CN102958281A - 柔性基材上制备电路的方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性基材上制备电路的方法，如下步骤：(一)在第一基材表面制备具有一定厚度的图形结构，成为电路模版；(二)将导电材料以薄膜的形式沉积在电路模版表面，形成导电薄膜；(三)将粘合剂印刷或涂布在导电薄膜表面或第二基材表面；(四)将第一基材铺展到第二基材上；(五)采用转印的方法在两基材之间加压和/或加热，使粘合剂发挥作用；(六)在确定时间后，将两个基材分离，实现在第二基材表面形成所需制备的电路图形。本发明利用电路模版的厚度、胶的粘性及导电材料在电路模版上合适的附着力，实现电路的制备。这样可以减少工序，降低成本，提高效率，并且无环境污染之虞。

Description

柔性基材上制备电路的方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种制备电路的方法及应用，特别是柔性基材上制备电路的方法及应用。

背景技术

在具有挠性的基材上制成的电路结构，具有体积小，重量轻，可弯曲的特点。这类电路的应用包括触摸屏、射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)标签天线、薄膜开关、键盘、柔性印刷电路(FLEXIBLE PRINTEDCIRCUIT，FPC)，以及生物或医学传感器。制造的方法有印刷法，如网板印刷或柔板印刷；也可以采用蚀刻法或电镀法。转印的方法也有相关的报道。

如在RFID标签天线的制备技术上，国际上一般都采用蚀刻/冲压天线技术，其材料一般为铝或者铜。但是它的制备成本太高，在废液的回收和处理上仍不完善，会造成环境污染。在美国专利“US7159298”中，采用印胶再腐蚀金属层的方法，用的是固态的腐蚀材料；“一种专用薄膜及制作射频标签天线的方法”的专利申请公开文件中采用的是液态方法腐蚀，腐蚀后的液态物资会对环境产生污染。

使用导电浆料用网印或凹印制造RFID标签天线的优势表现在导电效果出色和成本降低。但导电浆料的选择上必须是银浆。随着导电银浆价格的上涨，以及印刷过程中对环境控制要求很高，造成成本上的优势降低。

有人为解决上述问题进行了一些有益的尝试。在文献”200580037082.6”中公开了一种用于RFID(射频识别)天线的制造方法，采用在基材上制备模版，模版空隙中添加离型物质，再在其中沉积导电材料，最后通过粘合剂将沉积在模版间隙的导电材料转移到新的基材上，形成天线图案，这种方法称之为转印。文献“200910162363.4”采用在薄膜表面涂布离型层图案的方式，再镀金属膜，然后经过转印，覆盖在离型图案表面的金属被移除，而留下的金属薄膜构成天线图案。文献“200680046291.1”采用释放涂层，将沉积在上面的金属膜通过目标基材上有图案的粘合层转印，完成天线制备。文献“200810116152.2”是将粘合剂按天线图案印在金属表面，然后进行刻蚀，最后通过粘合剂将未被刻蚀掉的金属转移到目标基材上。文献“200810057742.2”所述的烫金过程，实质也是一种转印过程。“烫金纸”是采用真空镀膜的方法将金属铝附着在涤纶薄膜上。通过热熔胶加热的方法，将铝薄膜转移到其它基材表面，这一过程可采取措施形成天线图案，包括对热熔胶图案的印刷(US6320556)，或者是金属膜表面印刷金属腐蚀剂(US7159298)，或者采用模切的方式(JP2006295485)。

文献“US7261916”采用有机高分子模版，将金属膜沉积后，去除模版，则保留在基底上的金属膜构成天线结构。文献“US2006187056A1”是采用抗粘试剂(anti-sticking agent)在基材表面形成与RFID标签天线互补的图形，在真空镀金属膜的过程中，抗粘试剂会阻止金属蒸汽在其上成膜，而没有抗粘试剂的部位形成天线图案。文献“20060220877A1”的方法与其类似，是通过印刷特殊的液体(release layer)在基材表面，从而使沉积的金属膜的基材表面形成天线图案。

上述专利申请的技术，应用于在柔性基材上制备电路时存在技术和成本方面的诸多不足之处。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足而提供一种减少工序，降低成本，提高效率，并且无环境污染的柔性基材上制备电路的方法。

为了实现上述目的，本发明所设计的柔性基材上制备电路的方法，其特征是包括如下步骤：

(一)在第一基材表面制备具有一定厚度的图形结构，成为电路模版；

(二)将导电材料以薄膜的形式沉积在电路模版表面，形成导电薄膜；

(三)将粘合剂印刷或涂布在导电薄膜表面或第二基材表面；

(四)将第一基材铺展到第二基材上；

(五)采用转印的方法在两基材之间加压和/或加热，使粘合剂发挥作用；

(六)在确定时间后，将两个基材分离，实现在第二基材表面形成所需制备的电路图形。

所述步骤(一)中，所述第一基材是采用表面平整、特性均一的无机、有机或复合材料的薄膜或片状材料，或者基于这些材料的纺织品或无纺布；这类柔性基材具有轻薄、可弯曲折叠的特点；所述光刻技术是直接选择光刻胶，以一定厚度涂布在第一基材表面或采用在第一基材表面贴附预涂的光刻胶干膜的方法；或者是光刻胶保护下刻蚀附着在第一基材表面的一定厚度的金属薄膜、金属箔或金属织物、非金属材料织物；所述印刷刻蚀技术是在附着在第一基材表面的一定厚度的金属薄膜、金属箔或金属织物、非金属材料织物上面印刷抗蚀油墨后对其进行刻蚀；所述激光刻蚀技术是直接利用激光对附着在第一基材表面的一定厚度的光刻胶及金属薄膜、金属箔或金属织物、非金属材料织物及其上面的光刻胶或抗蚀油墨进行刻蚀。所述厚膜印刷技术采用厚膜印刷油墨包括丝印硅胶、可剥离蓝胶、UV油墨、印花胶浆，在第一基材表面形成所需图形结构；所述光刻胶、抗蚀油墨及厚膜印刷油墨能耐受120℃以上的温度不变形，不收缩，并能耐受真空镀膜过程中的辐射热和沉积物的冷凝潜热；所述电路模版结构的厚度在0.05毫米-1.0毫米，由金属薄膜、金属箔或金属织物、非金属材料织物和/或光刻胶、抗蚀油墨刻蚀后形成的结构决定，或者由厚膜印刷后形成的结构决定。

所述光刻胶或抗蚀油墨与附着在第一基材表面的金属薄膜、金属箔或金属织物、非金属材料织物附着力牢固，或通过粘合剂与之牢固附着；所述光刻胶或厚膜印刷油墨与第一基材附着力牢固。上述附着力可以抵抗3M胶带的剥离实验。上述3M胶带剥离实验为业内公知技术，因此，在这不多做解释说明。

所述金属薄膜、金属箔或金属织物是铜、铝、镍或鉄及其合金材料；非金属材料织物是玻璃纤维织物。

其特征是在步骤(二)中，所述将导电材料以薄膜的形式沉积在电路模版表面，形成导电薄膜，是将导电材料通过真空镀膜的方法直接沉积在第一基材的电路模版表面，或者将导电材料通过印刷或涂布的方法直接沉积在第一基材的电路模版表面，所述导电薄膜的厚度是1微米-100微米。

其特征是在步骤(二)中，所述导电材料成份为金、银、铜、锌、铬、铝、碳以及其它导电性良好的材料，或多种成份材料的复合薄膜，或是基于上述材料的导电油墨或浆料。所述真空镀膜方法包括溅射和蒸镀方法，首选蒸镀方法。

其特征是在步骤(三)中，粘合剂可以是压敏胶，也可以是热敏胶，也可以是UV胶；所述粘合剂要求的转印温度高于100℃但低于第二基材的软化变形温度；所述粘合剂及第二基材与导电薄膜都有优良的附着力，可以抵抗3M胶带的剥离实验。上述3M胶带剥离实验为业内公知技术，因此，在这不多做解释说明。

所述第一基材、第二基材及粘合剂是耐受120℃以上温度的材料。

本发明提供的柔性基材上制备电路的方法，利用光刻技术、印刷刻蚀技术、激光刻蚀技术或厚膜印刷技术在第一基材表面形成的有确定高度的图形结构成为电路模版，以及采用真空镀膜或印刷、涂布的方式，将导电材料在电路模版表面成膜。导电薄膜会附着在电路模版表面上，以及暴露的第一基材的基底材料表面。电路模版按需要制备的电路的图案设计和制造。利用本发明的方法在柔性基材上制备电路时，利用导电材料形成的薄膜与电路模版材料表面附着力的适当控制，将沉积在电路模版表面的导电薄膜，通过适当的粘合剂转移到另外的第二基材表面，实现导电薄膜的转印。

真空镀膜方法包括溅射和蒸镀两种方法。其中蒸镀方法作为首选。该方法对第一基材及电路模版的冲击作用比较小，并且只在电路模版的上表面成膜，电路模版的侧立面与第一基材表面夹角接近90°，并且比较平直，上面无法或很少沉积导电薄膜。而沉积在电路模板图形结构之间的第一基材上的导电薄膜，由于受到电路模板高度的阻隔，在转印时是无法与粘合剂接触的，所以无法被转移到第二基材表面。粘合剂可以印刷或涂布在电路模版表面，由于电路模版高度的阻隔，粘合剂无法到达电路模版之间的第一基材表面，在转印过程中只有涂布到电路模版表面的粘合剂会发生作用。粘合剂也可以印刷或涂布在第二基材表面，转印时直接和电路模版表面的导电薄膜接触即可。

导电油墨或浆料可以印刷或涂布在电路模版上，并且干燥固化后只在电路模版的上表面成膜。转印方法和过程与上述真空镀膜的过程类似。

所使用的光刻胶材料可以是在第一基材表面涂布的厚膜光刻胶，也可以是预涂的光刻胶干膜，采用常用的曝光显影技术，将适宜厚度的光刻胶材料按所设计的图形曝光显影出来，形成电路模版。对于金属薄膜、金属箔或金属织物，可以采用成熟的柔性印刷电路(Flexible Printed Circuit，FPC)的刻蚀工艺进行加工。刻蚀液配方及刻蚀工艺根据所使用的金属材质、结构进行优化。金属材料未被光刻胶或抗蚀油墨保护的部分被蚀刻液刻蚀后形成对应的结构图形。非金属材料织物的刻蚀可参照微电子工业技术，采用氢氟酸通过干法或湿法进行刻蚀。

电路模版也可以采用厚膜印刷的方式制备。具体可采用丝网印刷法。制备厚膜感光胶的网板，选择适当的印刷条件，印刷油墨可以采用诸如丝印硅胶、可剥离蓝胶、UV油墨、印花胶浆等材料，在第一基材表面通过一次或两次以上印刷形成满足要求的电路模板。为了获得平整的表面，印刷后的厚膜图形也可先经过一个转印过程。先将油墨沉积在第一基材对应的预基材上，再转移到第一基材上，使原来与预基材接触的表面暴露在上面，其平整度由预基材决定。之后在转印后的电路模版上蒸镀金属薄膜。预基材可采用与厚膜印刷油墨有附着力，但通过粘合剂可将厚膜印刷油墨形成的结构转移到第一基材的材料，比如PET。转印过程采用与第一基材及厚膜印刷油墨附着力良好的粘合剂，如硅胶压敏胶，也可以采用热敏胶，或UV胶。第一基材可以采用聚酰亚胺，或者表面活化处理的PET。

所使用的抗蚀油墨固化或光刻胶材料曝光显影后，以及厚膜油墨固化后，与蒸镀或印刷、涂布的导电薄膜可以附着，但是可以通过粘合剂将导电薄膜从光刻胶材料、抗蚀油墨材料或厚膜印刷油墨材料表面完整剥离。对于金属薄膜或金属箔制备的电路模版，可将光刻胶或抗蚀油墨去除，蒸镀或印刷、涂布的导电薄膜可以直接沉积在电路模版表面，通过对电路模版金属材料及蒸镀或印刷、涂布的导电薄膜材料的选择和搭配，可使沉积在电路模版的导电薄膜通过粘合剂被转移。可根据需要对金属薄膜或金属箔制备的电路模版进行表面处理，如采用硅烷试剂或含氟试剂不可逆地对所采用的金属薄膜或金属箔电路模版表面进行处理，降低材料的表面能。

第一基材与所选用的金属薄膜、金属箔或金属织物、非金属材料织物及光刻胶或厚膜印刷油墨附着力牢固，可以抵抗3M胶带的剥离实验。第一基材及光刻胶材料或抗蚀油墨材料及厚膜印刷油墨产生的挥发性物质要少；可以耐受蒸镀导电薄膜时蒸发源的辐射热和蒸发物的冷凝潜热所带来的温度影响，不发生变质、变形。

真空镀膜方法中，可以采用金、银、铜、铝、锌、铬，以及其它导电性良好的材料，也可以是多种材料的复合。最常用铝作为蒸镀材料，也可以采用铜。可以采用钼舟方法，也可以采用电子枪方法。蒸镀采用连续方法进行。溅射方法采用磁控溅射法，采用平面溅射靶技术，可以连续进行。导电薄膜厚度在1微米-100微米。

导电油墨和浆料，可以将金、银、铜、铝、碳的粉末与连接树脂及溶剂和助剂混合，树脂可采用纤维素、酚醛树脂、环氧树脂、醇酸树脂、丙烯酸树脂及氯醚树脂、聚苯硫醚、乙烯基酷树脂等，溶剂和助剂可采用丁酮、乙二醇或丙二酸等。这一部分导电材料可选择合适的市售商品进行利用。印刷可采用丝网印刷，或柔版印刷。

本发明提供的柔性基材上制备电路的方法，可用于制备RFID标签天线，可以制备FPC，可以制备薄膜开关，可以制备基于电化学原理和结构的快速检测试纸的电极及其导线，以及其它领域应用的基于柔性基材的电路结构。

本发明的工作原理是：金属在进行表面成膜的过程中，例如蒸发镀膜、溅射镀膜及电镀膜时，与某些材料制成的基底的浸润性不好，附着力较低。例如金在玻璃或不锈钢表面直接溅射镀膜后，可采用胶粘剂将金膜从基材表面剥离下来。同理，将导电油墨印刷或涂布在与油墨附着力弱的基材表面制成薄膜，也可以通过粘结剂剥离。

本发明得到的柔性基材上制备电路的方法，其利用沉积在有一定高度的电路模版表面的导电薄膜与材料表面的附着力，通过转印的方法将导电薄膜以一定图案的形式分离，转移到另外的基材表面，第一基材和电路模版可在一定程度上反复使用。采用这种方法，可以不用每次加工都进行蚀刻或模切，或印刷离型剂及粘合剂图案，而仅利用电路模版的厚度、胶的粘性及金属在电路模版上合适的附着力，实现电路的制备。这样可以减少工序，降低成本，提高效率，并且无环境污染之虞。不仅方法可靠，而且设备和制造过程与现有的电子工业技术兼容，可以进行大规模生产。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

本实施例所描述的柔性基材上制备电路的方法，包括如下步骤：

(一)在第一基材表面通过光刻技术或印刷刻蚀技术或激光刻蚀技术制备具有一定厚度的图形结构，成为电路模版；

(二)将导电材料以薄膜的形式沉积在电路模版表面，形成导电薄膜；

(三)将粘合剂印刷或涂布在导电薄膜表面或第二基材表面；

(四)将第一基材铺展到第二基材上；

(五)采用转印的方法在两基材之间加压和/或加热，使粘合剂发挥作用；

(六)在确定时间后，将两个基材分离，实现在第二基材表面形成所需制备的电路图形。

在步骤(一)中，所述第一基材是采用表面平整、特性均一的聚酰亚胺薄膜，选择的光刻胶为聚酰亚胺光刻胶，能耐受180℃的温度不变形，不收缩，并能耐受真空镀膜过程中的辐射热和沉积物的冷凝潜热；电路模版结构的厚度在0.1毫米。

在步骤(二)中，将导电材料通过真空镀膜的方法直接沉积在第一基材的电路模版表面，所述导电薄膜的厚度是5微米。所述导电薄膜是铝质材料，所述真空镀膜采用蒸镀方法。

在步骤(三)中，粘合剂采用环氧树脂类粘合剂；所述粘合剂的转印温度高于100℃但低于第二基材的软化变形温度；第二基材选用表面电晕处理的PET；所选用的粘合剂与导电薄膜及第二基材都有优良的附着力，可以抵抗3M胶带的剥离实验。

实施例2：

本实施例提供的是采用柔性基材上制备电路的方法来制备RFID标签天线，按RFID标签天线的图形设计制备有特定高度的图形材料。将聚酰亚胺光刻胶材料涂布在第一基材表面的金属铝箔上；或者采用聚酰亚胺光刻胶膜压合在第一基材表面的金属铝箔上。第一基材可以采用涂布环氧树脂胶的聚酰亚胺薄膜，该环氧树脂胶与第一基材及该金属箔附着力牢固，该光刻胶材料与金属箔附着力牢固。按RFID标签天线的图案对光刻胶材料进行曝光显影，形成特定的图形。之后采用FPC制备工艺中的刻蚀流程，将未被光刻胶材料保护的部分的金属箔刻蚀掉，余留部分成为电路模版。该金属箔厚度在0.05毫米以上，光刻胶材料厚度0.01mm以上。这一过程可连续制备，在成卷的基材表面形成特定高度的RFID天线图形的结构。之后采用蒸发镀铝或镀铜，在电路模版表面及第一基材其它部位表面形成适当厚度的导电薄膜，该薄膜的厚度可以为5微米至20微米。镀膜后，可在该电路模版表面的导电薄膜上涂布或印刷一层环氧树脂粘合剂，也可以将粘合剂印刷或涂布到第二基材表面，该粘合剂与导电薄膜及第二基材附着力牢固。该第二基材可以是聚酰亚胺薄膜，也可以是纸质材料，也可以是表面活化处理的PET。

将第一基材及第二基材适当对位后，根据所使用粘合剂的种类，在该两种基材间加热和/或加压。适当时间后，如1秒、5秒或10秒左右，将两种基材相互分离，完成转印。由于附着力的差异，蒸镀的导电薄膜被转移到第二基材表面，而且只有沉积在电路模版表面的金属膜被转移，得到RFID标签天线。

实施例3：

本实施例提供的是采用柔性基材上制备电路的方法用于制备基于电化学原理的快速检测试纸如血糖试纸的电极的导电线路上。该种试纸的电极一般采用惰性导电材料制备，如碳、金、铂、钯等。商业上一般采用导电碳浆来制备电极。但碳浆的导电性不佳，需要在碳电极上增加导电线路，一般是印刷导电银浆。采用本发明的方法，利用廉价的铝和铜等材料的导电性能，及低成本的柔性基材上电路的制备方法，进行导电线路制备，有助于解决电极原材料的成本问题。

导电线路的制备方法与实施例1相同。设计好所需的导电线路。实际应用时，在制备完成的导电线路上印刷导电碳浆，将导电线路完全覆盖，即可实现快速检测试纸电极的制作。其中导电碳浆形成的图形结构作为反应界面，而导电线路起到将界面反应信号传导到测试仪器的作用。

实施例4：

柔性印刷电路的制备过程与实施例1相同，只是电路模版改用印刷电路所拟采用的图形。在进行FPC的多层制备中，可结合本发明的技术和导电胶及丝网印刷技术，简化制造过程，降低制造成本。

本实施例先制备一种沉积在第二基材表面的柔性印刷电路，通过本发明的方法制备完成。在该印刷电路表面印刷绝缘油墨，将需要与其它层连接位点暴露出来。其中绝缘油墨有热溶胶性质。待绝缘油墨固化后，在需要与其它层连接的位点印刷导电油墨，在导电油墨未固化前，将已经真空镀膜的第一基材与第二基材面对面覆盖，通过对位和加热及加压过程，使第一基材的电路模版上的导电薄膜与第二基材表面的绝缘油墨和导电油墨复合，适当时间如10秒，将第二基材和第一基材分离，新的一层柔性印刷电路即转印到第二基材上。这一过程可重复多次，得到符合要求的多层复合的柔性印刷电路。

以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种柔性基材上制备电路的方法，其特征是包括如下步骤：

(一)在第一基材表面制备具有一定厚度的图形结构，成为电路模版；

(二)将导电材料以薄膜的形式沉积在电路模版表面，形成导电薄膜；

(三)将粘合剂印刷或涂布在导电薄膜表面或第二基材表面；

(四)将第一基材铺展到第二基材上；

(五)采用转印的方法在两基材之间加压和/或加热，使粘合剂发挥作用；

(六)在确定时间后，将两个基材分离，实现在第二基材表面形成所需制备的电路图形。

2.根据权利要求1所述的柔性基材上制备电路的方法，其特征是所述步骤(一)中，所述第一基材是采用表面平整、特性均一的无机、有机或复合材料的薄膜或片状材料，或者基于这些材料的纺织品或无纺布；所述具有一定厚度的图形结构的制备方法包括：光刻技术、印刷刻蚀技术、激光刻蚀技术或厚膜印刷技术。

3.根据权利要求1或2所述的柔性基材上制备电路的方法，其特征是所述光刻技术是直接选择光刻胶，以一定厚度涂布在第一基材表面或采用在第一基材表面贴附预涂的光刻胶干膜的方法；或者是光刻胶保护下刻蚀附着在第一基材表面的一定厚度的金属薄膜、金属箔或金属织物、非金属材料织物；所述印刷刻蚀技术是在附着在第一基材表面的一定厚度的金属薄膜、金属箔或金属织物、非金属材料织物上面印刷抗蚀油墨后对其进行刻蚀；所述激光刻蚀技术是直接利用激光对附着在第一基材表面的一定厚度的光刻胶及金属薄膜、金属箔或金属织物、非金属材料织物及其上面的光刻胶或抗蚀油墨进行刻蚀；所述厚膜印刷技术是采用厚膜印刷油墨在第一基材表面形成所需图形结构，厚膜印刷油墨包括丝印硅胶、可剥离蓝胶、UV油墨、印花胶浆；所述光刻胶、抗蚀油墨及厚膜印刷油墨能耐受120℃以上的温度不变形，不收缩，并能耐受真空镀膜过程中的辐射热和沉积物的冷凝潜热；所述电路模版结构的厚度在0.05毫米-1.0毫米，由金属薄膜、金属箔或金属织物、非金属材料织物和/或光刻胶、抗蚀油墨刻蚀后形成的结构决定，或者由厚膜印刷后形成的结构决定。

4.根据权利要求3所述的柔性基材上制备电路的方法，其特征是所述金属薄膜、金属箔或金属织物是铜、铝、镍或鉄及其合金材料；非金属材料织物是玻璃纤维织物。

5.根据权利要求1或2所述的柔性基材上制备电路的方法，其特征是在步骤(二)中，所述将导电材料以薄膜的形式沉积在电路模版表面，形成导电薄膜，是将导电材料通过真空镀膜的方法直接沉积在第一基材的电路模版表面，或者将导电材料通过印刷或涂布的方法直接沉积在第一基材的电路模版表面，所述导电薄膜的厚度是1微米-100微米。

6.根据权利要求1或2所述的柔性基材上制备电路的方法，其特征是在步骤(二)中，所述导电材料成份为金、银、铜、锌、铬、铝、碳以及其它导电性良好的材料，或多种成份材料的复合薄膜，或是基于上述材料的导电油墨或浆料。

7.根据权利要求3所述的柔性基材上制备电路的方法，其特征是所述真空镀膜方法包括溅射和蒸镀方法。

8.根据权利要求1或2所述的柔性基材上制备电路的方法，其特征是在步骤(三)中，所述粘合剂是热敏胶或压敏胶或紫外(UV)胶；所述粘合剂要求的转印温度高于100℃但低于第二基材的软化变形温度。

9.根据权利要求1或2所述的柔性基材上制备电路的方法，其特征是所述第一基材、第二基材及粘合剂是耐受120℃以上温度的材料。

10.一种柔性基材上制备电路的方法的应用，其特征是用于制备RFID标签天线、制备FPC、制备薄膜开关、制备基于电化学原理和结构的快速检测试纸的电极及其导线和其它基于柔性基材的电路结构领域。