CN103108499B - 柔性电子电路的封装方法及封装装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种柔性印刷电路的制造方法及其装置，该方法主要为：提供一图形化的涂覆有纳米导电墨水或浆料的柔性印刷电路基底；对所述柔性印刷电路基底施加压力；在施加压力的同时采用氙灯烧结工艺对所述柔性印刷电路基底进行烧结，获得目标产品；该方法能够在低温柔性衬底上快速制造印刷电路，能获得结合力、导电性及致密性良好的金属膜，并且制造成本低廉；该方法避免了传统柔性印刷电路制造过程中的光刻腐蚀等工艺，实现了快速无污染的柔性印刷电路制造，适用于低温衬底的柔性印刷电路的生产和制造。

Description

柔性电子电路的封装方法及封装装置

技术领域

本发明涉及一种柔性电子电路封装方法及其装置；特别的，涉及利用纳米导电材料的电子电路封装方法，该方法能实现在柔性薄膜上电子电路元件的电路连接，属于电子封装领域。

背景技术

在电子产业中，随着现代消费电子便携式、微型化以及仪器设备小型化的快速发展，柔性印刷电路（FPCB）由于其重量轻、厚度薄、体积小、密度高、可挠性等优点，越来越多的应用于手机、笔记本电脑、数码相机、液晶显示屏等电子产品中；并且，其使用的数量和比例在也不断的增加。

但是目前的柔性印刷电路（FPCB）一般采用聚酰亚胺（PI）基底来制造，它是通过在PI薄膜上胶合铜箔，再经过光刻、腐蚀及后处理等工艺制造出柔性电子线路。但是这种生产过程流程复杂、成本大、需要刻蚀、电镀等对环境污染大的工艺；而且，这种柔性电路一般只作为电路之间的柔性连线，其柔板本身上并不封装IC芯片。近几年来，在智能手机和平板电脑的快速发展阶段，广大消费者越来越青睐于功能丰富、轻薄时尚、做工精细的电子产品，各设计、制造厂商为响应市场需求，也越来越多的将柔性印刷电路应用于产品开发，像苹果公司开发的iPAD等产品，其使用的柔性印刷电路（FPCB）达15片之多。并且，其新近推出的iPADMini产品，不仅将柔性印刷电路应用于电路之间的连接，而且将触摸屏IC芯片直接封装在柔性印刷电路上，从而即节省了电路空间又能获得良好的电路性能。

目前在柔性印刷电路（FPCB）上封装电子电路元件仍旧采用回流焊技术。它是在电路板上先通过丝网印刷工艺涂上焊锡膏，随后通过人工或者自动贴片机将电子元件放置在需要焊接的位置上，然后放入回流焊机中进行封装。回流焊机内部有一个加热源，其温度则按照一定的工艺参数曲线进行变化，将加热后的空气或氮气吹到已经贴好元件的线路板上，让元件两侧的焊料融化后与电路板粘连。由于目前的封装焊锡膏一般采用Pb/Sn焊料，其连接温度要求在230度左右，并且热应力大，因此不适用于低温的柔性衬底，只能应用于耐温较高材料的电子封装。

现代电子技术的发展使得IC芯片的集成化度越来越高，其芯片引脚也越来越密，要求的电路板密度也越来越高，因此对高密度电子元件封装和导电导热性能等方面的要求也相应提高。而采用传统的封装技术，一是需要高温处理，既影响了器件本身的性能，又不能实现在低温柔性衬底上的器件封装；二是所使用的Pb/Sn焊料，其导电导热及热应力方面性能不能达到纳米银导电材料的性能，限制了其在高密度电路连接中的应用，且对环境产生污染。因此，针对上述传统电子电路封装技术的不足，发展新型的纳米金属颗粒导电浆料或导电墨水封装技术，实现高分辨率、高密度、高强度及良好导电导热性能的柔性电子电路封装技术，是广大研究人员亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种柔性电子电路封装方法，该方法采用脉冲氙灯烧结工艺对纳米材料进行瞬间烧结，不影响柔性基底的温度，因此能实现在低温柔性衬底（如聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）等）上进行快速的电子电路封装，并能获得具有良好结合力、导电导热及稳定性能的连接；本发明还提供柔性电子电路的封装装置；从而克服了现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种柔性电子电路的封装方法，采用氙灯烧结工艺将电子元件封装在柔性电子电路上；其中，所述氙灯烧结工艺的脉冲能量优选为1J/cm²~50J/cm²，烧结时间0.1ms～5s；烧结时柔性电路的基底的温度可以保持在100℃以下。

所述的封装方法所采用的封装材料为纳米颗粒的导电银浆或银墨水，或者是纳米颗粒的导电铜浆或铜墨水。

作为一种优选的方案，该封装方法具体包括以下步骤：

S1、将电子元件贴片于柔性电子电路上；

S2、进行第一次烧结工艺，使电子元件与柔性电子电路具有结合力，防止电子元件的移位；

S3、将柔性电子电路放置于一密封空间并对该密封空间抽真空；

S4、对所述电子元件施加一压力使电子元件与所述柔性电路板之间紧密贴合；

S5、进行第二次烧结工艺使所述电子元件封装在所述柔性电子电路上。

优选的，所述第一次烧结工艺的脉冲能量为1J/cm²~3J/cm²，烧结时间0.1ms～1ms；所述第二次烧结工艺的脉冲能量为8J/cm²~50J/cm²，烧结时间1ms～2s；烧结时柔性电路的基底的温度可以保持在100℃以下；对密封空间抽真空的真空度范围为40KPa~100KPa负压；对所述电子元件施加压力的范围为0~5MPa。

本发明还提供柔性电子电路的封装装置，其具有一承载所述柔性电子电路的承载基板，还包括一用于对柔性电子电路进行烧结的氙灯烧结机构，该氙灯烧结机构位于所述承载基板的下方。

作为一种优选的方案，所述封装装置还包括一真空装置；所述真空装置设置有一开口部，该真空装置开口部的边沿与所述承载基板的上表面形成一密封空间；所述柔性电子电路上的电子元件位于该密封空间内。

作为一种优选的方案，所述真空装置内部还设置有一压力装置，该压力装置作用于所述电子元件并使得所述电子元件与所述柔性电路板之间紧密贴合。

作为一种优选的方案，所述压力装置包括一防静电橡皮布以及一压力气囊；所述防静电橡皮布连接于真空装置的开口部边沿并绷住整个真空装置的开口部；所述压力气囊位于真空装置的内部并与所述防静电橡皮布抵触连接。

如上所述的柔性电子电路的封装装置还包括计算机控制系统，用于对所述封装装置的工作过程进行控制。

如上所述的柔性电子电路的封装装置，所述氙灯烧结机构中设置有脉冲能量传感器，用于监测脉冲氙灯发出的光能量。

如上所述的柔性电子电路的封装装置还包括冷却系统，主要用于冷却氙灯烧结机构。

优选的，所述承载基板为低反射石英玻璃。

如上所述的柔性电子电路的封装装置，所述承载基板上设置有一定位传感器，用于对柔性电子电路进行定位。

在一个优选的实施方案中，该柔性电子电路的封装装置的工艺过程主要为：将已完成贴片并涂覆封装材料的柔性电子电路传送到烧结位置，计算机控制系统控制氙灯烧结机构先进行第一次低能量脉冲的预烧结；随后放下真空装置，将真空装置开口部边沿与承载基板形成的的密封空间密封所述柔性电子电路的电子元件；对所述空间密封抽真空，使所述防静电橡皮布紧压电子元件；通过计算机控制系统的控制对真空装置内的压力气囊充压，使压力气囊压向柔性电路，对电子元件提供一压力；随后计算机控制系统控制氙灯烧结机构进行第二次烧结工艺，实现快速的低温柔性电子电路封装。

具体的，所述氙灯烧结机构包括脉冲氙灯、反光罩、灯罩以及灯管冷却系统；所述脉冲氙灯采用风冷或者水冷脉冲氙灯，其波长范围为200nm～1000nm，最小脉宽为0.5ms，单脉冲能量范围为1J/cm²~50J/cm²；所述反光罩将脉冲氙灯发出的光进行反射整形，使氙灯发出的光能量在烧结面积上均匀分布；所述灯罩将灯管、反光罩及相关线缆整合在一起，并且将照射区域边缘的杂散光进行遮挡；同时，在灯罩中设置有脉冲能量传感器，用于实时监测脉冲氙灯发出的光能量，并将信息反馈给控制器；控制器根据反馈信息实时调整脉冲氙灯参数；所述灯管冷却系统用于给氙灯灯管进行冷却，防止灯管过热导致性能衰减；其冷却系统采用的冷却方式由灯管类型决定，如采用风冷灯管，则冷却系统采用抽风冷却，风冷管道整合在灯罩中，同时在进风管路中包含有空气过滤装置；如采用水冷灯管，则采用水冷系统，水冷系统中采用去离子水，减少对输出光能量的影响。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）该方法采用脉冲氙灯烧结工艺对纳米材料进行瞬间烧结，不影响柔性基底的温度，并能获得具有良好结合力、导电导热及稳定性能的连接，实现了在柔性印刷电路上的低温电子电路封装，避免了使用传统回流焊等热焊接技术所引起的对柔性基底的破坏，适用于低成本的薄膜基材，如PET、PC、PEN等材料；

（2）在进行电子电路封装时，通过真空装置抽真空，同时还通过压力装置对电子元件施加一压力，使电子元件紧贴于柔性电子电路，并及时去除纳米导电材料在烧结过程中产生的气体，防止气泡的产生，从而使元器件与柔性电路紧密焊接，防止元器件的虚焊及立碑现象；（3）该方法中采用纳米颗粒导电浆料或墨水作为电子电路封装材料，经脉冲氙灯烧结后形成致密的纯金属连接，与电子元器件具有良好的浸润性，能获得高分辨率、高密度、高强度的电路连接，具有比传统焊接技术具有更好的导电散热性能；同时，纳米金属颗粒经烧结后形成的纯金属连接，由于体相特性其融化温度可高达上千度，在上百摄氏度下不会发生融化脱落现象，具有优良的热稳定性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一较佳实施例中柔性电子电路的封装装置的整体结构示意图；

图2是本发明一较佳实施例中柔性电子电路的封装方法的流程示意图；

图3是本发明一较佳实施例中第二次烧结工艺的封装材料的烧结温度与压力加载关系的曲线图。

具体实施方式

如前所述，现有的柔性电子电路的封装方法中仍存在诸多不足，为此，本发明特提供了一种柔性电子电路的封装方法，采用氙灯烧结工艺将电子元件封装在柔性电子电路上；其中，所述氙灯烧结工艺的脉冲能量优选为1J/cm²~50J/cm2，烧结时间0.1ms～5s；烧结时柔性电路的基底的温度可以保持在100℃以下。

该方法采用脉冲氙灯烧结工艺对纳米材料进行瞬间烧结，不影响柔性基底的温度，并能获得具有良好结合力、导电导热及稳定性能的连接，实现了在柔性印刷电路上的低温电子电路封装，避免了使用传统回流焊等热焊接技术所引起的对柔性基底的破坏，适用于低成本的薄膜基材，如PET、PC、PEN等材料。

作为一种优选的方案，该柔性电子电路的封装方法具体包括以下步骤：

S1、将电子元件贴片于柔性电子电路上；

S2、进行第一次烧结工艺，使电子元件与柔性电子电路具有结合力；

S3、将柔性电子电路放置于一密封空间并对该密封空间抽真空；

S4、对所述电子元件施加一压力使电子元件与所述柔性电路板之间紧密贴合；

S5、进行第二次烧结工艺使所述电子元件封装在所述柔性电子电路上。

优选的，所述第一次烧结工艺的脉冲能量为1J/cm²~3J/cm²，烧结时间0.1ms～1ms；所述第二次烧结工艺的脉冲能量为8J/cm²~50J/cm²，烧结时间1ms～2s；烧结时柔性电路的基底的温度可以保持在100℃以下；对密封空间抽真空的真空度范围为40KPa~100KPa负压；对所述电子元件施加压力的范围为0~5MPa。

在进行电子电路封装时，通过对电子元件施加一压力，使电子元件紧贴于柔性电子电路，通过抽真空及时去除纳米导电材料在烧结过程中产生的气体，防止气泡的产生，从而使元器件与柔性电路紧密焊接，防止元器件的虚焊及立碑现象。

如上所述的封装方法所采用的封装材料为纳米颗粒导电银浆或银墨水、纳米颗粒导电铜浆或铜墨水；采用纳米颗粒导电浆料或墨水作为电子电路封装材料，经脉冲氙灯烧结后形成致密的纯金属连接，与电子元器件具有良好的浸润性，能获得高分辨率、高密度、高强度的电路连接，具有比传统焊接技术具有更好的导电散热性能；同时，纳米金属颗粒经烧结后形成的纯金属连接，由于体相特性其融化温度可高达上千度，在上百摄氏度下不会发生融化脱落现象，具有优良的热稳定性能。

本发明还提供柔性电子电路的封装装置，其具有一承载所述柔性电子电路的承载基板，还包括一用于对柔性电子电路进行烧结的氙灯烧结机构，该氙灯烧结机构位于所述承载基板的下方。

作为一种优选的方案，如图2所示，该装置包括一真空装置1，所述真空装置1设置有一开口部，该真空装置开口部的边沿与承载基板4的上表面形成一密封空间；所述柔性电子电路3上的电子元件位于该密封空间内；所述真空装置1内部还设置有一压力装置，该压力装置作用于所述电子元件并使得所述电子元件与所述柔性电路板之间紧密贴合；所述压力装置包括一防静电橡皮布7以及一压力气囊5；所述防静电橡皮布7连接于真空装置1的开口部边沿并绷住整个真空装置的开口部；所述压力气囊5位于真空装置的内部并与所述防静电橡皮布7抵触连接；该装置还包括一氙灯烧结机构2，用于对柔性电子电路进行烧结；进一步的，该装置还包括一计算机控制系统8，用于控制气压控制机构9进而控制真空装置1的真空度以及压力气囊5的压力；用于控制氙灯烧结机构2对柔性电子电路3进行烧结。

其中，所述氙灯烧结机构2包括脉冲氙灯201、反光罩202、灯罩203以及氙灯烧结机构控制器204和灯管冷却系统（附图中为标记）；所述脉冲氙灯201采用xenon公司的风冷灯管。

该装置的主要工作过程为：将已完成贴片并涂覆封装材料的柔性电子电路3传送到烧结位置，计算机控制系统8控制氙灯烧结机构2先进行第一次低能量脉冲的预烧结；随后放下真空装置1，将真空装置1开口部边沿与承载基板4形成的的密封空间密封所述柔性电子电路3的电子元件；计算机控制系统8命令气压控制器901对所述空间密封抽真空，使所述防静电橡皮布7紧压电子元件；同时通过真空罩充压接口6向真空装置内的压力气囊5充压，使压力气囊5压向柔性电路，对电子元件提供一压力；随后计算机控制系统8控制氙灯烧结机构2进行第二次烧结工艺，实现快速的低温柔性电子电路封装。

以下结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步的说明，以使本发明创新实质便于理解，但这些相关的实施例说明并不构成对本发明使用范围的限制。

实施例1

参阅图1，该柔性电子电路封装装置包括计算机控制系统8、氙灯烧结机构2、压力控制机构9以及真空装置1和承载基板4。首先，设备操作人员通过人机交互程序向计算机控制系统8设置相应的参数，计算机根据该参数计算氙灯的触发波形以及压力加载曲线，并将其分别传送到氙灯烧结机构2的控制器204和压力控制机构9的控制器901中。

参阅图2，在进行柔性电子电路封装时，计算机控制系统8控制真空装置1抬起，抬起高度为10～15cm，将已预涂覆纳米银导电材料并完成贴片的柔性电子电路3传送到烧结位置，其位置由安装于低反射石英玻璃承载基板4下方的定位传感器10进行定位，定位传感器10采用光学传感定位；同时，为防止长时间工作引起真空装置1温度上升而影响低温柔性衬底，在真空装置1被抬起时，启动通风冷却功能，使真空装置1的温度保持在60度以下。

当柔性电子电路3被正确传送到烧结工位后，定位传感器10向计算机控制系统8发送柔性电子电路3到达信息；计算机控制系统8向氙灯烧结机构的控制器204发送第一次烧结工艺命令，控制器204收到命令后触发脉冲氙灯201进行第一次烧结工艺，触发参数为：脉宽1ms、脉冲能量为1J/cm²；纳米导电材料经过第一次烧结工艺后，使电子元件与柔性电路具有部分的结合力。

完成第一次烧结工艺后，计算机控制系统8控制真空装置1压下，并且真空装置1与承载基板4的上表面结合形成一密封空间，该密封空间罩住整个柔性电子电路3；然后计算机控制系统8向压力控制机构9发出抽真空命令，对柔性电路3所在的密封空间抽真空，使防静电橡皮布7紧压柔性电子电路3；由于柔性电子电路3经过预烧结，防静电橡皮布7的紧压不会引起元器件的位移。计算机控制系统8再通过压力控制机构9向真空装置1内的压力气囊充压使压力气囊5在气压的作用下向柔性电子电路3施加压力；压力控制机构9对真空装置1的真空度和压力气囊5压力值都由相应的压力传感器进行实时探测和反馈；其中，对真空装置抽真空的真空度优选为40KPa~100KPa，压力气囊对电子元件施加的压力优选为0~5MPa。

当真空装置1的抽真空度和压力气囊5压力值达到设定的参数时，计算机控制系统8发送命令到氙灯烧结机构的控制器204，控制器204收到命令后触发脉冲氙灯201进行第二次烧结工艺，触发参数为：脉宽1ms、时间间隔5ms、脉冲能量为15J/cm²、3个连续脉冲；纳米导电材料经过氙灯烧结后完全融合，形成致密的纯金属连接，完成柔性电子电路的封装，其中，第二次烧结工艺的封装材料的烧结温度与压力加载关系如图3所示。

最后，计算机控制系统8控制压力控制机构9卸载压力气囊5的压力，并停止柔性电子电路3所在密封空间的抽真空，抬起真空装置1，移出已完成电子电路封装的柔性电子电路3，进行后道工艺处理。

实施例2

本实施例中，在进行柔性电子电路封装时可不需要对电子元件压力，与实施例1相比，本实施例只需要对柔性电子电路进行一次烧结工艺；

当已预涂覆纳米铜导电材料并完成贴片的柔性电子电路3被正确传送到烧结工位后，定位传感器10向计算机控制系统8发送柔性电子电路3到达信息；计算机控制系统8向氙灯烧结机构的控制器204发送烧结工艺命令，控制器204收到命令后触发脉冲氙灯201进行烧结工艺，触发参数为：脉宽1ms、时间间隔5ms、脉冲能量为50J/cm²、4个连续脉冲。纳米导电材料经过脉冲光子烧结后完全融合，形成致密的纯铜连接，完成柔性电子电路的封装，随后移出已完成封装的柔性电子电路3，进行后道检测或其他工艺处理。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (12)

1.一种柔性电子电路的封装方法，其特征在于，采用氙灯烧结工艺将电子元件封装在柔性电子电路上，包括以下步骤：

S1、将电子元件贴片于柔性电子电路上；

S2、进行第一次烧结工艺，使电子元件与柔性电子电路具有结合力；

S3、将柔性电子电路放置于一密封空间并对该密封空间抽真空；

S4、对所述电子元件施加一压力使电子元件与所述柔性电路板之间紧密贴合；

S5、进行第二次烧结工艺使所述电子元件封装在所述柔性电子电路上；

其中，所述第一次烧结工艺和第二次烧结工艺为氙灯烧结工艺，所述的封装方法所采用的封装材料为纳米颗粒的导电银浆或银墨水和纳米颗粒的导电铜浆或铜墨水中任意一种。

2.根据权利要求1所述的柔性电子电路的封装方法，其特征在于，所述氙灯烧结工艺的脉冲能量为1J/cm²~50J/cm²，烧结时间0.1ms～5s。

3.根据权利要求1所述的柔性电子电路的封装方法，其特征在于，所述第一次烧结工艺的脉冲能量为1J/cm²~3J/cm²，烧结时间0.1ms～1ms；所述第二次烧结工艺的脉冲能量为8J/cm²~50J/cm²，烧结时间1ms～2s。

4.根据权利要求1所述的柔性电子电路的封装方法，其特征在于，对密封空间抽真空的真空度范围为40KPa~100KPa负压。

5.根据权利要求1所述的柔性电子电路的封装方法，其特征在于，对所述电子元件施加压力的范围为0~5MPa。

6.一种柔性电子电路的封装装置，具有一承载所述柔性电子电路的承载基板，其特征在于：还包括一用于对柔性电子电路进行烧结的氙灯烧结机构，该氙灯烧结机构位于所述承载基板的下方，还包括一真空装置；所述真空装置设置有一开口部，该真空装置开口部的边沿与所述承载基板的上表面形成一密封空间；所述柔性电子电路上的电子元件位于该密封空间内，所述真空装置内部还设置有一压力装置，该压力装置作用于所述电子元件并使得所述电子元件与所述柔性电路板之间紧密贴合。

7.根据权利要求6所述的柔性电子电路的封装装置，其特征在于，所述压力装置包括一防静电橡皮布以及一压力气囊；所述防静电橡皮布连接于真空装置的开口部边沿并绷住整个真空装置的开口部；所述压力气囊位于真空装置的内部并与所述防静电橡皮布抵触连接。

8.根据权利要求6所述的柔性电子电路的封装装置，其特征在于，还包括：计算机控制系统，用于对所述封装装置的工作过程进行控制。

9.根据权利要求6所述的柔性电子电路的封装装置，其特征在于，所述氙灯烧结机构中设置有脉冲能量传感器，用于监测脉冲氙灯发出的光能量。

10.根据权利要求6所述的柔性电子电路的封装装置，其特征在于，还包括：冷却系统，用于冷却氙灯烧结机构。

11.根据权利要求6所述的柔性电子电路的封装装置，其特征在于，所述承载基板为低反射石英玻璃。

12.根据权利要求6所述的柔性电子电路的封装装置，其特征在于，所述承载基板上设置有一定位传感器，用于对柔性电子电路进行定位。