DE102015110342B4

DE102015110342B4 - Verfahren und vorichtung zum aufbringen und ausbilden leitfähiger elemente

Info

Publication number: DE102015110342B4
Application number: DE102015110342.7A
Authority: DE
Inventors: Esa Kalistaja; Elli Galla; Dan Kuehler; Winthrop Childers
Original assignee: Pulse Finland Oy
Current assignee: Pulse Finland Oy
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2022-03-03
Anticipated expiration: 2035-06-27
Also published as: KR101701620B1; CN105415882B; DE102015110342A1; CN105415882A; US9833802B2; US20150375246A1; KR20160001709A; WO2015198291A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Fertigungsartikels (2, 302) mit einem darauf ausgebildeten Leiterbahnmuster (6, 306), wobei das Verfahren die Schritte aufweist:Empfangen von mindestens einer Datenstruktur, die das Leiterbahnmuster (6, 306) definiert;Analysieren (44, 46) mindestens von Abschnitten der mindestens einen Datenstruktur, um mindestens zwei Bereiche zu definieren, die einen ersten Bereich und einen davon verschiedenen zweiten Bereich aufweisen, basierend mindestens auf einem mit einer Geometrie in Beziehung stehenden Schwellenwert, wobei die mindestens zwei Bereiche das gesamte Leiterbahnmuster (6, 306) mit einer Grenze dazwischen definieren;Erzeugen (48) einer ersten Druckdatei basierend mindestens auf dem ersten Bereich und einer zweiten Druckdatei basierend mindestens auf dem zweiten Bereich, wobei eine oder mehrere in der ersten Druckdatei beschriebene Leiterbahnen erweitert sind, so dass sie eine oder mehrere in der zweiten Druckdatei beschriebene Leiterbahnen über eine Strecke überlappen, die eine Fehlausrichtungstoleranz zwischen zwei Drucksystemen überschreitet;Übertragen (50) der ersten Druckdatei an ein erstes (24, 34) der beiden Drucksysteme; undÜbertragen (50) der zweiten Druckdatei an ein zweites (26, 35, 36) der beiden Drucksysteme,Drucken eines ersten Abschnitts des Leiterbahnmusters (6, 306) unter Verwendung des ersten Drucksystems (24, 34), wobei das erste Drucksystem (24, 34) Leiterbahnen basierend primär auf Silbernanopartikeln ausbildet, die eine Hauptabmessung von weniger als 100 Nanometern haben; undDrucken eines zweiten Abschnitts des Leiterbahnmusters (6, 306) unter Verwendung des zweiten Drucksystems (26, 35, 36), wobei das zweite Drucksystem (26, 35, 36) Leiterbahnen basierend primär auf Silberflocken ausbildet, die eine Hauptabmessung zwischen 1000 Nanometer und 20 Mikrometer haben.

Description

Priorität und verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/018410 , eingereicht am 27. Juni 2014, mit dem Titel „METHODS AND APPARATUS FOR CONDUCTIVE ELEMENT DEPOSITION AND FORMATION“, sowie der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/026560 , eingereicht am 18. Juli 2014, mit dem Titel „METHODS AND APPARATUS FOR CONDUCTIVE ELEMENT DEPOSITION AND FORMATION“, die hierin jeweils in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen sind.
Die vorliegende Anmeldung betrifft die gemeinsame und mitanhängige US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 13/782993 mit dem Titel „METHODS AND APPARATUS FOR CONDUCTIVE ELEMENT DEPOSITION AND FORMATION“, eingereicht am 1. März 2013, die die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 61/606320 mit dem gleichen Titel, eingereicht am 2. März 2012, der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 61/609868 mit dem gleichen Titel, eingereicht am 12. März 2012, und der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 61/750207 mit dem gleichen Titel, eingereicht am 8. Januar 2013, beansprucht, wobei jede der vorstehenden Patentanmeldungen hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Die vorliegende Anmeldung betrifft auch die US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 14/620108 , eingereicht am 15. Februar 2015, dem Titel „METHODS AND APPARATUS FOR CONDUCTIVE ELEMENT DEPOSITION AND FORMATION“, die die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 61/939197 mit dem Titel „METHODS AND APPARATUS FOR CONDUCTIVE ELEMENT DEPOSITION AND FORMATION“, eingereicht am 12. Februar 2014, beansprucht, die jeweils ebenfalls hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen sind.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Fertigungsartikel (article of manufacture“ und Verfahren zu seiner Herstellung, in einer exemplarischen Variante ein leitfähiges Element, das unter anderem zur Verwendung in mobilen elektronischen Geräte, wie beispielsweise in Mobiltelefonen, Smartphones, persönlichen digitalen Assistenten (PDAs), Laptops und drahtlosen elektronischen Geräten vorgesehen ist. Gemäß einem exemplarischen Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein leitfähiges Element (z.B. eine Antenne), das durch Aufbringen leitfähiger Fluids ausgebildet wird, sowie Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbilden des leitfähigen Elements, wobei die Vorrichtung mehr als einen Drucksystemtyp verwendet.
Hintergrund
Antennen und andere leitfähige Elemente werden häufig in elektronischen Geräten verwendet, z.B. in den meisten modernen Funkgeräten (wie beispielsweise in mobilen Computern, Mobiltelefonen, Tablet-Computern, Smartphones, persönlichen digitalen Assistenten (PDAs) oder anderen persönlichen Kommunikationsgeräten (PCD)). Antennen weisen typischerweise eine planare Strahlungsebene und eine sich parallel dazu erstreckende Erdungsebene auf, die oft durch einen Kurzschlussleiter miteinander verbunden sind, um eine Anpassung der Antenne zu erzielen. Die Struktur ist derart konfiguriert, dass sie als ein Resonator bei der gewünschten Betriebsfrequenz oder den gewünschten Betriebsfrequenzen funktioniert. Typischerweise sind diese internen Antennen im Inneren des Geräts (beispielsweise innerhalb des äußeren Kunststoffgehäuse) angeordnet, entweder freistehend, angeordnet auf einer Leiterplatte (PCB) des Funkgeräts, oder auf einem anderen Geräteteil, um eine Ausbreitung von Hochfrequenzwellen zu und von der (den) Antenne(n) zu ermöglichen.
Abgesehen von den hohen Herstellungskosten benötigen derartige herkömmliche Antennen und Ansätze zur Antennenherstellung allgemein auch erheblichen Raum innerhalb des Host-Geräts. Da persönliche elektronische Geräte, wie beispielsweise Smartphones und Tablet-Computer, immer kleiner werden, werden an die darin verwendete Antenne höhere Anforderungen gestellt, sowohl hinsichtlich der Leistungsfähigkeit als auch hinsichtlich des Raumverbrauchs. Letzteres ist besonders wichtig, weil die Antenne in der Lage sein muss, im gewünschten Frequenzband (in den gewünschten Frequenzbändern) effektiv zu arbeiten, und trotzdem nur den absolut minimal möglichen Raum verbrauchen darf. Mit weitestgehend planaren Antennenlösungen, wie sie beispielsweise vorstehend beschrieben sind, kann ein großer Raum verschwendet werden, weil die Antennenebene vollständig innerhalb des Gehäuses enthalten sein muss und häufig nicht verformt oder gekrümmt werden kann, um beispielsweise der Krümmung eines äußeren Mobiltelefongehäuses Rechnung zu tragen. Solche Gehäuse weisen auch innere geformte Merkmale oder andere daran befestigte Komponenten auf, die weitere Schwierigkeit hervorrufen, wenn versucht wird, eine Antenne mit einer bestimmten elektromagnetischen Konfiguration dem Gehäuse anzupassen, während nur ein minimales Innenvolumen genutzt wird.
Als ein Versuch, einige der vorstehenden Probleme anzugehen, haben jüngste Fortschritte in Herstellungsverfahren die Konstruktion leitfähiger Elemente, wie beispielsweise Antennen, direkt auf der Oberfläche eines spezialisierten Materials (beispielsweise eines thermoplastischen Material, das mit einem Metallzusatz dotiert ist) ermöglicht. Der dotierte Metallzusatz wird mittels eines Lasers in einem als Laserdirektstrukturierung (LDS) bekannten Prozess aktiviert, was die Konstruktion von Antennen auf komplexeren dreidimensionalen Geometrien ermöglicht. In verschiedenen typischen Smartphone- und anderen Anwendungen kann das zugrunde liegende Smartphonegehäuse und/oder andere Komponenten, auf denen die Antenne im Inneren der Vorrichtung angeordnet sein kann, unter Verwendung dieses spezialisierten Materials hergestellt werden, beispielsweise unter Verwendung von Standardspritzgussverfahren. Dann wird ein Laser verwendet, um Bereiche des (thermoplastischen) Materials zu aktivieren, die anschließend plattiert werden sollen. Typischerweise wird ein chemisches Kupferbad verwendet, woraufhin aufeinanderfolgend zusätzliche Schichten beispielsweise aus Nickel oder Gold hinzugefügt werden, um die Antennenkonstruktion fertigzustellen.
Das Dokument US 2009 / 0 128 290 A1 beschreibt ein Verfahren zum Drucken chiploser RFID-Tags mit einzigartigen Merkmalen umfasst das Drucken eines Vorläufers eines RFID-Antennenmusters unter Verwendung eines ersten Druckprozesses, wobei der Vorläufer eines RFID-Antennenmusters eine Vielzahl von getrennten Drahtsegmenten umfasst; und Drucken einer leitfähigen Tinte unter Verwendung eines zweiten Druckprozesses, um mindestens zwei der mehreren getrennten Drahtsegmente miteinander zu verbinden, um eine endgültige RFID-Antenne mit einer einzigartigen Antennengeometrie herzustellen.
Das Dokument US 2006 / 0 158 478 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Komponente unter Verwendung eines Tintenstrahldruckverfahrens. Das Verfahren umfasst die Schritte des Auswählens mindestens einer elektronischen Tinte mit mindestens einer ersten Funktionalität, wenn sie gehärtet ist; Bestimmen eines Positionslayouts für eine Vielzahl von Tröpfchen der elektronischen Tinte(n) derart, dass das Positionslayout basierend zumindest auf der ersten Funktionalität eine gewünschte Reaktion für die elektrische Komponente bereitstellt; Bereitstellen mindestens einer ersten Eigenschaft, die sich auf die elektrische Komponente bezieht; Vergleichen des bestimmten Positionslayouts mit mindestens einem entsprechenden Eintrag in einer Nachschlagetabelle von empirischen Daten bezüglich der ersten Eigenschaft und des bestimmten Positionslayouts; entsprechendes Anpassen des bestimmten Positionslayouts; und Drucken jedes der Tröpfchen der elektronischen Tinte(n) auf ein Substrat gemäß dem angepassten Positionslayout.
Obwohl LDS eine sehr leistungsfähige Technologie ist, hat LDS auch einige Nachteile: die Materialeigenschaften spezialisierter Thermoplastmaterialien entsprechen nicht den Eigenschaften herkömmlicher Polymermaterialien, sondern sind in der Regel spröder oder brüchiger. Ein weiterer Nachteil sind die Gesamtkosten: spezialisierte Thermoplastharze sind teurer als herkömmliche, und Laserbearbeitungs- und Plattierungsprozesse sind teuer. Die Investitionskosten der LDS-Kapazität stellen ebenfalls ein wesentliches Hindernis für den Eintritt in die Technologie dar.
Eine Konsequenz der hohen Investitionskosten ist die Notwendigkeit, dedizierte LDS-Anlagen zum Herstellen von Artikeln mit Antennen bereitzustellen. Dies kann erfordern, dass ein Antennenabschnitt eines Produktes in einer Anlage hergestellt wird, während das Produkt in einer anderen Anlage integriert wird. Dieser Ansatz erhöht die Kosten für die Überführung und den Transport eines Vorrats von Antennenabschnitten.
Entsprechend gibt es einen ausgeprägten Bedarf für eine verbesserten Lösung für ein leitfähiges Element beispielsweise für eine Antenne(n) eines tragbaren Funkgeräts, die eine vergleichbare elektrische Leistungsfähigkeit bietet wie herkömmliche Ansätze, während sie mit niedrigeren Kosten hergestellt wird und flexiblere Fertigungsverfahren verwendet. Bestimmte Implementierungen einer solchen Lösung würden idealerweise auch eine bessere Raumausnutzung und komplexe geometrische Ausformungsfähigkeiten ermöglichen, und würden darüber hinaus die Investitionskosten senken und Marktzutrittsbarrieren senken. Zusätzlich ist es bevorzugt, eine Integration der Antennenherstellung mit der Endproduktmontage zu ermöglichen.
Die Forderung nach Antennendesigns, die große Schwankungen der metallischen Dichten und minimale Geometrien über sehr unterschiedliche Oberflächengeometrien haben, stellt die Hersteller vor zusätzliche Herausforderungen. Es werden ein flexibles Fertigungssystem und ein flexibles Fertigungsverfahren benötigt, die eine kostengünstige und effiziente Fertigung ermöglichen, während diese Anforderungen erfüllt werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Kurzbeschreibung
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Herstellungsverfahren bereitgestellt. In einer Ausführungsform dient das Verfahren zum Herstellen eines Fertigungsartikels mit einem darauf aufgebrachten Leiterbahnmuster, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Empfangen von mindestens einer Datenstruktur, die das Leiterbahnmuster definiert; Analysieren mindestens von Abschnitten der mindestens einen Datenstruktur, um mindestens zwei Bereiche zu definieren, die einen ersten Bereich und einen davon verschiedenen zweiten Bereich aufweisen, basierend mindestens auf einem mit einer Geometrie in Beziehung stehenden Schwellenwert, wobei die mindestens zwei Bereiche das gesamte Leiterbahnmuster mit einer Grenze dazwischen definieren; Erzeugen einer ersten Druckdatei basierend mindestens auf dem ersten Bereich und einer zweiten Druckdatei basierend mindestens auf dem zweiten Bereich, wobei eine oder mehrere in der ersten Druckdatei beschriebene Leiterbahnen erweitert sind, so dass sie eine oder mehrere in der zweiten Druckdatei beschriebene Leiterbahnen über eine Strecke überlappen, die eine Fehlausrichtungstoleranz zwischen zwei Drucksystemen überschreitet; Übertragen der ersten Druckdatei an ein erstes der beiden Drucksysteme; und Übertragen der zweiten Druckdatei an ein zweites der beiden Drucksysteme, Drucken eines ersten Abschnitts des Leiterbahnmusters unter Verwendung des ersten Drucksystems, wobei das erste Drucksystem Leiterbahnen basierend primär auf Silbernanopartikeln ausbildet, die eine Hauptabmessung von weniger als 100 Nanometern haben; und Drucken eines zweiten Abschnitts des Leiterbahnmusters unter Verwendung des zweiten Drucksystems, wobei das zweite Drucksystem Leiterbahnen basierend primär auf Silberflocken ausbildet, die eine Hauptabmessung zwischen 1000 Nanometer und 20 Mikrometer haben.
In einer Implementierung weist das Herstellungsverfahren die Schritte auf: Empfangen einer Datei, die mindestens einen Abschnitt des auf einer Oberfläche eines Fertigungsartikels auszubildenden Leiterbahnmusters definiert; Analysieren der Datei, um mindestens zwei Bereiche, die einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich einschlie-ßen, basierend mindestens teilweise auf einer Geometrie der Oberfläche zu definieren; Erzeugen einer ersten und einer zweiten Druckdatei, die dem ersten bzw. dem zweiten Bereich zugeordnet sind; und Übertragen der ersten und der zweiten Druckdatei an ein erstes bzw. ein zweites Drucksystem, die die jeweilige Datei verwenden.
In einer anderen Implementierung weist das Verfahren die Schritte auf: Empfangen einer Datei, die mindestens einen Abschnitt des auf einer Oberfläche eines Fertigungsartikels auszubildenden Leiterbahnmusters definiert; Analysieren der Datei, um mindestens zwei Bereiche, die einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich einschlie-ßen, basierend mindestens teilweise auf einer Leiterbahngeometrie zu definieren, wie beispielsweise einer Leiterbahnbreite und/oder einer Leiterbahndicke; Erzeugen einer ersten und einer zweiten Druckdatei, die dem ersten bzw. dem zweiten Bereich zugeordnet sind; und Übertragen der ersten und der zweiten Druckdatei an ein erstes bzw. ein zweites Drucksystem, die die jeweilige Datei verwenden.
In einer weiteren Implementierung weist das Verfahren die Schritte auf: Empfangen einer Datei, die mindestens einen Abschnitt des auf einer Oberfläche eines Fertigungsartikels auszubildenden Leiterbahnmusters definiert; Analysieren der Datei, um mindestens zwei Bereiche zu definieren, die einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich einschließen, wobei zwischen den mindestens zwei Bereichen mindestens eine Grenze angeordnet ist; Erzeugen einer ersten und einer zweiten Druckdatei, die dem ersten bzw. dem zweiten Bereich zugeordnet sind, Erweitern von Leiterbahnen in der ersten Druckdatei derart, dass sie zu verbindende Leiterbahnen der zweiten Druckdatei über eine Strecke überlappen, die mindestens eine Fehlausrichtungstoleranz zwischen zwei Drucksystemen überschreitet; und Übertragen der ersten und der zweiten Druckdatei an ein erstes und ein zweites Drucksystem, die die jeweilige Datei verwenden.
In einer anderen Implementierung weist das Verfahren die Schritte auf: Empfangen einer Datei, die mindestens einen Abschnitt des Leiterbahnmusters definiert; Analysieren der Datei, um mindestens zwei Bereiche, die einen ersten Bereich und einen davon verschiedenen zweiten Bereich einschließen, basierend mindestens teilweise auf einem geometrischen Schwellenwert zu definieren, wobei die mindestens zwei Bereiche das gesamte Leiterbahnmuster definieren und eine Grenze dazwischen aufweisen; Erzeugen einer ersten Druckdatei basierend auf dem ersten Bereich und einer zweiten Druckdatei basierend auf dem zweiten Bereich; Erweitern von Leiterbahnen in der ersten Druckdatei derart, dass sie zu verbindende Leiterbahnen der zweiten Druckdatei über eine Strecke überlappen, die mindestens eine Fehlausrichtungstoleranz zwischen zwei Drucksystemen überschreitet; und Übertragen der ersten Druckdatei an ein erstes Drucksystem und der zweiten Druckdatei an ein zweites Drucksystem, die die jeweilige Datei verwenden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fertigungsartikel mit einem darauf ausgebildeten Leiterbahnmuster bereitgestellt, wobei das Leiterbahnmuster mindestens einen Teil einer Antenne aufweist, die zum Übertragen elektromagnetischer Energie von einem drahtlosen Mobilgerät geeignet ist, wobei das Leiterbahnmuster gemäß einem Verfahren ausgebildet ist, das die Schritte aufweist:

Empfangen mindestens einer Datenstruktur, die das Leiterbahnmuster definiert; Analysieren mindestens von Teilen der ersten Datenstruktur zum Definieren mindestens zweier Bereiche, die einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich enthalten, wobei der erste Bereich und der zweite Bereich voneinander verschieden sind, basierend mindestens auf einem Wert, der mit einem geometrischen Parameter in Beziehung steht, der dem Leiterbahnmuster mit dem ersten und dem zweiten Bereich zugeordnet ist, wobei die mindestens zwei Bereiche das gesamte Leiterbahnmuster definieren und
eine Grenze dazwischen aufweisen; Erzeugen einer ersten Ausgabedatenstruktur basierend mindestens auf dem ersten Bereich und einer zweiten Ausgabedatenstruktur basierend mindestens auf dem zweiten Bereich, wobei eine oder mehrere in der ersten Ausgabedatenstruktur beschriebene Leiterbahnen derart erweitert sind, dass sie eine oder mehrere in der zweiten Ausgabedatenstruktur beschriebene Leiterbahnen über eine Strecke überlappen, die eine Fertigungstoleranz zwischen zwei Systemen zum Aufbringen eines leitfähigen Materials überschreitet; Übertragen der ersten Ausgabedatenstruktur an ein erstes der beiden Systeme zum Aufbringen leitfähiger Materialien;
Übertragen der zweiten Ausgabedatenstruktur an ein zweites der beiden Systeme zum Aufbringen eines leitfähigen Materials; und Veranlassen, dass das Leiterbahnmuster auf dem Fertigungsartikel aufgebracht wird, wobei mindestens ein erster Abschnitt des Leiterbahnmusters durch das erste System zum Aufbringen eines leitfähigen Materials innerhalb des ersten Bereichs und gemäß einem ersten Wert des geometrischen Parameters aufgebracht wird, und ein zweiter Teil des Leiterbahnmusters durch das zweite System zum Aufbringen eines leitfähigen Materials innerhalb des zweiten Bereichs und entsprechend einem zweiten Wert des geometrischen Parameters aufgebracht wird,
wobei der geometrische Parameter eine Leiterbahnbreite aufweist, die dem Leiterbahnmuster zugeordnet ist, oder wobei der geometrische Parameter eine Leiterbahnhöhe oder Beschichtungsdicke aufweist, die dem Leiterbahnmuster zugeordnet ist, oder wobei der geometrische Parameter einen Überdeckungsbereich aufweist, der dem Leiterbahnmuster zugeordnet ist.

In einer Ausführungsform weist der Artikel eine oder mehrere Leiterbahnen auf, die auf einem Substrat oder auf einer anderen Komponente angeordnet sind, um ein elektrisch betreibbares Element (wie beispielsweise eine Antenne) zu bilden. In einer Variante weisen die eine oder weisen die mehreren Leiterbahnen Zonen auf, die unter Verwendung unterschiedlicher Beschichtungstechniken aufgebracht werden.
In einer Implementierung definiert der Fertigungsartikel eine Oberfläche mit einem darauf ausgebildeten Leiterbahnmuster. Das Leiterbahnmuster weist mehrere Bereiche auf, die mindestens einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich enthalten. Die mehreren Bereiche definieren zusammen das gesamte Leiterbahnmuster. Der erste und der zweite Bereichen sind unter Verwendung verschiedener erster und zweiter Drucktechniken ausgebildet worden und weisen einen Grenzbereich dazwischen auf. Leiterbahnen des ersten und des zweiten Bereichs überlappen sich im Grenzbereich, um einen elektrischen Durchgang zwischen den Leiterbahnen des ersten und des zweiten Bereichs zu gewährleisten.
In einer anderen Implementierung definiert der Fertigungsartikel eine Oberfläche mit einem darauf ausgebildeten Leiterbahnmuster. Das Leiterbahnmuster weist mehrere Bereiche auf, die mindestens einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich enthalten. Der erste Bereich ist mindestens teilweise durch relativ feine und/oder dünne Leiterbahnen definiert, die primär aus leitfähigen, im Wesentlichen kugelförmigen Partikeln mit einem mittleren Durchmesser zwischen 1 und 100 Nanometern ausgebildet sind. Der zweite Bereich ist mindestens teilweise durch relativ breitere und/oder dickere Leiterbahnen definiert, die primär aus leitfähigen Flocken mit einer mittleren Hauptabmessung im Bereich von 2 bis 20 µm ausgebildet sind.
In einer weiteren Implementierung definiert der Fertigungsartikel eine Oberfläche mit einem darauf ausgebildeten Leiterbahnmuster. Das Leiterbahnmuster weist mehrere Bereiche auf, die mindestens einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich enthalten. Der erste Bereich ist mindestens teilweise durch Leiterbahnen definiert, die von einem piezoelektrischen Array von Düsen aufgebracht werden, die jeweils Tröpfchen ausstoßen, wie beispielsweise solche, die ein Trockenvolumen im Bereich von 1 bis 100 Pikoliter ausbilden. Der zweite Bereich ist mindestens teilweise durch Leiterbahnen definiert, die von einer Fluidausgabedüse aufgebracht werden, die Tröpfchen aufbringt, wie beispielsweise solche, die ein Trockenvolumen im Bereich von 500 bis 10000 Pikoliter ausbilden.
In einer anderen Implementierung definiert der Fertigungsartikel eine Oberfläche mit einem darauf ausgebildeten Leiterbahnmuster. Das Leiterbahnmuster weist mehrere Bereiche auf, die mindestens einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich enthalten. Der erste Bereich ist mindestens teilweise durch Leiterbahnen definiert, die basierend auf einem Aerosolstrom aufgebracht werden, der Tröpfchen mitreißt, wie beispielsweise solche, die jeweils ein Trockenvolumen mit einem Volumen von weniger als 1 Pikoliter ausbilden. Der zweite Bereich ist mindestens teilweise durch Leiterbahnen definiert, die durch eine Fluidausgabedüse aufgebracht werden, die Tröpfchen aufbringt, wie beispielsweise solche, die jeweils ein Trockenvolumen im Bereich von 500 bis 5000 Pikoliter ausbilden.
In einer noch weiteren Implementierung definiert der Fertigungsartikel eine Oberfläche mit einem darauf ausgebildeten Leiterbahnmuster. Das Leiterbahnmuster weist mehrere Bereiche auf, die mindestens einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich enthalten. Der erste Bereich ist mindestens teilweise durch Leiterbahnen definiert, die von einem piezoelektrischen Array von Düsen aufgebracht werden, die jeweils Tröpfchen ausstoßen, wie beispielsweise solche, die jeweils ein Trockenvolumen im Bereich von 1 bis 100 Pikoliter ausbilden. Der zweite Bereich ist mindestens teilweise durch Leiterbahnen definiert, die basierend auf einem Aerosolstrom aufgebracht werden, der Tröpfchen mitreißt, die jeweils ein Trockenvolumen von weniger als 1 Pikoliter ausbilden.
In einer anderen Implementierung definiert der Fertigungsartikel eine Oberfläche mit einem darauf ausgebildeten Leiterbahnmuster. Das Leiterbahnmuster weist mehrere Bereiche auf, die mindestens einen ersten Bereich, einen zweiten Bereich und einen dritten Bereich enthalten. Der erste Bereich ist mindestens teilweise durch Leiterbahnen definiert, die von einem piezoelektrischen Array von Düsen aufgebracht werden, die jeweils Tröpfchen ausstoßen, wie beispielsweise solche, die jeweils ein Trockenvolumen im Bereich von 1 bis 100 Pikoliter ausbilden. Der zweite Bereich ist mindestens teilweise durch Leiterbahnen definiert, die basierend auf einem Aerosolstrom aufgebracht werden, der Tröpfchen mitreißt, wie beispielsweise solche, die jeweils ein Trockenvolumen von weniger als 1 Pikoliter ausbilden. Der dritte Bereich ist mindestens teilweise durch Leiterbahnen definiert, die von einer Fluidausgabedüse aufgebracht werden, die Tröpfchen aufbringt, wie beispielsweise solche, die jeweils ein Trockenvolumen im Bereich von 500 bis 5000 Pikoliter ausbilden.
In noch einer noch anderen Implementierung definiert der Fertigungsartikel eine Oberfläche mit einem darauf ausgebildeten Leiterbahnmuster. Das Leiterbahnmuster weist mehrere Bereiche auf, die mindestens einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich enthalten. Der erste Bereich ist mindestens teilweise durch Leiterbahnen definiert, die von einem Piezo-Druckkopf aufgebracht werden, der in einem Rasterflächenfüllungs-Druckmodus betrieben wird, in dem mindestens lineare Scanbewegungen des Piezo-Druckkopfes verwendet werden. Der zweite Bereich ist mindestens teilweise durch Leiterbahnen definiert, die von einem zweiten Druckkopf aufgebracht werden, der in einem Vektormodus betrieben wird und sich nicht-linear bewegt, um Leiterbahnen zu definieren. Der zweite Druckkopf kann eine oder mehrere Komponenten unter beispielsweise einem Piezo-Druckkopf, einem Aerosol-Druckkopf und/oder einem Fluidausgabe-Druckkopf sein.
In einer weiteren Implementierung definiert der Fertigungsartikel eine Oberfläche mit einem auf der Oberfläche aufgebrachten Isoliermuster und einem auf der Oberfläche aufgebrachten Leiterbahnmuster. Das Isoliermuster trennt Abschnitte des Leiterbahnmusters, um eine kapazitive Struktur bereitzustellen. Das Leiterbahnmuster und das Isoliermuster werden gemäß einem Verfahren ausgebildet, das die Schritte aufweist: (1) Verwenden eines ersten Druckkopfes zum Drucken eines ersten Abschnitts des Leiterbahnmusters, (2) Verwenden eines zweiten Druckkopfes zum Drucken des Isoliermusters auf einer ersten Fläche des ersten Abschnitts des Leiterbahnmusters, und (3) Verwenden eines dritten Druckkopfes zum Drucken eines zweiten Abschnitts des Leiterbahnmusters, der das Isoliermuster teilweise überlappt, und auf einer zweiten Fläche des ersten Abschnitts des Leiterbahnmusters. Der erste und der dritte Druckkopf können der gleiche Druckkopf oder separate Druckköpfe sein.
In einer anderen Implementierung weist der Fertigungsartikel Antennenleiterbahnen (mit der Fähigkeit, als eine Funktion der Leiterbahndicke mindestens teilweise in Resonanz zu geraten oder zu strahlen), Sensorleiterbahnen (mit der Fähigkeit, kapazitive Änderungen zu erfassen), und/oder Verbindungsleiterbahnen (mit der Eigenschaft gegenüber einer isolierenden Funktion leitfähig zu sein) auf. Die Eigenschaften der Leiterbahnen können bestimmen, welcher Druckkopf während der Herstellung des Artikels ausgewählt worden ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zum Herstellen von Artikeln bereitgestellt, die ein darauf ausgebildetes Leiterbahnmuster aufweisen, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Datenschnittstelle; eine computergesteuerte Logik, die mit der Datenschnittstelle in Datenkommunikation steht und konfiguriert ist zum:

Empfangen mindestens einer Datenstruktur mit Daten, die das Leiterbahnmuster definieren, von der Datenschnittstelle; Analysieren mindestens von Teilen der Daten der mindestens einen Datenstruktur zum Definieren mindestens zweier Bereiche, die aufweisen: (i) mindestens einen ersten Bereich, und (ii) einen zweiten Bereich, der mindestens teilweise mit dem ersten Bereich zusammenhängend ist, wobei die mindestens zwei Bereiche das Leiterbahnmuster in seiner Gesamtheit definieren; Erzeugen (48) mindestens einer Ausgabedatenstruktur basierend mindestens auf dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich; und Übertragen mindestens eines Teils der mindestens einen Ausgabedatenstruktur an mindestens eine Beschichtungsvorrichtung, die dazu geeignet ist, das Leiterbahnmuster auf den Artikeln aufzubringen, für eine Verwendung darin, wobei die mindestens eine Datenstruktur eine im Wesentlichen einheitliche Datendatei mit Daten aufweist, die sowohl für den ersten Bereich als auch für den zweiten Bereich relevant sind; wobei das Übertragen mindestens eines Teils der mindestens einen Ausgabedatenstruktur an mindestens eine Beschichtungsvorrichtung, die dazu geeignet ist, das Leiterbahnmuster auf den Artikeln aufzubringen, zur Verwendung darin, das Übertragen der Daten an ein im Wesentlichen einheitliches Beschichtungssystem mit zwei oder mehr im Wesentlichen heterogenen Beschichtungsprozessen aufweist, die jeweils dazu geeignet sind, einen anderen Abschnitt des Leiterbahnmusters aufzubringen, und wobei das im Wesentlichen einheitliche Beschichtungssystem, das zwei oder mehr im Wesentlichen heterogene Beschichtungsprozesse aufweist, die jeweils dazu geeignet sind, einen anderen Abschnitt des Leiterbahnmusters aufzubringen, ein System aufweist, bei dem mindestens zwei der zwei oder mehr im Wesentlichen heterogenen Beschichtungsprozesse mindestens einen Teil ihrer jeweiligen verschiedenen Abschnitte des Leiterbahnmusters gleichzeitig aufbringen können.

In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung mindestens zwei Druckvorrichtungen auf, die jeweils dafür konfiguriert ist, mindestens einen Teil einer Leiterbahn oder einer Komponente auf einem Substrat oder einer Oberfläche aufzubringen. In einer Implementierung haben die zwei oder mehr Druckvorrichtungen eine heterogene Technik, d.h. sie verwenden unterschiedliche Beschichtungstechniken.
In einer Implementierung weist die Beschichtungsvorrichtung ein erstes Drucksystem und ein zweites Drucksystem zum Bedrucken einer Oberfläche eines Fertigungsartikels auf. Das erste Drucksystem und das zweite Drucksystem stehen in Datenkommunikation mit einem oder mehreren Dateiprozessoren. Der (die) Dateiprozessor(en) erhält (erhalten) eine oder mehrere Eingabedateien, die ein Leiterbahnmuster definieren. Der Dateiprozessor erzeugt eine erste Druckdatei und eine zweite Druckdatei basierend auf der (den) Eingabedatei(en). Der Dateiprozessor überträgt die erste Druckdatei an das erste Drucksystem, das daraufhin einen ersten Abschnitt des Leiterbahnmusters druckt. Der Dateiprozessor überträgt die zweite Druckdatei an das zweite Drucksystem, das dann einen zweiten Abschnitt des Leiterbahnmusters druckt. Die Verarbeitungen des Dateiprozessors können vollautomatisch sein oder auf menschlichen Eingaben in eine Benutzerschnittstelle basieren. Außerdem können die Verarbeitungen des ersten und des zweiten Drucksystems in Abhängigkeit vom Design und der Implementierung jedes der Systeme sequenziell (d.h. nacheinander), überlappend, aber zeitlich verschoben, oder vollständig gleichzeitig ausgeführt werden.
In einer anderen Implementierung weist die Beschichtungsvorrichtung ein erstes Drucksystem und ein zweites Drucksystem zum Bedrucken einer Oberfläche eines Fertigungsartikels auf. Das erste Drucksystem ist zum Drucken mindestens feiner Leiterbahnen konfiguriert und weist einen Druckkopf auf, der kleinere Tröpfchen erzeugt, wie beispielsweise solche mit einem Trockenvolumen von weniger als 100 Pikolitern. Die kleineren Tröpfchen enthalten kugelförmige leitfähige Partikel, wie beispielsweise solche mit einem mittleren Durchmesser von 1 bis 100 Nanometern. Das zweite Drucksystem ist zum Drucken von Antennenleiterbahnen konfiguriert und weist einen Druckkopf auf, der größere Tröpfchen erzeugt, wie beispielsweise solche mit einem Trockenvolumen von mehr als 500 Pikolitern. Die größeren Tröpfchen enthalten leitfähige Flocken mit beispielsweise einer mittleren Hauptabmessung von 2 bis 20 µm.
In einer weiteren Implementierung weist die Beschichtungsvorrichtung ein erstes Drucksystem und ein zweites Drucksystem zum Bedrucken einer Oberfläche eines Fertigungsartikels auf. Das erste Drucksystem weist einen piezoelektrischen Druckkopf auf, der eine säulenförmige Anordnung oder ein Array von Tröpfchengeneratoren aufweist, wobei mindestens ein Teil davon Tröpfchen mit beispielsweise einem mittleren Tröpfchenvolumen im Bereich von 1 bis 100 Pikolitern erzeugt. Das zweite Drucksystem weist einen Fluidausgabe-Druckkopf auf, der Tröpfchen mit beispielsweis einem mittleren Tröpfchenvolumen im Bereich von 500 bis 5000 Pikolitern erzeugt.
In noch einer noch anderen Implementierung weist die Beschichtungsvorrichtung ein erstes Drucksystem und ein zweites Drucksystem zum Bedrucken einer Oberfläche eines Fertigungsartikels auf. Das erste Drucksystem weist einen aerosol-basierten Druckkopf auf und kann Tröpfchen mit einem mittleren Tröpfchenvolumen von weniger als 1 Pikoliter erzeugen. Das zweite Drucksystem weist einen Fluidausgabe-Druckkopf auf, der Tröpfchen mit einem mittleren Tröpfchenvolumen im Bereich von 500 bis 5000 Pikolitern erzeugt.
In einer weiteren Implementierung weist die Beschichtungsvorrichtung ein erstes Drucksystem und ein zweites Drucksystem zum Bedrucken einer Oberfläche eines Fertigungsartikels auf. Das erste Drucksystem weist einen piezoelektrischen Druckkopf mit einem Array von Tröpfchengeneratoren auf, von denen mindestens ein Teil Tröpfchen mit einem mittleren Tröpfchenvolumen im Bereich von beispielsweise 1 bis 100 Pikolitern erzeugt. Das zweite Drucksystem weist einen aerosol-basierten Druckkopf auf und kann Tröpfchen mit einem mittleren Tröpfchenvolumen von weniger als 1 Pikoliter erzeugen.
In einer anderen Implementierung weist die Beschichtungsvorrichtung ein erstes Drucksystem, ein zweites Drucksystem und ein drittes Drucksystem zum Bedrucken einer Oberfläche eines Fertigungsartikels auf. Das erste Drucksystem weist einen piezoelektrischen Druckkopf mit einem Array von Tröpfchengeneratoren auf, von denen mindestens einige Tröpfchen mit einem mittleren Tröpfchenvolumen im Bereich von beispielsweise 1 bis 100 Pikoliter erzeugen. Das zweite Drucksystem weist einen aerosol-basierten Druckkopf auf und kann Tröpfchen mit einem mittleren Tröpfchenvolumen von beispielsweise weniger als 1 Pikoliter erzeugen. Das dritte Drucksystem weist einen Fluidausgabe-Druckkopf auf, der Tröpfchen mit einem mittleren Tröpfchenvolumen im Bereich von beispielsweise 500 bis 5000 Pikolitern erzeugt.
In einem weiteren Aspekt werden sowohl Verfahren als auch Vorrichtungen bereitgestellt, die eine gemeinsamen Ausgabedatenstruktur (z.B. Datei) für zwei oder mehr heterogene Druck- oder andere Beschichtungsprozesse in Betracht ziehen, wobei beispielsweise eine gemeinsame Datendatei Daten oder Information enthält, die für jedes der mehreren verschiedenen Systeme nützlich sind, oder wobei die mehreren Systeme im Wesentlichen im gleichen Host-System oder in der gleichen Vorrichtung enthalten sind.
Gemäß einem anderen Aspekt wird eine computerlesbare Speichervorrichtung bereitgestellt. In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ein Medium auf, auf dem mindestens ein Computerprogramm gespeichert ist, wobei das mindestens eine Programm mehrere Anweisungen enthält, die, wenn sie auf einer Verarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden (wie beispielsweise auf einem der vorstehend erwähnten Beschichtungsvorrichtung zugeordneten Computer), veranlassen, dass eine Abgrenzung zweier oder mehrerer Bereiche innerhalb eines vorgegebenen Leiterbahnmusters verursacht wird (z.B. 3D-Leiterbahndatei).
In einer Implementierung wird eine computerlesbare Speichervorrichtung bereitgestellt. In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ein Medium mit mindestens einem darauf gespeicherten Computerprogramm auf, wobei das mindestens eine Programm mehrere Anweisungen enthält, die, wenn sie auf einer Verarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden (wie beispielsweise auf einem der vorstehend erwähnten Beschichtungsvorrichtung zugeordneten Computer), veranlassen, dass mindestens die folgenden Verarbeitungsschritte ausgeführt werden: (1) eine Eingangsdatenstruktur oder -strukturen (z.B. eine Datei oder Dateien) wird/werden erhalten oder abgerufen, die eine Oberflächengeometrie eines Artikels und mindestens einen Abschnitt eines darauf zu druckenden Antennenleiterbahnmusters definiert (definieren), (2) die Eingabedatei(en) wird/werden verarbeitet, um mehrere Druckdatenstrukturen (beispielsweise Dateien) zu definieren, und (3) jede der mehreren Druckdateien wird an einen von mehreren verschiedenen Druckern (oder Druckprozessen oder -funktionen innerhalb des gleichen Host-Systems/Geräts) übertragen, wobei jeder (jede) der verschiedenen Drucker/Prozesse/Funktionen eine andere Drucktechnik verwendet. In einigen besonderen Ausführungsformen können die Schritte eine Analyse zum Optimieren einer Folge von Verarbeitungen enthalten, die Faktoren bestimmt, beispielsweise welche Drucker/Prozessoren/Funktionen verwendet werden und wann.
Diese und andere nachstehend diskutierte Aspekte sind für Fachleute anhand der vorliegenden Offenbarung offensichtlich.
Figurenliste

1A zeigt eine erste Ansicht einer exemplarischen Ausführungsform eines Fertigungsartikels 2 mit einem gedruckten Leitermuster 6;
1B zeigt eine zweite Ansicht einer exemplarischen Ausführungsform eines Fertigungsartikels 2 mit einem gedruckten Leitermuster 6;
1C zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts eines Fertigungsartikels 2 mit einem gedruckten Leitermuster 6 mit relativ schmalen Leiterbahnen 14 und relativ breiteren Leiterbahnen 15;
2 zeigt ein Blockdiagramm zum Darstellen eines Fertigungssystems 20 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, das zwei verschiedene Drucksysteme 24 und 26 verwendet. Obgleich unter Bezug auf 2 bestimmte Typen von Drucksystemen beschrieben werden, sollte klar sein, dass 2 auf zwei beliebige verschiedene Drucksysteme anwendbar ist;
3 zeigt ein Blockdiagramm zum Darstellen eines Fertigungssystems 30 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, das drei oder mehr Drucksysteme verwendet. Obgleich unter Bezug auf 3 bestimmte Typen von Drucksystemen beschrieben werden, sollte klar sein, dass 3 kann auf drei oder mehr beliebige verschiedene Drucksysteme anwendbar ist;
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Herstellungs- oder Fertigungsverfahrens zum Ausbilden von Leiterbahnmustern 6. Das Verfahren von 4 kann entweder auf das Blockdiagramm von 2 oder auf das Blockdiagramm von 3 angewendet werden;
5 zeigt ein Blockdiagramm eines Drucksystems 60, das für eines der Drucksysteme 24 bzw. 26 in 2 oder eines der Drucksysteme 34 - 36 in 3 verwendbar ist;
6A zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Bewegungssteuerungssystem, das zum Positionieren eines Druckkopfes bezüglich eines Fertigungsartikels verwendet wird;
6B zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Bewegungssteuersystems, das zum Positionieren eines Druckkopfes bezüglich eines Fertigungsartikels verwendet wird;
6C zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Bewegungssteuersystems, das zum Positionieren eines Druckkopfes bezüglich eines Fertigungsartikels verwendet wird;
7 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung eines Aerosol-Druckkopfes 80, der dafür konfiguriert ist, einen Aerosolstrom 82 zu emittieren;
8 zeigt eine Draufsicht eines exemplarischen Abschnitts 91 einer feinen Leiterbahn 14, die durch den Aerosol-Druckkopf 80 von 7 ausgebildet wird;
8A zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A in 8;
8B zeigt einen Querschnitt entlang der Linie B-B in 8;
9 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung eines Fluidausgabe-Druckkopfes 100, der dafür konfiguriert ist, relativ große leitfähige Fluidtröpfchen zu emittieren;
10 zeigt eine Draufsicht eines exemplarischen Abschnitts 110 einer breiten Leiterbahn 15, die durch den Fluidausgabe-Druckkopf 100 von 9 ausgebildet wird;
10A zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A in 10;
10B zeigt einen Querschnitt entlang der Linie B-B in 10;
11A zeigt eine „Draufsicht“ eines Silberflockens 112;
11B zeigt eine „Seitenansicht“ eines Silberflockens 112;
12 zeigt eine Querschnittdarstellung eines Abschnitts einer auf einem Substrat ausgebildeten exemplarischen Leiterbahn 15 zum Darstellen eines Adhäsionsbereichs;
13 zeigt eine Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahrens zum Ausbilden eines Leiterbahnmusters 6 unter Verwendung einer Ausführungsform des Fertigungssystems 20 von 2, in dem das Drucksystem einen Aerosolstrahl-Druckkopf und einen Fluidausgabe-Druckkopf verwendet;
14 zeigt eine Draufsicht einer Verbindungsstelle zwischen einer feinen Leiterbahn 14 und einer breiten Leiterbahn 15;
14A zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A in 14;
15A zeigt eine Seitenansicht einer exemplarischen Konfiguration eines Piezo-Array-Druckkopfes;
15B zeigt eine exemplarische Flächenkonfiguration des Piezo-Array-Druckkopfes von 15A mit einer säulenartigen Anordnung piezoelektrischer Düsen;
16 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens zum Ausbilden eines Leiterbahnmusters unter Verwendung eines exemplarischen Fertigungssystem wie es beispielsweise in 3 dargestellt ist;
17 zeigt eine schematische Darstellung eines exemplarischen metallischen Leiterbahnmusters zum Darstellen verschiedenartiger „Bereiche“;
18 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens zum Ausbilden eines Leiterbahnmusters unter Verwendung des Fertigungssystems von 2, in dem das Drucksystem einen Aerosolstrahl-Druckkopf und einen piezoelektrischen Array-Druckkopf verwendet;
19 zeigt eine schematische Darstellung eines exemplarischen metallischen Leiterbahnmusters zum Darstellen mehrerer verschiedenartiger Bereiche, einschließlich eines inneren und eines äußeren Abschnitts mit einem breiten oder großen Merkmal;
20 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens zum Ausbilden eines Leiterbahnmusters unter Verwendung des exemplarischen Fertigungssystems von 2, in dem das Drucksystem einen piezoelektrischen Array-Druckkopf und einem Fluidausgabe-Druckkopf verwendet;
21A zeigt eine Draufsicht einer exemplarischen Ausführungsform eines Fertigungsartikels mit einem Leiterbahnmuster;
21B zeigt eine Unteransicht der exemplarischen Ausführungsform eines Fertigungsartikels mit einem Leiterbahnmuster von 21A;
21C zeigt eine Detailansicht von 21B;
21D zeigt eine Ansicht eines Abschnitts eines exemplarischen Leiterbahnmusters;
22A zeigt eine Draufsicht eines zum Ausbilden von Leiterbahnen verwendeten exemplarischen Tintenstrahldrucksystems;
22B zeigt eine Seitenansicht des exemplarischen Tintenstrahldrucksystems, das zum Ausbilden von Leiterbahnen von 22A verwendet wird;
23A zeigt eine Explosionsansicht zum Darstellen verschiedener Schichten, die in einer exemplarischen Implementierung eines Fertigungsartikels ausgebildet sind; und
23B zeigt eine Draufsicht des Fertigungsartikels von 23A.

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Ausführliche Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß einem Aspekt einen Fertigungsartikel, einschließlich in einer Variante ein leitfähiges Element (beispielsweise eine Antenne), das auf einem Substrat ausgebildet ist. Das leitfähige Element weist mehrere miteinander verbundene Leiterbahnen auf. Die Leiterbahnen können sich über ein planares oder ein nicht-planares oder dreidimensionales Substrat erstrecken. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Leiterbahnen in einer exemplarischen Ausführungsform unter Verwendung mindestens zweier verschiedener Drucksysteme zum Ausbilden der Leiterbahnen ausgebildet.
Die 1A bis 1C zeigen verschiedene isometrische Ansichten eines Beispiels eines Fertigungsartikels 2 gemäß der vorliegenden Erfindung. In einigen Ausführungsformen bildet der Fertigungsartikel 2 einen Abschnitt eines Gehäuses eines Mobilgeräts, wie beispielsweise eines Mobiltelefons, eines persönlichen digitalen Assistenten (PDA), eines Smartphones oder eines Tablets, um nur ein paar Beispiele zu nennen, oder das gesamte Gehäuse. In einigen Ausführungsformen weist der Fertigungsartikel ein leitfähiges Element auf, wie beispielsweise eine Antennenstruktur, die mit einem Mobilgerät kombiniert oder als Teil eines Mobilgeräts verwendet werden soll.
Der Fertigungsartikel 2 beginnt mit einem Basissubstrat 4. In einer ersten exemplarischen Ausführungsform besteht das Substrat 4 aus Polycarbonat (PC). In einer zweiten exemplarischen Ausführungsform besteht das Substrat 4 aus Polyamid (PA). Andere Ausführungsformen können andere Polymere verwenden, wie beispielsweise PVC (Polyvinylchlorid) oder PET (Polyethylenterephthalat). In einigen Ausführungsformen können die Polymere mit Glasfasern, Kohlenstofffasern, Glasperlen, Mineralien, andersartigen Füllstofftypen und/oder Kombinationen davon gefüllt sein, um nur ein paar Beispiele zu nennen. Andere mögliche Materialien für das Substrat 4 sind Metalle, Glas und Verbundstoffe, die verschiedene Arten von Materialien kombinieren.
Jeder Fertigungsartikel 2 weist das Basissubstrat 4 und ein darauf ausgebildetes Leiterbahnmuster 6 auf. Verschiedene Ausführungsformen der Leiterbahnmuster 6 können planar sein oder, wie in dem in der in den 1A-1C dargestellten Variante, nicht-planar. Ein nicht-planares Leiterbahnmuster kann verschiedene Oberflächen 8 überspannen, die einzeln und/oder wechselseitig nicht-planar sein können, wie beispielsweise wechselseitig orthogonale Oberflächen 8. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Leiterbahnmuster 6 zwei, drei, vier oder mehr wechselseitig nichtplanare Oberflächen 8 überspannen. In anderen Ausführungsformen kann das Leiterbahnmuster 6 auf gekrümmten (nicht-planaren) Oberflächen 8 ausgebildet sein. Für Fachleute sind anhand der vorliegenden Erfindung verschiedene andere Kombinationen der vorstehenden Merkmale und/oder andere Konfigurationen ersichtlich.
Abschnitte des Leiterbahnmusters 6 können eine funktionale Struktur definieren, wie beispielsweise eine Antenne 10. In einer Ausführungsform haben Abschnitte des Leiterbahnmusters 6, die die Antenne 10 definieren, eine Dicke, die ein Mehrfaches einer „Eindringtiefe“ δ bei einer vorgegebenen Betriebsfrequenz überschreitet. Die Eindringtiefe δ kann mit einer Formel in Beziehung gesetzt werden, die beschreibt, wie sich die Wechselstromdichte mit der Tiefe in einem Leiter ändert, der unter dem Einfluss eines äußeren Wechselstromfeldes stehen kann. Eine Formel für die Stromdichte ist J = J_se^-d/δ, wobei J eine Stromdichte bei einer vorgegebenen Tiefe d in der Leiterbahn und J_s die Stromdichte an der Oberfläche der Leiterbahn bezeichnen. Der Wert d bezeichnet einen Abstand d gemessen von der Außenfläche eines leitfähigen Körpers entlang einer sich senkrecht zur Außenfläche erstreckenden Richtung. Eine typische Betriebsfrequenz beträgt 1 GHz (Gigahertz), obwohl darauf hingewiesen wird, dass dieser Wert lediglich ein Beispiel ist (und in keiner Weise irgendwelche Betriebsparameter der Leiterbahn einschränken soll) und leicht durch andere Werte ersetzbar ist. In einigen Fällen, in denen ein Material ein Verbundmaterial zwischen Leitern und Isolatoren ist, kann die Eindringtiefe als eine „wirksame Eindring“ tiefe aufgefasst werden, die auf Materialeigenschaften basiert. Die Eindringtiefe δ bei einer vorgegebenen Frequenz kann als die Tiefe im leitfähigen Körper definiert werden, bei der die Stromdichte J um etwa 63% oder auf 1/e des Wertes an der Oberfläche abgefallen ist. Vergl. z.B. John R. Reitz, Frederick J. Milford, und Robert W. Christy, „FOUNDATIONS OF ELECTROMAGNETIC THEORY“, dritte Auflage, veröffentlicht 1980 von Addison-Wesley Publishing Company, wobei dieses Dokument hierin in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist (vergl. z.B. S. 369). Die allgemeine Formel für die Eindringtiefe eines bestimmten Materials ist δ = [2/ωµσ]^1/2 wobei ω die Kreisfrequenz des Wechselstroms, die durch einfallende Strahlung hervorgerufen werden kann, µ die magnetische Permeabilität des Materials und σ die Leitfähigkeit des Materials bezeichnen. In den folgenden Beurteilungen wird der Beitrag von µ ignoriert, weil er für typische verwendete Materialien, wie beispielsweise Silber, tendenziell konstant ist. Für Zwecke der Diskussion kann der Wert von ω 2π-mal der Frequenz von 1 GHz gleichen.
Jede Leiterbahn der exemplarischen Ausführungsform der Antenne 6 wird aus einer leitfähigen Substanz (z.B. einem Fluid) ausgebildet, die Metallpartikel enthält. Vorzugsweise hat das Metall eine hohe Leitfähigkeit. Silber ist ein Beispiel eines solchen für die vorliegende Erfindung geeigneten Metalls, obgleich darauf hingewiesen wird, dass auch andere Metalle verwendet werden können. Massives Silbermetall hat eine Eindringtiefe, die gemessen bei 1 GHz etwa 2 µm beträgt. Aus einem leitfähigen Fluid ausgebildete Leiterbahnen werden allgemein tendenziell eine geringere Leitfähigkeit haben als massives Silber, mindestens teilweise weil die Teilchen tendenziell einen geringen Oberflächenkontakt miteinander haben und nicht perfekt verdichtbar sind.
Für Zwecke der vorliegenden Diskussion wird angemerkt, dass eine Beziehung zwischen der Eindringtiefe einer gedruckten Leiterbahn, die aus Partikeln eines bestimmten Metalls ausgebildet ist, und dem massiven Metall selbst definiert werden kann. Diese Formel ist nachfolgend in Gleichung (1) dargestellt: $δ_{trace} = δ_{bulk} * σ^{1 / 2}_{bulk} / σ^{1 / 2}_{trace}$
In der vorstehenden Beziehung bezeichnen δ_trace die Eindringtiefe der Leiterbahn, δ_bulk die Eindringtiefe des massiven Metalls, σ^1/2 _bulk die Quadratwurzel der Leitfähigkeit des massiven Metalls und σ^1/2 _trace die Quadratwurzel der Leitfähigkeit der Leiterbahn. Diese Beziehung besagt, dass die Eindringtiefe δ umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Leitfähigkeit ist.
Beispielhaft sollen Silberpartikel betrachtet werden, die zum Herstellen von Leiterbahnen verwendet werden. Angenommen, dass die Leitfähigkeit des massiven Silbers der 25-fachen Leitfähigkeit der (auf Partikeln basierenden) Leiterbahn entspricht. Die Eindringtiefenverhältnis wird in diesem Beispiel etwa 25^1/2 oder etwa 5 zu 1 betragen. Da massives Silber eine Eindringtiefe von etwa 2 µm hat, wird die Eindringtiefe der Leiterbahn daher in der Größenordnung von 10 µm liegen (dem fünffachen des massiven Materials).
Es wird darauf hingewiesen, dass der vorstehende Vergleich zwischen Leiterbahnen und einem massiven Metall für verschiedene Metalle nicht unbedingt zutrifft. Beispielsweise ist die Formel in der Regel für einen Vergleich zwischen massivem Silber und aus Eisenpartikeln auszubildenden Leiterbahnen nicht genau. Dies ist der Fall, weil die beiden verschiedenen Metalle unterschiedliche magnetische Permeabilitäts(µ)werte haben, die dann ein Faktor beim Vergleich der Eindringtiefen werden würden. Bei den vorstehenden Verhältnissen wird die gleiche magnetische Permeabilität vorausgesetzt, und, dass die magnetische Permeabilität kein dominierender Faktor beim Vergleich der Eigenschaften des massiven Metalls und der Leiterbahn für ein vorgegebenes Metall ist.
Gemäß 1B weist die Oberfläche 8 einen vertieften Abschnitt 12 auf, Im vertieften Abschnitt 12 sind mehrere sehr feine Leiterbahnen 14 ausgebildet. Eine detailliertere Ansicht eines Abschnitts des Artikels 2 ist in 2C dargestellt, die einen vertieften Abschnitt 12 der Oberfläche 8 und feine Leiterbahnen 14 zeigt. Feine Leiterbahnen 14 können eine Breite von 200 µm (Mikrometer) oder weniger haben, um sehr feine Geometrieanforderungen zu erfüllen, wie beispielsweise für Fine-Pitch-Chipgehäuse. Andere feine Leiterbahnen 14 können eine Breite haben, die kleiner oder gleich 150 µm, kleiner oder gleich 100 µm, kleiner oder gleich 75 µm oder sogar kleiner oder gleich 50 µm ist.
Gemäß 1A können Abschnitte der Oberfläche 8, wie beispielsweise der Abschnitt 16, vorhanden sein, die eine zusammengesetzte Krümmung haben - Abschnitt 16 ist entlang zwei Achsen gekrümmt. Obwohl dies in den 1A - 1C nicht dargestellt ist, ist das Drucksystem der vorliegenden Erfindung in der Lage, auf komplizierten Oberflächen zu drucken, wie beispielsweise auf dem dargestellten Abschnitt 16, sowie für noch weitere Anwendungen geeignet.
Das Leiterbahnmuster 6 kann gegebenenfalls auch breitere Leiterbahnen 15 aufweisen. Breitere Leiterbahnen 15 können in einer exemplarischen Implementierung eine Breite von mindestens 250 µm oder mindestens 300 µm haben. Die breiteren Leiterbahnen 15 können in einigen Fällen eine Breite von etwa 1000 µm haben. Allgemein bezeichnet in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung der Begriff „breitere Leiterbahnen“ ohne Einschränkung größere Geometriemerkmale des Leiterbahnmusters 6, die mindestens zwei orthogonale Dimensionen haben, die 250 µm überschreiten.
Ein additives Fertigungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, Leiterbahnmuster 6 wie sie in den 1A - 1C dargestellt sind, effizient auszubilden. Ein solches Muster enthält anspruchsvolle Geometrien und große Variationen in der Leiterbahnbreite.
2 zeigt eine Ausführungsform eines additiven Fertigungssystems 20 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Fertigungssystem 20 wird als „additiv“ bezeichnet, weil leitfähige Muster 6 durch „additive Verfahren“, wie beispielsweise Ausgabe, Druck, Ausrichtung und/oder Sprühen leitfähiger Fluids auf eine Oberfläche 8 eines Substrats 4 ausgebildet werden. Dies steht im Gegensatz zu „subtraktiven Verfahren“, die das Muster durch Entfernen eines Deckmusters ausbilden, wie beispielsweise durch einen Ätzprozess. Ätzen kann ein Verfahren zum Entfernen von Material durch Zuführen von Lichtenergie (z.B. durch einen Laser) und/oder durch einen chemischen Entfernungsprozess bezeichnen. Ein zusätzlicher Ätzvorgang kann ein oder können mehrere Prozesse unter Trockenätzen, Nassätzen, fotochemischer Bearbeitung, Metallätzen, chemischer Bearbeitung oder Fotofertigung sein, unabhängig davon ob er als einseitiger oder doppelseitiger Ätzvorgang ausgeführt wird.
Das Fertigungssystem 20 weist einen Dateiprozessor 22, ein erstes Drucksystem 24, ein zweites Drucksystem 26 und einen Trocknungs- und/oder Aushärtungsofen 28 auf. Optional kann das System 20 einen weiteren Trocknungsofen 29 zwischen dem ersten 24 und dem zweiten Drucksystem 26 aufweisen. Der Dateiprozessor 22 ist in der Regel ein Computer, der dafür konfiguriert ist, eine Datei 23 zu empfangen, die ein Leiterbahnmuster 6 auf einem Substrat 4 definiert, wie beispielsweise das in den 1A - 1C dargestellte Leiterbahnmuster 6. Der Dateiprozessor 22 ist außerdem dafür konfiguriert, die Eingabedatei 23 zu verarbeiten, um Druckdateien 25 für jeden der Drucker 24 und 26 auszugeben. Die Ausgabedateien definieren jeweils einen Abschnitt des Leiterbahnmusters 6, die jeder der Drucker auf dem Substrat 4 ausbilden wird.
In einer exemplarischen Ausführungsform ist das erste Drucksystem 24 dafür konfiguriert, sehr feine Leiterbahnen 14 zu drucken, wie sie in 1C dargestellt sind. In einer exemplarischen Ausführungsform kann das erste Drucksystem 24 einen Druckkopf aufweisen, der einen Flugstromstrahl sehr feiner Aerosolpartikel emittiert, der sehr feine Leiterbahnen mit einer Breite von 100 µm oder weniger ausbilden kann. In dieser exemplarischen Ausführungsform ist das zweite Drucksystem 26 dafür konfiguriert, relativ breitere Leiterbahnen 15 zu drucken, wie die beispielsweise in den 1A - 1C dargestellten breiteren Leiterbahnen 15. In dieser exemplarischen Ausführungsform weist das zweite Drucksystem 26 einen Druckkopf auf, der relativ große Tröpfchen einer viskosen leitfähigen Tinte ausgibt. Das zweite Drucksystem 26 kann große Leiterbahnen viel schneller ausbilden als das erste Drucksystem, ist aber auf relativ große Leiterbahnen mit einer Breite von 250 µm oder mehr begrenzt.
In einer anderen exemplarischen Ausführungsform weist das erste Drucksystem 24 einen piezoelektrischen Druckkopf auf, wie beispielsweise einen Piezo-Array-Druckkopf 140, wie unter Bezug auf die 15A und 15B diskutiert wird. In dieser exemplarischen Ausführungsform druckt der Piezo-Array-Druckkopf 140 Leiterbahnen und/oder Flächenfüllmuster auf einen relativ flachen Oberflächenbereich der Substratoberfläche 4. Das zweite Drucksystem 26 weist einen Fluidausgabe-Druckkopf auf, wie beispielsweise den unter Bezug auf 9 beschriebenen Fluidausgabe-Druckkopf 100. Das Drucksystem 26 druckt Leiterbahnen mit einer Breite von mindestens 200 µm und alle Leiterbahnen, die auf Abschnitten der Oberfläche 4 ausgebildet werden, die nicht durch den Piezo-Array-Druckkopf 140 gedruckt werden können. Wie später diskutiert wird, kann der Piezo-Array-Druckkopf 140 feine und dünne Leiterbahnen zum Montieren von Bauelementen und Bereitstellen elektrischer Kontakte drucken.
Der andere Fluidausgabe-Druckkopf 100 kann dickere Leiterbahnen drucken, die dafür vorgesehen sind, beispielsweise als eine Antenne 10 zu funktionieren.
Ein Trockenofen 29 kann, falls erwünscht, zwischen dem ersten und dem zweiten Drucksystem 24 und 26 angeordnet werden, um die Leiterbahnen 6 teilweise zu trocknen oder auszuhärten, bevor der Artikel 2 durch das zweite Drucksystem 26 bedruckt wird. Dies ist mit der oben beschriebenen exemplarischen Ausführungsform zwar nicht erforderlich, kann aber für andere Systeme bevorzugt sein. In einigen Fällen wird der erste Druckvorgang für eine große Menge von Artikeln 2 ausgeführt, die zwischen der Verwendung des ersten Drucksystems 24 und des zweiten Drucksystems 26 gelagert werden. In solchen Fällen kann es erwünscht sein, teilweise ausgebildete Leiterbahnen 6 vor dem Zwischenlagern teilweise auszuhärten oder zu trocknen.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines additiven Fertigungssystems 30, das dafür konfiguriert ist, Leiterbahnen 6 auf ein Substrat 4 zu drucken. Das Fertigungssystem 30 weist einen Dateiprozessor 32, ein erstes Drucksystem 34, ein zweites Drucksystem 35, ein drittes (oder N-tes, falls mehr als drei) Drucksystem 36, und einen Trocknungs- und/oder Aushärtungsofen 38 auf. Obwohl 30 drei verschiedene Drucksysteme 34 - 36 zeigt, sollte klar sein, dass das Fertigungssystem 30 eine beliebige Anzahl verschiedener Drucksysteme aufweisen kann. Es werden einige Beispiele möglicher Drucksysteme beschrieben. Außerdem sollte klar sein, dass ein Trockenofen 29 zwischen den Drucksystemen 34 - 36 verwendet werden kann.
Der Dateiprozessor 32 ist dafür konfiguriert, Information oder Daten zu empfangen, wie beispielsweise eine Datei 33, die ein auf dem Substrat 4 auszubildendes Leiterbahnmuster 6 definiert. Der Dateiprozessor 32 ist dafür konfiguriert, die Eingabedatei 33 zu verarbeiten und für jedes der Drucksysteme 34 - 36, die in einem vorgegebenen Verfahren verwendet werden sollen, Information auszugeben (z.B. eine Druckdatei 37).
In einer exemplarischen Ausführungsform des Fertigungssystems 30 ist das erste Drucksystem 34 ein vektor-basiertes Drucksystem, das dafür konfiguriert ist, sehr feine Leiterbahnen 14 zu drucken. Ein derartiges Drucksystem kann beispielsweise einen Einzeldüsendruckkopf 140 aufweisen, der einen feinen Aerosolstrahl emittiert. Das erste Drucksystem wird als vektor-basiertes System bezeichnet, weil der feine Aerosolstrahl entlang der Oberfläche 8 bewegt wird, um die feinen Leiterbahnen 14 zu definieren.
Das zweite Drucksystem 35 kann beispielsweise ein raster-basiertes Drucksystem sein, das dafür konfiguriert ist, sowohl feine Leiterbahnen 14 als auch breite Leiterbahnen 15 zu drucken. Eine typisches raster-basiertes Drucksystem weist einen Druckkopf mit einem Array oder einer säulenförmigen Anordnung von Düsen auf, die ein Flächenmuster von Leiterbahnen 14 und/oder 15 definieren können. Die exemplarische säulenförmige Anordnung von Düsen kann in einer Implementierung eine Länge von ein Zoll oder mehr haben und 1000 oder mehr Düsen aufweisen. Eine derartige säulenförmige Anordnung von Düsen kann ein leitfähiges Muster 6 sehr schnell drucken, hat aber Schwierigkeiten beim Bedrucken konkaver Oberflächen oder Vertiefungen 12 oder beim Drucken entlang komplexer Oberflächen 16. Das zweite Drucksystem wird in dieser exemplarischen Konfiguration als raster- oder pixel-basierendes System bezeichnet, weil es eine Flächenmatrix gedruckter Punkte oder Pixel erzeugt, im Gegensatz zu ein Vektorvorrichtung, die eine einzelne Leiterbahn auf einmal definiert.
Das dritte Drucksystem 36 kann beispielsweise ein vektor-basiertes Drucksystem zum Drucken breiter Leiterbahnen 15 sein. Ein derartiges Drucksystem kann einen Einzeldüsendruckkopf aufweisen, der relativ große Tröpfchen leitfähiger Tinte ausstößt.
Die oben beschriebenen Drucksysteme sind Beispiele für die Drucksysteme 34 - 36. Die Reihenfolge solcher Drucksysteme 34 - 36 kann bezüglich des vorstehenden Beispiels geändert werden. Es können auch andere Drucksysteme verwendet werden. Beispielsweise kann ein vektor-basiertes Drucksystem unter Verwendung einer Einzelsprühdüse verwendet werden, um die Leiterbahnen mit größeren Geometrien und/oder Metallisierungsflächen zu drucken.

Die vorstehend dargestellten exemplarischen Ausführungsformen der Fertigungssysteme 20 und 30 können zum Drucken einer breiten Vielfalt verschiedener Leiterbahnmuster 6 auf einem breiten Bereich von Oberflächengeometrien des Substrat 4 verwendet werden. Um solchen unterschiedlichen Designs Rechnung zu tragen, können mehrere verschiedene Drucksysteme hinsichtlich ihrer Anwendung optimal sein. Die folgende Tabelle 1 zeigt einen Vergleich einiger beispielhafter Drucksysteme. Tabelle 1

Drucksystem, Druckmodus	Leiterbahnbreitenbereich	Oberflächengeometrie	Tröpfchenvolumen	Leitfähige Partikel
Aerosol, Vektor	10-100µm	Vertieft und gekrümmt	Weniger als 1 Pikoliter	1 bis 100 nm Kugeln
Piezo-Array, Raster	250+ µm	Eben innerhalb 0,5 mm	3-100 Pikoliter	1 bis 100 nm Kugeln
Piezo-Array, Vektor	10-100 µm	Eben innerhalb 0,5 mm	Hoch oder niedrig	1 bis 100 nm Kugeln
Fluidausgabe, Vektor	250+ µm	Vertieft und gekrümmt	500 - 5000 Pikoliter (Trockenvolumen)	2 bis 20 µm Flocken

Die zweite Zeile in Tabelle 1 (direkt unter der Kopfzeile) fasst ein aerosol-basiertes Drucksystem zusammen, das im Vektormodus arbeitet. Eine exemplarische Ausführungsform eines aerosol-basierten Drucksystems wird unter Bezug auf die 7, 8, 8A und 8B beschrieben. Ein Betrieb im Vektormodus betrifft allgemein eine Bewegung entlang des Pfades einer Leiterbahn, um die Leiterbahn auszubilden. Häufig bewegt sich ein derartiger Druckkopf entlang eines gekrümmten oder nicht-linearen Pfades. Dieses System ist optimal zum Drucken sehr feiner Leiterbahnen entlang einer vertieften und/oder stark gekrümmte Oberfläche. Derartige feine Leiterbahnen können eine kleine Leitungsbreite W von beispielsweise etwa 10 bis 100 µm haben und können an sehr beengten Stellen gedruckt werden. Ausgestoßene Tröpfchen werden in einem Gasstrahl mitgerissen und haben typischerweise eine Größe von weniger als einem Pikoliter. In der exemplarischen Ausführungsform enthalten die emittierten Tröpfchen kugelförmige leitfähige Teilchen, die typischerweise einen mittleren Durchmesser zwischen 1 und 100 nm haben.
Die dritte Zeile in Tabelle 1 fasst ein exemplarisches piezo-basiertes Drucksystem zusammen, das im Rastermodus betrieben wird. Eine exemplarische Ausführungsform eines piezo-basierten Drucksystems wird unter Bezug auf die 15A und 15B beschrieben. Ein Betrieb in einem Rastermodus betrifft in diesem Zusammenhang allgemein lineares Scannen oder Verfahren einer säulenförmigen Anordnung von Tröpfchen ausstoßenden Düsen über einen Druckbereich 8 eines Artikels 2, um ein Punktmatrixmuster bereitzustellen. Während des linearen Scanvorgangs bearbeitet die säulenförmige Anordnung von Düsen einen Bereich, der mindestens 2 mm breit, mindestens 3 mm breit oder mindestens 4 Millimeter breit ist. Häufig weist die Düsenanordnung Düsen auf, die entlang einer Linie mit einer Länge von 5 mm oder mehr angeordnet sind. Ein derartiges Drucksystem erfordert eine Druckfläche, die innerhalb von etwa 0,5 Millimeter über die Bahn planar ist, so dass der Abstand zwischen den Düsen und der Oberfläche 8 unter etwa 1,5 mm gehalten werden kann. In einigen Fällen kann ein solcher Druckkopf jedoch auch entlang einer einachsigen konvexen Kurve verfahren werden. Tröpfchengrößen liegen in der Regel im Bereich von 1 bis 100 Pikoliter. Ähnlich wie mit dem aerosol-basierten System enthalten die emittierten Tröpfchen in der exemplarischen Implementierung kugelförmige Partikel, die typischerweise einen mittleren Durchmesser zwischen 1 und 100 Nanometern haben. Der Betrieb in einem Rasterdruckmodus ist unter anderem sehr effizient für die rasche Erzeugung großflächiger Leiterbahnmuster mit einer Leitungsbreite von 800 µm oder mehr. Allerdings erzeugt der Rastermodus „Treppenstufen“ artefakte aufgrund der rechteckigen Scanvorgänge, die im Allgemeinen nicht parallel zu den erzeugten Leiterbahnen verlaufen. Daher können rechteckige „Stufen“ entlang einiger Leiterbahnen auftreten, die in der Größe der Auflösung des Druckkopfes etwa gleichen und bewirken, dass eine Untergrenze für eine druckbare Leiterbahngröße festgelegt wird. Aus diesem Grund ist der Rastermodus möglicherweise nicht immer die beste Lösung zum Ausbilden feiner Leiterbahnen.
Die vierte Zeile der vorstehenden Tabelle 1 gleicht der dritten Zeile, außer dass der Piezo-Druckkopf in einem Vektormodus betrieben wird. In diesem Modus ist der Piezo-Druckkopf zum Erzeugen sehr feiner Leiterbahnen optimal, nicht aber für Flächenfüllungen und große Leiterbahnen. Bei einem Betrieb im Vektormodus kann ein exemplarischer Piezo-Druckkopf dazu geeignet sein, Breiten in einem Bereich von 10 bis 100 µm zu drucken, und möglicherweise sogar feiner als mit einem Aerosol-Druckkopf. Durch Umschalten zwischen Raster- und Vektormodi kann ein Piezo-Druckkopf in der Lage sein, alle notwendigen Leiterbahnbreiten zu definieren, vorausgesetzt, dass die zu bedruckende Oberfläche ausreichend planar ist.
Die fünfte Zeile in Tabelle 1 fasst ein exemplarisches, auf einem Fluidausgabe-Druckkopf basierendes Drucksystem zusammen, das im Vektormodus betrieben wird. Eine Implementierung eines auf einem Fluidausgabe-Druckkopf basierenden Drucksystems wird unter Bezug auf die 9, 10, 10A, 10B, 11A, 11B und 12 beschrieben. Dieses Drucksystem ist unter anderem insbesondere zum Drucken von Antennenleiterbahnen optimiert, die typischerweise eine Breite von mindestens 250 µm und eine Dicke von mindestens etwa 30 µm haben. Ein solcher Druckkopf kann entlang stark gekrümmten und vertieften Oberflächen drucken. Tröpfchengrößen in dem exemplarischen System liegen in der Regel im Bereich von 500 bis 5000 Pikolitern (gemessen als Trockenvolumen). Die emittierten Tröpfchen neigen dazu, leitfähige Flocken mit einer mittleren Hauptabmessung in einem Bereich von 2 bis 20 µm zu enthalten.
Ein Herstellungsverfahren 40, das in einem Fertigungssystem 20 oder 30 anwendbar ist, ist in 4 dargestellt. Elemente von 2 werden bei der Beschreibung des Verfahrens 40 verwendet, es sollte aber klar sein, dass das Verfahren 40 ebenso gut auf das Fertigungssystem 30 von 3 anwendbar ist. Das Verfahren 40 ist ein Herstellungsverfahren zum Herstellen des Fertigungsartikels 2, wobei Leiterbahnmuster 6 auf einem Substrat 4 ausgebildet werden. Viele oder alle Schritte des Verfahrens 40 können durch die Wirkung eines oder mehrerer Computer oder einer anderen computergestützten Vorrichtung ausgeführt werden, die auf einem nichtflüchtigen Speichermedium gespeicherte Anweisungen empfangen und ausführen. Alternativ können einige der Schritte des Verfahrens 40 durch eine Maschine oder sogar eine gewisse Interaktion durch Personen ausgeführt werden.
Gemäß Schritt 42 wird eine Eingabedatei 23, die ein Leiterbahnmuster 6 definiert, durch einen Dateiprozessor 22 empfangen. Die Datei 23 kann automatisch an den Prozessor 22 übertragen werden, beispielsweise über eine Netzwerkverbindung, oder sie kann durch einen Operateur unter Verwendung einer Benutzeroberfläche eines Computers oder durch ein noch anderes Verfahren eingegeben werden.
Gemäß Schritt 44 wird die Datei analysiert und werden Domänen oder Bereiche definiert. In einer Variante werden die Bereiche basierend auf einem oder mehreren geometrischen Faktoren definiert, wie der Breite der Leiterbahnen 14 oder 15, und/oder auf der Ebenheit oder Unebenheit der Oberfläche(n) 8. Die Bereiche definieren das gesamte Leiterbahnmuster 6. Diese Domänen oder Bereiche können mit den Fähigkeiten jedes der Drucksysteme 24 und 26 in Beziehung stehen. Gemäß der vorliegenden Erfindung können noch andere Verfahren zum Definieren von Bereichen (die möglicherweise mit einer Fläche, einer Position, einer Geometrie, relevanten Prozessen usw. in Beziehung stehen können) verwendet werden.
In einer Ausführungsform werden mindestens zwei Bereiche gemäß dem Verfahren von Schritt 44 definiert, die einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweisen. Die beiden Bereiche sind basierend mindestens auf einer geometrischen Eigenschaft oder einem Schwellenwert verschieden. Die mindestens zwei Bereiche definieren das gesamte Leiterbahnmuster 6 und weisen eine Grenze dazwischen auf.
Gemäß Schritt 46 wird eine Betriebsplanung oder ein Betriebsablauf optimiert. Eine Betriebsplanung könnte darin bestehen, einfach eines der Drucksysteme 24 oder 26 zu verwenden. Eine andere Betriebsplanung könnte darin bestehen, beide Drucksysteme 24 und 26 zu verwenden, je nachdem, welches System zum Drucken bestimmter Leiterbahnen besser geeignet ist. Gemäß Schritt 46 werden die verschiedenen Betriebsplanungen analysiert und dann die eine ausgewählt, die ein bestimmtes Kriterium oder mehreren Kriterien am besten erfüllt, wie beispielsweise die Fertigungszykluszeit (die in etwa umgekehrt proportional zur Anzahl von Artikeln 2 variiert, die pro Zeiteinheit herstellbar sind). Außerdem wird gemäß Schritt 46 eine optimale Betriebsplanung oder ein optimaler Betriebsablauf ausgewählt.
Gemäß Schritt 48 wird die Eingabedatei 23 in mindestens zwei Druckdateien verarbeitet, die eine auf dem ersten Bereich basierende erste Druckdatei und eine auf dem zweiten Bereich basierende zweite Druckdatei enthalten. Gemäß Schritt 50 wird die erste Druckdatei an das erste Drucksystem 24 übertragen und die zweite Druckdatei an das zweite Drucksystem 26 übertragen.
Gemäß Schritt 52 wird der Fertigungsartikel 2 (z.B. sequentiell) durch die Drucksysteme 24 und 26 bedruckt. In einer exemplarischen Ausführungsform von Schritt 52 tritt das Folgende auf: (1) ein unbedruckter Fertigungsartikel 2 wird zum Drucksystem 24 transportiert (siehe Blockpfeil links). (2) Das erste Drucksystem 24 bildet feine Leiterbahnen 14 auf der Oberfläche 8 aus. (3) Der Fertigungsartikel wird dann zum Drucksystem 26 transportiert. (4) Das zweite Drucksystem 26 bildet breite Leiterbahnen 15 auf der Oberfläche 8 aus.
Gemäß Schritt 54 wird der Fertigungsartikel 2 zum Trocknungs-(und/oder Aushärtungs)ofen 28 transportiert. Der Ofen 28 brennt dann den Fertigungsartikel 2, wobei organische Komponenten des Leiterbahnmusters 6 ausgehärtet oder entfernt werden.
5 zeigt ein Blockdiagramm zum Darstellen einer exemplarischen Ausführungsform eines Drucksystems 60, das ein Beispiel eines beliebigen der Drucksysteme 24, 26 oder 34 - 36 sein kann. Das Drucksystem 60 weist einen Druckercontroller 62 auf, der mit einem Robotercontroller 64 und einem Druckkopf 66 verbunden ist. Der Robotercontroller 64 ist mit einem Mehrachsenroboter 68 und einem Drehachsenroboter 70 verbunden. Der Fertigungsartikel 2 wird durch eine Artikelhalteeinrichtung 72 gehalten und gesichert.
Der Druckercontroller 62 überträgt Befehle an den Robotercontroller 64, der dann die Roboter 68 und 70 steuert, um die Positionierung und Bewegung des Fertigungsartikel 2 bezüglich des Druckkopfes 66 bereitzustellen. Der Druckercontroller 62 überträgt Befehle an den Druckkopf 66, um Aerosol, einen Sprühnebel und/oder Tröpfchen leitfähiger Tinte auf den Artikel 2 auszustoßen, während der Druckkopf 66 sich in einer geeigneten Nähe und Ausrichtung bezüglich der Oberfläche 8 des Artikels 2 befindet.
Die 6A, 6B und 6C zeigen alternative Ausführungsformen eines Bewegungssteuerungsabschnitts des Drucksystems 60, das einen Drehachsenroboter 70 und einen Mehrachsenroboter 68 aufweist. Für jede Ausführungsform steuert der Robotercontroller 64 die zusammenwirkende Bewegung beider Roboter 70 und 68. In einer ersten Ausführungsform kann der Robotercontroller 64 den Drehachsenroboter 70 anhalten, während der Mehrachsenroboter 68 den Druckkopf 66 während eines Ausgabevorgangs über den Gegenstand 2 bewegt, wodurch das Leiterbahnmuster 6 ausgebildet wird. Daher wird in dieser ersten Ausführungsform das Leiterbahnmuster 6 durch eine Reihe alternierender Bewegungen des Drehachsenroboters 70 und des Mehrachsenroboters 68 unter der Steuerung des Robotercontrollers 64 ausgebildet.
In einer zweiten Ausführungsform steuert der Robotercontroller kontinuierlich gleichzeitig eine synchronisierte zusammenwirkende Bewegung des Drehachsenroboters 70 und des Mehrachsenroboters 68, um Leiterbahnen 6 auszubilden. Diese zweite Ausführungsform hat den Vorteil einer potentiell kürzeren Zykluszeit für die Ausgabe der Leiterbahn(en) 6. Eine dritte Ausführungsform ist tatsächlich eine Kombination aus der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform, wobei für einige Leiterbahnen die Roboter 70 und 68 sich kontinuierlich in Zusammenwirkung bewegen und für einige Leiterbahnen der Roboter 70 angehalten wird, während der Roboter 68 sich während eines Ausgabevorgangs bewegt.
Gemäß 6A hält der Drehachsenroboter 70 die Artikelhalteeinrichtung 72 an zwei Enden der Artikelhalteeinrichtung 72 entlang einer Achse 74. Daher wird die Halteeinrichtung 72 an einem ersten Ende 76A und an einem zweiten Ende 76B auf der Achse 74 gehalten. Der Drehachsenroboter 70 dreht die Artikelhalteeinrichtung um die Achse 74, um zu ermöglichen, dass der Druckkopf 66 Zugang zu verschiedenen Oberflächen des Artikels 2 hat. Der Mehrachsenroboter 68 ist in der exemplarischen Implementierung ein Sechsachsenroboter, der eine Translationsbewegung entlang linearen Achsen X, Y und Z sowie eine Drehbewegung um die Achsen X, Y und Z ausführen kann.
Gemäß 6B hält der Drehachsenroboter 70 die Artikelhalteeinrichtung 72 an einem einzigen Ende 76A der Artikelhalteeinrichtung 72 entlang der Achse 74. Der Drehachsenroboter 70 dreht die Artikelhalteeinrichtung um die Achse 74. Weil die Artikelhalteeinrichtung 72 nur an einem Ende gehalten wird, kann der Mehrachsenroboter in diesem Fall um die Halteeinrichtung 72 eine Dreh-Translationsbewegung ausführen, wie durch den bogenförmigen Pfeil 78 dargestellt ist. Der Mehrachsenroboter 68 ist ein Vierachsenroboter, der eine Translationsbewegung entlang linearen Achsen X, Y und Z und eine Drehbewegung bezüglich der Z-Achse entlang des dargestellten Pfades 78 ausführen kann.
Gemäß 6C hält der Drehachsenroboter 70 die Artikelhalteeinrichtung 72 an beiden Enden der Artikelhalteeinrichtung 72 entlang einer Achse 74. Daher wird die Halteeinrichtung 72 an einem ersten Ende 76A und an einem zweiten Ende 76B entlang der Achse 74 gehalten. Der Drehachsenroboter 70 dreht die Artikelhalteeinrichtung 72 um die Achse 74, um zu ermöglichen, dass der Druckkopf 66 Zugang zu verschiedenen Oberflächen des Artikels 2 erhält. Der Mehrachsenroboter 68 ist ein Dreiachsenroboter, der eine Translationsbewegung entlang linearen Achsen X, Y und Z ausführen kann.
7 zeigt eine exemplarische aerosol-basierte Ausführungsform 80 eines Druckkopfs 66. Der Aerosol-Druckkopf 80 ist dafür konfiguriert, einen sehr feinen Strahl 82 von Aerosolpartikeln zu emittieren, die zum Ausbilden feiner Leiterbahnen 14 geeignet sind. Eine Fluidversorgung 84 führt einer Aerosolvorrichtung oder -kammer 86 ein leitfähige Nanopartikel enthaltendes Fluid zu. Die Aerosolvorrichtung 86 aerosolisiert das Fluid - ein erhaltener Aerosolstrom 88 wird dann in einen Mitnahmekopf 90 gelenkt. Eine Mitnahmegasversorgung 92 führt einer Kammer 94 ein Gas zu, von der Gas an die Umgebung und einem Mitnahmeaerosolstrahl 88 zugeführt wird. Ein erhaltener Aerosolstrom 96, der mitgerissenes Gas enthält, tritt als ein Aerosolstrahl 82 aus einer Austrittsöffnung 98 aus. Typischerweise hat die Austrittsöffnung 98 einen sehr kleinen Durchmesser, so dass ein sehr feiner Aerosolstrahl 82 bereitgestellt wird.
In einer Implementierung wird der Gasstrom fokussiert, um eine wesentliche „Wurfweite“ zwischen der Austrittsöffnung 98 und dem Substrat 4 zu ermöglichen, während immer noch eine Fähigkeit bereitgestellt wird, sehr feine Leiterbahnen zu definieren.
Der Begriff „Wurfweite“ bezeichnet im vorliegenden Zusammenhang allgemein, wie weit eine Druckkopfdüse im Betrieb von einem Substrat entfernt sein kann, während immer noch effektiv Leiterbahnen auf dem Substrat ohne inakzeptablen Qualitätsverlust ausgebildet werden. In einer Ausführungsform kann die Austrittsöffnung 98 während der Leiterbahnausbildung zwischen 2 und 8 mm von der Oberfläche 4 beabstandet sein. In einer anderen Ausführungsform kann die Austrittsöffnung 98 während der Leiterbahnausbildung zwischen 3 und 8 mm von der Oberfläche 4 entfernt sein. In noch einer anderen Ausführungsform kann die Austrittsöffnung 98 während der Leiterbahnausbildung zwischen 3 und 6 Millimeter von der Oberfläche 4 beabstandet sein. Durch eine ausreichende Wurfweite wird unter anderem ermöglicht, dass das Drucksystem auf hochgradig unregelmäßige und gewölbte Oberflächen druckt, einschließlich in tiefen Vertiefungen.
In einer exemplarischen Ausführungsform ist der Aerosol-Druckkopf 80 Teil eines eindüsigen vektor-basierten Systems zum „Abfahren“ feiner Leiterbahnen 14. Das wird eine Voraussetzung für eine exemplarische Ausführungsform des Drucksystems 24 des Fertigungssystem 20 sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausführungsform des Aerosol-Druckkopfes 80 eine lineare und/oder versetzte Anordnung derartiger Düsen 98 aufweisen kann, so dass der Aerosol-Druckkopf 80 ein Flächenmuster feiner Merkmale ausbilden kann. Eine Array-Ausführungsform des Aerosol-Druckkopfes 80 könnte beispielweise in einer „flächenfüllenden“ Version des Drucksystems 60 verwendet werden.
Die Größe der durch die Austrittsöffnung 98 emittierten Aerosoltröpfchen kann kleiner sein als 1 Pikoliter (1 Pikoliter entspricht 10^-12 Liter) im Tröpfchenvolumen. Die Größe kann weniger als 100 Femtolitern (1 Femtoliter entspricht 10^-11 Liter), weniger als 10 Femtoliter oder sogar weniger als 1 Femtoliter betragen. Der gerichtete Aerosolstrahl 82 bildet Leiterbahnen aus, deren Breite eher mit dem Aerosolstrahldurchmesser als mit der Größe der einzelnen Aerosoltröpfchen korreliert.
Die erhaltenen Punkte oder Leitungsbreiten, die auf dem Substrat 8 ausgebildet werden können, sind vorteilhaft sehr klein. Beispielsweise können einzelne Punkte in der exemplarischen Implementierung im Durchmesser kleiner als 25 µm, kleiner als 20 µm, kleiner als 15 µm oder sogar kleiner oder gleich etwa 10 µm sein. Dies ermöglicht die Ausbildung schmaler Leiterbahnen 14.
Das im Aerosol-Druckkopf 80 verwendete Fluid enthält dispergierte leitfähige Nanopartikel. In einer exemplarischen Ausführungsform haben die Nanopartikel etwa eine Kugelform. Ihre Form kann als annähernd rund beschrieben werden. Jedes Teilchen hat einen Durchmesser (oder einen effektiven mittleren Durchmesser) D, der dem Durchmesser einer vollen Kugel aus dem gleichen Material und mit dem Gesamtgewicht des Nanopartikels im Wesentlichen gleicht, das einige Formunregelmäßigkeiten haben kann. Allgemein haben derartige Nanopartikel Durchmesser von weniger als 200 nm (Nanometer).
Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Partikel einen mittleren Durchmesser D im Bereich von 1 bis 100 nm, 1 bis 25 nm, 1 bis 10 nm haben, um nur einige Beispiele zu nennen. In einem solchen Beispiel beträgt der mittlere Partikeldurchmesser D etwa 60 nm. In einem anderen Beispiel liegt der mittlere Partikeldurchmesser D in einem Bereich von 3 bis 10 nm. In einer anderen Ausführungsform liegt mittlere Partikeldurchmesser D in einem Bereich von 5 bis 50 nm. In einem noch einem anderen Beispiel beträgt die mittlere Partikelgröße D 10 nm.
In einer exemplarischen Ausführungsform wird der größte oder nahezu der gesamte Anteil des Feststoffgehalts durch die leitfähigen Nanopartikel bereitgestellt. Das Fluid kann 5 Gew.-% bis 95 Gew.-% leitfähige Nanopartikel enthalten. In einigen Ausführungsformen kann das Fluid 10 bis 90 Gew.-% leitfähige Nanopartikel enthalten. In anderen Ausführungsformen kann das Fluid 20 Gew.-% bis 80 Gew.-% leitfähige Nanopartikel enthalten. In noch anderen Ausführungsformen kann das Fluid 40 Gew.-% bis 60 Gew.-% leitfähige Nanopartikel enthalten.
In einer anderen Ausführungsform enthält das leitfähige Fluid etwa 50 Gew.-% Silber-Nanopartikel. In dieser Ausführungsform kann das leitfähige Fluid über 15 Vol.-% Silber-Nanopartikel enthalten.
Der Rest des leitfähigen Fluids ist ein Vehikel, das Wasser und/oder organische Lösungsmittel oder Co-Lösungsmittel enthalten kann. In einigen Ausführungsformen enthält das Fluidvehikel eine Mischung organischer Lösungsmittel. In einigen Ausführungsformen enthält das Fluidvehikel einen aliphatischen Kohlenwasserstoff. In einigen Ausführungsformen enthält das Fluidvehikel aromatische Kohlenwasserstoffe. In noch anderen Ausführungsformen kann das Fluidvehikel eine Mischung aus einem aliphatischen Kohlenwasserstoff und einen aromatischen Kohlenwasserstoff enthalten. Einige Fluidvehikel können beispielsweise eine oder mehrere Komponenten unter Xylol, Hexan, Toluol und Chloroform aufweisen.
Die Viskosität des leitfähigen Fluids kann beispielsweise in einem Bereich von 1 bis 1000 cP (Centipoise) liegen. Allgemein kann ein pneumatischer Zerstäuber als Teil einer Aerosolerzeugungsvorrichtung 86 verwendet werden, wenn die Viskosität in einem geeigneten Bereich liegt (beispielsweise 20 bis 1000 cP). Für einen pneumatischen Zerstäuber beträgt die Viskosität vorzugsweise weniger als etwa 200 cP. Stickstoff (N₂) kann als Zerstäubungsgas verwendet werden. Es können leitfähige Tinten verwendet werden, die Lösungsmittelvehikel mit Dampfdrücken von weniger als etwa 1 mm Hg aufweisen. Beispiele für Lösungsmittelvehikel sind Xylol und Ethylenglykol.
Für Wartungszwecke können wasserlösliche Fluidvehikel nützlich sein. Ein pneumatischer Zerstäuber kann Aerosoltröpfchen mit einem Durchmesser von weniger als 1 µm erzeugen.
Eine Ultraschallzerstäuber kann als Teil der Aerosolerzeugungsvorrichtung 86 verwendet werden, wenn die Viskosität in einem Bereich von beispielsweise 1 bis 20 cP liegt. Einige Aerosolzerstäuber sind mit Viskositäten von etwa 5 cP oder weniger wirksam, und einige sind am wirksamsten mit Viskositäten von weniger als etwa 3 cP. In einer Ausführungsform weist das leitfähige Fluidvehikel Ethanol auf. Ein Ultraschallzerstäuber kann Aerosoltröpfchen erzeugen, die kleiner sind als 0,2 µm.
Es sind weitere mit der vorliegenden Erfindung konsistente Betriebsparameter möglich, und für Zwischenviskositäten kann in Abhängigkeit von der gewünschten Aerosoltröpfchengröße und anderen Faktoren entweder ein pneumatischer oder ein Ultraschallzerstäuber verwendet werden, wie für den Fachmann ersichtlich ist. In einigen Ausführungsformen ermöglichen die verwendeten Parameter, dass ein Aerosol-Druckkopf 80 einen fokussierten Strahl 82 von Tröpfchen ausgibt, die einen Durchmesser von etwa drei (3) µm haben.
Eine exemplarische leitfähige Tinte, die zur Verwendung mit bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet ist, hat eine mittlere Partikelgröße von etwa 10 nm und einen Silber-Nanopartikel-Anteil von etwa 25 bis 60 Gew.-%, weist ein Kohlenwasserstofflösungsmittel auf und hat eine Viskosität von etwa 1 - 30 cP (Centipoise). Diese leitfähige Tinte würde am optimalsten mit einem Ultraschallzerstäuber zerstäubt werden.
Eine weitere exemplarische leitfähige Tinte enthält Silber-Nanopartikel in einem Xylol-Lösungsmittel (aromatischer Kohlenwasserstoff). Der Silber-Nanopartikel-Anteil liegt im Bereich von 25 bis 40 Gew.-%. Aufgrund im Wesentlichen des verwendeten Lösungsmittels kann die damit verwendete Aushärtungstemperatur 100 bis 120 Grad Celsius betragen.
Eine weitere exemplarische leitfähige Tinte weist Silber-Nanopartikel in einem Lösungsmittelgemisch auf. Der Silber-Nanopartikel-Anteil liegt im Bereich von 25 bis 40 Gew.-%. Die Aushärtungstemperatur kann 120 Grad Celsius oder mehr betragen.
In einigen Ausführungsformen ist Aushärten und/oder Trocknen der leitfähigen Tinte (beispielsweise im Ofen 28) ausreichend, um die Lösungsmittelvehikel zu entfernen. In anderen Ausführungsformen kann der Aushärtungsofen zu einem teilweisen oder vollständigen Sintern der leitfähigen Nanopartikel führen. Sintern zwischen den Partikeln ist häufig wünschenswert, weil es die Leitfähigkeit verbessert und damit die Eindringtiefe vermindert. Das Auftreten eines Sinterprozesses ist eine Funktion mehrerer Faktoren, die das verwendete Material(ien), den Aushärtungsprozess und die Aushärtungstemperatur enthalten können.
In verschiedenen exemplarischen Ausführungsformen sind die Nanopartikel Silber. Es können aber auch andere Nanopartikel verwendet werden, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer oder irgendein anderer Leiter, der für eine vorgegebene Anwendung geeignet ist. Außerdem zieht die vorliegende Erfindung Mischungen von zwei oder mehreren heterogenen Substanzen in Betracht. Silber hat die Vorteile einer hohen elektrischen Leitfähigkeit und dass es relativ inert ist (z.B. ist es allgemein nicht anfällig für thermische oder andere Oxidation).
Die 8, 8A und 8B zeigen einen Abschnitt 91 einer durch einen Aerosol-Druckkopf 80 ausgebildeten einzelnen Leiterbahn 14. In einer exemplarischen Ausführungsform hat der Leiterbahnabschnitt 91 hat eine Breite W, die kleiner ist als etwa 200 µm.
In einer spezifischeren Ausführungsform kann der Leiterbahnabschnitt 91 eine Breite W im Bereich von 10 bis 150 µm haben. In anderen spezifischen Ausführungsformen kann die Breite W etwa 25 µm, etwa 50 µm, etwa 75 µm, etwa 100 µm, etwa 125 µm oder etwa 150 µm betragen oder im Bereich von 20 µm bis etwa 160 µm liegen.
8A zeigt einen Querschnitt des Leiterbahnabschnitts 91 entlang der Linie A-A in 8. In einer exemplarischen Ausführungsform liegt die Leiterbahndicke t für Antennen in einem Bereich von mindestens 10 µm. In einer anderen Ausführungsform liegt die Leiterbahndicke t für Antennen in einem Bereich von 10 bis 20 µm. In einer noch anderen Ausführungsform beträgt die Leiterbahndicke für Antennen etwa 10 µm, etwa 15 µm oder etwa 20 µm.
8B zeigt einen Querschnitt des Leiterbahnabschnitts 91 entlang einer Linie B-B in 8. Der Leiterbahnabschnitt 91 ist im Wesentlichen aus kugeligen (nahezu kugelförmigen) Silberpartikeln 93 ausgebildet. In einer exemplarischen Ausführungsform haben 90 Gew.-% der Partikel 93 einen Durchmesser D von weniger als 100 nm.
9 zeigt eine exemplarische Ausführungsform eines Fluidausgabe-Druckkopfes 100. Der Fluidausgabe-Druckkopf 100 ist dafür konfiguriert, relativ große Tröpfchen leitfähiger Tinte zu emittieren, die zum Ausbilden relativ größerer Leiterbahnen 15 ( 1C) geeignet sind. Der Fluidausgabe-Druckkopf 100 wird als Teil eines vektor-basierten Drucksystems verwendet, das als Drucksystem 26 unter Bezug auf 2 beschrieben worden ist.
9 zeigt einen schematischen Querschnitt des Fluidausgabe-Druckkopfes 100 zum Darstellen von Details der Einzeldüsenspitze 102, die in dieser Implementierung durch einen piezoelektrischen Hammer 104 angetrieben wird. Die Spitze des Hammers 104 verschiebt sich vertikal unter der Kraft eines piezoelektrischen „Druck“-Transducers und stößt mit jeder Schwingung ein Tröpfchen eines leitfähigen Fluids von der Düsenöffnung 106 aus. Es wird darauf hingewiesen, dass der in diesem Zusammenhang verwendete Begriff „vertikal“ sich nicht etwa auf irgendein Gravitationsbezugssystem bezieht, sondern sich auf die Darstellung in 9 und eine allgemeine Richtung bezieht, in die Tröpfchen des leitfähigen Fluids von der Düse 106 auf das Substrat 4 ausgestoßen werden können. Tatsächlich kann diese Richtung auch horizontal oder schräg geneigt bezüglich eines Gravitations- oder eines anderen Bezugssystems verlaufen.
Die Verwendung eines auf einem Piezo-Pusher basierenden „Drop on Demand“- Ausgabekopfes kann gewisse Vorteile bieten. „Drop-on-Demand“ bezeichnet die Fähigkeit, jeweils ein Tröpfchen programmierbar in einem Bereich gewünschter Tröpfchenausstoßfrequenzen, Töpfchengrößen und Anzahlen von Tröpfchen in einem Bündel von Tröpfchen auszustoßen.
In einer exemplarischen Ausführungsform hat die Düsenöffnung 106 einen Durchmesser D_N im Bereich von 50 bis 300 µm. In einer Implementierung liegt der Durchmesser D_N in einem Bereich von 70 bis 200 µm. In noch einer noch anderen Implementierung liegt D_N in einem Bereich von 80 bis 120 µm und beträgt beispielsweise etwa 100 µm. In einer exemplarischen Ausführungsform kann die Höhe h der Düsenöffnung 0,5 mm bis 5 mm (mm = Millimeter oder tausendstel Meter) betragen. In einer besonderen exemplarischen Implementierung beträgt h etwa 3 mm.
Wie in 9 dargestellt ist, kann ein sich verjüngender Eingangsabschnitt 108 bereitgestellt werden, der in die Düsenöffnung 106 führt. Der Piezo-Hammer 104 stößt vertikal gegen den sich verjüngenden Abschnitt 108. In einer exemplarischen Ausführungsform hat der Piezo-Hammer 104 einen Durchmesser D_A im Bereich von 0,7 bis 2,0 mm. In einer Implementierung beträgt der Durchmesser D_A etwa 1,5 mm. In einer Ausführungsform liegt die Amplitude der Schwingung des Piezo-Hammers 104 im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm und beträgt beispielsweise 0,3 mm. Die vorstehend beschriebenen Abmessungen haben sich für die Ausgabe eines leitfähigen Fluids, das Partikel enthält, bei denen 95% der leitfähigen Flocken eine Hauptabmessung haben, die kleiner als 20 µm ist, als vorteilhaft herausgestellt, obwohl leicht ersichtlich ist, dass erfindungsgemäß auch andere Größen und/oder Abmessungen verwendbar sind.
Die „Wurfweite“ der exemplarischen Ausführungsform des Druckkopfes (Fluidausgabe-Druckkopf 100) ist allgemein kleiner als diejenige des Aerosol-Druckkopfes 80. In einer exemplarischen Ausführungsform ist die Düse 106 in einer Höhe H von weniger als 2 mm, aber mehr als 0,2 mm über dem Substrat 4 angeordnet. Insbesondere ist in einer Implementierung H kleiner als 1 mm, aber größer als etwa 0,2 mm. In einer anderen Implementierung liegt H im Bereich von 0,4 mm bis 1,0 mm. In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beträgt H etwa 1 mm.
Wenn Tröpfchen aus der Düse 106 ausgestoßen werden, kann es aufgrund von Tröpfchen, die unter einem gewissen Winkel von der Düse 106 ausgestoßen werden, zu Trajektorienfehlern kommen. Andere Quellen für Trajektorienfehler sind ein Luftstrom und eine Translationsgeschwindigkeit zwischen der Düse 106 und dem Substrat 4 parallel zum Substrat 4. Diese Translationsgeschwindigkeit führt zu einer sich nicht senkrecht zur Aufnahmefläche des Substrats 4 erstreckenden Geschwindigkeitskomponente für ausgestoßene Fluidtröpfchen. Es ist möglich, diese Komponente beispielsweise durch eine Tröpfchenausstoßzeitsteuerung zu korrigieren, eine solche Korrektur kann aber zu Fehlern führen. Ein Weg zum Verbessern der Genauigkeit der Tröpfchenplatzierung besteht darin, die Höhe H zu minimieren. Gleichzeitig kann aber ein zu kleiner Wert von H eine „Kollision“ zwischen der Düsenspitze 106 und dem Substrat 4 verursachen, was zu einer Beschädigung des Fluidausgabe-Druckkopfs 100 oder des erhaltenen Fertigungsartikels 2 führen kann. Daher ist durch die Erfinder festgestellt worden, dass die hier diskutierten Bereiche für H für die Ausgabe eines leitfähigen Fluids für leitfähige Elemente, wie beispielsweise Antennen, typischerweise optimal sind, obwohl in einem breiteren Kontext der vorliegenden Erfindung andere Bereiche verwendet werden können.
Ein Steuerungssystem innerhalb der exemplarischen Implementierung des Drucksystems 60 hält den Abstand H auf einem konsistenten Wert, während Tröpfchen eines leitfähigen Fluids auf das Substrat 4 ausgegeben werden. Das ist der Fall, obwohl die Düse 106 manchmal über eine dreidimensionale Oberfläche 8 eines Substrats 4 bewegt werden muss. Während die Düse 106 entlang eines geraden oder gekrümmten Pfades bewegt wird, gibt die Düse 106 Tröpfchen derart aus, dass einzelne Punkte möglicherweise schwer erkennbar sind, obgleich große Tröpfchen eines leitfähigen Fluids verwendet werden. In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung bezeichnet ein Hub die Bewegung einer Düse 106 relativ zu einem Substrat 4 während der Ausbildung eines Leiterbahnabschnitts des Leiterbahnmusters 6. Die Hubbewegung kann eine lineare oder nicht-lineare Form und/oder Bewegungsgeschwindigkeit haben. Ein Hub kann über einen nicht-ebenen Weg derart ausgeführt werden, dass eine Ebene aufgrund der nicht-ebenen Substratoberfläche 8 nicht in den Hubweg eingepasst werden kann.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform kann der vorstehend beschriebene Ausgabe- oder Fluidausgabe-Druckkopf 100 Punkte mit einem Trockenvolumen jedes Punktes (nachdem das Lösungsmittel getrocknet ist) im Bereich von beispielsweise 1000 bis 10000 Pikoliter auf einem Substrat ausbilden (ein Pikoliter ist 10^-12 Liter). In einer spezielleren Ausführungsform liegt das Trockenvolumen jedes Punkts im Bereich von 2000 bis 5000 Pikolitern. In einer Implementierung liegt das Trockenvolumen jedes Punkt im Bereich von 2500 bis 4500 Pikolitern. In einer noch anderen Implementierung liegt das Trockenvolumen jedes Punkts im Bereich von 3000 bis 4000 Pikolitern und beträgt beispielsweise etwa 3500 Pikoliter. Mit Tröpfchenvolumen innerhalb dieser Bereiche wird eine schnelle Herstellung exemplarischer Antennenleiterbahnen ermöglicht, während tröpfcheninduzierte Schwankungen der Leiterbahnimpedanz verhindert werden, die auftreten könnten, wenn die Tröpfchen zu groß sind.
In einigen Ausführungsformen kann der Fluidausgabe-Druckkopf 100 Punkte auf einem Substrat ausbilden, wobei jeder Punkt ein Trockenvolumen im Bereich von 500 bis 5000 Pikolitern hat. In einigen Ausführungsformen kann der Fluidausgabe-Druckkopf 100 Punkte mit einem Trockenvolumen jedes Punkts im Bereich von 1000 bis 2000 Pikolitern auf einem Substrat ausbilden. In noch anderen Ausführungsformen kann der Fluidausgabe-Druckkopf 100 Punkte mit einem Trockenvolumen von etwa 1600 Pikolitern auf einem Substrat ausbilden.
In einer exemplarischen Ausführungsform kann der vorstehend unter Bezug auf 9 beschriebene Ausgabe-Druckkopf 100 Tröpfchen ausgeben, die Punkte mit einem „effektive Punktdurchmesser“ im Bereich von 100 bis 1000 µm auf einem Substrat ausbilden. In einer Implementierung liegt der effektive Punktdurchmesser innerhalb eines Bereichs von 200 bis 600 µm. In noch einer anderen Implementierung liegt der effektive Punktdurchmesser in einem Bereich von 300 bis 500 µm oder in einem Bereich von 350 bis 450 µm. Der Begriff „effektiver Punktdurchmesser“ wird verwendet, weil die ausgegebenen Punkte eine unregelmäßige Form haben können. Der spezifisch ausgewählte effektive Punktdurchmesser hängt allgemein von einer Abmessung der schmalsten gewünschten Leiterbahnbreite W ab, obwohl andere Faktoren bei der Auswahl geeigneter wirksamer Punktdurchmesser in Betracht kommen können.
Das mit dem Fluidausgabe-Druckkopf 100 verwendete leitfähige Fluid enthält leitfähige Partikel in einem Fluidvehikel. Die Partikelgröße und der Formfaktor sind oft wichtig, wobei leitfähige Flocken in bestimmten Implementierungen eine Hauptabmessung D haben, die kleiner ist als etwa 20 µm (obwohl diese Zahl nicht im einschränkenden Sinne zu betrachten ist).
Die Viskosität des Fluids kann ebenfalls in einigen Anwendungen wichtig sein. Ein viskoses Fluid wird tendenziell zu einer relativ stabilen Tröpfchenbildung und zu weniger Fließen der Leiterbahnen nach der Ausgabe führen. Allerdings kann eine niedrigere Viskosität die Verwendung kleinerer Tröpfchen und höherer Tröpfchenausstoßfrequenzen ermöglichen. Es hat sich gezeigt, dass die verwendeten Viskositätsbereiche vorteilhaft und relativ optimal zum schnellen Ausbilden von Leiterbahnen beispielsweise für Antennen sind. In einer exemplarischen Ausführungsform beträgt die Viskosität des leitfähigen Fluids etwa 10 bis 80 Poise. In einer Implementierung beträgt die Viskosität des Fluids etwa 20 bis 60 Poise. In einer noch anderen Implementierung beträgt die Viskosität des Fluids etwa 30 bis 50 Poise oder liegt im Bereich von 35 bis 45 Poise. Die Viskosität gemäß diesen Ausführungsformen kann unter Verwendung beispielsweise eines Viskosimeters gemessen werden. Viskositäten innerhalb dieser Bereiche wurden mit einem Kegel-Platte-Viskosimeter unter Verwendung einer High Shear Cap bei 50 U/min (Umdrehungen pro Minute) bei 25 Grad Celsius gemessen. Das Viskosimeter war eine Wells-Brookfield Kegel/Platte-System von Brookfield Engineering Laboratories. Andere Verfahren zum Bestimmen der Viskosität können mit gleichem Erfolg verwendet werden.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Viskosität entsprechend einer Druckkopftemperatur moduliert werden. Wenn der Druckkopf erwärmt wird, kann die Viskosität verringert werden. In einer Ausführungsform beträgt die Viskosität des leitfähigen Fluids etwa 35 bis 45 Poise bei 25 Grad Celsius, aber etwa 15 bis 20 Poise bei Erwärmung auf etwa 60 Grad Celsius im Druckkopf 34 unmittelbar vor dem Tröpfchenausstoß. Eine Verminderung der Viskosität kann unter anderem bewirken, dass die Fluidtröpfchenausstoßgeschwindigkeit und das Tröpfchenvolumen für vom Ausgabe-Druckkopf 100 ausgestoßene Tröpfchen erhöht werden.
Außerdem sind Polymere, von denen bekannt ist, dass sie während des Aushärtungsprozesses (z.B. Ofentrocknung) größtenteils verdampfen, bevorzugt, um isolierendes Material zwischen den leitfähigen Partikeln zu minimieren. Eine weitere Komponente, die in einigen Ausführungsformen vorteilhaft sein kann, ist ein Fluidvehikel, das eine dünne Oberfläche des Substrats 4 lösen wird. Dadurch kann eine verbesserte Bindungsgrenzfläche zwischen dem Substrat 4 und dem Leiterbahnmuster 6 erhalten werden. Als ein erläuterndes Beispiel wird ein mit einem Polycarbonatsubstrat 4 verwendetes leitfähiges Fluid betrachtet. Es ist bekannt, dass bestimmte aromatische Kohlenwasserstoffe und Ketone (wie MEK - Methylethylketon) Polycarbonat lösen. Bestimmte andere Lösungsmittel aus den Klassen der Ester, Amine und Alkohole können ebenfalls verwendet werden. Natürlich stellt diese nur Beispiele dar, und in Abhängigkeit von dem verwendeten Substratmaterial können auch andere Komponenten verwendet werden. Durch Beimischen eines Anteils einer solchen Komponente kann die Haftung zwischen dem leitfähigen Fluid und dem Substrat verbessert werden.
Unter Verwendung des unter Bezug auf 9 beschriebenen Fluidausgabe-Druckkopfes 100 und der Tinten mit den vorstehend erwähnten Eigenschaften können Leiterbahnen mit einer mindestens zwei- oder mindestens drei- oder mindestens vier- oder mindestens fünffachen Eindringtiefe δ vorteilhaft mit einem einzigen Hub aufgebracht werden. Die Dicke t pro Hub kann im Bereich von 20 bis 100 µm pro Hub liegen. In einer Implementierung kann die Dicke t pro Hub 20 bis 60 µm oder 20 bis 40 µm betragen. In einer Ausführungsform beträgt die Dicke t pro Hub etwa 30 µm. Beispielsweise wird durch einen Düsendurchmesser D_N im Bereich von 100 µm bei einem erwärmten Fluid mit einer Viskosität (vor dem Erwärmen) von etwa 35 bis 45 Poise eine Dicke pro Hub von etwa 40 µm erhalten. Vorausgesetzt, dass die Eindringtiefe in einem Bereich von etwa 5 bis 15 Mikrometer bei 1 GHz liegt, wird durch einen einzigen Hub eine Bahn mit der etwa 2 bis 8-fachen Eindringtiefe δ erhalten. Natürlich stellt dieses spezifische Beispiel nur einen Satz von Parametern innerhalb der vorstehend diskutierten Bereiche dar, der es ermöglicht, eine leistungsfähige Leiterbahn (z.B. eine Antennenleiterbahn) auf eine effiziente Weise auszugeben.
Gemäß 2 kann der Fluidausgabe-Druckkopf 100 Teil des zweiten Drucksystems 26 sein. Während des Druckvorgangs führt die Düse 106 eine Translationsbewegung über die Oberfläche des Substrats 4 aus, und Tröpfchen eines leitfähigen Fluids werden auf das Substrat 4 ausgegeben, um breitere Abschnitte 15 des Leiterbahnmusters 6 zu definieren. Nachdem der Druckvorgang abgeschlossen ist, wird der Artikel 2 zu einem Ofen 28 transportiert, um Lösungsmittel aus dem leitfähigen Fluid zu entfernen und/oder andere gewünschte Effekte bereitzustellen. In einer exemplarischen Ausführungsform wird der Brennzyklus für 10 - 60 Minuten bei einer Temperatur im Bereich von 90 bis 140 Grad Celsius ausgeführt. In einer Implementierung kann die Ofentemperatur im Bereich von 100 bis 130 Grad Celsius liegen. In einer bestimmten Ausführungsform wird der Brennzyklus für etwa 25 Minuten bei einer Temperatur von 100 bis 110 Grad Celsius ausgeführt. In einer Ausführungsform weist der Ofen 26 einen Zonenofen mit unterschiedlichen Zonentemperaturen auf, um ein oder mehrere gewünschte Trocknungstemperaturprofile zu ermöglichen.
Die 10, 10A und 10B zeigen einen exemplarischen Abschnitt oder ein Segment 110 einer breiten Leiterbahn 15. Das Segment 110 kann auch als eine „Bahn“ oder „ein Bahnabschnitt“ bezeichnet werden. Das Segment 110 hat eine Breite W und eine Dicke t. In einer Ausführungsform kann die Breite W im Bereich zwischen 0,25 bis 3,0 mm (Millimeter) liegen. Insbesondere liegt die Breite W in einer exemplarischen Implementierung im Bereich von 0,3 bis 2,0 mm. In einer anderen Implementierung liegt die Breite W im Bereich zwischen 0,5 und 1,5 mm. In einer noch anderen Implementierung liegt die Breite W im Bereich zwischen etwa 0,6 bis 1,4 mm. Es können noch andere Werte für W verwendet werden, wie für Fachleute anhand der vorliegenden Beschreibung ersichtlich ist. In einigen Fällen wird ein Bahnabschnitt 110 tatsächlich eine große rechteckige Fläche aus Metall sein.
Die Auswahl einer Leiterbahnbreite W basiert in der exemplarischen Ausführungsform auf Faktoren wie der Impedanz, dem Vorhandensein oder der Möglichkeit von Hohlräumen oder anderen Defekten und der Leiterbahndichte. Wenn die Leiterbahnbreite einen bestimmten Wert (in einem bestimmten Fall z.B. 0,3 mm) unterschreitet, kann es zunehmend schwierig werden, die Leiterbahn basierend auf einem bestimmten Düsendesign auszubilden, weil ein (z.B. durch eine Luftblase verursachter) Hohlraum in der Leiterbahn mit einer bestimmten Größe einen viel größeren Einfluss auf eine schmalere Leiterbahn haben wird. Ein Hohlraum kann auch eine elektrische Verengung in der Leiterbahn verursachen. Der Widerstand an der Verengung kann inakzeptabel sein. Andererseits können, wenn die Leiterbahn breiter wird, mehr Ausgabevorgänge erforderlich sein, und die Leiterbahngeometrie wird für Designs mit höherer Dichte eingeschränkt. Noch andere Faktoren oder Einschränkungen können für die Bestimmung einer optimalen oder gewünschten Leiterbahnbreite(n) wichtig sein.
10A zeigt einen Querschnitt eines auf einem Substrat 4 ausgebildeten Leiterbahnsegments 10 entlang der Linie A-A. In einer exemplarischen Ausführungsform liegt die Leiterbahndicke t in einem Bereich von 20 bis 100 µm (Mikrometer). In einer anderen Implementierung liegt die Leiterbahndicke t im Bereich von 30 bis 70 µm. In noch einer anderen Implementierung liegt die Leiterbahndicke t im Bereich von 40 bis 60 µm. In einer noch anderen Implementierung liegt die Leiterbahndicke t im Bereich von 20 bis 40 µm oder 25 bis 35 µm oder beträgt etwa 30 µm. Innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung können andere Werte innerhalb der verschiedenen vorstehend erwähnten Bereiche oder ganz andere Bereiche verwendet werden.
In einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können beliebige oder alle diese Dicken mit einem einzigen Hub oder Durchgang einer Ausgabe-Druckkopfdüse über eine Substratoberfläche ausgebildet werden, einschließlich zusammengesetzte der vorstehend erwähnten Abschnitte (z.B. eines ersten Abschnitts mit einer Dicke t₁ und Breite W₁, eines zweiten Abschnitts mit einer Dicke t₂ und einer Breite W₂, usw., wobei jeder der Abschnitte in einer sequentiellen Folge ausgebildet wird). In einer Ausführungsform kann durch einen einzigen Hub der Ausgabe-Druckkopfdüse über dem Substrat 4 eine Leiterbahn 10 mit einer Dicke t in einem Bereich von 30 bis 50 µm ausgebildet werden. In einer Ausführungsform kann durch einen einzigen Hub der Abgabe-Druckkopfdüse über dem Substrat 4 eine Leiterbahn 10 mit einer Dicke t in einem Bereich von 20 bis 40 µm ausgebildet werden. In einer Ausführungsform kann durch einen einzigen Hub der Abgabe-Druckkopfdüse über dem Substrat 4 eine Leiterbahn 10 mit einer Dicke t in einem Bereich von 30 bis 50 µm oder 25 bis 35 µm oder etwa 30 µm ausgebildet werden.
In einigen Implementierungen ist es bevorzugt, wenn die Dicke t mindestens einem vorgegebenen Vielfachen (beispielsweise mindestens dem zwei- oder mindestens dem dreifachen) einer Eindringtiefe δ für eine vorgegebene Leiterbahn 10 entspricht, um eine Impedanz bezüglich Wechselstrom zu vermindern oder zu minimieren. In einer exemplarischen Ausführungsform weist die in 1A dargestellte Leiterbahn 10 eine Eindringtiefe δ im Bereich von 4 bis 15 µm (oder Mikrometer) bei 1 GHz auf. In einigen Implementierungen weist die Leiterbahn 10 eine Eindringtiefe in einem Bereich von 8 bis 15 µm auf. In einigen Implementierungen weist die Leiterbahn 10 eine Eindringtiefe in einem Bereich von 10 bis 13 µm auf. Es wird darauf hingewiesen, dass hinsichtlich der Eindringtiefe einer bestimmten hierin beschriebenen Implementierung die Ausdrücke „Eindringtiefe“ und „effektive Eindringtiefe“ als austauschbar betrachtet werden. Dies ist vor allem darin begründet, dass die Leiterbahn 10 im Wesentlichen ein Verbundmaterial ist, wie nachstehend näher erläutert wird.
In einigen Implementierungen ist es bevorzugt, wenn die Dicke t mindestens der 4- oder 5-fachen Eindringtiefe δ für eine vorgegebene Leiterbahn 10 entspricht. In einer exemplarischen Ausführungsform hat die in 1A dargestellte Leiterbahn 10 eine Eindringtiefe δ im Bereich von 4 bis 15 µm (Mikrometer) bei 1 GHz. In einer anderen Implementierung hat die Leiterbahn 10 eine Eindringtiefe δ im Bereich von 4 bis 8 µm. In einer noch anderen Implementierung hat die Leiterbahn 10 eine Eindringtiefe δ im Bereich von 4 bis 6 µm (beispielsweise etwa 5 µm). Außerdem wird darauf hingewiesen, dass die Eindringtiefe δ gemäß einem gewünschten Muster, oder um geeignete Eigenschaften der Leiterbahn zu erhalten (z.B. bezüglich ihrer Hochfrequenz- und/oder Leitfähigkeitseigenschaften), gegebenenfalls entlang der Länge der Leiterbahn 10 variieren kann.
10B zeigt einen Querschnitt eines auf dem Substrat 4 ausgebildeten Leiterbahnabschnitts 110 entlang der Linie B-B. Der Leiterbahnabschnitt 110 ist aus mehreren leitfähigen Partikeln 112 ausgebildet. Die Partikelmaterialien und -mikrostruktur bestimmen mindestens teilweise die „effektive Eindringtiefe“ δ des Leiterbahnabschnitts 110. Jedes der Partikel hat eine charakteristische Partikelabmessung D_p, die von Partikel zu Partikel verschieden sein kann. Die effektive Eindringtiefe δ des Leiterbahnabschnitts 110 kann mindestens teilweise durch eine Reihe verschiedener Faktoren bestimmt sein, wie beispielsweise durch die Abmessungen der Partikel 112, den Gewichtsanteil der Partikel 112 im Leiterbahnabschnitt 110, der Ausrichtung der Partikel 112, die elektrischen Eigenschaften der Matrix 114 zwischen Partikeln 112, die elektrischen Eigenschaften des Materials der Partikel 112 und andere Faktoren. In einer exemplarischen Ausführungsform hat die Matrix 114 einen wesentlich höheren spezifischen Widerstand als die Partikel 112, so dass die Dichte und die geometrische Anordnung der Partikel 112 innerhalb eines weniger leitfähigen Matrixmaterials 114 die Bestimmung einer effektiven Eindringtiefe δ dominieren kann.
In einer exemplarischen Ausführungsform weisen die Partikel 112 Silberpartikel auf. In anderen Ausführungsformen können die Partikel 112 aus Kupfer, Aluminium, Gold oder Platin oder aus einem anderen Metall mit einer hohen Leitfähigkeit oder auch aus Legierungen davon ausgebildet sein. Außerdem können die Partikel mit anderen (heterogenen) Partikeln gemischt sein, beispielsweise wenn Silberpartikel und Goldpartikel in einem gewünschten Verhältnis gemischt (Gegensatz legiert) sind.
In einer exemplarischen Ausführungsform sind die Partikel 112 im Wesentlichen abgeflachte, unregelmäßig geformte Partikel, wie beispielsweise „Flocken“. Die 11A und 11B zeigen eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines exemplarischen Silberflockens. Die Draufsicht von 11A zeigt eine unregelmäßige Kontur mit einer Hauptabmessung B. Die Seitenansicht von 11B zeigt die Dicke A der Flocke. Innerhalb des Umfangs der Erfindung können auch andere Formen verwendet werden, insofern bestimmt wird, dass eine derartige Form(en) die gewünschten Eigenschaften und Leistungsfähigkeiten bereitstellen.
Es ist außerdem klar, dass eine oder mehrere der Partikeleigenschaften (wie beispielsweise die vorstehend erwähnten Abmessungen C, A) gemäß einer Funktion statistisch verteilt sein können, z.B. gemäß einer Gaußschen oder „Normal“ verteilung oder einer anderen derartigen Funktion. Beispielsweise können die meisten Partikel innerhalb eines vorgegebenen Parameterbereichs fallen, wobei ein geringerer Anteil der gesamten Partikel innerhalb anderer Bereiche fallen. In einer exemplarischen Ausführungsform haben mindestens 95 Gew.-% der Partikel 112 eine Abmessung C, die kleiner als 20 µm ist. In einer bestimmten Implementierung haben mindestens 95 Gew.-% der Partikel 112 eine Abmessung C, die kleiner als 16 µm ist. In bestimmten Fällen kann es vorteilhaft sein, wenn der größte Teil der Partikel (in Gew.-%) eine Abmessung C hat, die beispielsweise größer ist als etwa 4 µm, größer als etwa 6 µm, größer als etwa 8 µm oder größer als etwa 10 µm. Es kann jedoch schwierig sein, Partikel 112 mit einer Hauptabmessung C von mehr als etwa 20 µm unter Verwendung des exemplarischen Fluidausgabe-Druckkopfes 100 auszugeben. Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass Partikel mit einem flockenförmigen oder plattenförmigen oder abgeplatteten (abgeflachte Kugel) Formfaktor Vorteile einer größeren Dimension C haben, während sie geeigneter für eine Ausgabe über eine Düse sind. Daher wird in der vorliegenden Erfindung erkannt, dass unter anderem die Partikelform ein bedeutender Faktor für die Leistungsfähigkeit sein kann, und tatsächlich derart gesteuert werden kann, dass eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften oder Kenngrößen, wie beispielsweise ein vermindertes Verstopfen der Düse, ein erhöhter Durchfluss, eine bessere Musterkonsistenz usw. erzielt werden.
In einer exemplarischen Ausführungsform liegt die Nebenabmessung A (Dicke des Partikels 112) für den größten Teil der Partikel bezüglich des Gewichtsanteils im Bereich von 0,3 bis 4,0 µm. In einer anderen Implementierung liegt die Abmessung A für den größten Teil der Partikel bezüglich des Gewichtsanteils im Bereich von 0,5 bis 2,0 µm. In noch einer anderen Implementierung liegt die Abmessung A für den größten Teil der Partikel bezüglich des Gewichtsanteils im Bereich von 0,5 bis 1,0 µm, oder sogar im Bereich von 1,0 bis 2,0 µm. Beispielsweise verwendet eine besondere Ausführungsform Partikel mit einer Abmessung A in der Größenordnung von 0,6 µm für den größten Teil der Partikel bezüglich des Gewichtsanteils.
Der Formfaktor der Partikel 112 kann durch eine beliebige Anzahl von Metriken definiert werden, wie beispielsweise durch das Verhältnis von C (die Hauptabmessung) zu A (Nebenabmessung oder Dicke). In einer exemplarischen Ausführungsform ist das Verhältnis von C zu A für den größten Teil der Partikel bezüglich des Gewichtsanteils größer als 2. In einer anderen Implementierung ist das Verhältnis von C zu A für den größten Teil der Partikel bezüglich des Gewichtsanteils größer als 4. In einer noch anderen Implementierung ist das Verhältnis von C zu A für den größten Teil der Partikel bezüglich des Gewichtsanteils größer als 8.
Es ist beobachtet worden, dass in bestimmten Fällen, wenn der Leiterbahnabschnitt 110 ausgegeben und ausgehärtet wird, ein Teil der Partikel 112 häufig dazu neigt, sich entlang einer Außenfläche 116 des Leiterbahnabschnitts 110 auszurichten, wobei die Hauptachse C eines Partikels 12 allgemein mit der Außenfläche 116 ausgerichtet ist. Natürlich tritt eine gewisse zufällige Ausrichtung auf, die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass eine solche Ausrichtung tendenziell insbesondere für Partikel 112 mit einer längeren Hauptachse C auftritt, wie beispielsweise solche mit einem Wert von C, der 4 µm oder mehr beträgt. Außerdem haben die weiter von der Außenfläche 116 entfernten Partikel 112 eher eine zufällige Ausrichtung.
12 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Verbindungsgrenzfläche 118 zwischen dem Substrat 4 und der Leiterbahnmaterial 10. Durch eine gewisse Substratlösung wird eine Oberflächenhaftwirkung erhalten. Ein Abschnitt des Substrats 4 mit einer Dicke t₂ ist gelöst worden. In einen Bereich innerhalb leitfähiger Partikel 112 der Dicke t₁ ist gelöstes Material vom Substrat 4 eingedrungen. Der gesamte beeinflusste Bereich 118 kann eine Dicke t₁ + t₂ im Bereich von 0,1 µm bis 5 µm haben. In einer besonderen Ausführungsform liegt die Dicke des beeinflussten Bereichs t₁ + t₂ im Bereich von 0,2 bis 2 µm. Daher kann eine mechanische Verblockung zwischen dem Substrat 4 und dem Leiterbahnabschnitt 110 dadurch bereitgestellt werden, dass eine gegenseitige Durchdringung von Substratmaterial bis in die leitfähigen Partikel 112 auftritt.
Es sind andere chemische und/oder mechanische Verbindungsmechanismen an der Grenzfläche 118 möglich. Beispielsweise kann der Verbindungsmechanismus an der Grenzfläche beliebige oder alle Bindungen unter polaren, van der Waals-, ionischen und/oder kovalenten Bindungen beinhalten. Das zum Ausbilden des Leiterbahnabschnitts 110 verwendete Fluid enthält einen Haftvermittler, der ein Bindemittel zwischen der Leiterbahn 110 und dem Substrat 4 bildet.
13 zeigt ein vereinfachtes Verfahren zum Herstellen eines Artikel 2 mit einem Schritt zum Ausbilden eines Leiterbahnmusters 6 unter Verwendung des in 2 dargestellten Fertigungssystems 20, in dem das erste Drucksystem 24 einen unter Bezug auf 7 beschriebenen Aerosol-Druckkopf 80 verwendet, und in dem das zweite Drucksystem 26 einen unter Bezug auf 9 beschriebenen Fluidausgabe-Druckkopf 100 verwendet. In diesem Herstellungsverfahren wird vorausgesetzt, dass das Leiterbahnmuster 6 schmale Leiterbahnen 14 aufweist, die die Verwendung des Aerosol-Druckkopfes 80 erfordern. Wenn dies nicht der Fall wäre, würde das Leiterbahnmuster vorzugsweise durch einen Fluidausgabe-Druckkopf 100 und nicht durch einen Aerosol-Druckkopf 80 ausgebildet.
Gemäß Schritt 120 wird eine Eingabedatei 23 durch den Dateiprozessor 22 empfangen. Gemäß Schritt 122 wird die Datei analysiert und werden alle Leiterbahnen identifiziert, deren Breite W kleiner ist als ein bestimmter Schwellenwert. In einer exemplarischen Ausführungsform beträgt diese Breite W 300 µm. Zum Zwecke der Erläuterung wird angenommen, dass einige der Leiterbahnen eine Breite oberhalb dieses Schwellenwertes und einige eine Breite unterhalb des Schwellenwertes haben.
Außerdem werden ebenfalls gemäß Schritt 122 mindestens zwei Bereiche definiert, die einen ersten Bereich mit Leiterbahnen mit einer Breite W unterhalb des Schwellenwertes und einen zweiten Bereich mit Leiterbahnen mit einer Breite W oberhalb des Schwellenwertes aufweisen. Mindestens zwei Bereiche enthalten kollektiv das gesamte zu druckende Leiterbahnmuster 6.
Gemäß Schritt 124 werden zwei Verarbeitungszeiten berechnet: (1) die zum Drucken des gesamten Leiterbahnmusters unter Verwendung des Aerosol-Druckkopfes 80 erforderliche Verarbeitungszeit und (2) die zum Drucken aller Leiterbahnen mit einer Breite von weniger als 300 µm unter Verwendung des Aerosol-Druckkopfes 80 und zum Drucken aller Leiterbahnen mit einer Breite von 300 µm oder mehr unter Verwendung des Fluidausgabe-Druckkopfes 100 erforderliche Verarbeitungszeit. Gemäß Schritt 126 wird eine Entscheidung basierend auf einem Vergleich der Verarbeitungszeiten getroffen. Wenn bei Verwendung des Fluidausgabe-Druckkopfes 100 die Verarbeitungszeit nicht reduziert wird, wird gemäß Schritt 128 eine einzelne Aerosoldruckdatei erzeugt, und gemäß Schritt 130 wird das gesamte Leiterbahnmuster 6 unter Verwendung des Aerosol-Druckkopfes 80 gedruckt.
In den meisten Fällen, in denen schmale Leiterbahnen 14 erforderlich sind, wird jedoch die Verarbeitungszeit durch Verwendung beider Druckköpfe 80 und 100 reduziert. Dies gilt insbesondere, weil viele Leiterbahnmuster 6 nur einen geringen Anteil, manchmal weniger als 5 bis 10%, an der Gesamtfläche der Leiterbahnen unterhalb des Breitenschwellenwertes für das System 100 haben.
Gemäß Schritt 132 werden zwei überlappenden Dateien, einschließlich einer ersten Datei und einer zweiten Datei, basierend auf dem ersten bzw. dem zweiten Bereich erzeugt. Die Dateien sind überlappend, um eine geeignete Kontaktfläche zwischen Nanopartikel-Leiterbahnen vom Aerosol-Druckkopf 80 und Silberflocken-Leiterbahnen vom Fluidausgabe-Druckkopf 100 zu erhalten. Die Überlappung ist derart definiert, dass sie eine kombinierte Fehlausrichtungstoleranz zwischen dem Aerosol-Druckkopf 80 und dem Fluidausgabe-Druckkopf 100 überschreitet. Die erste Datei definiert die Leiterbahnen 14 mit einer schmaleren Geometrie. Die zweite Datei definiert die Leiterbahnen 15 mit einer breiteren Geometrie. In einer exemplarischen Ausführungsform erstrecken sich die Leiterbahnen 14 mit der schmaleren Geometrie in die breiteren Leiterbahnen 15, um die Überlappung zu definieren. In einer anderen exemplarischen Ausführungsform erstrecken sich die Leiterbahnen 15 mit der breiteren Geometrie in die schmaleren Leiterbahnen 14, um die Überlappung zu definieren. Außerdem wird gemäß Schritt 132 die erste Datei an das erste Drucksystem 24 übertragen, und die zweite Datei wird an das zweite Drucksystem 26 übertragen.
Gemäß Schritt 134 druckt das erste Drucksystem 24 die Leiterbahnen 14 mit der feinen Geometrie durch den aerosol-basierten Aerosol-Druckkopf 80. Gemäß Schritt 136 druckt die zweite Druckvorrichtung 26 die Leiterbahnen 15 mit der größeren Geometrie durch den Fluidausgabe-Druckkopf 100.
14 und 14A zeigen einen Abschnitt eines Leiterbahnmusters 6 mit einer Verbindungsstelle zwischen einer schmaleren Leiterbahn 14 und einer breiteren Leiterbahn 15. In einer exemplarischen Ausführungsform beträgt ein Breitenschwellenwert für das zum Definieren des Leiterbahnmusters verwendete Fertigungssystem 20 300 µm. In der dargestellten 14 beträgt eine Breite W14 der Leiterbahn 14 etwa 100 µm. In der dargestellten 14 beträgt eine Breite W15 der Leiterbahn 15 mehr als 300 µm.
Aspekte der Leiterbahn 14 sind in Bezug auf die 7, 8, 8A und 8B diskutiert worden, wie beispielsweise der zum Ausbilden von Leiterbahnen verwendete Aerosol-Druckkopf 80 und Partikelgrößen. Aspekte der Leiterbahn 15 sind unter Bezug auf die 9, 10, 10A, 10B, 11A, 11B und 12 diskutiert worden.
14A zeigt eine Querschnittansicht der Verbindungsstelle zwischen Leiterbahnen 14 und 15 entlang der Linie A-A in 14. Wie dargestellt ist, gibt es einen Überlappungsabstand L zwischen den Leiterbahnen 14 und 15. Während des Schritts 132 von 13 ist die Länge der Leiterbahn 14 verlängert worden. In einer Ausführungsform kann die Überlappung L im Bereich von 25 bis 500 µm liegen. In einer anderen Ausführungsform kann die Überlappung L im Bereich von 50 bis 200 µm liegen. In einer noch anderen Ausführungsform kann die Überlappung L im Bereich von 75 bis 150 µm liegen.
In einer alternativen Ausführungsform wird die Leiterbahn 14 mit der feinen Geometrie durch einen Piezo-Array-Druckkopf 140 ausgebildet (der unter Bezug auf die 15A und 15B diskutiert wird). Die Leiterbahn mit einer größeren Geometrie wird durch den Fluidausgabe-Druckkopf 100 gedruckt (der unter Bezug auf die 9, 10, 10A und 10B diskutiert wurde).
Die 15A und 15B zeigen einen Piezo-Array-Druckkopf 140, der als eine Ausführungsform des Druckkopfs 66 (5) verwendbar ist, der im Drucksystem 35 ( 3) verwendet wird. 15A zeigt eine Seitenansicht des Piezo-Array-Druckkopfs 140 mit einer Düsenfläche 142, die Tröpfchen 144 ausstößt. 15B zeigt eine Ansicht einer Düsenfläche 142 mit zwei im Wesentlichen linearen Reihen oder säulenförmigen Anordnungen 146 von Düsen 148.
In einer Ausführungsform hat jede der säulenartigen Anordnungen 146 eine Ausdehnung von mindestens 0,5 Zoll und weist mindestens 100 Düsen auf. In einer weiteren Ausführungsform hat jede der säulenartigen Anordnungen eine Ausdehnung von etwa ein Zoll und weist mindestens 300 Düsen auf. Andere Ausführungsformen können 600, 1200 oder sogar 2400 Düsen aufweisen. Innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung können noch andere Anzahlen und/oder Konfigurationen von Düsen verwendet werden.
Jede Düse ist dafür konfiguriert, eine leitfähige Tinte auszustoßen, die leitfähige Nanopartikel enthält, die diejenigen ähnlich sind, die durch den Aerosol-Druckkopf 80 ausgestoßen werden. In einer Ausführungsform haben die Nanopartikel Durchmesser von weniger als 100 nm (Nanometer). Eine beispielhafte Tinte kann Nanopartikel mit einem Durchmesser zwischen 3 und 10 nm, einem Feststoffgehalt von etwa 45 Prozent und einer Viskosität von ca. 4 bis 5 cP (Centipoise) und ein organisches Fluidvehikel aufweisen. Dies ist nur ein Beispiel, wobei klar ist, dass die Partikelgröße und die Fluideigenschaften stark variieren können. In einer exemplarischen Ausführungsform sind die Nanopartikel Silber-Nanopartikel, es können aber auch andere verwendet werden (z.B. heterogene Mischungen), wie vorstehend beschrieben wurde.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist jede Düse 148 dafür konfiguriert, Tröpfchen mit einem Fluidvolumen im Bereich von 0,2 bis 200 pL (Pikoliter) auszustoßen. In einer bestimmten Ausführungsform haben die Fluidtröpfchen ein Volumen im Bereich von 1 bis 100 pL (Pikoliter). In einer anderen besonderen Ausführungsform haben die Fluidtröpfchen ein Volumen im Bereich von 1 bis 30 pL (Pikoliter).
Das Drucksystem 35 ist dafür konfiguriert, die Düsenfläche in einer Richtung über das Substrat 4 zu bewegen, die sich senkrecht zu einer Längsachse der säulenartigen Anordnung 146 erstreckt. Wenn die Düsenfläche bewegt wird, werden die Düsen 148 aktiviert, um eine Punktmatrixanordnung leitfähiger Tintentröpfchen auf dem Substrat 4 auszubilden, um einen Abschnitt des Leiterbahnmusters 6 zu definieren. Ein derartiges Drucksystem wird als „Raster“-Drucksystem bezeichnet und ist sehr effizient zum Definieren einer Anordnung von Leiterbahnen mit einer hohen Dichte und einer hohen Flächenabdeckung. Vektor-Drucksysteme, wie beispielsweise solche, die einen Aerosol-Druckkopf 80 oder einen Fluidausgabe-Druckkopf 100 verwenden, sind tendenziell weniger effizient und und benötigen mehr Zeit für die Ausbildung einer derartigen Leiterbahnanordnung mit einer hohen Dichte.
Trotz der Effizienzvorteile von Rasterdruck kann es jedoch Gründe geben, einen Piezo-Array-Druckkopf 140 in einem Vektormodus zu betreiben, in dem eine oder mehrere Düsen 148 einen Abschnitt eines Leiterbahnmusters 6 auf eine ähnliche Weise abfahren wie der Fluidausgabe-Druckkopf 100. Ein Vorteil des Vektormodus ist, dass wesentlich feinere Leiterbahnen mit einer vorgegebenen Düse 148 möglich sind.
Die effektive „Wurfweite“ eines Piezo-Array-Druckkopfes 140 ist mindestens abhängig von der Tröpfchengröße. Für kleinere Tröpfchen kann es erforderlich sein, dass der Abstand zwischen der Düsenvorderseite 142 und dem Substrat 4 weniger als 2 mm beträgt. Vorzugsweise liegt der Abstand im Bereich von 0,5 bis 1,5 Millimeter oder 0,8 bis 1,2 Millimeter. Wenn die zu bedruckende Oberfläche 8 sehr unregelmäßig ist, kann dies aufgrund des physischen Ausmaßes der Düsenfläche 142 schwierig sein.
16 zeigt eine Implementierung eines Verfahrens zum Drucken des Leiterbahnmusters 6 unter Verwendung einer Ausführungsform eines Fertigungssystems 30 unter Verwendung dreier Drucksysteme 34 - 36 (3). Das Drucksystem 34 weist einen Aerosol-Druckkopf 80 auf, der in einem Vektordruckmodus arbeitet. Das Drucksystem 35 verwendet einen Piezo-Array-Druckkopf 140, der in einem Raster-Flächenfüllungs-Druckmodus arbeitet. Das Drucksystem 36 verwendet einen Fluidausgabe-Druckkopf 100, der in einem Vektordruckmodus arbeitet. Ein Drucksystem 60, das ein beliebiges der Drucksysteme 34 - 36 sein kann, ist bereits unter Bezug auf die 5 und 6A bis 6C beschrieben worden. Der exemplarische Aerosolkopf 80 ist bereits unter Bezug auf die 7, 8, 8A und 8B beschrieben worden, und der exemplarische Fluidausgabe-Druckkopf 100 ist bereits unter Bezug auf die 9, 10, 10A, 10B, 11A, 11B und 12 beschrieben worden. Der exemplarische Piezo-Array-Druckkopf 140 ist bereits unter Bezug auf die 15A und 15B beschrieben worden. In der folgenden Beschreibung ist es bevorzugt, wenn der Piezo-Array-Druckkopf 140 ein hochauflösender Piezo-Array-Druckkopf 140 ist, der zum Drucken eines Gitter-Array-Musters mit mindestens etwa 1000 Punkten pro Zoll auf der Oberfläche 8 geeignet ist, um feine Metallleiterbahnen 14 in einem Rasterdruckmodus zu definieren, obwohl dies kein Erfordernis für die Umsetzung der Erfindung in die Praxis ist.

Ein oder alle Drucksysteme 34 - 36 können für ein vorgegebenes Leiterbahnmuster 6 verwendet werden. Demgemäß verwenden Systeme 34, 35 und 36 dieser exemplarischen Ausführungsform Druckköpfe 80, 100 bzw. 140. Um zu verstehen, warum mehr als ein Druckkopf 80, 100 und/oder 140 verwendet werden sollte, ist es zweckdienlich, die Leiterbahnmuster 6 bezüglich Bereichen zu beschreiben, die in einer Ausführungsform als Abschnitte von Leiterbahnmustern 6 definiert sind, die jeweils besondere geometrische Attribute der Leiterbahnen 6 und/oder der Oberfläche 8 haben. Die nachstehende Tabelle 2 definiert einige dieser Bereiche. 17 zeigt ein exemplarisches Leiterbahnmuster mit einigen Beispielen der Bereichstypen. Tabelle 2

Bereichnummer	Leiterbahnbreite	Oberflächengeometrie	Metalldichte	Verwendbare Drucksysteme
I	Breit	Glatt, SA-Kurve	Hoch	34, 35, 36
II	Breit	Glatt, SA-Kurve	Niedrig	34, 35, 36
II	Breit	Vertieft oder DA-Kurve	Hoch oder niedrig	34,36
IV	Schmal	Glatt, SA-Kurve	Hoch	34, 35
V	Schmal	Glatt, SA-Kurve	Niedrig	34, 35
VI	Schmal	Vertieft oder DA-Kurve	Hoch oder niedrig	34

Die Bereichnummer (Typ) I enthält breite Leiterbahnen 15 mit einer Breite oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes. In einer exemplarischen Ausführungsform beträgt dieser Schwellenwert 300 µm. Die Geometrie der Oberfläche 8 im Bereichstyp I ist „glatt“ - was bedeutet, dass sie nicht vertieft oder konkav ist. Insbesondere weist die Oberfläche 8 keine Stellen auf, die bezüglich umgebenden Stellen über einen bestimmten Schwellenwert hinausgehend vertieft sind. In einer exemplarischen Ausführungsform bedeutet „glatt“, dass Punkte um nicht mehr als einen bestimmten Wert, beispielsweise 0,5 Millimeter, bezüglich umgebenden Punkte vertieft sind. „SA-Kurve“ (Einzelachsenkrümmung) zeigt an, dass der Bereichstyp I keine zwei Krümmungsachsen hat, die zu einem Höhenunterschied, der größer ist als einen Schwellenwert, entlang zweier Achsen im Bereich führt. In einer exemplarischen Ausführungsform würde der Schwellenwert etwa 0,5 Millimeter betragen. Wie vorstehend erwähnt wurde, kann der Bereichstyp I durch alle drei Druckköpfe, d.h. den Aerosol-Druckkopf 80, den Piezo-Array-Druckkopf 140 und den Fluidausgabe-Druckkopf 100 gedruckt werden. Weil die Metalldichte hoch ist, kann der Piezo-Array-Druckkopf 140 jedoch wahrscheinlich den Bereichstyp I am effizientesten drucken. Es wird darauf hingewiesen, dass eine hohe Metalldichte eine sehr hohe Dichte schmalerer Leiterbahnen oder eine sehr breite Leiterbahn bezeichnen kann, deren Breite einem Vielfachen der Breite entspricht, die durch den Fluidausgabe-Druckkopf 100 gedruckt werden kann, der mehrere Hübe zum Erzielen der Breite benötigt, oder noch andere Definitionen.
Der Bereichstyp II ist der gleiche wie der Bereichstyp I, mit der Ausnahme, dass die Leiterbahndichte niedrig ist. Obwohl alle drei Druckkopftypen (80, 100, 140) den Bereichstyp II drucken können, kann es am effizientesten sein, den Bereichstyp II durch den Fluidausgabe-Druckkopf 100 zu drucken.
Der Bereichstyp III hat eine Oberflächengeometrie, die entweder vertieft ist oder eine Doppelachsenkrümmung aufweist. In einer exemplarischen Ausführungsform bezeichnet der Begriff „vertieft“ eine Oberfläche mit Stellen, die bezüglich umgebenden Stellen stärker vertieft sind als ein vorgegebener Schwellenwert. In einer Implementierung beträgt dieser Schwellenwert 0,5 Millimeter. In einer exemplarischen Ausführungsform bedeutet der Begriff „Doppelachsenkrümmung“, dass die Oberfläche „erhaben“ oder gewölbt ist, und dass die Oberfläche um einen einen Schwellenwert, wie beispielsweise 0,5 Millimeter, überschreitenden Abstand entlang zwei etwa orthogonalen Achsen abfällt. Beim Bereichstyp III ist der Piezo-Array-Druckkopf möglicherweise nicht in der Lage, die Leiterbahnen effektiv zu drucken, weil der erhöhte Abstand zwischen den Druckkopfdüsen und der Druckoberfläche 8 zu inakzeptablen Druckfehlern führen kann. Daher können Vektor-Druckköpfe 80 oder 100 (oder andere Techniken mit vergleichbarer Leistungsfähigkeit) erforderlich sein, um den Bereichstyp III zu bedrucken. Weil die Leiterbahnen vergleichsweise breit sind, kann der Fluidausgabe-Druckkopf 100 allgemein den Bereichstyp III am effizientesten bedrucken.
Der Bereichstyp IV ist der gleiche wie Bereichstyp I, außer dass er schmale Leiterbahnen 14 aufweist. Eine schmale Leiterbahnbreite ist durch Leiterbahnen mit einer Breite definiert, die kleiner ist als ein Schwellenwert, z.B. kleiner als 300 µm. Der Bereichstyp IV kann entweder durch den Aerosol-Druckkopf 80 oder den Piezo-Array-Druckkopf 140 bedruckt werden. Der Piezo-Array-Druckkopf 140 kann wahrscheinlich den Bereichstyp IV aufgrund der hohen Leiterbahndichte (vorausgesetzt dass der Piezo-Array-Druckkopf 140 eine ausreichend hohe Auflösung hat) am effizientesten bedrucken.
Der Bereichstyp V ist der gleiche wie der Bereichstyp II, außer dass er schmale Leiterbahnen 14 aufweist. Der Bereichstyp V ist außerdem der gleiche wie Bereichstyp IV, außer dass er eine niedrige Leiterbahndichte aufweist. Bereichstyp IV kann entweder durch den Aerosol-Druckkopf 80 oder den Piezo-Array-Druckkopf 140 bedruckt werden. Der Aerosol-Druckkopf 80 ist aber in der Lage, den Bereichstyp V aufgrund der niedrigen Leiterbahndichte am effizientesten zu bedrucken.
Der Bereichstyp VI ist die gleiche wie Bereichstyp III, außer dass er schmale Leiterbahnen 14 aufweist. Infolgedessen ist der Aerosol-Druckkopf 80 der einzige brauchbare Kandidat zum Bedrucken des Bereichstyps VI.

Tabelle 3 listet einige exemplarische Druckfolgen auf, die verwendbar sind, um die Leiterbahnmuster 6 auszubilden. Die Nummern 1, 2 und 3 zeigen die Folge an, in der eine vorgegebenes Drucksystem verwendet wird. Beispielsweise verwendet die Folge B zunächst den Aerosol-Druckkopf 80 (durch 1 als erster Druckkopf in der Folge bezeichnet) und dann den Piezo-Array-Druckkopf 140 (durch 2 als zweiter Druckkopf in der Folge bezeichnet). Folge B nutzt jedoch nicht den Fluidausgabe-Druckkopf 100. Unter Verwendung der Folge B können alle Bereiche bedruckt werden. Diese muss jedoch nicht die effizienteste Folge für einige Leiterbahnmuster 6 sein. Obwohl Tabelle 3 eine bestimmte Reihenfolge der Verwendung der Druckköpfe darstellt, sind andere Reihenfolgen möglich, beispielsweise beginnend mit dem Piezo-Array-Druckkopf 140, oder eine beliebige andere Reihenfolge der Verwendung der verschiedenen beschriebenen Druckköpfe. Daher sind von den in Tabelle 3 aufgelisteten Folgen verschiedene Folgen möglich. Tabelle 3

Folge	Aerosolstrahl	Piezo-Array	Düse zum Ausgeben eines leitfähigen Fluids	Mögliche Bereiche
A	1	Nicht verwendet	Nicht verwendet	I-VI
B	1	2	Nicht verwendet	I-VI
C	1	2	3	I-VI
D	Nicht verwendet	2	Nicht verwendet	I, II, IV, V
E	Nicht verwendet	2	3	I-V
F	Nicht verwendet	Nicht verwendet	3	I-III

Folge A verwendet nur den Aerosol-Druckkopf 80 zum Drucken des gesamten Leiterbahnmusters 6. Diese Folge A kann zum Bedrucken aller sechs Bereichstypen verwendet werden. Diese Folge kann effektiv sein, wenn das Leiterbahnmuster 6 nur eine kleine Gesamtlänge feiner Leiterbahnen 15 enthält. Wenn das Leiterbahnmuster jedoch eine große Anzahl breiter Leiterbahnen und/oder eine hohe Leiterbahndichte aufweist, kann die Folge A eine unzulässig lange Zykluszeit beinhalten.
Folge B weist die Verwendung des Aerosol-Druckkopfs 80, gefolgt von der Verwendung des Piezo-Array-Druckkopfs 140 auf. ähnlich wie die Folge A kann diese Folge ebenfalls alle sechs Bereichstypen bedrucken.
Folge C beinhaltet die Verwendung aller drei Druckköpfe der Reihe nach, d.h. des Aerosol-Druckkopfs 80, gefolgt vom Piezo-Array-Druckkopf 140 und schließlich des Fluidausgabe-Druckkopfs 100. Die Folge C kann alle sechs Bereichstypen bedrucken.
Folge D verwendet nur den Piezo-Array-Druckkopf 140 zum Drucken des gesamten Leiterbahnmusters 6. Folge D kann zum Bedrucken der Bereichstypen I, II, IV und V verwendet werden. Dies ist typischerweise die effizienteste Folge zum Drucken eines Leiterbahnmusters 6, das innerhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes, z.B. 0,5 mm, planar ist. Die Folge D wird allerdings in der Regel nicht effektiv sein, wenn die zu bedruckende Oberfläche vertiefte oder gemischte Biegungsgeometrien aufweist, die die Kriterien der Bereichstypen III oder VI erfüllen.
Folge E verwendet den Piezo-Array-Druckkopf 140, gefolgt von der Verwendung des Fuidausgabe-Druckkopfes 100. Die Folge E ist zum Bedrucken aller Bereichstypen mit Ausnahme des Bereichstyps VI effektiv, da Typ VI die Ausbildung feiner Leiterbahnen 14 auf einer Oberflächengeometrie erfordert, die für den Piezo-Array-Druckkopf 140 nicht zugänglich ist.
Folge F verwendet nur den Fluidausgabe-Druckkopf 100. Die Folge F kann verwendet werden, wenn das gesamte Leiterbahnmuster aus breiten Spuren 15 gebildet wird.
16 zeigt eine exemplarische Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines Abschnitts eines Fertigungsartikels 2 in Form eines Ablaufdiagramms. Einige oder alle Schritte von 16 können durch einen Computer gesteuert werden, der Befehle eines auf einem nichtflüchtigen Speicher gespeicherten Programms ausführt. Alternativ können einige der in 16 dargestellten Fertigungsschritte durch einen Benutzer ausgeführt werden, der Abschnitte des Fertigungssystems 30 (3) verwendet.
Gemäß Schritt 150 wird/werden eine oder mehrere Datei(en) 33, die ein Leiterbahnmuster 6 definiert (definieren), durch den Dateiprozessor 32 empfangen. Gemäß Schritt 152 analysiert der Dateiprozessor 32 die Datei(en) und teilt dann das Leiterbahnmuster auf, z.B. in Bereiche, wie beispielsweise in die Bereiche I-VI, die unter Bezug auf Tabelle 2 diskutiert wurden. Die Bereiche können in einer Implementierung entlang der Oberfläche 8 durch Grenzen getrennt sein, oder sie können gemäß Abschnitten des Leiterbahnmusters 6 getrennt sein. Die Bereiche definieren zusammen das gesamte Leiterbahnmuster 6. In einer exemplarischen Ausführungsform werden die Bereiche gemäß der Leiterbahnbreite, der Oberflächengeometrie, der Metallabdeckungsdichte (die auch als Leiterbahndichte bezeichnet wird) und der Leiterbahndicke geteilt.
Gemäß Schritt 154 werden Kandidaten für Druckfolgen identifiziert. Die Kandidaten für Druckfolgen werden basierend auf den Bereichstypen identifiziert (die bestimmte Folgen ausschließen können, wie aus Tabelle 3 ersichtlich ist).
Gemäß Schritt 156 werden für alternative Druckfolgen eine oder mehrere Metriken, wie beispielsweise die Prozesszykluszeit, bestimmt. Gemäß Schritt 158 wird eine optimale Druckfolge basierend auf der bestimmten Metrik ausgewählt. Schritt 158 enthält in einer Ausführungsform eine Zuordnung jedes der identifizierten Bereiche zu einem der Drucksysteme 34 (Aerosol), 35 (Piezo-Array), oder 36 (Fluiddüse). Es ist jedoch klar, dass innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung ferner ein Fall vorstellbar ist, gemäß dem ein vorgegebener Bereich zwei oder mehr der Drucksysteme 34 zugeordnet wird, beispielsweise wenn ein bestimmter Bereich beispielsweise aufgrund verschiedener Merkmale oder Erfordernisse, die innerhalb dieses Bereichs auftreten, als ein „Verbundbereich“ konstruiert werden kann, beispielsweise unter Verwendung dieser zwei oder mehrerer Systeme.
Es sind Grenzen zwischen verschiedenen Bereichen vorhanden, in die das Leiterbahnmuster 6 geteilt ist (vergl. 17). Gemäß Schritt 160 werden die Leiterbahnen entlang dieser Grenzen erweitert, um eine Überlappung bereitzustellen, wenn die Grenze die Verwendung zweier verschiedener Drucksysteme definiert, um Fehlausrichtungstoleranzen zwischen den Druckköpfen zuzulassen. In einer exemplarischen Ausführungsform erfolgt die Erweiterung folgendermaßen: (1) entlang einer Grenze zwischen dem durch das Aerosol-Drucksystem 34 bedruckten Bereich und dem durch das Piezo-Drucksystem 35 bedruckten Bereich werden die durch das Aerosol-Drucksystem gedruckten Leiterbahnen erweitert, um eine Überlappung bereitzustellen; (2) entlang einer Grenze zwischen einem durch das Aerosol-Drucksystem 34 bedruckten Bereich und einem durch das Fluiddüsen-Drucksystem 36 bedruckten Bereich werden die durch das Aerosol-Drucksystem gedruckten Leiterbahnen erweitert, um eine Überlappung bereitzustellen; und (3) entlang einer Grenze zwischen einem durch das Piezo-Drucksystem 35 bedruckten Bereich und einem durch das Fluiddüsen-Drucksystem 36 bedruckten Bereich werden die durch das Fluiddüsen-Drucksystem 36 gedruckten Leiterbahnen erweitert, um eine Überlappung bereitzustellen. Wie ersichtlich ist, können andere Kombinationen von Drucksystemen zum Definieren einer Überlappung verwendet werden. Darüber hinaus können solche Grenzflächen/Überlappungen tatsächlich in einem bestimmten Bereich auftreten, beispielsweise dort, wo zwei oder mehr Druckverfahren innerhalb dieses Bereichs verwendet werden, wie vorstehend erwähnt wurde.
Gemäß Schritt 162 werden Abschnitte der Eingabedatei 23, die durch die Bereiche definiert sind, und jegliche Leiterbahnerweiterungen in Druckdateien umgewandelt, die jeweils für den dem Bereich zugeordneten Drucker spezifisch sind. Gemäß Schritt 164 werden alle dem Aerosol-Drucksystem 34 zugeordneten Bereiche bedruckt. Gemäß Schritt 166 werden alle dem Piezo-Array-Drucksystem 35 zugeordneten Bereiche bedruckt. Gemäß Schritt 168 werden alle dem Fluiddüsen-Drucksystem 36 zugeordneten Bereiche bedruckt. Gemäß Schritt 170 wird der Artikel 2 im Ofen 38 gebrannt, um das Leiterbahnmuster 6 auszuhärten und/oder zu trocknen.
Beispiel 1: 17 zeigt ein Beispiel eines gemäß dem unter Bezug auf 16 beschriebenen Verfahren zu druckenden Leiterbahnmusters 6. Dieses Leiterbahnmuster enthält all die verschiedenen Bereichstypen. Weil alle sechs Bereichstypen vorhanden sind, wird vorausgesetzt, dass die Druckfolge C von Tabelle 3 ausgewählt wird (entsprechend Schritt 158 von 16). Das dargestellte Leiterbahnmuster ist mit Ausnahme der dargestellten Bereichstypen III und VI, für die vorausgesetzt wird, dass sie sich in tiefen Vertiefungen befinden, planar. Daher wird die ausgewählte optimale Druckfolge das Bedrucken der Bereiche I, II, IV und V durch den Piezo-Array-Druckkopf 140 aufweisen, weil dies mit dem Piezo-Array sehr schnell und präzise durchgeführt werden kann. Bereich III wird durch den Fluidausgabe-Druckkopf 100 bedruckt, weil die Leiterbahnen sich in einer tiefen Vertiefung (was den Piezo-Druckkopf ausschließt) befindet und die Leiterbahnen zu breit sind, um durch den Aerosol-Druckkopf 80 effizient gedruckt zu werden. Schließlich kann nur der Aerosol-Druckkopf 80 den Bereichstyp VI drucken.
Nachdem die optimale Folge gewählt wurde, müssen die Leiterbahnen zwischen Bereichsgrenzen, für die verschiedene Druckköpfe verwendet werden, erweitert werden (Schritt 160 in 16). Betrachten wir die Grenze zwischen den Bereichen IV und VI. Die Leiterbahnen im Bereich VI werden in den Bereich IV erweitert, um eine Leiterbahnüberlappung bereitzustellen, die einen guten Durchgang der elektrischen Leitfähigkeit zwischen den Bereichen gewährleistet, wobei auch Ausrichtungstoleranzen zwischen den Druckköpfen mit einbezogen werden. In diesem Fall werden die Leiterbahnen des Bereichs VI erweitert, weil der Aerosol-Druckkopf 80 planare Leiterbahnen wesentlich effizienter drucken kann als der Piezo-Array-Druckkopf 140 in eine Vertiefung drucken kann.
Die Leiterbahnen im Bereich III sind ebenfalls in den Bereich II erweitert. Ein primärer Grund dafür ist, dass der Fluidausgabe-Druckkopf 100 auf einer ebenen Fläche besser Drucken kann als der Piezo-Array-Druckkopf 140 in einer Vertiefung drucken kann. Außerdem ist das durch den Piezo-Array-Druckkopf ausgebildete Fluidausgabemuster dicker. Die Leiterbahnerweiterung gewährleistet eine geeignete elektrische Verbindung zwischen durch die beiden Drucksysteme gedruckten Leiterbahnen trotz Druckkopf-Druckkopf-Ausrichtungstoleranzen.
Zwischen den dargestellten Bereichen I und IV, I und II oder II und V gibt es keine Leiterbahnerweiterungen über Grenzen, weil sie alle durch den gleichen Piezo-Array-Druckkopf 140 gedruckt werden. Dies ist ein Vorteil hinsichtlich der Minimierung der Anzahl von Drucksystemen zum Bedrucken der verschiedenen Bereiche und kann Teil der ausgeführten Optimierung sein (Schritte 156 und 158).
Nachdem die Leiterbahnen erweitert worden sind, werden die Druckdateien für die Drucksysteme bestimmt. Die erhaltene Druckfolge ist wie folgt: (1) der Aerosol-Druckkopf 80 bedruckt den Bereich VI einschließlich Leiterbahnen, die sich in den Bereich IV erstrecken; (2) der Piezo-Array-Druckkopf 140 bedruckt die Bereiche I, II, IV und V; und (3) der Fluidausgabe-Druckkopf 100 bedruckt den Bereich III, in dem sich die Leiterbahnen in den Bereich II erstrecken. Der Fertigungsartikel wird dann ausgehärtet (z.B., gebrannt, elektromagnetischer oder anderer Strahlung ausgesetzt, oder durch andere Mittel).
Beispiel 2: Es wird das in den 1A, 1B und 1C dargestellte Leiterbahnmuster 6 betrachtet. Dieses Design beinhaltet Bereichstypen I (man beachte die sehr breiten Leiterbahnen auf flach und einachsig gekrümmten Flächen), II (man beachte einzelne breite Leiterbahnen), III (man beachte die breiten Leiterbahnen in einer Vertiefung) und VI (man beachte die schmalen Leiterbahnen in einer Vertiefung). Die effizienteste Folge wäre in einer Implementierung die folgende: (1) Aerosol-Druckkopf 80 zum Drucken feiner Leiterbahnen des Vertiefungsabschnitts 12, der dem Bereichstyp VI entspricht, (2) Piezo-Array-Druckkopf 140 zum Drucken aller Leiterbahnen auf flachen und einachsig gekrümmten Oberflächen, die den Bereichstypen I und II entsprechen, und dann (3) Fluidausgabe-Druckkopf 100 zum Drucken breiterer Leiterbahnen in der Vertiefung, die dem Bereichstyp III entspricht. In diesem Beispiel ist es wahrscheinlich optimal, alle drei Drucksysteme 34 - 36 zu verwenden. Es wird auch darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen wird, dass es in bestimmten Fällen sogar möglich sein kann, einen oder mehrere der vorstehenden Schritte parallel auszuführen, beispielsweise, wenn die Bereiche, in denen verschiedene Drucktechniken verwendet werden, räumlich getrennt sind und die zwei oder mehr Drucktechniken innerhalb dieser „getrennten“ Umgebung ausgeführt werden können. Dies kann in einer Variante durch eine Mehrzweck-Halteeinrichtung implementiert werden.
18 zeigt eine andere Ausführungsform eines Verfahrens zum Drucken des Leiterbahnmusters unter Verwendung einer Ausführungsform des Fertigungssystems 20, das zwei Drucksysteme 24 und 26 implementiert. Das Drucksystem 24 weist einen Aerosol-Druckkopf 80 auf, der in einem Vektorausgabedruckmodus arbeitet. Die Druckvorrichtung 26 (in dieser Ausführungsform) verwendet einen hochauflösenden Piezo-Array-Druckkopf 140, der in einem Rasterflächenfülldruckmodus arbeitet.

Ein oder beide Drucksysteme 24 und 26 können in Abhängigkeit von der Geometrie der Oberfläche 8 für ein vorgegebenes Leiterbahnmuster 6 verwendet werden. Die nachstehende Tabelle 4 beschreibt die Leiterbahnmuster bezüglich Bereichen, was zum Bestimmen eines geeigneten und optimalen Satzes von Druckvorgängen zweckdienlich sein kann. Tabelle 4

Bereichnummer	Oberflächengeometrie	Metalldichte	Geeignete Drucksysteme
I	Glatt, SA-Kurve	Hoch	24, 26
II	Glatt, SA-Kurve	Niedrig	24, 26
III	Vertieft oder DA-Kurve	Hoch oder niedrig	24

Bereichstyp I hat eine Oberfläche 8, die der unter Bezug auf Bereichstyp I von Tabelle 2 beschriebenen Oberfläche ähnlich ist. Die Oberfläche ist nicht über einen bestimmten Höhendifferenzschwellenwert, wie beispielsweise 0,5 Millimeter, hinausgehend erhaben oder gewölbt (weist keinen hohen Punkt auf, der sich bezüglich umgebenden Punkte in zwei Achsen erhebt). Für den Bereichstyp I ist die Metall-Leiterbahndichte größer als ein bestimmter Metall-Leiterbahndichte-Schwellenwert, bei dem das Drucksystem 24 tendenziell ineffizient wird.
Bereichstyp II ist dem Bereichstyp I ähnlich, außer dass die Metall-Leiterbahndichte geringer ist als der Metall-Leiterbahndichte-Schwellenwert. Obwohl beide Drucksysteme 24 und 26 den Bereichstyp II bedrucken können, kann es effizienter sein, den Bereichstyp II durch das Drucksystem 24 zu bedrucken.
Bereichstyp III weist eine Oberfläche 8 auf, die entlang zwei Richtungen über einen Höhendifferenz-Schwellenwert von beispielswiese 0,5 mm hinausgehend entweder vertieft oder erhöht ist. Diese Oberfläche kann die Verwendung des Drucksystems 24 erfordern, weil die Verwendung des Drucksystems 26 zu einer Qualitätseinbuße der gedruckten Metall-Leiterbahnen führen kann.
Tabelle 5 zeigt mehrere mögliche Druckfolgen, die verwendet werden können, um das Leiterbahnmuster 6 auszubilden. Die Nummern 1 und 2 zeigen die Folge an, in der ein vorgegebenes Drucksystem verwendet wird. Tabelle 5

Folge Aerosolstrahl Piezo-Array Mögliche Bereiche

A 1 Nicht verwendet I, II, III

B 1 2 I, II, III

C Nicht verwendet 2 I, II
Folge A verwendet nur den Aerosol-Druckkopf 80 zum Drucken des gesamten Leiterbahnmusters 6. Diese Folge kann beispielsweise erforderlich sein, wenn alle zu druckenden Leiterbahnen sich in einer Vertiefung oder auf einer gewölbten Oberfläche befinden, für die das Piezo-Array nur eine verminderte Druckqualität liefern würde. Diese Folge kann auch zum Drucken einer kleinen Anzahl feiner Leiterbahnen effizient sein.
Folge B beinhaltet die Verwendung des Aerosol-Druckkopfes 80, gefolgt vom Piezo-Array-Druckkopf 140. Durch diese Folge können alle Bereichstypen effektiv bedruckt werden.
Folge C verwendet nur den Piezo-Array-Druckkopf 140. Dies kann beispielsweise effektiv sein, wenn die Oberfläche 8 näherungsweise flach ist oder nur einen wesentlichen Krümmungsradius hat, der konvex ist.
18 zeigt eine exemplarische Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines Abschnitts eines Fertigungsartikels 2 in Form eines Ablaufdiagramms. Einige oder alle der in 18 dargestellten Schritte können durch einen Computer durch Ausführen von auf einem nichtflüchtigen Speicher gespeicherten Befehlen gesteuert werden. Alternativ können einige der in 17 dargestellten Herstellungsschritte durch einen Benutzer unter Verwendung von Abschnitten des Fertigungssystems 20 (2) ausgeführt werden.
Gemäß Schritt 172 wird eine (werden mehrere) Datei(en) 23, die ein Leiterbahnmuster 6 definieren, durch den Dateiprozessor 22 empfangen. Gemäß Schritt 174 analysiert der Dateiprozessor 22 die Datei(en) und teilt dann das Leiterbahnmuster in Bereiche auf, wie beispielsweise in die unter Bezug auf Tabelle 4 diskutierten Bereiche I - III. Die Bereiche können beispielsweise durch Grenzen entlang der Oberfläche 8 getrennt sein, oder sie können entsprechend Abschnitten des Leiterbahnmusters 6 oder aber gemäß noch anderen Aspekten getrennt sein. Die Bereiche definieren zusammen das gesamte Leiterbahnmuster 6. In einer exemplarischen Ausführungsform werden die Bereiche gemäß der Oberflächengeometrie und der metallischen Leiterbahnabdeckungsdichte geteilt.
Gemäß Schritt 176 werden Druckfolgenkandidaten basierend auf den in Fig. 174 identifizierten Bereichen identifiziert. Gemäß Schritt 178 werden Prozessmetriken, wie beispielsweise die Zykluszeit, für die alternativen Prozessfolgen bewertet. Gemäß Schritt 180 wird eine optimale Folge ausgewählt. Schritt 180 beinhaltet eine Zuordnung jedes Bereichs zu einem Drucksystem 24 oder 26.
Es können Grenzen zwischen Bereichen vorhanden sein, die durch verschiedene Drucksysteme über jede Grenze bedruckt werden. Entlang derartiger Grenzen werden die Leiterbahnen gemäß Schritt 182 derart erweitert, dass sie sich überlappen. Sie können sowohl für beide Drucksysteme erweitert werden oder nur für eines der Drucksysteme erweitert werden. Gemäß Schritt 184 werden Abschnitte der Eingabedatei 23, die jegliche Leiterbahnerweiterungen von Schritt 182 beinhalten, in Druckdateien umgewandelt, die jeweils für den Drucker spezifisch sind, dem der Bereich zugeordnet ist.
Gemäß den Schritten 186 und 188 wird die ausgewählte Druckfolge ausgeführt. Gemäß Schritt 190 wird der Fertigungsartikel ausgehärtet (beispielsweise gebrannt), um Lösungsmittelvehikel von der leitfähigen Tinte zu entfernen.
Beispiel: Wir betrachten das in den 1A, 1B und 1C dargestellte Leiterbahnmuster 6. Dieses Leiterbahnmuster enthält Bereiche I und III. Beispiele für den Bereichstyp I sind die sehr breiten Leiterbahnen, wie sie in 1A dargestellt sind, die eine sehr hohe Metallisierungsdichte aufweisen. Ein Beispiel für den Bereichstyp III ist der vertiefte Abschnitt 12 der Oberfläche 8. Die Druckfolge B wäre zum Drucken des Leiterbahnmusters 6 am effektivsten. Der Aerosol-Druckkopf 80 würde die Leiterbahnen im vertieften Abschnitt 12 der Oberfläche 8 drucken, wobei der Piezo-Array-Druckkopf 140 zum Drucken der übrigen Leiterbahnen verwendet werden kann.
Bei den in den 16 und 8 beschriebenen Verfahren ist vorausgesetzt worden, dass der verwendete Piezo-Array-Druckkopf 140 dazu geeignet ist, feine Leiterbahnen 14 in einem Rasterdruckmodus zu drucken. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, einen Piezo-Array-Druckkopf 140 mit einer Struktur mit niedrigerer Auflösung zu verwenden. Es wird beispielsweise angenommen, dass der Piezo-Array-Druckkopf 140 ein Punkt-Array auf einem Substrat 8 mit einer Auflösung von 250 Punkten pro Zoll drucken kann. Das entspräche einem Mitte-Mitte-Muster von etwa 100 µm. Die Verwendung eines solchen Piezo-Array-Druckkopfes 140 zum Definieren von Leiterbahnen mit einer Breite von 100 µm in einem Rasterdruckmodus wäre weniger effektiv. Zum Definieren schmaler Leiterbahnen müsste der Piezo-Array-Druckkopf in einem „Vektor“ modus betrieben werden, wobei Düsen 148 verwendet würden, um die Leiterbahnen auf eine ähnliche Weise „abzufahren“ wie der Druckkopf 80 oder 100.

19 zeigt Bereichsnummern (Typen) zum Darstellen eines Drucks unter Verwendung eines Aerosol-Druckkopfes 80 und eines Piezo-Array-Druckkopfes 140 mit niedrigerer Auflösung. Für dieses Beispiel verwendet das Drucksystem 24 den Aerosol-Druckkopf 80, und das Drucksystem 26 verwendet den Piezo-Array-Druckkopf 140. In der nachstehenden Tabelle 6 sind die relevanten Bereichstypen dargestellt. Tabelle 6

Bereichsnummer	Merkmalstyp	Oberflächengeometrie	Verwendeter Druckkopf
I	Innen groß	Glatt, SA-Kurve	140 Raster
II	Großer Umfang	Glatt, SA-Kurve	140 Vektor oder 80
III	Schmal	Glatt, SA-Kurve	140 Vektor oder 80
IV	Groß oder schmal	Vertieft oder DA-Kurve	80

Der Bereichstyp I ist ein innerer Abschnitt eines breiten Merkmals, wie beispielsweise einer breiten Leiterbahn. Dieser wird am effizientesten unter Verwendung des Piezo-Array-Druckkopfes 140 im Rasterdruckmodus bedruckt.
Bereichstyp II ist ein Umfangsabschnitt eines breiten Merkmals. Dieser kann entweder unter Verwendung des Piezo-Array-Druckkopfes 140 im Vektormodus oder unter Verwendung des Aerosol-Druckkopfes 80 bedruckt werden.
Bereichstyp III ist eine Anordnung schmaler Leiterbahnen. Dieser kann entweder unter Verwendung des Piezo-Array-Druckkopfes 140 im Vektormodus oder unter Verwendung des Aerosol-Druckkopfes 80 bedruckt werden.
Bereichstyp IV ist eine Anordnung von Leiterbahnen innerhalb einer Vertiefung (oder eines erhöhten Merkmals), was die Verwendung des Piezo-Array-Druckkopfes 140 ausschließt. Für einen solchen Bereich ist der Aerosol-Druckkopf 80 optimal.
Eine Druckfolge zum Ausbilden des Leiterbahnmusters 6 von 19 kann das folgende beinhalten: (1) Bereiche III und IV werden beide unter Verwendung des Aerosol-Druckkopfes 80 im Vektormodus bedruckt (wobei die Leiterbahnen in den Bereich II erweitert werden); (2) Bereich I wird unter Verwendung des Piezo-Array-Druckkopfes 140 im Rastermodus bedruckt, und (3) Bereich II wird unter Verwendung des Piezo-Array-Druckkopfes 140 im Vektormodus bedruckt, wobei die Düsen die Grenze „abfahren“.
Eine alternative Ausführungsform zum Ausbilden der Bereiche I und II von 19 ist die folgende: einer der Aerosoldruckköpfe 80 und 140 wird zum Ausbilden eines Außenumfangbereichs II verwendet. Die Höhe des Bereichs II ist ausreichend, damit dieser als ein Fluiddamm wirkt. Der Piezo-Array-Druckkopf 140 oder eine Sprühdüse wird verwendet, um den Innenbereich I „aufzufüllen“. Der Bereich II wirkt als ein Damm zum Verhindern eines Überlaufs von leitfähigem Fluid über die Grenzen des Bereichs II hinausgehend.
20 zeigt eine andere Ausführungsform eines Verfahrens zum Drucken des Leiterbahnmusters 6, wobei in diesem Fall eine andere Ausführungsform des Fertigungssystems 20 verwendet wird, das zwei Drucksysteme 24 und 26 implementiert. Das Drucksystem 24 weist einen Piezo-Array-Druckkopf 140 auf und ist sowohl im Vektorals auch im Rasterdruckmodus betreibbar und stößt Tröpfchen mit einer gewünschten Größe (beispielsweise mit einem Trockenvolumen zwischen 1 und 100 Pikolitern) aus. Ein exemplarischer Piezo-Array-Druckkopf 140 ist unter Bezug auf die 15A und 15B beschrieben worden. Das Drucksystem 26 verwendet einen Fluidausgabe-Druckkopf 100, der sehr große Tröpfchen mit einem Trockenvolumen zwischen 500 und 10000 Pikolitern ausgibt. Der Fluidausgabe-Druckkopf 100 ist unter Bezug auf die 9, 10, 10A, 10B, 11A, 11B und 12 beschrieben worden.
Tabelle 7 (unten) beschreibt ein Leiterbahnmuster 6 bezüglich exemplarischer Bereichstypen. Dieses Design stellt besondere Anforderungen an ein Drucksystem. Der exemplarische Bereich I ist flach oder nahezu flach innerhalb von 0,5 mm. Das Metall im Bereich I ist eine massive Flächenfüllung aus Metall. Das ausgewählte Drucksystem für den Bereich I wird einen Piezo-Array-Druckkopf 140 aufweisen, der in einem Raster (Flächenfüllungs)druckmodus arbeitet.
Der exemplarische Bereich II ist, ähnlich wie der Bereich I, flach oder nahezu flach innerhalb von 0,5 mm. Der Bereich II weist jedoch eine Anordnung sehr feiner Leiterbahnen auf. Das für den Bereich II ausgewählte Drucksystem wird den Piezo-Array-Druckkopf 140 aufweisen, der im Vektormodus arbeitet, um die Definition sehr feiner Leiterbahnen zu ermöglichen.

Der exemplarische Bereich III ist stark gekrümmt und für den Piezo-Array-Druckkopf 140 nicht zugänglich. Die Leiterbahnen sind hauptsächlich Antennenleiterbahnen und als solche relativ breit und dick, um eine geeignete Eindringtiefe bereitzustellen. Das ausgewählte Drucksystem für den Bereich III ist ein Fluidausgabe-Druckkopf 100, der im Vektormodus arbeitet. Tabelle 7

Bereichsnummer	Oberflächengeometrie	Metallmuster	Bevorzugtes Drucksystem und bevorzugter Druckmodus
I	Flache oder nahezu flach	Massive Flächenfüllung	24 Raster
II	Flach oder nahezu flach	Feine Leiterbahnen	24 Vektor
III	Vertieft oder stark gekrümmt	Breite Antennenleiterbahnen	26 Vektor

Unter erneutem Bezug auf 20 wird nachstehend eine exemplarische Ausführungsform zum Ausbilden eines Leiterbahnmusters 6 mit den Bereichen von Tabelle 7 auf einem exemplarischen Fertigungsartikel 2 beschrieben. Gemäß Schritt 200 des Verfahrens von 2 empfängt der Dateiprozessor 22 eine oder mehrere Dateien, die eine Geometrie der Oberfläche 4 und des Leiterbahnmusters 6 definieren. Gemäß Schritt 202 analysiert der Dateiprozessor 22 die empfangene(n) Datei(en) und teilt das Leiterbahnmuster in nicht überlappende Bereiche I, II und III der vorstehenden Tabelle 7. Nicht jeder Bereich muss zusammenhängend sein - beispielsweise kann ein oder können mehr als ein separates Flächenfüllungsmerkmal vorhanden sein, so dass der Bereich I mehr als eine unverbundene Fläche enthalten kann.
Gemäß Schritt 204 können eine Analyse und eine Druckfolgenoptimierung durchgeführt werden. Zur Erläuterung wird eine bestimmte Druckfolge beschrieben.
Gemäß Schritt 206, werden Leiterbahnen derart erweitert, dass sie sich überlappen. In einer Ausführungsform werden die breiteren Leiterbahnen des Bereichs III geringfügig erweitert, so dass sie Leiterbahnen benachbarter Bereiche überlappen. Das Maß der Erweiterung gleicht mindestens einer Fehlausrichtungstoleranz zwischen Drucksystemen.
Gemäß Schritt 208 werden für jeden Bereich definierte Leiterbahnen in entsprechende Datenstrukturen (z.B. Druckdateien) umgewandelt. Gemäß Schritt 208 werden die Leiterbahnen des Bereichs I in Rasterdruckdateien für das Drucksystem 24 umgewandelt, das den Piezo-Array-Druckkopf 140 verwendet. Außerdem werden gemäß Schritt 208 die Leiterbahnen des Bereichstyps II in Vektordruckdateien für das Drucksystem 24 umgewandelt, das den Piezo-Array-Druckkopf 140 verwendet. Außerdem werden gemäß Schritt 208 die Leiterbahnen des Bereichstyps III in Vektordruckdateien für das Drucksystem 26 umgewandelt, das den Fluidausgabe-Druckkopf 100 verwendet. Leiterbahnen des Bereichstyps III sind erweitert worden, so dass die Druckdateien für das Drucksystem 26 sich in die für das Drucksystem 24 definierten Druckdateien erweitern und diese überlappen werden.
Gemäß Schritt 210 führt das Drucksystem 24 die für den Bereich I definierte Druckdatei aus und bildet dadurch metallische Flächenfüllmuster durch Betreiben des Piezo-Array-Druckkopfes 140 im Rasterflächenfüllmodus aus. Gemäß Schritt 212 führt das Drucksystem 24 die für den Bereich II definierte Druckdatei aus und bildet dadurch feine Leiterbahnen durch Betreiben des Piezo-Array-Druckkopfes 140 im Vektormodus aus.
Wenn eine Verzögerung zwischen der Verwendung des ersten Drucksystems 24 und der Verwendung des zweites Druckvorrichtung 26 auftritt, kann der Fertigungsartikel 2 gemäß Schritt 214 gebrannt werden. Gemäß Schritt 216 führt das Drucksystem 26 die für den Bereich III definierte Druckdatei aus und bildet dadurch breite Antennenleiterbahnen durch den Betrieb des Fluidausgabe-Druckkopfes 100 im Vektormodus aus. Es wird darauf hingewiesen, dass die breiten Antennenleiterbahnen Metallisierungen der Bereiche I und/oder II überlappen. Gemäß Schritt 218 wird der Fertigungsartikel gebrannt.
21A und 21B zeigen Außen- und Innenansichten einer exemplarischen Ausführungsform des Fertigungsartikels 302. Der Fertigungsartikel 302 weist ein teilweise gekrümmtes Basissubstrat 304 mit einem auf einer Substratoberfläche 308 ausgebildeten Leiterbahnmuster 306 auf. Das Leiterbahnmuster 306 kann beispielsweise gemäß dem unter Bezug auf 20 beschriebenen Verfahren ausgebildet werden.
21C zeigt eine detailliertere Ansicht von 21B zum Darstellen eines Abschnitts der Substratoberfläche 308 mit einem Abschnitt des Leiterbahnmusters 306. Ein Teil der Substratoberfläche ist ziemlich flach und enthält Bereich I und II gemäß Tabelle 7. Der Bereich I des Leiterbahnmusters 306 weist Flächenfüllmuster 313 auf. Die Flächenfüllmuster 313 werden unter Verwendung des Piezo-Array-Druckkopfs 140 gedruckt, der in einem Rasterflächenfüllungs-Druckmodus betrieben wird.
Der Bereich II des Leiterbahnmusters 306 enthält feine Leiterbahnen 314. Die feinen Leiterbahnen 314 werden unter Verwendung des Piezo-Array-Druckkopf 140 gedruckt, der in einem Vektordruckmodus betrieben wird. Die feinen Leiterbahnen 314 definieren elektrische Verbindungen mit einer Chipmontagestelle 317.
Der Bereich III des Leiterbahnmusters enthält breite Leiterbahnen 315. Die breiten Leiterbahnen 315 werden unter Verwendung des Fluidausgabe-Druckkopfes 100 gedruckt, der in einem Vektordruckmodus betrieben wird. 21C zeigt eine exemplarische Konfiguration einer breiten Leiterbahn 315, die sich durch eine im Substrat 304 ausgebildete Nut 320 erstreckt. Die Nut 320 verbindet gegenüberliegende Oberflächen 308 des Substrats 304, die eine in 21A dargestellte, relativ konvexe Außenseite der Oberfläche 308 und eine in den 21B und 21C dargestellte, relativ konkave Innenseite der Oberfläche 308 aufweisen.
21D zeigt ein anderes Beispiel des Leiterbahnmusters 306, das unter Verwendung eines Piezo-Array-Druckkopfes 140 ausgebildet werden kann, der im Rasterflächenfüllungs-Druckmodus und im Vektordruckmodus betrieben wird. Dargestellt sind feine Leiterbahnen 314, die mit einer Sensorchipmontagestelle 317 verbunden sind. Ebenfalls dargestellt sind leitfähige Kontaktflächen 322, die Stellen 324 z.B. für Kondensatoren definieren.
Die 22A und 22B zeigen eine Ausführungsform eines Tintenstrahldrucksystems 500, das verwendet werden kann, um relativ flache Abschnitte der Leiterbahnmuster 6 oder 306 zu drucken. 22A zeigt eine Draufsicht, und 22B zeigt eine Seitenansicht eines Drucksystems 500. In einer exemplarischen Ausführungsform kann das Drucksystem 500 wie das in 2 dargestellte Drucksystems 24 vor der Verwendung eines Fluidausgabe-Drucksystems 100 verwendet werden, das den Fluidausgabe-Druckkopf 100 verwendet.
Das Drucksystem 500 weist ein Transportband 502 auf, das Artikel 504 in der Darstellung in den 22A und 22B von links nach rechts bewegt. Der Artikel 504 kann dem in den 1A - 1C dargestellten Fertigungsartikel 2 ähnlich sein, oder er kann andere Merkmale oder Komponenten aufweisen, wie beispielsweise eine Palette zum Tragen eines Fertigungsartikels 2. Ein Zweck einer Palette wäre, den Fertigungsartikel derart zu halten, dass eine bedruckte Oberfläche eine geeignete Ausrichtung und Höhe bezüglich des Drucksystems 500 hat. Eine Palette kann auch eine gewisse Stabilität während des Transports sowie andere Vorteile bereitstellen.
Das exemplarische Drucksystem 500 weist eine oder mehrere Ladezonen 506 auf, auf die Artikel 504 geladen werden können. Nachdem sie aufgeladen wurden, werden die Artikel 504 durch das Band 502 transportiert. Das Drucksystem 500 weist eine oder mehrere Kameras und/oder Sensoren 508 auf, die durch das Drucksystem 500 verwendet wird/werden, um die Artikel 504 bezüglich anderen Teilen des Drucksystems 500, z.B. bezüglich den Druckköpfen 510, auszurichten. In einer Ausführungsform sind die Druckköpfe 510 Piezo-Druckköpfe, die dem unter Bezug auf die 15A und 15B beschriebenen Piezo-Array-Druckkopf 140 ähnlich sind, obgleich andere Konfigurationen verwendet werden können.
Das Drucksystem 500 weist optional eine IR-Lampe 512 oder eine andere Aushärtungsquelle/ein Aushärtungsmittel/einen Aushärtungsprozess zum teilweisen Aushärten oder Trocknen von von einem Druckkopf 510 ausgestoßener Tinte auf, bevor ein Artikel (in der Darstellung von links nach rechts) zu einem zweiten Druckkopf 510 transportiert wird. Das Drucksystem 500 kann außerdem eine Aushärtungslampe 514 zum vollständigeren Aushärten von von den Druckköpfen 510 ausgestoßener Tinte aufweisen, nachdem der Druckvorgang abgeschlossen ist. Das Drucksystem weist einen Controller 516, der mit den Kameras/Sensoren 508 verbunden ist, Druckköpfe 510 und optional eine Vorrichtung (nicht dargestellt) auf, die Information über die Geschwindigkeit des Bandes 502 oder eines anderen Transportmechanismus bereitstellt.
Eine exemplarische Ausführungsform eines Druckvorgangs für einen vorgegebenen Artikel 504 (der eine Palette oder eine andere Komponente aufweisen kann) beinhaltet folgendes: (1) Der Artikel 504 wird an der Ladezone 506 auf das Band 502 geladen. Das Band 502 beginnt dann den Artikel entlang einer Bandbewegungsrichtung zu transportieren. (2) Der Artikel 504 läuft unter der Kamera 508 entlang. Die Kamera 508 nimmt ein Bild des Artikels 504 auf, das durch den Controller 514 sehr schnell mit einem Zeitstempel versehen wird. Der Controller 514 verwendet das Bild, den Zeitstempel und eine erfasste oder eingegebene Bandgeschwindigkeit (des Bandes 502), um die Druckköpfe 510 zu synchronisieren. (3) Der Artikel 504 läuft unter dem Druckkopf 510 entlang, der dann ein Leiterbahnmuster auf den Artikel 504 druckt. Die 1A - C zeigen ein exemplarisches Leiterbahnmuster 6, und die 21A - 21D zeigen ein anderes exemplarisches Leiterbahnmuster 306, von dem ein Teil durch die Druckköpfe 510 gedruckt werden kann. (4) Optional läuft der Artikel 504 unter einer IR-Lampe 512 entlang, die das gedruckte Leiterbahnmuster teilweise trocknet. (5) Optional läuft der Artikel 504 ein zweites Mal unter einem Druckkopf 510 entlang, um einen anderen Abschnitt eines Leiterbahnmusters zu drucken. Ein Grund für die Verwendung mehreren Druckkopfdurchläufe ist der Aufbau einer ausreichenden Leiterbahndicke. (6) Der Artikel 504 läuft unter einer IR-Lampe 514 entlang, die eine teilweise oder vollständige Aushärtung oder Trocknung des Leiterbahnmusters bereitstellt.
Obwohl das Drucksystem 500 unter Bezug auf ein Band 502 beschrieben worden ist, sind auch andere Optionen möglich. Beispielsweise kann ein alternatives Drucksystem eine Kette von Paletten verwenden, in die einzelne Artikel 504 geladen werden. Dies hätte den Vorteil, dass eine genauere Position der Artikel 504 ermöglicht würde, würde aber tendenziell zu einem teureren System führen. Innerhalb des Umfangs der Erfindung können auch Pick-and-Place- und/oder andersartige Transporteinrichtungen verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann es wünschenswert sein, nichtleitende Merkmale auszubilden, wie beispielsweise Halbleiter und/oder Isolatoren. Die Halbleiter und/oder Isolatoren würden einen Teil des Artikels 2 bilden und können mit dem Leiterbahnmuster 6 elektrisch verbunden sein. Irgendwelche oder alle der Systeme, Druckköpfe oder Verfahren, die vorstehend diskutiert wurden, sind auf das Drucken derartiger Halbleiter und/oder Isolatoren anwendbar. Die verwendeten Druckfluids können ohne Einschränkungen irgendwelche oder alle Materialien unter Leitern, Halbleitern, Dielektrika und/oder Isolatoren enthalten, unabhängig davon, ob diese organischer und/oder anorganischer Natur sind. Die Druckfluids können in der Form flüssiger Lösungen, einer Dispersion und/oder einer Suspension vorliegen. Die Druckfluids können auch andere Materialien enthalten, wie beispielsweise leitfähige Polymere, leitfähige Oxide (beispielsweise Indiumzinnoxid), Kohlenstoff-Nanoröhren oder Graphen, um nur einige Beispiele zu nennen.
Die 23A und 23B zeigen eine exemplarische Konfiguration eines Fertigungsartikels 402 und die Ausbildung von Leitern und nichtleitenden Isolatoren auf dem Substrat 404. 23A zeigt eine „Explosionsansicht“ zum Darstellen einer auf der Substratoberfläche 408 ausgebildeten kapazitiven Anordnung aus einer unteren leitfähigen Schicht 430, einer Isolierschicht 432 und einer obere leitfähigen Schicht 434. Diese Schichten 430 - 434 werden unter Verwendung eines oder mehrerer der vorstehend erwähnten Drucksysteme ausgebildet, wie beispielsweise durch einen Aerosol-Druckkopf 80, einen Fluidausgabe-Druckkopf 100 und/oder einen Piezo-Array-Druckkopf 140.
23B zeigt die Schichten 430, 432 und 434 in einem gedruckten Zustand. Eine Prozesssequenz zum Ausbilden dieser Schichten würde in einer exemplarischen Implementierung (1) das Drucken der unteren leitfähigen Schicht 430, (2) das Brennen der unteren leitfähigen Schicht 430, (3) das Drucken der Isolierschicht 432 auf der unteren leitfähigen Schicht 430, (4) das Brennen der Isolierschicht 432, (5) das Drucken der oberen leitfähigen Schicht 434 auf der Isolierschicht 432, und (6) das Brennen der oberen leitfähigen Schicht 434 aufweisen. Diese Prozessfolge kann in Abhängigkeit von Faktoren, wie beispielsweise der Oberflächengeometrie und/oder den geometrischen Anforderungen an die Leiterbahnen, auch Teil einer umfangreicheren Prozessfolge sein, die die bezüglich jeder der 4, 13, 16, 18 oder 20 beschriebenen Schritte aufweisen kann.
Drucksysteme, die als eines der unter Bezug auf die 2 und 3 beschriebenen Drucksysteme verwendet werden können, können in einigen Ausführungsformen beliebige oder alle einer breiten Vielfalt von Drucksystemen aufweisen, wie beispielsweise digitale und/oder analoge Techniken. Digitale Techniken beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Techniken, die als thermische Tintenstrahl-, Piezo-Tintenstrahl-, Mikro-Piezo-Tintenstrahl und Bubble-Jet-Drucktechnik bezeichnet werden können. Analoge Techniken beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Techniken wie beispielsweise Siebdruck, Rotationstiefdruck, Flexodruck, Gravurdruck, Tampondruck, Rotationsdruck, Rotationssiebdruck, Schablonendruck und andere. Die vorstehend beschriebenen, mit dem Fertigungssystem 20 oder 30 verwendbaren Drucksysteme sollen aber nicht im einschränkenden Sinne verstanden werden, wie für den Fachmann anhand der vorliegenden Offenbarung ersichtlich ist.
Die vorliegende Erfindung liefert auch ein Beispiel für eine kundenindividuelle Massenproduktion. Kundenindividuelle Massenproduktion ist eine neue und expandierende Grenze der verarbeitenden Industrie. Kleinere Auflagen angetrieben durch kundenindividuelle Massenproduktion, und die daraus resultierenden kleineren Losgrößen, z.B. für herkömmliche drahtgewickelte induktive Bauelemente (wie beispielsweise induktive Reaktoren/Drosselspulen, Transformatoren usw.) haben bislang umfangreichen Einrichtungs- und Gemeinkosten erfordert (z.B. Anpassung von Flyern, Schildern, Führungselementen usw.). Es ist wohl nicht möglich, auf die Marktanforderungen von morgen (wie beispielsweise kleine Losgrößen oder eine hohe Produktflexibilität) mit aktuellen Fertigungsansätzen zu reagieren. Die hierin für die Aufbringung von Leiterbahnen beschriebenen neuen Ansätze, z.B. für ein verbessertes induktives Bauelement, ermöglichen eine genaue Verdrahtungsplatzierung, Verdrahtungsbreite und genauere Verdrahtungsabstände unter Verwendung beispielsweise allgemeiner Drucktechniken. Diese können digital konstruiert sein, wobei jedes Layout spezifisch ist, oder auch nur unter Verwendung einer einzigen Fertigungseinheit. Beispielsweise kann die Verwendung flexibler computerunterstützter Drucksysteme bei der Herstellung verwendet werden, um kundenspezifische Layouts Element für Element zu erzeugen. Diese Systeme haben Vorteile, wenn sie mit niedrigen Kosten für massenproduzierte planare Wicklungen mit der Flexibilität einer kundenspezifischen Anpassung kombiniert werden. Dadurch kann die Anzahl der Herstellungsschritte reduziert werden, und es kann eine Flexibilität in Verbindung mit einer bestimmten Spezifikation der Arbeitsgestaltung realisiert werden. Ein Vorteil dieser Innovation ist eine enorme Erhöhung der Vielfalt und der kundenspezifischen Anpassung ohne einen entsprechenden Anstieg der Kosten, der bei herkömmlichen Ansätzen auftreten würde.
Die vorliegende Erfindung kann vorteilhaft verwendet werden, um verschiedene Prozesse zu ersetzen, die bisher unflexibel und kostenintensiv waren, wie beispielsweise Laser-Direkt-Sintern (LDS) zum Herstellen von Antennen oder andere Komponenten. Beim Ersetzen von LDS hat die vorliegende Erfindung eine Reihe von Vorteilen, wie beispielswiese, ohne darauf beschränkt zu sein, (1) Komprimierung der Zulieferung (Konsolidierung von Schritten), (2) reduzierte Zykluszeit für die Entwicklung und Produktion (Konsolidierung bis zur Produktion), (3) flexible Fertigung („spontane“ Designänderungen), (4) eine schnellere Reaktion auf Änderungen der Produktionsnachfrage, (5) weniger Auswirkungen auf die Umwelt bezüglich Galvanotechnik, (6) weniger Lagerhaltung (weil LDS den Aufbau eines Lagerbestands an einem Ort vor dem Versand an einen anderen Ort erfordert), und/oder (7) verbessertes Betriebskapital.
Obgleich die vorliegende Erfindung bezüglich Antennen beschrieben wurde, ist die Erfindung auch auf andere elektrische Bauelemente anwendbar, wie beispielsweise eine Sensorspule. Ganz allgemein werden die hierin verwendete Ausdrücke „elektrisches Bauelement“ und „elektronisches Bauelement“ austauschbar verwendet und können Bauelemente bezeichnen, die dafür geeignet sind, eine elektrische und/oder Signalaufbereitungsfunktion bereitzustellen, wie beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, induktive Reaktoren („Drosselspulen“), Transformatoren, Filter, Transistoren, Gapped Core Toroidspulen, Induktionsspulen (gekoppelte oder andere), Kondensatoren, Widerstände, Operationsverstärker und Dioden, sowohl als diskrete Bauelemente als auch als integrierte Schaltungen, sowohl allein als auch in Kombination.
Es wird darauf hingewiesen, dass, obwohl bestimmte Schritte und Aspekte der verschiedenen Verfahren und Vorrichtungen, die hierin beschrieben sind, durch eine Person ausgeführt werden können, die dargestellten Aspekte und individuellen Verfahren und Vorrichtungen allgemeinen computergestützt/durch einen Computer implementiert werden. Computergestützte Vorrichtungen und Verfahren sind aus einer Vielzahl von Gründen notwendig, um diese Aspekte vollumfänglich zu implementieren, beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, Wirtschaftlichkeit, Zweckmäßigkeit und sogar Machbarkeit (d.h. bestimmte Schritte/Prozesse können einfach nicht durch eine Person auf irgendeine geeignete Art und Weise ausgeführt werden).
Es wird darauf hingewiesen, dass, obwohl bestimmte Aspekte der Erfindung im Hinblick auf eine bestimmte Folge von Schritten eines Verfahrens beschrieben wurden, diese Beschreibungen lediglich zur Erläuterung breiter ausgelegter Verfahren der Erfindung dienen und nach Bedarf für eine bestimmte Anwendung geändert werden können. Bestimmte Schritte können unter bestimmten Umständen unnötig oder optional sein. Außerdem können bestimmte Schritte oder Funktionalitäten zu den dargestellten Ausführungsformen hinzugefügt werden, oder der Reihenfolge der Ausführung zweier oder mehrerer Schritten kann vertauscht werden. Alle derartigen Änderungen sollen innerhalb des beanspruchten Schutzbereichs der Erfindung eingeschlossen sein.
Obwohl in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung neuartige Merkmale der vorliegenden Erfindung, angewendet auf verschiedene Ausführungsformen, dargestellt, erläutert und aufgezeigt worden sind, ist klar, dass durch Fachleute innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verschiedene Weglassungen, Ersetzungen und Änderungen der dargestellten Vorrichtung oder des dargestellten Verfahrens in der Form und in Details vorgenommen werden können. Die vorliegende Beschreibung soll in keiner Weise im einschränkenden Sinne verstanden werden, sondern vielmehr als Erläuterung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung. Der Schutzbereich der Erfindung soll unter Bezug auf die Ansprüche bestimmt sein. Die vorstehend beschriebenen spezifischen Ausführungsformen und ihre Anwendungen dienen lediglich zur Erläuterung und sollen Modifikationen und Variationen vom durch die beigefügten Ansprüche definierten Schutzumfang nicht ausschließen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Fertigungsartikels (2, 302) mit einem darauf ausgebildeten Leiterbahnmuster (6, 306), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Empfangen von mindestens einer Datenstruktur, die das Leiterbahnmuster (6, 306) definiert; Analysieren (44, 46) mindestens von Abschnitten der mindestens einen Datenstruktur, um mindestens zwei Bereiche zu definieren, die einen ersten Bereich und einen davon verschiedenen zweiten Bereich aufweisen, basierend mindestens auf einem mit einer Geometrie in Beziehung stehenden Schwellenwert, wobei die mindestens zwei Bereiche das gesamte Leiterbahnmuster (6, 306) mit einer Grenze dazwischen definieren; Erzeugen (48) einer ersten Druckdatei basierend mindestens auf dem ersten Bereich und einer zweiten Druckdatei basierend mindestens auf dem zweiten Bereich, wobei eine oder mehrere in der ersten Druckdatei beschriebene Leiterbahnen erweitert sind, so dass sie eine oder mehrere in der zweiten Druckdatei beschriebene Leiterbahnen über eine Strecke überlappen, die eine Fehlausrichtungstoleranz zwischen zwei Drucksystemen überschreitet; Übertragen (50) der ersten Druckdatei an ein erstes (24, 34) der beiden Drucksysteme; und Übertragen (50) der zweiten Druckdatei an ein zweites (26, 35, 36) der beiden Drucksysteme, Drucken eines ersten Abschnitts des Leiterbahnmusters (6, 306) unter Verwendung des ersten Drucksystems (24, 34), wobei das erste Drucksystem (24, 34) Leiterbahnen basierend primär auf Silbernanopartikeln ausbildet, die eine Hauptabmessung von weniger als 100 Nanometern haben; und Drucken eines zweiten Abschnitts des Leiterbahnmusters (6, 306) unter Verwendung des zweiten Drucksystems (26, 35, 36), wobei das zweite Drucksystem (26, 35, 36) Leiterbahnen basierend primär auf Silberflocken ausbildet, die eine Hauptabmessung zwischen 1000 Nanometer und 20 Mikrometer haben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Leiterbahnmuster (6, 306) eine Antenne (10) zur Verwendung in einem drahtlosen Gerät aufweist, und wobei der erste und der zweite Abschnitt sich an mindestens einer Stelle überlappen, um einen elektrischen Durchgang dazwischen bereitzustellen, so dass die Antenne (10) im Wesentlichen betreibbar ist, um elektromagnetische Energie abzustrahlen, nachdem das Drucken des ersten und des zweiten Abschnitts abgeschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Leiterbahnmuster (6, 306) eine Antenne (10) zur Verwendung in einem drahtlosen Gerät aufweist, und wobei der erste Abschnitt sich im ersten Bereich und der zweite Abschnitt sich im zweiten Bereich befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Bereich mindestens teilweise durch ein erstes bzw. ein zweites Segment definiert sind, die sich an mindestens einer Stelle überlappen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Abschnitt einen ersten Teilsatz mehrerer im Leiterbahnmuster (6, 306) definierter Leiterbahnen aufweist und der zweite Abschnitt einen zweiten Teilsatz der mehreren Leiterbahnen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der erste Teilsatz Leiterbahnen mit einer Leiterbahnbreite aufweist, die kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert, und wobei alle Leiterbahnen des zweiten Teilsatzes des Leiterbahnmusters Leiterbahnbreiten haben, die größer oder gleich dem vorgegebenen Schwellenwert sind.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das erste Drucksystem einen Druckkopf (80) aufweist, der einen Strom von Aerosolpartikeln (82) erzeugt, um den ersten Teilsatz von Leiterbahnen (6, 306) zu definieren.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das zweite Drucksystem eine Düse (90) verwendet, die ein viskoses leitfähiges Fluid ausgibt, um den zweiten Teilsatz von Leiterbahnen (6, 306) zu definieren.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der erste Teilsatz gedruckt wird, bevor der zweite Teilsatz gedruckt wird.
Vorrichtung (20, 30), die zum Herstellen von Artikeln (2, 302) geeignet ist, die ein darauf ausgebildetes Leiterbahnmuster (6, 306) aufweisen, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Datenschnittstelle; eine computergesteuerte Logik (22), die mit der Datenschnittstelle in Datenkommunikation steht und konfiguriert ist zum: Empfangen (42) mindestens einer Datenstruktur mit Daten, die das Leiterbahnmuster (6, 306) definieren, von der Datenschnittstelle; Analysieren (44, 46) mindestens von Teilen der Daten der mindestens einen Datenstruktur zum Definieren mindestens zweier Bereiche, die aufweisen: (i) mindestens einen ersten Bereich, und (ii) einen zweiten Bereich, der mindestens teilweise mit dem ersten Bereich zusammenhängend ist, wobei die mindestens zwei Bereiche das Leiterbahnmuster (6, 306) in seiner Gesamtheit definieren; Erzeugen (48) mindestens einer Ausgabedatenstruktur basierend mindestens auf dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich; und Übertragen (50) mindestens eines Teils der mindestens einen Ausgabedatenstruktur an mindestens eine Beschichtungsvorrichtung, die dazu geeignet ist, das Leiterbahnmuster auf den Artikeln aufzubringen, für eine Verwendung darin, wobei die mindestens eine Datenstruktur eine im Wesentlichen einheitliche Datendatei mit Daten aufweist, die sowohl für den ersten Bereich als auch für den zweiten Bereich relevant sind; wobei das Übertragen mindestens eines Teils der mindestens einen Ausgabedatenstruktur an mindestens eine Beschichtungsvorrichtung (24, 26, 34, 35, 36), die dazu geeignet ist, das Leiterbahnmuster (6, 306) auf den Artikeln (2, 302) aufzubringen, zur Verwendung darin, das Übertragen der Daten an ein im Wesentlichen einheitliches Beschichtungssystem mit zwei oder mehr im Wesentlichen heterogenen Beschichtungsprozessen aufweist, die jeweils dazu geeignet sind, einen anderen Abschnitt des Leiterbahnmusters (6, 306) aufzubringen, und wobei das im Wesentlichen einheitliche Beschichtungssystem, das zwei oder mehr im Wesentlichen heterogene Beschichtungsprozesse aufweist, die jeweils dazu geeignet sind, einen anderen Abschnitt des Leiterbahnmusters (6, 306) aufzubringen, ein System aufweist, bei dem mindestens zwei der zwei oder mehr im Wesentlichen heterogenen Beschichtungsprozesse mindestens einen Teil ihrer jeweiligen verschiedenen Abschnitte des Leiterbahnmusters (6, 306) gleichzeitig aufbringen können.
Vorrichtung (20, 30) nach Anspruch 10, wobei: die mindestens eine Ausgabedatenstruktur, die mindestens auf dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich basiert, eine erste Druckdatei und eine zweite Druckdatei aufweist, wobei die erste Druckdatei mit dem ersten Bereich in Beziehung steht und die zweite Druckdatei mit dem zweiten Bereich in Beziehung steht, die mindestens eine Beschichtungsvorrichtung, die dazu geeignet ist, das Leiterbahnmuster (6, 306) auf den Artikeln (2, 302) aufzubringen, eine erste Druckvorrichtung (24, 34) und eine zweite Druckvorrichtung (26, 35, 36) aufweist, die einen Prozesses verwendet, der sich im Wesentlichen von demjenigen der ersten Druckvorrichtung (24, 34) unterscheidet, und eine oder mehrere in der ersten Druckdatei beschriebene Leiterbahnen derart erweitert konfiguriert sind, dass sie eine oder mehrere in der zweiten Druckdatei beschriebene Leiterbahnen über eine Strecke überlappen, die eine Fehlausrichtungstoleranz zwischen der ersten und der zweiten Druckvorrichtung überschreitet.
Vorrichtung (20, 30) nach Anspruch 10, wobei der erste und der zweite Bereich mindestens einen Unterschied aufweisen, wobei der mindestens eine Unterschied mindestens auf einem mit der Geometrie in Beziehung stehenden Schwellenwert basiert, und wobei die mindestens zwei Bereiche das gesamte Leiterbahnmuster (6, 306) definieren und eine Grenze dazwischen aufweisen.
Fertigungsartikel (2, 302) mit einem darauf ausgebildeten Leiterbahnmuster (6, 306), wobei das Leiterbahnmuster (6, 306) mindestens einen Teil einer Antenne (10) aufweist, die zum Übertragen elektromagnetischer Energie von einem drahtlosen Mobilgerät geeignet ist, wobei das Leiterbahnmuster (6, 306) gemäß einem Verfahren ausgebildet ist, das die Schritte aufweist: Empfangen (42) mindestens einer Datenstruktur, die das Leiterbahnmuster (6, 306) definiert; Analysieren (44, 46) mindestens von Teilen der ersten Datenstruktur zum Definieren mindestens zweier Bereiche, die einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich enthalten, wobei der erste Bereich und der zweite Bereich voneinander verschieden sind, basierend mindestens auf einem Wert, der mit einem geometrischen Parameter in Beziehung steht, der dem Leiterbahnmuster (6, 306) mit dem ersten und dem zweiten Bereich zugeordnet ist, wobei die mindestens zwei Bereiche das gesamte Leiterbahnmuster (6, 306) definieren und eine Grenze dazwischen aufweisen; Erzeugen (48) einer ersten Ausgabedatenstruktur basierend mindestens auf dem ersten Bereich und einer zweiten Ausgabedatenstruktur basierend mindestens auf dem zweiten Bereich, wobei eine oder mehrere in der ersten Ausgabedatenstruktur beschriebene Leiterbahnen derart erweitert sind, dass sie eine oder mehrere in der zweiten Ausgabedatenstruktur beschriebene Leiterbahnen über eine Strecke überlappen, die eine Fertigungstoleranz zwischen zwei Systemen zum Aufbringen eines leitfähigen Materials überschreitet; Übertragen (50) der ersten Ausgabedatenstruktur an ein erstes (24, 34) der beiden Systeme zum Aufbringen leitfähiger Materialien; Übertragen (50) der zweiten Ausgabedatenstruktur an ein zweites (26, 35, 36) der beiden Systeme zum Aufbringen eines leitfähigen Materials; und Veranlassen, dass das Leiterbahnmuster (6, 306) auf dem Fertigungsartikel (2, 302) aufgebracht wird, wobei mindestens ein erster Abschnitt des Leiterbahnmusters (6, 306) durch das erste System (24, 34) zum Aufbringen eines leitfähigen Materials innerhalb des ersten Bereichs und gemäß einem ersten Wert des geometrischen Parameters aufgebracht wird, und ein zweiter Teil des Leiterbahnmusters (6, 306) durch das zweite System (26, 35, 36) zum Aufbringen eines leitfähigen Materials innerhalb des zweiten Bereichs und entsprechend einem zweiten Wert des geometrischen Parameters aufgebracht wird, wobei der geometrische Parameter eine Leiterbahnbreite aufweist, die dem Leiterbahnmuster (6, 306) zugeordnet ist, oder wobei der geometrische Parameter eine Leiterbahnhöhe oder Beschichtungsdicke aufweist, die dem Leiterbahnmuster (6, 306) zugeordnet ist, oder wobei der geometrische Parameter einen Überdeckungsbereich aufweist, der dem Leiterbahnmuster (6, 306) zugeordnet ist.