TW201210717A - Reduction of stray light during sintering - Google Patents

Description

201210717 六、發明說明： 【發明相互參照】 本申請案主張在20 10年7月21日所申請之美國臨時 申請案第61/366,225號的優先權，其内容以引用方式併 入本文。 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用於燒結尤其是燒結金屬粒子之系統和 方法。 【先前技術】 在處理含有微細粒子之材料時，燒結是一種可加熱金 屬粒子並使金屬粒子彼此黏結而形成一連續金屬膜之製 程。燒結系統與方法需要高溫，在燒結一基材上之金屬 時，咼溫會破壞基材。奈米技術已經可以在比較大粒子 低的溫度下’使形成於基材上之金屬油墨燒結。金屬具 有-特定熔點’而奈米金屬（奈米尺寸之金屬粒子）會 在一較低溫度下熔化。使用脈衝光及/或高強度連續光之 燒結系統可利用比習知燒結系統所利用者更低之溫度而 使奈米金屬彼此黏結於基材上。 燒結有廣泛的應用，例如可用於曰漸彰顯的印刷電子 學領域中。印刷電子學包含印刷電氣功能性元件，其包 3 201210717 含、但不限於：發光元件、電池、超級電容器、以及太 陽能電池。印㈣電子元件比用於生產這類元件之習知方 法更不費成本且更有效率。 【發明内容】 一種燒結系統，包含-閃光燈系統，該閃光燈系統包 含一燈泡以對一工作件提供能量，該燈泡具有介於1微 秒至100000微秒之一脈衝週期且每一脈衝為i焦耳至 5000焦耳，該脈衝週期係於1/3峰值下所測得，該閃光 燈系統亦包含一擋光器，該擋光器位於該燈泡與該工作 件之間以阻擋來自該燈泡之能量抵達該工作件之一第一 部分，同時使來自該燈泡之能量可抵達該工作件之一第 二部分。 一種閃光燈燒結系統’該閃光燈燒結系統包含一閃光 燈系統，該閃光燈系統包含一閃光燈以提供至一工作 件，該工作件具有一基材與一傳導油墨，該傳導油墨含 金屬粒子’該能量大於足以燒結該傳導油墨以具有一所 需傳導性之一第二臨界值，且低於一第三臨界值，其中 咼於該第三臨界值之能量會破壞該基材，該閃光燈系統 亦包含一擋光器’該擋光器位於該燈泡與該工作件之間 以阻擋來自該燈泡之大於一第一臨界值之能量抵達該工 作件的一第一部分，使能量不會部分燒結該工作件，其 中該第一臨界值係低於一第二臨界值，同時使來自該燈 201210717 三臨界值之間之能量可抵 ，以燒結該工作件中之該 泡之介於該第二臨界值與該第三 達該工作件的一所需第二部分， 傳導油墨。 該荨工作件具有含微細粒子

以使該傳導油墨被燒結；以及阻擋能量至該工作件的其 他部分’以防止部分燒結。 一種燒結工作件之方法，該 之傳導油墨 至^一區域， 於能量中；利用一閃光燈對一 【實施方式】 可利用輻射能量來燒結傳導油墨（例如含有奈米金屬 之傳導油墨），該輻射能量可包括脈衝光、高強度連續 光、紫外光（uv )、輻射與熱能等之組合，例如可使用 UV閃光燈，該uv閃光燈提供了 uv輻射與熱能（也包 含在可見光範圍與紅外光範圍中之能量當粒子被燒結 時’粒子形成了一條連續傳導路徑，該路徑具有的傳導 性比燒結之刚的粒子高出許多。 在一片材或一移動網板（web )上操作時，可能會發生 如本文所稱「帶狀（Striping )」現象的相關問題。當朝 向輻射源（例如一脈衝燈泡）之主要能量移動的基材在 抵達燒結點之前就先暴露於漫射光，即會發生帶狀現 象。漫射光會使傳導油墨僅產生部分燒結，並轉變為塊 201210717 材狀態（bulkstate)。在塊材狀態下，傳導油墨即不再為 -奈米粒子，因而會在較高溫度下熔化，但材料仍未能 充分燒結以具有所需傳導性。因此，當工作件的所需： 分抵達燒結位置時，在較低溫度下之脈衝光及/或高強度 連續光可能無法適當燒結金屬。該問題也會發生於當2 作件彼此靠近（例如在一傳送器）、且一工作件在位於— 適當燒結位置前就先暴露於漫射光/能量時。 帶狀現象會發生Μ種奈米金屬，包含、但不限於銅、 銀、金、把'錫、鎢、鈦、鉻、飢、銘及其合金。在某 些實施例中，所揭示之系統與方法可防止銅奈米金屬之 部分燒結。在輻射能量等級低於一第一臨界值範圍下， 將無燒結發生。高於該第一臨界值且低於一第二臨界值 時，銅奈米粒子僅部分燒結、但未達到所需程度之傳導 性；此材料的傳導性高於未燒結之奈米粒子的傳導性， 但不如接收較佳範圍（高於該第二臨界範圍）之輻射能 篁等級之材料的傳導性高。當經部分燒結之材料第二次 暴露於輻射能量等級（其強度應足以使未燒結之奈米粒 子轉變為完全傳導狀態）時，先前部分燒結之奈来粒子 的傳導性並不會提高。 第1圖與第2圖展示了這個現象。第i圖為一燈泡系 統（例如一閃光燈系統）之表示圖，該燈泡系統具有一 燈泡100、反射器102、與工作件104，工作件1〇4係於 傳送器上以方向1〇6移動。工作件1〇4可包含一基材， 基材在頂部（未圖示）具有線跡，線跡是由含奈米粒子 201210717 (例如銅奈米粒子）之傳導油墨所組成。箭頭ι〇8所代 表之能量係足以燒結傳導油墨，以得到所需之傳導性等 級。虛線箭頭110之能量係足以部分燒結傳導油墨，但 其結果是線跡無法具有所需的傳導性。因為行進方向 是往右邊，因此一般僅在左手側〗12可能有問題。在左 邊部分抵達暴露於箭頭108所代表能量之部分的時間 時，該部分可被部分燒結，此能量因而不足以完成燒= 程序。 α 第2圖大體圖示了該問題β當能量低於—第一臨界值 Thi時’無燒結發生。當能量高於一第三臨界值Th3時， 至少就某些基材（例如紙、聚酯與其他）而言，基材會 被破壞。當能量高於一第二臨界i Th2、且低於臨界值 Th3時，忐里係可使線跡的傳導性有效增加至一所需等 級。當能篁介於臨界值Thl與Th2之間時，僅會發生部 分燒結，部分燒結會幫助防止完全有效燒結（至少在某 些材料中），即使是傳導油墨暴露於高於Th2之能量中。 因此’希望疋可以在Th2與Th3所界定的腳中，如第 2圖中斜線陰影部分所示。臨界值可依系統中與工作件 的各種因素而定’例如欲燒結之材料種類、其幾何形狀、 以及基材的本質。 本發明係關於用於減少燒結期間之漫射光的系統和方 法，使得不希望的部分燒結可被減少或消除。本發明中 的實施例係關於用於阻擋能量達—足夠程度的系統和方 法，以避免工作株Φ + T u 中或工作件區域中的奈米粒子在處於 7 201210717 一所需位置以接收燒結能量 眘❹由 里月J之邠刀燒結。纟-或多個 貫彳中，所揭示之擋光器可避免一「中間相」，在「中 間相」中’奈米粒子在第—次暴露至光能量後僅部分燒 -’但在第二次暴露至光能量並未具有增進之傳導性。 阻擋能量會具有某些缺點，缺點在於並非所有來自輕 射源的能量都可以姑去，丨Q # π 否丨』以被扪用。然而，已經發現利用本發明 之擋光|§係可產生穿·+掉处 a , J產生凡全燒結、具有足夠傳導性之奈米粒 子。所揭示之系統與方法可避免「帶狀」現象與部分燒 結的問題。 在燒結程序中，-電子材料（例如一導件）係加至一 基材上。可係利用該領域中習知的-或多種技術將待燒 結之材料加至該基材上，該等技術包含網印 '喷墨印刷、 凹版印刷、雷射印刷、喷墨印刷、乾式複印、移印、塗 刷、浸薩筆（dip_pen)、注射、喷刷、膠版印刷、蒸鍍、 濺鍍等。各種基材都可用於所揭示之系統與方法；基材 包3、但不限於低溫、低成本基材，例如紙與聚合物基 材（諸如聚二甲基二烯丙基氣化銨（pDDA)、聚丙烯酸 (PAA)、聚醯丙基胺鹽酸鹽（pAH)、聚苯乙烯磺酸、聚乙 烯醇硫酸鉀鹽、苯乙烯磺酸鈉鹽水合物、磺酸化聚苯乙 稀（PSS)、聚乙烯亞胺（pEI)、聚對苯二甲二乙酯（PET)、 聚醋等）。 參照第3圖，在一態樣中，用於在燒結期間減少漫射 光之系統與方法包含一或多個擋光器。在一或多個實施 例中，擋光器係一平坦遮罩。第3圖具有與第丨圖相同 201210717 的構件，但另加入一遮罩302以阻擋箭頭3〇4所示之能 置 遮罩302位於光源與基材的一部分之間，遮罩3〇2 阻擋漫射光照射前進的基材，但允許直接暴露（例如直 接在箭頭108所示之光源下方），藉此減少或消除部分燒 結，因而可發生完全燒結。如此處所示，遮罩可位於傳 送器的進料側上、而不位於另一側上’或是遮罩可位於 傳送器方向的兩側上以產生一孔洞。該孔洞可具有不同 的形狀與尺寸，包含、但不限於大致為三角形、圓形、 卵形、矩形等。遮罩需阻擋低於臨界值Th2 (第2圖） 之能量，使此能量在工作件或工作件的部分暴露至超過

Th2之㊣量而發生所需燒結之冑，不會抵達任何工作件 或工作件的部分。 在某些實施例中，傳送帶系統會在燒結期間連續移動 基材’因此在速度上一般係與燈泡的閃光頻率互相協 調；在其他實施例中’傳送器係以步階方式移動。光源 可移動，而一工作件或數個工作件為靜止。 在-實施例中，燒結系統包含一能量源、一基材、位 於基材上之奈米材料、以及—或多個擋光器，其中擔光 器係位於光源與基材之間，使得擋光器可阻擋充足量之 光能量’以避免奈米材料的部分燒結。該奈米材料包含、 但不限於銅、銀、金、絶 紀錫、鎢、鈦、鉻、釩、鋁、 及其合金。 亦即靠近 ，擋光器 在-實施例中，擋光器係靠近接觸於光源 光源近側或與光源距離靠近）。在另-實施例 201210717 係菲近接觸於基材。在—或多個實施例中，擋光器係取 向為垂直、水平、或呈傾斜方向。擋光器的鄰近係與系 統的各種參數有關’包含實體孔洞尺寸與形狀、移動速 度、輻射能量源的類型、以及材料的本質。在某些實施 例中’能量源包括-脈衝式或閃光燈泡作為主要輻射能 量源。 在一實施例中，擋光器係位於靠近基材近側、但不碰 觸到基材材料。在一實施例中，撞光器位於從燈泡到工 作件之間距離的至少、50%處。在其他實施例中，遮罩係 位於從燈泡到工作件之間距離的至少6〇%、或7〇%、或 8〇%、或90%、或95%處。確定的距離可根據系統的一 或多項參數而定，例如遮罩的幾何形狀、工作件的配置、 傳送器的速度、以及能量等級。 在一或多個實施例中，一可移動遮光片係與基材對光 源的暴露時序協同配合。在一或多個實施例中，基材觸 發一偵測器，該偵測器帶動一擋光器（例如具有光遮蔽 之形式）移動至一特定點，直到基材直接位於光源下方 為止。 在另一態樣中，係使用一或多個反射器作為可進一步 引導能量之遮罩。反射器包含、但不限於成像反射器。 在某些實施例中，係移除反射器的—特定部分以減少傾 斜光。在某些實施例中，反射器使光源發出的光朝向基 材反射。反射器產生一孔洞，且使可施用至基材的引導 能量達到最大。反射器的反射表面可形成為呈一預定角 201210717 度’以將來自光源的光引導至基材上待處理之一位置。 可調整反射器在基材與光源之間的位置，使得來自反射 表面之反射光的強度可被增加或減少。 在一貫施例中，并调县I、》 t 元源疋U—向上方向發光。在另一實 施例中，光源是以—A ~ , 方向發光。光源的發光方向可

根據各種工作件的條侔盥# $ I i A η 位置而決疋，條件包括基材與 擋光器。 本文所述之系統與方法可單猫蚀田 J早獨使用、或可彼此結合而 使用，以於燒結期間減少漫射光。 燒結系統可包含一值；主。》4 。 專廷益系統，基材則直接位於傳送 器上方。舉例而言，值3S —r 得送益可以每分鐘2英呎至每分鐘 10 0 0央吸之速度操作以狡 、 移動基材。一傳送器控制模組可

決定基板被移動的速度β蛊你 A ▲ 又舉例而S ，傳送器系統可以一 開始/停止動作操作以及一速择 逑、·貝動作刼作。傳送器的動作 係與閃光動作協同配合，瑞 以確保工作件可得到燒結所需 的足量能量。工作件可包含較大的工作件，因此能量係 可：次提供至工作件的—部分、然後提供至另一部分。 或疋例如在>ί專送益上可存在連續的不同片件。遮罩 可使工作件被放置地更靠折姑+ 疋罪近彼此，使得對其中一個（或 一組）工作件之燒結不會 1使具他工作件部分燒結。 系統可包含一接觸屏蔽， 4接觸屏蔽係附設至先與燈 泡接觸的遮罩側部。系統一 ° 3 平直裝置，以窄化光 束且/或使光束對齊於—特定方向。 在另一態樣中’在將雷早;L ^ ^ €于材枓加至基材上之後、但在 201210717 具有電子材料的基材抵達一光燒結站之前，先對基材塗 佈一溶液’該溶液可減少或消除漫射光之部分燒結，但 可允許經過引導的光（例如在燈泡下方的光）之燒結， 此作為以一角度入射之能量之擋光器。在一或多個實施 例中，藉由經引導之光的力量及/或以後續程序進行「洗 除（wash away )」，即可於燒結期間使塗層稍後被移除。 脈衝燈泡操作參數的示例範圍包含以下： 1·脈衝週期：於1/3峰值下所測得為i微秒至1〇〇〇〇〇 微秒。 2· 每一脈衝之能量：1焦耳至5000焦耳。 3 ·脈衝速率：每秒單一脈衝至每秒1 〇〇〇個脈衝。 4. 脈衝模式.單一脈衝、脈衝串（burst )、或連續脈 波。 5, 燈泡配置（形狀）：線形、螺旋形、或ϋ字形。 6·光譜輸出：180奈米至1〇〇〇奈米。 7·燈泡冷卻：空氣冷卻、強制氣冷或水冷。 8·波長選擇（在燈泡外部）：無、或紅外線（ir)濾 光器。 ~ 9·均句度範圍：土0.1%至±25% (中央至邊緣）。 10·燈泡外殼窗部：無、派熱司玻璃（_χ)、石英' 透明石英（suprasil )、或藍寶石。 U·底部與頂部順序安排：介於從〇%至100%頂燈至 0%至100%底燈之間的任何組合。 基於本發明之上述實施例，應明顯可進行修飾，而不 12 201210717 责離本發明之範疇。該系統可結合其他濾光器而使用。 【圖式簡單說明】 特疋實施例的特徵與優點係說明於如附圖式中。 第1圖為系統與方法之示意圖，其說明帶狀問題 (striping issue ) 0 第2圖為不同能量等級對於—傳導油墨之影響的圖表 說明。 第3圖為利用遮罩以於燒結中減少漫射光之系統與方 法的示意圖。 【元件簡單符號說明】 100燈泡 102反射器 104工作件 106方向 108箭頭 110箭頭 112左手側 302遮罩 304箭頭

Claims (1)

1. 201210717 七、申請專利範圍： 1. 一種燒結系統，該燒結系統包含： —閃光燈系統，該閃光燈系統包含一燈泡以對一 ，件提供此里，該燈泡具有介於^微秒至1 〇〇〇〇〇 微秒之-脈衝週期且每一脈衝為i焦耳至5〇〇〇焦 耳，該脈衝週期係於1/3峰值下所測得，該閃光燈系 統亦包含一擋光器，該擋光器位於該燈泡與該工作件 1 乂阻擋來自s亥燈泡之能量抵達該工作件之一第 一部分，同時使來自該燈泡之能量可抵達該工作件之 一第二部分。 .:明求項1之系統，結合該工作件纟中該工作件包 基材，豸基材具有在該基材上有金屬纟米材料之 一傳導油墨。 3.=请求項2之系統，其中該擋光器阻擋一足夠量之能 里，以避免該奈米材料之部分燒結。 d項3 H统’其中該奈米材料包含銅奈米粒子。 5.如明求項1之系統，其中該燈系統進-步包含一傳送 器^固疋工作件，該傳送器可於一行進方向中移動， 1行進方向係與月巨量從該燈泡被施加至工作件的方 °—質垂直帛遮罩阻擋在該傳送器的進料側上的該 工作件之一部分的能量。 201210717 6. 如睛求項！之系統’其中該閃光燈包含一紫外光㈣ 燈泡。 7. 如請求項1之系統，其中該燈泡包含一閃光燈，且其 中1擒光器包含一遮罩，該遮罩具有一孔洞。 8. 如睛求項1之系統，其中該擋光器包含一遮罩，該遮 罩防止低於一臨界值之能量抵達該工作件的該第一 部分，同時使高於一臨界值之能量抵達該工作件的該 第一部分。 9. 如請求項2之系統，其中該工作件係足夠大，使得該 燈泡可一次燒結一部分。 10. 如叫求項2之系統，其中該工作件包含分散的單元， 該專單元係排列為使得其中一或多個可暴露於來自 該燈泡之能量，而一或多個其他片件係定位為可使該 能量被阻擋於該一或多個其他片件外。 11. 如請求項1之系統，其中該擋光器包含一遮光片。 12. —種閃光燈燒結系統，該閃光燈燒結系統包含一閃光 燈系統’該閃光燈系統包含一閃光燈以提供至一工作 件’該工作件具有一基材與一傳導油墨，該傳導油墨 含金屬粒子’該能量大於足以燒結該傳導油墨以具有 一所需傳導性之一第二臨界值，且低於一第三臨界 值’其中高於該第三臨界值之能量會破壞該基材，該 15 201210717 閃光燈系統亦包含—於φ哭 ^ s 拉九15 ’該擋光器位於該燈泡盥 該工作件之間以阻擒來自該燈泡之大於一第—臨界 值之能量抵達該工作件的—第一部分，使能量不會部 分燒結該 工作件，1中；穸筮 干，、τ忒第一臨界值係低於一第二臨 界值，同時使來自該燈泡之介於該第二臨界值與該第 二臨界值之間之能量可抵達該工作件的一所需第二 淖刀，U燒結該工作件中之該傳導油墨。 13如:月求項12之系統’其中至該第二部分之該能量係 足以燒結含奈米孝立子之-傳導油墨。 14.如請求項12之系統 足以燒結含銅奈米粒 ，其中至該第二部分之該能量係 子之一傳導油墨。 15.如請求 A u 之系統，其申該系統包含一傳送器以固 夺作件，該傳送器可於一行進方向中移動，該行進 二/、flb量從該燈泡被施加至工作件的方向實質 «I* f- ，該擋光器係阻擋在該傳送器的進料側上的該工 作件之一部分的能量。 16 ·如請求jg ， 之系統，其中該閃光燈提供之能量脈衝 具有介於1微秒至100000微秒之一脈衝週期，該脈 期係於1 /3峰值下所測得，且每一脈衝為1焦耳 至500〇焦耳。 乂、、’Q工作件之方法，該等工作件具有含微細粒子 之傳導、、山s /田墨’該方法包含以下步驟··沿著—傳送器移 16 201210717 動-工作件至-區域，在該區域處該工作件的—所需 部分係可暴露於能量中，·利用一閃光燈對-所需區域 ^加足夠能量，以使該傳導油墨被燒結；以及阻擔能 量至該工作件的其他部分，以防止部分燒結。田 18·如請求項17之方法，該方法包含以下步H傳 j器：供引入一工作件以固持工作件’該傳送器可於 订方向中移動，該行進方向係與能量 ::步至工作件的方向實質垂直，其中該阻撐步驟包 ，驟.阻擋在該傳送器的進料側上的該工作件之 一部分的能量。 19·如請求項 燒結具有 粒子〇 Π之方法，其中該燒結步驟包含以下步驟 —傳導油墨之一基材，該傳導油墨含有金屬 17