CN101505575A - 基于pdms生物可兼容性的柔性电路 - Google Patents
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Abstract
一种基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，涉及柔性电路板及电路装配工艺，包括：选取PDMS基材；在所选取的PDMS基材上成形导电液体电路；在已形成导电液体电路的PDMS基材上包覆PDMS层，使其成为PDMS生物可兼容性的柔性电路；PDMS生物可兼容性的柔性电路与外界的导通，可通过与导电液体电路电连接的导线实现。本发明不但具备更好的可弯折性，还具备可伸缩性。
Description
技术领域
本发明涉及电路及电路板相关技术，特别涉及柔性电路板及电路装配工艺。
背景技术
目前的柔性电路板(FPC)是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性，绝佳的可挠性印刷电路。具有下列特点：
1.可自由弯曲、折叠、卷绕，可在三维空间随意移动及伸缩。
2.散热性能好，可利用FPC缩小体积。
3.实现轻量化、小型化、薄型化，从而达到元件装置和导线连接一体化。
4、有着广阔的应用领域，如：MP3、MP4播放器、便携式CD播放机、家用VCD、DVD、数码照相机、手机及手机电池、医疗、汽车及航天领域等。FFC(柔性扁平电线电缆)具有体积小、精密度高、使用方便、轻便化、超薄型、耐曲折性能优良、应用广泛的特点。
目前的柔性电路板虽具备可挠性，但纵向伸缩度非常有限，另外表面的铜导电层若经受纵向伸缩，也会发生开裂而造成断路。
技术内容
本发明主要目的是提供一种生物可兼容性PDMS(聚二甲基硅氧烷)的柔性电路及电路装配工艺，以解决大应变伸缩的问题。
本发明的另一目的是利用PDMS具备生物可兼容性，利用其特性的柔性电路可以贴于动物体表面或植入体内，可随动物体皮肉伸缩而不影响电路的工作。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现，基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其所述电路包括：
(1)、选取PDMS基材；
(2)、在所选取的PDMS基材上成形导电液体电路；
(3)、在已形成导电液体电路的PDMS基材上包覆PDMS层，使其成为PDMS生物可兼容性的柔性电路；
(4)、PDMS生物可兼容性的柔性电路与外界的导通，可通过与导电液体电路电连接的导线实现。
所述的基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其所选取的PDMS基材为已固化的PDMS片材，在PDMS基材上所包覆的PDMS层的包覆方法为，将固化前的液态PDMS浇注已形成导电液体电路的PDMS基材上，形成包覆薄层，然后加热固化，使其成为PDMS生物可兼容性的柔性电路。
所述的基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其所选取的PDMS基材为已固化的PDMS片材，在PDMS基材上所包覆的PDMS层的包覆方法为，将PDMS片材包覆在已形成导电液体电路的PDMS基材上，使所包覆导电液体电路的PDMS片材与PDMS基材热溶或粘接或氧等离子处理键合方法在一起，使其成为PDMS生物可兼容性的柔性电路。
所述的基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其PDMS基材上导电液体电路的形成，是先在PDMS基板上形成电路凹槽，再在PDMS基板上溶接或粘接或氧等离子处理键合方法包覆PDMS片材，使PDMS基板与PDMS片材之间形成电路空腔，再通过注射方式将导电液体注入电路空腔中，使其成为PDMS生物可兼容性的柔性电路。
所述的基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其PDMS基材上导电液体电路的形成，是在PDMS基材上通过印刷导电液体的方法来实现。
所述的基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其PDMS基材上导电液体电路的形成，是先在PDMS基板上形成电路凹槽，再将导电液体涂敷于形成有电路凹槽的基板表面的电路凹槽内的方法来实现。
所述的基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其所述导电液体为液态金属锡铟镓合金。
所述的基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其PDMS生物可兼容性的柔性电路与电子器件的连接及与外界的电导通，是将电子元器件的器件脚或导线形成尖端，然后直接插入柔性电路相应位置，使器件脚或导线穿过基材或包覆薄层，并与导电液体电连接，成形为PDMS生物可兼容性的柔性电路板；或者是采用预埋方式，使器件脚或导线与导电液体电连接。
所述的基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其多个单层柔性电路可以叠在一起形成多层电路，不同层导电液体电路的贯穿可以用金属针来实现。
所述的基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其PDMS生物可兼容性的柔性电路上装配好电子元器件后，所成形的PDMS生物可兼容性的柔性电路板，可以再用未固化PDMS浇注，将所需包裹的电子元件包裹于PDMS包裹层中，并固化，成为柔性电路系统。
本发明的优点在于发明不但具备更好的可弯折性，还具备可伸缩性，电路运用导电液体，所以不会因拉伸和弯折而发生疲劳、断裂，稳定可靠。同时，标准元器件可以在电路板上即插即用，无需焊接，还具有集成各类传感器的潜力，易于实现多层布线，成本低。另外，PDMS无色透明，便于集成显示元器件，感光器件以及太阳能电池；同时，PDMS的生物兼容性使其能够贴近于人体皮肤成为可穿戴式电子产品。
附图说明
图1是PDMS柔性电路的生成方法和元器件装配方法示意图；
图2是多层柔性电路的贯穿方法示意图；
图3是本发明的一具体实施方法示意图。
具体实施方式
PDMS(聚二甲基硅氧烷)聚合物常温下为弹性体，热稳定性好；玻璃化转变温度为-123℃。它的液体表面张力(δLV)为21.3mN·m-1，固体的表面能(δS)为22.8mN·m-1，用正十六烷测定的表面自由能的分散力(δd)为22.6mN·m-1。并且在通常条件下PDMS是惰性的，对真皮无刺激性和毒性。PDMS低表面能的性质使其为流体后极易达到平滑、均匀的涂层。同样PDMS聚合物可以根据不同的需要，给予改性。
PDMS生物可兼容性的柔性电路的实施方法可为：
(1)、根据具体电路，选取需要大小及厚度的PDMS基材，该基材厚度可以是微米级到厘米级之间的选择；
(2)、在所选取的PDMS基材上可以通过照相制版，印刷、掩模印刷等方法，在PDMS基材上形成导电液体电路。也可用模具成型法先在PDMS基板上形成电路凹槽，再将导电液体涂敷于基板表面，多余部分用刮刀刮去，导电液体便会留在电路凹槽中形成导电液体电路。或者是先在PDMS基板上形成电路凹槽，再在PDMS基板上溶接或粘接或氧等离子处理键合方法包覆PDMS片材，使PDMS基板与PDMS片材之间形成电路空腔，再通过注射方式将导电液体注入电路空腔中，使其成为PDMS生物可兼容性的柔性电路。
本发明中的导电液体，可以是具有导电性能的液态物质，或胶状态物质，或膏状态物质等。如导电液体为液态金属锡铟镓合金时，液态金属的各成分比例为：
Ga14In3Sn2 62.65％Ga，22.11％In，15.24％Sn
Ga17In4Sn2 62.98％Ga，24.40％In，12.62％Sn
Ga22In5Sn3 62.25％Ga，23.30％In，14.45％Sn
Ga25In5Sn4 62.43％Ga，20.56％In，17.01％Sn
Ga25In6Sn3 62.52％Ga，24.71％In，12.77％Sn
每种比例对应于不同的熔点，熔点最低可达-16摄氏度，也就是说，在绝大部分室温情形下，该合金呈液态。而且这类合金无毒性，是非常好的可以替代汞(水银)的液态金属。
如导电液体为液态金属锡铟镓合金时，液态金属的印刷工艺为：镓铟锡合金表面绘有一层很薄的氧化镓，它使得液态合金本身与很多种材质的表面都浸润，包括PDMS的表面。因此，该液态合金可以像墨水一样涂印在PDMS表面。各类印刷方法都可以用来印制电路图形，包括筛网印刷，但网格的大小要大于0.1mm，以使液态金属易于通过筛网。
(3)、在已形成导电液体电路的PDMS基材上包覆PDMS层，其包覆方法可以是将固化前的液态PDMS浇注于已形成导电液体电路的PDMS基材上，形成包覆薄层，然后加热固化使其成为PDMS生物可兼容性的柔性电路。覆薄层的厚度可以通过调节温度控制液态PDMS的流动性来实现。PDMS的固化温度和工艺无需严格的控制，在室温下也可固化，只是需要静置24小时左右。一般在烘箱环境下(60摄氏度左右)静置5，6个小时便可基本固化。
其包覆方法还可以是预先制作符合大小及厚度要求已固化的PDMS片材(即包覆薄层)，覆盖在已形成导电液体电路的PDMS基材上，通过热溶或粘接或氧等离子处理键合方法，使PDMS片材与PDMS基材结合在一起，使其成为PDMS生物可兼容性的柔性电路。
氧等离子处理键合工艺，是将需要键合的两片PDMS基底置入氧等离子体表面清洗机，抽真空到100mbar，放入氧气到500mbar，打开高压源产生等离子体，处理表面约30秒到一分钟，放气，取出样品，在一分钟内将处理的两基底紧贴在一起，放置20分钟后，两片基底便结合成一片。(4)、PDMS生物可兼容性的柔性电路电子器件的连接及与外界的电导通，可通过与导电液体电路电连接的导线实现。这包括两个方面，一是PDMS生物可兼容性的柔性电路的导电液体电路与电子器件的连接，其方法是将电子元器件的器件脚形成尖端，然后直接插入柔性电路相应位置，使器件脚将穿过基材或包覆薄层，并与导电液体电连接，成形为PDMS生物可兼容性的柔性电路板。二是PDMS生物可兼容性的柔性电路的导电液体电路与导线的连接，其方法是将导线的一端形成尖端，然后直接插入柔性电路相应位置，使器件脚或导线穿过基材或包覆薄层，并与导电液体电路电连接，成形为PDMS生物可兼容性的柔性电路板。同样可以采用预埋方式，即在已形成导电液体电路的PDMS基材上，使器件脚或导线与导电液体电接触，再将固化前的液态PDMS浇注于已形成导电液体电路的PDMS基材上，形成包覆薄层，或将已固化的PDMS片材，覆盖在已形成导电液体电路的PDMS基材上，通过热溶或粘接方法或通过氧等离子键合方法，使PDMS片材与PDMS基材结合在一起。
由于PDMS具备生物可兼容性，可充分利用其特性，制成可贴于人体或动物体表面的柔性电路，如局部的电路贴块、电路衣物、电路腕带等。也可制成可以植入人体或动物体内的柔性电路等。这种电路可随动物体皮肉伸缩而不影响电路的工作。
以上方法可通过图1给予描述，图1中10为PDMS基材，11为已固化的PDMS片材，12为PDMS包裹层，1为PDMS生物可兼容性的柔性电路，2为导电液体电路，3为电子元器件，30为器件脚。图中第①步是在PDMS基材10上已印刷有导电液体电路2，准备将已固化的PDMS片材11与两者结合。图中第②是将已印刷有导电液体电路2的PDMS基材10，与已固化的PDMS片材11与两者结合。第③步是已将印刷有导电液体电路2的PDMS基材10，与已固化的PDMS片材11与两者结合后，使其已成为PDMS生物可兼容性的柔性电路。第④步是在PDMS生物可兼容性的柔性电路上插接电子元器件3，并使器件脚30穿过基材或包覆薄层，并与导电液体电路电连接，形成PDMS生物可兼容性的柔性电路板。第⑤步是在PDMS生物可兼容性的柔性电路上装配好电子元器件后，所成形的PDMS生物可兼容性的柔性电路板用未固化PDMS浇注，将所需包裹的电子元件3包裹于PDMS包裹层中。第⑥步是将所需包裹的电子元件包裹于PDMS包裹层中，并固化，成为柔性电路系统。
图2是多层柔性电路的贯穿方法示意图，图中1A为PDMS生物可兼容性的柔性电路之一，1B为PDMS生物可兼容性的柔性电路之二。第①步是将PDMS生物可兼容性的柔性电路之一及PDMS生物可兼容性的柔性电路之二叠在一起。第②步是将PDMS生物可兼容性的柔性电路之一及PDMS生物可兼容性的柔性电路之二叠在一起后，两个电路通过导线连接。第③步是将两个电路的连接导线裸露端去除。第④步是去除导线裸露端后，用PDMS封闭导线孔。通过以上步骤便可得到多层电路PDMS生物可兼容性的柔性电路；再将电子元器件与多层电路PDMS生物可兼容性的柔性电路连接，便可得到多层电路PDMS生物可兼容性的柔性电路板。
图3是一完整的贴片元器件的电路形成和封装方法：
第①步：用制模成型法制作PDMS基材，即用模具4在基材10上留有用来嵌入贴片元器件的凹坑；凹坑的位置和大小按器件及电路设计确定。
第②步：将贴片元器件3按设计的电路相应位置嵌入PDMS基材10中。
第③步：印刷液态金属，形成导电液体电路2，并检查确认电路接通情况。如果有接触不良的地方，则可用软毛笔刷蘸液态金属涂敷接触不良处，以确保电路连通。
第④步确认电路接通良好后，浇灌液态PDMS或与已固化的PDMS片材11两者粘合后，烘干，封固；得PDMS生物可兼容性的柔性电路1。
本发明不局限于上述之具体描述，可根据具体要求，来调整方法及工艺。
Claims (10)
1、基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其特征在于所述基于PDMS生物可兼容性的柔性电路包括：
(1)、选取PDMS基材；
(2)、在所选取的PDMS基材上成形导电液体电路；
(3)、在已形成导电液体电路的PDMS基材上包覆PDMS层，使其成为PDMS生物可兼容性的柔性电路；
(4)、PDMS生物可兼容性的柔性电路与外界的导通，可通过与导电液体电路电连接的导线实现。
2、根据权利要求1所述的基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其特征在于所选取的PDMS基材为已固化的PDMS片材，在PDMS基材上所包覆的PDMS层的包覆方法为，将固化前的液态PDMS浇注已形成导电液体电路的PDMS基材上，形成包覆薄层，然后加热固化，使其成为PDMS生物可兼容性的柔性电路。
3、根据权利要求1所述的基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其特征在于所选取的PDMS基材为已固化的PDMS片材，在PDMS基材上所包覆的PDMS层的包覆方法为，将PDMS片材包覆在己形成导电液体电路的PDMS基材上，使所包覆导电液体电路的PDMS片材与PDMS基材热溶或粘接或氧等离子处理键合方法在一起，使其成为PDMS生物可兼容性的柔性电路。
4、根据权利要求1所述的基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其特征在于所述PDMS基材上导电液体电路的形成，是先在PDMS基板上形成电路凹槽，再在PDMS基板上溶接或粘接或氧等离子处理键合方法包覆PDMS片材，使PDMS基板与PDMS片材之间形成电路空腔，再通过注射方式将导电液体注入电路空腔中，使其成为PDMS生物可兼容性的柔性电路。
5、根据权利要求1所述的基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其特征在于所述PDMS基材上导电液体电路的形成，是在PDMS基材上通过印刷导电液体的方法来实现。
6、根据权利要求1所述的基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其特征在于所述PDMS基材上导电液体电路的形成，是先在PDMS基板上形成电路凹槽，再将导电液体涂敷于形成有电路凹槽的基板表面的电路凹槽内的方法来实现。
7、根据权利要求1所述的基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其特征在于所述导电液体为液态金属锡铟镓合金。
8、根据权利要求1所述的基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其特征在于所述的基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其PDMS生物可兼容性的柔性电路与电子器件的连接及与外界的电导通，是将电子元器件的管脚或导线形成尖端，然后直接插入柔性电路相应位置，使管脚或导线穿过基材或包覆薄层，并与导电液体电连接，成形为PDMS生物可兼容性的柔性电路板；或者是采用预埋方式，使管脚或导线与导电液体电连接。
9、根据权利要求1所述的基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其特征在于所述多个单层柔性电路可以叠在一起形成多层电路，不同层导电液体电路的贯穿可以用金属针来实现。
10、根据权利要求8所述的基于PDMS生物可兼容性的柔性电路，其特征在于所述PDMS生物可兼容性的柔性电路上装配好电子元器件后，所成形的PDMS生物可兼容性的柔性电路板，可以再用未固化PDMS浇注，将所需包裹的电子元件包裹于PDMS包裹层中，并固化，成为柔性电路系统。
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