專利名稱：使用致密金屬粉末來形成電磁通訊電路組件的制作方法
技術領域：
本申請涉及由金屬粉末組合物形成的電子制品及其制造方法。
背景技術：
圖形化的金屬制品諸如印刷電路板已廣泛使用在電子工業(yè)中?？梢酝ㄟ^利用熱模將壓力施加給粘接劑涂覆的基板上的金屬顆粒來制造印刷電路。金屬顆粒還可以與固化有機粘合劑混合、并使用粘接劑層提供給基板，進行加熱并施壓。還可以通過將混合有無機復合材料的導電無定性顆粒嵌入到可熱軟化的基板中來制造印刷電路。絲網(wǎng)印刷還可以被用于將有機材料和導電顆粒的混合物提供給基板，并且含有金屬-有機化合物和金屬顆粒的組合物還可以被絲網(wǎng)印刷到基板上并被加熱，以形成電路圖形。
在這些化合物中的粘接劑和有機粘合劑是電路的弱導體，并且，當它們與金屬顆?；旌蠒r，就會降低獲得的電路圖形的總導電率。無機和金屬-有機化合物的使用則受限于材料和具體基板的特定組合，且需要高的處理溫度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種包括基板上的導電圖形的制品，其形成電磁通訊電路的一個或多個電子元件的所有部分或局部，其中導電圖形包括一種強化層金屬粉末組合物。
本發(fā)明提供一種包括至少一個線圈和任選的至少一個電容器極板的設備，該線圈形成一個天線以吸收并發(fā)射能量，該電容器極板電連接到天線的線圈以調(diào)諧天線的諧振頻率，其中通過基板上的強化層金屬粉末組合物的導電圖形來限定線圈和電容器極板中的至少一個。
本發(fā)明的元件可以與其它元件組合，以形成多功能的制品，例如，射頻識別標簽(也稱為RFID嵌條)、RFID標簽、諧振式標簽(也稱為諧振標簽)、硬件元件諸如天線、將直接接觸連接提供到集成電路的標簽、可以任意地含有集成電路、電池、熔絲、顯示器、傳感器等的各種票或者卡。
本發(fā)明還提供系統(tǒng)組件。例如，在射頻識別系統(tǒng)中，本發(fā)明可以提供一種耦合到接近存儲區(qū)的射頻識別讀卡機以產(chǎn)生磁場的天線和耦合到天線以便對天線提供電能以利用射頻識別標簽來進行通訊的射頻識別讀卡機。由基板上的強化層金屬粉末組合物的導電圖形限定出射頻識別標簽的至少一部分。在另一個實施例中，本發(fā)明可以提供一種諧振式標簽，該諧振式標簽被提供給或被包含在零售制品的包裝之中并用作系統(tǒng)的一部分，從而提供零售倉儲中的偷竊保護。
本發(fā)明能夠制造出紙和其它壓縮基板上的適合導電圖形。這些基板通常是廉價的材料并且有利于最終的制品，諸如柔性、標準化、特定表面特性且易于回收。由于本發(fā)明的方法需要最少的工藝步驟數(shù)量和材料、不需要昂貴、特定的或慢速的工藝步驟、且使工藝費用和污染最小，因此本發(fā)明的方法可以在低成本下實施。
通過本發(fā)明制造的有用電子元件的例子包括電子電路、環(huán)形天線(也稱為線圈天線)、偶極天線、連接器、連接器焊盤、電容器、電容器極板、電橋(也稱為跨接線)、諧振式線圈(也稱為諧振線圈)、通孔、電阻器和在這些元件和其它元件之間的電連接。
在以下的附圖和說明書中，詳細地闡明了本發(fā)明的一個或多個實施例。本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將從說明書和附圖中并且從權利要求書中變得明顯。


圖1是在本發(fā)明的一個實施例中使用的液壓機的剖面圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的用于捕獲導電圖形的圖1的液壓機的剖面圖。
圖3是在捕獲導電圖形之后的制品的剖面圖。
圖4是用于致密所捕獲的導電圖形的液壓機的局部剖面圖。
圖5是含有電路元件的制品的透視圖。
圖6是電阻作為具有銅導電圖形的紙板的線路重量的函數(shù)的曲線圖。
圖7是電阻作為用于致密所施加的壓力函數(shù)的曲線圖。
圖8是標準化基板體積作為施加的壓力函數(shù)的曲線圖。
圖9是標準化基板體積與標準化基板壓縮厚度的曲線圖。
圖10是說明用于文件和文本管理的示例性射頻識別(RFID)系統(tǒng)的方框圖。
圖11到12說明示例性的RFID標簽。
各個附圖中的相同參考符號代表相同的元件。
具體實施例方式
參照圖1，在基板3的所有部分或選擇部分之上淀積金屬粉末組合物層4。
金屬粉末組合物層4可以包括精細分離的金屬顆粒。適合于金屬粉末組合物的金屬顆粒包括銅、錫、鎳、鐵、鋼、鉑、鋁、銀、金、鉛、鋅，等等，并且特別優(yōu)選銅。金屬粉末組合物還可以包括導電非金屬粉末，例如石墨。金屬粉末組合物4可以僅僅含有一種金屬，或者它可以含有兩種或多種金屬，在這些組合物中作為兩種或多種金屬顆粒的混合物、包括合金的顆粒、摻合物或混合物、用第二種金屬包覆的一種金屬顆粒，等等。作為替換，可以淀積金屬粉末組合物或金屬粉末組合物的組合以作為下層，然后可以淀積作為上層的不同的金屬粉末組合物或金屬粉末組合物的組合。
金屬粉末組合物4中的顆粒形狀可以各式各樣。金屬顆?？梢允窍嗤螤罨虿煌螤?，且可以是規(guī)則構形或不規(guī)則構形。例如，實例性的顆粒形狀包括球狀、長方形、針狀、枝狀、多面體(例如，正方體、立方體、棱錐體等)、棱柱狀、片狀、棒狀、平板狀、纖維狀、芯片狀、觸須狀及其組合。類似地，金屬粉末組合物4中的金屬顆粒尺寸可以各種各樣，并且可以包括單分散顆粒，顆粒尺寸的多方式分布，或顆粒尺寸的任意分布。優(yōu)選地，金屬粉末組合物4中的顆粒具有大約0.1～大約2000μm(微米)的微細顆粒尺寸；優(yōu)選在大約0.2μm和大約1000μm之間；最優(yōu)選在大約1μm和大約500μm之間。
可以處理一種或多種金屬粉末組合物中的金屬粉末，以便去除所有或部分的任何表面氧化物。方法是本領域普通技術人員公知的且隨著不同金屬而改變，并且可以包括還原(例如，在高溫下利用氫)，利用酸或堿性溶液的清洗等?？梢栽趯⒔饘俜勰┙M合物提供到基板之前實施處理，同時在基板上(如圖1中所示)淀積金屬粉末組合物，或在捕獲金屬粉末之后(如圖2中所示，以下說明)?？梢栽趯⒔饘俜勰┙M合物提供到基板之前進行這種處理。
可以按照各種方式例如充分干燥粉末或利用添加有氣體、液體或固體材料以便調(diào)節(jié)其流體特性在基板3上淀積金屬粉末組合物4?？梢栽诒景l(fā)明方法的實踐期間按某些方式從金屬粉末中基本上去除這些添加物，以便最終的制品含有包括不超過5重量％、優(yōu)選不超過3重量％、且最優(yōu)選不超過1重量％的添加物的金屬圖形。適合的調(diào)節(jié)流體特性的添加劑可以包括水、溶劑、抗烘焙劑、潤滑劑、空氣、氮及其組合物。優(yōu)選具有載體材料功能的液體。如果采用載液，金屬粉末組合物就會表現(xiàn)為潮濕粉末或漿料的形式。無論是否利用調(diào)節(jié)流動性的添加物淀積的金屬粉末組合物都應當具有流動特性，使它平坦并填充在基板表面上的部件，例如表面空隙、在纖維之間的間隙或可選的通孔7(參見圖1)。
金屬粉末組合物可以包括附加元件和添加物，例如，提供的加濕劑、抗靜電劑、防絮凝劑、著色劑、清潔劑、抗氧化劑和濕溶劑或干溶劑，其中最終制品含有包括不超過5重量％、優(yōu)選不超過3重量％、且最優(yōu)選不超過1重量％的添加物的金屬圖形。例如，如果金屬粉末組合物是液體漿料，那么漿料還可以含有化學劑，以防止金屬粉末的氧化。
基板3是紙或壓縮材料。在本發(fā)明的實踐中，首先，選擇滿足此需要的基板。如在此所采用的，壓縮意味著基板在平行于施加的壓力上尺寸減少，也可以相同量地減少基板的總體積。當在此所采用的壓縮作為定量測量時，X％可壓縮性意味著，平行于30MPa的施加壓力所測量的基板尺寸是在0.07MPa下在此方向上其尺寸的[(100-X)/100]倍，且30MPa下基板的總體積是在0.07MPa下其體積的[(100-X)/100]倍。如果尺寸在施加壓力方向上改變和體積改變產(chǎn)生不同的X值，那么就采用兩個數(shù)值的較小X來定義材料的定量壓縮系數(shù)。
壓縮系數(shù)是基板的物理特性，可以測量它以作為基板選擇工藝的一部分。在整個基板樣品之上測量壓縮系數(shù)(例如，如以下實施例32中所述)，并且壓縮系數(shù)不是當將壓力施加到基板的一部分期間按照具體圖形所觀察到的局部行為的函數(shù)。壓縮系數(shù)是基板材料的結構特性的函數(shù)，具體地是顯著出現(xiàn)的空隙、孔、內(nèi)纖維空間或其它開口空間量的函數(shù)。優(yōu)選地，隨著施加壓力的釋放，基板仍然會呈現(xiàn)出至少10％的尺寸和體積變化，更加優(yōu)選地，它們呈現(xiàn)出在30MPa下觀測的百分比壓縮系數(shù)的至少50％的尺寸和體積變化，并且最優(yōu)選它們呈現(xiàn)出在30MPa下所獲得的百分比壓縮系數(shù)的至少75％的尺寸和體積變化。
由于晶體和非晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，施加壓力的結果，完全致密材料或高致密材料諸如擠壓或鑄塑聚合物膜會展現(xiàn)出各向同性或各向異性的體積變化。對于本發(fā)明工藝中使用的這些材料典型地不能完全地壓縮。類似地，完全致密生態(tài)化合物(green-state composite)材料或高致密生態(tài)化合物材料在加熱和固化時會呈現(xiàn)出體積變化，但在本發(fā)明工藝中則不希望是充分壓縮的。
基板3可以是柔性的，這意味著它可以用手環(huán)繞大約5cm(厘米)直徑、優(yōu)選2cm直徑的棒來進行彎曲?；蹇梢允侨魏芜m合的厚度，其保持它的柔性，且優(yōu)選具有小于5000微米、更加優(yōu)選小于2000微米、最優(yōu)選小于1000微米的厚度。
基板3優(yōu)選具有弱導電性，以致可以通過本發(fā)明的實踐來形成導電金屬圖形。適合于本發(fā)明實踐的基板3包括紙；包含從合成聚合物或自然生成的聚合物制造的壓縮纖維和非壓縮纖維材料；或它們的組合物。這些基板的適合形式包括無紡物，包括干法層疊的無紡物和濕法層疊的無紡物；由熔噴纖維制造的無紡物；紡粘物或紡編物、紡織布和編織布、隔膜、泡沫體(優(yōu)選開孔泡沫體)和發(fā)泡織物、以及由鑄塑纖維組成的織物。
紙是一種優(yōu)選基板3，并且各種紙都適合的，包括(但不限于)牛皮紙、文具紙、復印紙、濾紙、新聞印刷紙、卡片材料、折疊材料、打印紙、特殊用紙、紙產(chǎn)品諸如紙漿板，等等。適合的紙可以通過不同工藝來制造，且可以含有填充劑、膠粘劑、顏料、染料和本領域普通技術人員公知的其它添加物。適合的紙可以被砑光或不被砑光、被處理以提供各種涂飾劑、并且被涂覆或不被涂覆。
適合的無紡物基板可以包括隔膜或多孔材料，例如超濾隔膜、微孔材料、鑄塑聚合物隔膜，以及在美國專利4,247,498和4,867,881中描述的熱感應相變材料(TIPS)。一種適合的基板是顆粒填充式、來自于Pittsburgh，PA的PPG工業(yè)、貿(mào)易標示為Teslin的可用于商業(yè)的微孔材料。Teslin由它的制造商描述為含有非粘合劑填充物的具有其60重量％和具有含有空氣的其65體積％的尺寸穩(wěn)定、聚烯烴基的微孔印刷薄片。
適合的基板材料可以是含有絲的纖維狀材料和纖維類材料以及諸如亞麻、大麻、棉、黃麻的纖維素材料和木素纖維素材料，或諸如人造纖維的合成纖維素材料和合成木素纖維素材料。
適合的基板可以由各種聚合物制造，其中聚合物包括熱固樹脂，熱固性、彈性體和交聯(lián)聚合物。適合聚合物的實例包括聚酰胺、聚氨基甲酸酯、聚烯烴(即，聚乙烯和聚丙烯)、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚醚、聚氯乙烯、硅酮、含氟聚合物、聚砜、尼龍、乙酸纖維素、烯鍵式不飽和聚合物，以及它們的適合組合。
基板可以可選地含有無機填充物顆粒，諸如陶瓷、金屬氧化物(例如，氧化鉭)和高介電常數(shù)陶瓷(例如，鈦酸鋇、鈦酸鍶鋇、二氧化鈦和鈦酸鋯鉛，以及它們的混合物)。其它適合的陶瓷填充物包括二氧化硅、沉淀二氧化硅、氧化鋯、氧化鋁、玻璃纖維，等等。適合的非陶瓷填充物包括聚合物纖維和碳纖維。其它添加劑包括例如，染料、顏料、增塑劑、膠粘劑、抗氧化劑、阻燃劑，等等。
可選地，基板材料可以在淀積金屬粉末組合物之前接受附加的化學處理或物理處理，諸如砑光處理、壓紋處理、表面處理(例如，等離子體處理，電暈處理或硅烷化)，等等。
基板可以包括單層或可選地包括以疊層結構排列的多層。疊層結構的各層可以由相同材料或不同材料來制造?；蹇梢园扇コ妮d體層?；暹€可以包括粘接劑層，只要多層基板是可壓縮的且不定位或處理粘接劑層，從而將金屬粉末組合物捕獲于基板或?qū)щ娊饘賵D形粘接于基板。
可以采用任何適合的方法以便將金屬粉末組合物淀積到基板之上，諸如，鋸齒棒涂覆、刀具涂覆、浸漬、篩選、篩除、噴涂、吹風或應用流化床?？梢岳孟嗤虿煌慕饘俜勰┙M合物、按照單獨采用方式或多種應用方式來應用金屬粉末組合物，或者根據(jù)最終產(chǎn)品中所需形狀、導電圖形的導電率和厚度，將金屬粉末組合物的組分或數(shù)量提供到基板的不同區(qū)域。
圖1示出了可選通孔7，其是完全穿通基板3的孔。如圖1中所示，可選通孔7填充有金屬粉末組合物4?？梢圆捎每蛇x襯墊6，以便在進行處理期間使可選通孔7中包含金屬粉末組合物4。
基板3和可選襯墊6位于壓盤2之上，可以保持在所需溫度。盡管圖1示出了壓盤2和基板3的平板結構，但在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，可以是其它幾何形狀，并且尤其是可以采用凹陷的幾何形狀。
液壓機1具有帶凸起或凸出部分的模具5。盡管在圖1的剖面圖中是不可見的，但將模具5的凸起構形為在基板的平面中產(chǎn)生一種圖形?？梢詫⑷我鈭D形機械印制到模具5之上(由此傳送到基板3上的金屬粉末組合物4)，諸如，直線或彎曲線、柵格、螺旋、圓、矩形、三角形、六邊形和可以固態(tài)地填充的其它幾何形狀，或這些形狀的輪廓，不規(guī)則形狀，以及它們的組合。
在本發(fā)明的一個實施例中，參照圖2，然后通過液壓機1按照模具5的凸起圖形將壓力施加到金屬粉末組合物4，以便將在基板上捕獲圖形。將區(qū)域10中的金屬粉末組合物壓縮進入并粘接到基板3，以形成捕獲圖形，同時將區(qū)域11中的金屬粉末組合物保留成未捕獲狀態(tài)(如圖3中所示，而在圖2中未示出)。模具5上的凸起還捕獲在可選通孔7中的區(qū)域12之內(nèi)的金屬粉末組合物。
用于捕獲圖形的處理條件將隨著為在金屬粉末組合物中使用而選擇的金屬粉末以及基板材料的性質(zhì)而大大改變。溫度、壓力和施加時間應當選擇為基本上對基板3的損傷最小、且優(yōu)選消除了對基板3的損傷，諸如熔化、翹曲、浸漬、發(fā)泡或分解。優(yōu)選地，壓盤2被保持在50和-25℃之間的溫度下，并且模具5或至少模具5的提升部分被保持在20和250℃之間、優(yōu)選20和200℃之間的溫度下。實用的處理壓力為20MPa到400MPa的范圍，并且壓力被保持至300秒。優(yōu)選地，壓盤2和模具5被保持在大約20到25℃、且在大約35MPa和200MPa之間的壓力被保持不超過大約60秒。
可以按照連續(xù)處理例如使用旋轉(zhuǎn)模具的方式、或者分批方式或按照液壓機1使用平坦模具的分步重復處理的方式來執(zhí)行捕獲處理?？梢园凑照?qū)挼木W(wǎng)膜、薄片、支撐在網(wǎng)膜上的薄片等方式來處理基板材料，在大規(guī)模制造實踐中本發(fā)明的使用將對本領域技術人員很明顯。
為了捕獲金屬粉末組合物4，可以通過公知的方法例如單獨或與聲學設備組合采用液壓機1、采用類似于模具5圖形的構圖超聲喇叭形輻射體(圖1中未示出)來提供壓力。施加的超聲能量就會提供有利的處理條件(諸如，更低的溫度或壓力)或有利于最終制品的性能。
例如，可以在基板3的相同或不同區(qū)域上進行采用相同或不同金屬粉末組合物的重復捕獲，以便給出較厚的由相同金屬粉末組合物的多層組成的捕獲區(qū)，或者提供兩層或多層捕獲金屬的分離層，或者按照基板3的不同區(qū)域方式來提供不同金屬，或者滿足最終制品的特定產(chǎn)品需要。
參照圖3，一旦去除了模具5，金屬粉末組合物的捕獲圖形就會在區(qū)域10、12中粘接到基板3，同時在區(qū)域11中金屬粉末組合物殘留而不粘接到基板3上。盡管圖3中示出了具有上表面的區(qū)域10中已粘接的金屬粉末組合物，其與基板3的上表面共面，但在本發(fā)明的實踐中，金屬10的上表面可以位于基板3的上表面之上、共面或之下?？蛇x地，可以通過各種常規(guī)方法例如壓縮空氣、真空、振動、沖刷、吹風、重力、水洗以及它們的適當組合，從基板基本上去除區(qū)域11中的殘余、未粘接的金屬粉末組合物。在此采用的術語捕獲意味著，已承受模具5凸起的壓力的區(qū)域10、12中的金屬粉末組合物充分地粘接到基板3，以致在去除了如圖3中所示的模具5之后，區(qū)域11中的金屬粉末組合物可以隨后基本上被去除，而不會去除區(qū)域10、12中已粘接的金屬粉末組合物?？蛇x地，可以回收去除的金屬粉末組合物。優(yōu)選地，在如圖4中所示的致密化之前，去除未粘接的粉末。
作為替換，可以采用模板或掩模來將金屬粉末提供到基板。模板具有穿孔、孔或按圖形切除或去除的部分并具有這樣的尺寸，使得金屬粉末穿通模板并以相應圖形淀積。模板可以包含通過其以微量分散或擴展方式淀積的緊鄰穿孔的部分，以便形成基本上連續(xù)和均勻的金屬粉末的淀積，或者模板可以包含通過其淀積金屬粉末的連續(xù)開口部分。如果模板包含穿孔，它們必須足夠大以便金屬粉末能夠通過它們。當采用模板時，優(yōu)選采用利用微量液體諸如水或輕微濕潤的基板來濕潤的金屬粉末，以便提高對基板的處理。利用模板，由于只按照所需位置方式來淀積金屬粉末，因此就不必去除額外的金屬粉末。優(yōu)選地，在通過模板淀積金屬粉末之后，基板和粉末將足夠小心地被操縱，以便在致密步驟中保持圖形。
在本發(fā)明的一個實施例中，參照圖4，然后用壓盤13、22以第二壓力的形式將致密能量施加到圖形區(qū)域10、12，以便使圖形更致密。優(yōu)選地，這種處理增加了圖形對基板3的粘性，并且使圖形具有更好的導電性以及使在區(qū)域10、12與基板3之間的表面更加光滑?；?表面上的最終導電圖形具有大于大約5％、優(yōu)選大于大約10％、更加優(yōu)選大于大約20％的品質(zhì)因數(shù)(FOM，以下將更加詳細地說明)。第二壓力可以由液壓式壓力提供，并且可選地，可以同時或依次提供熱、聲學能量或微波能量。還可以在提供參照圖4中的壓力之前，采用超聲波能量、熱或微波能量，或者可以單獨采用，以便不用提供第二壓力而完成致密化。處理順序和各種處理組合的變化和用于完成捕獲和致密的能量源都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
優(yōu)選地，用壓盤13、22將第二壓力施加到圖形基板3的相對側，以便使表面處和導電圖形10與基板表面之間的變形最小。盡管圖4說明了每個壓盤13、22和基板3的平坦結構，但其它幾何形狀也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，并且特別地至少可以采用一種彎曲的幾何形狀。優(yōu)選地，向基板的金屬化和未金屬化部分施加基本上相等的壓力。
可以按照連續(xù)處理方式、通過例如砑光輥、熱區(qū)或超聲波降解區(qū)這種方法，或者按照不連續(xù)方式或采用例如水壓、熱或微波爐或超聲波喇叭形輻射體的分步重復處理方式來進行致密。可以按照窄或?qū)捑W(wǎng)膜、薄片、支撐在網(wǎng)膜上的薄片等的形式，處理基板材料，并且在大規(guī)模實踐中的本發(fā)明應用將對本領域技術人員是明顯的。
在致密期間施加的壓力為大約20MPa至大約400MPa、優(yōu)選大約60MPa至大約200MPa。在自大約20℃至大約250℃的溫度下、優(yōu)選大約50℃至大約250℃的溫度下、最優(yōu)選大約100℃至大約150℃的溫度下執(zhí)行這些壓力之下的致密?？梢詢?yōu)選應用諸如超聲能量、不同溫度范圍的致密能源的其它能源，這將在實施例中進行闡明。
參照圖5，然后去除壓盤13，且最終的制品包括電子元件，該電子元件包括在基板3的表面15之上粘接的導電金屬圖形14。作為在此所采用的，電子元件是任何金屬圖形或形狀或金屬圖形和形狀的組合，其包括在功能電子器件中發(fā)現(xiàn)的元件的全部或部分。實施例包括軌跡，該軌跡提供電子電路、環(huán)形天線、偶極天線、連接器、連接焊盤、電容器、電容器極板、電橋、諧振線圈、通孔、電阻器、電感線圈，等等。
品質(zhì)因數(shù)可以用于根據(jù)以下等式、將壓制粉末測量的阻值與銅的最小可能理論電阻率進行比較％FOM＝(Rtheoretical/Rmeasured)×100％其中Rtheoretical是銅的電阻率，Rmeasured是壓制粉末圖形的測量電阻。電阻是對具體樣品測量的初始數(shù)據(jù)，這是對具體樣品的剖面和長度歸一化，以便達到計算的電阻率，與實施例1中更加全面描述的一樣。本發(fā)明的方法可以用于制造具有導電圖形的電路元件，該導電圖形具有大于大約5％的品質(zhì)因數(shù)，優(yōu)選大于大約10％、更加優(yōu)選大于大約20％。
導電圖形14很好地粘接到基板，并承受適度彎曲和磨損。例如，如實施例25中所述，可以在沿著不同尺寸的棒彎曲制品期間和之后，通過測量金屬圖形的電阻來確定金屬圖形對基板的粘性。在彎曲時電阻率的改變依賴于金屬粉末組合物的組分和基板材料。優(yōu)選地，含有電路元件的制品將承受沿著50mm、更優(yōu)選20mm直徑的棒彎曲，而不會使電阻顯著增加。理論上不希望被彎曲，粘接性依賴于機械粘附或來自同時壓縮金屬粉末組合物和基板結果的交織。
在致密之后，可選地，含有電路元件的制品可以承受進一步附加的處理，諸如翻轉(zhuǎn)、層疊、構圖、蝕刻、涂覆、裝配等?？梢蕴峁└郊訉?，并且這些附加層還可以包括導電圖形。
可以在如上述優(yōu)選范圍所說明的適度溫度下進行本發(fā)明的制造處理。更低的處理溫度導致了降低處理成本，并且還能夠利用高溫下不穩(wěn)定的基板材料。有利之處在于，能夠選擇各種特性的基板材料，包括柔性、表面能量、環(huán)境穩(wěn)定、再次利用或可回收、化學組合物、低成本等，同時需要滿足各種產(chǎn)品的要求，而不會受到處理溫度要求的限制。
在一個實施例中，可以采用這種技術，以便提供一種制品，其包括用于電磁通訊電路中的一種或多種電子元件的所有部分或局部。電路可以用于通訊系統(tǒng)。實施例的制品是RFID標簽。實施例的電路元件包括天線，用于電橋或跨接線的連接焊盤，用于集成電路的連接焊盤，電路，電容器極板，電容器，電橋，通孔，等等。在一個實施例中，本發(fā)明至少提供天線的主要部分，以致本發(fā)明的紙板或可壓縮基板也形成RFID標簽結構中的主要層。
可選擇地，RFID標簽是包括RFID元件和磁性安全元件的組合標簽。
在另一個實施例中，可以采用這種技術，以便提供一種制品，其包括諧振標簽諸如天線、用于電橋或跨接線的連接焊盤、電路、電容器極板、電容器、電橋、通孔、熔絲等的一種或多種電子元件的所有部分或局部?？梢圆捎眠@種技術，以便至少提供天線的主要部分，以致本發(fā)明的紙板或可壓縮基板也形成諧振標簽結構中的主要層。例如，可以采用諧振標簽，以便提供在零售倉儲中防止偷竊，并且在一些應用中，它可以優(yōu)選用于標簽，以含有熔絲、電容器或其它元件，其特性和性能可以隨電流、電壓和電磁場的應用而改變。
在再一個實施例中，可以采用這種技術，以便提供一種制品，該制品具有至少一種電連接到至少一個集成電路(包括(但不限于)在硅晶片基板上制造的集成電路，通常稱為管芯或芯片)的連接焊盤。例如，紙或可壓縮材料的基板上的導電金屬圖形可以形成連接焊盤，并且還可以被連接到(直接或通過導電粘接劑、焊料、導線焊接等)集成電路，以便提供一種制品，其中通過接觸并使電連接到導電金屬圖形的連接焊盤來完成外部器件或制品到集成電路的電連接。集成電路可以是裸的或已封裝的。在本實施例中，導電金屬的連接焊盤可以被形成為大于集成電路上的連接部位，以便尤其是如果集成電路的尺寸和集成電路上的粘附焊盤太小(小于大約2mm)，也能夠通過外部器件或制品更加容易地接入并連接。
在再一個實施例中，這種技術可以提供電阻和熔絲的電子元件。處理可以采用不同的材料或條件，以便制造出這些元件。例如，利用不同金屬粉末的組合(諸如銅、錫或諸如鋼的合金)，就可以生產(chǎn)出適合于電阻和熔絲的更低導電率(較高電阻率)的軌跡。處理條件例如致密壓力或溫度的改變，還可以導致適合于電阻和熔絲的軌跡。在變化寬度方式下，可以壓制相同金屬粉末的附加軌跡，從而獲得用于電阻和熔絲的可改變的電阻。此外，它可以有利于組合較高和較低電阻率的元件，例如通過電連接較高和較低電阻率(分別為較寬的寬度和較窄的寬度)的軌跡，以產(chǎn)生與導電元件串聯(lián)或并聯(lián)的電阻或熔絲。這種元件的組合還可以利用金屬粉末的不同組合來制造、排列以便給出較高和較低電阻率的部分。本領域技術人員將認識到，在使用不同條件的情況下，本發(fā)明的各元件可以變得不同。例如，在一種施加電壓或施加電流的情況下，元件可以具有導電軌跡的功能，同時在第二施加電壓或施加電流的情況下，元件就具有熔絲的功能。
在進一步的實施例中，該技術提供了到電池的電連接或形成電池電極。本發(fā)明的技術還可以用于制造制品，其中導電金屬圖形提供至少一種到傳感器元件的連接或提供傳感器元件，諸如化學傳感器、醫(yī)藥傳感器和物理傳感器。本發(fā)明還可以用于形成到顯示器的元件的連接。這些組合也屬于本發(fā)明的范圍。例如，電池壽命傳感器可以包括將電池連接到指示顯示器的導電金屬圖形。
在另一個實施例中，本發(fā)明提供硬物或硬件的組件。例如，本發(fā)明可以提供嵌入于RFID讀卡機或RFID底板的天線。
在再一個實施例中，本發(fā)明還提供系統(tǒng)電子組件。這種系統(tǒng)的實例是無線追蹤或監(jiān)視系統(tǒng)。例如，在射頻識別(RFID)系統(tǒng)中，本發(fā)明就可以提供一種耦合于射頻識別讀卡機和應用于個人制品(例如書本或文件)的射頻識別標簽的至少一部分的天線。在另一個實施例中，可以采用這種技術，以便提供一種或多種電子組件，其使用于諧振標簽，應用于或包含在零售商品的包裝之中并用作系統(tǒng)的一部分，以便提供在零售商品中防止偷竊(也稱為電子制品監(jiān)視或EAS系統(tǒng))。
圖10是說明用于文獻和文件管理的示例性的射頻識別(RFID)系統(tǒng)30的方框圖。如所說明的，可以采用通過壓縮金屬微粒組合物來制造制品的技術，以制造出一種或多種電子組件，用于RFID系統(tǒng)30的一種或多種電磁通訊電路。律師事務所、政府機構和用于保存業(yè)務、犯罪和醫(yī)療記錄的設施嚴重地依賴于紙張的文件。這些文件會被放置于多個“智能存儲區(qū)”32，即，如圖10中所示，處于開放書架32A、書柜32B、垂直文件分隔器32C、輕便推車32D、桌面閱讀器32E，或類似位置。
RFID標簽可以與感興趣項目相關或應用于感興趣項目。標簽可以被嵌入在項目之中或嵌入在項目的包裝之中，以致標簽至少基本上是不可感知的，它能夠幫助防止檢測和篡改。例如，為了獲得嵌入標簽和廉價制造，就可以通過如下方式來制備文件夾將金屬粉末提供到文件夾大小的紙板的部分區(qū)域，用這種金屬粉末捕獲RFID標簽的部分(例如天線)的圖形，去除額外的金屬粉末，然后將壓力施加到整個基板、從而使金屬粉末致密以形成導電圖形并砑光基板。
項目可以是具有RFID標簽的“源標識”，諸如在它的制造期間將RFID標簽提供或嵌入項目，與文件夾、文獻、書本等一樣。系統(tǒng)30的每個智能存儲區(qū)32可以配備有一個或多個天線，用于查詢文件，以便有助于確定位于每個存儲區(qū)的文件。例如，在開放書架32A之中定位一個或多個天線，從而產(chǎn)生用于與文件相關的RFID標簽進行通訊的電磁場。類似地，天線可以位于書柜32B、垂直文件分隔器32C、輕便推車32D、桌面閱讀器32E等中?？梢园凑崭鞣N方式來定位天線，諸如在每個書架之上或每個書架之下、位于書架的背面或垂直支撐、插入文件之中?？梢愿倪M天線，以位于書架或建立在書架中并購置為一個單元。例如，紙板上的天線可以在書架的制造期間、通過用浸漬劑處理紙板、然后將基板層疊到用于書架結構的其它材料而被嵌入到書架中。
可以采用這種技術，以便提供制品的電子組件，該制品之中具有兩個或多個平面。這種制品通常被稱為多層制品或多層結構。本發(fā)明提供用于它們的制造的各種方法。例如，可以在紙或壓縮材料的一個表面上或兩個或多個表面之上形成導電圖形?；宓膬蓚€表面之上的導電圖形可以相同或不同，并且可以被對準或?qū)R，以致具有任何所需量的重疊(在此使用的重疊指在其兩個主要表面之上含有導電圖形的基板的一部分)。
可以通過在單片或卷(卷筒)紙或壓縮材料的兩個側面之上、或在包括超過一種材料(諸如涂覆的紙或紙膜疊層)的單片或卷的兩個側面之上，形成根據(jù)本發(fā)明的導電圖形來制造在兩個表面之上具有導電圖形的制品。為了將導電圖形提供到單片或卷紙或壓縮材料的兩個側面之上，優(yōu)選在兩個側面之上利用不同的處理條件，例如，第一壓力、用于在第一側面上捕獲金屬粉末，第二壓力、用于在第二側面之上捕獲壓力。在另一個實施例中，采用已圖形化的模具以便在第一側面之上捕獲金屬粉末，并采用模板以便在第二側面之上構圖金屬粉末。
作為替換，可以通過組合兩片或多片或卷紙或其它壓縮材料來制造在兩個或多個表面之上需要導電圖形的制品，其中每個材料都包括導電金屬圖形。在一個實施例中，根據(jù)本發(fā)明處理兩卷或片紙或其它壓縮材料的每一個，以使它們包括導電圖形，且兩個卷或片依次彼此進行疊置。在另一個實施例中，在第一卷或片紙或其它壓縮材料之上制造導電圖形，第二片紙或其它壓縮材料的疊置到第一卷或片，并且根據(jù)本發(fā)明進一步處理此結構，從而在第二片或卷之上制造出第二導電圖形。需要多層導電金屬圖形的制品(例如多層電路，其可以可選地進行互連)同樣屬于本發(fā)明的范圍。
在進一步的實施例中，制造出包括導電圖形的第一基板層，其中導電圖形包括至少一個連接焊盤。制造第二基板層，按照這樣一種圖形制造穿過第二層的孔，以致它們被對準于第一基板中的連接焊盤之上。對準各層，然后將金屬粉末提供到第二基板，填充孔，該孔位于第一基板中的連接焊盤之上。隨后捕獲并致密制造出包括在第一和第二層之間的通孔、以及可選地在第二層上的其它元件(例如電子電路和電容器極板)的圖形。作為替換，可以通過模板將金屬粉末涂覆到第二層，形成包括通孔以及可選的其它元件的金屬粉末圖形。
根據(jù)本發(fā)明的包括導電圖形的任何制品可以進一步包括同時或隨后處理的前述部件之外的其它部件，包括(但不限于)導電墨水、導電粘接劑、金屬箔、磁性存儲介質(zhì)、磁性安全介質(zhì)、焊料、導線、含有油的浸漬劑、涂油、有機或無機可聚合組合物和聚合物、薄膜、疊置粘接劑、機械固定件、集成電路和分立電子元件，諸如電阻器、電容器、二極管等。
紙或其它壓縮材料上的導電金屬圖形可以提供制品，諸如紙制品，具有與驗證、識別、軌跡、檢測、保密、屏蔽、價格和制造工藝相關的優(yōu)點。
通過以下實施例來說明本發(fā)明，但是，在這些實施例中引證的具體材料及其數(shù)量以及其它條件和細節(jié)不應當受到本發(fā)明的限制。
實施例實施例1本實施例說明樣品品質(zhì)因數(shù)(FOM)的計算。采用％FOM，對于純銅，壓制粉末圖形的測量電阻與最小的可能理論電阻率比較滿足以下等式％FOM＝(Rtheoretical/Rmeasured)×100其中Rtheoretical是純銅的電阻率，且由樣品壓制粉末圖形的測量電阻來計算Rmeasured。
固體銅的密度是8.96g/cm3。銅的電阻率是1.73×10-6歐姆-厘米(ohms-cm)。對于樣品的質(zhì)量和剖面，為了標準化，將按照每單位長度(cm)的質(zhì)量(克)和按照每單位長度(cm)的電阻(歐姆)插入FOM等式中，以致％FOM＝(Rtheoretical/Rmeasured)×100其中Rtheoretieal＝(銅密度)(銅電阻率)＝0.0000155g-ohm/cm2Rmeasured＝[(克每厘米的質(zhì)量)(每厘米Rmeasured)]例如，將金屬圖形壓制到銅粉末層上，以便產(chǎn)生沿著金屬圖形的距離123cm、具有0.402克質(zhì)量(M)的圖形。當通過在金屬圖形的每個端點處放置探針由Fluke 189萬用表測量并以歐姆讀取時，此長度(L)下的電阻(R)為5.7歐姆。M/L＝0.402g/123cm＝3.26×10-3g/cm，且R/L＝5.7/123＝4.6×10-2ohm/chm。此樣品的％FOM可計算為％FOM＝{0.0000155/[(3.26×10-3)(4.6×10-2)]}×100＝10％。
10％的FOM意味著此情況下導電率達到銅的最大可能值的10％。在此整篇專利中，甚至當在具體樣品中采用的金屬為銅和其它金屬的組合、其它金屬或兩種其它金屬的組合時，將樣品與銅相比較，作為最大的可能理論導電率。
實施例2通過將其攪拌在含10％水的鹽酸溶液中清洗產(chǎn)自Sigma-Aldrich(Milwaukee WI)的銅粉(枝狀，3微米，99.7％)，隨后進行1次水漂洗和3次乙醇的漂洗?？梢栽诳諝庵懈稍镢~粉大約1小時。在20cm直徑、46cm長的硬紙管之上放置20cm直徑的#270分子篩。在七組55cm直徑型號54Whatman濾紙圓圈之上放置硬紙管。將錫粉(AEE 1-5微米99.9％)、然后銅粉噴灑在分子篩中并使其按一定深度沉淀在濾紙上，該深度隨每個樣品而從大約0.1mm到0.5mm變化。在隨后的實施例中，應用一種或多種金屬粉到基板的這種方法稱為篩分方法。
在第一步驟中，通過采用卡弗印壓機(Carver platen press)(Model3891，Wabash，Indiana)、在粉末和濾紙上施加27兆帕斯卡(MPa)，將圖形化的模具壓制到粉末之上，金屬粉被捕獲到圖形之上。然后，去除過剩的粉末。
在第二步驟中，將捕獲的金屬粉和基板壓制在一起并在兩個光滑壓盤之間致密。在此第二步驟中，Wabash壓床提供112MPa的壓力同時在200°下受熱小于2分鐘。
壓縮金屬的總質(zhì)量為0.459克。長度123cm的圖形電阻為1.3歐姆。表1簡要示出了此樣品的制備和％FOM(根據(jù)實施例1的方法計算)。
實施例3-8采用實施例2的篩分方法來準備實施例3-8。在一個步驟中，將金屬粉捕獲到圖形中并通過將圖形化的模具在表1示出的壓力下壓到粉末之上來致密。如表1中所示，采用兩種不同的紙板以及金屬粉和顆粒類型的組合。測量每個樣品的電阻，且表1示出了計算的％FOM。
表1示出了在不同條件組下采用基板和金屬粉的組合的結果。表2示出了對于基板和金屬的縮寫。
實施例9-19
采用篩分、第一壓力下的第一捕獲步驟和第二步驟來準備實施例9-19，其中采用如實施例2所述的兩個光滑壓盤來施加壓力。除了實施例19之外，在室溫下施加第二壓力，其中實施例19在100℃下施加壓力。表1說明了對于每個步驟所采用的壓力(第一壓力+第二壓力)。表1還示出了材料和計算的％FOM。
表1

表2對于表1的縮寫

實施例20將如實施例2中所述的銅粉篩分到Whatman 54濾紙之上。按以下方式捕獲圖形采用鋼模的匹配組，直徑2″(5cm)和厚度0.75″(1.9cm)。每個模具具有一組由0.6mm分隔的兩個線圈脊，其寬度為0.4mm、直徑39mm和40mm、高度0.5mm。一個模具在其中心處具有0.125″(0.3cm)直徑的引導定位銷。另一個模具在其中心處具有用于對準目的的對應孔。濾紙基板預先已沖孔出0.25″(0.6cm)紙孔，以便使引導定位銷穿過紙。涂覆紙板的銅粉夾在模具之間，并且在單一步驟中，在捕獲并致密粉末的330MPa下、處于卡弗印壓機下壓制2秒。按照此方式制備出一組樣品，其中銅粉的質(zhì)量變化，而線寬維持恒定。圖6示出了每單位長度的測量電阻。虛線還示出了對應于完美銅線和完美錫線的理論電阻。
實施例21除了在清洗之后和在制備樣品之前銅粉已經(jīng)在托盤中被暴露于空氣6天之外，按照類似于實施例20的方式，制備樣品。在80-420MPa范圍的壓力之下，壓制樣品。測量樣品的電阻，并且(由于捕獲銅的數(shù)量隨每個樣品而變化)對應于50微米的捕獲厚度的捕獲重量來標準化。圖7畫出了結果。
實施例22將實施例20的樣品的電阻值標準化為50微米的線厚度，然后取均值。類似地對實施例21的樣品的電阻值(在實施例21中，它們已經(jīng)預先被標準化為50微米的線厚度)取均值，采用實施例20的壓力(330MPa)來制備實施例21的樣品。由新制清洗的銅粉而制備的實施例20的樣品給出了標準化的平均電阻0.054ohms/cm(歐姆/厘米)。由在空氣中老化6天之后的相同銅粉制備的實施例15的樣品給出了標準化的平均電阻0.168ohms/cm。實施例21中的樣品電阻的增加肯定是因為當其暴露于空氣時在銅粉上形成氧化物。
實施例23采用一個步驟工序和250MPa壓力下的實施例20的材料來制備四個樣品。與實施例1相同，測量電路的電阻。然后，將樣品放入鋁箔托盤并在200℃下的烘爐中放置10分鐘。去除樣品，再次測量電阻。這些數(shù)據(jù)示出了在熱處理之后電阻的降低。表3簡要說明了之前和之后8個電路的電阻。
表3熱處理之前和之后的電阻結果

實施例24如實施例20中所述，在匹配模具之間放置涂覆銅粉的Whatman 54濾紙片。不是在印壓機中放置模具，而是用鍛錘撞擊模具一次以壓縮粉末。所獲得的銅電路呈現(xiàn)出類似于通過在印壓機中壓制而制備的那些電路。這就證明對于本發(fā)明的實踐包括快速沖擊的非常短的接觸時間是有效的。
實施例25將復印紙(Hammermill CopyPlus 20/501b)切割為2″×2″平方。按照覆蓋每個紙板的2″×2″區(qū)域(6.45cm2)大致1.2克銅粉的分布，用銅粉(3微米枝晶，來自Sigma-Aldrich)涂覆4個樣品的一組。涂覆(篩分)方法是實施例2的方法。采用圖形化模具，以便在370MPa壓力下壓縮粉末。在電路形成之前和之后，稱量基板，且平均電路重量為0.034g，或電路線為0.0014g/cm。電路線的平均電阻為0.19ohms/cm。除了首先將將錫粉的下層噴灑到基板上之外，按照相同的方式制備第二組樣品。電路線的平均重量為0.0017g/cm，且平均電阻為0.17ohms/cm。
然后，根據(jù)以下描述的工序，對兩組樣品進行粘接性測試。此測試還檢測其上具有金屬圖形的基板的柔性范圍。
將1mm寬的狹縫插進每個樣品，以便將電路線劃分為兩部分的圓環(huán)(358°，而不是360°)。在每個狹縫的側面之上，將歐姆計探針粘附到電路上。然后，繞一組直徑遞減的金屬或玻璃棒(20.1，12.7，10.5，9，8，7，6，5，4和3mm直徑)彎曲樣品，在繞下一個尺寸的棒彎曲樣品之前，每次都使樣品拉直。在繞每個棒尺寸彎曲樣品之前、期間和之后，進行電阻測量。如果在彎曲處理期間電路圖形從基板斷裂或分層，那么電阻就會變?yōu)闊o窮大。不用錫下層的樣品能夠繞20.1mm直徑棒彎曲，而不會從基板與金屬圖形分層，展現(xiàn)出有利的柔性。具有錫下層的一組樣品還能夠繞20.1mm直徑棒彎曲，并且繞小于或等于3mm直徑棒彎曲，而電路線不會從基板分層。在一個實施例中，當繞3mm棒纏繞時電路圖形不碎裂，并且在線的12cm圓周之上它的測量電阻會從2.3ohms-增加至3.6ohms，同時繞棒彎曲且在彎曲之后返回到2.4ohms。此實驗說明了當采用錫下層時相對于彎曲的電路圖形而改善了耐久性。
實施例26本實施例闡明兩步驟工藝，這里采用液壓機來捕獲金屬粉末組合物，且進一步采用超聲能量來進行致密。
如實施例4，在340MPa下以一個步驟的方式將銅粉(枝晶，Sigma-Aldrich)，在濾紙上壓制為圖形。利用超聲能量進一步處理圖形段。在6.9MPa下將超聲喇叭形輻射體壓在捕獲圖形的部分之上，超聲喇叭形輻射體具有在喇叭口的端部上的25mm×1mm提升部分，在20kHz下，采用1∶1升壓器由Branson 900M 2000瓦電源供電。由此，20％超聲功率施加200ms。在聲處理之前圖形具有0.2ohms/cm的電阻。在聲處理之后，所獲得的最佳產(chǎn)品電阻減少40％，達到012ohms/cm。
實施例27采用實施例2的篩分方法，將同粉(枝晶，Sigma-Aldrich)噴灑到濾紙(Whatman 54)之上。采用實施例26中所述的超聲喇叭口，在6.9MPa壓力下壓制銅粉層1秒，然后在Branson 900M電源的20％功率、20kHz、1∶1增益下聲處理200毫秒。這就制造出具有0.28ohms/cm電阻的圖形。
實施例28將兩層金屬(錫然后是銅)分別噴灑到TeslinTM片(0.22mm厚度)之上，錫和銅按1∶3的比例組成。由Sigma-Aldrich獲得銅粉(Cu，枝晶，3微米，99.7％)。由Micron Metal獲得錫粉(Sn，方形(tetragonal)，5微米，99.9％)。在一個階段，在超聲喇叭形輻射體條件下設置層壓的粉末。在施加超聲能量之前，采用模具的25mm×1mm提升部分，在6.9MPa下將喇叭形輻射體壓在樣品之上。采用0.6增益的喇叭形輻射體適配器，在Branson 900M 2000瓦電源下，在20kHz下喇叭形輻射體工作1秒。壓制獲得大約25微米厚度的金屬圖形。這樣就制造出了具有優(yōu)異粘性的0.008ohm/cm電阻率的電路。采用帶和指甲測試來測試粘性電阻將來源于St.Paul MN的3M公司、貿(mào)易標記為ScotchMagic Tape的帶提供到金屬軌跡并進行剝離，不去除任何粘接到基板的金屬。用指甲采用適度力劃碎金屬軌跡，軌跡保持粘接到基板。
用更短聲處理時間制備的樣品具有較大的電阻(200ms，0.2ohms/cm)，(375ms，0.07ohms/cm)，(500ms，0.07ohms/cm)，(750ms，0.04ohms/cm)。
實施例29在Teslin基板中沖出直徑0.2mm的通孔，并在整個片上放置襯墊。將錫和銅粉噴灑到基板之上，填充孔并完全覆蓋材料。在類似于實施例2中所述的條件下按照兩步工藝壓制樣品。這就制造出在穿過基板形成的含有金屬的通孔的一個側面上的電路。殘留的已壓制的金屬粉足以構成電路以橋接通孔并局部填充通孔。鍍金金屬通孔展現(xiàn)為從基板的非圖形側導電并呈現(xiàn)出與壓制的金屬軌跡可比較的電阻，金屬軌跡的電阻通過在通孔的兩個側面上采用電壓表探針來測量電阻而進行確定。通孔中的金屬粉和基板都被壓縮。
實施例30將50克銅粉(枝晶，Sigma-Aldrich)放置在定塞瓶中的100ml甲酸中。密封瓶子并攪拌，以便使銅粉與酸完全混合。添加400ml水，然后通過采用吸出器和#4濾紙去除液體。添加1000ml水過濾粉末以便從粉末中清洗甲酸。同時，繼續(xù)加濕并烘烤，將20g潮濕的銅粉與8ml水混合，以制造出漿料。在基板之上采用0.25mm狹縫的凹口試桿，用刀片將漿料涂覆在0.18mm厚的Teslin基板之上。涂覆的漿料能夠在大約1分鐘內(nèi)從漿料中吸收額外的水，使?jié){料凝固潮濕，但易于處理涂覆。將幾個6cm×6cm樣品從基板切割下來，同時涂層仍然潮濕。按照實施例2中所述的方式在36MPa壓力下壓制樣品。樣品能夠被干燥，且采用壓縮空氣就能夠從基板吹拂額外的銅粉。在此點上，樣品上的電路具有在電路的123cm長螺旋路徑之上的典型65歐姆的電阻。在來源于St.Paul MN的3M、貿(mào)易標記為Scotch Hi-Temp MaskingTape的89mm寬、0.08mm厚的帶中沖出兩個相隔12mm的直徑1mm的孔。在一個樣品的電路之上設置帶，以致孔與電路端部保持一致。帶提供到達軌跡的額外長度，且孔允許訪問用于電阻測量的軌跡。從樣品中修整額外的帶，以便給出6cm×6cm的區(qū)域。在兩個6cm×6cm×1.2cm不銹鋼板之間放置設置有帶的樣品，并壓縮至113MPa。所獲得的樣品具有通過帶中的孔測量的39歐姆的電阻。折疊并使樣品具有嚴重折痕，使Teslin側面嵌入。電阻增加至46歐姆。在電路中未看見裂痕。
本實施例說明了作為漿料涂覆金屬粉末的工藝，并且它還說明了采用在電路之上設置的附加材料層來產(chǎn)生加固電路。
實施例31采用根據(jù)實施例9來制備樣品，但本實施例存在幾個裂痕，其橫跨這些缺陷產(chǎn)生無窮大的電阻。因此，利用微波能量來處理它將樣品放置在6.3GHz、200瓦下工作的加拿大技術微波儀2100中30秒。微波能量使金屬裂痕粘接且恢復金屬圖形的導電率。
實施例32進行測試，以便測量紙和可壓縮材料與壓縮之下的對比材料(聚丙烯膜)特性的差異。
在100K牛頓夾具的壓縮模式下調(diào)整Instron 4505儀器(InstronCorporation，Canton，Mass.)。編程Instron以便在0.025英寸/分鐘速度下(0.64毫米/分鐘)進行壓縮。由從每個材料薄片(將每種材料提供為薄片或薄膜)中沖出的片制備1.27cm直徑的圓形樣品試樣疊層。然后，將每個樣品疊層放置在Instron的壓盤之間并壓縮為大約10psi(0.07MPa)的初始厚度，以便進行測試循環(huán)。由Instron自動測量材料的厚度，采用一對卡鉗來測量直徑，并且按照對應的壓力和厚度將測量結果歸檔。Instron顯示出沖擊力(pound-force)。psi值是通過由每個沖擊力數(shù)據(jù)點下的直徑測量值計算的面積而分解的沖擊力。因此，如果材料橫向延伸，那么面積就會增加，在相同沖擊力下相應的psi就會降低。體積數(shù)據(jù)是面積乘以在特定沖擊力數(shù)據(jù)點的厚度。
測試三種紙材料、填充的多孔聚合物和相對高密度的聚合物。紙樣品是Whatman 54濾紙(Whatman Inc.Clifton NJ)、Hammermill復印紙(International Paper，Memphis TN)和鞣制文件夾卡片紙料(tan filefolder card stock)(Globe-Weis Premium File Folders，ATAPCO，Baltimore，MD)。填充的多孔聚合物是Teslin(0.18mm，PPG IndustriesPittsburgh PA)。相對高密度的聚合物是0.46mm薄膜聚丙烯(3MCompany St.Paul MN)。
表4列舉了在施加到圓形試樣的壓力下直徑的百分比變化，其中變化％＝100×{[(最終直徑)-(初始直徑)]/(初始直徑)}。直徑是垂直于施加壓力方向的樣品的尺寸。在壓力下，紙樣品在直徑尺寸方面的變化非常小。在本發(fā)明的實踐中，在可使用的壓力范圍之內(nèi)，Teslin表現(xiàn)直徑上的小變化，同時比較聚丙烯呈現(xiàn)出直徑上的非常大的變化。就是說，由于樣品的橫向流動，在垂直于施加壓力方向上，比較聚丙烯呈現(xiàn)出尺寸上大的增加。
圖8示出了在每個壓力之下標準化體積相對壓力的數(shù)據(jù)。每個壓力之下的標準化體積呈現(xiàn)為對于每個樣品的初始體積的十進制分數(shù)，且對于每個樣品通過每個壓力下的體積除以0.07MPa下的體積來進行計算。從圖8中很容易地看出，紙材料和Teslin具有體積隨壓力顯著變化，同時相當密度的聚丙烯體積則幾乎保持恒定直至17000psi(117MPa)的壓力。在17000psi(117MPa)的壓力或更高的壓力之下，紙材料和Teslin的體積減少接近40％。
圖9說明了在標準化壓縮厚度(平行于施加壓力方向的方向上的尺寸)和標準化體積之間的關系。標準化壓縮厚度是在給定壓力下的厚度除以0.07MPa下的初始壓縮厚度。比較聚丙烯的體積基本上恒定(初始體積的±大約10％)；盡管厚度顯著減小，但直徑增加。用于本發(fā)明實踐的材料在施加壓力之下展現(xiàn)出壓縮厚度的較大減小，但直徑稍微增加或不增加，導致體積在總體上減小。如圖9中所示，材料，尤其是紙，由1.0的斜率表示了因壓縮厚度的改變而導致體積的變化。
表4

實施例33圖11說明了一種根據(jù)本發(fā)明的制造技術而制造的示例性RFID標簽40。具體地，圖11是RFID標簽40的平面圖，且圖12是RFID標簽40的剖面圖。在示例性實施例中，RFID標簽40包括多個電子元件，包括由多個線圈42形成的天線。此外，RFID標簽40包括在基板50之上形成的電容器極板44A-44D(“44”)、連接焊盤46A、46B(“46”)和集成電路(IC)連接部位48。
在本實施例中，通過在基板50的選擇部分之上淀積一層金屬粉末組合物、并且為了在基板50上捕獲圖形將壓力施加到金屬粉末組合物，從而形成RFID標簽40的一個或多個元件。采用具有一個或多個凸起的液壓機，諸如圖1中所說明的液壓機1，將壓力提供到金屬粉末組合物。由液壓機的凸起壓縮的金屬粉末組合物粘接到基板50的各部分，以便捕獲導電圖形。沒有被液壓機的凸起壓縮的金屬粉末組合物就不會粘接到基板50，且被去除。所獲得的導電圖形形成一個或多個電子元件。
如圖11的實施例所述，線圈42形成由連續(xù)軌跡形成的一個螺旋。形成RFID標簽40的天線部分的線圈42在第一端52和第二端54終止。捕獲圖形的天線部分的第一端52位于線圈42的外側，且天線部分的第二端54位于由線圈42限定的內(nèi)部空間之中。
連接焊盤46A和46B電連接到天線的各端部。更具體地，連接焊盤46A電連接到第一端52且連接焊盤46B電連接到第二端54。連接焊盤46B還電連接到集成電路(IC)連接部位48。電容器極板44通過電容器極板連接56電連接到天線。
電橋58電連接到連接焊盤46，以便在第一和第二端52、54之間(除了用于開口或IC連接部位48之間的空間)形成一個閉環(huán)電路、并且還形成電容器。
圖12說明了RFID標簽40的剖面圖。如圖12所述，RFID標簽40包括電橋58，電容器介質(zhì)層60，天線層62和基板層50。采用上述技術來形成天線層62。如上所述，天線層62包括由一個連續(xù)軌跡形成的多個線圈42，電容器極板44，導電焊盤46和IC連接焊盤48。如所示，電橋58電連接到連接焊盤46，閉環(huán)電路并形成電容器。RFID標簽40還包括到IC連接焊盤48的訪問孔64，以便允許在RFID標簽40中包含集成電路59。
在發(fā)明名稱為“具有電橋電路組件的RFID標簽以及使用方法”、序列號為09/909154的專利申請中詳細地描述了天線結構，在此引用其全部內(nèi)容作為參考。
采用紙作為基板50來制備三個樣品。
在一個樣品中，采用各向異性導電粘接劑膜，將裸露AtmelAT88RF236-13RFID IC(Atmel Corporation，San Jose，CA)電連接到IC連接焊盤48。
在另一個樣品中，采用焊料，將13.56MHz諧振的封裝AtmelDVS29622-2RFID IC附著到IC連接焊盤，以形成導電鍵合。通過減少電橋58的面積，微調(diào)電容，產(chǎn)生13.56MHz下的諧振標簽。通過RFID讀卡機在10cm距離處(讀卡機天線和樣品之間)讀出此樣品并在5cm距離處通過讀卡機進行寫入。
第三樣品制備為具有不同天線設計，以產(chǎn)生用于915MHz下工作的RFID標簽的偶極天線。此標簽具有封裝的915MHz RFID IC Intellitag500芯片(Intermec Technologies Incorporated，of Intermec Everett，WA)并通過焊料被連接到金屬粉末壓制的天線。利用可從AWID AppliedWireless ofMonsey，NY獲得的多協(xié)議UHF讀卡機(Multi-Protocol UHFreader)，在91cm距離下讀出此標簽。
實施例34按照以下方式制造第一樣品1。與實施例33一樣，在紙板上制造粉末壓制的金屬天線，稱為“天線34.1”；然而，光滑壓盤的最終壓制被延遲一個步驟。第二紙片、稱為“基板34.2”由粘接劑噴濺并進行沖孔，以便在適當位置處產(chǎn)生孔34.3，其中孔應當與天線34.1上的連接焊盤46對準。在一個位置處制造出附加的訪問孔34.4，以便與IC連接焊盤48對準。如所示，這些孔與天線34.1對準(34.3對準46，且34.4對準48)。然后，以套準方式將基板34.2層疊到天線34.1?；?4.2的部分用掩膜覆蓋，其覆蓋(防止其上淀積金屬粉末)訪問孔34.4，但允許在34.3中且按照圖11的電橋58的大致尺寸和形狀的圖形來淀積金屬粉末。通過掩膜，在基板34.2上涂覆錫和銅。提升掩膜，并保留金屬粉末方式下的電橋的形狀。在此工藝中，沖孔34.3已經(jīng)被金屬粉末填充。
然后，在345MPa壓力下的光滑壓盤之下壓縮天線34.1、基板34.2和金屬粉末電橋以進行致密。由此形成電橋和通孔，產(chǎn)生連續(xù)導電層并產(chǎn)生在線圈天線46的端子之間的電連接。測量通孔的電阻為0.3ohm。在Hewlett-Packard(具有41941-61001阻抗探針的4194阻抗/增益分析器(4194Impedance/Gain Analyzer with a 41941-61001Impedance probe))進行測量，電路具有18.5MHz的諧振頻率。
利用基于金屬粉末的天線、金屬箔電橋58和聚合物電介質(zhì)(3M保存和恢復帶888(3M Conservation and Restoration Tape 888)與3M9502轉(zhuǎn)換粘結劑(3M 9502Transfer Adhesive)，3M Company，St.PaulMN)來制備另一個樣品2。與樣品2一樣，采用平板金屬天線、金屬箔電橋58和聚合物電介質(zhì)來制備比較樣品3。這三個諧振電路都具有分段的電容器電橋，該電容器電橋能夠微調(diào)電容以致改變諧振頻率。
表5示出了從微調(diào)相同電容量隨后獲得諧振頻率改變的數(shù)據(jù)。“Cap”指由電路調(diào)節(jié)的電容器數(shù)量。諧振頻率表示為每個電容值下的MHz?！癉elta f”指在每個電容調(diào)節(jié)之間的頻率變化。表5中的數(shù)據(jù)說明了本發(fā)明的RFID標簽是可調(diào)的。
表5諧振頻率隨電容改變的變化

實施例35與實施例2一樣，制造金屬粉末圖形。此圖形含有可變線寬和間距的線。表6示出了此圖形的電阻數(shù)據(jù)和規(guī)格。
表6電阻隨不同線寬和間距的變化

描述了本發(fā)明的大量實施例。然而，應該理解，可以作出各種修改而不脫離本發(fā)明的要旨和范圍。因此，其他實施例在所附權利要求的范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種制品，其包括在基板上的導電圖形，該導電圖形形成電磁通訊電路的電子元件，其中所述導電圖形包括壓縮進入所述基板的至少一部分中的致密的金屬粉末組合物。
2.根據(jù)權利要求1的制品，其中所述制品包括諧振標簽。
3.根據(jù)權利要求1的制品，其中所述制品包括射頻識別標簽。
4.根據(jù)權利要求1的制品，其中所述制品包括射頻識別讀卡機。
5.根據(jù)權利要求1的制品，其中所述電子元件包括電容器、電阻器、電感線圈、線圈天線、偶極天線、連接器、連接焊盤、電容器、電容器焊盤、通孔、電阻器和熔絲中的至少一種。
6.根據(jù)權利要求1的制品，其中所述電子元件是天線的全部或部分。
7.根據(jù)權利要求6的制品，其中所述導電圖形形成包括多個線圈的天線。
8.根據(jù)權利要求7的制品，其中所述導電圖形形成作為連續(xù)軌跡的所述天線的多個線圈。
9.根據(jù)權利要求7的制品，其中所述導電圖形形成至少一個電耦合到所述天線的至少一個線圈的導電焊盤。
10.根據(jù)權利要求7的制品，其中所述導電圖形形成電橋，所述電橋電耦合所述天線線圈的端子，以構成閉合電路。
11.根據(jù)權利要求1的制品，其中所述導電圖形形成集成電路連接部位。
12.根據(jù)權利要求7的制品，其中所述導電圖形形成耦合到所述天線的至少一個線圈的電容器極板。
13.根據(jù)權利要求1的制品，其中通過在所述基板上淀積所述金屬粉末組合物并致密所述金屬粉末組合物以獲得所述導電圖形來形成所述致密的金屬粉末組合物。
14.根據(jù)權利要求1的制品，其中所述金屬粉末組合物包括銅、錫、鉛、銀、金、鉑、石墨、鋁、鎳、鐵和鋅中的至少一種。
15.根據(jù)權利要求1的制品，其中所述基板包括基本上可壓縮10％的材料。
16.根據(jù)權利要求1的制品，其中所述基板包括紙。
17.根據(jù)權利要求1的制品，其中所述導電圖形包括在所述制品的一個以上的平面上形成的多個導電圖形中的一種。
18.根據(jù)權利要求1的制品，其中所述導電圖形實質(zhì)上由所述致密的金屬粉末組合物組成，其中所述基板選自由紙和至少可壓縮大約10％的材料組成的組。
19.根據(jù)權利要求1的制品，其中所述制品包括射頻識別標簽、含有集成電路的票和含有集成電路的卡中的一種。
20.根據(jù)權利要求1的制品，進一步包括集成電路、金屬箔、導電墨水、導電粘結劑、磁性存儲介質(zhì)、磁性安全介質(zhì)、焊料、導線、飽和劑、薄膜、層疊粘結劑、機械固定器和分立電子元件中的至少一種。
21.根據(jù)權利要求1的制品，其中將所述金屬化圖形的至少一部分壓縮到所述基板。
22.一種制品，其包括至少一個線圈，其形成天線；以及至少一個電容器極板，其電耦合到所述天線的所述線圈，其中所述天線或所述電容器極板中的至少一個由基板上的致密金屬粉末組合物的導電圖形來進行限定，并且將金屬化圖形的至少一部分壓縮到所述基板。
23.根據(jù)權利要求22的制品，進一步包括與所述線圈的相對端進行電通訊的連接焊盤，其中所述連接焊盤中的至少一個由所述導電圖形進行限定。
24.根據(jù)權利要求22的制品，進一步包括導電鍵合到所述連接焊盤以便在所述線圈的各端部之間構成閉合電路的電橋。
25.根據(jù)權利要求22的制品，其中所述金屬粉末組合物包括銅、錫、鉛、銀、金、鉑、石墨、鋁、鎳、鐵和鋅中的至少一種。
26.一種射頻識別系統(tǒng)，其包括存儲區(qū)，以存儲至少一個條目，具有相關的射頻識別標簽；接近所述存儲區(qū)的天線，以便產(chǎn)生電磁場；以及耦合到所述天線的射頻識別讀卡機，以提供給所述天線電源，從而與所述射頻識別標簽進行通訊，其中所述射頻識別標簽的至少一部分包括由在基板上的致密的金屬粉末組合物的導電圖形限定的至少一個電子元件。
27.根據(jù)權利要求26的系統(tǒng)，其中所述射頻識別標簽包括至少一個線圈，其形成天線；以及至少一個電容器極板，其電耦合到所述天線的所述線圈；其中所述天線和所述電容器極板中的至少一個由所述導電圖形限定。
28.根據(jù)權利要求26的系統(tǒng)，其中將所述導電圖形的至少一部分壓縮到所述基板。
29.根據(jù)權利要求26的系統(tǒng)，其中所述電子元件包括電容器、電阻器、電感線圈、線圈天線、偶極天線、連接器、連接焊盤、電容器、電容器焊盤、通孔、電阻器和熔絲中的一種。
30.一種方法，其包括在基板上按照一種圖形的方式淀積金屬粉末組合物，以形成至少一個用于電磁通訊制品的電子元件；以及使所述金屬粉末組合物致密，以便獲得導電圖形。
31.根據(jù)權利要求30的方法，其中致密所述金屬粉末組合物還包括使所述金屬粉末組合物致密以便限定出一種導電圖形，所述導電圖形限定了形成天線的至少一個線圈和電耦合到所述天線的所述線圈的至少一個電容器極板。
32.根據(jù)權利要求30的方法，其中所述金屬粉末組合物包括銅、錫、鉛、銀、金、鉑、石墨、鋁、鎳、鐵和鋅中的至少一種。
33.根據(jù)權利要求30的方法，其中所述基板包括基本上可壓縮10％的材料。
34.根據(jù)權利要求30的方法，其中所述基板包括紙。
35.根據(jù)權利要求30的方法，其中所述導電圖形實質(zhì)上由致密的金屬粉末組合物組成。
36.一種設備，其包括至少部分由基板上的導電圖形形成的電磁通訊電路，其中所述導電圖形實質(zhì)上由致密的金屬粉末組合物組成，并且其中所述基板選自由紙和至少可壓縮大約10％的材料組成的組。
37.根據(jù)權利要求36的設備，其中所述設備是諧振標簽、射頻識別標簽、射頻識別標簽、提供到集成電路的直接接觸連接的標簽、含有集成電路的票、含有集成電路的卡、電池、顯示器和傳感器中的一種。
38.根據(jù)權利要求36的設備，其中所述電路包括由所述導電圖形形成的電子電路、線圈天線、偶極天線、連接器、連接焊盤、電容器、電容器極板、電橋、感應線圈和通孔中的至少一種。
39.根據(jù)權利要求36的設備，其中所述致密的金屬粉末組合物包括銅、錫、鉛、銀、金、鉑、石墨、鋁、鎳、鐵和鋅中的至少一種。
40.一種制品，其包括基板上的導電圖形，其中所述導電圖形形成一個或多個電子元件的所有部分或局部，其中所述導電圖形實質(zhì)上由致密的金屬粉末組合物組成，并且其中所述基板選自由紙和至少可壓縮10％的材料組成的組。
41.根據(jù)權利要求40的制品，其中所述制品是天線、諧振線圈、諧振標簽、票、卡、熔絲和電阻器中的一種。
42.根據(jù)權利要求40的制品，其中所述制品是線圈天線、偶極天線、連接焊盤、電橋、熔絲和電阻器中的至少一種。
43.根據(jù)權利要求42的制品，其中所述線圈天線包括多個線圈。
44.根據(jù)權利要求42的制品，其中所述導電圖形形成電連接到所述天線線圈的每個端部的電橋。
45.根據(jù)權利要求42的制品，進一步包括電連接到所述線圈天線的至少一個電容器極板。
46.一種制品，其包括基板上的導電圖形，其中所述導電圖形形成一個或多個電子元件的所有部分或局部，其中所述導電圖形實質(zhì)上由致密的金屬粉末組合物組成，其中所述基板選自由紙和至少可壓縮10％的材料組成的組，并且其中所述制品還包括不是實質(zhì)上由致密的金屬粉末組成的導電圖形的至少一個元件。
47.根據(jù)權利要求46的制品，所述制品是一種提供到集成電路、電池、顯示器和傳感器中的至少一種的直接接觸連接的標簽。
48.根據(jù)權利要求46的制品，所述制品包括連接焊盤、電阻器和熔絲中的至少一種。
49.根據(jù)權利要求40的制品，其中所述制品的一個以上的平面包括導電圖形。
50.根據(jù)權利要求46的制品，其中所述制品的一個以上的平面包括導電圖形。
51.根據(jù)權利要求40的制品，進一步包括金屬箔、導電墨水、導電粘接劑、磁存儲介質(zhì)、磁性安全介質(zhì)、焊料、導線、飽和劑、薄膜、疊層粘接劑和機械固定器中的至少一種。
52.根據(jù)權利要求46的制品，進一步包括集成電路、金屬箔、導電墨水、導電粘接劑、磁存儲介質(zhì)、磁性安全介質(zhì)、焊料、導線、飽和劑、薄膜、疊層粘接劑、機械固定器和分立電子元件中的至少一種。
53.一種方法，其包括在基板上按照一種圖形的方式淀積金屬粉末組合物，所述基板是紙或可壓縮材料之一；以及使所述金屬粉末組合物致密，以便獲得導電圖形，形成制品的至少一種電子元件。
54.根據(jù)權利要求53的方法，其中利用模板來進行所述圖形化淀積。
55.根據(jù)權利要求53的方法，其中在所述制品的一個以上的平面上產(chǎn)生出導電圖形。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于形成電子元件的制造技術。例如，在基板的至少一部分之上淀積一層金屬粉末組合物。為了在基板上捕獲一個圖形，通過具有一個或多個凸部的液壓機對金屬粉末組合物施加壓力。由液壓機的凸部壓縮的金屬粉末組合物粘接到基板，以形成捕獲圖形。未由液壓機的凸部壓縮的各區(qū)域中的金屬粉末組合物則不粘接到基板，且可以去除。可以壓縮金屬粉末組合物，以形成電子元件，諸如用于電子監(jiān)視系統(tǒng)(EAS)、射頻識別(RFID)系統(tǒng)等的天線、電容器極板、導電焊盤等。
文檔編號G08B13/24GK1757270SQ200480005637
公開日2006年4月5日 申請日期2004年1月13日 優(yōu)先權日2003年3月1日
發(fā)明者大衛(wèi)·W·庫恩, 大衛(wèi)·C·科斯肯邁基 申請人:3M創(chuàng)新有限公司