CN106457299B - 印刷纵横比高的图案 - Google Patents

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Abstract

描述的是用于印刷纵横比高和/或特定竖直几何图案的设备和方法。设备在多印次印刷模式下操作且包括被配置为分配高粘度浆料以在基板上形成图案的一个或更多个浆料分配机构。至少一个浆料分配机构被配置为将浆料分配至在先前印次印刷的图案的区段。在先前完成的印次印刷的浆料干燥之前浆料被分配至先前印刷的图案的相关区段或者这称为“湿压湿”印刷。

Description

印刷纵横比高的图案
技术领域
设备和方法涉及印刷电子器件的领域且特别涉及印刷导体和部件组成的纵横比高的图案。
背景技术
印刷电子器件是新的最近发展的电子器件的制造方法。它是一种相对低成本制造方法，允许灵活放置包括电阻器、电容器、电感器和电流导体的无源电子部件和有源电子部件或者简单的导体。浆料形式的不同的材料被用于改变印刷导体和印刷部件的属性例如电阻值。
用于在不同类型的基板上制造导电图案的(特别用于制造大于大约100微米结构的)主要印刷方法之一是丝网印刷。在丝网印刷中浆料被挤压通过承载期望图案的模板。当导电图案被印刷的时候，浆料可包含诸如银和铜颗粒的金属颗粒或者有机导电材料。此类浆料通常被施涂至基板以形成图案层。图案层然后能够被干燥且被转移至另一个载体或被烧结以除去有机溶剂和无机溶剂。采用丝网印刷遇到的一些困难包括形成纵横比高的图案且特别是导体线路的能力差。为了得到期望的横截面，导体的宽度被增加。减少印刷导体的宽度可以提高电子电路封装的密度，这也增加了导体电阻值和限制在细导体中的载流能力。
词汇用语
纵横比——如在本文中所用，纵横比意味着印刷结构的高度(h)与印刷结构的宽度(w)或直径(d)之比。纵横比高意味着印刷的图案可以具有超过0.5、1.0、2.0、5.0或更大的纵横比。
竖直几何图案——如在本文中所用，竖直几何图案意味着在大致垂直于基板表面的方向上从基板的表面延伸的印刷图案。竖直几何图案在几何3D形状例如立方体、圆柱、圆锥、棱锥等方面也能够被描述为“点状”图案或在横截面(梯形，矩形，三角形等)方面被描述为线路图案。
发明内容
描述的是用于印刷纵横比高和/或特定竖直几何图案的设备和方法。设备在多印次(multi-pass)印刷模式下操作并包括：浆料分配机构，其被配置为分配高粘度浆料以在第一印次中在基板上形成图案；和至少一个额外的浆料分配机构，其被配置为在同一基板上分配相同或不同的浆料至在第一印次印刷的图案的至少一区段，以使得在第二大体非接触印次中改变在第一印次印刷的图案的区段的厚度。被配置为将浆料分配至在第一印次印刷的图案的区段的浆料分配机构在第一印次印刷的浆料干燥之前将浆料分配至先前印刷的图案的相关区段或者这称为“湿压湿”印刷。在一些示例中，设备可以包括两个以上的浆料分配机构，每个这些机构被配置为分配相同或不同的浆料。
在不同的印次分配或印刷的浆料特征为粘度足以支持在不同的印次湿压湿沉积的浆料的层之间最小的塌陷。由本专利申请人所实施的印刷测验表明，在不同印次沉积的或印刷的浆料层特征为在干燥/烧结之后在它们之间有良好的附连性。非接触式印刷技术支持在具有附连性弱的“粘性”表面上印刷。
“湿压湿”分配浆料和印刷图案有利于第二和额外的浆料层的准确放置，这是因为印刷层的热处理、例如浆料的干燥将不可避免地产生印刷图案的变形和使第二印刷层对准复杂化。湿压湿印刷过程避免了这个缺点。
设备还包括一个或多个印刷装置。印刷装置可以根据不同的印刷技术印刷。例如，印刷装置可以被配置为通过第一印刷技术印刷在第一印次印刷的图案和通过第二印刷技术印刷将要在第二通常非接触印次印刷的图案。第一印刷技术和第二印刷技术可以是相同的印刷技术或不同的印刷技术。额外的印次可以使用相同的印刷技术或额外的印刷技术。
设备包括基板支承机构。基板支承机构被配置以在第一和第二印次过程中支承基板并且如果期望的话移动基板。为了在第二或第三或其它印次、大体上非接触额外印次进行印刷，基板支承机构将基板保持在与第一印次的位置相同的位置中。可替代地，带有相应的印刷装置的浆料分配机构可以被移动。
浆料分配机构以足以形成将要印刷的图案的量分配浆料。浆料可以是导电浆料且包括C、Cu、Ag和Au颗粒或导电聚合物浆料。设备在第一印次通过第一浆料印刷图案和通过与第一浆料不同的浆料或第二浆料印刷在第二印次印刷的图案。第二浆料可以与第一浆料中的至少一种浆料属性不同。
将要被印刷的图案可以包括不同纵横比的区段和结构。图案的区段和结构可以是导电的导体或迹线和不同横截面的桩例如锥形，圆柱形，圆锥形和其它横截面。每个结构可以包括利用不同特性的浆料在不同的印次印刷的多个浆料层。
附图说明
图1是基板的一个示例的示意图，在所述基板上印刷有包括不同纵横比的区段的图案；
图2是根据一个示例的印刷设备的示意图；和
图3是印刷设备的另一个示例的示意图。
具体实施方式
印刷纵横比高的图案且特别包括导电图案的图案的能力能够支持在同一基板上印刷较细、较高的传导信号的导体或迹线和较粗的供电导体或迹线的组合。不同部件可以被安装或连接至具有不同区段厚度的区段。具有不同区段厚度的区段可以增加封装密度、改进散热、降低电子电路组件成本、减少互连的数量和改进产品的可靠性。
参考图1，其是基板的一个示例的示意图，在所述基板上印刷有包括不同纵横比的区段的图案。基板100可以包括由导体或迹线108、112和116和多个锥形、圆锥形、圆柱形或其它横截面的桩120、124和128组成的图案104。每个导体108、112、116和每个桩120、124、128可以具有不同的纵横比或竖直几何形状，且可以包括不同材料的层。例如，导体可具有20-50微米的宽度和60-150微米的高度，且桩可具有30-80微米的直径和60-150微米的高度。
基板100可以由金属、塑料或其它材料制成。基板100可以是刚性或柔性的基板。导体108的区段132和桩124可以包括由含有不同材料的浆料印刷的层。例如，导体112的层136可以由第一材料制成，且导体112的层140可以由第二材料制成。以类似的方式，桩124的层144可以由第一材料制成，且层148可以由第三材料制成。桩120可以完全由第二材料沉积或印刷。
图2是根据一个示例的印刷设备的示意图。设备200被配置用于印刷纵横比高和/或特定竖直几何图案，并且大体上在多个印次(printing pass)中印刷纵横比高和/或特定竖直几何图案。设备200针对每个印次可以使用类似的或不同的印刷技术和机构。设备200包括浆料分配机构204，所述浆料分配机构配置为分配高粘度浆料以在第一印次中在基板100上形成图案104或不同的图案。设备200包括额外的浆料分配机构208，所述额外的浆料分配机构被配置为在基板100上分配浆料至图案104的至少一个区段，例如在第一印次被印刷的图案104的区段132或桩124(图1)，以在第二通常非接触印次中改变在第一印次被印刷的图案的区段的厚度。基板支承机构212被配置为在第一印次和第二印次和整个印刷过程中支承基板100和如果期望的话移动基板。实际上，导体和桩的、即印刷结构的高度是完成的印次数量的函数。大体上，相对大数量的印次可以被完成，且不同高的纵横比的结构可以被印刷。
设备200被配置为由印刷装置216印刷在第一印次被印刷的图案104的各区段或者整个图案104，其中所述印刷装置根据第一印刷技术来印刷或操作。印刷技术可以例如是：例如丝网印刷，在属于同一受让人和同一发明人的美国专利#8,652,872和美国未决专利申请No.2011/0197965中被公开的PTP技术和PTP技术的改型、LIFT(Laser Induced ForwardTransfer)或MAPLE(基质辅助脉冲激光蒸发)转印技术。对于第二印次，基板支承机构212将基板100保持在与第一印次的位置相同的位置中。在一个示例中，通过将其上固定有基板100的基板支承机构212在单元224和单元228之间移动来实现基板100在与第一印次的位置相同的位置中的保持，单元224包含浆料分配机构204和印刷装置216，单元228包含浆料分配机构208和印刷装置220。在另一个示例中，其上固定有基板100的基板支承机构212在第一印次和第二印次过程中保持静止，且单元224和单元228被移动以印刷图案104。单元224和单元228在不同印次之间的位移和对准的准确性可以通过本领域公知的方法支持。
设备200被配置为由第二印刷装置220印刷在第二大体非接触印次被印刷的图案104的各区段，其中第二印刷装置根据第二印刷技术来操作或印刷。第二印刷技术可以例如是：如在属于同一受让人和同一发明人的美国专利No.8,652,872和美国未决专利申请No.2011/0197965中被公开的PTP技术、LIFT或MAPLE转印。
图2示出了彼此不同的第一浆料分配机构204和第一印刷装置216和第二浆料分配机构208和第二印刷装置220，且它们相应地使用彼此不同的第一印刷技术和第二印刷技术进行印刷。在一些示例中，第一印刷技术和第二印刷技术可以是相同的印刷技术，且印刷装置216和印刷装置220可以是相同的印刷装置。
配置为在基板100上将浆料分配至在第一印次印刷的图案的至少一区段的浆料分配机构208在第一印次印刷的浆料干燥之前分配浆料至先前印刷的图案的区段或者这被称为“湿压湿”印刷。在当前过程中使用的印刷浆料大体上具有200cps到1000cps的粘度，且在第一印次和第二印次之间特点为最小化塌陷。申请人实施的印刷测试表明，在不同印次沉积或印刷的浆料层特点仍为在基板和在连续印刷中印刷或沉积的浆料层之间良好的附连性。
根据湿压湿印刷技术分配浆料和印刷图案有利于第二和额外的浆料层的准确放置，这是因为印刷层的热处理、例如浆料的干燥将不可避免地产生印刷图案变形和使第二印刷层的对准复杂化。湿压湿印刷过程避免了这个缺点。因为基板100在整个印刷过程中保持其固定位置，所以对准第二浆料层和额外的浆料层通过浆料分配机构204与208和印刷机构216、220在X-Y方向上的简单运动被完成。虽然在一些示例中，带有基板100的基板支承机构212被移动，但单元224和单元228保持了它们的固定位置。
设备200的浆料分配机构204被配置为针对第一印次分配浆料，所分配的浆料量足以形成具有厚度在5至50微米范围内的图案和形成具有宽度在10至150微米范围内的线路的图案。大体上，浆料是导电浆料，且是从包括C、Cu、Ag、Au和导电性聚合物浆料的一组浆料中选择的。在一个示例中，设备200可以在第一印次和第二印次通过使用相同的浆料印刷图案104。在一些示例中，设备200在第一印次通过第一浆料印刷图案104，且整个图案104或图案104的一些区段可以在第二大体非接触印次通过与第一浆料不同的浆料或第二浆料被印刷。第二浆料可以与第一浆料在至少一种属性方面不同。例如，它可以具有不同的导电材料或不同的填料。
在一个示例中，设备200在第二大体非接触印次印刷与在第一印次印刷的图案相同的图案104，即导体和桩的布局和它们的宽度与在第一印次印刷的图案的宽度将是相同的。在另一个示例中，设备200在第二印次可以印刷与在第一印次印刷的图案不同的图案，即导体和桩的布局和它们的宽度与第一印次印刷的图案可以是不同的。
现在将描述印刷纵横比高和/或特定竖直几何图案的方法。首先，待印刷的基板100被提供并安装在印刷机200(方框304)的基板支承机构212上。在第一印次，浆料分配机构204将高粘度浆料施涂至基板100，施涂的量足以在基板100上形成图案104(方框308)。印刷装置216变成可操作的(方框312)以在基板100上印刷或形成图案104。印刷装置216可以在第一印次通过第一印刷技术印刷图案104。第一印刷技术可以例如是：如丝网印刷，在属于同一受让人和同一发明人的美国专利No.8,652,872和美国未决专利申请No.2011/0197965中公开的PTP技术、LIFT或MAPLE转印技术和它们的改型。
在第一印次完成之后，浆料分配机构208施涂高粘度浆料，施涂的量足以形成第二印次(方框316)。浆料分配机构208在第一印次印刷的图案104的至少一区段上沉积额外层，以使得改变在第一印次印刷的图案的区段的厚度。厚度变化将增加区段的纵横比，且纵横比更高的图案将被印刷。在第一印次印刷的浆料变干燥之前浆料分配机构208将浆料施涂或分配至先前印刷的图案的区段，或者这称为“湿压湿”印刷技术。
使用湿压湿印刷技术的优点在于其有利于第二和额外的浆料层的准确放置，这是因为印刷层的热处理例如浆料的干燥将不可避免地产生印刷的图案变形和使第二印刷层的对准复杂化。湿压湿印刷过程避免了这个缺点。因为基板100在整个印刷过程中保持其固定位置，所以对准第二浆料层和额外浆料层可以如果需要的话通过浆料分配机构204与208和印刷机构216、220在X-Y方向上的简单运动被完成。
印刷装置220变成可操作的(方框320)以在基板100上印刷或形成图案104的纵横比高的区段132(图1)。印刷装置220可以通过与第一印次印刷技术相同的印刷技术或与第一印次印刷技术不同的技术来印刷图案104的区段132。第二大体非接触印刷技术可以例如是：如在属于同一受让人和同一发明者的美国专利No.8,652,872和美国未决专利申请No.2011/0197965中公开的PTP技术或PTP技术的改型、LIFT或MAPLE转印技术或LIFT或MAPLE转印技术的改型。
在第一印次被印刷的图案可以具有在5至50微米范围内的厚度和形成具有在10至150微米范围内宽度的导体线路。在第二和其它大体非接触印次，印刷的结构可以具有相同的宽度或更小的宽度，例如更小的宽度可以有助于形成具有梯形或锥形竖直横截面的点状凸起物。
根据方法，不同的导电浆料可以在第一印次和第二印次使用。这些不同的导电浆料可以是包括C、Cu、Ag、Au颗粒和导电聚合物浆料的浆料。在一个示例中，在第一印次和第二印次印刷的图案可以通过相同的浆料被印刷。在另一个示例中，在第一印次印刷的图案通过第一浆料被印刷，且在第二印次印刷的图案通过与第一浆料不同的浆料或第二浆料被印刷。在随后印次中使用的第二浆料和其它浆料可以与第一浆料在至少一种属性方面不同。
根据方法，在第二印次印刷的图案可以与在第一印次印刷的图案相同或至少部分地重叠。根据另一个示例，在第二印次印刷的图案可以与在第一印次印刷的图案不同。根据所公开的印刷方法，在第二印次或额外的印次、附着在先前印刷的图案的区段上被印刷的额外的印刷层(或多个层)改变了所得到的印刷图案的厚度并增加了印刷图案的纵横比。
公开的方法和设备支持印刷纵横比高的不同的图案。优化的若干印刷技术和合适的粘度印刷浆料的组合支持实现纵横比高的图案印刷。印刷方法是“湿压湿”，且除了别的以外，该印刷方法由正确选择浆料粘度得以有利实现，以在连续印刷之间提供最小化塌陷。湿压湿印刷过程的优点在于在连续浆料分配和印刷过程之间的对准是简单的操作。尽管多印次，方法支持在连续印刷中印刷的不同的浆料和材料之间的良好的附连性，包括在具有附连性低的“粘性”表面上进行印刷。
方法和设备支持以较低成本与较高生产率进行印刷。
本文提供了方法和设备的一些示例，然而应当注意的是方法和设备可以在不脱离权利要求书的精神或范围的情况下不同于如具体说明和描述被实施。

Claims (41)

1.一种纵横比高和/或特定竖直几何图案的印刷方法，所述纵横比高是指印刷结构的高度与印刷结构的宽度或直径之比超过0.5，所述竖直几何图案是指从基板的表面在大致垂直于所述基板的表面的方向上延伸的印刷图案，所述印刷方法包括：
在第一印次中施涂高粘度导电浆料以在基板上形成图案；
在第二印次中施涂高粘度导电浆料至在所述第一印次印刷的图案的至少一区段，以改变在所述第一印次印刷的图案的所述至少一区段的厚度；
其中所述第二印次是非接触印次，并且施加导电浆料至先前印刷的所述图案的至少一区段是在所述第一印次印刷的导电浆料上实施任何热处理之前。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一印次印刷的图案通过第一印刷技术被印刷。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第二印次印刷的图案通过第二印刷技术被印刷。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述第一印刷技术和所述第二印刷技术是相同的印刷技术。
5.根据权利要求2或3所述的方法，其中，至少一项所述印刷技术是LIFT(激光诱导前向转移)印刷技术的改型。
6.根据权利要求2或3所述的方法，其中，至少一项印刷技术是PTP(图案转印)技术的改型。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一印次印刷的图案具有5至50微米范围内的厚度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一印次印刷的图案包括具有10至150微米范围内宽度的线路或导体。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述图案包括“点状”凸起。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述凸起具有圆锥形状。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一印次和所述第二印次印刷的图案通过相同的导电浆料被印刷。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一印次印刷的图案通过第一导电浆料被印刷，且在所述第二印次印刷的图案通过与所述第一导电浆料不同的第二导电浆料被印刷。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一导电浆料和所述第二导电浆料选自由C、Cu、Ag、Au和导电聚合物浆料组成的一组导电浆料。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一导电浆料和所述第二导电浆料在至少一种属性方面是不同的。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第二印次印刷的图案的宽度与在所述第一印次印刷的图案的宽度不同。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第二印次印刷的图案的宽度与在所述第一印次印刷的图案的宽度相同。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第二印次印刷的图案与在所述第一印次印刷的图案至少部分地重叠。
18.根据权利要求1所述的方法，还包括附着在所述第二印次印刷的图案的至少一区段上印刷至少一个额外层，以改变先前印刷层的厚度。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述至少一个额外层通过以下印刷技术之一被印刷，即与第一印刷技术和第二印刷技术相同的印刷技术、和与所述第一印刷技术和所述第二印刷技术不同的印刷技术。
20.一种用于印刷纵横比高和/或特定竖直几何图案的设备，所述纵横比高是指印刷结构的高度与印刷结构的宽度或直径之比超过0.5，所述竖直几何图案是指从基板的表面在大致垂直于所述基板的表面的方向上延伸的印刷图案，所述设备包括：
第一浆料分配机构，配置为分配高粘度导电浆料以在第一印次在基板上形成图案；
第二浆料分配机构，配置为在第二印次分配高粘度导电浆料；
基板支承机构，配置为支承所述基板；
用于所述基板和/或所述第一浆料分配机构和/或所述第二浆料分配机构的相对位移的机构；且
其中因为所述基板支承机构将所述基板保持在与所述第一印次的位置相同的位置中，所以所述第二印次无需对准地被完成；
被配置为在所述基板上分配第二导电浆料至在所述第一印次印刷的图案的至少一区段的所述第二浆料分配机构在所述第一印次印刷的第一导电浆料干燥之前将所述第二导电浆料分配至先前印刷的图案的至少一区段。
21.根据权利要求20所述的设备，其中，在所述设备被配置为通过第一印刷技术印刷在所述第一印次印刷的图案。
22.根据权利要求20所述的设备，其中，所述设备被配置为通过第二印刷技术印刷在所述第二印次印刷的图案。
23.根据权利要求21或22所述的设备，其中，所述第一印刷技术和所述第二印刷技术是相同的印刷技术。
24.根据权利要求21或22所述的设备，其中，所述第一印刷技术和所述第二印刷技术是不同的印刷技术。
25.根据权利要求20所述的设备，其中，被配置为分别针对所述第一印次和所述第二印次分配所述第一导电浆料和所述第二导电浆料的所述第一浆料分配机构和所述第二浆料分配机构分配导电浆料足以形成具有在5至50微米范围内厚度的图案。
26.根据权利要求20所述的设备，其中，被配置为分别针对所述第一印次和所述第二印次分配所述第一导电浆料和所述第二导电浆料的所述第一浆料分配机构和所述第二浆料分配机构分配导电浆料足以形成具有在10至150微米范围内宽度的线路的图案。
27.根据权利要求20所述的设备，其中，所述第一导电浆料和所述第二导电浆料从包括C、Cu、Ag、Au和导电聚合物浆料的一组导电浆料中选择。
28.根据权利要求20所述的设备，其中，所述设备在所述第一印次和所述第二印次通过相同的导电浆料印刷图案。
29.根据权利要求20所述的设备，其中，所述设备在所述第一印次通过所述第一导电浆料印刷图案，且所述图案在所述第二印次通过与所述第一导电浆料不同的所述第二导电浆料被印刷。
30.根据权利要求20所述的设备，其中，所述第一导电浆料和与所述第一导电浆料不同的所述第二导电浆料在至少一种浆料属性方面是不同的。
31.根据权利要求20所述的设备，其中，所述设备在所述第二印次印刷的图案的宽度与在所述第一印次印刷的图案的宽度不同。
32.根据权利要求20所述的设备，其中，在所述第二印次印刷的图案的宽度与在所述第一印次印刷的图案的宽度相同。
33.根据权利要求20所述的设备，其中，所述图案包括“点状”凸起。
34.根据权利要求33所述的设备，其中，所述凸起具有圆锥形状。
35.一种用于印刷纵横比高和/或特定竖直几何图案的设备，所述纵横比高是指印刷结构的高度与印刷结构的宽度或直径之比超过0.5，所述竖直几何图案是指从基板的表面在大致垂直于所述基板的表面的方向上延伸的印刷图案，所述设备包括：
至少两个浆料分配机构，其被配置为分配高粘度导电浆料以分别在第一印次和随后的印次在基板上形成图案；
其中为了避免由所述导电浆料和所述基板的热处理导致的变形，所述浆料分配机构将用于随后的印次的导电浆料分配附着在以前印次分配的湿的导电浆料上。
36.根据权利要求35所述的设备，还包括被配置为通过第一印刷技术印刷在所述第一印次印刷的图案的印刷机构。
37.根据权利要求35所述的设备，还包括至少一个额外的印刷机构，所述至少一个额外的印刷机构被配置为通过与所述第一印刷技术不同的印刷技术印刷在随后的印次印刷的图案。
38.根据权利要求35所述的设备，还包括：
配置为支承所述基板的基板支承机构；和
用于所述基板和/或所述浆料分配机构的相对位移的机构。
39.一种用于印刷纵横比高和/或特定竖直几何图案的方法，所述纵横比高是指印刷结构的高度与印刷结构的宽度或直径之比超过0.5，所述竖直几何图案是指从基板的表面在大致垂直于所述基板的表面的方向上延伸的印刷图案，所述方法包括：
提供基板和至少两个浆料分配机构，所述至少两个浆料分配机构配置为分配高粘度导电浆料，以分别在第一印次和随后的印次在基板上形成图案；和
为了避免由所述导电浆料和所述基板的热处理导致的变形，所述浆料分配机构将用于随后的印次的导电浆料分配附着在以前印次分配的湿的导电浆料上。
40.根据权利要求39所述的方法，还包括使用印刷机构，所述印刷机构被配置为通过第一印刷技术印刷在所述第一印次印刷的图案。
41.根据权利要求39所述的方法，还包括使用至少一个额外的印刷机构，所述至少一个额外的印刷机构被配置为通过与所述第一印刷技术不同的印刷技术印刷在随后的印次印刷的图案。
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