CN104445055B - 一种可提高延展性的柔性电子流体封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可提高延展性的柔性电子流体封装方法，包括：制得下层和上层封装结构，这两个封装结构保持对称并在其中央部位各自具有凹陷延展的区域；制作延性互连结构，该延性互联结构的整体呈波形分布的曲线结构；将上下层封装结构对应贴合，同时将延性互连结构封装在中空微腔体中；最后，将绝缘性流体注射至微腔体内，使其完全填充微腔体并包裹所述延性互连结构，由此完成整体的流体封装操作。通过本发明，能够显著提高互连结构的拉伸延展性能，避免面外翘曲现象，并在便于质量操控的同时有效提高互连结构的稳定性。

Description

一种可提高延展性的柔性电子流体封装方法

技术领域

本发明属于柔性电子制造技术领域，更具体地，涉及一种可提高延展性的柔性电子流体封装方法。

背景技术

柔性电子是将电子器件制作在柔性或可延性塑料或薄金属基板上的一种新兴电子技术，由于其具备独特的柔性、延展性以及高效、低成本制造的特点，因而在信息、能源、医疗、国防等多个领域具有广泛的应用前景。目前对于柔性电子互连结构而言，所采用的制备工艺主要是利用印刷方法将柔性互连结构直接印制在弹性基底上，通过胶黏层与弹性基底固定。这种方法存在的问题是：柔性互连结构与胶黏层和基底的不相容性会影响互连结构的拉伸性能，并且在拉伸过程中，互连结构的拉伸能力因受到胶黏层和基底束缚而得不到充分的应用。

Rogers等公开了一种用于制备集成刚性电子元件的多功能器件的工艺(参见“SoftMicrofluidicAssembliesofSensors,Circuits,andRadiosfortheSkin”；Science)，其中在微腔体底部制作有三角锥形凸台结构，并在微腔体中填充液体，使刚性器件悬浮在液体中，利用金属分形互连结构连接刚性器件，克服了刚性器件难变形的缺陷，实现了器件贴合在人体皮肤上，无线监测人体各种生理特征的功能。

然而，进一步的研究表明，上述现有技术仍然存在以下的多个问题：1)所使用的互连结构容易发生面外屈曲，难以保证互连结构在拉伸过程中的变形模式；2)缺乏对悬浮介质与封装结构之间关系的深入研究，最终所获得的封装结构性能仍有待改善；3)所使用的互连结构和三角锥形凸台结构均需要通过光刻等工艺制得，工艺复杂，且增加了成本。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可提高延展性的柔性电子流体封装方法，其中通过对其具体工艺的工序和控制操作，尤其是延性互联结构的形状、封装结构形式以及聚合物的类型和加工参数等方面的研究设计，相应能够显著提高互连结构的拉伸延展性能，避免面外翘曲现象，并在便于质量操控的同时有效提高互连结构的稳定性。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种可提高延展性的柔性电子流体封装方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)配置Ecoflex溶液，将该聚合物溶液分别浇筑到下层封装结构和上层封装结构所对应的模具上，待聚合物固化后脱模，由此制得下层封装结构和上层封装结构，这两个封装结构保持对称并在其中央部位各自具有凹陷延展的区域；

(b)采用激光加工工艺制作两端分别具有连接块的延性互连结构，该延性互联结构的整体呈波形分布的曲线结构，并且曲线的线条继续发生螺旋由此形成二级波形；

(c)拾取制作好的延性互连结构，将两端处的连接块分别放置在所述下层封装结构的非凹陷处，然后涂布环氧树脂予以固定；

(d)将所述上层封装结构对应贴合于所述下层封装结构，并使得所述延性互连结构被封装在由这两个封装结构的凹陷延展区域所共同形成的中空微腔体中；

(e)将绝缘性流体注射至所述中空微腔体内，使其完全填充微腔体并包裹所述延性互连结构，由此完成整体的流体封装操作。

作为进一步优选地，在步骤(a)中，所述固化采取将模具直接放在加热板上执行加热固化的方式，并且加热温度被设定为65℃～75℃，加热时间为8分钟～10分钟。

作为进一步优选地，在步骤(e)中，基于所述微腔体高宽比的不同来确定对应的填充流体形式：其中当高宽比大于1:5时，向微腔体内注射单纯的所述绝缘性流体；而当高宽比小于或等于1:5时，向微腔体内注射含有微颗粒的绝缘性流体；并且上述绝缘性流体的性能参数均被设定为：体电阻率大于1×10¹⁴Ω·cm，介电强度高于10kV/mm，其粘度为5Pa·s～8Pa·s。

所述微颗粒优选为呈球体形式的二氧化硅，并且该微颗粒球体的直径在2微米～4微米左右，其质量百分比浓度被控制为25％～40％。

作为进一步优选地，所述下层封装结构在其表面上优选还加工有栅格状沟道，该栅格状沟道的宽度与所述微颗粒球体的直径相等，其深度约为所述微颗粒球体直径的1/2。

作为进一步优选地，在步骤(d)中，直接采用注射器的针头在所述上层封装结构的凹陷延展区域的顶角处开出孔，然后将绝缘性流体注入微腔体内；在步骤(e)中，则采用环氧树脂对所述孔进行密封。

作为进一步优选地，对于各个所述延性互连结构而言，它们被制成分形模块，并通过独立的液态金属模块拼接成不同大小和形状的图案，该液态金属模块起到导线连接的作用。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过对延性互连结构的特定形状进行设计，并采用激光工艺执行加工，所制出的互连结构厚度与宽度接近均为100微米左右，而且测试表明在拉伸过程中基本只会发生面内屈曲，而不会发生面外翘曲现象，由此有效提高了柔性互连结构的工作稳定性；

2、与此同时，通过对封装结构的材质和具体加工工艺进行设计，与目前常用的PDMS相比，具有更好的拉伸性能，最大拉伸能力可达到900％，并尤其适于与互连结构之间的组合安装；

3、通过在微腔体内填充含有悬浮颗粒的绝缘性流体，不仅可避免金属互连结构暴露在空气中被氧化，而且还可减小互连结构之间的摩擦，进一步保证互连电学性能的稳定性；此外，通过对互连结构的栅格沟道及悬浮颗粒进行设计，可以对柔性互连结构起来良好的支撑作用，并使微颗粒处在沟道中以避免互连结构在拉伸过程中与封装基板的接触；

4、本发明中还专门对微腔体高宽比与封装结构形式之间的关系进行了研究，其中通过对绝缘性流体的关键性能参数以及配套使用的微颗粒的特性进行设计，较多的实际测试表明，其能够有效消除电串扰、避免电击穿现象，同时显著提高整个封装结构的耐冲击性。

附图说明

图1是用于显示本发明的流体封装工艺的流程示意图；

图2是按照本发明所制得的整体封装结构的剖视图；

图3是按照本发明优选实施例的柔性互联结构的示意图；

图4是按照本发明优选实施例的带有栅格沟道的弹性基底的结构示意图；

图5是分形互连结构模块与液态金属模块之间拼接组成的图案示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是用于显示本发明的流体封装工艺的流程示意图。下面将参照图1来具体解释具体的操作工艺。

首先，可根据微腔体的结构，设计并制备相应结构的模具，如图1中所示，配置Ecoflex溶液，将该聚合物溶液分别浇筑到下层封装结构1和上层封装结构3所对应的模具上，待聚合物固化后脱模，由此制得下层封装结构和上层封装结构，这两个封装结构保持对称并在其中央部位各自具有凹陷延展的区域；

接着，譬如用镊子拾取加工好的分形互连结构2，将互连结构的两端放置在下层封装结构的非凹陷处，并在两端涂上适量环氧树脂胶固定；

接着，在制得的上层封装结构3非凹陷处均匀涂抹上环氧树脂，将其对应贴合在下层封装结构1上，使分形互连结构2被封装在中空结构中；

接着，待环氧树脂完全固化后，譬如可直接采用直径1mm的针头在上层封装凹陷结构的两个顶角处分别开两个小孔4；手动将绝缘性流体从小孔内注入微腔体结构中，使其完全填充微腔体并包裹所述延性互连结构；

最后，用环氧树脂对小孔进行密封，由此完成整体的流体封装操作，并获得如图2中所示的封装结构。

按照本发明的优选实施方式，可采用采用激光加工工艺制备出延性互连结构。互连结构的具体形状如图3中所示，其大致呈一种马鞍形蜿蜒结构，具体也即整体呈波形分布的曲线结构，并且曲线的线条继续发生螺旋由此形成二级波形的形式来提高整体拉伸能力。在实际操作时，可使用CAD软件将互连图案设计好后，通过激光加工工艺将铜箔切割成相应图案。与传统的印刷工艺和刻蚀工艺相比，激光加工工艺操作简便，制作出的具备上述结构形式的互连结构厚度与宽度接近(约为100μm)，在拉伸过程中只会发生面内屈曲，而不会发生面外翘曲现象，保证了柔性互连结构的工作稳定性。

按照本发明的一个优选实施方式，本发明中还专门对微腔体高宽比与封装结构形式之间的关系进行了研究。具体而言，当微腔体结构高宽比的比值小于某一临界值(约为1:5)时，为了有效防止拉伸过程中腔体发生塌陷，本发明中优选向绝缘性流体中掺杂有譬如二氧化硅球体的微颗粒；而当微腔体结构高宽比的比值较大超过上述临界值时，则可直接通入单纯的绝缘性流体。上述所填充流体的关键性能参数经过较多的测试可设定为：1)对金属互连结构和基板良好的润湿能力，便于填充微腔体；体电阻率＞1×10¹⁴Ω·cm)，以消除产生电串扰现象；介电强度＞10kV/mm)，由此避免电击穿现象；粘度(5Pa·s-8Pa·s)，由此提高整体封装结构的耐冲击性；此外，还需要提供良好的润湿能力，以及良好的热学稳定性、化学稳定性、疏水性和透光性等。

按照本发明的另一优选实施方式，填充到微腔体内的绝缘性流体优选被设定为呈球体结构的二氧化硅，并且该微颗粒球体的直径在2微米～4微米左右，其质量百分比浓度被控制为25％～40％。以此方式，测试表明不仅可以避免金属互连结构暴露在空气中被氧化，而且可减小互连结构之间的摩擦，保证了互连电学性能的稳定性，同时可以直接将含有上述微颗粒的液体填充入微腔体中，对柔性互连结构起到良好的支撑作用。此外，如图4中所示，可以在互连基底上制备出宽度与微颗粒直径相当、深度约为微颗粒直径一半的栅格型沟道，使微颗粒可以处在沟道中，从而有效避免柔性互连结构在拉伸过程中与封装基板接触。

参见图5，本发明中优选将互连结构做成独立的单元模块，可将单个的独立互连单元模块通过密封成独立模块的液态金属(共晶镓铟合金，EGaIn)来拼接成不同大小和形状的互连图案，液态金属模块起到导线连接作用。这种类似乐高(LEGO)积木的组合方式，可以满足不同的应用需求，可以制成大面积超强拉伸能力的互连结构。同时，利用液态金属的自愈合性，通过控制液态金属的通断来改变互连图案，起到开关通断作用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可提高延展性的柔性电子流体封装方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)配置Ecoflex溶液，将该聚合物溶液分别浇筑到下层封装结构(1)和上层封装结构(3)所对应的模具上，待聚合物固化后脱模，由此制得下层封装结构和上层封装结构，这两个封装结构保持对称并在其中央部位各自具有凹陷延展的区域；

(b)采用激光加工工艺制作两端分别具有连接块的延性互连结构(2)，该延性互联结构的整体呈波形分布的曲线结构，并且曲线的线条继续发生螺旋由此形成二级波形；

(c)拾取制作好的延性互连结构(2)，将两端处的连接块分别放置在所述下层封装结构(1)的非凹陷处，然后涂布环氧树脂予以固定；

(d)将所述上层封装结构(3)对应贴合于所述下层封装结构(1)，并使得所述延性互连结构(2)被封装在由这两个封装结构的凹陷延展区域所共同形成的中空微腔体中；

(e)将绝缘性流体注射至所述中空微腔体内，使其完全填充微腔体并包裹所述延性互连结构(2)，由此完成整体的流体封装操作。

2.如权利要求1所述的柔性电子流体封装方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述固化采取将模具直接放在加热板上执行加热固化的方式，并且加热温度被设定为65℃～75℃，加热时间为8分钟～10分钟。

3.如权利要求1或2所述的柔性电子流体封装方法，其特征在于，在步骤(e)中，基于所述微腔体高宽比的不同来确定对应的填充流体形式：其中当高宽比大于1:5时，向微腔体内注射单纯的所述绝缘性流体；而当高宽比小于或等于1:5时，向微腔体内注射含有微颗粒的绝缘性流体；并且上述绝缘性流体的性能参数均被设定为：体电阻率大于1×10¹⁴Ω·cm，介电强度高于10kV/mm，其粘度为5Pa·s～8Pa·s。

4.如权利要求3所述的柔性电子流体封装方法，其特征在于，所述微颗粒为呈球体形式的二氧化硅，并且该微颗粒球体的直径为2微米～4微米，其质量百分比浓度被控制为25％～40％。

5.如权利要求4所述的柔性电子流体封装方法，其特征在于，所述下层封装结构(1)在其表面上还加工有栅格状沟道，该栅格状沟道的宽度与所述微颗粒球体的直径相等，其深度为所述微颗粒球体直径的1/2。

6.如权利要求1所述的柔性电子流体封装方法，其特征在于，在步骤(d)中，直接采用注射器的针头在所述上层封装结构的凹陷延展区域的顶角处开出孔，然后将绝缘性流体注入微腔体内；在步骤(e)中，则采用环氧树脂对所述孔进行密封。

7.如权利要求1所述的柔性电子流体封装方法，其特征在于，对于各个所述延性互连结构(2)而言，它们被制成分形模块，并通过独立的液态金属模块拼接成不同大小和形状的图案，该液态金属模块起到导线连接的作用。