(57)【要約】【解決手段】導電素子の形成に対して適合されたインクが開示されている。このインクは、複数のナノ粒子及びキャリアを含む。前記ナノ粒子は、銅を含んで構成され、２０ナノメートルより短い直径を有する。それぞれのナノ粒子は、隣合うナノ粒子と分離するよう構成された界面活性剤の、少なくとも部分的なコーティングを有する。噴射、トレース、圧縮成型、バニシング、もしくは加熱することにより、銅を含んだナノ粒子から回路素子を作成する方法が記載されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電素子形成に適合されたインクであって、
銅を含んで構成され、２０ナノメートルより短い直径を有する複数のナノ粒子と、
キャリアと、
を含んで構成され、
前記ナノ粒子のそれぞれは、隣接するナノ粒子と分離するよう構成された界面活性剤の少なくとも部分的なコーティングを含んで構成されることを特徴とするインク。
【請求項２】
前記ナノ粒子は、１０ナノメートルより短い直径を有する請求項１に記載のインク。
【請求項３】
前記ナノ粒子は、１−７ナノメートルの範囲の直径を有する請求項２に記載のインク。
【請求項４】
前記ナノ粒子は、３−５ナノメートルの範囲の直径を有する請求項３に記載のインク。
【請求項５】
前記ナノ粒子は、一のナノ粒子が秒速０．５ナノメートルより速い相対速度で他の一のナノ粒子に打ち付けられときに互いに融合するよう構成される請求項１に記載のインク。
【請求項６】
前記ナノ粒子は、一のナノ粒子が秒速１．０ナノメートルより速い相対速度で他の一のナノ粒子に打ち付けられたときに互いに融合する請求項５に記載のインク。
【請求項７】
前記ナノ粒子は、一のナノ粒子が、６００ｋＰｓより小さい、ナノ粒子の公称断面積によって分割された粒子間力として考えられる粒子間圧力で他の一のナノ粒子に対して押圧されたときに互いに融合するよう構成される請求項１に記載のインク。
【請求項８】
前記ナノ粒子は、前記粒子間圧力が５０００ｋＰａより小さいときに互いに融合するよう構成される請求項７に記載のインク。
【請求項９】
前記ナノ粒子は、前記粒子間圧力が１４０００ｋＰａより小さいときに互いに融合するよう構成される請求項８に記載のインク。
【請求項１０】
２００℃より低い最高暴露温度を有する基板と、
前記基板に連結された第１金属形成層と、
を含んで構成され、
前記第１金属形成層は、少なくとも部分的に融合した、銅を含んで構成され、融合される前には５０ナノメートルより小さい直径を有するナノ粒子を含んで構成されることを特徴とする回路アッセンブリ。
【請求項１１】
前記ナノ粒子は、融合される前には２０ナノメートルより小さい直径を有する請求項１０に記載の回路アッセンブリ。
【請求項１２】
前記ナノ粒子は、融合される前には１０ナノメートルより小さい直径を有する請求項１１に記載の回路アッセンブリ。
【請求項１３】
前記ナノ粒子は、融合される前には１−７ナノメートルの範囲にある直径を有する請求項１２に記載の回路アッセンブリ。
【請求項１４】
前記ナノ粒子は、融合される前には３−５ナノメートルの範囲にある直径を有する請求項１３に記載の回路アッセンブリ。
【請求項１５】
前記基板は、フレキシブルである請求項１０に記載の回路アッセンブリ。
【請求項１６】
前記基板は、７０℃より低い最高暴露温度を有する請求項１０に記載の回路アッセンブリ。
【請求項１７】
前記第一金属形成層の少なくとも一部の上方にある非導電性物質の第一層と、 
前記第一非導電層の上方にある第２金属形成層と、
を更に含んで構成され、
前記第二金属形成層は、少なくとも部分的に融合したナノ粒子を含んで構成される請求項１０に記載の回路アッセンブリ。
【請求項１８】
更に、前記第１非導電層を貫通し、前記第１及び第２金属形成層に電気的に接続された少なくとも一つのビアを含んで構成され、
前記ビアは、銅を含んで構成された、融合したナノ粒子を含んで構成される請求項１７に記載の回路アッセンブリ。
【請求項１９】
前記第１金属形成層は、前記一組の抵抗、キャパシタ、インダクタ、ダイオードから選択された受動素子の少なくとも一部を形成する請求項１０に記載の回路アッセンブリ。
【請求項２０】
前記第１金属形成層は、トランジスタの少なくとも一部を形成する請求項１０に記載の回路アッセンブリ。
【請求項２１】
前記第１金属形成層は、バッテリーの少なくとも一部を形成する請求項１０に記載の回路アッセンブリ。
【請求項２２】
更に、個別的な電気的構成要素を含んで構成される請求項１０に記載の回路アッセンブリ。
【請求項２３】
銅を含んで構成され、２０ナノメートルより小さい直径を有するナノ粒子を含んで構成された混合物の複数の滴を、基板に対して、前記ナノ粒子が前記基板と衝突した際に互いに少なくとも部分的に融合し前記基板上に複数のドットを形成するのに十分な速度で、放出するよう構成された噴射器を含んで構成され、
前記ドットのそれぞれは、少なくとも部分的に融合したナノ粒子の層を含んで構成され、重なり合ったドットが互いに融合されていることを特徴とする回路プリント装置。
【請求項２４】
前記ナノ粒子は、１０ナノメートルより小さい直径を有する請求項２３に記載の回路プリント装置。
【請求項２５】
前記ナノ粒子は、１−７ナノメートル範囲の直径を有する請求項２４に記載の回路プリント装置。
【請求項２６】
前記ナノ粒子は、３−５ナノメートルの範囲の直径を有する請求項２５に記載の回路プリント装置。
【請求項２７】
前記放出された滴の前記速度は、秒速０．５ナノメートルより速い請求項２３に記載の回路プリント装置。
【請求項２８】
前記放出された滴の前記速度は、秒速１．０ナノメートルより速い請求項２７に記載の回路プリント装置。
【請求項２９】
更に、２００℃より高い温度まで前記基板の暴露なしに金属の導体パターンを作るよう構成される請求項２３に記載の回路プリント装置。
【請求項３０】
更に、７０℃より高い温度まで前記基板の暴露なしに金属の導体パターンを作るよう構成される請求項２９に記載の回路プリント装置。
【請求項３１】
基板上に導電素子を作成する方法であって、
銅を含んで構成され、２０ナノメートルより短い直径を有するナノ粒子を含んで構成された混合物の複数の滴を、基板に対して、前記ナノ粒子が前記基板と衝突した際に互いに少なくとも部分的に融合し前記基板上に複数のドットを形成するのに十分な速度で、噴射する段階を含んで構成され、
前記ドットのそれぞれは、融合したナノ粒子の層を含んで構成され、重なり合ったドットが互いに融合されることを特徴とする導電素子作成方法。
【請求項３２】
前記ナノ粒子は、１０ナノメートルより小さい直径を有する請求項３１に記載の導電素子作成方法。
【請求項３３】
前記ナノ粒子は、１−７ナノメートルの範囲の直径を有する請求項３２に記載の導電素子作成方法。
【請求項３４】
前記ナノ粒子は、３−５ナノメートルの範囲の直径を有する請求項３３に記載の導電素子作成方法。
【請求項３５】
前記基板の温度は、前記ナノ粒子が互いに融合している間、周囲温度の２０℃以下を維持する請求項３１に記載の導電素子作成方法。
【請求項３６】
前記基板の温度は、前記ナノ粒子が互いに融合している間、２００℃より低い温度を維持する請求項３１に記載の導電素子作成方法。
【請求項３７】
前記基板の前記温度は、前記ナノ粒子が互いに融合している間、７０℃より低い温度を維持する請求項３６に記載の導電素子作成方法。
【請求項３８】
前記基板は、フレキシブルである請求項３１に記載の導電素子作成方法。
【請求項３９】
更に、保護物質のコーティングを前記融合したナノ粒子の上に塗布する段階を含んで構成される請求項３１に記載の導電素子作成方法。
【請求項４０】
前記滴は、秒速０．５メートルより速い速度で噴射される請求項３１に記載の導電素子作成方法。
【請求項４１】
前記滴は、秒速１．０メートルより速い速度で噴射される請求項４０に記載の導電素子作成方法。
【請求項４２】
基板上に導電素子を作成する方法であって、
銅を含んで構成され、２０ナノメートルより小さい直径を有するナノ粒子を含んで構成される混合物の層を基板の表面の少なくとも一部の上に塗布する段階と、
前記混合物層の少なくとも一部の中で、前記ナノ粒子を互いに少なくとも部分的に融合させる段階と、
を含んで構成されることを特徴とする導電素子作成方法。
【請求項４３】
前記ナノ粒子は、１０ナノメートルより小さい直径を有する請求項４２に記載の導電素子作成方法。
【請求項４４】
前記ナノ粒子は、１−７ナノメートルの範囲の直径を有する請求項４３に記載の導電素子作成方法。
【請求項４５】
前記ナノ粒子は、３−５ナノメートルの範囲の直径を有する請求項４４に記載の導電素子作成方法。
【請求項４６】
前記融合させる段階は、前記混合物層の一部の上に光放射を向けることを含んで構成される請求項４２に記載の導電素子作成方法。
【請求項４７】
前記光放射は、前記ナノ粒子の吸収帯の範囲に少なくとも部分的に存在する周波数帯を有する請求項４６に記載の導電素子作成方法。
【請求項４８】
前記融合させる段階は、前記混合物層に対して圧力を加える請求項４２に記載の導電素子作成方法。
【請求項４９】
前記圧力は、前記混合物層を型で押し付けることにより加えられる請求項４８に記載の導電素子作成方法。
【請求項５０】
前記圧力は、前記混合物層の上にダイナミックナノインスクライビングすることによって加えられる請求項４８に記載の導電素子作成方法。
【請求項５１】
前記圧力は、前記混合物層の少なくとも一部をローラーでバニシングすることによって加えられる請求項４８に記載の導電素子作成方法。
【請求項５２】
バニシングは、前記混合物層と接触している前記ローラーの表面が前記基板に対して０より速い速度を有するように回転することを含んで構成される請求項５１に記載の導電素子作成方法。
【請求項５３】
前記圧力は、ボールで前記混合物層の少なくとも一部をバニシングすることによって加えられる請求項４８に記載の導電素子作成方法。
【請求項５４】
前記塗布する段階は、前記基板を貫通している円柱形の通路の内表面に前記混合物層を塗布することを含んで構成され、
前記融合させる段階は、前記ボールを、前記通路内を通過させることを含んで構成される請求項５３に記載の導電素子作成方法。
【請求項５５】
前記円柱形の通路は、内径とともに内表面を有し、
前記ボールは、前記円柱形の通路の内径と同じかそれより大きい直径を有する請求項５４に記載の導電素子作成方法。
【請求項５６】
前記融合させる段階は、前記混合物層と接触する前記ボールの表面が前記円柱形の通路の前記内表面に対して０より大きい速度を有するように前記ボールを回転させることを含んで構成される請求項５４に記載の導電素子作成方法。
【請求項５７】
前記塗布する段階は、前記基板上に、ある量の混合物を供給することと、
前記基板の全面にわたって引かれるツールで前記混合物を広げることと、
を含んで構成され、
前記圧力を加えることは、前記ツールが前記基板に全面にわたって引かれたときに、前記基板に対して前記ツールを押し付けることによって達成される請求項４８に記載の導電素子作成方法。
【請求項５８】
更に、前記混合物層の非融合部分を除去する段階を含んで構成される請求項４２に記載の導電素子作成方法。
【請求項５９】
前記塗布する段階は、前記混合物の層をパターンで塗布する請求項４２に記載の導電素子作成方法。
【請求項６０】
前記混合物のパターン層を塗布する段階は、ノズルから前記混合物を前記基板の前記表面上に押し出す段階を含んで構成される請求項５９に記載の導電素子作成方法。
【請求項６１】
前記融合させる段階は、前記混合物のパターン層を光子エネルギー源で照らす段階を含んで構成される請求項５９に記載の導電素子作成方法。
【請求項６２】
前記融合させる段階は、前記基板に対して前記混合物のパターン層を押し付けることを含んで構成される請求項５９に記載の導電素子作成方法。
【請求項６３】
前記融合させる段階は、前記混合物のパターン層を、周囲の温度より高く、２００℃より低く熱することを含んで構成される請求項５９に記載の導電素子作成方法。
【請求項６４】
前記融合させる段階は、前記混合物のパターン層を、周囲の温度より高く、７０℃より低く熱することを含んで構成される請求項６３に記載の導電素子作成方法。
【請求項６５】
前記混合物のパターン層を塗布する段階は、転写要素に前記混合物を塗布し、その後、前記転写要素から前記混合物を前記基板に転写することを含んで構成される請求項６４に記載の導電素子作成方法。
【請求項６６】
前記ナノ粒子を互いに融合させる段階は、転写された、前記混合物のパターン層を、前記基板に対して押圧することを含んで構成される請求項６５に記載の導電素子作成方法。
【請求項６７】
前記基板の前記温度は、導電素子が前記基板上に形成されている間、２００℃より低い温度に維持される請求項４２に記載の導電素子作成方法。
【請求項６８】
導電素子が前記基板上に形成されている間、７０℃、導電素子が前記基板上に形成されている間、請求項６７に記載の導電素子作成方法。
【請求項６９】
前記基板の前記温度は、前記導電素子が前記基板上に形成されている間、周囲温度の２０℃以内に維持されている請求項６８に記載の導電素子作成方法。
【請求項７０】
前記塗布する段階は、前記基板を前記混合物でスピンコーティングすることを含んで構成される請求項４２に記載の導電素子作成方法。
【請求項７１】
前記塗布する段階は、前記基板上に前記混合物を噴射することを含んで構成される請求項４２に記載の導電素子作成方法。
【請求項７２】
前記塗布する段階は、前記基板の全面にわたって、スキージを引くことを含んで構成される請求項４２に記載の導電素子作成方法。
【請求項７３】
回路プリント装置であって、
隣合うナノ粒子を分離するよう構成された界面活性剤の少なくとも一部のコーティングをそれぞれが含んで構成されたナノ粒子であって、銅を含んで構成されて、５０ナノメートルより短い直径を有するナノ粒子、を含んで構成された第一混合物の複数の滴を基板上に放出するように構成された第一噴射器と、
前記基板に前もって塗付された前記ナノ粒子の少なくとも一部から前記界面活性剤の少なくとも一部を変位させるように構成された分散剤を含んで構成された第二混合物の複数の滴を放出するように構成され、前記第二混合物の複数の滴を放出して、前記塗付されたナノ粒子と衝突させて、前記塗付されたナノ粒子の少なくとも一部を少なくとも部分的に互いに融合させる、第二噴射器と、
を含んで構成される回路プリント装置。
【請求項７４】
前記ナノ粒子は、２０ナノメートルより短い直径を有する請求項７３に記載の回路プリント装置。
【請求項７５】
前記ナノ粒子は、１０ナノメートルより短い直径を有する請求項７４に記載の回路プリント装置。
【請求項７６】
前記ナノ粒子は、１−７ナノメートルの範囲の直径を有する請求項７５に記載の回路プリント装置。
【請求項７７】
前記ナノ粒子は、３−５ナノメートルの範囲の直径を有する請求項７６に記載の回路プリント装置。
【請求項７８】
更に、２００℃より高い温度まで前記基板の暴露をせずに、金属の導電パターンを作成するよう構成される請求項７３に記載の回路プリント装置。
【請求項７９】
更に、７０℃より高い温度まで前記基板の暴露をせずに、金属の導電パターンを作成するよう構成される請求項７８に記載の回路プリント装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリント（印刷）エレクトロニクス及び特に、銅のナノ粒子を使用した回路素子の作成に関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連出願の参照）
本出願は、２００９年７月３０日出願され、現在係属中の米国出願第１２／５１２，３１５号に関連する。
【０００３】
（連邦政府資金による研究開発の記載）
適用なし。
【０００４】
（関連技術分野の記載）
電気的アセンブリは、現在、個々の構成要素を基板に取り付け、基板上で導電経路もしくは「トレース」で相互接続されているリジット基板を用いて製造される。トレースは、一般的に、基板の表面の全体に銅の層でコーティングし、フォトリソグラフィプロセスを用いて相互接続パターンで銅をマスキングし、そして、マスクされていない銅を選択的にエッチング除去すること、によって、基板の表面上に作られる。トレースの最小限の分離は、しばしば、エッチングプロセスによって制限される。より複雑な回路は、回路トレースの複数の層を用いて製造される。その回路トレース層は、絶縁層によって分離されているが、導電層間の接続は、導電性物質で満たされた絶縁層の間にあるホールによって形成される。これらの層間接続は、「バイアス」と呼ばれている。一つもしくは複数の回路トレース層を備えるリジット基板は、リジット基板プリント回路板（ＰＣＢ）と呼ばれ、そして、電気的構成要素をＰＣＢに搭載することによって形成された電子的アセンブリは、プリント回路板アセンブリ（ＰＣＢＡ）である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
より小さい、もしくは湾曲したパッケージ内にエレクトロニクスを収めるドライブにより、トレースがリジット基板を処理する際のめっき及びエッチング、もしくは、フレキシブル基板上への導電素材のスクリーン印刷によって作られるフレキシブル基板の発展が推進された。これらのフレキシブルプリント回路（ＦＣＰｓ）は、回路を作るために同一のプロセスを用いるため、従来のリジットＰＣＢの製造と同じように、トレースの「ピッチ」と呼ばれる、回路素子の分離において制限される。
【０００６】
回路素子を直接印刷する性能は、過去１０年間で発展し、もしくは、そのようにして、低コストの印刷技術というメリットを得た。スクリーン印刷、グラビア印刷、オフセット印刷、そして、インクジェットのような共通の印刷プロセスは、導電性を有する炭素性化合物及び金属の両方を用いて回路を作成するために用いられる。それぞれのプロセスには、解像度、スループット、費用に関して利点も不利な点もある。炭素系化合物から製造された回路は、金属回路より低い導電性を有する。金属インクは、金属粒子を融合して連続した導電ストリップになるように３００℃までの温度を必要とするため、基板をこの温度で安定する素材に制限される。
【０００７】
リジット基板及びフレキシブル基板上に、現在の印刷技術で可能なものよりも、より微細なピッチを備え及び／又は高い加工温度を必要とせずに、高い導電性を有する回路及び回路素子が製造可能なことは有利である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、銅ナノ粒子を用いた電子回路及び素子の印刷を含み、それは、様々なリジット及びフレキシブル基板上への１００マイクロメートルより短いピッチでの銅回路及び素子の作成を可能とする。２０ナノメートルより小さい、好ましくは、１０ナノメートルより小さい、より好ましくは１−７ナノメートルの範囲の、さらにより好ましくは３−５ナノメートルの範囲の直径を有するナノ粒子がインクジェットプリンターと同様の方法で基板上に印刷されたとき、ナノ粒子は、基板と衝突した際に融合（fuse）する。これらの大きさの銅ナノ粒子は、また、パターンで塗布され、レーザーもしくは明るい光のような、放射エネルギーの短時間パルスへの露光（暴露）によって、もしくは、２００℃より低い温度下、及び好ましくは、７０℃より低い温度下でさらす（暴露する）ことにより融合が可能となる。これらの大きさの銅ナノ粒子は、また、型の下での圧縮のような押し付けにより、もしくは、ナノインスクライバーのような機械的なスタイラスで所望のパターンをトレースすることにより、融合が可能となる。本明細書に記載の回路素子の形成方法により、化学薬品や、電子アセンブリ用基板上の回路素子を形成するのに用いられる従来プロセスの温度に耐えることができない基板材料、特にフレキシブル材料の使用が可能となる。本明細書に記載されるように、銅粒子からの回路素子の印刷及び形成方法は、また、より微細なピッチの回路、すなわち、他のプロセスで可能なものより、短い導電素子間の離間距離を有する回路を可能とする。銅粒子から形成された回路素子は、抵抗、キャパシタ、及びインダクタのような受動素子、トランジスタのような能動素子、アンテナ、リフレクター、導波管のような無線（ＲＦ）素子、グラウンドプレーン及び電源プレーン、シールディング、信号経路のような回路素子、さらには、電波による個体識別（ＲＦＩＤ）タグのような完全装置までも含んでもよい。
【０００９】
ある実施形態において、銅を含んで構成され、融合される前には２０ナノメートルより短い直径を有する融合したナノ粒子を含んで構成された第１金属形成層を含んで構成された回路素子が開示されている。
【００１０】
ある実施形態において、基板と、その基板と連結された第１金属形成層と、を含んで構成されて、その第１金属形成層は、銅を含んで構成され、融合される前には２０ナノメートルより短い直径を有する融合したナノ粒子を含んで構成された、回路アセンブリが開示されている。
【００１１】
ある実施形態において、銅を含んで構成され、２０ナノメートルより短い直径を有するナノ粒子を含んで構成された混合物の複数の滴を、基板に対して、前記ナノ粒子が前記基板と衝突した際に互いに融合し、前記基板上に複数のドットを形成するのに十分な速度で噴射するように構成された噴射器を含んで構成された回路プリント装置が開示されているが、この場合、前記ドットのそれぞれは、融合したナノ粒子の層を含んで構成され、重なり合ったドットは互いに融合されることが開示されている。
【００１２】
ある実施形態において、基板上の導電素子を作成する方法が開示されている。その方法は、銅を含んで構成され、２０ナノメートルより短い直径を有するナノ粒子を含んで構成された混合物の複数の滴を、基板に対して、前記ナノ粒子が前記基板と衝突した際に互いに融合し、前記基板上に複数のドットを形成するのに十分な速度で噴射する段階を含んで構成され、前記ドットのそれぞれは、融合したナノ粒子の層を含んで構成され、重なり合ったドットは互いに融合される。
【００１３】
ある実施形態において、基板上の導電素子を作成する方法が開示されている。その方法は、銅を含んで構成され、２０ナノメートルより短い直径を有するナノ粒子を含んで構成された混合物の層を、基板の表面の少なくとも一部の上に塗布する段階、及び、前記混合物の層の少なくとも一部において前記ナノ粒子を融合させる段階を含んで構成される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本開示のある態様に係る、その上に電気部品及び回路が印刷されてもよいフレキシブル基板を有するプリント回路アセンブリ（ＰＣＡ）を説明する例である。
【図２】本開示のある態様に係る、回路素子を印刷する例示的な方法を示す。
【図３Ａ】本開示のある態様に係る、印刷により作成されたＰＣＡの一部分を示す。
【図３Ｂ】本開示のある態様に係る、印刷により作成されたＰＣＡの一部分を示す。
【図４】本開示のある態様に係る、印刷及び銅ナノ粒子の融合により形成された抵抗を示す。
【図５】本開示のある態様に係る、印刷及び銅ナノ粒子の融合により形成されたキャパシタを示す。
【図６Ａ】本開示のある態様に係る、印刷及び銅ナノ粒子の融合により形成されたインダクタを示す。
【図６Ｂ】本開示のある態様に係る、印刷及び銅ナノ粒子の融合により形成されたインダクタを示す。
【図７Ａ】本開示のある態様に係る、印刷及び銅ナノ粒子の融合により形成された能動素子を示す。
【図７Ｂ】本開示のある態様に係る、印刷及び銅ナノ粒子の融合により形成された能動素子を示す。
【図８】本開示のある態様に係る、レーザーを用いたナノ粒子の融合方法を示す。
【図９Ａ】本開示のある態様に係る、型を用いたナノ粒子の圧縮によるナノ粒子の融合方法を示す。
【図９Ｂ】本開示のある態様に係る、型を用いたナノ粒子の圧縮によるナノ粒子の融合方法を示す。
【図９Ｃ】本開示のある態様に係る、型を用いたナノ粒子の圧縮によるナノ粒子の融合方法を示す。
【図９Ｄ】本開示のある態様に係る、型を用いたナノ粒子の圧縮によるナノ粒子の融合方法を示す。
【図１０】本開示のある態様に係る、ナノインスクライブによるナノ粒子の融合方法を示す。
【図１１】本開示のある態様に係る、銅ナノ粒子を含んで構成された混合物のパターン層を塗布する方法を示す。
【図１２Ａ】本開示のある態様に係る、銅ナノ粒子を含んで構成された混合物のパターン層を融合する方法を示す。
【図１２Ｂ】本開示のある態様に係る、銅ナノ粒子を含んで構成された混合物のパターン層を融合する方法を示す。
【図１２Ｃ】本開示のある態様に係る、銅ナノ粒子を含んで構成された混合物のパターン層を融合する方法を示す。
【図１２Ｄ】本開示のある態様に係る、銅ナノ粒子を含んで構成された混合物のパターン層を融合する方法を示す。
【図１３】本開示のある態様に係る、銅ナノ粒子を含んで構成された混合物層をローラーを用いて融合する方法を示す。
【図１４Ａ】本開示のある態様に係る、通路内の銅ナノ粒子を含んで構成される混合物層の融合方法を示す。
【図１４Ｂ】本開示のある態様に係る、通路内の銅ナノ粒子を含んで構成される混合物層の融合方法を示す。
【図１４Ｃ】本開示のある態様に係る、通路内の銅ナノ粒子を含んで構成される混合物層の融合方法を示す。
【図１５Ａ】本開示のある態様に係る、回路素子を印刷する他の方法を示す。
【図１５Ｂ】本開示のある態様に係る、回路素子を印刷する他の方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
いくつかのインクジェットプリンターは、インクが充填されたチャンバ（カートリッジ）もしくはそれぞれのノズルの下のチャネルからインクの滴を噴出する圧電アクチュエータを使用する。電圧が印可されるとき、圧電材料は、形を変えて、イメージがその上に作成される紙に届くのに十分な速度でノズルからインクの液滴を噴出するチャネル内に、圧力波をつくる。圧電インクジェットテクノロジーは、揮発成分が必要なく、そして、インクのコゲーションの問題もないので、サーマルインクジェットテクノロジーより、より多様なインクを使用することができる。一つの印刷プロセスは、「ドロップオンデマンド」と呼ばれ、ノズルのすぐ前方にある紙の一部の上にイメージを作成することが望まれるときにだけ、ソフトウェアがプリントヘッドに、ノズルから一つもしくは複数のインクの液滴を噴出するよう指示する。
【００１６】
２０ナノメートルより短い直径を有する銅粒子は、それらのバルク特性の線形的な拡張とはならない特性を有する。これらの直径で、銅ナノ粒子は、「準安定」となり、ナノ粒子が直接接触したときに、原子を動かして融合させるエネルギーがほとんど必要とされないと考えられている。必要とされるエネルギーは、ナノ粒子の直径が減少するにつれ、非線形的に減少し、金属と金属の直接接触時にナノ粒子が融合する、概して１０ナノメートルより短い範囲の水準に達する。銅ナノ粒子は、そのナノ粒子が液体内で分散したときに融合しないよう界面活性剤でコーティングされなければならない。キャリア液と界面活性剤でコーティングされたナノ粒子との混合物は、銅を含む混合物が所望するときに銅ナノ粒子を融合させるためのある付加条件を必要とすることを除き、インクが取り扱われるのとほぼ同じ方法で取り扱われることができる。２０ナノメートルより小さい銅ナノ粒子は、凝集作用及び凝集の度合い次第で、赤から黒に変化する色を有するよう見え、放射エネルギーの吸収を容易にする。回路素子又は他の導電構造を作成する一つの利点は、銅ナノ粒子を融合するのに必要なエネルギーが基板温度を７０℃より高く上げず、そして、ある実施形態においては、ほとんど熱することがないことである。これは、７０℃より高く３００℃までの温度のオーブン内で、ほぼ３０分間、金及び銀ナノ粒子を融合させる従来のプロセスと対照的である。
【００１７】
図１は、本開示のある態様に係る、その上に電気部品１４及び回路１２が印刷可能なフレキシブル基板１６を有するＰＣＡ１０を説明する例である。単純な電気回路は、従来、回路をめっきするのに用いられる化学薬品、及びエッチングするのに用いられる化学薬品に耐え、２００℃を越える暴露を乗り切ることができるポリイミドのようなフレキシブル基板上に作られている。フレキシブルＰＣＡの一つの利点は、このフレキシブルＰＣＡ上に構築された電子機器が小さく、かつ、イレギュラーな形のスペース内にパッケージされてもよいことである。フレキシブル基板は、また、熱がより効果的に構体に伝達されるような湾曲した支持構体にＰＣＡが適合が可能となる。リジットプリント回路板（ＰＣＢ）に構築された電子機器から熱を取り除くことが困難なために、電子機器の機能性は制限される。高温へさらす必要のないプロセスを用いて、基板１６上に回路１２及び部品１４を印刷することは、他の方法では材料の低温制限により除外される様々な基板材料までその対象を広げる。
【００１８】
図２は、本開示のある態様に係る、回路素子を印刷する例示的な方法を示す。インクジェットプリンタ２９、もしくは、類似したプリント装置は、インクマニホールド３８と接続されたノズル３２を有するプリントヘッド３０を含む。この実施形態において、圧電駆動素子３６は、ノズル３２に押し入れられ、それにより、無加圧（non-energized）の構成においては、駆動素子３６は、図２の方向で左に縮み、そして、インクマニホールド３８をノズル３２に接続する。インクは、インクマニホールド３８からノズル３２内に流れ、部分的にノズル３２を満たす。インクの滴の噴出を所望するときに、電圧は、図２の方向で右に拡大する圧電駆動素子３６に印可される。このノズル３２内への拡大は、滴２０を噴出する。
【００１９】
図２の実施形態において、「インク」は、銅を含んで構成された複数のナノ粒子２２を含む混合物である。ある実施形態において、これらのナノ粒子２２の大きさは、２０ナノメートルより小さく、好ましくは、１０ナノメートルより小さく、より好ましくは、１−７ナノメートルの範囲内であり、さらにより好ましくは、３−５ナノメートルの範囲内である。ナノ粒子２２は、必ずしも真球でないが、ナノ粒子２２は、そのナノ粒子２２の質量の中心を通って計測された、そのナノ粒子２２の様々な位置での複数の表面間距離の平均である「大きさ」もしくは「直径」を有すると考えられる。球状に近い形状ではないナノ粒子２２も、また、本明細書に記載された特性のいくつかを示すが、しかし、その粒子の振る舞いは、球状に近い形状であるナノ粒子の振る舞いほど一定ではないし、一貫性があるものではない。ある実施形態において、混合物は、その中にナノ粒子２２が分散した液体を含む。ある実施形態において、液体は、一もしくは複数の、水、アルコール、溶剤、又は他のキャリア原料を含んで構成されてもよいし、界面活性剤、分散剤、安定剤、又はナノ粒子２２の表面に塗布される、又は粒子分離を維持するよう溶剤に溶かされて混合物内のナノ粒子２２の集塊もしくは癒着を避ける、又は、粘性、表面張力、もしくは混合物の他の特質を改質する他の化学薬品をさらに含んで構成されてもよい。ある実施形態において、ナノ粒子２２は、少なくとも部分的な界面活性剤のコーティングを含んで構成される（図２には、表されていない）。
【００２０】
大きさが２０ナノメートルもしくはそれより小さい、好ましくは、１０ナノメートルより小さい、さらに好ましくは１−７ナノメートルの範囲内である、さらに好ましくは、３−５ナノメートルの範囲内である銅ナノ粒子の特質の一つは、このナノ粒子２２が互いに金属間接触で融合できることである。ナノ粒子２２が印刷される前に、混合物の中で融合することを防止する一つの方法は、それぞれのナノ粒子２２を界面活性剤の層もしくは所定の間隔を設けやすい、もしくは同様の材料でコーティングされる他のナノ粒子２２と反発しやすい他の材料でコーティングすることである。
【００２１】
混合物の滴２０がプリンター２９のノズル３２から放出されたとき、それは、プリンター２９と基板２８との間の解放空間に移動し、秒速１０メートル（時速２２マイル）を超える速度で基板２８に打ち付けられる。滴２０が基板２８に打ち付けられたときに、ナノ粒子２２は、滴２０の元の方向に、液体を通って動く傾向にある。最初のナノ粒子２２が基板２８に衝突して止まる（基板２８に付着する）ので、次のナノ粒子２２は、液体を通して動き続け、停止（付着）したナノ粒子２２に、二つのナノ粒子２２の界面活性剤のコーティングを置替し、ナノ粒子２２間の金属間接触を許容する十分なエネルギーで打ち付けられる。分子レベルの衝突誘起反応は、「ハンマーでの化学反応」と称される。ナノ粒子２２は、二つのナノ粒子２２のメタルコアを接触させるように、衝突したナノ粒子２２の表面上の界面活性剤を押しのけるのに十分なエネルギーを有していなければならない。この金属間接触により、反応表面の原子は流れ始め、これにより、ナノ粒子２２間の融着を生じさせて、より大きな結晶や固体層となる。混合物の滴２０のより多くのナノ粒子２２がナノ粒子２２の増大する融合塊に打ち付けられるので、金属層２６は、基板２８上にドットとして形成される。多くの表面がナノスケールの凹凸を有し、融合した金属層は、基板２８の凹凸を有する表面と連結するので、この層は、単純な機械的接着（圧着、熱融着、融着）により基板に接着（圧着、熱融着、融着）しやすい。図２は、滴２４が基板２８に打ち付けられ、そして、ナノ粒子２２が衝突して、その基板２８の表面上に金属のドットを形成した基板２８の断面図を示す。
【００２２】
約２５ナノメートル、そしてそれより小さいナノ粒子２２を融合するのに必要とされる粒子間圧力は、ナノ粒子２２の大きさ、及び混合物の中に含まれる界面活性剤に応じて、およそ６００−１３，８００キロパスカル（ｋｐａ）（概略で平方インチ当たり９０から２０００ポンド（ｐｓｉ））の範囲である。より大きな粒子は、高圧もしくは熱と連動する圧力が必要となり、融合の困難性が増大しやすい。
【００２３】
ある実施形態において、混合物中の液体は、プリンターノズル３２から基板２８に飛んでいる間、滴２０のそれぞれの中の液体が少なくとも部分的に蒸発するよう配合されてもよい。ある実施形態において、各滴２０の中にある液体全てが、個々のナノ粒子２２から離れながら蒸発し、そして、基板に打ち付けられて融合する。
【００２４】
図３Ａ及び３Ｂは、本開示のある態様に係る、印刷によって作成されたＰＣＡの一部分を示す。図３Ａは、図２に示された印刷プロセスによって作られた、三つのドット、２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃを示す。この実施形態のそれぞれのドットは、混合物のキャリア液が蒸発した後に残る金属の不整形円である。他の実施形態において、これらのドット２６は、プリンターノズル３２を通過する、もしくはプリンターノズル３２の下での、基板２８の横方向の速度によって生じた細長い形状を有する。図３Ａの実施形態において、基板２８は、混合物の滴２０によって形成されたドット２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃが重ね合わさったパターン（overlapping pattern）でオフセットされるよう、一連の滴２０の放出の間、ノズル３２に対して位置を変更（シフト）している。
【００２５】
図３Ｂは、図３Ａのドット２６及び基板２８の側面断面図である。ドットを形成する金属層２６は、隣合う金属層２６に重なりあっていることがわかる。基板２８に到達したドット２６Ｂを形成した混合物の滴の最初のナノ粒子２の中には、それ以前のドット２６Ａの金属層に打ち付けられ、その上、ドット２６Ａ及び２６Ｂの金属層が電気的に接続されるようにドット２６Ｂのナノ粒子は、ドット２６Ａの金属層と融合する。同様にして、ドット２６Ｃの金属層は、ドット２６Ｂの金属層と融合され、それゆえ、ドット２６Ｂと２６Ｃの両方の金属層と電気的に接続される。このようにして、電気経路もしくは回路は、電気的に接続されることとなる２点間の、連続的に重ね合わさったドット２６によって形成される。この電気回路は、ドットの一列より幅広く、そして、プリンターのパターニングの能力の制限を受ける限りにおいては、いかなるパターンにもフォローは可能である。電気回路及び素子の印刷方法は、紙の上にインクを印刷するのと同様な方法で制御が可能であるが、その場合、画像が標準的なプリンターで印刷されるのと同一の方法で、いかなる形状の、もしくは、いかなるパターンの金属層も形成されうる。
【００２６】
図２Ａ及び図３Ａ−３Ｂの印刷方法を用いることによって、多層ＰＣＡの作成が可能となる。回路構成の第一層がベア基板上に印刷することによって形成され、そして、金属形成層を作る。それから、非導電性材料の層は、第一金属形成層の一部分の上に塗布される。ある実施形態において、この非導電層は、塗付後に養生硬化する非導電性の混合物を用いた、同様の印刷方法によって塗付される。次に、第二金属形成層は、第一金属形成層及び非導電層の上に印刷することにより作成される。第二金属形成層が第一金属形成層の露出された領域に重ね合わされたときに、層間の電気的な接続が形成される。これは、図６Ｂに関する詳細により後述される。
【００２７】
図４は、本開示のある態様に係る、印刷及び銅ナノ粒子２２の融合により形成された抵抗３０を示す。その抵抗３０は、金属２６の一つの層で形成される。その抵抗は、図４の実施形態において、最小限の領域で通路３１を最大限の長さで作成するよう蛇状の経路を辿る、導電金属の長細い通路３１を形成することにより作成される。
【００２８】
図５は、本開示のある態様に係る、印刷及び銅ナノ粒子の融合により形成されたキャパシタを示す。キャパシタ３２の実施形態は、金属２６の単層で形成される。二つの電極３４Ａ及び３４Ｂは、その電極３４Ａ，３４Ｂを分離する狭い隙間３６を伴い作成される。ある実施形態において、電極３４Ａ，３４Ｂは、別々の層に、一方の電極の上方に他方の電極を位置させた状態で作成される。
【００２９】
図６Ａ及び図６Ｂは、本開示のある態様に係る、印刷及び銅ナノ粒子の融合により形成されたインダクタを示す。図６Ａは、インダクタ３８の導電部分の斜視図を示し、図６Ｂは、インダクタ３８の中心を通り、インダクタの一部の全体にわたり記載された、インダクタの断面図を示す。図６Ａ及び図６Ｂの実施形態において、金属２６の第一層は、渦線３８Ａを形成する。非導電材料層４０（図６Ａには示していない）は、渦線３８Ａの上方に形成される。金属２６の第二層は、非導電層４０の上方にストリップ３８Ｂとして形成され、渦線３８Ａの中心の上方にストリップ３８Ｂの端が位置する状態となる。ビア４２（図６Ａにおいて接続線として示された）は、非導電層を貫いて形成され、渦線３８Ａにストリップ３８Ｂを電気的に接続する。ある実施形態において、ビア４２は、ストリップ３８Ｂを形成する前に、レーザ穴あけ加工などのプロセスを用いて層４０を貫通して、渦線３８Ａに達する孔を形成し、これにより、ストリップ３８Ｂが形成されるのと同時に金属２６で前記孔を充填してビア４２を作成する。ある実施形態において、孔は、ストリップ３８Ｂが形成された後に作成され、前記孔は、ストリップ３８及び層４０を貫通して渦線３８Ａに至り、当該孔は、その後の作業にて、金属２６で充填される。ある実施形態において、ビア４２を埋めるのに十分なナノ粒子２２を供給するために、プリンター２９は、ビア４２が形成される孔の上方に混合物の余分な滴を置くよう印刷作業を調整する。ある実施形態において、ビア４２は、大きさが調整され、これにより、表面張力の特性を利用するように配合されたナノ粒子２２の混合物が孔に十分に入り、孔内に広がる。
【００３０】
これらと同じ技術が、例えば、能動素子コンポーネントからヒートシンクに熱を伝導する等して、熱管理用の熱伝導路を提供するといった他の目的のための３次元構造作成に用いられることは、明らかである。
【００３１】
図７Ａ及び７Ｂは、本開示のある態様に係る、印刷及び銅ナノ粒子２２の融合により形成された能動素子５０を示す。この実施形態において、第一電極５２は、基板２８（図７には示していない）上に矩形で印刷される。他の実施形態において、第一電極５２は、円を含む他の形状を有する。非導電材料層４０は、第一電極５２の上方に形成される。この実施形態において、半導体５６の層は、第一電極５２の一部の上方に塗布される。この半導体は、能動素子５０の所望の機能に基づき選択される。ある実施形態において、半導体５６は、電子輸送に適合される。ある実施形態において、半導体５６は、光子放出に適合される。ある実施形態において、半導体５６は、有機物である。この実施形態において、コンダクタ５４は、非導電材料４０の上方に形成され、半導体５６に接続される。この実施形態において、第二電極５８は、半導体５６の一部の上方に形成される。第一電極５２，コンダクタ５４及び第２電極５８は、能動素子５０を操作する他の回路素子に接続される。本技術分野における通常の知識を有する者にとっては、多くの種類の能動素子が、本明細書に記載されているのと同様、銅ナノ粒子２２から形成された導電層を用いて構築されうることは、明らかである。
【００３２】
図８は、本開示のある態様に係る、レーザーを用いたナノ粒子の融合方法を示す。この実施形態において、２０ナノメートルより小さい、好ましくは、１０ナノメートルより小さい、より好ましくは、１−７ナノメートルの範囲にある、さらにより好ましくは、３−５ナノメートルの範囲にある直径を有する銅ナノ粒子２２を含む混合物６２の層は、基板２８のストリップの全体にわたり均一に広がっている。銅ナノ粒子２２が２０ナノメートルより小さい直径を有するとき、このナノ粒子２２は、融合するためのエネルギーをほとんど必要としない。この実施形態において、レーザー６４は、光放射（optical radiation）６６の光線を作り、この光線を、融合したナノ粒子のパターン６８の形成が所望される層６２の一部に向ける。ある実施形態において、光放射６６は、決められた周波数帯を有する。ある実施形態において、光放射６６の周波数帯は、ナノ粒子２２の吸収帯の少なくとも一部を包含する。光放射６６のエネルギーは、混合物６２の層の中でナノ粒子が融合するのに過不足ないエネルギーを供給するよう調整される。ある実施形態において、ナノ粒子２２を融合するのに必要なエネルギーは、基板の温度を２０℃より低い温度まで上昇させる。融合した金属のパターン６８が完成した後に、非融合の混合物６２は、回路素子のストリップ６０から取り除かれ、そして離れる。
【００３３】
図９Ａ−９Ｄは、本開示のある態様に係る、型７０を用いたナノ粒子の圧縮、もしくは圧縮成型によるナノ粒子の融合方法を示す。図９Ａは、基板２８上に形成された、混合物７２の層を示す。型７０は、作成される回路素子の形状である、隆起した部分７６のパターンを有する。この型は、それが混合物７２の層と接触するまで、力を受けて下方に押される。
【００３４】
図９Ｂは、型７０が混合物７２の層及び基板２８に対する圧力を増した後のプロセスを示す。隆起した部分７６の下のナノ粒子２２は、そのナノ粒子２２が互いに直接接触するまで圧縮し続けられる。２０ナノメートルより小さい、好ましくは、１０ナノメートルより小さい、より好ましくは１−７ナノメートルの範囲の、さらにより好ましくは３−５ナノメートルの範囲の、直径を有するナノ粒子２２は、相対的に低圧下で、かつ、基板２８の温度を上昇させることなく、融合されることが示されている。ナノ粒子の大きさ及び混合物７２の配合に応じて、９０−２０００ｐｓｉの圧力が必要とされる。
【００３５】
図９Ｃは、型７０の隆起した部分７６のパターンと一致する、金属７４の融合パターンを残したまま、型７０が取り除かれ後のプロセスを示す。圧縮されなかった混合物７２の部分は、融合せず、水系洗浄（図示していない）などのプロセスによって取り除かれる。
【００３６】
図９Ｄは、基板２８に接着（圧着）した金属の仕上がったパターンを示す。ある実施形態において、追加コンポーネント（図示していない）は、基板２８に取り付けられ、金属７４のパターンによって形成された回路素子の一部と電気的に接触する。ある実施形態において、金属７４のパターンによって作成された回路素子は、基板２８から取り除かれ、異なる支持構体（図示していない）に運ばれる。
【００３７】
図１０は、本開示のある態様に係る、ナノインスクライブによるナノ粒子の融合方法を示す。ナノインスクライブは、銅を含むナノ粒子を含有する混合物７２の層の上に機械要素１００で回路素子の形状をトレースするプロセスである。前述のように、２０ナノメートルより小さい、好ましくは、１０ナノメートルより小さい、より好ましくは１−７ナノメートルの範囲の、さらにより好ましくは３−５ナノメートルの範囲の、直径を有する銅ナノ粒子２２は、周囲温度で、相対的に低圧、例えば、９０ｐｓｉより低圧で、かつ、基板２８の温度を上げることなく、融合が可能である。機械要素１００は、先端部１０２の下で混合物７２中の銅ナノ粒子２２を融合するのに十分な圧力で混合物７２を金属７４の層内へ圧縮する。この機械要素１００は、ある実施形態においては、マイクロメートルオーダーの直径を有する先端部１０２を有する。
【００３８】
図１１は、本開示のある態様に係る、銅ナノ粒子を含んで構成された混合物７２のパターン層を塗布する方法を示す。この実施形態において、混合物７２は、銅ナノ粒子２２を融合することにより回路素子作成が意図された場所（位置）にだけ塗付される。混合物７２は、コンダクタを形成する単純な線のようなパターン、もしくは図４及び５の装置が作られるような形状で塗付される。図１１の実施形態は、リザーバ１１０の移動方向を指示する矢印１１４によって示されるように、基板２８上を移動しているリザーバ１１０のノズル１１２から押し出されている混合物７２を示す。ノズルの直径により、混合物７２のパターンの幅及び厚さが制御される。混合物７２のパターンの全体が基板上に形成された後、その混合物７２のパターンの全体は、図１２Ａに示されるようなプロセスによって硬化される。ある実施形態において、押し出しプロセスによって作られた圧力は、ナノ粒子２２の少なくとも部分的な融合を引き起こす。
【００３９】
図１２Ａ−１２Ｄは、本開示のある態様に係る、銅ナノ粒子を含んで構成された混合物７２のパターン層を融合する方法を示す。図１２Ａは、銅ナノ粒子２２が互いに融合するのに十分なエネルギーで混合物７２のパターン層の一領域を照らす光源１２０に露光（暴露）される基板２８上に形成された混合物のパターン層を示す。ある実施形態において、光源１２０は、第一出力レベルで１秒より短い間、エネルギーを与えられる。ある実施形態において、光源１２０は、第一出力レベルより低い出力の第二出力レベルで１秒より長い間、エネルギーを与えられる。ある実施形態において、光源１２０によって伝達されるエネルギーは、基板２８の温度を７０℃より低い温度に上げるまでの間で、銅ナノ粒子２２を融合するのに十分である。ある実施形態において、光源１２０によって伝達されたエネルギーは、２０℃より低い基板２８の温度を上げるその間に、銅ナノ粒子２２を融合するのに十分である。ある実施形態において、光源１２０から放出された放射物（radiation）は、決められた周波数帯を有する。ある実施形態において、光源１２０から放出された放射物の周波数帯は、ナノ粒子２２の吸収帯の少なくとも一部を包含する。図１２Cは、基板２８及び光源１２０がオフにされ、かつ、任意のキャリア素材もしくは混合物７２の融合しない部分が水系洗浄（図示していない）のようなプロセスによって取り除かれた後に残った融合した金属層１２４を示す。
【００４０】
ある実施形態において、前述のレーザー６４は、ナノ粒子２２を融合しながら、混合物のパターンの上をトレースするのに用いられることができる。同様に、ナノインスクライバー１００は、ナノ粒子を融合するよう混合物のパターンをトレースするのに用いられることができる。
【００４１】
図１２Ｂは、銅ナノ粒子２２が互いに融合するのに十分なエネルギーで混合物７２のパターン層を熱する熱源１２２に露出（暴露）されて基板２８上に形成された混合物７２のパターン層を示す。ある実施形態において、熱源１２２は、放射エネルギー源である。ある実施形態において、熱源１２２は、基板２８に対流的に伝達される熱を発生する。ある実施形態において、熱源１２０によって伝達されるエネルギーは、基板２８の温度を７０℃より低い温度に上げるまでの間で、銅ナノ粒子２２を融合するのに十分である。ある実施形態において、熱源１２２によって伝達されたエネルギーは、２０℃より低い基板２８の温度を上げる間で、銅ナノ粒子２２を融合するのに十分である。ある実施形態において、熱源１２０（訳注：おそらく１２２の誤記）によって伝達されるエネルギーは、基板の温度を７０℃より低い温度に上げるまでの間で、銅ナノ粒子を融合するのに十分である。図１２Ｄは、基板２８及び熱源１２２により作られた熱が取り除かれ、かつ、任意のキャリア材料もしくは混合物７２の非融合部分が水系洗浄（図示していない）のようなプロセスによって取り除かれた後に残った融合した金属層１２４を示す。
【００４２】
図１２Ａもしくは図１２Ｂに示された、ナノ粒子２２を融合する他の方法は、既存の気相リフロー法の設備を利用することである。気相法において液体は対流式オーブン（コンベクションオーブン）内の空気より熱エネルギーを伝達する点でより効果的であるので、適切な処理速度を達成し続けている間、蒸気の温度は、対流式オーブンの空気より低温に制限しておくことが可能である。この低温により、その低温がナノ粒子２２を融合するのに必要とされるのと併せて、原料又は高温のプロセスに適さないコンポーネントを使用しての成形加工を可能としてもよい。
【００４３】
図１３は、本開示のある態様に係る、銅ナノ粒子を含んで構成された混合物７２の層をローラー１３０を用いることにより融合する方法を示す。 図１３の実施形態において、ローラー１３０は、金属７４の融合パターンを形成するよう混合物７２を圧縮しながら、基板２８上を速度Ｖで移動する。ある実施形態において、ローラー１３２は、角速度シータ（θ）で回転し、そうして、ローラー表面１３２は、基板２８に対してゼロではない速度を有する。ある実施形態において、ローラー表面１３２は、テクスチャ加工された表面（図示されていない）を含んで構成される。ある実施形態において、ローラー表面１３２は、並行溝（図示されていない）を含んで構成される。ある実施形態において、ローラー１３０は、基板に対して回転してもよいし、もしくは回転せずに基板２８上を移動してもよい球体（図示されていない）に置き換えてもよい。
【００４４】
図１４Ａ−１４Ｃは、本開示のある態様に係る、通路１３４内の、銅ナノ粒子を含んで構成される混合物７２の層を融合する方法を示す。ある実施形態において、通路１３４は、ビアであり、基板２８は、ＰＣＢである。図１４Ａにおいて、混合物７２の層は、通路１３４の内表面１３５上に形成される。ある実施形態において、混合物７２は、通路１３４を埋める。ある実施形態において、混合物７２は、通路１３４の長さの一部分だけを埋める。
【００４５】
図１４Ｂは、内表面１３５上に金属７４の融合パターンを形成するよう混合物７２を圧縮しながら通路１３４を通過する球体１３６を示す。ある実施形態において、通路１３４は、内径Ｄ１を有する円柱形状のものである。１４Ｂの実施形態において、球体１３６は、通路の内径Ｄ１より小さい直径Ｄ２を有する。ある実施形態において、球体１３６は、シャフト１３７に連結される。ある実施形態において、球体１３６が通路１３４を通過するときに、シャフト１３７及び球体１３６は、基板に対して回転する。ある実施形態において、球体１３６は、丸みを帯びた、形作られた、もしくは尖った下方先端部（lower tip）を有する円柱形状のエレメント（示されていない）で置換される。ある実施形態において、球体１３８は、軸対称な形状を有するエレメント（示されていない）で置換される。
【００４６】
１４Ｃは、図１４Ｂと同様に、金属７４の融合パターンを形成するよう混合物７２を圧縮しながら通路１３４を通過する球体１３８を示す。球体１３８は、通路の内径Ｄ１より大きいか、もしくは同じ大きさの直径Ｄ３を有する。球体１３８が通路１３４を通過するときに、基板２８は、球体１３８に隣接する領域１４０において変形する。ある実施形態において、領域１４０における変形は、弾性的であり、基板２８は、球体１３８が通過した後に、その原型に戻る。ある実施形態において、基板２８は、その原型に完全には戻らない。ある実施形態において、球体１３７（訳注：おそらく、１３８の誤記）は、シャフト１３７に連結される。ある実施形態において、球体１３８が通路１３４を通過するとき、シャフト１３７及び球体１３８は、基板に対して回転する。ある実施形態において、球体１３８は、丸みを帯びた、成形された、もしくは尖った下方先端部（lower tip）を有する円柱形状のエレメント（示されていない）で置換される。ある実施形態において、球体１３８は、軸対称な形状を有するエレメント（示されていない）で置き換えられる。
【００４７】
金属７４の融合パターンをバニシングする（burnishing）ことは、疲労破損の減少、腐食又は応力腐食の防止、視覚欠損を除去するよう金属７４の融合パターンの表面をテクスチャ加工すること、金属７４の融合したパターンの気孔率の減少、及び金属７４の融合パターン内での余剰の圧縮応力の生成を含む、一つもしくは複数の利益を提供してもよい。
【００４８】
球体１３６もしくは１３８，ローラー１３０，ナノスクライブ機械要素１００，又は他の接触要素のいずれかによるバニシングは、基板２８が接触領域で弾性的に変形し、そして接触要素が移動して離れた後に、原型に戻る際の圧力で達成されてもよい。ある実施形態において、接触要素によって加えられた圧力は、基板２８の測定可能な変形を生じさせなくてもよい。
【００４９】
ある実施形態において、バニシングは、基板２８及び金属７４の融合パターンが周囲より高い温度である間、実行される。ある実施形態において、バニシングは、基板２８で実行され、金属７４の融合パターンは、およそ、周囲温度である。ある実施形態において、接触要素によって加えられた圧力は、金属７４の融合パターンの接触領域内で熱を生成する。ある実施形態において、基板に対する接触要素の相対運動は、摩擦を生じ、それゆえ、金属７４の融合パターンの接触領域に熱を加える。
【００５０】
図１５Ａ−１５Ｂは、本開示のある態様に係る、回路素子を印刷する他の方法を示す。図１５Ａは、図２と同様のプリンター（図１５Ａもしくは１５Ｂに示されていない）によって放出された界面活性剤（図１５Ａ及び１５Ｂでは見えない）で、少なくとも部分的にコーティングされた、銅を含んで構成されたナノ粒子１５２を、含んで構成された第一混合物の滴１５０を示す。ある実施形態において、混合物は、キャリアを含んで構成され、また、ある実施形態においては、そのキャリアは、液体である。ある実施形態において、ナノ粒子１５２は、直径が５０ナノメートルより小さい。ある実施形態において、ナノ粒子１５２は、直径が２０ナノメートルより小さい。ある実施形態において、ナノ粒子１５２は、直径が１０ナノメートルより小さい。ある実施形態において、ナノ粒子１５２は、直径が１−７ナノメートルの範囲内である。ある実施形態において、ナノ粒子１５２は、直径が３−５ナノメートルの範囲内である。滴１５０は、基板２８に打ち付けられ、非融合のナノ粒子１５２の層１５４を形成する。
【００５１】
図１５Ｂは、ナノ粒子１５２の界面活性剤を変位させるように構成された分散剤を含んで構成された第二混合物の滴１６０を示す。分散剤の化学的作用と、層１５４に打ち付ける、動いている滴１６０から与えられた運動エネルギーとが結合することによって、ナノ粒子を少なくとも部分的に融合させて融合層１５６とするだけの十分な圧力で、非融合のナノ粒子１５２を層１５４内で互いに接触させる。
【００５２】
以上のように、７０℃より低い温度で銅ナノ粒子を融合させて作成した回路素子及びその回路素子の形成方法が開示されている。２０ナノメートルより短い、好ましくは１０ナノメートルより短い、より好ましくは４ナノメートルより短い、直径を有する、銅ナノ粒子は、それらのバルク特性の線形拡張ではない特性を有する。好ましくは４ナノメートルより短い直径を有する銅ナノ粒子のほとんどが、基板上に噴射された銅ナノ粒子を含む混合物の滴の衝突により融合される。好ましくは１０ナノメートルより小さい直径を有する銅ナノ粒子は、圧縮もしくは銅ナノ粒子を含む混合物を７０℃より低い温度まで熱することにより融合される。
【００５３】
以上の記載は、当技術分野の通常の知識を有する者が本明細書に記載の様々な態様を実行できるように提供される。以上の記載には、何が最適な実施形態であるか、及び／又は他の例であるかが記載されており、当然のことながら、これらの態様に対する様々な変形例は、当業者に対し直ちに理解でき、本明細書において定義された包括的原理は、他の態様に適用されてもよい。これにより、特許請求の範囲は、本明細書に示された態様に限定することを意図するものではなく、これに、すべての特許請求の範囲の文言と矛盾しない適用範囲が与えられるものであるが、ここでは、単数形で一要素を言及した場合には、特に述べられない限り、「一つかつ一つだけ」を意味するのではなく、むしろ「一つもしくは複数」を意味することを意図している。特に他に述べられていない限り、用語「一組」及び「いくつかの」は、一つもしくは複数であることを言及する。男性における代名詞（例えば、彼の）は、女性及び中性（例えば、彼女のおよびその）やその他のものも含む。見出しや小見出しが、もしあれば、それらは、便宜上用いられるだけであり、発明を限定するものではない。
【００５４】
当然のことながら、開示された過程における特定の順序、または、段階の順位は、例示的な手法の例である。当然のことながら、デザイン志向に基づき、その過程における特定の順序もしくは段階の順位は、再配置されてもよい。その段階の中には、同時に実施されてもよいものもある。添付する方法の請求項は、順序の一例における様々な段階の要素を提示し、そして、提示された特定の順序や順位に限定されることを意味しない。本開示において、用語「上部（top）」「下部（bottom）」「前部（front）」「後部（rear）」などは、通常の重力座標系ではなくて、むしろ任意の座標系を言及するものとして理解されるべきである。それゆえ、上部表面、下部表面、前部表面、後部表面は、重力座標系において、上方に、下方に、対角線上に、もしくは、水平にと拡大されてもよい。
【００５５】
「態様」のような語は、そのような態様が発明の主題に必須であること、もしくは、そのような態様が発明の主題のすべての構成に適用されることを意味するものではない。一態様に関連する一開示は、すべての構成、一つの構成もしくは複数の構成に適用されてもよい。一態様のような語は、一つもしくは複数の態様を言及してもよく、また、その逆も同様である。「実施形態」のような語は、そのような実施形態が発明の主題に必須であること、もしくはそのような実施形態が発明の主題のすべての構成に適用されることを意味するものではない。一実施形態に関連する一開示は、すべての実施形態か、一つもしくは複数の実施形態に適用されてもよい。一実施形態のような語は、一つもしくは複数の実施形態を言及してもよく、また、その逆も同様である。
【００５６】
用語「例示的な」は、本明細書では「一例もしく一例証として機能すること」を意味するために用いられる。「例示的」として本明細書に記載された、いずれの態様もしくは設計は、他の態様もしくは設計より好ましい、または、有利であると必ずしも解釈されるわけではない。
【００５７】
用語「光」は、１０ナノメートルから１ミリメートルの範囲の波長を含んでいる、赤外線に対する紫外線からの電磁放射を包含し、その語は、限定はしないが、人間の目に対する可視光を含み、それは、３８０−７６０ナノメートルの範囲を包含する。
【００５８】
当業者に周知の、もしくは後程知られるようになる、本開示に記載された様々な態様の要素と構造上及び機能上均等物は、参照によって、本明細書に明確に組み入れられており、特許請求の範囲により包含するよう意図されている。さらに、本明細書に開示されたものは、このような開示が特許請求の範囲で明らかに引用されているか否かにかかわらず、公に供することを意図したものではない。いかなる特許請求の範囲の要素も、その要素が明確に用語「の手段」を用いて記載されている場合、もしくは、方法の発明の場合において、用語「の方法」を用いて要素が記載されてる場合を除き、米国特許法（35 U.S.C）第１１２条第６段落に従って解釈されるものではない。 さらにまた、明細書もしくは特許請求の範囲において「含む（include）」「有する（have）」などの用語が用いられている限りは、これらの語は、用語「を含んで構成される（comprise）」と同様に、すべてを含むよう意図されている。請求項において移行語として用いられるときに、「を含んで構成する（comprise）」は、そのように解釈されるのと同様である。
【図３Ａ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１】
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【図２】
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【図３Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年4月8日(2014.4.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６７】
前記基板の温度は、導電素子が前記基板上に形成されている間、２００℃より低い温度に維持される請求項４２に記載の導電素子作成方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６８】
前記基板の温度は、導電素子が前記基板上に形成されている間、７０℃より低い温度に維持される請求項４２に記載の導電素子作成方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６９】
前記基板の温度は、前記導電素子が前記基板上に形成されている間、周囲温度の２０℃以内に維持されている請求項４２に記載の導電素子作成方法。
【国際調査報告】
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