本发明涉及用于在塑料衬底上形成导电结构的方法，其中首先在塑料衬底上印上墨水。
背景技术：
为了在印刷电路板上以及在微电子和传感器组件中制造导线组，建立光刻和电镀方法。然而，这些方法非常复杂而且昂贵，并且因此不大适合于最小批量生产和快速成型。直写方法、例如气溶胶印刷和喷墨印刷是非常灵活的替代技术。但是在此不利的是，对于这些方法至今采用主要成本密集的纳米级的银墨水。在此，金属颗粒覆盖有防止墨水之内的聚集和沉淀的有机层。为了降低被印上有这样的墨水的印制导线结构的电阻，必须从印制导线结构移除有机组分。
从US 2010/0178434 A1已知一种在衬底上印刷含银墨水的方法。该墨水除了含银化合物以外也还含有分散稳定剂和溶剂。在电路的印刷之后整个衬底借助于电子束被加热至190℃以上，以便移除在衬底上剩下的有机材料并且因此形成由银构成的印制导线。由于衬底加热至190℃以上，该方法在要使用的衬底材料、尤其关于塑料材料受限制。另一个缺点由于为此需要的价格密集的含银墨水而得出。
在DE 699 21 515 T2中公开一种用于在印刷电路上提供印制导线的方法，其中首先利用一种导电的和可硬化的墨水把电路的结构印刷到衬底上。紧接着，借助于从硫酸铜溶液电镀出来加强所印刷的印制导线，并且最后还施加电子束，以便使印制导线电离并且改变其电极性。在这里产生不利影响的是，涉及多阶段的过程，在该过程中需要湿化学。
在US 2005/0255253 A1中再次建议，以电子束扫过其上印刷了导电的含聚合物的墨水的衬底表面。然而在这种方法的情况下电子束不是用于从衬底移除有机材料，而是用于由于辐射诱导的聚合物交联而使墨水硬化。在这种方法的情况下产生不利影响的是，具有聚合物组分的印制导线的导电性不是特别良好的。
技术实现要素：
因此，本发明所基于的技术问题是，创造一种方法，借助于该方法克服现有技术中的缺点。利用按照本发明的方法尤其应该即使在塑料衬底上也可以形成导电结构，其中采用价格便宜的墨水，而且其中能够实现在衬底上形成的印制导线结构的高的导电性。
该技术问题的解决方案通过具有专利权利要求1的特征的主题得出。本发明的其他有利的设计方案由从属权利要求得出。
在按照本发明的用于在塑料衬底上形成导电结构的方法中，首先在塑料衬底上至少在应该形成导电结构的表面区域上印上包含导电固体颗粒的墨水。按照本发明使用铜颗粒作为导电固体颗粒。在这里产生有利影响的是，含铜颗粒的墨水跟其中导电颗粒由贵金属组成的墨水相比更便宜。因为在存放在大气条件下的情况下通常不能防止铜颗粒的氧化，所以在本发明意义上术语铜颗粒也应被理解为如下这种铜颗粒，在这些铜颗粒的表面上部分地或完全地形成氧化物层。但要明确地提及，铜颗粒的氧化对于按照本发明的方法来说既不需要也不希望。因此，按照本发明，术语“铜颗粒”也应被理解为具有至少90％的铜份额的氧化物和合金。
然而，仅仅含铜颗粒的墨水的印上还不在衬底上产生实用的导电结构，因为铜颗粒的表面处的尤其通常不能完全避免的氧化防止在彼此交界的铜颗粒之间形成良好的电接触。这相对于含贵金属的墨水是一个缺点，含贵金属的墨水的颗粒不像铜一样迅速地易于氧化。因此所印上的含铜颗粒的墨水还需要进一步处理。按照本发明，在印上含铜颗粒的墨水之后在真空室之内借助于具有第一每单位长度能量(Streckenenergie)的电子束只扫过塑料衬底的应该形成导电结构的表面区域。在此，具有到所印上的墨水中的能量输入的每单位长度能量被选择，使得由于以电子束扫过墨水而引起铜颗粒的烧结。铜颗粒的烧结导致彼此交界的铜颗粒只逐点地或在较小的表面区域中相互融合，由此才制造从一个铜颗粒到相邻的铜颗粒的良好的导电接触并且因而形成导电结构。通过冲击(Beaufschalgen)含铜颗粒的墨水同时也还从塑料衬底移除墨水的有机组分。
因为以具有第一每单位长度能量的电子束只扫过衬底的应该形成导电结构的表面区域，并且因为在那里能量主要地被输入墨水的铜颗粒中，所以按照本发明的方法也适合于对温度敏感的衬底、如塑料衬底。但利用按照本发明的方法也可以在其他衬底材料、诸如半导体、玻璃或陶瓷上形成导电结构。
附图说明
随后根据实施例进一步解释本发明。在图1中示意性地示出了塑料衬底1，在该塑料衬底上应该形成导电结构。
具体实施方式
按照本发明在塑料衬底1上首先印上墨水，该墨水包含铜颗粒形式的导电颗粒。墨水的印上至少在塑料衬底1的应该形成导电结构2的表面区域中进行。在属于图1的实施例中，仅塑料衬底1的应该形成导电结构2的那些表面区域用墨水来印刷。对于印上墨水的方法步骤可以使用现有技术中已知的所有墨水印刷法、诸如喷墨印刷、气溶胶喷射印刷、喷淋印刷或丝网印刷。
按照本发明所使用的墨水的特色在于，铜颗粒在该墨水中的份额至少为15重量％，并且铜颗粒具有5nm至100μm的范围内的大小。优选地使用大小在5nm至1μm的范围内的铜颗粒，因为利用这种数量级的颗粒也能够形成特别细长和精巧的印制导线结构。除了铜颗粒以外，该墨水也还可以具有溶剂、水和用于控制墨水粘度的添加剂，如也从用于印刷电路的其他墨水已知的那样。在一个实施例中，使用含铜墨水，该墨水被形成为黏度小于5Pa·s(帕斯卡秒)的低粘性悬浮液。
在印上墨水之后，对仅在塑料衬底1的应该形成导电结构2的表面区域上的所印上的墨水的铜颗粒进行烧结，并且因此在这些表面区域之内在彼此交界的铜颗粒之间形成导电接触。为此把塑料衬底1引入图1中未示出的真空室中。在真空室之内借助于具有第一每单位长度能量的电子束3只扫过塑料衬底1的应该形成导电结构2的表面区域，该第一每单位长度能量引起铜颗粒的烧结。
电子束特别适合于将烧结所需要的能量输入到铜颗粒中，因为可以产生射束焦点非常小的这样的电子束，并且因此可以形成非常细长的印制导线结构。另外，电子束可以以高的精度非常迅速地偏转，这导致具有高精度的高生产率。另一个优点有根据地在于，在电子束的情况下能量输入的深度分布可以调整，由此烧结铜颗粒所需要的能量也主要被输入铜颗粒中，并且因此可以使处于其下的衬底在热方面只承受小的负荷。因此，按照本发明的方法尤其适合于塑料衬底。
在这点上要明确提及的是，按照本发明借助于电子束3的能量只引起铜颗粒的烧结与有机组分的同时的烧尽，但不引起铜颗粒的完全熔融。为此所需要的、扫过所印上的墨水以便引起铜颗粒的烧结必须利用的每单位长度能量可以在实验室试验中针对每种应用情况根据衬底的类型和含铜墨水的成分简单地确定。通过以下方式得出在以电子束扫过衬底时的每单位长度能量：用电子束的进给速度除电子束的电功率。对于按照本发明的方法，由电子束发生器4产生的、具有1W至150W的功率的电子束3是适合的，其中应用具有0.1m/s至100m/s的速度的电子束3的进给，电子束3以该进给扫过塑料衬底1。
为了借助于具有第一每单位长度能量的电子束3扫过塑料衬底1以便形成导电结构2提供两种做法。一方面该塑料衬底1可以被引入真空室中，并且紧接着检查：塑料衬底1在真空室中是否按规定被定位。若该检查得出，塑料衬底正确地被定位，则按照要形成的导电结构的预先给定的地理图案以电子束3扫描塑料衬底1的表面。
在一种替代的实施方式中，在以电子束3扫过塑料衬底1期间，借助于图1中未示出的传感器装置检测反向散射电子和/或二次电子，并由此借助于同样未示出的分析装置产生一个信号，根据该信号控制电子束3的方向。在这种做法的情况下可以检查并确保，电子束3在塑料衬底的表面上的位置处于应该形成导电结构的表面区域之内。为此所需要的具有所属的分析和控制装置的用于检测二次电子和反向散射电子的传感器装置例如从电子束焊接已知，并且能够简单地集成在用于形成导电结构的设备和方法中。
在按照本发明的方法的另一种实施方式中，为了检查电子束3在塑料衬底1的表面上的位置或为了检查塑料衬底1在真空室之内是否也正确地被定位，借助于具有第二每单位长度能量的电子束3扫过塑料衬底1，其中该第二每单位长度能量被选择为小于该第一每单位长度能量。借助于具有第二每单位长度能量的电子束3扫过塑料衬底1因此一方面不导致铜颗粒的烧结，并且另一方面不导致由热决定的塑料衬底1的损坏。在以第二每单位长度能量扫过塑料衬底1时，不仅可以扫过塑料衬底1的应该形成导电结构2的表面区域，而且可以扫过不应该形成导电结构2的表面区域。在这里也借助于该传感器装置检测二次电子和/或反向散射电子。于是借助于由此形成的塑料衬底1的表面的对比图像可以确定，塑料衬底1在真空室之内是否按规定被定位，和/或电子束3在其以第一每单位长度能量扫过塑料衬底1的表面时是否还在应该形成导电结构2的表面区域之内起作用。这样，电子束3可以在以第一每单位长度能量扫过塑料衬底的表面期间以时间间隔切换到第二每单位长度能量，以第二每单位长度能量扫描塑料衬底1的整个表面，以便检查它在塑料衬底1的表面上的位置，并且紧接着继续以第一每单位长度能量扫过塑料衬底1。为此所需要的用于切换电子束的每单位长度能量和用于控制电子束的方向的控制装置是已知的。
在关于图1所描述的实施例中，塑料衬底1只在应该形成导电结构2的表面区域中用包含铜颗粒的墨水被印刷。但是，作为替代方案，也可能的是，塑料衬底1的超过导电结构的区域的表面用包含铜颗粒的墨水来印刷。这样，例如塑料衬底1的整个表面也可以用含铜的墨水来印刷或用铜颗粒来涂敷。紧接着，于是又借助于具有第一每单位长度能量的电子束3只扫过塑料衬底1的应该形成导电结构2的表面区域。在形成导电结构2之后，于是把墨水从塑料衬底1的没有借助于电子束烧结铜颗粒的其它表面区域移除。这例如可以通过以下方式来进行：没有施加具有第一每单位长度能量的电子束3的墨水用机械或化学手段从塑料衬底1的表面被移除。
另外，通过在对包含铜颗粒的墨水施加电子束3期间准许还原铜颗粒的氧化的气体进入真空室中，可以进一步提高按照本发明所制造的导电结构2的导电性。已证实气体氢是特别适合于此的，因为它从铜颗粒的氧化的边缘层取走氧并与氧化合成水，该水从墨水蒸发。以这种方式还原在铜颗粒情况下的氧化的边缘层，并且因此提高所形成的导电结构2的导电性。作为替代方案，为此也可以使用含氢气体。
上述实施例如下被描述了：塑料衬底的表面总是只在一个位置处被施加电子束。但在按照本发明的方法中也可以采用已知的利用多射束技术的装置，在这些装置中电子束迅速地被偏转，使得它在一定程度上在多个部位处同时冲击塑料衬底的表面，如例如从电子束焊接已知的那样。以这种方式在按照本发明的方法中可以在多个部位处同时执行印制导线结构的烧结。在这种利用多射束技术的实施方式中，也可以使用具有直至10kW的功率并且具有直至11.4km/s的偏转速度的电子束产生器。