
実施形態４は、ダイのアレイの第２の端部を電気的に接続することを更に含む、実施形態１〜４のいずれかの方法である。
実施形態５は、ポリマー材料は、第１の端部の側から硬化され、第２の端部における未硬化材料が、硬化後に除去される、実施形態３又は４の方法である。
実施形態６は、流動性ポリマー材料を充填することが、毛細管力によってダイ間の空間をポリマー材料で充填することを含む、実施形態１〜５のいずれかの方法である。
実施形態７は、流動性ポリマー材料を充填することが、インクジェット印刷によってダイ間の空間を充填することを含む、実施形態１〜６のいずれかの方法である。
実施形態８は、第１のライナーの反対側で、ダイのアレイの第２の端部を導電性の低表面エネルギー材料でコーティングすることを更に含む、実施形態１〜７のいずれかの方法である。
実施形態９は、ダイのアレイを提供することが、ダイのアレイを予構造化工具に配設することを含み、ダイのアレイの第２の端部は、予構造化工具から離れるように突出する、実施形態１〜８のいずれかの方法である。
実施形態１０は、ダイのアレイを設けることが、ダイのアレイを予構造化工具から接着テープ上へ移送することを更に含む、実施形態９の方法である。
実施形態１１は、ダイのアレイを設けることが、ダイのアレイを接着テープから第１のライナーに移送することを更に含む、実施形態１０の方法である。
実施形態１２は、第１のライナーの主表面を溶融させて、圧力下でダイのアレイの第１の端部を主表面に沈み込ませることを更に含む、実施形態１〜１１のいずれかの方法である。
実施形態１３は、ダイのアレイの第１の端部が、約０．５〜約１０ミクロンの平均深さを有する第１のライナーの主表面に沈み込む、実施形態１２の方法である。
実施形態１４は、第１のライナーは少なくとも２つの層を有し、各層は、低融点の層がダイのアレイに対面するように異なる融点を有し、ダイの第１の端部が低融点の層に沈み込むように、低融点の層を、軟化点を超えて加熱することを更に含む、実施形態１〜１３のいずれかの方法である。
実施形態１５は、第１のライナーは、低融点の層としてポリエチレンテレフタレート層及びポリエチレン層を含む、実施形態１４の方法である。
実施形態１６は、第１のライナーの主表面を再固化して、主表面上にダイのアレイを固定することを更に含む、実施形態１２による方法である。
実施形態１７は、流動性ポリマー材料は、ポリウレタンアクリレート、ポリジメチルシロキサン、又はポリウレタンゴムを含む、実施形態３による方法である。
実施形態１８は、ダイの第１の端部を電気的に接続する前に、ダイの第１の端部を清掃することを更に含む、実施形態１〜１７のいずれかによる方法である。
実施形態１９は、電子フィルムデバイスであって、
対向する第１及び第２の主表面を有する、ポリマーマトリックス材料の層と、
層内に少なくとも部分的に埋め込まれる固体半導体ダイのアレイであって、ダイはそれぞれ、第１の端部と第２の端部との間を延在し、第１の端部が層の第１の主表面から離れるように突出する、固体半導体ダイのアレイと、
ダイのアレイの第１の端部を接続する第１の電気導体と、
を備える、電子フィルムデバイスである。
対向する第１及び第２の主表面を有する、ポリマーマトリックス材料の層と、
層内に少なくとも部分的に埋め込まれる固体半導体ダイのアレイであって、ダイはそれぞれ、第１の端部と第２の端部との間を延在し、第１の端部が層の第１の主表面から離れるように突出する、固体半導体ダイのアレイと、
ダイのアレイの第１の端部を接続する第１の電気導体と、
を備える、電子フィルムデバイスである。
実施形態２０は、熱電チップのアレイの第２の端部を接続する第２の電気導体を更に備える、実施形態１９の電子フィルムデバイスである。
実施形態２１は、第１又は第２の電気導体の少なくとも一部は、層の第１又は第２の主表面に直接配設されている、実施形態２０の電子フィルムデバイスである。
実施形態２２は、ポリマーマトリックス材料の層は、硬化性ポリマー材料の硬化生成物である、実施形態１９〜２１のいずれかによる電子フィルムデバイスである。
実施形態２３は、硬化性ポリマー材料は、ポリウレタンアクリレート、ポリジメチルシロキサン、又はポリウレタンゴムを含む、実施形態２２の電子フィルムデバイスである。
実施形態２４は、ポリマーマトリックス材料の層は可撓性層である、実施形態１９〜２３のいずれかに記載の電子フィルムデバイスである。
実施形態２５は、固体半導体ダイのアレイは、ｎ型熱電ダイとｐ型熱電ダイを含む、実施形態１９〜２４のいずれかの電子フィルムデバイスである。
実施形態２６は、可撓性熱電モジュールであって、
対向する第１の主表面と第２の主表面とを有する、可撓性性ポリマー材料の層と、
層に少なくとも部分的に埋め込まれる固体熱電ダイのアレイであって、ダイはそれぞれ、第１の端部と第２の端部との間を延在し、両端部が可撓性ポリマー材料層から露出され、第１及び第２の端部のうちの少なくとも一方が層から離れるように突出するダイのアレイと、
層の第１の主表面上に延在して、ダイのアレイの第１の端部を接続する第１の電気導体と、
層の第１の主表面上に延在して、ダイのアレイの第２の端部を接続する第２の電気導体と、
を備える、可撓性熱電モジュールである。
対向する第１の主表面と第２の主表面とを有する、可撓性性ポリマー材料の層と、
層に少なくとも部分的に埋め込まれる固体熱電ダイのアレイであって、ダイはそれぞれ、第１の端部と第２の端部との間を延在し、両端部が可撓性ポリマー材料層から露出され、第１及び第２の端部のうちの少なくとも一方が層から離れるように突出するダイのアレイと、
層の第１の主表面上に延在して、ダイのアレイの第１の端部を接続する第１の電気導体と、
層の第１の主表面上に延在して、ダイのアレイの第２の端部を接続する第２の電気導体と、
を備える、可撓性熱電モジュールである。
実施形態２７は、ダイの第１の端部は、層の第１の主表面から離れるように突出する、実施形態２６による可撓性熱電モジュールである。
本明細書全体を通して、「一実施形態」、「特定の実施形態」、「１つ以上の実施形態」、又は「ある実施形態」に対する言及は、「実施形態」という用語の前に、「例示的な」という用語が含まれているか否かに関わらず、その実施形態に関連して説明される具体的な特色、構造、材料、又は特徴が、本開示の特定の例示的な実施形態のうちの少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通して、様々な箇所における「１つ以上の実施形態において」、「特定の実施形態において」、「一実施形態において」、又は「ある実施形態において」などの表現の出現は、必ずしも本開示の特定の例示的な実施形態のうちの同一の実施形態に言及するものとは限らない。更に、特定の特徴、構造、材料、又は特性は、１つ以上の実施形態では任意の好適な方法で組み合わされてもよい。
本明細書ではいくつかの例示的実施形態について詳細に説明してきたが、当業者には上述の説明を理解した上で、これらの実施形態の修正形態、変形形態、及び均等物を容易に想起できることが、理解されるであろう。したがって、本開示は、ここまで説明してきた例示的実施形態に、過度に限定されるものではないことを理解されたい。特に、本明細書で使用する場合、端点による数値範囲の列挙は、その範囲内に包含されるすべての数を含む（例えば、１〜５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４、及び５を含む）ことが意図される。加えて、本明細書で使用されるすべての数は、用語「約」によって修飾されるものと想定される。
更には、本明細書で参照される全ての刊行物及び特許は、個々の刊行物又は特許を参照により組み込むことが詳細かつ個別に指示されている場合と同じ程度に、それらの全容が参照により組み込まれる。様々な例示的実施形態について説明してきた。これらの実施形態及び他の実施形態は、以下の特許請求の範囲に含まれる。
Claims (20)
- それぞれが第１の端部と前記第１の端部と反対側の第２の端部との間に延在する固体半導体ダイのアレイを提供することと、
前記ダイの前記第１の端部を第１のライナーの主表面の中に沈めることと、
流動性ポリマー材料を前記第１のライナーの前記主表面に充填することと、
前記ポリマー材料を固化してポリマーマトリックス材料層を形成することであって、前記個体半導体ダイのアレイは前記層に少なくとも部分的に埋め込まれている、ことと、
前記ダイの前記第１の端部から前記第１のライナーを剥離することと、
前記ダイの前記第１の端部を電気的に接続することと、
を含む方法。 - 前記第１のライナーの反対側に、前記第２の端部で前記ダイのアレイと接触する第２のライナーを提供することを更に含む、請求項１の方法。
- 前記ポリマー材料を固化することは、熱硬化又は放射線硬化を含む、請求項１の方法。
- 前記ダイのアレイの前記第２の端部を電気的に接続することを更に含む、請求項１の方法。
- 前記ポリマー材料は、前記第１の端部の側から硬化され、前記第２の端部における未硬化材料が、硬化後に除去される、請求項３の方法。
- 前記第１のライナーの反対側で、前記ダイのアレイの前記第２の端部を、導電性の低表面エネルギー材料でコーティングすることを更に含む、請求項１の方法。
- 前記ダイのアレイを提供することは、前記ダイのアレイを予構造化工具内に配設することを含み、前記ダイのアレイの前記第２の端部は、前記予構造化工具から離れるように突出する、請求項１の方法。
- 前記第１のライナーの前記主表面を溶融させて、圧力下で前記ダイのアレイの前記第１の端部を前記主表面内に沈み込ませることを更に含む、請求項１の方法。
- 前記第１のライナーは少なくとも２つの層を有し、各層は、低融点の層が前記ダイのアレイに対面するように異なる融点を有し、前記ダイの前記第１の端部が前記低融点の層に沈み込むように、前記低融点の層を、軟化点を超えて加熱することを更に含む、請求項１の方法。
- 前記第１のライナーは、前記低融点の層としてポリエチレンテレフタレート層及びポリエチレン層を含む、請求項９の方法。
- 前記流動性ポリマー材料は、ポリウレタンアクリレート、ポリジメチルシロキサン、又はポリウレタンゴムを含む、請求項３の方法。
- 電子フィルムデバイスであって、
対向する第１及び第２の主表面を有する、ポリマーマトリックス材料の層と、
前記層に少なくとも部分的に埋め込まれる固体半導体ダイのアレイであって、前記ダイはそれぞれ、第１の端部と第２の端部との間に延在し、前記第１の端部が前記層の前記第１の主表面から離れるように突出する、固体半導体ダイのアレイと、
前記ダイのアレイの前記第１の端部を接続する第１の電気導体と、
を備える、電子フィルムデバイス。 - 熱電チップの前記アレイの前記第２の端部を接続する第２の電気導体を更に備える、請求項１２の電子フィルムデバイス。
- 前記第１又は第２の電気導体の少なくとも一部は、前記層の前記第１又は第２の主表面に直接配設されている、請求項１３の電子フィルムデバイス。
- 前記ポリマーマトリックス材料の層は、硬化性ポリマー材料の硬化生成物である、請求項１２の電子フィルムデバイス。
- 前記硬化性ポリマー材料は、ポリウレタンアクリレート、ポリジメチルシロキサン、又はポリウレタンゴムを含む、請求項１５の電子フィルムデバイス。
- ポリマーマトリックス材料の層は可撓性層である、請求項１２の電子フィルムデバイス。
- 前記固体半導体ダイのアレイは、少なくとも１つのｎ型熱電ダイと少なくとも１つのｐ型熱電ダイとを含む、請求項１２の電子フィルムデバイス。
- 可撓性熱電モジュールであって、
対向する第１の主表面と第２の主表面とを有する、可撓性ポリマー材料の層と、
前記層に少なくとも部分的に埋め込まれる固体熱電ダイのアレイであって、前記ダイはそれぞれ、第１の端部と第２の端部との間に延在し、両端部が前記可撓性ポリマー材料層から露出され、前記第１及び第２の端部のうちの少なくとも一方が前記層から離れるように突出するダイのアレイと、
前記層の前記第１の主表面上に延在して、前記ダイのアレイの前記第１の端部を接続する第１の電気導体と、
前記層の前記第１の主表面上に延在して、前記ダイのアレイの前記第２の端部を接続する第２の電気導体と、
を備える、可撓性熱電モジュール。 - 前記ダイの前記第１の端部は、前記層の前記第１の主表面から離れるように突出する、請求項１９の可撓性熱電モジュール。
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