(57)【要約】シンタリングのための少なくとも２つのステージを含む少なくとも１つの連続したフラッシュランプパルスを形成するためのフラッシュランプシステム。パルスは第１のピークのエネルギーレベルに到達するために、第１の時間の第１の部分を含んでも良く、第２のピークのエネルギーレベルに到達するために、第２の時間の第２の部分を含んでも良い。１またはそれ以上のパルスは、粒子の層をシンタリングして、プリントされた電子回路を導電性にするための十分なエネルギーを有する。
2017510087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シンタリングの方法であって、
粒子の層を含むプリントされた電子回路を、少なくとも２つのステージを含む少なくとも１つの連続フラッシュランプパルスに露出させる工程を含み、この露出させる工程は、それぞれのパルスに対して、
パルスの第１部分をプリントされた電子回路に第１の時間提供して、第１のピークエネルギーレベルに到達する工程と、
パルスの第２部分をプリントされた電子回路に第２の時間提供して、第２のピークエネルギーレベルに到達する工程と、を含み、第１ピークのエネルギーレベルは、第２のピークエネルギーレベルとは異なり、
１またはそれ以上のパルスは、プリントされた電子回路が導電性になるように、ナノ粒子の層をシンタリングするのに十分なエネルギーを有する方法。
【請求項２】
第１のピークエネルギーレベルは、連続パルスの第２のピークエネルギーレベルより高い請求項１に記載の方法。
【請求項３】
連続パルスの第１の部分は、粒子の層の上部をシンタリングするのに十分であり、連続パルスの第２の部分は、粒子の層の下部をシンタリングするのに十分でありかつ低いシンタリング温度を維持するのに十分である請求項２に記載の方法。
【請求項４】
低いシンタリング温度は、２００℃から４００℃の範囲である請求項３に記載の方法。
【請求項５】
第１の部分の第１のピークエネルギーレベルは、連続パルスの第２の部分の第２のピークエネルギーレベルの、１．５倍から１０倍の範囲である請求項２に記載の方法。
【請求項６】
第１の時間は、約０．１ミリ秒から１０ミリ秒の範囲であり、第２の時間は、約０．１ミリ秒から２０ミリ秒の範囲である請求項２に記載の方法。
【請求項７】
第１のピークエネルギーレベルは、連続パルスの第２のピークエネルギーレベルより低い請求項１に記載の方法。
【請求項８】
更に、連続パルスの第１のピークエネルギーレベルに対応するエネルギーパルスがフラッシュランプの起動電圧より低い電圧を含む場合に、連続パルスの第１のステージに先立って、フラッシュランプを起動するために、比較的短い、高いピークエネルギーの起動パルスを提供する工程を含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
起動パルスのピークエネルギーレベルは、連続パルスの第１のピークエネルギーレベルの２倍から１０倍である請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
更に、第３のピークエネルギーレベルに達するために、連続パルスの第３の部分を、プリントされた電子回路に、第３の時間提供する工程を含む第３のステージを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも１つの粒子の層を含むプリントされた電子回路を含む加工品とともに使用するためのフラッシュランプシンタリングシステムであって、
フラッシュランプと、
パルス生成モジュールと、を含み、パルス生成モジュールはフラッシュランプに接続され、パルス生成モジュールは、１またはそれ以上の連続で設定可能なパルスを、粒子の層を含むプリントされた電子回路に、フラッシュランプが提供するように形成され、連続で設定可能なパルスは、少なくとも２つのステージを含み、第１のステージは、第１のピークエネルギーレベルで第１の時間の第１の部分を含み、第２のステージは、第２のピークエネルギーレベルで第２の時間の第２の部分を含み、第１のピークエネルギーレベルは、第２のピークエネルギーレベルとは異なり、
１またはそれ以上のパルスは、プリントされた電子回路が導電性になるように、粒子の層をシンタリングするシステム。
【請求項１２】
粒子の層を含むプリントされた電子回路を含む加工品と組み合わされる請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
パルス生成モジュールは、更に、
第１のパルス生成器であって、第１のスイッチによりフラッシュランプに接続され、第１のスイッチが閉じた場合に、連続で設定可能なパルスの第１の部分を、少なくとも１つの粒子の層を含むプリントされた電子回路に、第１の時間、第１のピークのエネルギーレベルで提供するように形成された第１のパルス生成器と、
第２のパルス生成器であって、第２のスイッチによりフラッシュランプに接続され、第２のスイッチが閉じた場合に、連続で設定可能なパルスの第２の部分を、少なくとも１つの粒子の層を含むプリントされた電子回路に、第２の時間、第２のピークのエネルギーレベルで提供するように形成された第２のパルス生成器と、を含み、
第１のピークエネルギーレベルは、第２のピークエネルギーレベルとは異なる請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
第１のパルス生成器は、比較的高いピークのエネルギーのパルス生成器であり、第２のパルス生成器は、比較的低いピークのエネルギーのパルス生成器である請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
連続パルスの第１の部分は、粒子の層の上部をシンタリングするのに十分であり、連続パルスの第２の部分は、粒子の層の下部をシンタリングするのに十分でありかつ低いシンタリング温度に維持するのに十分である請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
低いシンタリング温度は、２００℃から４００℃の範囲である請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
第１の部分の第１のピークエネルギーレベルは、連続パルスの第２の部分の第２のピークエネルギーレベルの、１．５倍から１０倍である請求項１４に記載のシステム。
【請求項１８】
第１のパルス生成器は、比較的低いピークのエネルギーのパルス生成器であり、第２のパルス生成器は、比較的高いピークのエネルギーのパルス生成器である請求項１３に記載のシステム。
【請求項１９】
更に、起動パルスモジュールを含み、起動パルスモジュールは、高いピークのエネルギーのパルス生成器の１つの端部に接続され、そしてフラッシュランプの第２の端部に接続され、起動パルスモジュールは、第１のパルス生成器に対応するエネルギーパルスが、フラッシュランプの起動電圧より低い電圧を含む場合、ランプを起動するために、比較的短く高いピークのエネルギーのパルスを生成するように形成された請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
起動パルスモジュールは、スナバ回路を含む請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
更に、少なくとも１つの追加のパルス生成器を含み、少なくとも１つの追加のパルス生成器は、少なくとも１つの追加のスイッチによりフラッシュランプに接続され、少なくとも１つの追加のパルス生成器は、連続で設定可能なパルスの第３の部分を、プリントされた電子回路に、第３の時間、第３のピークのエネルギーレベルに到達するように提供するように形成された請求項１３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、「デュアルモードフラッシュランプシンタリング」の名称で、２０１３年１２月２０日に出願された米国仮出願６１／９１９，１４３に基づき、合衆国法典３５の１１９条（ｅ）による優先権を主張し、この米国仮出願は、参照されることにより、その全体がここに組み込まれる。
【０００２】
本出願は、以下の出願に関連し、その内容は、それらの全体がここに組み込まれる：「デュアルシンタリング中の迷光の低減」の名称で、２０１１年７月２１日に出願され、米国公開２０１２／００１７８２９として公開された米国特許出願１３／１８８，１７２、および「シンタリングプロセスおよび装置」の名称で、２０１２年８月１５日に出願され、米国公開２０１３／００４３２２１として公開された米国特許出願１３／５８６，１２５。
【背景技術】
【０００３】
本開示は、シンタリングのためのシステムおよび方法に関する。
【０００４】
従来のシンタリングシステムおよび方法は、高温を必要とする。基板上の金属材料をシンタリングする場合、高温が使用されると、熱が基板に損傷を与える。（直径の平均がナノメータより小さい）ナノ粒子サイズのような非常に小さいサイズの金属インクは、バルク金属より低い温度でシンタリングできる。シンタリングシステムは、このように、フラッシュランプを用いたバルス光、および／または高強度連続光を用いて、従来のシンタリングシステムで用いられる温度より低い温度を用いて粒子をシンタリングする。
【０００５】
シンタリングは、プリンテッドエレクトロニクスの新興分野のような広い応用を有する。プリンテッドエレクトロニクスを用いて、光デバイス、電池、スーパーキャパシタ、およびソーラーセルに限定されないが、これらを含む機能電気デバイスが、従来のプリント方法を用いて金属インクを有する基板の上にプリントされる。電子デバイスの印刷（プリント）は、そのようなデバイスを製造するために、従来の方法を用いるより、コストがかからず、より効果的である。
【発明の概要】
【０００６】
シンタリングのシステムおよび方法が開示される。幾つかの形態では、システムおよび方法は、小さな粒子（例えば、ナノ粒子）の層を含むプリントされた電子回路を、少なくとも２つの異なるステージを有する少なくとも１つの連続フラッシュランプパルスに露出させる工程を含む。幾つかの形態では、露出工程は、それぞれのパルスに対して、パルスの第１部分をプリントされた電子回路に第１の時間提供して第１ピークエネルギーレベルに到達する工程と、パルスの第２部分をプリントされた電子回路に第２の時間提供して第２ピークエネルギーレベルに到達する工程とを含み、第１ピークエネルギーレベルは、第２ピークエネルギーレベルとは異なる。幾つかの形態では、１またはそれ以上のパルスは、プリントされた電子回路が導電性になるように、ナノ粒子の層をシンタリングするのに十分なエネルギーを有する。
【０００７】
幾つかの形態では、第１ピークエネルギーレベルは、連続パルスの第２ピークエネルギーレベルより高い。幾つかの形態では、連続パルスの第１部分は、ナノ粒子の層の上部をシンタリングするのに十分であり、連続パルスの第２部分は、ナノ粒子の層の下部をシンタリングするのに十分でありかつ低いシンタリング温度を維持するのに十分である。幾つかの形態では、低いシンタリング温度は、２００℃から４００℃の範囲である。幾つかの形態では、第１部分の第１ピークエネルギーレベルは、連続パルスの第２部分の第２ピークエネルギーレベルの、１．５倍から１０倍の範囲である。幾つかの形態では、第１の時間は、約０．１ミリ秒から１０ミリ秒の範囲であり、第２の時間は、約０．１ミリ秒から２０ミリ秒の範囲である。幾つかの形態では、第１ピークエネルギーレベルは、連続パルスの第２ピークエネルギーレベルより低い。幾つかの形態では、システムおよび方法は、更に、連続パルスの第１のピークエネルギーレベルに対応するエネルギーパルスがフラッシュランプの起動電圧より低い電圧を含む場合に、連続パルスの第１のステージに先立って、フラッシュランプを起動するために、比較的短い、高いピークエネルギーの起動パルスを提供する工程を含む。幾つかの形態では、起動パルスのピークエネルギーレベルは、連続パルスの第１のピークエネルギーレベルの２倍から１０倍である。幾つかの形態では、このシステムおよび方法は、更に、第３のピークエネルギーレベルに達するために、連続パルスの第３の部分を、プリントされた電子回路に、第３の時間提供する工程を含む第３のステージを含む。
【０００８】
幾つかの形態では、少なくとも１層のナノ粒子を含むプリントされた電子回路を含む加工品とともに使用するためのフラッシュランプシンタリングシステムが開示される。幾つかの形態では、フラッシュランプは、フラッシュランプおよびパルス生成モジュールを含み、パルス生成モジュールはフラッシュランプに接続され、パルス生成モジュールは、１またはそれ以上の連続で設定可能なパルスを、ナノ粒子の層を含むプリントされた電子回路に、フラッシュランプが提供するように形成され、連続で設定可能なパルスは、少なくとも２つのステージを含み、第１のステージは、第１のピークエネルギーレベルで第１の時間の第１の部分を含み、第２ステージは、第２のピークエネルギーレベルで第２の時間の第２の部分を含み、第１のピークエネルギーレベルは、第２のピークエネルギーレベルとは異なる。幾つかの形態では、１またはそれ以上のパルスは、ナノ粒子の層をシンタリングして、プリントされた電子回路を導電性にする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
所定の具体例の特徴および長所が、以下の図面に示される。
【００１０】
【図１】開示されたシステムおよび方法の具体例により制御される２つのフラッシュランプパラメータ、ピークエネルギーレベルおよびパルス幅、の模式図である。
【図２】本開示の幾つかの具体例にかかる、ピークエネルギーレベルおよびパルス幅の制御による厚膜のシンタリングの図である。
【図３】幾つかの具体例にかかるシステムおよび方法の模式図であり、最初の高いピークエネルギーレベルを有し、続いて吸収時間中により低いピークエネルギーレベルに調製される連続パルスとなる。
【図４Ａ】本開示の方法およびシステムの具体例の所定の長所を示す。
【図４Ｂ】本開示の方法およびシステムの具体例の所定の長所を示す。
【図５】図４Ｂに記載されたような、本開示の方法およびシステムのパルスおよび温度のプロファイルを示す。
【図６Ａ】幾つかの具体例にかかるシステムおよび方法の模式図であり、最初は低いピークエネルギーで、続いてシンタリング中はより高いピークエネルギーパルスに調整される。
【図６Ｂ】連続したパルスを用いない幾つかの従来技術にかかるシステムおよび方法の模式図を示す。
【図７】開示された方法およびシステムの幾つかの具体例にかかる起動パルス生成器を含む連続デュアルパルス形成ネットワークの模式図である。
【図８】開示された方法およびシステムの幾つかの具体例にかかる起動パルス生成器を含む連続デュアルパルス形成ネットワークの模式図である。
【図９】開示された方法およびシステムの幾つかの具体例にかかる、低いピークエネルギーとそれに続く高いピークエネルギーを備えた部分を有する連続パルスの測定された電流と時間との関係を表す例示のスクリーンショットである。
【図１０】開示された方法およびシステムの幾つかの具体例にかかる、高いピークエネルギーとそれに続くより長くて低いピークエネルギーパルスを備えた部分を有する連続フラッシュランプパルスを表す例示のスクリーンショットである。
【図１１】開示された方法およびシステムの幾つかの具体例にかかる、連続パルスの３つの部分またはステージを表す例示のスクリーンショットである。
【図１２】開示された方法およびシステムの幾つかの具体例にかかる、厚膜銅インクをシンタリングするための抵抗と低いパルスエネルギーとの関係を表す例示のグラフである。
【図１３】開示された方法およびシステムの幾つかの具体例にかかる、様々なピークエネルギーレベルを有する３つの連続パルスの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
導電性インクを用いた電子回路は、インクジェットプリント、スクリーンプロセス、およびグラビアを含むがこれらに限定されない従来のプリントプロセスを用いてプリントすることができる。小さな金属粒子を有する導電性インクは、次に、パルス光、高強度連続光、紫外線光、放射能、および熱エネルギーの組み合わせを含む放射エネルギーでシンタリングされる。このシンタリングは、粒子を互いに接着し、これにより、そのシンタリング前の形態に比較して、インクの導電性が十分に増加（抵抗が低減）する。フラッシュランプは、シンタリングを行うために使用できる。そのようなフォトニックシンタリング中、光の高エネルギーパルスが、材料の小さな粒子をシンタリングする。シンタリングは、より大きな粒子をシンタリングするために行われるのに比較して低い温度で行うことができ、これにより導電性インクのプリントされた線を、固体の導電性トレースに変える。スクリーン印刷技術を用いてプリントされたような比較的厚い導電性の層では、インク層の全体の深さをシンタリングすることが課題である。それらの例では、典型的なシンタリング温度に到達するだけでは十分ではない。代わりに、そのシンタリング温度が維持されて、シンタリング熱が、層を突き抜けるようにしなければならない。もし温度が維持されなければ、シンタリングされないインクが、シンタリングされた材料の上部層の下に残る。この不完全なシンタリングは、インクの浪費、所望のものより高い抵抗それゆえにより低い導電性、およびより弱い材料の接着をもたらす。
【００１２】
プリンテッドエレクトロニクスの分野では、機能的パラメータは、ラインの抵抗率／導電性、基板への接着性、透明性、および可撓性を含む。それらのパラメータは、シンタリングプロセス中に結合する。これは、１つのパラメータの改良が、１またはそれ以上の他のパラメータの劣化につながるかもしれないことを意味する。例えば、抵抗率が、１つのプロセスにより、より改良された（即ち、減少した）場合、次に接着性または透明性は低減するかもしれない。幾つかの形態では、それらのパラメータは、シンタリングシステムへの入力としては有用ではない（例えば、ユーザがタッチパネルスクリーンで入力する）。幾つかの形態では、ゴールは、それらのパラメータの全体の品質を改良することである。本開示の幾つかの形態では、シンタリングの機能パラメータのより良い制御は、より効果的な、または完全なシンタリングを可能にする。本開示の方法およびシステムでは、幾つかの具体例では、ピークエネルギー、パルス継続時間、およびパルスプロファイルまたは周波数を含むシンタリングパラメータは、効果的で完全なシンタリングを提供するために調整される。
【００１３】
幾つかの具体例では、シンタリング中に、ピークエネルギーがインクの表面を、その融点またはシンタリング温度まで加熱するのに十分である。粒子がシンタリングされた場合、それらはシンタリング前のインクの中の粒子の導電性より高い導電性を有する連続した導電性経路を形成する。欠陥の無いシンタリングプロセスを確立することは、導電性インクの性質が複雑なために困難である。例えば、銅インクを含む所定の金属インクは、インク中の酸化または還元溶剤、キャリア、および他の不純物を減らす技術を必要とする。異なるタイプのインクは、それを効果的にシンタリングするための複数の異なる方法を必要とする。本開示は、ピークエネルギーとパルス継続時間のパラメータを制御して、効果的なシンタリングをもたらす、少なくとも１つの連続パルスを用いることによるより効果的なシンタリングのシステムおよび方法に関する。本開示は、また、シンタリングのために連続したパルスを提供するためのシステムおよび方法に関する。
【００１４】
シンタリングは、高強度の放射のフラッシュを行うフラッシュランプシステムを用いて行われ、金属ナノ粒子を溶融またはシンタリングして、材料の導電性を十分に増加させる。フラッシュランプを用いたパルス光の利点は、短い継続時間が、より熱を減らすことである。高価ではない紙またはプラスチックの基板を用いる場合、そのようなより低い熱が望まれる。導電性材料の目的、基板、およびエネルギーを与える方法（例えば、連続またはパルスのレーザまたはランプ）の範囲の例として、例えば、その全体が参照されることによりここに組み込まれる、米国公開２００３／０１０８６６４および２００４／０１７８３９１が参照される。本開示の方法およびシステムは、従来知られたシンタリング方法と共に使用できる。
【００１５】
図１は、本開示のシステムおよび方法の具体例により制御された２つのフラッシュランプパラメータ、即ちピークエネルギー１１０およびパルス幅１２０を示す。ピークエネルギーが低すぎる場合は、インクはシンタリングされない。しかしながら、ピークエネルギーが高過ぎる場合は、ランプは基板材料に損傷を与えるかもしれないし、および／または金属イングを蒸発させるかもしれない。幾つかの具体例では、方法およびシステムは、１つのパルス中に様々なステージを有する連続パルスを用いて、パルスの幅または継続時間を制御し、シンタリングする金属インクのバルクの十分なソーク時間を与える。パルスの幅または継続時間が短すぎる場合、表面の下のインクは溶けないだろう。パルス幅が長すぎる場合、熱は基板に損傷を与え、および／または金属インクの表面を過熱して蒸発させるであろう。
【００１６】
本開示では、幾つかの具体例で、それらの２つのランプフラッシュパラメータ、即ちピークエネルギーおよびパルス継続時間、が調整されて、シンタリングプロセスの効率を向上させる。シンタリングプロセスの間、金属インクのような電子材料は、基板の上に提供される。材料は、スクリーン印刷、インクジェット印刷、グラビア、レーザ印刷、ゼログラフィ、パッド印刷、塗布、ディップペン、注射、エアブラシ、フレキソグラフィ蒸着、スパッタ等を含むが、これらに限定されない従来から知られた１またはそれ以上の技術を用いて提供される。様々な基板が、本開示のシステムおよび方法で用いられる。それらの基板材料のそれぞれは、異なる好適なプロセス温度を有しても良い。基板は、紙のような低温、低コスト基板、およびポリ（ジアリルジメチルアンモニウム・クロライド）（ＰＤＡＡ）、ポリアクリリカシア（ＰＡＡ）、ポリ（アリルアミン塩酸塩）（ＰＡＨ）、ポリ（４−スチレンスルホン酸）、ポリ（硫化ビニル）カリウム塩、４−スチレンスルホン酸・ナトリウム塩水和物、ポリスチレン・スルホン酸（ＰＳＳ）、ポリエチレン・イミン（ＰＥＩ）、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン等のようなポリマー基板を含むが、これらに限定されるものではない。シンタリングされる異なる材料は、異なる温度で溶融および蒸発する、銅、銀、および金を含む。他の材料は、パラジウム、スズ、タングステン、チタン、クロム、バナジウム、アルミニウム、およびそれらの合金を含むが、これらに限定されるものではない。ナノ粒子の溶融温度は、粒子のサイズにより変化する。シンタリングされる線は、異なる幅および厚みでプリントされる。
【００１７】
図２、３は、本開示の幾つかの具体例にかかる、厚膜の金属インクのシンタリングを示し、高いピークエネルギーで第１の時間シンタリングするために連続パルスの第１部分３１０（図３）を用い、低いピークエネルギーで第２のより長い時間シンタリングするために、連続パルスの第２部分３２０（図３）を用いる。上述のように、幾つかの具体例では、方法およびシステムは、厚膜のシンタリングを含む多くの応用に対して、ピークエネルギーおよびパルス幅または時間の制御を可能にする。幾つかの具体例では、厚膜は、２０マイクロメータまたはそれ以上の厚さを含む。スクリーン印刷技術を用いてプリントされたような厚い導電層は、キュアの深さを達成するための課題を引き起こす。厚膜に対しては、シンタリング温度に単に到達するだけでは十分ではなく、温度はまた維持または保持されて、熱が厚いインクを通って、材料の中により深くシンタリングしなければならない。もしシンタリング温度が維持できなければ、上面の下にシンタリングされないインクが残り、より高い抵抗率やより弱い接着に繋がる。厚膜に対して、幾つかの具体例では、より高いピークエネルギーのステージ３１０を有する連続フラッシュランプパルスが用いられて、上面の最初のシンタリングに用いられる。連続フラッシュランプパルスは、続いて、より長い時間、比較的低いピークエネルギーを用いてシンタリングして、続いて適当なシンタリング温度で材料を通ってシンタリングを維持するためにより高いピークエネルギーが用いられる。幾つかの具体例では、より長い時間、より低いピークエネルギーを適用する工程は、保持領域と呼ばれても良い。図１２は、本開示の幾つかの具体例にかかる、厚膜銅インクをシンタリングするための、抵抗率と低いパルスエネルギーとの関係を示すグラフの例である。連続パルスの第１部分は、比較的高いエネルギーで適用され、続いて、比較的低いエネルギーで連続パルスの第２部分が適用された。ｘ軸は、連続パルスの第１部分に加えて、連続パルスの第２部分から来た追加のエネルギーを示す。パルスの第１部分からのエネルギーは、約２２００ジュールであった。連続パルスの第２部分のエネルギーは、０から７００ジュールまで変化する。第２パルスへの最大電圧は、第１パルスへの３キロボルトに比較して約１０００ボルトであった。第２パルスの継続時間は、０〜２ミリ秒まで変化した。シンタリングプロセスは、「１２１０」と表示された点により示されるような、保持領域でエネルギーを有さないピークパルスの調整で改良された。図１２に示すように、抵抗値の５０％の改良は、保持領域でより多くのエネルギーが適用された場合に見られた。
【００１８】
例示の開示では、幾つかの具体例で、少なくとも１つの連続フラッシュランプパルスの多重位相の光強度および継続時間を調整することで、フラッシュランプシンタリングの効果を増加させる方法およびシステムが開示される。より特別には、幾つかの具体例では、図３に示すように、保持時間中のフラッシュの強度を減らすことにより、このシンタリング効果の増加が達成される。
【００１９】
幾つかの具体例では、単体の光パルスが、２つの異なる、独立のセットのエネルギーレベルで照射される。幾つかの具体例では、単体の光パルスは、複数の異なる、独立のセットのエネルギーレベルで照射しても良い。他の具体例では、連続フラッシュランプパルスの２またはそれ以上の部分の継続時間が、独立してセットされる。
【００２０】
パルスの第１部分が高いピークエネルギーを有し、光フラッシュの第２部分が低いピークエネルギーである具体例では、パルスの第１部分が調整されて、金属インクの表面温度が、そのシンタリング温度まで、またはその近傍まで上昇する。幾つかの具体例では、シンタリング温度に到達したか否かを決定するために、任意的なパイロメータが使用されて、光が金属インクに照射された際、および光が金属インクに照射された後に、インクの表面温度を測定しても良い。他の具体例では、シンタリング温度に到達したか否かを決定するために、パルスの第１部分の後に、インクの表面が溶け始める際の導電性の変化が注目され、これにより、シンタリング温度に到達したことを示す。そのような検出に基づいて、コントローラは、将来の使用に対して、または操作中に、ランプパルスのピークエネルギーレベルまたはパルス継続時間を変えることができる。パルスの第２部分は、基板または金属インクの過熱無しにインクのバルクをシンタリングするのに十分なエネルギーを提供し、このパルスの第２部分は、パルスの第１部分より低い光強度を提供する。インクストリップの内部での所望の温度は、インクストリップまたは基板の表面を過熱することなくより容易に達成できる。
【００２１】
図４Ａおよび図４Ｂは、簡単な記載中で説明された、多重ステージを用いた少なくとも１つの連続パルスを用いたシステムおよび方法の長所を示す。図４Ａでは、１つのパルス形成ネットワーク（ＰＦＮ）アレンジが使用された場合、パルス幅の増加４１０が温度上昇の速度４２０を増加させる。しかしながら、所定の具体例にかかるシステムを示す、図４Ｂでは、ＰＦＮ１に対応するパルス部分４３０を用いてシンタリング温度が急に達成され、次に、ＰＦＮ２に対応するパルス部分４４０が、ＰＦＮ２にセットする電圧により、制御されたレベルセットでシンタリング温度を維持するために使用される。この改良された温度制御は、より広い欠陥の無いプロセスウインドウを可能にする。図５は、２つの部分を有する連続パルス中の、パルスの特定の部分と温度プロファイルの他の具体例を示す。図５は、また、パルスのピーク、保持、大きさ、および継続時間がどうように独立して制御されるかを示す。
【００２２】
図６Ａは、最初は低いピークエネルギーパルス６０１で、次にシンタリング中のより高いピークエネルギーパルス６０２に調整される、幾つかの具体例にかかるシステムおよび方法を模式的に示す。幾つかの具体例では、ここで記載される連続パルスは、シンタリングに先立って材料をプレヒートするために使用される第１部分６０１を含む。例えば、連続パルスのより低い強度部分は、パルスのより高い強度部分でのシンタリングに先立って、溶剤を除去するために使用できる。より低い強度のパルスは、また、シンタリング温度の直下まで基板を加熱して、より高い強度のパルスでのシンタリングに先立って、接着を改良する。ここで検討された方法は、他の方法と一緒に使用しても良い。分離した不連続な高いパルスに続く低いパルスを含む、分離した不連続なパルスを用いるための方法およびシステムが、「シンタリングプロセスおよび装置」という名称で２０１１年８月１５日に出願され、米国公開２０１３／００４３２２１として公開された、米国特許出願１３／５８６，１２５に更に詳しく検討されており、全体が参照されることにより、その内容はここに組み込まれる。
【００２３】
図６Ｂは、比較として、多重ステージまたは部分を有する連続パルスを用いないシステムおよび方法の模式図である。図６Ｂは、あるエネルギーレベルでの短い継続時間のパルス６０３と、それに続く同じエネルギーレベルでのより長い継続時間のパルス６０４を示す。ここに記載された方法およびシステムは、シンタリングのための他の方法と一緒に使用しても良い。幾つかの形態では、開示された方法およびシステムは、より高いピークエネルギーでの圧縮の多重ステージと、それに続くより長い継続時間のパルスとを含んでも良い。幾つかの具体例では、異なる強度の分離および連続のパルスが、単体のランプにより分配される。効果的なシンタリングのために多重パルスを必要とする、多くの光シンタリング可能なインクがある。例えば、所定の銀インクは、単体の高いエネルギーパルスの使用が基板を損傷させうる多重パルスの上の集積されたエネルギーに良く反応する。異なる電圧ピークを有する任意の数のパルスを形成することは、シンタリングに先立って圧縮の仕事を達成できる。
【００２４】
幾つかの具体例では、開示された方法およびシステムは、連続したデュアルパルス形成ネットワーク（ＰＦＮ）アレンジを使用する。連続パルスの第１部分は、金属インクの表面でシンタリングを開始するための高いピークエネルギーを形成する。連続パルスの第２部分は、材料のバルクを加熱する。図７は、２つの高電圧電源（ＨＶＰＳ）を示し、それぞれは高電圧の設定点を独立して制御できる。フラッシュは、トリガー回路７０１により開始される。もし、独立して走った場合、ＰＥＮ１はダイアグラム７０２により示されるような、高いピークエネルギーと低いパルス継続時間を有するパルスを提供し、ＰＥＮ２はダイアグラム７０３により示されるような、低いピークエネルギーと長いパルス継続時間を有するパルスを提供する。一旦ランプがトリガーされた場合、より高い電圧でセットされるＰＦＮ１が、ランプを通して放電を開始する。一旦、ＰＦＮ１の電圧が、ＨＶＰＳ２により設定される電圧まで低下すると、ＰＦＮ２が、ダイアグラム７０３により示されるように、長い継続時間のパルスを形成するように、ふるまいを開始する。パルスの第１部分のピークエネルギーとパルス幅は、ＰＦＮ１との組み合わせでＨＶＰＳ１により設定される電圧により決定される。ＨＶＰＳ２は、パルスの第２部分の所望の強度のための設定点として使用される。パルスの第２部分の継続時間は、ＰＦＮ２ネットワークの修正により、またはランプと直列のスイッチを開くことにより（スイッチは図示せず）、制御することができる。ダイアグラム７０４は、幾つかの具体例にかかる連続した、デュアルモードフラッシュランプシンタリングの結果を示す。
【００２５】
幾つかの具体例では、連続フラッシュランプの第１部分の継続時間は、約５０マイクロ秒から約５００マイクロ秒で、特に、約５０マイクロ秒から約１００マイクロ秒である。幾つかの具体例では、連続フラッシュランプの第２部分の継続時間は、約１０００マイクロ秒から約１００００マイクロ秒である。幾つかの具体例では、連続フラッシュランプの第２部分の継続時間は、連続フラッシュランプの第１部分の継続時間の、約２から約２０倍、約４から約１５倍、または約５から約１０倍である。幾つかの具体例では、第２部分のエネルギーは、連続パルスの第１部分のエネルギーの約２５％から約７５％、連続パルスの第１部分のエネルギーの約３０％から約７０％、連続パルスの第１部分のエネルギーの約３５％から約６５％、連続パルスの第１部分のエネルギーの約４０％から約６０％、連続パルスの第１部分のエネルギーの約４５％から約５５％、または連続パルスの第１部分のエネルギーの約５０である。
【００２６】
図８は、開示された方法およびシステムの幾つかの具体例に関する起動パルス生成器を含む連続デュアルパルス形成ネットワークの模式図である。図８は、トリガー７０１、高いピークエネルギーと低いパルス継続時間を有するパルス７０２、低いピークエネルギーと低いパルス継続時間を有するパルス７０３、連続パルスの高いピークエネルギー部分と、それに続く連続パルスの低いピークエネルギー部分７０４、制御ユニット８０１、第１絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１（ＩＧＢＴ１）のような第１スイッチ８０２、第２ＩＧＢＴ１のような第２スイッチ８０３、起動パルス生成器８０４、連続パルスの低いピークエネルギー部分と、それに続く連続パルスの高いピークエネルギー部分８０５、および連続パルスの低いピークエネルギー部分と、それに続く連続パルスの高いピークエネルギー部分と連続パルスの低いピークエネルギー８０６を示す。
【００２７】
図７に記載したように、連続デュアルパルス形成ネットワークは、２つのパルス部分を形成し、これらはダイオード接続を介して１つの合成パルスに連結される。２つのＩＧＢＴゲート、ＩＧＢＴ８０２、およびＩＧＢＴ２８０３はスイッチとして働き、マイクロコントローラドライバー回路８０１により制御されて、２つの異なるＨＶＰＳブランチからの電流の流れを必要に応じて可能にする。また、ＭＯＳＦＥＴのような他のスイッチを使用しても良い。結果として、ランプ電流が、多くの異なる種類のパルス系形状が可能なようにネットランプ電流が制御される。時間に依存して、パルス形状は、時間で結合されるのと同様に、追加される。例えば、７０４は、比較的高い電圧生成器に対応するパルスの高いピークエネルギー部分と、それに続く比較的低い電圧生成器に対応するパルスの低いピークエネルギー部分を示す。上で検討したように、このタイプの波形は、一定の温度でより長い時間、シンタリングプロセスを通して運んで、厚膜中に深く突き抜けることを可能にするのに有用である。８０５では、低いレベルの電流パルスに、より高い電流の放電パルスが続く。上述のように、このタイプの波形は、シンタリングパルスに先立って、材料を乾燥させるために使用できる。８０６では、パルスの低いピークエネルギーの部分に、パルスの高いピークエネルギー部分が続き、次に、パルスの低いピークエネルギー部分が続く。この波形は、プレヒート、シンタリング、およびポストヒートアニールのために使用できる。
【００２８】
幾つかの具体例では、開示された方法およびシステムは、エネルギーパルスの第１部分は、ランプの開始エネルギーより低い場合に、ランプの起動の課題に関する。８０５および８０６のように、第１のパルス部分が低い電圧のタイプで、続いて第２のより高い電圧放電パルスが続く場合、もし最初の低い電圧がランプに必要とされる起動電圧より低ければ、ランプは起動しない。起動パルス生成器８０４は、ランプを起動するために使用でき、８０５および８０６に示すように、低いパルスに先立って短くて高いパルスを提供する。起動パルス生成器８０４は、起動回路としてと、高電圧（ＨＶＰＳ１）ＩＧＢＴ１８０２のスナバ回路としての双方として機能する両用回路として働いても良い。スナバ回路と起動パルス生成器の組み合わせは、複雑な爆発（起動）回路を無くす。一般的な漠厚回路は、バルクインダクタおよび／または起動スイッチを有するダイオードまたはサイリスタのような、爆発電圧を注入する方法を有する、第２の電源を用いる。幾つかの具体例についてここで述べる起動パルス生成器は、Ｒ−Ｃネットワークを使用する。ランプトリガーが起動した場合に回路は自動的に起動するため、起動スイッチは必要とされない。急な電流の中断があった場合に、スナバ回路は、電流切り換えデバイス（この場合はＩＧＢＴ１）を横切る電流の急な上昇を防止する。図８に示すように、スナバ回路は、代わりの電流経路を提供して、誘導成分が安全に放電する。図８のように、スナバ抵抗器Ｒ２は、放電ランプチューブアノードに高電圧がちょろちょろ流れるのを可能にする。スナバ容量Ｃ２は、非常に短い時間に電流の瞬時の流れを可能にして放電管を起動状態にし、その時点でその抵抗値は大幅に低下する。その点で、低い電圧の第１パルスが、ランプを駆動するために許容される。
【００２９】
幾つかの具体例では、図８に示される連続したデュアルパルス形成ネットワークが、図１３に示すような、様々なパルスピークと周波数を有する多重パルス部分を形成するために使用しても良い。マイクロコントローラはＩＧＢＴ１８０２とＩＧＢＴ２８０３との双方を制御するため、２つの異なる電圧の３重、４重、または多重の結合パルスの組み合わせを形成するために、パルス部分が加えられても良い。幾つかの具体例では、連続パルスは２から４０の部分を含む多重部分を有しても良い。
【００３０】
幾つかの具体例では、方法およびシステムは、多重タイプのＰＦＮを使用する。図８は、複数の容量ブランチ、ＰＦＮ２、および標準ＰＩタイプネットワークＰＦＮ、ＰＦＮ１を示す。容量性、誘導性、またはＰＩのような他のタイプのＰＦＮは、異なる形態の波形を形成するための分岐を形成するために使用できる。
【００３１】
幾つかの具体例では、２より多くの分岐が使用される。例えば、幾つかの具体例は、２つより多くの電圧を必要としても良い。異なる電圧および幅の多重パルス部分の波形を形成するために、より多くの分岐が加えられても良い。
【００３２】
幾つかの具体例では、ここで記載された連続フラッシュランプパルスが、連続する方法、または進んでは止まる方法で操作されるコンベアまたは他の輸送手段の上に形成されても良い。センサおよびフィードバックが、操作中の突発的な場合を含む方法を改良するために使用されても良い。図示された実施では、例えば、「デュアルシンタリング中の迷光の低減」の名称で、２０１１年７月２１日に出願され、米国公開２０１２／００１７８２９として公開され、その全体が参照されることによりここに組み込まれる、米国特許出願１３／１８８，１７２に記載されたように、シンタリングは、コンベアシステム中および／または光ブロッカを用いて行われる。ここで記載された方法およびシステムは、シンタリングのためのエネルギーを受け取るために所望の位置になる前に、加工品の中のナノ粒子または加工品の領域の部分的なシンタリングを避けるために、十分な程度にエネルギーをブロックするためのシステムおよび方法を含む、従来知られていた他の方法およびシステムと共に用いても良い。１またはそれ以上の具体例では、光ブロッカが、「中間相（intermediate phase）」を防止するために使用され、光エネルギーに曝された後に、ナノ粒子は単に部分的にシンタリングされ（またはシンタリングされず）、光エネルギーに２度目に曝された後に、導電性が改良される。開示された方法およびシステムは、コンベアフレームを含むコンベアシステム中で使用される。コンベアフレームは、送風機、配電キャビネット、１またはそれ以上の緊急停止ボタンを含んでも良い。
【００３３】
追加の実施では、２相シンタリングシステムおよび方法が、「シンタリングプロセスおよび装置」の名称で、２０１１年８月１５日に出願され、米国公開２０１３／００４３２２１として公開され、その全体が参照されることによりその内容ここに組み込まれる、米国特許出願１３／５８６，１２５に記載されたような方法およびシステムと関連して使用されても良い。出願に記載されたように、シンタリングは、最初に一連の比較的低いエネルギーの光パルスを用いて、シンタリングの直前にターゲットを前処理しても良い。この工程の１つの長所は、低いエネルギーパルスは、ナノ粒子から有機被膜を効果的に除去し、このような有機被膜は基板と金属の弱い接着および低い導電性の領域となるバリアまたは不純物として働く。次に、ナノ粒子は、続いて、１またはそれ以上の光のパルスを用いてシンタリングされる。これにより、低いエネルギーの光パルスを用いて前処理した後に、２相シンタリングプロセスとここに記載された方法を用いて続いてシンタリングが行われても良い。
【００３４】
他のパルスランプ操作パラメータの例示の範囲は、以下を含む。
１．パルス当たりのエネルギー：５０ジュールから５，０００ジュール。
２．パルスモード：連続パルス、連続パルスの破裂（bursts）、多重連続パルス、および多重部分を有する連続パルス。
３．ランプ形状（形状）：直線、らせん、またはＵ形。
４．スペクトル出力：１５０ナノメータから１，０００ナノメータ。
５．ランプ冷却：雰囲気、強制空気、または水。
６．波長選択（ランプの外部）：ナノまたはＩＲフィルタ。
７．均一範囲：±０．１％から±２５％  中心から端へ。
８．ランプ取り付け窓：無し、パイレックス、石英、スプラジル（suprasil）、またはサファイア。
９．上部と底部のシーケンシング：０％から１００％までの上部ランプから、０％から１００％までの底部ランプの間のいずれかの組み合わせ。
【００３５】
多重ステージを用いた連続パルス操作パラメータの例示的範囲は、以下を含む。
１．第１ステージエネルギー出力：１００から２０００ジュール、５ミリジュールステップで設定可能。
２．第１ステージ継続時間：０．１から２ミリ秒（ｍｓ）、０．０５ｍｓステップで設定可能。
３．第２ステージエネルギー出力：１００から５０００ミリジュール、１５ミリジュールステップで設定可能。
４．第２ステージ継続時間：０．１から１０ミリ秒（ｍｓ）、０．０５ｍｓステップで設定可能。
５．第１ステージランプ電圧：３０００ボルトまで（Ｖ）、１Ｖステップで設定可能。
６．第２ステージランプ電圧：２４００ボルトまで（Ｖ）、１Ｖステップで設定可能。
７．シーケンス中のパルス数：１〜４０。
８：パルスの間隔：１００ｍｓまたはそれ以上、０．０１ｍｓステップで設定可能。
９．パルスシーケンスモード：単一、繰り返し、連続。
１０．第１ステージランプ電圧：３０００Ｖまで。
１１．第１ステージランプ電圧：２４００Ｖまで。
１２．ランプへの電力出力：１５００ワットまで。
【００３６】
使用される導電性インクは、主としてナノ粒子から形成され、粒子の多くは１ｎｍ以下の直径を有する。しかしながら、約１０ｎｍ、または１００ｎｍ、または１０００ｎｍより小さい多数を含むより大きな粒子が潜在的に使用されても良い。
【００３７】
連続シンタリングのためにここに記載された方法およびシステムは、Ｘｅｎｏｎ社から入手可能なＳ−２３００  Ｈｉｇｈ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｙｓｔｅｍを使用しても良い。以下の例は、開示された方法およびシステムの具体例を例示する。
【００３８】
例１
図９は、低いレベルのパルスとそれに続く高いレベルのパルスの、測定された電流と時間の関係を示す例示のスクリーンショットである。低いレベルのパルスは、起動回路により与えられた最初のキックを有し、これがランプ中の導通を起動させた。低いレベルのパルスは、４００ボルトの電圧を有した。同様の放電ランプを起動するのに通常必要な電圧は、１６００Ｖであった。低いレベルのパルスは、この放電中に１．５ミリ秒間拡がった。高いレベルのパルスは、１６００Ｖから３０００Ｖの範囲のキャパシタ電圧を使用した。高いレベルのパルスは、約０．５ミリ秒間ＩＧＢＴ回路を用いた後にカットオフされた。
【００３９】
例２
図１０は、高いピークエネルギーを有する部分と、それに続くより長い低いピークエネルギーのパルスを有する部分を有する連続フラッシュランプパルスを示す例示のスクリーンショットである。上述のように、この波形は、膜または基板の損傷または過熱無しに、より深い層までシンタリング溶融プロセスを行った。高いピークエネルギーの部分の形状は、平坦なピークを有した。幾つかの具体例では、高いパルスの形状は、ネットワークの分岐のインダクタおよびキャパシタの組み合わせに依存して変化する。キャパシタは、低いレベルのパルスを形成するために使用された。
【００４０】
例３
図１１は、連続パルスの３つの部分を示す例示のスクリーンショットである。第１の部分は低いレベルのパルスに対応した。上述のように、中央の高いレベルのシンタリングパルスが適用される前に、低いレベルのパルスが、溶剤を蒸発させるために使用されても良い。パルスの第３の部分は、エネルギーの流れを遅い速度に保ち、過熱無しに、材料の中に深くシンタリングプロセスを行うために平衡温度に保持した。
【００４１】
本発明の具体例の開示において、ここに記載された発明の範囲から離れること無く、変形が行われることは明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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