專利名稱：制備導電圖案的方法
技術領域：
本發明涉及一種制備導電圖案的方法，其通過將包括了金屬氧化物的層印刷到載體底材上并且將該金屬氧化物還原為金屬。本發明也涉及該方法的用途。
背景技術：
在涉及電路板制備的現有技術中，如US5261950說明書中，公開了一種方法，其中具有10μm或更小數量級顆粒尺寸的細粒氧化銅粉末用于膏漿的形成。該膏漿由氧化銅粉末、粘結劑、合金元素和添加劑形成。所需形狀的導電圖案坯料由該膏漿形成于底材表面。使用例如氫氣將底材表面上的坯料還原(即金屬化)并使用高溫燒結以產生連續銅箔。
在這種利用氧化銅粉末作為起始材料(其被還原并燒結從而形成金屬銅箔)的現有技術方法中，其目的通常是將該銅箔永久地固定于底材表面。對于該目的而言，現有技術的膏漿包含玻璃添加劑，其中，它形成了與底層陶瓷底材的牢固結合。由于金屬化和燒結均在相當高的溫度下執行，其通常必須至少超過500℃以保證充分燒結，因此底材必須由具有良好抗熱性的材料(例如陶瓷)制成。
現有技術方法具有的優點是具有良好導電性的銅箔可通過快速且低成本工序由氧化銅形成，其價格低廉并且具有絕緣體特性。氧化銅粉末作為起始材料是化學穩定的，不像例如純銅粉末，其活性太強以致容易氧化。此外，氧化銅便宜。在銅箔制備過程中，沒有氧化銅浪費，因此效率和產率都良好。
現有技術方法的問題在于在將具有良好導電性的銅箔形成的導電圖案制成薄片壓至塑料或紙質底材上的實際應用中，其不適用于導電圖案的形成。這種應用包括例如用于多種電工用途的電感傳感器和天線。很明顯當其暴露于如上所述的高溫時，塑料或紙質底材將會損壞。
發射應答機是一個特殊的應用，其使用塑料和/或紙質底材上的薄導電金屬箔。該用途中的發射應答機指產品，其包括電路圖案和芯片上的集成電路。電路圖案位于底材上，且芯片上的集成電路電連接于電路圖案。
發射應答機可通過例如外部HF或UHF場激活，因此它們不需要電源。發射應答機可通過使用芯片上集成電路存儲的存儲數據來識別物體(產品、人、動物，等等)。識別發生在一定距離，其根據所用技術和有效的調制而變化。對于該識別而言，當天線處于讀取物的領域中時，其為集成電路產生了電流。可給發射應答機底材提供粘結表面使得其附于物件。該發射應答機可以是一次性的，例如用于食品和其它消費商品包裝的那些，在使用后被毀壞，或者可設計用于連續使用，例如用于計數用途、銀行信用卡、個人身份證或其它ID用途的。
發射應答機的典型電路圖案具有5-50μm厚度。該印刷電路圖案通常由絲網印刷技術制備。通過使用導電粉末提供電導性，其可由例如銀、銅和石墨產生。除了印刷的天線以外，現在也可由例如薄銅線通過盤繞和將線壓平而制備天線從而形成薄箔。其它制備方法包括蒸發和電解或化學沉積。將不需要的部分從連續銅箔(其可通過不同方法制備)上蝕刻除去而產生天線圖案。被蝕刻除去的部分可遠大于50％。由于除去額外金屬需要獨立的工作階段，因此在該領域中需要作出持續的努力來產生盡可能已處于制備過程早期的近凈形狀(nearnet shape)。
也有這樣的現有技術方法其中通過沖切由薄金屬箔形成RF-ID天線。其問題在于在該制備方法中其質量低劣且大部分金屬箔作為廢棄物而損失。
EP0991014說明書公開了一種由銀粉末形成RF-ID天線的光刻方法，其使用多種光敏性膜、至少一種促進處理過程的中間劑和兩種類型的導電金屬粉末。銀是昂貴的，因此這種方法制備的天線也是昂貴的。
尤其是在RF-ID應用中，問題在于現有技術制備方法產生的RF-ID標識天線是昂貴的，其有礙于它們在一次性應用(例如食品包裝)中更加廣泛的用途。
通過例如電解沉積過程制備薄連續箔的方法也是眾所周知的。該方法涉及在電解容器中旋轉的陰極鼓狀物和由容器底部中一部分或多個部分組成的弧狀陽極。在陽極和陰極之間供應電解液，且目的是使銅箔盡可能連續并均一地沉積到陰極鼓狀物表面。當沉積箔上升至電解液之上時，將其從陰極卸下并送至進一步的處理工序。該方法自1930年已經開始發展，并且記載于例如美國專利2044415和已公開的專利申請US2002/5363中。
發明目的本發明的目的是克服上述缺點。
本發明的具體目的是公開一種用于制備在紙質或塑料底材上具有良好導電性的低成本導電圖案的簡單方法。
本發明進一步的目的是公開一種發射應答機的緊湊生產工藝。
發明簡述本發明方法以權利要求1中公開的內容為特征。本發明的用途以權利要求10中公開的內容為特征。
發射應答機在本申請中指包括電路圖案和芯片上的集成電路的產品。電路圖案位于底材之上，并且芯片上的集成電路電連接于電路圖案。可將芯片以不具有任何底材的單一芯片方式粘結于電路圖案，或者用包括了芯片和底材上必要導線的模塊將其粘附于電路圖案。該電路圖案可以是箔、或基于偶極天線技術的天線。
本申請中導電圖案主要指電路圖案，還有形成電路圖案和芯片之間電連接的導線以及電容器極板也包括于本發明范圍，其可在與電路圖案相同的底材上形成。還有多層結構也屬于這一范圍。
在本申請中，金屬涉及任意金屬或金屬混合物，其可通過本發明方法而獲得。氧化銅是優選的起始物質，其將被還原為銅。
在該方法中，提供具有10μm或更小數量級顆粒尺寸的細粒氧化銅粉末用于形成膏漿；膏漿由氧化銅粉末、粘結劑和可能的合金元素和添加劑形成；通過利用該膏漿，所需形狀的導電圖案形成于載體底材表面；載體底材表面上的導電圖案在高溫下被金屬化并燒結而形成連續且導電的銅箔。
根據本發明，該載體底材(其具有基本上無粘性的表面，該表面由能夠承受用于金屬化和/或燒結過程的高溫并且不與膏漿中包含的物質發生反應的材料制成)被調整使得銅箔可從載體底材上脫離。在金屬化和燒結之后，銅箔從載體底材上脫離并轉移至應用底材表面上。
氧化銅粉末包括氧化銅(I)，其由水溶液制備而得，通過在經控制的溫度、溶液濃度和其它控制性質的條件下沉積，并通過干燥，從而制備活性、細粒、純凈和均質的氧化銅粉末。通過從水溶液沉積，獲得了足夠細粒且均質的粉末。相應地，該膏漿包括具有10μm或更小數量級顆粒尺寸的細粒氧化銅粉末和粘結劑。該膏漿也可包括合金元素和添加劑。合金元素可混入氧化銅粉末從而形成均質合金，所述合金元素選自銀，金，鉑，鈀，銀、金、鉑和鈀的氧化物，銀、金、鉑、鈀的鹵化物或其混合物。通過使用合金元素，可改善合金性質。
粘結劑可以是有機粘結劑，例如聚乙烯縮丁醛(PVB)或鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)，其被混入膏漿中。此外，用于控制流變、蠕變和/或粘結的合金元素可混入該膏漿。膏漿的適印性能可通過中間劑而調節，如樹脂、各種分散劑、溶劑等等。
導電圖案的生產線包括用于使膏漿形成導電圖案坯料的形成設備，該導電圖案在載體底材表面上具有所需導電圖案形狀。此外，該生產線包括金屬化和燒結設備，其用于在高溫下金屬化并燒結載體底材表面上的導電圖案坯料從而形成連續且導電的銅箔。
在本發明的方法中，導電圖案的形狀形成于載體底材上。該載體底材具有基本上無粘性的物質表面，該物質能夠承受用于金屬化和/或燒結過程的高溫并且不與膏漿中包含的物質發生反應，因此導電圖案(即銅箔)可從載體底材上脫離。載體底材可具有拋光平滑的基本無粘性的表面，其由石墨或陶瓷材料制成。石墨表面(其是優先的選擇)優選具有0.5μm或更小級別的表面光潔度Ra。石墨是具有良好抗熱性的低成本材料。其柔軟且可通過簡單技術輕易地進行拋光使得其足夠光滑，從而使得銅箔可輕易地從其上面脫離，并且其可再生，使得它可多次使用。
提及一些替代物，載體底材可以是用于單一圖案的板、包括序列板的循環傳送器、光滑環形帶、或用于多種圖案的板。用于形成導電圖案坯料的優選方法是絲網印刷。導電圖案的坯料也可通過其它壓印技術形成，其中導電圖案坯料的形成設備是印刷設備。導電圖案坯料也可通過從電腦輸出技術已知的輸出打印技術而形成，其中可通過電腦輔助方法輕易產生各種各樣形狀的單獨導電圖案。通常，印刷方法可選自絲網、移印(tampo)、噴墨、激光、柔版(flexo)、凹板和平板印刷。通常導電圖案坯料具有約5-100μm的厚度。
將攜帶了導電圖案坯料的石墨底材導入爐中，從而還原為元素金屬，即成為導電圖案。在氫氣氣氛下在與環境密封隔離的腔室中對導電圖案坯料金屬化和燒結以形成銅箔。該腔室具有加熱器，通過這種方式將待金屬化和燒結的導電圖案置于超過500℃的溫度下，優選1000℃的級別。當氧化銅還原為銅時，則形成了多孔海綿狀結構，將其燒結以使其粘合。既然該海綿狀金屬結構具有大面積，甚至可達數百平方米/克材料，因此除非在腔室中提供氫氣氣氛，否則其易于氧化。除氫氣以外，該氣氛可包含其它氣相物質，例如氮氣。其它氣相物質應當是惰性的。在1000℃級別的溫度下，發生徹底的燒結從而使得該海綿狀金屬熔結，即固化從而形成連續金屬層，其同時失活并不再氧化。當使用上述溫度時，金屬化和燒結在數分鐘內迅速發生，因此該制備過程快速并可在連續生產線上實施。為促進還原過程，可用有機中間劑處理氧化銅粉末以形成粉末氧化銅顆粒表面上的還原化合物。例如乙酸、草酸和/或甲酸可作為有機中間劑使用。由于它們是還原化合物，則金屬化過程在它們的幫助和影響下發生。隨著其分解，例如有機中間劑將其附近的氧化銅還原。加入到膏漿的還原中間劑使得金屬化在更低的溫度下發生。然而，在沒有高溫下執行的金屬化的情況下，單獨的有機中間劑是不充分的，但它也使顯著降低所采用的溫度(例如至500℃)成為可能。為了其金屬化和燒結，可通過紅外輻射或微波輻射加熱導電圖案。為這一目的，生產線可包括紅外輻射源或微波輻射源。
在熱處理步驟之后，將石墨底材和導電圖案冷卻至至少170℃。將導電圖案冷卻至甚至更低的溫度如100℃或室溫也是可能的。例如，在冷卻過程中可使用氮氣來保護金屬層表面。
在一些情況下，為獲得合適的厚度、硬度和強度，在還原步驟之后必須對導電圖案進行軋制。當導電圖案保留在載體底材上時可對其軋制，從而獲得高生產速度。也可在燒結/還原銅箔仍然熾熱(即在超過300℃的溫度)時執行軋制，在此情況下載體底材上導電圖案的成形和燒結/還原以及軋制均可在同一生產線上執行。
另一工藝步驟(并非在所有情況下都是必須的)是鈍化步驟，其中以防止氧化的方式使銅鈍化。通常利用合適的化學物質執行該鈍化步驟。
在下一工藝步驟中，將導電圖案轉移至應用底材。布置應用底材的表面以形成對導電圖案具有粘性的粘結表面，該粘性大于載體的基本無粘性表面的粘性。該應用底材優選為彈性連續網，如聚酯、聚乙烯、聚丙烯或紙質網，其具有粘合劑。另一替換方案是該導電圖案在其表面上具有粘合劑。網上的粘合劑接收導電圖案，且該圖案從載體底材上釋放。該粘合劑可以是壓敏性粘合劑、熱塑性粘合劑或可通過加熱、輻射或通過化學反應而固化的粘合劑。例如紫外線或電子束處理是合適的方法。在導電圖案的轉移發生之后，可將應用底材卷壓并輸送到另外的生產線，或以這樣的方式在同一生產線上繼續該工藝為獲得連續網上的相繼就緒的發射應答機所需的實際所有工藝步驟都在同一生產線上執行。然而，工序的中間形式也可存在。在本發明的一個實施方案中，可將芯片附于載體底材并隨著導電圖案將其轉移至應用底材。在另一個實施方案中，模塊導電線可通過本發明方法而形成。
使石墨底材重復使用。首先對其研磨除去金屬殘留物，而后進行沖洗和干燥程序，此后即可再次用于印刷。
通過這種方法，也可制備多層導體結構。在一個實施方案中，在第一層頂部上形成來自導電物質的第二層。為使得疊加的導電圖案在使用中處于不同電位，在第一層上形成了電絕緣的電介層，并且第二層隨后只形成于該電介層上。第二層可由與底部第一層材料相同或不同的材料形成。第二層材料可選自銅，銀，金，鉑，鈀，銅、銀、金、鉑和鈀的氧化物或其混合物。第二層在第一層的金屬化和燒結之前(換言之，當較低導電圖案保持在氧化形式時)形成。這一實施方案的先決條件是介電層能抗高溫。或者，第二層可在第一層的金屬化和燒結之后形成。第二層優選以與第一層同樣的方式形成。金屬箔結構可包括彼此重疊、被介電層分隔的數個導電層。
在本方法的一個實施方案中，銅箔形成了用于電路板的導電圖案，且將導電圖案轉移到其上的應用底材是剛性電路板底材。
在本方法的一個實施方案中，如前所述，除了電路圖案以外，即天線，以及發射應答機的其它導電部分如電容器極板和導線，也可通過本發明方法而形成。
附圖列表以下將在實施例的幫助下參考附圖詳細描述本發明，其中附

圖1代表用于執行本發明方法的實施方案的本發明系統的實施方案的圖示，附圖2、3a、3b顯示了發射應答機，和附圖4-6顯示了本發明制備方法的工藝步驟。
發明詳述附圖1表示了導電圖案生產線的實施例。具有10μm(通常0.5-10μm)或更小數量級顆粒尺寸的活性細粒氧化銅(I)粉末如此制備通過在經控制的溫度、溶液濃度和其它控制性質的條件下從水溶液沉積，干燥成粉末形式，并進行處理從而改善持久性。可將合金元素加入氧化銅(I)粉末，所述合金元素選自銀，金，鉑，鈀，銀、金、鉑和鈀的氧化物，銀、金、鉑、鈀的鹵化物或其混合物。可用有機還原酸如乙酸、草酸或甲酸對粉末進行附加地處理。
膏漿1的制備可通過混合按如上所述制備的氧化銅(I)粉末，有機粘結劑例如聚乙烯縮丁醛(PVB)或鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)，和用于控制膏漿的流變、蠕變、粘結等的其它添加劑來進行，其用作印刷油墨，用于印刷具有所需導電圖案形狀的導電圖案4(其作為在載體底材2的表面上厚度為5-100μm的層)的坯料。優選的印刷方法是網印刷方法，例如絲網印刷。也可通過該領域熟練人員已知的其它任何技術(如壓印技術或通過例如電腦輸出技術的方法)將該膏漿1施加到載體底材2上。關于合適的印刷技術，可考慮絲網、移印(tampo)、柔版(flexo)、凹板印刷、噴墨、激光、和平板印刷。該導電圖案可以是單純的電路圖案，或也可包括例如一個電容器極板/多個電容器極板。
附圖1展現的實施例中，所顯示的載體底材2是環形移動帶，其通過主動輪12和轉動輪13。可替換地，所用載體底材2可由連續載于生產線上的獨立板(未示出)組成。載體底材2表面上導電圖案4的坯料的形成過程以及其它后續生產步驟在載體帶2的上部水平部分實施。在沿著載體帶2下部的某處，可提供用于恢復該帶表面特性的再生裝置14。
導電圖案4的坯料形成如下通過形成裝置3將膏漿1印刷到載體底材2的表面，該形成裝置在附圖1的實施例中是以概略形式表示的絲網印刷設備，其通過橡皮滾軸將膏漿1擠壓通過掩模15(包括了具有導電圖案形狀的部分)并且使得膏漿1通過其中到達載體帶2的表面上，從而形成連續和/或鄰接的導電圖案4。載體帶2將導電圖案4的坯料輸送至金屬化和燒結設備5，其中載體帶表面上的導電圖案4的坯料在氫氣氣氛中并在約1000℃溫度下被金屬化和燒結，形成導電且連續的銅箔6。該金屬化和燒結設備5包括適于將載體底材2接收到其內空間中的腔室8。該腔室8包含上述的氫氣氣氛。用于加熱導電圖案的加熱設備9可以是IR或微波輻射源或者任何其它該領域技術人員已知的加熱設備。
在金屬化和燒結設備之后，可通過軋輥對16的作用將導電圖案6在載體帶2上碾壓成合適的厚度。通常上述工序可以省略。
載體皮帶2或至少其表面(導電圖案坯料形成于其上)由基本無粘性的材料制成，其能夠承受金屬化和/或燒結溫度并且不與包含于膏漿1中的物質反應。載體帶2優選由石墨制成，將其拋光至0.5μm或更小級別的表面光潔度Ra并且導電圖案6可輕易地從其上脫離并轉移至應用底材7的第一表面10上。應用底材7的第一表面10上面有粘結劑層。應用底材7的第一表面10對導電圖案6的粘性大于載體底材2的基本無粘性表面的粘性。導電圖案通過轉移貼合(transferlamination)被依次轉移。粘結劑層接觸載體帶2的表面并且通過粘結力將導電圖案從載體帶2釋放，從而該圖案轉移至應用底材7，在此情況下，該底材是連續彈性網。
在轉移貼合之后，可以已知方式在前述網的一側或兩側將合適的保護性額外層軋制，該層在附圖中以附圖標記19和20顯示。通過本發明方法制備的RF-ID天線的價格是通過現有技術所制備標識的價格的一小部分。
也參考附圖2、3a和3b，該方法用于發射應答機的制備。通常，芯片上的集成電路可直接粘附于電路圖案，或者該芯片已經先粘附于獨立的模塊，其粘附于應用底材。用于連接芯片或模塊的技術是已知的。附圖2、3a和3b所述的應用底材7上的發射應答機包括芯片18上的集成電路和電路圖案6，但是也可使用模塊替代裸芯片18。當電路圖案6和包括芯片18的模塊之間形成電連接時，可能通過至少一個電容器形成連接。在附圖2中，形成電絕緣圖案17來彼此隔離電導線。接收電路圖案6的應用底材7由塑料、紙、或相似彈性材料制成。模塊材料可以是應用底材7相同的材料，或可以是其它材料。
在附圖2、3a和3b中可看出，電路圖案的構型可變化多端。附圖2中所示的電路圖案是用于HF區域的線圈天線，附圖3a和3b所示的電路圖案是用于UHF區域。
盡管以上陳述描述了作為具體應用RF-ID標識制備方法，本申請的方法和體系也可用于制備電路板和類似物。當銅箔形成電路板導電圖案時，將銅箔轉移到其上的應用底材是電路板坯料。
通過遵循上述原理，可輕易地轉換該體系從而用于制備多層箔結構，例如通過在生產線中根據待形成的連續層數量而提供許多形成設備3和金屬化和燒結設備5。多層箔結構包括兩個或更多的疊加的導體層，其中導體層通過以前述的方式形成并且通過電絕緣中間層彼此隔離。
在以下附圖中，箭頭表示網的運動方向。
附圖4顯示了本發明工藝生產線的一個工藝步驟。將連續塑料網W如聚酯網從軋輥21上展開。網W表面上是粘結劑層，其在輥隙N1(形成于印刷表面23和支撐軸22之間)中從印刷表面23以連續方式接收導電圖案。在這一實施例中，印刷表面23作為載體底材且網W作為應用底材。在下一工序步驟，具有連續和/或鄰接導電圖案的網W粘附于從軋輥25展開的滲硅紙。該粘附發生在輥隙N2中。準備軋輥24用于轉移至后序生產線。當生產工藝的下一步在同一生產線上執行且網未纏繞時，則不需要粘結該滲硅紙。
附圖5顯示了發射應答機制備方法的下一步驟。軋輥24是松開的，且滲硅紙從網W釋放并纏繞至軋輥26。芯片上的集成電路在粘結單元27被粘結于網。將合適的表面材料從軋輥28上展開，且在輥隙N3中將其粘結于網W。所得網纏繞到軋輥29。
附圖6顯示了后序工藝步驟。然而，該步驟可以從工序中省略。將網從軋輥29展開，且滲硅紙從軋輥30展開，且各網以這樣的方式粘結到一起相對于表面材料，滲硅紙在網W的背面。滲硅紙在其表面上有粘結劑；該粘結劑在輥隙N4中將各網結合到一起。將準備就緒的層壓薄片纏繞到軋輥31，該層壓薄片包括連續和/或鄰接電路圖案、芯片上的集成電路(其電連接于電路圖案)和在網W兩側的網。
本發明并不局限于上述實施方案實施例；相反，許多變化都可能處于權利要求中所限定的發明概念范圍之中。
權利要求
1.一種制備導電圖案的方法，其通過將包括金屬氧化物的層印刷到載體底材(2)上并且將金屬氧化物還原為金屬，特征在于將經還原的層轉移至應用底材(7)。
2.根據權利要求1的方法，特征在于該應用底材(7)是網狀形式的，且能夠用于接收連續和/或鄰接導電圖案。
3.根據權利要求1的方法，特征在于通過壓敏性粘結劑將導電圖案粘附于應用底材(7)。
4.根據權利要求1的方法，特征在于通過熱塑性粘結劑或可通過加熱而固化的粘結劑將導電圖案粘附于應用底材。
5.根據權利要求1的方法，特征在于采用可通過輻射、電子束(EB)或通過化學反應而固化的粘合劑將導電圖案粘附于應用底材。
6.根據權利要求1的方法，特征在于導電圖案是發射應答機的電路圖案(6)，且集成電路電連接于電路圖案(6)。
7.根據權利要求6的方法，特征在于在將導電圖案轉移至應用底材(7)之前，在電路圖案(6)和芯片(18)之間形成電接觸。
8.根據權利要求6的方法，特征在于在將導電圖案轉移至應用底材(7)之后，在電路圖案(6)和芯片(18)之間形成電接觸。
9.根據在前任一權利要求的方法，特征在于在發生從載體底材(2)至應用底材(7)的轉移的同一生產線上，為覆蓋導電圖案將至少一個附加材料層粘附于應用底材(7)，或應用底材的相反側。
10.包括印刷含有金屬氧化物的導電圖案并還原金屬氧化物以制備具有紙質或塑料底材的發射應答機的方法的用途。
全文摘要
本發明涉及一種制備導電圖案的方法，其通過將包括金屬氧化物的層印刷到載體底材(2)上并且將金屬氧化物還原為金屬。將經還原的層轉移至應用底材(7)。本發明也涉及該方法的用途。
文檔編號H05K1/09GK1751546SQ03826095
公開日2006年3月22日 申請日期2003年8月29日 優先權日2003年3月5日
發明者L·胡塔薩洛, S·斯特倫伯格, M·漢希科爾皮 申請人:英滕電路公司