導體形成方法

專利名稱：導體形成方法
技術領域：
本發明涉及用于形成諸如電子導體或離子導體等導體的方法。
背景技術：
存在如日本特開第2006-35820號公報所公開的如下的傳統已知的噴墨印刷處理借助于噴墨頭將給定的墨圖案印刷在諸如印刷紙或基板等印刷對象上，更具體地，通過使印刷對象沿一個方向移動，同時使噴墨頭沿與印刷對象的移動方向正交的方向移動而將給定的墨圖案印刷在諸如印刷紙或基板等印刷對象上。在該印刷處理中，無論圖案的取向如何(左右取向或前后取向)，印刷對象和噴墨頭的相對移動方向，即，印刷在印刷對象上的圖案的實際方向總是恒定的。另外，噴墨頭通常被構造成如日本特開第2009-212249號公報所公開的那樣，在印刷處理過程中，當工作臺上的印刷對象移動時，對熔化態的墨施加壓力脈沖，由此將微小墨滴從噴嘴排到印刷對象。上述噴墨印刷處理能夠被采用作為各種印刷技術，不僅包括將諸如彩色墨等普通墨印刷到普通紙張上的普通紙印刷，而且包括將導體(導體圖案)印刷到電路基板上的導體印刷。特別地，利用含有諸如金屬顆粒等導電材料的墨在固體電解質基板上形成電極 (電極焊盤)或者利用含有固體電解質材料的墨形成固體電解質薄膜的噴墨印刷處理是可行的。

發明內容
然而，噴墨印刷處理存在以下問題。在使用由于含有固體物質而具有高的表面張力的墨的情況下，當墨干燥時，墨在高的表面張力的作用下從所印刷的圖案的外周聚集到所印刷的圖案的中央。這導致所印刷的圖案的外周和中央之間出現厚度差。另一方面，在使用具有低的表面張力的墨的情況下，墨在印刷對象上擴散(spread)。這使得難以印刷期望厚度的墨圖案。由此，當噴墨印刷處理被采用作為導體形成技術時，難以限制導體中的厚度變化，并且難以形成具有期望厚度的導體，從而很難實現導體的期望電氣特性。因此，本發明的目的是提供一種導體形成方法，通過該方法能夠均勻地形成具有期望厚度的導體。根據本發明的一個方面，提供一種導體形成方法，該導體形成方法包括第一印刷步驟，其利用第一印刷墨印刷導體的輪廓部；干燥步驟，其干燥所印刷的所述輪廓部；以及干燥步驟之后的第二印刷步驟，其利用第二印刷墨印刷所述導體的剩余部分，所述第二印刷墨含有導電材料并且所述第二印刷墨的表面張力小于或等于所述第一印刷墨的表面張力。從下面的說明，本發明的其他目的和特征也將變得可以理解。


圖1是能夠實施本發明的導體形成裝置的示意圖。
圖2和圖3是通過根據本發明的第一實施方式的導體形成方法所形成的導體圖案的水平截面圖和豎直截面圖。圖4是圖3中的區域A的放大圖。圖5是通過傳統的導體形成方法所形成的導體圖案的豎直截面圖。圖6是通過根據本發明的第二實施方式的導體形成方法所形成的導體圖案的水平截面圖。圖7是通過根據本發明的第三實施方式的導體形成方法所形成的導體圖案的水平截面圖。
具體實施例方式下面將借助于以下第一至第三實施方式詳細說明本發明。[第一實施方式]本發明的第一實施方式涉及用于形成諸如電子導體或離子導體等導體的導體形成方法，該方法包括利用第一印刷墨印刷導體的輪廓部的第一印刷步驟、干燥所印刷的輪廓部的干燥步驟以及在干燥步驟后利用第二印刷墨印刷導體的剩余部分(位于所印刷的輪廓部的內側)的第二印刷步驟，其中，第二印刷墨含有導電材料并且第二印刷墨的表面張力小于或等于第一印刷墨的表面張力。首先，在第一印刷步驟中利用較高表面張力(較低潤濕性)的第一印刷墨印刷導體的輪廓部(外周)，并且在干燥步驟中干燥該輪廓部。由此，能夠防止導體外周的厚度減小以及變得過小。在隨后的第二印刷步驟中，利用較低表面張力(較高潤濕性)的第二印刷墨印刷導體的剩余內部。由此，能夠防止導體的內部的厚度(特別地，導體的中央的厚度)在印刷墨的表面張力的作用下增大以及變得過大。另外，由于導體的輪廓部已經在干燥步驟中固化并且在第二印刷步驟中用作岸壁(bank wall)，所以第二印刷墨不僅能夠均勻地充填導體的內部，而且能夠均勻地充填導體的輪廓部與內部之間的交界部。因此，即使導體的面積較大時，本實施方式也可以限制導體的厚度變化并且形成具有均勻的期望厚度的導體。這使得能夠減小整個導體的厚度，并且使得可以限制導體的內阻變化，由此導體能夠實現期望的電氣特性。由粘合劑、溶劑和可選地諸如分散劑等添加組分制備第一印刷墨和第二印刷墨。第一印刷墨優選地含有導電材料，而第二印刷墨如上所述必須含有導電材料。該導電材料可以是電子導電材料或者離子導電材料。第一印刷墨和第二印刷墨中可用的電子導電材料的示例是諸如金、銀、銅、鉬等金屬和諸如氧化鋯和氧化鋁等金屬氧化物。第一印刷墨和第二印刷墨中可用的離子導電材料的示例是諸如氧化鋯等固體電解質材料。然而， 導電材料不限于這些材料。換言之，任何電子導電墨或離子導電墨可以被自由地用作第一印刷墨。由于導體的主要部分是由第二印刷墨形成的，所以導體的性能特征(performance characteristics)取決于第二印刷墨的性能。即使在第二印刷墨中使用昂貴的墨材料(諸如，鉬粉)的情況下，也可以通過在第一印刷墨中使用廉價的墨材料來降低印刷墨的成本。第一印刷墨還優選地含有諸如碳(固體物質)等能在低于或等于導體的引燃溫度的溫度下燃燒的可燃材料(combustible material) 0當可燃材料在引燃時燃燒時，導體的輪廓部的厚度減少該可燃材料的量。由此，即使在第二印刷步驟中利用較低表面張力的第二印刷墨印刷導體的內部的情況下，也可以有效地限制導體的外周和中央之間的厚度差。可選地，第一印刷墨可以含有無任何電子或離子導電材料的可燃材料。在第一印刷墨中不使用電子或離子導電材料使得成本進一步降低。能夠通過改變溶劑中含有并溶解的粘合劑的種類和/或量來容易地控制印刷墨的表面張力。例如通過以第二印刷墨的粘合劑的表面張力小于第一印刷墨的粘合劑的表面張力的方式選擇和使用不同種類的粘合劑作為第一印刷墨和第二印刷墨的粘合劑，或者通過調整第二印刷墨中的粘合劑的量使其小于或等于第一印刷墨中的粘合劑的量，而控制第二印刷墨的表面張力小于第一印刷墨的表面張力是可行的。在防止導體的中央的厚度增大以及確保導體的均勻小厚度(平坦的薄膜形狀)方面，將較低表面張力的印刷墨應用于導體的內部是特別有效的。如此形成的導體具有作為氣體傳感器、燃料電池、半導體器件等的內部部件的多種用途。導體的用途的一個優選示例是作為固體氧化物燃料電池(SOFC)等中的薄膜固體電解質構件(即，離子導體)。由于固體電解質構件能夠形成具有期望的均勻小厚度(例如，0. 5 μ m至5. 0 μ m)，所以可以減小固體電解質構件的歐姆電阻并且為SOFC提供良好的電氣特性。即使在追求減小固體電解質構件的厚度的情況下，由于不用擔心固體電解質構件中的諸如針孔等缺陷，所以也可以防止燃料和氧體混合。導體的用途的另一優選示例是作為氣體傳感器等中的固體電解質基板上的電極或電極焊盤(即，電子導體)。由于能夠形成具有期望的均勻小厚度(例如，0. Ιμπι至 δ.Ομπ )的電極，所以可以限制電極或電極焊盤的內阻變化，并且實現傳感器的響應性的提
尚ο在本實施方式中，第二印刷步驟優選地以比第一印刷步驟的分辨率低的分辨率進行。在該情況下，能夠以高的分辨率和高的精度印刷導體的輪廓部；而以低的分辨率和高的速度印刷導體的剩余內部。由此，除了通過在防止導體的中央的厚度增大的同時精確地控制導體的外周的厚度(高度)而確保導體的均勻小厚度之外，還能夠縮短導體的印刷時間。另外，優選地至少第一印刷步驟通過噴墨印刷處理進行。在噴墨印刷處理中，印刷墨能夠作為微小液滴排出。如果導體的輪廓部是事先利用低表面張力的印刷墨由絲網印刷 (screen printing)印刷，則印刷墨擴散，使得難以保持導體的輪廓部的形狀。然而，當導體的輪廓部是通過噴墨印刷處理利用第一印刷墨的微小墨滴印刷時，所排出的微小墨滴能夠被快速干燥，從而防止第一印刷墨的擴散，并且精確地控制導體的輪廓部的形狀。即使當導體的剩余部分通過絲網印刷處理利用第二印刷墨印刷時，也可以獲得期望的效果。更優選地，第一印刷步驟和第二印刷步驟均通過噴墨印刷處理進行。通過利用第一印刷墨的微小墨滴印刷導體的輪廓部，然后利用第二印刷墨的微小墨滴印刷導體的剩余內部，可以精確地形成具有期望的均勻小厚度的導體。能夠通過如圖1所示的印刷裝置1進行噴墨印刷處理。這里的印刷裝置1被構造成通過噴墨印刷在基板3上形成多個矩形導體圖案7，印刷裝置1配備有底座2、印刷頭(噴墨頭)5、工作臺6、印刷頭移動機構8、工作臺移動機構9和控制單元10。在本實施方式中， 基板3由其上分別形成有導體圖案7的多個矩形基板單元(例如48個基板單元)構成。這些基板單元以相同的取向配置。基板3被形成為一塊，并最終被分割成獨立的基板單元。印刷頭5具有多個噴嘴(例如1 個噴嘴)和作為驅動元件的壓電元件，以通過對壓電元件施加壓力而使墨滴經噴嘴排出。噴嘴沿與印刷頭5的主掃描方向Y1-Y2交叉的方向以給定的節距(例如508 μ m)平行地配置。另外，印刷頭5具有印刷頭角度調整功能以調整印刷頭5相對于主掃描方向Y1-Y2的角度，由此改變導體圖案7的點節距(分辨率)。 (當未起動印刷頭角度調整功能時，噴嘴沿與主掃描方向Y1-Y2正交的副掃描方向X1-X2排列。)工作臺6在其上以如下方式支撐基板3 基板單元的長邊沿印刷頭5的主掃描方向Y1-Y2布置(將形成在基板3上的導體圖案7的長度方向與印刷頭5的主掃描方向一致)。印刷頭移動機構8包括驅動馬達(作為動力源)、由驅動馬達驅動的滾珠絲杠以及臂8a，該臂的基端與滾珠絲杠接合且遠端支撐印刷頭5以使印刷頭5在主掃描方向Y1-Y2 上移動。工作臺移動機構9在其上保持工作臺6并且包括驅動馬達(作為動力源)和由驅動馬達驅動的滾珠絲杠，以使工作臺6與支撐在工作臺6上的基板3 —起在副掃描方向 X1-X2上移動。基板3和印刷頭5通過印刷頭移動機構8和工作臺移動機構9相對于彼此移位。控制單元10產生各種控制信號(電壓信號)，包括能夠使印刷頭5 (壓電元件) 經噴嘴排出導體印刷墨的起動信號、使印刷頭移動機構8(驅動馬達)能夠沿主掃描方向 Y1-Y2移動印刷頭5的驅動信號以及使工作臺移動機構9(驅動馬達)能夠沿副掃描方向 X1-X2移動工作臺6的驅動信號，從而印刷頭5能夠在基板3上的期望位置印刷導體圖案 7。由此，在來自控制單元10的控制信號的作用下，通過印刷頭5、印刷頭移動機構8 和工作臺移動機構9執行噴墨印刷。下面將以通過使用印刷裝置1形成如圖2至圖4所示的作為電極焊盤(electrode pad)的導體圖案7的情況為例更具體地說明本實施方式的導體形成方法。電極焊盤是布置于引線(作為信號傳輸路徑)的一端用于輸入/輸出電信號的部件。這里，為了使本實施方式的導體形成方法的技術特征清楚，圖2中省略了基板3和引線。在本實施方式中，首先將基板3放置在工作臺6上。然后，在第一印刷步驟中通過印刷裝置1使用第一印刷墨印刷導體圖案7的輪廓部7a。在干燥步驟中干燥所印刷的輪廓部7a。對干燥步驟中的干燥條件無特別限制。例如，如下地進行干燥步驟是可行的通過在約100°C進行2至3分鐘的熱處理以使溶劑從印刷墨蒸發，從而固化所印刷的輪廓部7a。之后，在第二印刷步驟中通過印刷裝置1使用第二印刷墨印刷導體圖案7的整個剩余部分7b (位于干燥后的所印刷輪廓部7a的內側)。這里，在本實施方式中使用的第一印刷墨和第二印刷墨含有質量百分比為66%的二甘醇丁醚醋酸酯(butyl carbitol acetate)作為溶劑、質量百分比為的鉬作為金屬、質量百分比為4%的氧化鋯作為金屬氧化物、以及質量百分比為的粘合劑和質量百分比為的分散劑等。此外，在本實施方式中，纖維素粘合劑(cellulosic binder)被用作第一印刷墨的粘合劑，而丙烯酸粘合劑(表面張力比纖維素粘合劑的表面張力低)被用作第二印刷墨的粘合劑另一方面，在傳統的導體形成方法中，如圖5所示，整個導體圖案14利用導體印刷墨在一個印刷步驟中印刷。在印刷墨的表面張力的作用下，導體圖案14的中央的厚度增大，而導體圖案14的外周1 的厚度減小。這使得導體圖案14的外周1 和中央之間產生大的厚度差。結果，導體圖案14形成為半柱體形。由于導體圖案14的厚度變得比所期望的厚度大，所以導體印刷墨的應用量增大，導體印刷墨中經常使用昂貴的鉬粉材料。由此， 傳統的導體形成方法臨成本增大以及導體圖案14的內阻變化的問題。相反，在本實施方式中，事先利用較高表面張力的第一印刷墨印刷導體圖案7的輪廓部7a，并使其固化，從而充分降低印刷墨的表面張力對輪廓部7a的影響并且防止輪廓部7a的厚度減小。然后，接下來利用較低表面張力的第二印刷墨印刷剩余內部7b，從而防止導體圖案7的中央的厚度增大。由于固化后的輪廓部7a已經固化并且用作岸壁，所以第二印刷墨不僅均勻地充填導體圖案7的剩余內部7b，而且均勻地充填導體圖案7的輪廓部 7a和內部7b之間的交界部7c ( S卩，圖4中由交叉陰影線表示的區域)。由此，導體圖案7 能夠形成為平坦薄膜。因此，即使當導體圖案7的面積較大時，也可以限制導體圖案7的厚度變化并且確保整個導體圖案7的均勻厚度。由于能夠形成具有期望的小厚度的導體圖案 7，所以也可以降低印刷墨的消耗成本。如上所述，在防止導體圖案7的中央的厚度增大以及確保導體圖案7的均勻小厚度(平坦的薄膜形狀)方面，將較低表面張力的印刷墨應用到導體圖案7的內部7b是有效的。另外，第一印刷墨和第二印刷墨均作為微小液滴通過噴墨印刷處理排出，以利用第一印刷墨的微小液滴印刷導體圖案7的輪廓部7a，然后利用第二印刷墨的微小液滴印刷導體圖案7的剩余內部7b。由此，可以精確地將導體圖案7的整個形狀控制成期望的均勻
小厚度。在第一印刷步驟和第二印刷步驟中，可以以如下方式調整印刷頭5的角度以改變點節距(噴嘴節距)以較高的分辨率且高精確度地印刷導體圖案7的輪廓部7a，而以較低的分辨率且高速地印刷剩余內部7b。例如，在導體圖案7為約2. 7mm見方的情況下， 以35μπι的點節距(分辨率為M6dpi)印刷輪廓部7a，而以50μπι的點節距(分辨率為 508dpi)印刷剩余內部7b是可行的。在該情況下，不僅可以形成具有均勻小厚度的導體圖案7，而且可以縮短導體圖案7的印刷時間。以這種方式，本實施方式的導體形成方法能夠形成具有期望的均勻厚度的導體并且限制導體的內阻變化，使得導體能夠實現期望的電氣特性。[第二和第三實施方式]本發明的第二和第三實施方式類似于本發明的第一實施方式，除了導體形成方法包括在干燥步驟之前在導體的輪廓部的內側印刷具有阻止第二印刷墨在第二印刷步驟中凝聚的作用的凝聚阻止部之外。優選在第一印刷步驟中與印刷導體的輪廓部同時地印刷凝聚阻止部。也就是說，優選凝聚阻止部的印刷墨的表面張力與導體的輪廓部的印刷墨的表面張力相同，且凝聚阻止部的印刷墨的印刷分辨率與導體的輪廓部的印刷分辨率相同。作為示例，假設和第一實施方式的情況一樣，在第二或第三實施方式中形成如圖6或7所示的導體圖案15或16。在該情況下，優選地同時進行第一印刷步驟和第三印刷步驟，使得第一印刷墨被印刷以不僅形成導體圖案15、16的輪廓部7a，而且形成位于輪廓部 7a的內側的凝聚阻止部7e、7f。在干燥步驟中，導體圖案15、16的凝聚阻止部7e、7f與輪廓部7a被同時干燥。然后，進行第二印刷步驟，使得第二印刷墨被印刷在導體圖案15、16 的除輪廓部7a和凝聚阻止部7e、7f之外的剩余部分7b上。對凝聚阻止部7e、7f的形狀沒有特別限制，只要其能夠阻止第二印刷墨在第二印刷步驟中凝聚即可。在第二實施方式中，凝聚阻止部7e優選地設置成如圖6所示的網格形式。另外，在第三實施方式中，凝聚阻止部7f優選地設置成如圖7所示的多個突起的形式。通過形成這樣的凝聚阻止部7e、7f，能夠阻止第二印刷墨在第二印刷步驟中凝聚， 從而有效地阻止導體圖案15、16的中央的厚度增大。由此，在第二和第三實施方式中可以獲得與第一實施方式中的效果相同的效果，并且更可靠地確保導體圖案15、16的均勻厚度。日本專利申請No. 2010-279801 (2010年 12 月 15 日提交)和No. 2011-224257(2011 年10月11日提交)的全部內容通過引用包含于此。雖然已經參照以上具體實施方式

說明了本發明，但是本發明不限于這些典型實施方式。本領域的技術人員可以通過以上示教對上述實施方式進行各種修改和變型。例如，導體形成方法可以變型為使用絕緣墨代替導體印刷墨并且在基板上的給定區域上形成絕緣圖案。本發明對導體的形狀沒有特別限制。雖然在第一至第三實施方式中導體圖案7、 15,16的形狀是方形的，但是導體也可以形成為任何其他形狀，例如圓形。參照所附的權利要求書來限定本發明的范圍。
權利要求
1.一種導體形成方法，其包括第一印刷步驟，其利用第一印刷墨印刷導體的輪廓部；干燥步驟，其干燥所印刷的所述輪廓部；以及第二印刷步驟，其利用第二印刷墨印刷所述導體的剩余部分，所述第二印刷墨含有導電材料并且所述第二印刷墨的表面張力小于或等于所述第一印刷墨的表面張力。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一印刷墨含有電子導電材料或者離子導電材料。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一印刷墨含有可燃材料。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一印刷墨和所述第二印刷墨均含有粘合劑和溶劑；所述導體形成方法還包括通過調整溶解在所述溶劑中的所述粘合劑的量和種類中的至少一方來控制所述第一印刷墨的表面張力和/或所述第二印刷墨的表面張力。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述導體形成方法還包括在所述干燥步驟之前，在所述導體的所述輪廓部的內側印刷凝聚阻止部，所述凝聚阻止部在所述干燥步驟中與所述導體的所述輪廓部同時被干燥；并且在所述第二印刷步驟中，所述第二印刷墨被印刷于所述導體的除所述輪廓部和所述凝聚阻止部之外的剩余部分。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述凝聚阻止部在所述第一印刷步驟中與所述導體的所述輪廓部同時被印刷。
7.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述凝聚阻止部被印刷成網格的形式。
8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二印刷步驟是以比所述第一印刷步驟的分辨率低的分辨率進行的。
9.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一印刷步驟是通過噴墨印刷處理進行的。
10.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述導體是固體電解質構件。
11.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述導體是固體電解質基板上的電極。
全文摘要
提供一種導體形成方法，其包括第一印刷步驟，其利用第一印刷墨印刷導體的輪廓部；干燥步驟，其干燥所印刷的輪廓部；以及第二印刷步驟，其利用第二印刷墨印刷導體的剩余部分，其中第二印刷墨含有導電材料并且表面張力小于或等于第一印刷墨的表面張力。
文檔編號B41J2/01GK102573314SQ2011104255
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月15日 優先權日2010年12月15日
發明者早川暢博, 森賢太郎, 植松大輔 申請人:日本特殊陶業株式會社