CN105611753A - 一种液态金属多层电路制作方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性电路制造技术领域，尤其涉及一种液态金属多层电路制作方法及装置。本发明的液态金属多层电路制作方法及装置能将电路分层印制和封装，通过配准机构配准对齐各层电路后，通过融合机构融合各层电路之间的封装材料，并按要求通过打孔机构打孔连接各层电路，避免了直接翻转或堆叠液态金属电路时容易破坏线路的问题，能准确、有效地制作多层液态金属电路，大大提高了液态金属电路的适用范围，有效保证了封装厚度、配准精度、打孔准确度，避免发生电路错位、连接错误或不慎打穿电路等问题。该制作方法使用简单，该制作装置具有组装方便、成本低廉、无污染等优点。

Description

一种液态金属多层电路制作方法及装置

技术领域

本发明涉及柔性电路制造技术领域，尤其涉及一种液态金属多层电路制作方法及装置。

背景技术

随着印刷电子技术的不断进步，以液态金属为代表的导电流体使得直写、打印等电路直印技术成为了可能。在现有的液态金属直写和打印中，液态金属墨水浸润和粘附在有机聚合物基材表面实现导电线路的印制。但是，如果在封装前翻转基底材料，则很容易破坏之前印制好的电路，因而在完成单面电路的印制后，难以直接在基底材料的反面再印制电路，也无法直接将两张或多张电路进行直接堆叠，因而令双面或多层液态金属电路的加工遇到了挑战。

鉴于上述背景技术的问题，本发明提供了一种液态金属多层电路制作方法及装置。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供了一种液态金属多层电路制作方法及装置，能通过融合封装材料准确、有效地制作双面或多层液态金属电路，避免了直接翻转或堆叠液态金属电路时容易破坏线路的问题，大大提高了液态金属电路的适用范围。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种液态金属多层电路制作装置，包括：

多组基底，均用于承载由液态金属印制的电路，多组所述基底分别通过封装材料封装，且相邻的两组所述基底相对设置；

融合机构，设置于相邻两组所述基底之间，用于将相邻两组所述基底之间的封装材料融合；

配准机构，用于为多组所述基底之间的位置配准定位；

打孔机构，用于使相邻两组所述基底的预设位置贯穿连接；

分离机构，用于将所述基底与封装材料分离，以设置元器件。

进一步的，还包括：

印制机构，用于在所述基底上通过液态金属印制电路；

多组固定机构，分别用于固定多组所述基底；

层厚控制机构，设置于相邻两组所述固定机构之间，用于调整相邻两组所述固定机构的间距。

进一步的，所述印制机构包括液态金属打印机、液态金属电路手写笔或液态金属电路掩膜喷涂装置；

所述固定机构通过嵌入、压紧、胶黏或负压吸附的方式固定所述基底的边缘或底部；

所述层厚控制机构包括层数可调的多层调控片和/或升降台控制单元。

进一步的，所述配准机构通过标记配准的方式将多层电路对齐，所述标记包括十字形或米字形。

进一步的，所述融合机构通过等离子键合或粘合的方式融合两层所述基底之间的封装材料。

进一步的，所述打孔机构将导电材料贯穿设置于两层所述基底之间的预设厚度的封装材料上，以使两层所述基底上的电路之间连接，所述导电材料包括所述液态金属。

进一步的，所述液态金属的组分包括熔点在200℃以下的低熔点金属单质或金属合金，或者是所述金属单质或金属合金分别与具有导电作用的纳米或微米颗粒的混合物。

进一步的，所述基底包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二酯、环氧树脂或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物的一种或几种。

进一步的，所述封装材料为聚二甲基硅氧烷、硅胶、乳胶、硫橡胶或聚合物漆的一种或几种。

本发明还提供了一种液态金属多层电路制作方法，是基于如上所述的液态金属多层电路制作装置提出的，该方法包括如下步骤：

S1、分别在多层基底上印制底层电路和镜像印制中间层电路，并分别封装印制有所述底层电路和中间层电路的基底；

S2、在印制有所述底层电路的基底上相对的固定一层镜像印制有所述中间层电路的基底；

S3、通过配准机构配准定位两层分别印制有所述底层电路和中间层电路的基底，以使所述底层电路和中间层电路定位；

S4、通过融合机构融合印制有所述底层电路和中间层电路的基底之间的封装材料；

S5、通过打孔机构贯穿打通印制有所述底层电路和中间层电路的基底之间的封装材料，以使所述底层电路与中间层电路之间连接；

S6、通过分离机构将印制有所述中间层电路的基底与覆盖其外部的封装材料之间分离，以使印制有所述中间层电路的基底与印制有底层电路的基底组成多层电路基底；

S7、以步骤S6中形成的多层电路基底为印制有底层电路的基底，返回步骤S2，直至所述多层电路基底拼装完成；

S8、所述多层电路基底拼装完成后，将印制有所述底层电路的基底与覆盖其外部的封装材料之间分离；

S9、确定拼装完成的所述多层电路基底中的一层为元器件层，在所述元器件层的电路上设置元器件并封装，即得。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明的液态金属多层电路制作方法及装置能将电路分层印制和封装，通过配准机构配准对齐各层电路后，通过融合机构融合各层电路之间的封装材料，并按要求通过打孔机构打孔连接各层电路，避免了直接翻转或堆叠液态金属电路时容易破坏线路的问题，能准确、有效地制作多层液态金属电路，大大提高了液态金属电路的适用范围，有效保证了封装厚度、配准精度、打孔准确度，避免发生电路错位、连接错误或不慎打穿电路等问题。整个方法使用简单，对应装置具有组装方便、成本低廉、无污染等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的液态金属多层电路制作装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的液态金属多层电路制作方法的流程框架图。

其中，1、印制机构；2、基底；3、固定机构；4、层厚控制机构；5、配准机构；6、融合机构；7、分离机构；8、打孔机构；9、液态金属；10、封装材料。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供的液态金属多层电路制作装置包括多层基底2、印制机构1、多组固定机构3、配准机构5、融合机构6、打孔机构8、层厚控制机构4和分离机构7。

多组基底2均用于承载由液态金属9印制的电路，多组基底2分别通过封装材料10封装，且相邻的两组基底2相对设置。为了便于快速制作多层电路以其中一个基底2作为印制底层电路的基底2，其余基底2作为印制中间层电路的基底2，为了保证基底2翻转后电路位置准确，印制中间层电路的基底2上的电路为镜像印制。为了确保电路的印制效果良好，本实施例的基底2不能选用与液态金属9附着力差的材料，防止电路无法正常打印或造成打印后电路损坏。

印制机构1用于在基底2上通过液态金属9印制电路，印制机构1可以为各类可制作单层液态金属电路的设备或装置，其包括液态金属打印机、液态金属电路手写笔、液态金属电路掩膜喷涂装置或其他各类可制作单层液态金属电路的设备或装置。

本实施例的印制机构1内部装有液态金属9，可以按照电路设计图在基底2上印制或镜像印制单层液态金属电路，以作为底层电路或中间层电路，印制后的电路表面可覆盖封装材料10，将电路与基底2一同封装，以便于后续翻转操作时，不会破坏电路本身。

多组固定机构3分别用于固定多组基底2，防止操作过程中基底2发生意外地移动而影响制作效果。本实施例的多组固定机构3分别沿各层基底2的边缘设置，且各组固定机构3之间通过层厚控制机构4连接。为了保证基底2的固定效果良好，优选固定机构3可以将多个基底2或多个使用封装材料10封装的基底2固定，可以通过嵌入、压紧、胶黏或负压吸附的方式固定基底2的边缘或底部，如采用边框嵌入、边缘压紧、底部胶黏或负压吸附方式的一种或几种。

层厚控制机构4设置于相邻两组固定机构3之间，用于调整相邻两组固定机构3的间距，以便于改变和控制封装材料10的封装厚度，以及封装融合后的多层电路基底的厚度。本实施例的层厚控制机构4包括层数可调的多层调控片和/或升降台控制单元。

配准机构5，用于为多组基底2之间的位置配准定位。本实施例的配准机构5通过识别标记在基底2或电路上的标记，可调整基底2位置，使得各层基底2上分别印制的电路能相对应的对齐，以实施多层基底2之间的精确位置配准定位，包括多层基底2之间的方向和位置的配准定位；标记优选包括十字形或米字形，也可以为其他具有精确准心的形状标记。

融合机构6设置于相邻两组基底2之间，用于将相邻两组基底2之间的封装材料10融合，以使相邻两层的基底2上的封装材料10融合为一体，而不会影响封装在内部的底层电路或中间层电路。为了使封装材料10能快速融合为一体，优选融合机构6通过等离子键合或粘合的方式融合两层基底2之间的封装材料10。

打孔机构8，用于使相邻两组基底2的预设位置贯穿连接，以使多层基底2上的电路之间能够对应导通。本实施例的打孔机构8优选将导电材料贯穿设置于相邻两层基底2之间的预设厚度的封装材料10上，以使两层基底2上的电路之间连接，该导电材料包括液态金属9，当导电材料为液态金属9时，可以挖去预设厚度的封装材料10，将液态金属9灌入孔隙中，使相邻两层的电路能够导通。

分离机构7，用于将基底2与封装材料10分离，以设置元器件。本实施例的分离机构7可将基底2与封装材料10分离，使得封装材料10中的液态金属9暴露在表面，以便于防止元器件，且不影响封装材料10中液态金属9的分布与连接，优选使用低温分离或其他分离方法。

本实施例中，液态金属9的组分包括熔点在200℃以下的低熔点金属单质或金属合金，如镓、铟、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锌合金、镓铟锡锌合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋铟锡锌合金的一种或几种等，或者是上述各类金属单质或金属合金分别与各类具有导电作用的纳米或微米颗粒的混合物。

本实施例中，基底2包括聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醚酮(PEEK)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、环氧树脂(EP)或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)等高分子聚合物中的一种或几种，或者是其他可印制单层液态金属电路的基底2材料。

本实施例中，封装材料10为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅胶、乳胶、硫橡胶或聚合物漆等可经由液态固化的材料中一种或几种。

应当注意的是，在本发明的装置的各个部件中，根据其要实现的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本发明不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或者组合。

如图2所示，本实施例还提供了一种基于上述液态金属多层电路制作装置提出的液态金属多层电路制作方法，该方法包括如下步骤：

S1、分别在多层基底2上印制底层电路和镜像印制中间层电路，并分别封装印制有所述底层电路和中间层电路的基底2；

S2、在印制有所述底层电路的基底2上相对的固定一层镜像印制有所述中间层电路的基底2；

S3、通过配准机构5配准定位两层分别印制有所述底层电路和中间层电路的基底2，以使所述底层电路和中间层电路定位；

S4、通过融合机构6融合印制有所述底层电路和中间层电路的基底2之间的封装材料10；

S5、通过打孔机构8贯穿打通印制有所述底层电路和中间层电路的基底2之间的封装材料10，以使所述底层电路与中间层电路之间连接；

S6、通过分离机构7将印制有所述中间层电路的基底2与覆盖其外部的封装材料10之间分离，以使印制有所述中间层电路的基底2与印制有底层电路的基底2组成多层电路基底；

S7、以步骤S6中形成的多层电路基底为印制有底层电路的基底2，返回步骤S2，直至所述多层电路基底拼装完成；

S8、所述多层电路基底拼装完成后，将印制有所述底层电路的基底2与覆盖其外部的封装材料10之间分离；

S9、确定拼装完成的所述多层电路基底中的一层为元器件层，在所述元器件层的电路上设置元器件并封装，即得。

具体地，本实施例的液态金属多层电路制作方法为：首先通过印制机构1利用液态金属9将底层电路印制在一个基底2上，通过印制机构1利用液态金属9将各个中间层电路分别镜像印制在其他若干个基底2上，然后分别在各层电路上设置标记并对应各层分别封装，封装好的电路可以翻转而不破坏电路本身；将印制有底层电路的基底2放置于制作装置的底部，将一层镜像印制有中间层电路的基底2翻转后放置于底层电路的上部，使得中间层电路与底层电路相对设置，通过配准机构5利用十字标记或其他标记将上述两层电路配准定位，再使用融合机构6将两层电路之间的封装材料10融合，由于中间层电路是镜像印制的，其翻转后恢复到正常方向，且两层电路通过配准已经对齐，因此，融合后的电路是正常方向、位置对应关系正确的双层电路，使用打孔机构8打通两层电路的层间连接，最后利用分离机构7将印制有底层电路和中间层电路的基底2分别与各自对应的外部覆盖的封装材料10之间分离，即可得到连接正确的双层电路。

当需要制作大于两层的多层电路时，在将位于第二层的印有中间层电路的基底2拆封后，以相互连接的两层电路为底层电路，继续在第二层电路的基底2上翻转放置第三层电路基底2并按相同方法配准、融合和打孔，直到将所有的中间层电路全部配准融合打孔完毕后，利用分离机构7将印制有底层电路和中间层电路的基底2分别与各自对应的外部覆盖的封装材料10之间分离，即可得到连接正确的多层电路。

在上述过程中需通过层厚控制机构4控制每层封装材料10的厚度，避免最终电路过厚影响电路柔性和实用度。

多层电路制作完成后，去除元器件层(一般为顶层)外的封装材料10，即可按照与普通单层液态金属电路相同的方法放置元器件而不必担心影响其它各层电路的连接，放置器件完毕后将整个多层电路基底封装，该多层电路即可正常使用。

对于方法实施方式，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施方式并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施方式，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施方式均属于优选实施方式，所涉及的动作并不一定是本发明实施方式所必须的。

以下列举一个具体实施例，来详细说明该液态金属多层电路制作方法及装置的具体内容和工作原理。

本实施例所使用的液态金属多层电路制作装置的印制机构1为电磁驱动式液态金属电路印制机，所使用的液态金属9的材质为镓铟合金，所使用的基底2为聚氯乙烯薄膜，所使用的封装材料10为聚二甲基硅氧烷，配准方式为十字配准。

本实施例制作的电路为双层电路。将底层电路印制于聚氯乙烯薄膜上，在电路上覆盖聚二甲基硅氧烷，同时利用层厚控制装置，使底层电路被预设厚度的聚二甲基硅氧烷封装，将顶层电路镜像印制于聚氯乙烯薄膜上，按相同方法封装。在固定机构3表面开有若干细小连通孔，通过外界抽气使之产生负压，翻转顶层电路，将两层电路吸附固定于固定机构3上，调整层厚控制装置使得总层厚符合设计要求，调整配准机构5使两层电路对应位置对齐，使用融合机构6融合两层电路之间的聚二甲基硅氧烷材料，使用打孔机构8使层间连接符合设计要求，使用分离装置将封装材料10自基底2外分离，使基底2上的电路直接暴露在外，在电路上直接放置元器件，放置完毕后覆盖一层聚二甲基硅氧烷，利用层厚控制装置控制电路总厚度，封装完毕后即得到符合设计要求的双层电路。

其工作原理为：在本实施例的液态金属多层电路制作装置中，印制机构1将各层电路印制在基底2上，在层厚控制装置配合下封装各层电路，翻转、配准各层电路后，融合封装材料10并在有层间连接的位置打孔，得到多层电路，分离基底2后放置元件，再封装整个电路，得到包含元件的多层电路。

综上所述，本实施例的液态金属多层电路制作方法及装置能将电路分层印制和封装，通过配准机构5配准对齐各层电路后，通过融合机构6融合各层电路之间的封装材料10，并按要求通过打孔机构8打孔连接各层电路，避免了直接翻转或堆叠液态金属电路时容易破坏线路的问题，能准确、有效地制作多层液态金属电路，大大提高了液态金属电路的适用范围，有效保证了封装厚度、配准精度、打孔准确度，避免发生电路错位、连接错误或不慎打穿电路等问题。整个方法使用简单，对应装置具有组装方便、成本低廉、无污染等优点。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种液态金属多层电路制作装置，其特征在于，包括：

多组基底，均用于承载由液态金属印制的电路，多组所述基底分别通过封装材料封装，且相邻的两组所述基底相对设置；

融合机构，设置于相邻两组所述基底之间，用于将相邻两组所述基底之间的封装材料融合；

配准机构，用于为多组所述基底之间的位置配准定位；

打孔机构，用于使相邻两组所述基底的预设位置贯穿连接；

分离机构，用于将所述基底与封装材料分离，以设置元器件。

2.根据权利要求1所述的液态金属多层电路制作装置，其特征在于，还包括：

印制机构，用于在所述基底上通过液态金属印制电路；

多组固定机构，分别用于固定多组所述基底；

层厚控制机构，设置于相邻两组所述固定机构之间，用于调整相邻两组所述固定机构的间距。

3.根据权利要求2所述的液态金属多层电路制作装置，其特征在于，所述印制机构包括液态金属打印机、液态金属电路手写笔或液态金属电路掩膜喷涂装置；

所述固定机构通过嵌入、压紧、胶黏或负压吸附的方式固定所述基底的边缘或底部；

所述层厚控制机构包括层数可调的多层调控片和/或升降台控制单元。

4.根据权利要求1所述的液态金属多层电路制作装置，其特征在于，所述配准机构通过标记配准的方式将多层电路对齐，所述标记包括十字形或米字形。

5.根据权利要求1所述的液态金属多层电路制作装置，其特征在于，所述融合机构通过等离子键合或粘合的方式融合两层所述基底之间的封装材料。

6.根据权利要求1所述的液态金属多层电路制作装置，其特征在于，所述打孔机构将导电材料贯穿设置于两层所述基底之间的预设厚度的封装材料上，以使两层所述基底上的电路之间连接，所述导电材料包括所述液态金属。

7.根据权利要求1-6任一项所述的液态金属多层电路制作装置，其特征在于，所述液态金属的组分包括熔点在200℃以下的低熔点金属单质或金属合金，或者是所述金属单质或金属合金分别与具有导电作用的纳米或微米颗粒的混合物。

8.根据权利要求1-6任一项所述的液态金属多层电路制作装置，其特征在于，所述基底包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二酯、环氧树脂或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物的一种或几种。

9.根据权利要求1-6任一项所述的液态金属多层电路制作装置，其特征在于，所述封装材料为聚二甲基硅氧烷、硅胶、乳胶、硫橡胶或聚合物漆的一种或几种。

10.一种液态金属多层电路制作方法，其特征在于，是基于如权利要求1-9任一项所述的液态金属多层电路制作装置提出的，该方法包括如下步骤：

S1、分别在多层基底上印制底层电路和镜像印制中间层电路，并分别封装印制有所述底层电路和中间层电路的基底；

S2、在印制有所述底层电路的基底上相对的固定一层镜像印制有所述中间层电路的基底；

S3、通过配准机构配准定位两层分别印制有所述底层电路和中间层电路的基底，以使所述底层电路和中间层电路定位；

S4、通过融合机构融合印制有所述底层电路和中间层电路的基底之间的封装材料；

S5、通过打孔机构贯穿打通印制有所述底层电路和中间层电路的基底之间的封装材料，以使所述底层电路与中间层电路之间连接；

S6、通过分离机构将印制有所述中间层电路的基底与覆盖其外部的封装材料之间分离，以使印制有所述中间层电路的基底与印制有底层电路的基底组成多层电路基底；

S7、以步骤S6中形成的所述多层电路基底为印制有底层电路的基底，返回步骤S2，直至所述多层电路基底拼装完成；

S8、所述多层电路基底拼装完成后，将印制有所述底层电路的基底与覆盖其外部的封装材料之间分离；

S9、确定拼装完成的所述多层电路基底中的一层为元器件层，在所述元器件层的电路上设置元器件并封装，即得。