(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチック基板（１）上に導電性構造体（２）を形成する方法であって、
導電性固体粒子を含有しているインクを前記プラスチック基板（１）上に印刷する方法において、
銅粒子を導電性固体粒子として使用し、前記インクを印刷した後に、前記導電性構造体（２）が形成されるべき、前記プラスチック基板（１）の表面領域のみを、真空室内で、前記銅粒子の焼結を生じさせる第１の入熱を有する電子ビーム（３）によってなぞり、
再散乱電子および／または二次電子をセンサ装置によって検出し、ここから信号を形成し、前記信号に依存して、前記電子ビーム（３）の方向を制御し、
前記電子ビーム（３）の位置を特定するために、前記プラスチック基板（１）を、前記第１の入熱よりも小さい第２の入熱を有する電子ビーム（３）によって一時的になぞる、
方法。
【請求項２】
１Ｗから１５０Ｗのビーム出力を有する電子ビーム（３）を使用する、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
０．１ｍ／ｓから１００ｍ／ｓの偏向速度を有する電子ビーム（３）が、前記プラスチック基板（１）をなぞる、
請求項１記載の方法。
【請求項４】
少なくとも１５重量％の銅粒子含有量を有するインクを使用する、
請求項１記載の方法。
【請求項５】
５ｎｍから１００μｍの粒子サイズを有する銅粒子を使用する、
請求項１記載の方法。
【請求項６】
５ｎｍから１μｍの粒子サイズを有する銅粒子を使用する、
請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記プラスチック基板（１）の表面全体を、前記銅粒子を含有するインクで印刷する、
請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記導電性構造体（２）が形成されるべき、前記プラスチック基板（１）の表面領域にのみ、前記銅粒子を含有しているインクで印刷する、
請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記電子ビーム（３）が前記プラスチック基板（１）をなぞる間、前記銅粒子の酸化を低減するガスを真空チャンバ内に入れる、
請求項１記載の方法。
【請求項１０】
水素を前記真空チャンバ内に入れる、
請求項９記載の方法。
【請求項１１】
５Ｐａ・ｓよりも低い粘性を有するインクを使用する、
請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチック基板上に導電性構造体を形成する方法に関する。この方法でははじめに、インクがプラスチック基板上に印刷される。
【背景技術】
【０００２】
プリント回路基板上に、並びに、マイクロエレクトロニクス部品およびセンサ部品内に電気配線を設けるために、リソグラフィ方法および電気めっき方法が確立されている。しかしこれらの方法は極めて複雑であり、かつ、コストがかかるので、小規模大量生産およびラピッドプロトタイピングにはそれほど適していない。極めて柔軟な代替技術は、直接書き込み方法である。これは例えば、エアロゾルジェット印刷およびインクジェット印刷である。しかしここでの欠点は、これらの方法に対して、これまで主に、コストのかかる、ナノ領域のサイズを有する銀インクが使用されてきた、ということである。ここで金属粒子は有機層によって覆われおり、この有機層は、インク内での凝集および沈降を阻止する。このようなインクで印刷された導体路構造体の電気抵抗を低減させるためには、この導体路構造体から有機成分が除去されなければならない。
【０００３】
米国特許出願公開第２０１０／０１７８４３４号明細書から、銀を含有しているインクを基板上に印刷する方法が公知である。インクは、銀含有化合物の他に、分散安定剤および溶剤も含んでいる。回路を印刷した後に、基板全体が電子ビームによって、１９０℃を超えて加熱され、これによって基板上に残っている有機材料が除去され、このようにして導体路が銀から形成される。１９０℃を超えて基板を加熱することに基づいて、この方法は、使用される基板材料に関して、特にプラスチック材料に関して制限されてしまう。さらなる欠点は、このために必要な銀含有インクが高価である、ということである。
【０００４】
欧州特許公報の翻訳文（ＤＥ６９９２１５１５Ｔ２）では、印刷された回路上に導体路を提供するための方法が開示されている。ここではまずは、回路の構造体が、導電性かつ硬化可能なインクで基板上に印刷される。印刷された導体路は、次に、硫酸銅溶液からの電気めっきによって補強され、これに続いてさらに、電子ビームが印加される。これによって導体路をイオン化し、その電気的な極性を変える。ここでの欠点は、これが湿式化学を必要とする多段のプロセスである、ということである。
【０００５】
米国特許出願公開第２００５／０２５５２５３号明細書でも同様に、導電性のポリマー含有インクが印刷された基板表面上を、電子ビームでなぞる（ueberstreichen）、ということが提案される。しかしこの方法では、有機材料を基板から除去するために電子ビームが使用されるのではなく、ビームによって誘起されるポリマー架橋によってインクを硬化するために、電子ビームが使用される。この方法での欠点は、ポリマー成分を有している導体路の導電性が特に良好なのではない、ということである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の技術的な課題は、従来技術の上述した欠点を除去する方法を実現する、ということである。特に、本発明の方法によって、導電性構造体が、プラスチック基板上にも形成可能になる。ここでは、低価格のインクが使用され、かつ、基板上に形成された導体路の高い導電性が得られる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した技術的な課題は、請求項１の特徴部分に記載された構成によって解決される。本発明のさらなる有利な構成は、従属請求項に記載されている。
【０００８】
本発明に相応する、導電性構造体をプラスチック基板上に形成する方法では、はじめに、導電性固体粒子を含んでいるインクが、プラスチック基板上に、少なくとも、その上に導電性構造体が形成される表面領域上に印刷される。導電性固体粒子として、本発明では、銅粒子が使用される。ここで、銅粒子を含有しているインクが、導電性粒子が貴金属から成るインクと比べて廉価であることが有利に効果を奏する。多くの場合、大気条件での保管時に銅粒子の酸化を阻止することはできないので、用語「銅粒子」は、本発明では、その表面に部分的にまたは完全に酸化層が形成されている銅粒子とも解される。しかし、本発明の方法の場合、銅粒子の酸化は必要なものでも、望まれているものでもない、ということを明記しておく。従って本発明では、用語「銅粒子」には、少なくとも９０％の銅の割合を有している酸化物および合金も含まれている。
【０００９】
しかし銅粒子を含有しているインクを印刷しただけでは、まだ、有用な導電性構造体は基板上に形成されない。なぜなら特に、銅粒子の表面での、多くの場合に完全には回避することができない酸化によって、相互に隣接している銅粒子の間に良好な電気的な接触が形成されることが阻止されてしまうからである。これは、粒子が、銅ほど迅速な酸化傾向を有していない貴金属含有インクに比べて欠点となる。従って、印刷された、銅粒子を含有しているインクは、さらなる処理を要する。本発明では、真空チャンバ内で、銅粒子を含有しているインクの印刷後に、その上に導電性構造体が形成されるべきプラスチック基板の表面領域のみが、第１の入熱を有する電子ビームによってなぞられる。ここで入熱は、印刷されたインク内へのエネルギー注入を伴って次のように選択される。すなわち、電子ビームによってインクをなぞることによって、銅粒子の焼結が生じるように選択される。銅粒子のこの焼結によって、相互に隣接する銅粒子が、点で、若しくは、小さい表面領域でのみ相互に溶融される。これによってはじめて、ある銅粒子から隣接する銅粒子への良好な導電性接触が形成され、導電性構造体が形成される。銅粒子を含有しているインクのこの印加によって、同時に、さらにインクの有機成分もプラスチック基板から除去される。
【００１０】
その上に導電性構造体が形成されるべき基板の表面領域だけが、第１の入熱を有する電子ビームによってなぞられ、そこで、エネルギーが主に、インクの銅粒子内に注入されるので、本発明の方法は、温度に敏感な基板、例えばプラスチック基板にも適している。しかし本発明の方法によって、導電性構造体を他の基板材料、例えば半導体、ガラスまたはセラミック上に形成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】プラスチック基板の概略図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明を以降で、実施例に基づいて詳細に説明する。図１では、プラスチック基板１が概略的に示されている。このプラスチック基板１上に、導電性構造体が形成されるべきである。本発明では、プラスチック基板１上に、まずは、銅粒子の形態の導電性粒子を含んでいるインクが印刷される。このインクの印刷は、少なくとも、その上に導電性構造体２が形成されるべきプラスチック基板１の表面領域において行われる。図１に属する実施例では、その上に、導電性構造体２が形成されるべきプラスチック基板１の表面領域にのみインクが印刷されている。インクを印刷するこのステップに対しては、従来技術から公知の全ての印刷プロセスが使用可能である。これは例えば、インクジェット印刷、エアロゾルジェット印刷、スプレー式印刷またはシルクスクリーン印刷である。
【００１３】
本発明で使用されるインクは、次のことを特徴とする。すなわち、インク内の銅粒子の割合が少なくとも１５重量％であり、銅粒子が５ｎｍから１００μｍの範囲の大きさを有している、ということを特徴とする。有利には、５ｎｍから１μｍの範囲の大きさを有する銅粒子が使用される。なぜなら、このようなオーダーの大きさを有する粒子によって、特に幅が狭く、極めて微細な構造体を形成することもできるからである。この銅粒子の他に、インクは、さらに溶剤、水およびインクの粘性を制御するための添加物も有し得る。これは、回路を印刷する他のインクからも公知である。１つの実施例では、５Ｐａ・ｓ（パスカル秒）よりも低い粘性を有する低粘性混濁液として形成されている銅含有インクが使用される。
【００１４】
インクを印刷した後、印刷されたインクの銅粒子が、その上に導電性構造体２が形成されるべきプラスチック基板１の表面領域上でのみ焼結され、これによって、導電性の接触が、この表面領域内の相互に隣接する銅粒子の間に形成される。このために、プラスチック基板１は、図１に図示されていない真空チャンバ内に入れられる。この真空チャンバ内で、その上に導電性構造体２が形成されるべき、プラスチック基板１の表面領域のみが、銅粒子の焼結を生じさせる第１の入熱を有する電子ビーム３によってなぞられる。
【００１５】
銅粒子内への、焼結に必要なエネルギー注入に、電子ビームは特に適している。なぜなら、電子ビームは極めて小さいビームフォーカスによって生成可能であり、これによって、極めて幅の狭い導体路構造体が形成可能だからである。さらに、電子ビームは極めて迅速に、高い精度で偏向可能であり、これは、高い精度での再現性につながる。さらなる利点は、電子ビームの場合に、エネルギー注入の深さ分布が調整可能である、ということにある。これによって、銅粒子の焼結に必要なエネルギーが主に銅粒子内に注入され、これによって、その下に位置する基板は、僅かにしか熱負荷されない。従って本発明の方法は特に、プラスチック基板に適している。
【００１６】
本発明では、同時に有機成分が燃え尽きる、銅粒子の焼結だけが生じ、電子ビーム３のエネルギーによる銅粒子の完全な溶融は生じない、ということをここで明記しておく。銅粒子の焼結を生じさせるために、印刷されたインクをなぞる、必要な入熱は、各使用ケースにおいて、基板の種類および銅含有インクの組成に依存して、実験室での実験において、容易に求められる。電子ビームによって基板をなぞる際の入熱は、電子ビームの電気エネルギーを、電子ビームの進行速度によって除算することによって得られる。本発明の方法には、１Ｗから１５０Ｗの電力を有している、電子ビーム生成器４によって生成された電子ビーム３が適している。ここで０．１ｍ／ｓから１００ｍ／ｓの速度を有する、プラスチック基板１をなぞる電子ビーム３の前進が使用される。
【００１７】
導電性構造体２を形成するために、第１の入熱を有する電子ビーム３によって、プラスチック基板１をなぞる手法は２つある。１つには、プラスチック基板１が真空チャンバに入れられ、次に、プラスチック基板１が真空チャンバ内で規則正しく配向されているか否かが検査される。この検査が、プラスチック基板が正しく配向されていることを示すと、プラスチック基板１の表面は、形成されるべき導電性構造体の所定の幾何学的なパターンに従って、電子ビーム３によって走査される。
【００１８】
択一的な実施形態では、プラスチック基板１を電子ビーム３によってなぞる間、再散乱電子および／または二次電子が、図１に図示されていないセンサ装置によって検出され、ここから、同様に図示されていない評価装置によって信号が生成される。この信号に依存して、電子ビーム３の方向が制御される。この手法では、次のことが検査され、保証される。すなわち、電子ビーム３の位置が、プラスチック基板の表面上で、その上に導電性構造体が形成されるべき表面領域内に位置する、ということである。このために必要な、二次電子および再散乱電子を検出するためのセンサ装置は、（このセンサ装置に）属する評価および制御装置を有し、例えば電子ビーム溶接から公知であり、容易に、導電性構造体を形成する装置および方法に組み込まれる。
【００１９】
プラスチック基板１の表面上の電子ビーム３の位置を検査するために、または、プラスチック基板１が正しく真空チャンバ内に配向されているか否かを検査するために、本発明による方法の別の実施形態では、第２の入熱を有する電子ビームによってプラスチック基板１がなぞられる。ここでこの第２の入熱は、第１の入熱よりも小さく選択される。従って第２の入熱を有する電子ビーム３によるプラスチック基板１のなぞりは、銅粒子の焼結を生じさせず、また、プラスチック基板１の熱による損傷も生じさせない。第２の入熱によってプラスチック基板１をなぞる際に、その上に導電性構造体２が形成されるべきプラスチック基板１の表面領域も、その上に導電性構造体２が形成されるべきではない表面領域もなぞられる。ここでも二次電子および／または再散乱電子がセンサ装置によって検出される。ここから形成された、プラスチック基板１の表面のコントラスト画像によって次に、プラスチック基板１が真空チャンバ内で規則正しく配向されているか否か、および／または、第１の入熱を有する電子ビーム３がプラスチック基板１の表面をなぞっている場合には、その上に導電性構造体２が形成されるべき表面領域内で電子ビーム３がまだ機能しているか否かが求められる。従って、第１の入熱によるプラスチック基板の表面のなぞりの間、電子ビーム３を、時間的な間隔で、第２の入熱に切り替えることが可能であり、この第２の入熱によってプラスチック基板１の表面全体をスキャンし、これによって、プラスチック基板１の表面上での電子ビームの位置が検査され、次に、第１の入熱によるプラスチック基板１のなぞりが続く。このために必要な、電子ビームの入熱の切り替えおよび電子ビームの方向制御のための制御装置は公知である。
【００２０】
図１に示された実施例では、プラスチック基板１は、その上に導電性構造体２が形成されるべき表面領域のみにおいて、銅粒子を含有するインクによって印刷される。しかし択一的に、プラスチック基板１の表面に、導電性構造体の領域を超えて、銅粒子を含有するインクを印刷することも可能である。従って、例えば、プラスチック基板１の表面全体を銅含有インクで印刷をしても、または、銅粒子でコーティングしてもよい。この場合には、これに続いて、再び、その上に導電性構造体２が形成されるべきプラスチック基板１の表面領域だけが、第１の入熱を有する電子ビーム３によってなぞられる。導電性構造体２を形成した後に、インクは、銅粒子が電子ビームによって焼結されなかったプラスチック基板１の他の表面領域から除去される。これは例えば、第１の入熱を有する電子ビーム３が印加されなかったインクが、プラスチック基板１の表面から、機械的または化学的な手段によって除去されることで行われる。
【００２１】
本発明によって形成された導電性構造体２の導電性は、銅粒子を含有するインクへの電子ビーム３の印加の間に、銅粒子の酸化を低減するガスを真空チャンバ内に入れることによってさらに高められる。これには、水素ガスが特に適していることが判明している。なぜなら、水素ガスは、銅粒子の酸化された表層から酸素を除去し、これと結合して水を生成するからである。この水はインクから蒸発する。酸化された表層は銅粒子の場合、このようにして低減され、これによって、形成された導電性構造体２の導電性が高められる。択一的にこれに対して、水素含有ガスも使用可能である。
【００２２】
上述した実施例は、プラスチック基板の表面に常に一箇所でだけ、電子ビームが印加される、という想定に基づいて記載されている。しかし本発明の方法では、複数のビームが用いられる技術による既知の装置も使用可能である。ここでは、電子ビームは次のように迅速に偏向される。すなわち例えば電子ビーム溶接から公知であるのと同じように、電子ビームが、ある程度の複数の箇所で同時に、プラスチック基板の表面に加えられるように、迅速に偏向される。このようにして、本発明の方法では、複数の箇所で同時に、導電性構造体の焼結が行われる。複数のビームが用いられる技術によるこの種の実施形態では、１０ｋＷの電力および１１．４ｋｍ／ｓまでの偏向速度を有する電子ビーム生成器も使用される。
【図１】
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