KR101728619B1 - 전기 컴포넌트, 전기 컴포넌트의 제조 방법 및 시스템 - Google Patents

전기 컴포넌트, 전기 컴포넌트의 제조 방법 및 시스템 Download PDF

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티이 커넥티비티 코포레이션
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Abstract

전기 컴포넌트(100)를 제조하는 방법은 외부 표면(108)을 갖는 전기 절연 기판(104)을 제공하는 단계, 외부 표면 상에 코팅층을 도포하는 단계, 및 기판 상에 전기 전도체(102)를 형성하도록 전자 빔(110)으로 코팅층(106)을 조사하는 단계를 포함한다. 조사하는 단계는 코팅층을 용융하여 전기 전도체를 형성하도록 코팅층을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 코팅층은 낮은 바인더 농도 및 높은 금속 농도를 가질 수 있다. 조사하는 단계는 전기 전도체를 형성하도록 실질적으로 순수 금속층을 남기고 실질적으로 모든 바인더를 기화시키는 단계를 포함할 수 있다. 코팅층은 이 코팅층의 비금속 재료가 완전히 제거될 때까지 조사받을 수 있다.

Description

전기 컴포넌트, 전기 컴포넌트의 제조 방법 및 시스템{ELECTRICAL COMPONENTS AND METHODS AND SYSTEMS OF MANUFACTURING ELECTRICAL COMPONENTS}
본 명세서에서의 주제는 일반적으로 전기 컴포넌트, 전기 컴포넌트를 제조하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
회로 기판과 같은 전기 컴포넌트들은 통상적으로 기판들에 도포된 코팅층들을 갖는다. 회로 기판들에 대하여, 코팅층은 회로 기판 상에 전도성 트레이스 또는 회로를 규정할 수 있고/있거나 전기 컴포넌트들의 전기 특성들을 향상시키는데 사용될 수 있다. 코팅층들은 예를 들어 전기 컴포넌트의 전도율을 향상시키고 회로 기판 상에 조립되는 컴포넌트들 간의 전기 접속을 제공함으로써 전기 특성을 향상시킬 수 있다.
코팅층들은 기판에 도포된 전도성 금속 구조체들이다. 이러한 층들의 도포는 통상적으로 마스크들을 사용하는 전도성 금속 구조체들의 피착(예를 들어 진공 증착, 스퍼터링, 화학 기상 증착, 도금)에 의해 또는 기판 상에 금속 페이스트 또는 잉크의 인쇄 및 그 다음에 후속하는 열 후처리(thermal post-treatment)에 의해 달성된다. 이들 종래의 도포 공정들에서는 문제점들이 존재한다. 예를 들면, 기체상(gas phase)으로부터 피착 시에 있어서 전도성 금속 구조체들의 최소한의 생성 가능한 피처 크기(feature size)는 사용되는 마스크들의 구조 크기(일반적으로 밀리미터 이상 정도)에 의해 한정되고, 사용되는 재료의 대부분은 실제 코팅을 위해 활용되지 못할 것이고 따라서 비싸게 재활용되어야 한다. 또한, 인쇄된 그리고 종래 열 처리된 구조체들(예를 들어 오븐 내에서)은, 인쇄하는데 필요한 플로우 특성들을 조정하도록 인쇄가 접착제, 바인더 또는 첨가제들과 같은 비금속 첨가제들의 첨가를 요구하기 때문에, 순수 금속들과 비교해서 빈약한 전기 특성들을 포함한다. 열 후처리에서 이들 첨가제들은 층으로부터 부분적으로만 제거되어, 코팅층이 순수 금속에 근접하는 것과 같은, 높은 금속 함량을 갖는 코팅층들보다도 빈약한 전기 특성들을 갖게 한다. 또한, 피착 중 또는 열 처리 중의 열 응력이 문제가 된다. MID(molded interconnect device) 및 LDS(laser direct structuring)와 같은 일부 방법들은 금속 촉매들을 함유하는 특수 폴리머들을 사용한다. 이러한 공정들에서 특수 재료들의 사용은 고가이며 화학 코팅 공정에 매우 긴 시간이 걸릴 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 바와 같은 전기 컴포넌트를 제조하는 방법에 의해 해결책이 제공된다. 이 방법은, 외부 표면을 갖는 전기 절연 기판을 제공하는 단계, 외부 표면 상에 코팅 구조체를 도포하는 단계 및 기판 상에 전기 전도체를 형성하도록 전자 빔으로 코팅 구조체를 조사하는 단계를 포함한다. 조사하는 단계는 코팅층을 용융하여 전기 전도체를 형성하도록 코팅층을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 코팅층은 낮은 바인더 농도 및 높은 금속 농도를 가질 수 있다. 조사하는 단계는 전기 전도체를 형성하도록 실질적으로 순수 금속층을 남기고 실질적으로 모든 바인더를 기화시키는 단계를 포함할 수 있다. 코팅층은 이 코팅층의 비금속 재료가 완전히 제거될 때까지 조사받을 수 있다.
이제 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 예에 의해 설명할 것이다.
도 1은 기판 상에 전기 전도체를 형성하도록 처리되는 전기 컴포넌트를 도시하는 도면.
도 2는 회로들을 규정하는 전도성 트레이스들의 형태로 전기 전도체들을 형성하도록 선택적으로 피착된 코팅층들을 조사하는 전자 빔을 사용하여 제조된 회로 기판을 도시하는 도면.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 전기 컴포넌트 형성 시스템을 도시하는 도면.
도 4는 코팅층과 전자 빔의 상호 작용을 도시하는 도면.
도 5는 전기 컴포넌트를 제조하는 방법을 도시하는 도면.
본 명세서에서 설명되는 실시예들은 기판 상에 전기 전도체를 형성하도록 전자 빔으로 코팅층을 조사하는 단계를 포함하는 전기 컴포넌트를 제조하는 방법을 포함한다. 본 명세서에서 설명되는 실시예들은 기판 상의 코팅층을 조사하도록 전자 빔을 사용해서 코팅층을 변형시켜서 코팅층의 하나 이상의 전기 특성을 향상시키는 시스템을 포함한다. 본 명세서에서 설명되는 실시예들은 코팅층의 전기 특성들을 향상시켜서 전기 전도체를 형성하도록 전자 빔으로부터의 에너지에 의해 변형되는 코팅층을 갖는 전기 컴포넌트를 포함한다.
본 명세서에서 설명되는 실시예들은 회로들을 형성하는 전기 전도체들을 갖는 회로 기판의 형태를 갖는 전기 컴포넌트를 포함할 수 있고, 전기 전도체들은 전자 빔에 의해 처리된다. 다른 타입의 전기 컴포넌트들이 본 명세서에서 설명되는 시스템들 및 방법들을 사용하여 제조될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시예들은 비단열(non-adiabatic) 전자 빔 처리 기술을 사용하여 고품질의 전기 전도체를 달성할 수 있다. 예를 들면, 열이 코팅층 내측에서 빠르게(예를 들면 마이크로초 이내로) 발생될 수 있고, 코팅층의 특성들을 향상시키도록 코팅층을 변형시킬 수 있다. 열은 코팅층의 화합물들 또는 재료들의 일부 또는 전부를 용융 또는 재용융하는데 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 전자 빔의 전자들이 코팅층을 전도성 구조체로 변형시키도록 코팅층의 재료들과 반응할 수 있다. 코팅층의 재료의 일부는 코팅층의 조성을 변형시키도록 처리 중에 전자 빔에 의해 분리 및/또는 기화될 수 있다. 코팅층에서 사용되는 재료는 전자 빔 처리와 함께 양호하게 기능하도록 선택될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시예들은 코팅층, 및 이 코팅층의 전자 빔 처리 중에 페이스트 또는 잉크(코팅층을 기판에 도포하는데 사용됨)로부터 실질적으로 모든 잔여 비금속(예를 들면 유기) 재료가 제거되는 전기 전도체를 제공할 수 있다. 후처리 전기 전도체는 조밀한 무공성 금속 코팅(dense, pore-free metallic coating)일 수 있다. 코팅층은 종래의 페이스트(예를 들어 열 오븐에서 처리되는 페이스트)보다도 낮은, 심지어는 매우 낮은 비금속 재료(예를 들어 바인더)의 초기 농도를 가질 수 있다. 코팅층은 종래의 페이스트(예를 들어 열 오븐에서 처리됨)로 이루어진 컴포넌트들보다도 낮은, 심지어는 매우 낮은 비금속 재료(예를 들어 바인더)의 최종 농도를 가질 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시예들은 고품질의 전기 전도체를 달성하도록 제어 파라미터들을 향상 또는 선택할 수 있다. 도포된 코팅층 및 기판과 전자 빔의 상호 작용이 고려될 수 있다. 예를 들면, 금속 잉크 조성, 인쇄 기술(예를 들어 마이크로 디스펜싱(micro dispensing), 스크린 인쇄, 패드 인쇄, 잉크 젯 인쇄, 에어로졸 젯 인쇄 등), 및/또는 전자 빔 레벨들을 포함하는 파라미터들의 상호 작용이 고려될 수 있고 밸런싱될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시예들은 전기 컴포넌트의 수명 전반에 걸쳐서 안정한 전자-기계 성능을 제공하는데 필요한 특성들을 가질 수 있는 전기 전도체를 제조한다. 예를 들면, 전기 전도체는 부식성 가스 또는 고온 노출과 같은 환경 열화 요인들에 대하여 낮고 안정한 전기 컨택트 저항 및 양호한 저항을 가질 수 있다. 전자 빔은 전기 전도체의 높은 공간 분해능(spatial resolution)이 가능하게 정밀하게 제어될 수 있다. 전기 전도체의 마무리는 원하는 특성들을 달성하도록 전자 빔 공정 및 코팅층의 재료들에 의해 제어될 수 있다. 예를 들면, 전기 전도체는 층 조성, 막 두께, 거칠기, 지형, 구조 등과 같은 적절한 코팅 품질을 가질 수 있다.
도 1은 기판(104) 상에 전기 전도체(102)를 형성하도록 처리되는 전기 컴포넌트(100)를 도시한다. 처리 중에, 코팅층(106)은 기판(104)의 외부 표면(108) 상에 도포된다. 코팅층(106)은 조사원(irradiation source)(112)으로부터 발생된 전자 빔(110)에 의해 처리된다. 도 1은 처리의 상이한 단계들 또는 상태들에서의 전기 컴포넌트(100)를 도시한다. 예를 들면, 120에서, 전기 컴포넌트(100)의 코팅층(106)은 전처리(pre-processing) 단계로 도시되어 있다. 122에서, 전기 컴포넌트(100)의 코팅층(106)은 전자 빔(110)이 코팅층(106)을 적어도 부분적으로 관통하는, 처리 단계로 도시되어 있다. 코팅층(106)은 이 코팅층(106)의 재료의 하나 이상의 특성을 변형시키도록 조사받는다. 코팅층(106)은 전기 컴포넌트(100)의 회로와 같은, 전도성 구조체로 변형될 수 있다. 124에서, 전기 컴포넌트(100)의 코팅층(106)은 전자 빔(110)로부터의 조사 후, 후처리 상태로 도시되어 있다.
예시적인 실시예에서, 기판(104)은 비금속 기판일 수 있다. 예를 들면, 기판(104)은 기본 재료로서 플라스틱 재료, FR-4 재료, 세라믹 재료, 유리 에폭시 재료, 포일, 반도체 또는 다른 타입의 유전체 재료일 수 있다. 기판(104)은 회로 기판 또는 안테나 구조체를 형성하는데 사용될 수 있다. 도 2를 추가로 참조하면, 도 2는 회로들을 규정하는 전도성 트레이스들의 형태로 전기 전도체(102)를 형성하도록 선택적으로 피착된 코팅층들(106)을 조사하는 전자 빔(110)을 사용하여 제조된 전기 컴포넌트(100)를 규정하는, 예시적인 실시예에 따른 회로 기판(130)을 도시한다. 선택적으로, 코팅층(106)의 다른 부분들은, 예를 들어 하나 이상의 전기 전도체(102)로 저항기(131) 또는 저항기 네트워크를 형성하도록, 서로 다르게 조사받을 수 있다. 저항기들(131)은 전기 전도체들(102)을 처리함으로써 그리고/또는 높은 저항을 갖는 코팅층(106)을 피착함으로써 형성될 수 있다. 저항기들(131)은 조사 중에 전자 빔(110)의 파라미터들의 변동에 의해 전기 전도체(102) 경로들 또는 회로들에 통합될 수 있다. 그러면 회로 기판(130)으로의 저항기들의 조립 또는 탑재가 불필요하다.
도 1로 되돌아오면, 전처리 상태(120)에서 또는 그 전에, 코팅층(106)은 외부 표면(108) 상에 전도성 또는 금속 잉크나 페이스트를 인쇄함으로써 도포될 수 있다. 선택적으로, 코팅층(106)은 외부 표면(108)에 직접 도포될 수 있다. 대안적으로, 하나 이상의 층이 기판(104)과 코팅층(106) 사이에 제공될 수 있다. 기판(104)은, 코팅층(106)의 외부 표면(108)으로의 부착을 향상시키기 위해서, 외부 표면(108) 상에 코팅층(106)을 인쇄하기 전에 세정, 탈산(deoxidize), 및/또는 화학적으로 활성화될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 코팅층(106)은 다양한 형상 및 크기의 금속 입자들을 포함한다. 코팅층(106)은 금속 입자 응집(예를 들어 1-2wt%)을 방지하도록 인쇄류(as-printed) 접착 및/또는 계면활성을 촉진하는 바인더를 포함할 수 있다. 코팅층(106)은 인쇄 공정(들)에 필요한 용매 및/또는 처리 보조제들을 포함할 수 있다. 선택적으로, 코팅층(106)은 예를 들어 1과 10wt% 사이의 레벨로, 추가 플럭스 첨가제들(예를 들어 사용의 브레이징 플럭스(brazing flux), 붕사(borax), 및 사붕산칼륨)을 함유할 수 있다. 플럭스는 전자 빔(110)으로 후처리 중에 코팅층(106)의 습윤성을 조정하도록 첨가될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 코팅층(106)은 높은 금속 농도(예를 들어 50wt% 초과)를 가질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 금속 입자들은 100% 은 입자들일 수 있다. 금, 구리, 니켈, 주석, 아연, 티타늄, 팔라듐, 플래티늄 등 및/또는 그들의 합금들과 같은, 다른 타입의 금속들이 대안적인 실시예들에서 사용될 수 있다. 코팅층(106) 재료는 화학적으로 금속들로 환원될 수 있는 금속 전구체들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 염화은, 염화주석, 및 질산은과 같은, 금속 염들, 금속 산화물들, 및 다른 금속 화합물들이 사용될 수 있다. 전구체들은 주석, 아연, 구리, 은 등과 같은 저융점을 갖는 금속들을 포함할 수 있다. 금속들 또는 합금들의 혼합물을 사용할 때, 금속간 구조체들이 코팅층(106)을 위한 원하는 특징들 또는 특성들을 달성하도록 전자 빔 처리 중에 생성될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 코팅층(106)은 마이크로 입자들 및/또는 나노 입자들의 미세구조의 구조체일 수 있다. 선택적으로, 코팅층(106)은 Sn 및 Ag 입자들과 같은 고체 금속 입자들과 바인더, 용매 및/또는 플럭스 혼합물의 혼합 파우더를 포함할 수 있다. 금속 입자들은 재료들이 원자 규모로 혼합되는 경우에 용액을 생성하도록 전자 빔(110)으로 용융된다. 선택적으로, 코팅층(106)은 상 분리 및 입자 성장을 억제하기 위해서 용액을 신속하게 응고시키도록 고속으로 냉각될 수 있다. 재료들의 양호한 혼합물을 갖는 것과 신속한 응고를 갖는 것은 우수한 재료 미세구조로 이어진다. 선택적으로, 상이한 크기 및 형상으로 된 금속 입자가 사용될 수 있다. 조사 및 용융 공정 중에 금속 입자들로 환원되는 전구체들(예를 들어 금속 염들, 금속 산화물들)이 사용될 수 있다. 선택적으로, 예를 들어 기판(104)의 재료와 코팅층(106)의 재료 사이의 상호 확산을 감소시키도록, 확산 배리어층이 기판(104)과 코팅층(106) 사이에 제공될 수 있다.
바인더 농도가 예를 들어 금속 입자 농도에 비해서 비교적 낮을 수 있다(예를 들어 5wt% 미만). 바인더 농도는 종래의 열 오븐 후처리 도포에서 사용되는 종래의 페이스트들에 비해서 비교적 낮을 수 있다. 바인더 농도는 대략 25wt%와 5wt% 사이일 수 있다. 대안적으로, 바인더 농도는 매우 낮을 수 있다(예를 들어 1wt% 미만). 바인더들의 예들은 덱스트린들, 폴리비닐 부티랄 수지들(예를 들어 Butvar), 하이드록시프로필셀룰로오스(예를 들어 Klucel®)를 포함하지만, 다른 타입의 바인더들이 대안적인 실시예에서 사용될 수 있다. 바인더는 기판(104)으로의 도포 용이성을 위해서 코팅 재료의 점도를 변경시키도록 접착제 또는 다른 첨가제들을 포함할 수 있다.
코팅층(106)은 스크린 인쇄, 패드 인쇄, 잉크 젯 인쇄, 에어로졸 젯 인쇄, 마이크로 디스펜싱, 스핀 코팅, 와이핑(wiping) 도포 등과 같은, 다양한 상이한 인쇄 기술들 중 하나에 의해 도포될 수 있다. 인쇄 외에 다른 도포 기술들이 코팅층(106)을 기판(104)에 도포하도록 대안적인 실시예들에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 코팅층(106)은 파우더 코팅, 스프레잉, 침지(dip immersion) 또는 다른 공정들에 의해 도포될 수 있다. 도포 기술은 예를 들어 미리 정해진 회로 트레이스 경로를 따라 코팅층(106)을 기판(104)에 선택적으로 도포할 수 있다. 인쇄 기술은 표준화된 패턴을 기판(104) 상에 인쇄될 수 있게 할 수 있고, 인쇄는 일괄 인쇄 도포 또는 연속 릴 인쇄 도포로 행해질 수 있다. 인쇄 기술은 페이스트 또는 잉크의 최소한의 구조 크기, 도포되는 층 두께, 코팅층 재료의 조성 등에 따라 선택될 수 있다.
도 3을 추가로 참조하면, 도 3은 예시적인 실시예에 따라 전기 컴포넌트(100)에서 전자 빔(110)을 조사하는데 사용되는 전기 컴포넌트 형성 시스템(140)을 도시한다. 시스템(140)은 전자 빔(110)을 생성할 수 있는 전자 빔 마이크로 용접기일 수 있다. 처리는 진공 챔버(142) 내에서 수행될 수 있다. 조사원(112)의 전력은 처리 중에 제어될 수 있다. 전자 빔(110)의 에너지 밀도는 처리 중에 제어될 수 있다. 전자들의 편향 속도는 처리 중에 제어될 수 있다. 최대 가속 전압은 처리 중에 제어될 수 있다. 최대 전자 빔 전류는 처리 중에 제어될 수 있다. 타깃 상의 빔 포커스 스폿(beam focus spot) 크기 및 깊이는 처리 중에 제어될 수 있다. 전자 빔(110)은 피착층의 특성들(예를 들어 층 두께, 층 조성) 및 코팅층(106)의 재료 특성들(예를 들어 밀도, 열 전도율, 화학 조성)에 기초하여 제어될 수 있다. 코팅층(106) 및/또는 기판(104)은 재료들을 반응시킴으로써 그리고/또는 층(들)을 소결시킴으로써 층(들)의 특징들을 변화시키도록 융점 아래의 온도로 가열될 수 있다.
시스템(140)은 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)과 마찬가지로, 워크 피스의 전자 빔 이미지들을 생성하는데 사용될 수 있는 후방산란 전자 및 2차 전자 검출기 양자를 구비할 수 있다. 이미지들은 스크린 상에 실시간으로 보여질 수 있고 컴퓨터를 사용하여 저장될 수 있다. 시스템(140)은 예를 들어 샘플에 걸쳐 규정된 경로들을 스캐닝하거나 규정된 패턴들을 조사하기 위해서 전자 빔(110)을 프로그램하도록, 조사원(112)의 기능들을 제어하는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 전자 빔 경로들은 스위핑(sweeping) 경로들, 스캐닝 경로들, 나선형 경로들 또는 다른 불규칙한 경로들일 수 있다. 소프트웨어는 연속 이동 릴과 같은, 조사되는 샘플과 전자 빔(110)의 동기 이동을 가능하게 할 수 있다. 이와 같이, 연속 재용융 공정이 가능하다. 선택적으로, 시스템(140)은 높은 열 질량을 가지며 타깃과 양호한 열 접촉으로 위치하는 두꺼운 알루미늄 플레이트 히트 싱크와 같은 히트 싱크를 포함할 수 있다.
도 4는 코팅층(106)과 전자 빔(110)의 상호 작용을 도시한다. 전자 빔(110)은 코팅층(106)의 내부에 포커싱된다. 전자 빔(110)은 코팅층(106)을 적어도 부분적으로 관통한다. 예시적인 실시예에서, 빔 포커스 스폿(150)은 기판(104) 안이 아니라 코팅층(106) 안에 있다. 기판(104)의 조사 또는 가열은 코팅층(106) 상에 포커싱되는 전자 빔(110)을 가짐으로써 제한된다. 전자 빔(110)은 코팅층 내에서 전기 전도성을 달성하도록 코팅층(106)의 재료를 조사하는데 사용된다. 전자 빔(110)의 충동 전자들(impinging electrons)이 코팅층(106)의 재료에 의해 산란되었을 때, 전자들의 운동 에너지는 열 에너지로 변환된다. 산란 확률은 전자들의 에너지, 코팅층(106)의 조사되는 재료의 밀도, 빔 포커스 깊이 등에 의존할 수 있다. 선택적으로, 전자 빔의 관통 깊이는 0.5㎛ 와 20㎛ 사이일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 산란 확률의 에너지 의존 특징은 발생된 열 밀도의 최대값이 재료의 표면 뿐만 아니라 관통 깊이의 약 1/3에서도 놓여 있는 것이다. 열은 표면 뿐만 아니라 코팅층(106)의 재료 내측에서도 발생된다. 전자들의 일부는 코팅층(106)으로부터 반사되거나 재방출된다. 이러한 전자들은 예를 들어 피드백 제어 시스템을 통하여 조사 공정을 제어하도록, 조사 중에 인시투(in-situ) SEM 사진들을 생성하는데 활용될 수 있다.
발생되는 열의 전력은 고정된 가속 전압을 위한 전자 전류에 의존한다. 가속 전압 및 빔 전류의 생성은 빔의 전력을 제공한다. 전력은 전자 전류 및/또는 가속 전압을 제어함으로써 조정될 수 있다. 조사 공정을 제어하도록 조정될 수 있는 다른 파라미터는 코팅층(106)의 스폿에서 또는 그 근처에서의 조사 지속기간이다. 코팅층(106)의 인쇄 재료는 발생된 열이 재료를 그의 융점까지 가열하는데 필요한 열 에너지 및 재료의 융합의 잠열을 초과하는 경우에 용융된다. 기판(104)에 대향하는, 코팅층(106) 내에 포커싱된 열 에너지를 갖는 것은 열을 발생시켜서 코팅층(106)을 매우 신속하게 용융시킨다. 선택적으로, 기판(104)은 용융막의 높은 냉각 속도를 가능하게 하는 조사 후에 코팅층(106)으로부터 열을 신속하게 분산시키도록 히트 싱크로서 작용할 수 있다. 신속한 가열 및 냉각 속도는 코팅층(106)에 의해 형성된 전기 전도체의 특성들에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 전기 전도체의 경도(hardness)는, 기판(104)이 페이스트 이외에도 가열되는 경우에 열 오븐에서 열 경화하는 대표적인 것으로, 코팅층(106)의 느린 가열 및 냉각에 반대인 신속한 가열 및 냉각으로 보다 높아질 수 있다. 또한, 기판이 페이스트 이외에도 추가로 가열되기 때문에 보다 많은 열 에너지가 열 오븐 내에서 페이스트를 가열하는데 필요하게 된다. 선택적으로, 열이 코팅층(106) 내에 주로 또는 그 안에만 발생될 수 있기 때문에, 열 감응 기판(104)의 사용이 가능할 수 있다. 코팅층(106)의 신속한 가열 및 냉각은 열 전도에 의해 기판(104)의 가열을 회피할 수 있다.
바인더들이 통상적으로 코팅층(106) 내의 금속 입자들보다도 한 자릿수 낮은 질량 밀도를 갖기 때문에, 코팅층(106) 내의 바인더의 부피 백분율(volume percentage)은 매우 높다. 예를 들면, 열 오븐 내에서 경화되는 애플리케이션 용도에 대표적인 종래의 페이스트는 높은 바인더 농도이고 매우 높은 바인더 농도 경계선인, 23wt% Butvar 바인더를 갖는 90Ag/10Mo 재료이다. 이러한 종래의 페이스트는 대략 75%의 바인더 부피율(volume fraction)을 갖는다. 종래의 페이스트들의 높거나 매우 높은 바인더 농도는 기판 상에 인쇄 구조체들을 확실히 고정하는데 필요하며 바인더는 종래의 열 오븐들을 사용하여 열 처리 후에 남는다.
예시적인 실시예에서, 전자 빔(110)으로 처리하기 위해서, 코팅층(106)은 바인더가 조사를 위해 기판(104)을 전자 빔(110)으로 전사하는데 충분히 긴 기판(104)에 부착된 인쇄 코팅층(106)을 유지하는데만 필요하므로 이러한 높은 바인더 함량을 요구하지 않는다. 예를 들면, 바인더 함량은 대략 1wt%일 수 있어, 부피 백분율도 또한 상당히 감소시킨다. 용융 후에, 코팅층(106)은 조밀하고 기판에 대한 양호한 부착력을 갖는다. 예시적인 실시예에서는, 예를 들어 기화에 의해 또는 분해에 의해, 바인더를 조사 공정 중에 코팅층(106)으로부터 실질적으로 전부 제거하려고 한다. 코팅층(106) 내에 낮은 농도의 바인더를 사용하는 것은 조사 중에 바인더의 신속하고 보다 완벽한 기화 또는 제거를 가능하게 한다. 높은 페이스트 품질, 높은 인쇄 막 부착력, 조사 후의 코팅층(106)의 막 품질(예를 들어 조사 후의 탄소 잔여물(숯)의 낮은 농도) 등과 같은 특성들을 갖는 바인더가 바인더 재료를 선택할 때에 고려된다. 바인더들의 예들은 덱스트린들, 폴리비닐 부티랄 수지들(예를 들어 Butvar), 하이드록시프로필셀룰로오스(예를 들어 Klucel®)를 포함하지만, 다른 타입의 바인더들이 대안적인 실시예에서 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 모든 또는 실질적으로 모든 바인더에는 전자 빔(110)이 조사되며, 스크래이핑(scraping) 또는 다른 처리 기술에 의해 제거될 수 있는 적은 양의 탄소 잔여물이 남는다.
처리 중에, 전자 빔(110)의 동작은 코팅층(106)의 재료의 타입에 기초하여 변할 수 있다. 예를 들면, 그 동작은 금속 전구체들 사용 시와 순수 금속 재료 사용 시에 서로 다를 수 있다. 예시적인 실시예에서, 순수 금속 컴포넌트들의 경우에, 코팅층(106)의 후처리 및 조사는, 금속 입자들이 소결되거나 금속 컴포넌트들의 적어도 하나가 금속상으로 진행하고 코팅층(106)이 균질한 금속층으로 용해되는 그러한 방식으로 에너지 밀도 및 노출 시간을 조정함으로써 제어될 수 있다. 소결 및 후속하는 용융의 2단계 공정이 일부 실시예에서 가능하다. 비금속 컴포넌트들(예를 들어 바인더)이 분리되거나 기화되어 순수 금속층을 남긴다. 예시적인 실시예에서, 금속 전구체들의 경우에, 코팅층(106)의 후처리 및 조사는, 금속 전구체들이 코팅층(106) 내로의 열 입력에 의해 간접적으로 또는 전자 빔(110)의 전자들과 금속 전구체들의 상호 작용에 의해 직접적으로, 금속들로 화학적으로 환원되는 그러한 방식으로 에너지 밀도 및 노출 시간에 의해 제어될 수 있다. 비금속 컴포넌트들(예를 들어 바인더)이 분리되고 기화되어 금속층을 남긴다. 코팅층(106)은 전구체들이 전자 빔(110)에 의해 화학적으로 변화되었을 때에 균질한 금속층으로 변형될 수 있다.
코팅층(106) 내측에 전자 빔(110)에 의해 발생된 열 에너지는 전자 빔(110)의 파라미터들을 조정함으로써 제어될 수 있다. 낮은 열 에너지 및 긴 조사 시간에서, 코팅층(106)은 부분적으로만 용융되고 기판(104)에 접합될 수 없다. 낮은 열 에너지 및 긴 조사 시간에서, 코팅층(106)의 입자들은 소결될 수만 있고 완전히 용융될 수 없다. 이러한 상황에서, 코팅층(106)은 기판(104)에 양호하게 부착될 없고 시간 경과에 따라 기계적으로 쉽게 변위될 수 있다. 낮은 열 에너지이지만 짧은 조사 시간에서, 코팅층(106)의 일부분은, 예를 들어 조사 시에 재료를 떨어뜨림(splattering away)으로써, 전자 빔에 의해 제거될 수 있다. 보다 높은 에너지에서, 원하지 않는 큰 제습된 방울(dewetted drop)들 및 3차원 섬들이 남을 수 있다. 매우 높은 에너지에서, 예를 들어 에너지가 매우 높을 때에, 기판(104)은 코팅층(106) 이외에도 용융될 수 있고, 보다 빈약한 전기 인터페이스를 제공한다. 전자 빔(110)의 에너지 레벨은 기판(104)의 커버링이 양호하고 기판(104)에 대한 과도한 손상이 없으면서 코팅층(106)의 용융을 달성하도록 제어되어야 한다.
사용 중에, 코팅층(106)의 입자 분출(blowing) 또는 스패터링(spattering)이 임의의 에너지 레벨에서 생길 수 있다. 수가지의 물리적인 영향에 대하여 금속 입자 분출의 영향을 설명한다: a) 모멘텀의 전사, b) 정전기 영향들, c) 전자 역학적 영향들, 및 d) 열 역학적 영향들. 입자 분출을 감소시키기 위해서, 입자들 간의 충전물(filler)이 적을수록, 입자들 간의 전도 경로들의 수가 많아져서 과도한 전하를 접지로 '누출(bleed off)'하기 때문에, 비금속 컴포넌트들의 양이 감소될 수 있거나 최소화될 수 있다. 입자 분출을 감소시키기 위해서, 코팅층(106)은 보다 낮은 빔 전력이 실제 용융 전에 요구되도록 예열될 수 있다. 예를 들면, 코팅층(106)은 예를 들어 열 오븐 내에서, 또는 전자 빔을 사용해서, 또는 다른 방식으로 코팅층(106)의 융점 이하의 온도로 예열될 수 있다. 조사 공정 중에, 코팅층(106)은 그 다음에 코팅층(106)의 융점 이상의 온도로 또한 가열된다. 입자 분출을 감소시키기 위해서, 입자들 간의 보다 많은 기계적인 컨택트가 가능한 한 보다 많은 전도 경로를 생성할 뿐만 아니라, 서로에 대하여 입자들을 이동시키도록 하는 힘을 증가시킬 수 있기 때문에, 코팅층(106)의 보다 큰 입자 크기의 재료 또는 불규칙적(비구형의) 모양의 입자가 입자 분출의 영향을 감소시키도록 사용될 수 있다. 입자 분출을 감소시키기 위해서, 스캐닝 또는 조사 패턴이 예를 들어 기판(104)을 경유해서, 열 전도를 통해 간접적으로 코팅층(106)의 재료를 가열하도록 선택될 수 있다. 입자 분출을 감소시키기 위해서, 코팅층의 재료 조성은 전기 전도율 및 열 전도율을 증가시키도록 높은 금속 입자 밀도 및/또는 낮은 다공성(porosity)을 가질 수 있다.
전자 빔(110)에 의한 조사 중에 기판(104)의 잠재적인 충전을 회피하기 위해서, 코팅층(106)은 접지될 수 있다. 전자 빔(110)에 의한 조사 중에 기판(104)의 잠재적인 충전을 회파하기 위해서, 전자 빔(110)은 전자 방출을 증가시키도록 낮은 가속 전압에서 동작될 수 있다. 전자 빔(110)에 의한 조사 중에 기판(104)의 잠재적인 충전을 회피하기 위해서, 광(예를 들어 UV 또는 레이저)이 코팅층(106)의 광전도율을 증가시키는데 사용될 수 있다. 전자 빔(110)에 의한 조사 중에 기판(104)의 잠재적인 충전을 회피하기 위해서, 코팅층(106)은 증가된 압력에서(예를 들어 아르곤 분압으로) 처리될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 전자 빔(110)에 의해 발생된 열 에너지의 양과 같은, 전자 빔(110)의 제어는 코팅층(106)을 따라 변할 수 있다. 예를 들면, 코팅층(106)의 한 부분을 따른 전자 빔(110)의 동작을 코팅층(106)의 다른 부분에 비해서 변화시킴으로써 코팅층(106)의 특징들이 변할 수 있다. 예를 들면, 저항기들이 전자 빔(110)의 파라미터들의 변동에 의해 전기 전도체 경로들 또는 회로들에 통합될 수 있다. 그러면 저항기들의 조립 또는 탑재가 불필요하다. 예시적인 실시예에서, 조사원(112)은 대략 2kW의 전력에서 전자 빔(11)을 생성할 수 있지만, 다른 실시예들에서는 높거나 낮을 수 있다. 전자 빔(110)은 대략 60kV의 가속 전압을 가질 수 있지만, 다른 실시예들에서는 높거나 낮을 수 있다. 전자 빔(110)은 대략 0.15mA와 15mA 사이의 전자 빔 전류를 가질 수 있지만, 다른 실시예들에서는 40mA와 같이 높거나 낮을 수 있다. 코팅층(106) 상의 빔 포커스 스폿 크기는 대략 100㎛일 수 있지만, 다른 실시예들에서는 대략 30-50㎛ 사이와 같이 크거나 작을 수 있다. 전자 빔(110)은 대략 12㎲/spot과 1000㎲/spot 사이의 조사 지속 시간을 가질 수 있지만, 다른 실시예들에서는 길거나 짧을 수 있다.
도 5는 회로 기판, 안테나 등과 같은, 전기 컴포넌트를 제조하는 방법(200)을 도시한다. 방법(200)은 외부 표면을 갖는 전기 절연 기판을 제공하는 단계(202)를 포함한다. 기판은 예를 들어 회로 기판 제조 시의 사용을 위해서, 플라스틱, 유리, 세라믹 등과 같은 절연성 베이스를 포함할 수 있다.
방법(200)은 기판의 외부 표면 상에 코팅층을 도포하는 단계(204)를 포함한다. 코팅층은 페이스트 또는 잉크일 수 있다. 코팅층은 파우더일 수 있거나 다른 형태들을 가질 수 있다. 코팅층은 기판 상의 회로 트레이스 또는 코팅과 같은, 고품질의 전기 전도체를 형성하도록 고농도의 금속 입자들을 포함한다. 선택적으로, 코팅층은 기판에 코팅층을 고착하도록 바인더를 포함할 수 있다. 바인더 농도는 처리 중에 실질적으로 모든 바인더를 제거할 의도로 낮을 수 있다. 코팅층은 이후의 단계에서 처리되는 금속 산화물들 또는 금속 염들과 같은 전구체들을 포함할 수 있다.
코팅층은 기판 상에 코팅층을 인쇄함으로써 도포(204)될 수 있다. 예를 들면, 코팅층은 스크린 인쇄, 패드 인쇄, 잉크 젯 인쇄, 에어로졸 젯 인쇄될 수 있다. 코팅층은 마이크로 디스펜싱, 스핀 코팅, 와이핑 도포, 파우더 코팅, 스프레잉, 침지 또는 다른 공정들에 의해 도포될 수 있다. 코팅층은 기판의 외부 표면에 직접 도포될 수 있다. 대안적으로, 다른 층들이 그 사이에 제공될 수 있다.
방법(200)은 전자 빔으로 코팅층을 처리하는 단계와 같은 다른 처리 단계들 이전에 코팅층을 예열하는 단계(206)를 포함한다. 코팅층은 다른 처리 단계들 이전에 코팅층의 융점 이하의 온도로 예열될 수 있고, 여기서 온도는 코팅층의 융점 이상의 온도로 증가될 수 있다.
방법(200)은 전자 빔으로 코팅층을 처리하는 단계와 같은 다른 처리 단계들 이전에 코팅층을 전기적으로 접지하는 단계(208)를 포함한다. 접지하는 단계(208)는 전자 빔으로 처리하는 중에 코팅층의 스퍼터링을 감소시킬 수 있다.
방법(200)은 기판 상에 전기 전도체를 형성하도록 전자 빔으로 코팅층을 조사하는 단계(210)를 포함한다. 전자 빔은 예를 들어 코팅층의 깊이의 약 1/3 내지 2/3에서, 코팅층 내에 스폿 포커싱될 수 있어, 재료의 표면 뿐만 아니라 재료 내측에서도 열을 발생시킬 수 있게 한다. 전자 빔에 의한 조사는 코팅층을 가열하여 코팅층을 용융시켜서 전기 전도체를 형성할 수 있다. 선택적으로, 예를 들어 금속 전구체들이 코팅층에서 사용되었을 때에, 금속 전구체들은 조사 중에 전자 빔의 전자들과 상호 작용하여 코팅층을 전도성 구조체로 변형시킬 수 있다. 전자 빔은 금속 전구체들을 금속들로 화학적으로 환원시켜서 전기 전도체를 형성할 수 있다.
조사하는 단계(210)는 코팅층의 실질적으로 모든 바인더 또는 비금속 재료를 기화시키고 실질적으로 순수 금속층을 남겨서 전기 전도체를 형성할 수 있다. 코팅층은 이 코팅층의 비금속 재료가 완전히 제거될 때까지 조사받을 수 있다. 조사 공정은, 바인더의 두께, 조성, 농도 등과 같은, 코팅층의 특성들에 기초하여, 예를 들어 전자 빔의 동작 파라미터들을 제어함으로써, 제어될 수 있다. 선택적으로, 코팅층의 다른 부분들은 예를 들어 전기 전도체 내에 저항기를 형성하도록, 상이하게 조사받을 수 있다. 전기 컴포넌트들은 구조화된 전기 컴포넌트일 수 있다. 예를 들면, 전기 컴포넌트의 층들은 하나 이상의 층들에서의 미리 규정된 특성들을 얻도록 구조화된 방식으로 인쇄될 수 있거나 전자 빔을 통해 조사받을 수 있다. 전기 컴포넌트는 평면 구조체를 규정하도록 하는 방식으로 적층 또는 인쇄될 수 있다. 전자 빔은 층진 구조체의 모든 또는 선택된 부분을 조사할 수 있고, 그러면 과도한 적층/인쇄 재료가 제거될 수 있다.
전자 빔(110)으로 코팅층(106)을 처리하는 본 명세서에서 설명된 방법들 및 시스템들은 전자 컴포넌트를 위한 고품질의 전기 전도체를 달성한다. 공정은 습한 화학 성질(wet chemistry) 없이 그리고 감소된 환경 충격으로 수행될 수 있다. 전기 컴포넌트를 제조하기 위한 금속 소모량은 다른 제조 기술들에 비해서 감소될 수 있다. 공정은 코팅층(106)의 높은 선택성 및 정밀한 배치를 달성한다. 코팅층(106) 및 전기 컴포넌트는 신속하게 처리될 수 있고, 연속하는 릴-투-릴(reel-to-reel) 시스템 또는 일괄 시스템의 일부로서 처리될 수 있다. 처리된 코팅층(106)에 의해 규정된 전기 전도체들은 표준 절차들에 비해서 개선된 특성들을 제공한다. 예를 들면, 전기 전도체들은 증가된 전기 전도율, 증가된 열 전도율, 보다 양호한 내부식성, 증가된 경도 등을 가질 수 있다.
상기 설명은 도시하고자 하는 것일 뿐, 한정하고자 하는 것이 아님을 이해하여야 한다. 예를 들면, 상술한 실시예들(및/또는 그의 양태들)은 서로 조합하여 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 범주를 이탈하지 않고서 본 발명의 교시들에 특정 상황 또는 재료를 적용하도록 많은 변형예가 이루어질 수 있다. 치수들, 재료들의 타입들, 다양한 구성요소의 방위들, 및 본 명세서에서 설명한 다양한 구성요소의 수 및 위치는 소정의 실시예들의 파라미터들을 규정하고자 하는 것이지, 한정하고자 하는 것이 아니며, 단지 예시적인 실시예들이다. 특허청구범위의 사상 및 범주 내에서의 많은 다른 실시예들 및 변형예들은 상기 설명의 검토 시에 당 기술분야에 숙련된 자에게 명백할 것이다.

Claims (17)

  1. 외부 표면(108)을 갖는 전기 절연 기판(104)을 제공하는 단계(202);
    상기 외부 표면 상에 금속 농도 대비 낮은 바인더 농도를 갖는 코팅층(106)을 도포하는 단계(204)-상기 바인더는 1wt% 미만의 함량으로 상기 코팅층 내에 함유됨-; 및
    상기 기판 상에 전기 전도체(102)를 형성하도록 전자 빔으로 상기 코팅층을 조사하는 단계(210);를 포함하되,
    상기 코팅층을 조사하기 전에, 상기 코팅층의 입자 분출을 감소시키도록 상기 코팅층의 융점 이하의 온도로 상기 코팅층을 예열하는 단계;를 더 포함하며,
    상기 코팅층(106)을 조사하는 단계(210)는 상기 코팅층을 용융시켜 상기 전기 전도체(102)를 형성하도록 상기 코팅층의 융점 이상의 온도로 상기 코팅층을 가열하는 단계와, 상기 전기 전도체를 형성하도록 실질적으로 모든 바인더를 제거하는 단계를 포함하고,
    상기 전자빔은 상기 코팅층의 깊이의 1/3 내지 2/3에서 상기 코팅층 내에 스폿 포커싱되어, 상기 코팅층의 표면과 내측 모두에서 열을 발생시키는 전기 컴포넌트(100)를 제조하는 방법(200).
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층(106)은 금속 전구체들을 포함하고, 상기 코팅층을 조사하는 단계(210)는 상기 금속 전구체들을 금속들로 화학적으로 환원시켜 상기 전기 전도체를 형성하도록 상기 코팅층을 조사하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층을 조사하는 단계(210)는 상기 전기 전도체(102)를 형성하도록 실질적으로 금속층을 남기고 실질적으로 모든 바인더를 기화시키는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층(106)을 도포하는 단계(204)는 금속 전구체들을 갖는 코팅층을 도포하는 단계를 포함하고, 상기 코팅층을 조사하는 단계(210)는 상기 코팅층을 전도성 구조체로 변형시키도록 상기 전자 빔의 전자들과 상기 금속 전구체들을 반응시키는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층(106)을 조사하는 단계(210)는 상기 전기 전도체(102) 내에 저항기(131)를 형성하도록 상기 코팅층의 다른 부분들을 상이하게 조사하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층(106)을 조사하는 단계(210)는 상기 코팅층의 특성들에 기초하여 상기 전자 빔(110)의 동작 파라미터들을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층(106)을 조사하는 단계(210)는 상기 코팅층의 비금속 재료가 완전히 제거될 때까지 상기 코팅층을 조사하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층(106)을 도포하는 단계(204)는 상기 기판의 상기 외부 표면 상에 직접 상기 코팅층을 인쇄하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 조사 공정 중에 상기 코팅층을 전기적으로 접지하는 단계를 더 포함하는 방법.
  12. 외부 표면(108)을 갖는 전기 절연 기판(104); 및
    상기 외부 표면에 선택적으로 도포된 코팅층 ― 상기 코팅층은 전처리(pre-processing) 상태 및 전자 빔(110)에 의한 조사 후의 후처리(post-processing) 상태로 구성되고, 상기 코팅층은 상기 전처리 상태로부터 상기 후처리 상태로 변형되며, 상기 코팅층은 상기 전자 빔에 의한 조사 전에 상기 코팅층의 입자 분출을 감소시키도록 상기 코팅층의 융점 이하의 온도로 예열됨 ― 을 포함하고,
    상기 전자 빔은 상기 코팅층을 변형시키도록 조사 공정 중에 상기 코팅층을 적어도 부분적으로 관통하여 상기 코팅층을 융점 이상의 온도로 가열하여 용융시키며,
    상기 코팅층은 상기 기판에 도포되었을 때에 금속 농도 대비 낮은 바인더 농도를 가지며-상기 바인더는 1wt% 미만의 함량으로 상기 코팅층 내에 함유됨-, 실질적으로 모든 상기 바인더는 상기 전자 빔에 의한 상기 조사 공정 중에 제거되고,
    상기 전자빔은 상기 코팅층의 깊이의 1/3 내지 2/3에서 상기 코팅층 내에 스폿 포커싱되어, 상기 코팅층의 표면과 내측 모두에서 열을 발생시키는 전기 컴포넌트.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 코팅층의 비금속 재료 함량은 상기 후처리 상태보다도 상기 전처리 상태에서 더 높고, 상기 비금속 재료의 적어도 일부는 상기 전자 빔에 의한 상기 조사 공정 중에 제거되는 전기 컴포넌트.
  14. 삭제
  15. 제12항에 있어서,
    상기 코팅층의 재료는 상기 전자 빔에 의한 상기 조사 공정 중에 나노미터 규모로 혼합되는 전기 컴포넌트.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 기판은 비금속이고, 상기 코팅층은 상기 기판 상에 인쇄되고 상기 기판 상에 상기 전자 빔으로 처리되는 전기 컴포넌트.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 전자 빔은 상기 코팅층 내에 전기 전도성을 달성하도록 상기 코팅층의 재료를 조사하는데 사용되는 전기 컴포넌트.
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