NL9202164A - Werkwijze voor het maken van plaatselijke dunne metalen lagen en toepassingen hiervan. - Google Patents

Description

WERKWIJZE voor het MAKEN van PLAATSELIJKE DUNNE METALEN LAGEN en TOEPASSINGEN hiervan.

Deze uitvinding betreft een werkwijze voor het maken van dunne metalen lagen op voorgegeven plaatsen op substraten met het kenmerk, dat een dunne laag van een metaal-organisch materiaal met een hoog metaalgehalte op het substraat wordt aangebracht en daarna door een lokale warmtebehandeling, van alleen die plaatsen waar metalen lagen gewenst zijn, wordt omgezet in elementair metaal en gasachtige organische rest- en/of verbrandingsproducten.

Deze methode is, in’t bijzonder, geschikt voor het aanbrengen van kleine plekjes metaal op een substraat, waarbij de plekjes metaal op voorgegeven plaatsen moeten zijn of een bepaalde configuratie moeten vormen.

Zeer geschikt is deze methode ook om op glas-substraten waarop patronen van transparante elektrisch geleidende lagen zijn aangebracht, deze geleiderlagen plaatselijk met een hoger geleidingsvermogen te voorzien. Dit kan b.v. door een film van een goud-organisch materiaal op het substraat op te brengen en deze door een zorgvuldig afgestemde 1aserbehandeling op die plekken te verwarmen waar een metallieke goudlaag gewenst is, om een hoger geleidingsvermogen op deze plaatsen te verkrijgen. Dp deze wijze kan een betere interconnectie van ICs, andere elektrische componenten, of gel eiderverbindingen met de transparante geleiderpatronen bereikt worden.

STAND van de TECHNIEK:

Het gebruik van raetaal-organische materialen voor het maken van metallieke lagen op b.v. glas of keramiek is een bekende procedure in de decoratieve glas- en keraraiekindustrie.

Zo worden bij voorbeeld goudlaagjes gevormd op de rand van borden, of er worden op drinkglazen inskripties in goud gemaakt.

De hiervoor gebruikte methode, b.v. het maken van een gouden rand op een bord, bestaat daarin dat een dun laagje zogenoemd goud-resin(aat) pasta met een kwast aan de rand wordt aangebracht. Daarna wordt het bord verwarmt tot een temperatuur, afhankelijk van het gebruikte goud-resin, van ca. 630 tot 900 graden Celsius. Na deze warmtebehandeling zijn de organische componenten van het goud-resin (aat) verdwenen en een goedhechtende goudlaag heeft zich gevormd.

En andere toepassing van metaal-organische materie wordt gebruikt in de IC industrie voor reparatie van onderbrekingen van elektrische verbindingen. Hierbij wordt een IC in een omgeving met gasvormige metaal-organische verbindingen geplaatst en lokaal verhit met laser pulsen. Op de verhitte plekken vallen de gasvormige metaal-organische verbindingen uiteen en vormen daar metaal lagen, die gebruikt kunnen warden ara onderbrekingen van elektrische verbindingen te repareren.

De organische resten verdwijnen in de omgeving.

De hiervoor gebruikte metaal-organische verbindingen bevatten veelal als metalen component molybdeen, chroom, en dergelijke.

De oppervlakten en dikten van de zo gevormde metaallagen zijn in’t algemeen beperkt, zoals een dikte tot ca. 0,1 micrometer en een oppervlakte van enkele micrometer in het vierkant.

Deze laatst genoemde reparatiemethode wordt ook bij aktief aangestuurde vloeibare kristal matrix displays gebruikt, om verbindingsfouten van de schakeldioden of transistoren te repareren.

DOEL, BESCHRIJVING, NIEUWHEID van de UITVINDING:

Het DOEL van de uitvinding bestaat in het maken van dunne metalen lagen, op voorgegeven plaatsen op een substraat, door plaatselijke verhitting aldaar van een op het substraat opgebrachte dunne film van een metaal-organisch materiaal met een hoog metaalgehalte, welke door een plaatselijke warmtebehandeling wordt omgezet in het elementaire metaal en organische rest- of verbrandingsproducten, die in de omgeving verdwijnen.

Hoog metaalgehalte in de zin van deze uitvinding is het gehalte aan relatief veel metaal per volume eenheid. Het tegenover gestelde is een gasachtige metaal-organische materie, die per volume eenheid altijd veel minder metaal bevat, dan een pasta-achtige of gedroogde vloeibare stof.

De BESCHRIJVING van de uitvinding geschiedt het best met een praktisch uitvoeringsvoorbeeld. De uitvinding bestaat in het aanbrengen van een dun laagje van een raetaal-organisch materiaal met hoog metaalgehalte, zoals een pasta van een zogenoemd metaal-resin Iaat), over de gehele of een gedeelte van de oppervlakte van het substraat, waarop die plaatsen zijn, die men met een metalen laag wil bedekken. Het substraat is voorzien van markeringtekens, door welke de ligging van de te metalliseren plaatsen vastgelegt zijn. De volgende stap is het plaatselijke verwarmen van de oppervlakte van het substraat met het laagje metaal-organisch materiaal op die plekken waar metaallagen gewenst zijn, en welke in relatie tot de markeringspunten zijn voorgegeven.

De markeringspunten dienen dus als referentie voor de juiste positionering van de verwarming, door de warmtebron zo te (ver)plaatsen dat deze uitsluitend de te metalliseren plekjes verwarmd. Vanzelfsprekend kan een vaste warmtebron en een verplaatsend substraat hetzelfde resultaat leveren.

Een ideale warmtebron bestaat uit een laser, die exact op de te metalliseren plekken wordt gefocusseerd, en zo de verwarming tot stand brengt. Een andere methode bestaat in het focusseren van een intensieve lichtbron, zoals een halogeenlamp, op de te metalliseren plekken.

Door de warmtebehandeling valt het metaal-organische materiaal uiteen in elementair metaal en gasvormige organische rest- en/of verbrandingsproducten, die in de omgeving verdwijnen.

Na de warmtebehandeling wordt het niet omgezette metaal-organische materiaal van het substraat verwijderd, door b.v. afspoelen met een oplossingsmiddel waarin de metaal-organische stof oplost.

Deze verwijdering kan ondersteund worden door een zachtzinnige mechanische behandeling, zoals b.v. zacht borstelen, scrubberen, ultrasoon baden, en dergelijke.

De NIEUWHEID van deze uitvinding bestaat in het gebruiken van metaal-organische materialen, die metaal in een hoge concentratie bevatten, in de vorm van een pasta of een drogende vloeistof, in combinatie met lokale verwarming, waarbij alleen plaatselijk metalen lagen worden gevormd, door het uiteen te vallen van het metaal-organisch materiaal bij verwarming in het elementaire metaal en organische rest-en/of verbrandingsproducten, die in de omgeving verdwijnen.

Hiermee kunnen op voorgegeven, goed gedefinieerden, plekken metalen lagen van b.v. enkele tienden micrometer dikte worden gemaakt, die een exacte ligging tegenover een referentiekader hebben.

Hiermee ONDERSCHEIDT zich deze methode van da bovengenoemde IC reparatiemethode door de hoge concentratie van metaal in het toegepaste metaal-organisch materiaal, vergeleken met gasvormige metaal-organische verbindingen met geringe metaalconcentratie. Bovendien is de apparatuur, die nodig is voor de toepassing van deze uitvinding veel eenvoudiger, omdat niet met gasvormige, vaak giftige, metaal-organische materie gewerkt wordt.

Het ONDERSCHEID, tegen de in de glas- en keramiekindustrie gebruikte methode, is het zuiver plaatselijke verwarmen, waardoor het beoogde effect van zuiver plaatselijk metalliseren wordt bereikt zander het werkstuk geheel te moeten verwarmen.

! VOORBEELD van VOORDELEN en TOEPASBAARHEID van de UITVINDING:

Transparante geleiderbanen zoals deze voorkomen op displays en zonnecellen, bestaan uit geleidende oxyden, zoals tinoxyde, indiumoxyde, of mengsels van beiden. Deze oxydes hebben een 5 veel lager elektrisch geleidingsvermogen dan metalen.

Plaatselijke metalen lagen zijn dan TOEPASBAAR voor b.v. het monteren van aanstuu.r-ICs op een vloeibaar kristal matrix display, door de ICs met zogenoemde bumps te voorzien en door een geleidende lijm of met soldeer direkt op de geleiderbanen van j een display substraat vast te zetten. Het VOORDEEL van plaatselijke metallisering van de transparante geleiderpatronen berust op het feit dat de transparante geleiders, met relatief gering geleidingsvermogen en hoge overgangsweerstanden, door de metaallaag een veel lagere overgangsweerstand krijgen, en hiermee het gebruik van geleiderlijraen en direkt oplijmen van de ICs op de transparante geleiderpatronen betere resultaten oplevert.

Bij solderen van de ICs is een metalen ondergrond in ieder geval vereist.

Het andere methoden is het maken van een plaatselijke metallieke versterking van zulke geleiderbanen op een substraat altijd een zeer ingewikkelde zaak, waarbij een groot aantal proces stappen uitgevoerd moet worden, en de hechting van de aangebrachte metalen lagen vaak van mindere kwaliteit is.

Met deze uitvinding is het eenvoudig om de transparante geleiderpatronen op exact die plaatsen van metalen laagjes te voorzien waarop de aanstuur-IGs gemonteerd worden. Bij gebruik van geleiderlijmen worden zo lagere overgangsweerstanden bereikt, en er kan ook op gesoldeerd worden.

Een ander VOORDEEL van de uitvinding is dat de warmtebehandeling zuiver plaatselijk is, waardoor funkties op of van de andere oppervlakte niet worden aangetast. Door het gebruik van een laser is de toegevoerde warmteenergie ruimtelijk zelfs zo nauwkeurig te regelen dat ook het substraat zelf slechts zeer weinig wordt verwarmd. In de praktijk is er dan wel op te achten dat de warmtebehandeling zo wordt uitgevoerd dat de hechting goed blijft, dat betekent voor het gebruikte metaal-organisch materiaal een aangepaste laagdikte en de daarbij behorende warmteenergie en tijdsduur, VOORBEELD voor de PRAKTISCHE UITVOERING van de UITVINDIN6,

Een voorbeeld voor de praktische uitvoering van de uitvinding is het maken van goudlagen op indium-tin oxyde (ITO) geleiderpatronen van een vloeibaar kristal display. Een van de problemen bij het maken van deze displays is het verbinden van het display met de aanstuur-ICs. Hiervoor bestaan een aantal methoden. De meest elegante en efficiënte methode is de zogenaamde “chip-on-glass" methode, waarbij IC chips met zogenoemde bumps warden voorzien en hiermee direkt op de ITO

geleiderbanen met behulp van een geleidende lijm of soldeer worden aangebracht.

Door de relatief geringe elektrische geleidbaarheid van het ITO zijn hier echter problemen, te meer omdat de ICs over een zeer grote hoeveelheid van aansluitpunten (bumps) beschikken.

Op dit ogenblik worden ICs met ca.330 aansluitingen gebruikt en deze hoeveelheid is aan het toenemen. De problemen zijn meestal terug te voeren op te hoge overgangsweerstanden.

Een wezenlijke verbetering van deze "chip-on-glass" methode is te bereiken door metallisatie van het ITO op dis plaatsen waar de ICs moeten worden aangebracht.

De plaatsen, waar de ICs geplaatst worden, bevinden zich normaliter langs de randen van een display.

In dit voorbeeld bestaat het vloeibaar kristal display uit twee glasplaten met de ITO geleiderpatronen, die met een kleine afstand op elkaar worden gelijmd. Deze afstand wordt later opgevuld met het vloeibare kristal. Om ruimte voor ds elektrische aansluitingen te hebben, steekt bij deze displays altijd de ene glasplaat over de andere uit en op deze uitstekende glasrand kunnen de ICs gemonteerd worden. Het is in de praktijk aan te bevelen dat de plaatselijke metallisatie van de aansluitpunten voor de ICs plaatsvindt voor de twee glasplaten op elkaar gelijmd worden. In de verdere beschrijving van de praktische uitvoering zal daarom ook met “displayplaat" bedoeld worden, alleen een van de twee platen van het display.

De praktische uitvoering van de uitvinding bestaat in het aanbrengen van een dunne laag van een goud-resin(aat), zoals gebruikt wordt in de decoratieve glas- en keramiekindustrie, op een displayplaat.

Het aanbrengen van zo een laag kan geschieden door b.v. een roller-coating proces, door screen-printen, of een andere geschikte methode. Omdat de ICs tegen de'randen van het display worden geplaatst, wordt in dit voorbeeld de gehele randzone 1 van een displayplaat met het goud-resin(aat) bedekt, zodanig dat alle plaatsen waar IC-bumps moeten worden vastgemaakt, met het goud-resin(aat) bedekt zijn.

De "displayplaten" bevatten voor verschillende processtappen altijd referentiemarkeringen. Aan hand van deze markeringen wordt nu een gefacusseerde laserbundel geprogrammeerd over het substraat gevoerd en daar, waar een goud-plekje gemaakt moet worden, namelijk daar waar aansluitpunten voor de bumps van een IC zijn, wordt de laser bekrachtigt met een vermogen, dat afgestemd is in intensiteit en tijdsduur op de dikte van het laagje en de eigenschappen van het goud-resin(aat), hetgeen in verschillende kwaliteiten te verkrijgen is. Door de laserbehandeling wordt het goud-resin(aat) en de oppervlakte van de displayplaat met de ITO geleiderbanen verwarmd. Het goud-resin(aat) wordt door de warmte omgezet (valt uiteen) in een metallieke goudlaag, terwijl het "organisch" gedeelte van het goud-resin(aat) verdwijnt.

Bij een juiste afstemming van goud-resin(aat) type, dikte van de resin(aat)-film, toegevoerde warmteenergie (temperatuur), en tijdsduur van de verwarming wordt een goede hechting van de zo gevormde goudfilm op het ITO verkregen. Na deze behandeling wordt van de displayplaat het niet in metaal omgezette goud-resin(aat) verwijderd. Deze “schoonmaak" kan in een bad met oplosmiddelen gebeuren, en door mechanische middelen ondersteund worden, zoals zacht borstelen, scrubberen, trillen in een ultrasoon bad, en dergelijke.

Cm de voorkomen, dat het goud-resin (aat) of resten ervan, op gedeelten van de displayplaat terechtkomen, waar men dit niet wil hebben, kunnen de gebieden, die niet verwarmd moeten worden, afgedekt worden tijdens of voor de warmtebehandeling, door middel van passende schablonen of door bedekken met b.v. een laagje fotoresist of een ander lakachtig materiaal, dat later verwijderd kan worden.

Na dit voorbeeld is het voor de expert duidelijk, hoe variaties op de beschreven methode in de praktijk kunnen worden gemaakt, die echter van het principe van de uitvinding niet zullen afwijken. Zo zou i.p.v. goud-resin(aat) een ander raetaal-resin (aat! gebruikt kunnen worden. Ook kunnen andere metaal-organische verbindingen dan resin (aat)-achtige toegepast worden, zoals oplossingen van metaal-organische verbindingen met hoog metaalgehalte, die men na het opbrengen laat drogen.

Het kenmerk van deze uitvinding is, dat een relatief hoog gehalte van metaal in het metaal-organische materiaal aanwezig is, en dat de metaal-organische laag slechts op bepaalde plaatsen zodanig wordt verhit, dat het metaal-organische materiaal uiteen valt in een metaallaagje' en restproducten die verdwijnen, waarbij de metaallaagjes op exact voorgeschreven plaatsen gevormd worden. De hierbij te gebruiken warmtebron zou i.p.v. een laser een scherp gefocusseerd lichtbundel zijn, zoals verkregen kan worden met halogeenlampen. Het voordeel van de laser is echter de zeer goede regelbaarheid van het afgegeven warmtevermogen.

Voor de expert zal het duidelijk zijn, dat deze uitvinding ook toepasbaar is op andere, dan het hier beschreven gebied, namelijk andere displays, photovoltaische zonnecellen en afgeleide andere gebieden in de electronica, maar ook voor individuele decoraties op glas of porcelein zonder de noodzaak het gehele werkstuk te moeten verwarmen. Dergelijke metaal 1agen kunnen ook gebruikt worden voor elektrische aansluitingen van optisch transparante elektrisch geleidende lagen van autoruiten (voor verwarming tegen bevriezen en/of vochtbeslag) of van glasof kunststof rui ten voor beveiligingsdoeleinden (waarbij bij breuk van de ruit elektrische onderbreking van de geleidende lagen wordt veroorzaakt). Dok kunnen dergelijke metaallagen op metalen substraten opgebracht worden, niet alleen voor decoratieve doeleinden, maar ook om b.v. hardere metalen op zachtere op te brengen, en voor verschillende andere toepassingen van oppervakte modificatie en verbetering.

Claims (15)

1. Werkwijze voor het maken van dunne metalen lagen op voorgegeven plaatsen op substraten en toepassingen hiervan met het kenmerk, dat een dunne laag van een metaal-organisch materiaal, met een hoog metaalgehalte, op het substraat wordt aangebracht en daarna door een lokale warmtebehandeling, van alleen die plaatsen waar metalen lagen gewenst zijn, wordt omgezet in metaal en gasachtige organische rest- en/ot verbrandings-producten.

2. Werkwijze volgens conclusie 1. met het kenmerk, dat het metaal-organische materiaal een metaal-resin(aat) is,

3. Werkwijze volgens conclusie 1. met het kenmerk, dat het metaal-organische materiaal een zogenoemd goud-resin (aat) is.

4. Werkwijze volgens conclusie 1. met het kenmerk, dat 1 het metaal-organisch materiaal een oplosbare metaal-organische verbinding met een hoog metaalgehalte is.

5. Werkwijze volgens conclusie 1,2,3 of 4 met het kenmerk, dat de lokale warmtebehandeling van die plaatsen waarop een metalen j laagje gevormd wordt door middel van een laser plaatsvindt.

6. Werkwijze volgens conclusie 1,2,3 of 4 met het kenmerk, dat de lokale warmtebehandeling van die plaatsen waarop een metalen laagje gevormd wordt door middel van een gefocusseerde lichtbron 3 plaatsvindt.

7. Werkwijze volgens een der conclusies 1 t/m 4 met het kenmerk, dat de metaal-organische laag voor het verwarmingsproces alleen wordt aangebracht op die gedeelten van het substraat waar metallieke 5 lagen gevormd moeten worden.

8. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 1 t/m 7 met het kenmerk, dat tijdens de warmtebehandeling niet-behandelde gebieden van het substraat geheel of gedeeltelijk zijn afgedekt.

9. Werkwijze volgens een of meerdere der conclusies 1 t/m 8 met het kenmerk, dat het substraat uit glas bestaat en transparante elektrisch geleidende patronen heeft, welke plaatselijk met metalen laagjes voorzien worden.

10. Werkwijze volgens een of meerdere van de conclusies 1 t/m 9 met het k e n m e r k, dat het substraat uit glas bestaat en transparante elektrisch geleidende patronen heeft, welke plaatselijk met een gouden laagje voorzien worden.

11. Werkwijze volgens een of meerdere der conclusies 1 t/m 13 met het kenmerk, dat op de gevormde metalen laagjes gebumpte ICs worden geplaatst.

12. Werkwijze volgens een of meerdere van de conclusies 1 t/m 11 met het kamer k, dat het substraat onderdeel van εεη vloeibaar kristal display is.

13. Werkwijze volgens een of meerdere van de conclusies i t/m 10 met het k e n m e r k, dat het substraat onderdeel van een photovoltaische'zonnecel is.

14. Werkwijze volgens een of meerdere van de conclusies 1 t/m 13 met het kenner k, dat het substraat uit anorganisch materiaal bestaat.

15. Werkwijze volgens een of meerdere van de conclusies 1 t/m 13 met het kenmerk, dat het substraat elektrisch niet geleidend is en een elektrisch geleidende optisch transparante laag heeft.