CN104735917B - 一种柱状嵌入式柔性电路的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柱状嵌入式柔性电路的制备方法及其应用。该方法首先将处于粘流态的高分子材料涂覆在支撑材料上，然后喷墨打印导电墨水，由于喷头喷射时的冲击作用使导电墨水沉入粘流态的高分子材料内部，最后经过加热或光照进行固化得到柱状嵌入式柔性电路；导电墨水干燥后形成导电线路，粘流态的高分子材料固化成膜，形成导电线路的封装材料。制得的导电线路的单根导线的宽度和高度在500nm‑50um之间，宽度/高度值在0.5‑2之间；导线距离封装基材上下界面的距离为10um‑100um。本发明在避免曝光刻蚀高污染高成本的同时，极大提高了打印电路的厚度和打印精度，并且一步封装电路的方法免去了后续的封装过程，可以应用于制备透明超薄柔性电路板、高集成度排线等领域。

Description

一种柱状嵌入式柔性电路的制备方法及应用
技术领域
本发明属于柔性电路制备技术领域，特别涉及一种在粘流态基材上喷射导电墨水制备柱状嵌入式柔性电路版的方法。
背景技术
柔性印刷电路具有可动态弯折、重量轻、厚度薄、占用空间小等优点，可以极大降低电子产品的重量、尺寸以及增加其封装密度，已经广泛用于智能手机、笔记本电脑、液晶显示模块、数码相机、打印机喷头连接线等具有高度集成和耐弯折需求的场合。随着智能手机、大尺寸液晶屏、柔性显示器等电子产品的普及，柔性电路的需求和产量都在不断增加，但目前制作柔性印刷电路的主流方法仍然是光刻法。如CN 1984534A、CN 103108492A、CN103428994 A所述，首先在柔性基材覆铜箔，然后涂覆感光胶，经曝光显影刻蚀得到铜导电线路。这是一种“减法”制作工艺，绝大部分铜箔被浪费，工艺复杂生产成本高，同时感光刻蚀过程会造成大量环境污染。为了解决上述问题，CN 102450110 A公开了一种半加成法制作柔性电路的方法。首先在聚酰亚胺薄膜上形成化学镀金属镍层，然后在金属镍层上设置干膜抗蚀剂，经曝光和刻蚀在柔性基底形成金属镍图案，最后在金属镍层图案上电镀铜。这种半加成法虽然避免了大量铜箔的浪费，但金属镍图案的形成仍然需要显影曝光刻蚀过程，且工艺流程复杂。
喷墨打印技术由于是一种“加法”制作工艺，可以极大提高材料利用效率，且工艺简便、成本低、无污染，通过将导电材料配制成墨水，使用喷墨打印技术在柔性基底上打印导电线路可以解决光刻法制作柔性电路中存在的工艺复杂、高污染、制作成本高等问题。但喷墨打印由于墨滴在柔性基底上的铺展只能形成几百纳米的导电层，而光刻法制作的电路厚度可以达到微米级别，这就造成了打印电路电子迁移率低，反复弯折后导电性能衰减。另外，墨滴在基材上的铺展导致打印电路的分辨率低，目前喷墨打印单根导电线路的精度普遍处在20-30μm，与光刻法亚微米级别的分辨率还有很大差距，这对提高打印电路的集成度至关重要。
所以，虽然喷墨打印制备柔性电路具有高效、低成本、无污染的优势，但打印电路由于墨滴铺展而造成厚度薄、精度低，这些问题限制了喷墨打印技术在柔性电路板制作领域的应用。
发明内容
为了解决现有柔性电路中以上问题，本发明提出一种喷墨打印制备柱状嵌入式柔性电路的方法。
本发明在处于粘流态的高分子基材上喷墨打印导电墨水，喷头喷射出的墨滴由于冲击作用而沉入基材内部，通过后续处理使原先处于粘流态的基材固化形成被基材包裹的柱状嵌入式柔性电路。
本发明所述的柱状嵌入式柔性电路的制备方法为：首先将处于粘流态的高分子材料涂覆在支撑材料上，然后喷墨打印导电墨水，由于喷头喷射时的冲击作用使导电墨水沉入粘流态的高分子材料内部，最后经过加热或光照进行固化得到柱状嵌入式柔性电路；导电墨水干燥后形成导电线路，粘流态的高分子材料固化成膜，形成导电线路的封装材料。
所述的处于粘流态的高分子材料为聚酰亚胺溶液、可后续发生交联的硅橡胶材料、或低聚合度的聚对苯二甲酸乙二醇酯。
所述的聚酰亚胺溶液浓度为10-50wt％，溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二-甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜中的一种或几种。
所述的可后续发生交联的硅橡胶材料为二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶。
所述的低聚合度的聚对苯二甲酸乙二醇酯的聚合度为1-50，可后续进一步发生酯化反应形成聚合度为100-200的聚对苯二甲酸乙二醇酯。
所述的涂覆方式包括旋涂、刮涂、浸涂、辊轮涂布；所述的涂覆厚度为10-1000μm。
所述的支撑材料包括金属铝片、玻璃片、硅片、PET薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜；粘流态的高分子材料固化成膜后可与支撑材料剥离，支撑材料可继续重复使用。
所述的导电墨水含有金属纳米材料、导电高分子材料、导电碳材料中的一种或几种。
所述的金属纳米材料为银纳米颗粒、银纳米线、银纳米片、铜纳米颗粒、铜纳米线、铜纳米片、金纳米颗粒、金纳米线、锡包铜纳米颗粒、锡包铜纳米线。
所述的导电高分子材料为聚吡咯、聚对苯撑、聚苯硫醚、聚苯胺。
所述的导电碳材料为石墨烯、碳纳米管、导电炭黑。
上述制备得到的柱状嵌入式柔性电路在制备柔性集成电路板中的应用。
上述制备得到的柱状嵌入式柔性电路在制备拉伸传感器中的应用。
本发明通过在处于粘流态的高分子基材上喷墨打印导电墨水，得到封装在基材内部的导电线路。粘流态的高分子基材抑制了打印墨滴的铺展，最终得到的导线厚度大大提高，并具有圆形的截面。本发明制备的封装在高分子基材内部的单根导线的宽度和高度在500nm-50um之间，宽度/高度值在0.5-2之间；导线距离封装基材上下界面的距离为10um-100um。本发明在避免曝光刻蚀高污染高成本的同时，极大提高了打印电路的厚度和打印精度，并且一步封装电路的方法免去了后续的封装过程，可以应用于制备透明超薄柔性电路板、高集成度排线等领域。
附图说明
图1为实施例1所制备的柔性电路板光学显微镜照片；
图2和图3为实施例1所制备柔性电路截面电子显微镜照片；
图4为实施例3所制备的柔性电路截面电子显微镜照片。
具体实施方式
实施例1
将聚二甲基硅氧烷预聚体和交联剂硅酸乙酯按质量比5：1混合均匀，2000rpm转速离心除去气泡。使用匀胶机在2000rpm转速下将混合物旋涂在厚度为125um的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜上，得到粘流态高分子基材备用。将合成好的银纳米颗粒溶解在体积比为4:1的水和乙二醇的混合溶剂中配制成质量分数为10％的导电墨水，使用富士Dimatix喷墨打印机将墨水按设计好的电路打印在粘流态基材上，将打印好的基材在100℃下固化烧结2h，聚二甲基硅氧烷层即为柔性电路板。
实施例2
将聚酰亚胺溶解在二-甲基甲酰胺中得到质量分数25％的粘稠溶液，使用匀胶机3000rpm转速下将其旋涂在玻璃片上。将银纳米颗粒和银纳米线溶解在水、乙二醇、乙醇(质量比为6：3：1)混合溶液中离心分散，并经孔径1um的滤膜过滤，得到导电墨水。使用Microfab喷墨打印系统将墨水打印在旋涂好的聚酰亚胺粘稠液层上，得到设定好的电路。将上述样品在200℃-300℃烘箱内加热3h，聚酰亚胺层即为柔性电路。
实施例3
将3g聚二甲基硅氧烷和0.3g交联剂混合，搅拌均匀，超声30分钟除去气泡，使用滚轮涂布机均匀涂布在210mmx297mm的铝片上。将0.2g碳纳米管溶解在10g二甲基甲酰胺中，超声分散，3000rpm离心，取上层清液为导电墨水。使用富士Dimatix喷墨打印机将墨水打印在粘流基材上，将基材和支撑材料一起在90℃的烘箱中加热30分钟，将交联后的聚二甲基硅氧烷揭开即为柔性电路。
实施例4
取10g聚酰亚胺树脂溶解在35gN-甲基吡咯烷酮中，使用刮刀涂布机均匀涂布在铝片上。取1gPVP包覆的银纳米线和0.5g石墨烯溶解在5g水中，超声分散30分钟，经10um滤膜过滤，滤得的均一液体即为导电墨水。使用喷墨打印机将墨水打印在处于粘流态的聚酰亚胺液层上，将打印好电路的样品在200℃的烘箱中烘烤3小时，将固化后的聚酰亚胺揭下即为柔性电路。
实施例5
取3g聚二甲基硅氧烷和0.6g交联剂混合均匀，使用匀胶机4000rpm转速下旋涂在3cm*3cm的PET薄膜上。将2gPVP包覆的银纳米颗粒溶解在水中，超声分散30分钟，用孔径1um的滤膜滤除溶液中粒径大于1um的银颗粒，制得导电墨水。使用富士Dimtix喷墨打印机按照设计的电路图将银纳米颗粒导电墨水打印在处于粘流态的基材上，将打印完成的样品在80℃的烘箱中加热固化40分钟，固化后的聚二甲基硅氧烷连同PET薄膜共同作为柔性电路。
实施例6
取1mol对苯二甲酸和2mol乙二醇，200℃下进行酯化反应生成低聚合度的聚对苯二甲酸乙二醇酯，将生成物使用辊轮涂布机均匀涂布在铝板上，将0.2g碳纳米管溶解在10g二甲基甲酰胺中，超声分散，3000rpm离心，取上层清液为导电墨水。使用富士Dimatix喷墨打印机将导电墨水打印在低聚合度的聚对苯二甲酸乙二醇酯上，将制备好的样品在280℃下加热2h，将聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜揭下即为柔性电路。

Claims (7)

1.一种柱状嵌入式柔性电路的制备方法，其特征在于，该方法为：首先将处于粘流态的高分子材料涂覆在支撑材料上，然后喷墨打印导电墨水，由于喷头喷射时的冲击作用使导电墨水沉入粘流态的高分子材料内部，最后经过加热或光照进行固化得到柱状嵌入式柔性电路；导电墨水干燥后形成导电线路，粘流态的高分子材料固化成膜，形成导电线路的封装材料；
所述的处于粘流态的高分子材料为聚酰亚胺溶液、可后续发生交联的硅橡胶材料、或低聚合度的聚对苯二甲酸乙二醇酯；
所述的聚酰亚胺溶液浓度为10-50wt%，溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二-甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜中的一种或几种；
所述的可后续发生交联的硅橡胶材料为二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的涂覆方式包括旋涂、刮涂、浸涂、辊轮涂布；所述的涂覆厚度为10-1000μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的支撑材料包括金属铝片、玻璃片、硅片、PET薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜；粘流态的高分子材料固化成膜后可与支撑材料剥离，支撑材料可继续重复使用。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的导电墨水含有金属纳米材料、导电高分子材料、导电碳材料中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的金属纳米材料为银纳米颗粒、银纳米线、银纳米片、铜纳米颗粒、铜纳米线、铜纳米片、金纳米颗粒、金纳米线、锡包铜纳米颗粒、锡包铜纳米线；
所述的导电高分子材料为聚吡咯、聚对苯撑、聚苯硫醚、聚苯胺；
所述的导电碳材料为石墨烯、碳纳米管、导电炭黑。
6.根据权利要求1-5任一所述的方法制备得到的柱状嵌入式柔性电路在制备柔性集成电路板中的应用。
7.根据权利要求1-5任一所述的方法制备得到的柱状嵌入式柔性电路在制备拉伸传感器中的应用。
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