專利名稱：在不定長幅材上連續燒結的方法
在不定長幅材上連續燒結的方法本發明涉及一種將導電圖案施加到不定長材料幅材上的方法。
背景技術：
在柔性聚合物基材上制備電子電路存在優勢。柔性電路特別便于制造如移動電話 等其中很難獲得空間和可折疊性的裝置。現有技術在制備帶有細微金屬跡線的柔性材料能 力的局限性之一是聚合物基材的耐熱性相對較低。
發明內容
本發明提供一種將金屬導電圖案施加到幅材上的方法。在一個方面，本發明提供 一種將導電圖案施加到不定長材料幅材上的方法，包括將含有金屬的組合物施加到幅材上以形成圖案化幅材；圍繞具有很低熱質量的卷筒傳送圖案化幅材；將熱施加到圖案化幅材上以將金屬轉變為導電圖案；以及冷卻導電圖案，其中，在圍繞卷筒傳送圖案化幅材的同時，執行將熱施加到圖案化幅材上以及冷 卻導電圖案。在另一方面，本發明提供一種將導電圖案施加到不定長材料幅材上的方法，包 括將含有金屬的組合物施加到幅材上以形成圖案化幅材；在包括具有很低熱質量的接觸層的傳送表面上傳送圖案化幅材，以及將熱施加到圖案化幅材上以將金屬轉變為導電圖案；以及冷卻導電圖案，其中，在傳送表面上傳送的圖案化幅材的同時，執行將熱施加到圖案化幅材以及 冷卻導電圖案。除非本文明確定義，用來描述本發明實施例的術語應理解為具有與本領域普通技 術人員所賦予其的相同的含義。如本文所用，具有“很低熱質量”的卷筒定義為需要不超過約1焦耳能量來使Icm2 的卷筒表面的溫度改變1° K的卷筒。一旦考慮了包括“具體實施方式
”、“實例”和“所附權利要求書”在內的本公開其 余部分，本領域普通技術人員即會更全面了解本發明的實質。
在本發明實施例的描述中參照各種附圖，其中所描述實施例的特征結構由附圖標 記指示，相同的附圖標記指示相同的結構，其中圖1是用于實施根據本發明方法的裝置的示意圖；圖Ia是圖1所示裝置的替代實施例的示意圖2是圖1所示裝置的一部分的正視圖；圖2a是實施根據本發明另一實施例的方法的卷筒裝置的局部正視圖；以及圖2b是實施根據本發明又一實施例的方法的卷筒裝置的局部正視圖。
具體實施例方式本發明提供一種用于將含有金屬的組合物以預定圖案施加到幅材表面上的方法， 在具有很低熱質量的卷筒或帶上或功能相當的傳送基材上傳送幅材，同時將高熱施加到含 有金屬的組合物上，以將組合物中的金屬轉變為導電圖案。基材被加熱并快速冷卻，以在即 便以可實現效益的線速度保持連續移動時也能避免基材發生扭曲。圖1示出了用于實施本發明方法的裝置10的示意圖。不定長連續幅材20被傳送 過施加站22，其中含有金屬的組合物24以預定圖案施加到幅材20的第一主表面23上。幅 材20可以由多種材料制成。在一些實施例中，幅材20是選自聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、 聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚碳酸酯和聚酰亞胺的聚合物材料。在本發明的實施例中，施 加站22是能夠執行打印技術以將含有金屬的組合物24施加到幅材20的表面23的裝置。 在一些實施例中，施加站22執行噴墨打印(如，站22是噴墨打印機)。在其他實施例中，通 過平版印刷、或通過旋轉絲網印刷、或通過柔板凹版印刷等，施加站22施加含有金屬的組 合物24。用于施加含有組合物金屬的其他技術在本發明的范圍內可以想到。連續幅材20單方向圍繞卷筒30行進，如圖1中指向箭頭所示。卷筒30具有很低 的熱質量。在圖1所示的本發明的實施例中，很低熱質量的卷筒30通過將薄金屬外殼31 裝在空氣軸承32上來形成。選擇用于薄金屬外殼31的材料對提供具有很低熱質量的卷筒 30至關重要。在一些實施例中，薄金屬外殼31主要由鎳構成。在其他實施例中，可以使用 其他薄金屬材料。在一些實施例中，薄金屬外殼由鎳構成，其具有在約5密耳(0. 127mm)與 15密耳(0.381mm)之間的厚度。空氣軸承32包括不旋轉的鋼芯軸。卷筒30構造成需要小 于1. 0焦耳能量來使Icm2的卷筒表面改變1° K。在一些實施例中，卷筒30需要不到0.5 焦耳的能量來使Icm2的卷筒表面改變Γ K。在一些實施例中，卷筒30需要不到0.2焦耳 的能量來使Icm2的卷筒表面改變Γ K。含有金屬的組合物24被施加到幅材20的表面23，并圍繞卷筒30傳送。通過加 熱器34將熱施加到含有金屬的組合物24以開始燒結過程，所述燒結過程轉變含有金屬的 組合物24中的金屬以形成最終導電圖案36。在本發明的實施例中，加熱器34是輻射加熱 器。在一些實施例中，加熱器34是紅外(IR)加熱器。其他類型的輻射加熱器以及本領域 普通技術人員已知的電阻加熱器、對流加熱器、感應加熱器等也可以用于本發明。在用加熱器34加熱之后，幅材20被立即在幅材20從卷筒30分離之前冷卻到其 玻璃化轉變溫度(Tg)以下。幅材20的冷卻使用安裝在加熱器34下游并鄰近薄金屬外殼 30的外表面的急冷系統38來完成。在所述實施例中，急冷系統38包括至少一個氣刀。本 領域的技術人員將理解，其他裝置例如噴嘴或其他氣體可以適用于該急冷系統38。在一些實施例中，加熱器34或許能夠以足以因局部熱膨脹而使薄金屬外殼30彎 曲的速率提供熱能。作為預防性措施，本發明的實施例配有裝備，可將薄金屬外殼31預熱 到高溫，以便通過加熱器34提供到金屬外殼31表面的額外熱量不會引起超過薄金屬彎曲 力閾值的局部膨脹力。在一些實施例中，提供基礎加熱裝置，用以將薄金屬外殼31加溫到預定的基礎溫度或預定溫度范圍內的溫度。在一些實施例中，提供圖1所示形式的基礎加 熱裝置，即作為安裝在空氣軸承32內部的多個電阻加熱器40。基礎加熱裝置的其他結構也 可以想到，且為本領域技術人員所理解。對圖1所示裝置的數學模擬表明，將其上方進行加熱的帶區的寬度減小可以在一 定范圍內更加減少幅材20彎曲的趨勢。考慮到這一點，圖Ia示出了圖1所示裝置的替代實 施例，表示用于減少加熱區域寬度的某些臨時措施。如圖所示，在此實施例中加熱器34的 輸出通過雙凸透鏡40聚焦并通過孔徑42限制在幅材的狹窄部分上。可以這樣使用的其他 臨時措施，對于本領域普通技術人員而言是顯而易見的。通過使用這些臨時措施，隨著幅材 20圍繞薄外殼30傳送，能量被引向其上狹窄的部分，圖中用角度θ標示。借助于一種或多 種這樣的臨時措施，角度θ會有利地限制到薄外殼30的圓周的小于2度的弧形區。可以 想到，在一些實施例中，可以選擇性地設有第二急冷系統39，以進一步限制其中進行加熱的 區域。在一些實施例中，已經觀察到當使用本發明的方法時裝置附近的環境濕度會對工 藝窗口產生影響。盡管不希望受到任何理論的束縛，但是據信幅材20首先接觸卷筒30時 夾帶的少量空氣的含水量在遇到快速加熱時會干擾幅材與卷筒之間的良好接觸，由此影響 熱傳遞速率。在一些用以改善效果的實施例中，實施該方法的環境相對濕度可以小于30%、 小于25%或甚至小于20%。參考圖2，圖2是圖1所示卷筒30的正視圖，其中示出薄金屬外殼31安裝在空氣 軸承32上。通常，空氣軸承32包括具有多個布置在芯軸外周附近的孔的圓柱形芯軸、第一 圓形端蓋和第二圓形端蓋。壓縮氣體源供給到圓柱形支承芯軸，其流出孔洞，從而允許薄金 屬外殼31圍繞芯軸旋轉。從薄外殼31的側邊緣31a和31b出來的空氣軸承32的氣流用 箭頭“A”標示。薄外殼31的寬度使外殼可安裝在空氣軸承32的側邊緣32a和32b內。在 該圖示的實施例中，薄外殼30可在一定程度上、在空氣軸承32的側邊緣32a和32b的范圍 內橫向“游走”。現參見圖2a，該圖示出了可用于本發明的卷筒130的另一實施例的剖面圖，現對 其進行描述。如上述實施例所述，薄金屬外殼131安裝在空氣軸承132上。沿著外殼的側 邊緣從金屬外殼131下面出來的空氣軸承32的氣流用箭頭“A' ”標示。薄外殼131的寬 度使外殼可安裝在空氣軸承132的側邊緣內。錐形肩部133設置在空氣軸承132的側邊緣 132a附近的圓柱形芯軸上。應當理解在空氣軸承132的對側(未示出)上設有類似的錐形 肩部。這樣，錐形肩部133可防止薄金屬外殼131在空氣軸承132的邊緣之間橫向移動，并 用來平衡由從薄外殼131邊緣出來的側向氣流A'所施加的力，從而使薄外殼在空氣軸承 上保持居中。現參見圖2b，該圖示出了可用于本發明的卷筒230的另一實施例的剖面圖，現對 其進行描述。薄金屬外殼231安裝在空氣軸承232上。沿著外殼的側邊緣231a從金屬外 殼231下面出來的空氣軸承232的氣流用箭頭“A”標示。薄外殼231的寬度使外殼可安裝 在空氣軸承232的側邊緣內。階梯式肩部233設置在空氣軸承232的側邊緣232a附近的 圓柱形芯軸上。應當理解在空氣軸承232的對側(未示出)上設有類似的結構。這樣，階 梯式肩部233可防止薄金屬外殼231在空氣軸承132的邊緣之間橫向移動，用以平衡由從 薄外殼231側邊緣出來的側向氣流A"所施加的力，使薄外殼在空氣軸承的邊緣內保持居中。在前面的實施例中，描述為錐形肩部133(圖2a)和階梯式肩部233 (圖2b)的肩 部結構是可用于本發明以防止薄金屬外殼在空氣軸承界限內橫向移動的結構一些示例。在 本發明的范圍內，還可想到用其他結構來執行與肩部133和233相同的功能并獲得相同的 效果，并且本發明不應理解為在任何方面受限于所描述的肩部結構。另外，本發明不應理解為限于由空氣軸承和薄金屬外殼構成的卷筒形式的傳送表 面。可以想到一些作為替代的傳送表面，例如用環狀金屬帶取代所述卷筒。另外，本領域普 通技術人員應當認識到，有可能形成其中僅薄接觸層具有很低熱質量的傳送表面，該接觸 層通過如直接設置在接觸層下面的非常隔熱的材料層與傳送表面的其余部分熱隔離。上述 的替代結構明確地視為在本發明的范圍內。實例1準備類似于圖1所描寫的實驗裝置，其中軸向位置穩定機構基本如圖2c所示。在 該裝置上穿過以品名ST504膜購自DuPont (Wilmington，DE)公司的8英寸(20. 3cm)寬且 0.005英寸(0.127mm)厚的不定長聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)幅材。卷筒包括以品名 Nickel Sleeve 購自 Stork Prints America (Charlotte, NC)的主要由鎳構成的直徑 8. 658 英寸(21. 906cm)、厚度0. 010英寸(0. 254mm)的薄外殼。此組合物的外殼需要大約0. 1焦 耳的能量來使Icm2的卷筒表面改變Γ K。該鎳外殼安裝在用作空氣軸承的不旋轉鋼支承芯軸周圍。此不旋轉鋼支承芯軸配 有作為基礎加熱器附裝在芯軸內徑上的15-65瓦特電熱絲式加熱器(以品名Thermofoil 加熱器購自Minco of Minneapolis，MN)。用于基礎加熱器的熱控制手段包括電阻式熱探 測器(RTD)反饋，考慮到芯軸的三種具體的加熱區設定。薄外殼的支承空氣源具有傳熱作 用，隨著空氣穿過芯軸上所設的孔洞，熱量從芯軸傳遞到外殼。為了支承外殼，向芯軸供給 40英寸水柱(0. lOkg/cm2)的空氣壓力。注意到在這些設定下芯軸溫度和鎳外殼表面之間 的正常溫差大約為10°C，但值得注意的是，此觀測值為一般參考值，且運行時幅材的穩態溫 差取決于幅材的厚度和寬度以及線速度。懸浮在載體中的包含銀納米粒子的油墨組合物(以品名CCI-300購自Cabot Corporation of Albuquerque, MN)以預定圖案從噴墨打印站(以品名Model SE128購自 Dimatix of Lebanon,NH)分配到幅材上，同時幅材以4英尺/分鐘(1. 22m/min)的線速度 前進。作為加熱器，設有兩個1600瓦特的紅外加熱器(以燈及燈座型號5193-16-SP735購 自Research Inc. of Minneapolis，MN)。這兩個紅外加熱器配有拋物面反射器，以將能量 聚焦到約0.5英寸寬的橫跨幅材的線上。供給這兩個紅外加熱器的功率由電源控制柜(型 號910-A-240-40-00，Research Inc.制造)控制。此裝置的紅外波長主要在1與2微米之 間，其相當于約1000至2000°C的燈泡“溫度”。油墨組合物受到紅外輻射，這使得銀納米粒 子燒結為銀導電層，該銀導電層被位于紅外加熱器下游的氣刀形式的急冷系統冷卻，如圖1 大致所示并如文中其他部分所述。在操作期間，PET幅材未發生熱變形，并且鎳外殼未出現 彎曲。實例2準備了類似于實例1的實驗裝置，但有以下不同。1600瓦特紅外加熱器及其聚焦 和控制硬件被1500瓦特、25-50kHz感應加熱器替代。此1英寸(2. 54cm)直徑的感應加熱
7線圈設在離薄外殼2mm處，并且膜以2英尺/min(0.61m/min)的速度前進。油墨組合物受 到由感應加熱器產生的熱量，這使得銀納米粒子燒結為銀導電層，該銀導電層被位于紅外 加熱器下游的氣刀形式的急冷系統冷卻，如文中其他部分所述。在操作期間，PET幅材未發 生熱變形，并且鎳外殼未出現彎曲。 盡管已結合本發明的各種實施例對本發明進行了特別展示和說明，本領域內的技 術人員應當理解，可以對形式和細節進行各種其他的更改而不脫離本發明的范圍和精神。
權利要求
1.一種將導電圖案施加到不定長材料的幅材上的方法，其包括將含有金屬的組合物施加到所述幅材上以形成圖案化幅材；圍繞具有很低熱質量的卷筒傳送所述圖案化幅材；將熱施加到所述圖案化幅材上，以將所述金屬轉變為導電圖案；冷卻所述導電圖案；以及其中，在圍繞所述卷筒傳送所述圖案化幅材的同時，執行將熱施加到所述圖案化幅材 上以及冷卻所述導電圖案。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述卷筒包括安裝在空氣軸承上的薄金屬外殼。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述薄金屬外殼主要由鎳構成。
4.根據權利要求2所述的方法，還包括用于將所述薄金屬外殼維持在預定基礎溫度下 的基礎加熱裝置。
5.根據權利要求1所述的方法，其中將熱施加到所述圖案化幅材通過紅外能源實現。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述幅材包括膜，所述膜包括選自聚對苯二甲酸 乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯和聚酰亞胺的聚合物。
7.根據權利要求1所述的方法，其中冷卻所述導電圖案包括在圍繞所述卷筒傳送所述 圖案化幅材的同時將所述幅材冷卻到其玻璃化轉變溫度以下。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述冷卻使用鄰近所述薄金屬外殼的外表面安裝 的急冷系統來完成。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述急冷系統包括至少一個氣刀。
10.根據權利要求1所述的方法，其中所述含有金屬的組合物包括懸浮在載體中的銀 粒子，并且其中施加熱到所述圖案化幅材將所述銀粒子燒結成導電圖案。
11.根據權利要求3所述的方法，其中所述薄金屬外殼的厚度在約5密耳(0.127mm)和 15密耳(0. 381mm)之間。
12.根據權利要求11所述的方法，其中所述空氣軸承支承圍繞非旋轉芯的所述薄金屬 外殼。
13.根據權利要求1所述的方法，其中所述卷筒需要小于0.5焦耳的能量來使Icm2的 卷筒表面改變1° K。
14.根據權利要求1所述的方法，其中所述卷筒需要小于0.2焦耳的能量來使Icm2的 卷筒表面改變1° K。
15.根據權利要求1所述的方法，其中將熱施加到所述圖案化幅材在所述卷筒的圓周 的不大于2度的弧形區上進行。
16.根據權利要求1所述的方法，其中將熱施加到所述圖案化幅材通過感應能源完成。
17.根據權利要求5所述的方法，其中所述紅外能源在所述幅材圍繞所述卷筒傳送的 同時通過透鏡聚焦到所述幅材的一部分上。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述透鏡包括雙凸透鏡，并且在所述雙凸透鏡 與所述幅材之間設有孔徑。
19.根據權利要求1所述的方法，其中在將熱施加到所述圖案化幅材期間環境相對濕 度低于30%。
20.一種將導電圖案施加到不定長材料的幅材上的方法，其包括將含有金屬的組合物施加到所述幅材上以形成圖案化幅材； 在包括具有很低熱質量的接觸層的傳送表面上傳送所述圖案化幅材； 將熱施加到所述圖案化幅材，以將所述金屬轉變為導電圖案； 冷卻所述導電圖案；以及其中，在所述傳送表面上傳送所述圖案化幅材的同時，執行將熱施加到所述圖案化幅 材上以及冷卻所述導電圖案。
全文摘要
本發明公開了一種將金屬導電圖案施加到不定長材料幅材上的方法。此方法包括將含有金屬的組合物以預定圖案施加到幅材上，提供具有很低熱質量的卷筒，并將圖案化幅材圍繞卷筒傳送，而同時將熱能施加到含有金屬的組合物，從而將金屬轉變為導電圖案。這便于柔性電路以低成本的卷到卷工序制作。
文檔編號H05K3/12GK102037794SQ200980118652
公開日2011年4月27日 申請日期2009年5月20日 優先權日2008年5月20日
發明者丹尼爾·H·卡爾森, 丹尼爾·J·泰斯, 卡爾·K·斯騰斯瓦德, 塞繆爾·基達內, 布賴恩·K·納爾遜, 格蘭特·F·蒂芬布魯克, 羅納德·P·斯萬松, 詹姆斯·N·多布斯 申請人:3M創新有限公司