CN105905867B - 一种三维表面顺形或共形图案的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维表面顺形或共形图案的制备方法，属于微制造领域。其包括：S1将薄膜粘附在辅助基底上；S2采用激光、切割或者蚀刻方式将薄膜加工成预定的图案，获得图案化薄膜辅助基底；S3在塑料薄膜上添加缓冲层；S4使图案化薄膜接触并粘结在所述缓冲层上；S5分离出辅助基底；S6对图案化薄膜目标基底加热，待塑料薄膜塑性增大至可在压力下变形后，将图案化薄膜目标基底移至三维模具上，利用真空压力吸附或高压，使图案化薄膜目标基底变形后贴附在三维模具表面，成为与三维模具表面形貌相同的三维表面顺形或共形图案系统。本发明方法提高了三维表面顺形或共形图案的生产效率、降低了其生产成本。

Description

一种三维表面顺形或共形图案的制备方法

技术领域

本发明属于微制造领域,具体涉及一种三维复杂表面顺形或者共形图案的制备方法。

背景技术

目前，在市场极大的需求下电子器件得到了迅速的发展。由于电子产业的高速发展，传统的电子器件已经难以满足日益严格的要求。随着可拉伸电子系统的出现，使得电子系统可以非常好的贴合人体复杂的表面肌肤上，为电子系统的发展带来了更多的可能性。除了可以贴合在人体上，可拉伸电子系统也可以贴合在各种复杂的三维表面上，如航空器、飞行器、大型雷达等，表面顺形电子极大的减小了电子系统的尺寸。在完成一次性表面顺形后，对表面顺形电子的拉伸性要求不高。一次性表面顺形电子不仅可以减小现有电子系统的尺寸、增大电子系统的空间利用率，还为电子系统的设计提供了更多的可能性。因此如何快速有效的制造出尺寸小、效率高、结构稳定的表面顺形电子是当前微电子领域新的发展方向之一。

为了快速有效的制造尺寸小、效率高的表面顺形电子，陆续出现了一些可行的方案。例如：随着丝网印刷、喷墨印刷技术的发展，有学者利用印刷技术在柔性印刷电路板上印刷电子电路系统，再使柔性印刷电路板发生变形，成为所需的形状。由于其容易制造、制造成本低、生产效率高，使得该技术得到了广泛的关注。虽然该方法提高了生产效率，但是该方法只能制造较为平缓的形状，若变形过大，则会使金属导线断裂破坏，并且该方法采用传统的湿法刻蚀的方法，对环境有很大的污染，使该方法具有一定局限性，不能满足现有的需求。

为了克服表面顺形电子变形过程中导线易断裂的问题，有学者(Adams J J,DuossE B,Malkowski T F,et al.Conformal printing of electrically small antennas onthree-dimensional surfaces.[J].Advanced Materials,2011,23(11):1335-40.)结合最新的3D打印技术制造出了三维表面顺形电子。该学者利用3D打印技术将金属油墨打印到三维半球形表面上，形成蜿蜒的空间导线结构。通过控制导线的宽度，利用该方法制作的三维表面顺形电小天线与传统平面电小天线的相比带宽提高一个数量级。但是，由于金属油墨的导电率只有铜的30％左右，极大的限制了三维表面顺形电子系统的工作效率。另外，由于该过程利用的是直写技术，使得制造过程很慢，对设备的要求也比较高，因而其生产效率较低、成本较高。

为了克服上述三维电子系统工作效率低等问题，密西根学者(Carl P,Xin X,Forrest S R,et al.Patterning:Direct Transfer Patterning of Electrically SmallAntennas onto Three‐Dimensionally Contoured Substrates(Adv.Mater.9,2012)[J].Advanced Materials,2012,24(9):1166-70.)利用直接转印法制得了半球形的三维电子系统。该方法首先在柔性材料上制作出带有突脊的印章，然后利用蒸镀法在柔性印章上镀上一层金，由于柔性印章具有一定的可变形性，通过真空吸附和模具的作用，可以使其变形为内凹的三维形状，接着将其转印到对应的外凸形三维基体上，最后再利用蚀刻和镀金技术制得带有金属图案的三维表面顺形电子。由于该方法电路部分采用的是的金，其导电率较高，使得表面顺形电子的工作效率也得到了较大的提高。但是，由于该加工工艺繁琐，使得生产效率较低、成本较高。

因此，需要开发一种工艺简单、生产效率高的三维表面顺形电子的制备方法，且要求制备出的三维表面顺形电子工作效率较高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种三维表面顺形或者共形图案的制备方法，其目的在于，通过对图案的加工设计和基底缓冲层的优化设计，极大的简化了三维表面顺形或者共形图案的的制作过程，从而显著的提高了三维表面顺形或者共形图案的生产效率、降低了其生产成本，并且可以和传统的制作工艺相兼容。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种三维表面顺形或共形图案的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1：将薄膜粘附在辅助基底上；

S2：采用激光、切割机切割或者蚀刻将所述薄膜加工成预定的图案，获得图案化薄膜辅助基底；

S3：在塑料薄膜上添加缓冲层，获得目标基底；

S4：将图案化薄膜辅助基底与所述目标基底相对压合，使图案化薄膜接触并粘结在所述缓冲层上；

S5：分离出辅助基底，完成图案化薄膜由辅助基底到目标基底的转印过程，获得图案化薄膜目标基底；

S6：对所述图案化薄膜目标基底加热，待所述塑料薄膜塑性增大至可在真空压力下变形后，将所述图案化薄膜目标基底移至三维模具上，所述三维模具位于压力平台上，利用真空压力吸附或高压，使图案化薄膜目标基底变形后贴附在三维模具表面，成为与三维模具表面形貌相同的三维表面顺形或共形图案。

以上薄膜可以为导电的金属薄膜、半导体半透明导电膜(如纳米铟锡，也简称ITO)，也可以是不导电的薄膜，总之可以用于各种不同薄膜材料的三维表面顺形或共形图案的加工。

以上步骤S6中，可以采用譬如空气压缩机，通过高压使图案化薄膜目标基底成为与三维模具表面形状相同的三维表面顺形或共形图案。

以上步骤S2中，采用激光、切割机或者蚀刻将所述薄膜加工成预定的图案时，可以是在薄膜的一面加工出预定的电路图案，也可以是在导电薄膜的两面均加工出预定的电路图案。

进一步的，所述辅助基底材料为硅胶，所述辅助基底的厚度为200微米～400微米。

进一步的，所述缓冲层材料为热熔胶或者硅胶，所述缓冲层厚度为50微米～100微米。缓冲层材料的选择较多，不限定为热熔胶或者硅胶两种，只要可以起到与本发明相同的作用都可以采用，具体为，只要满足杨氏模量与塑料薄膜相似，且满足熔点低于塑料薄膜就能采用。

进一步的，所述薄膜优选为铜薄膜，所述导电薄膜的厚度为5微米～15微米。所述的薄膜还可以是金、银、铁、锡等导电金属薄膜。

进一步的，所述塑料薄膜的材料优选为聚碳酸酯，所述塑料薄膜的厚度为100微米～150微米。实质上，目标基底中也不一定需要选用塑料材质的薄膜，只要是利用了相变，能使其从二维变形成为三维的材料均可作为目标基底的柔性层。

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，能够取得下列有益效果：

1、对薄膜直接进行图案化加工，该方法可以简化加工流程，降低生产成本。通过缓冲层的引入，使薄膜图案在三维成型时不会被破坏。通过对辅助基底的改进，可利用较为简单的加工方法便可实现较为困难的转印过程。利用热塑性塑料加热后塑性增大、柔韧性增强的原理，通过真空吸附或者压力，可以实现复杂三维表面的成型过程，制备获得三维表面顺形或者共形图案。

2、本发明方法对薄膜图案的采用激光、切割或者蚀刻方式加工，引入基底缓冲层，极大的简化了三维表面顺形或者共形图案的制作过程，从而显著的提高了三维表面顺形图案的生产效率、降低了其生产成本，并且可以和传统的制作工艺相兼容。

附图说明

图1是按照本发明方法完成三维表面顺形(共形)图案加工制作方法的工艺流程图；

图2是按照本发明方法制作出的半球形三维表面顺形(共形)图案的截面结构示意图；

图3是按照本发明方法制作的辅助基底的平面结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

101-激光设备 201-薄膜 202-辅助基底

30-目标基底 301-缓冲层 302-热塑性塑料薄膜

2021-第一粘性材料 2022-第二粘性材料

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。

本发明方法提供了一种三维表面顺形或者共形图案的制备方法，其包括如下步骤：

S1：将薄膜粘附在辅助基底上；

S2：采用激光、切割机、蚀刻等方法将所述薄膜加工成预定的图案，获得图案化薄膜辅助基底；

S3：在塑料薄膜上添加缓冲层，获得目标基底；

S4：将图案化薄膜辅助基底与所述目标基底相对压合，使图案化薄膜接触并粘结在所述缓冲层上；

S5：分离出辅助基底，完成图案化薄膜由辅助基底到目标基底的转印过程，获得图案化薄膜目标基底；

S6：对所述图案化薄膜目标基底加热，待所述塑料薄膜塑性增大至可在真空压力下变形后，将所述图案化薄膜目标基底移至三维模具上，所述三维模具位于压力平台上，利用真空压力吸附，使图案化薄膜目标基底变形后贴附在三维模具表面，成为与三维模具表面形貌相同的三维表面顺形或者共形图案。

图1是按照本发明方法完成三维表面顺形或者共形图案加工制作方法的工艺流程图，图2是按照本发明方法制作出的三维电小天线截面结构示意图，其包括激光设备101，薄膜201，辅助基底202，目标基底30，其中目标基底由缓冲层301和热塑性塑料薄膜302组成。

图3为辅助基底的平面结构示意图，其由左右对称结构组成，左右两侧为粘性较大的粘性材料2021，中间部分为粘性较小的粘性材料2022。

结合以上三图，更为详细的说明本制备方法。具体如下：

利用以下附图1所示的三维表面顺形(共形)图案加工方法制得到附图2所示的半球形三维表面顺形(共形)图案的工艺过程：

S1：利用层压技术，使薄膜201粘附在辅助基底202上，为了提高粘附的可靠性，需在压层前对压辊进行预热；

S2：采用激光、切割机或者蚀刻等方法将所述薄膜加工成预定的图案，获得图案化薄膜辅助基底。具体的，利用激光设备101将薄膜201加工成所需的图案形状，通过对激光参数的调节和优化以及对图案的设计与优化可以获得精度高、、力学性能较佳的图案化薄膜；

S3：在塑料薄膜上添加缓冲层，获得目标基底。由于热塑性塑料薄膜302与薄膜201之间的粘附性较差，需在塑料薄膜与薄膜图案之间增添一层较薄的缓冲层301，由于该缓冲层不仅仅起到了粘附塑料薄膜302与薄膜201的作用，还起到了承受和吸收由于热塑性变形而产生的巨大应力，因此需要对其粘度、柔韧性和厚度进行优化控制，并可以通过旋涂、喷涂、刮涂或其他方法控制塑料薄膜302表面上缓冲层301的厚度；

S4：将图案化薄膜辅助基底与所述目标基底相对压合，使图案化薄膜接触并粘结在所述缓冲层上；具体的，将表面涂有缓冲层的热塑性塑料薄膜302与粘附有图案化薄膜201的辅助基底202接触，对其施加一定的压力，完成图案化薄膜201与缓冲层301的粘接过程；

S5：分离出辅助基底，完成图案化薄膜由辅助基底到目标基底的转印过程，获得图案化薄膜目标基底；具体的，以一定的速度使表面涂有缓冲层301的热塑性塑料薄膜302与辅助基底202脱离，图案化薄膜201则粘附在缓冲层301上，完成了图案化薄膜201由辅助基底202到目标基底30的转印过程；

S6：对所述图案化薄膜目标基底加热，待所述塑料薄膜塑性增大至可在真空压力下变形后，将所述图案化薄膜目标基底移至三维模具上，所述三维模具位于压力平台上，利用真空压力吸附或高压，使图案化薄膜目标基底变形后贴附在三维模具表面，成为与三维模具表面形貌相同的三维表面顺形(共形)图案。

具体的，由于柔性目标基底30使用的热塑性塑料薄膜302，因此对其加热，其塑性会增加、柔韧性会增强，能够产生更大的变形而不发生破坏，因此利用加热装置将热塑性塑料薄膜302加热至其软化温度，使塑料薄膜302的塑性得到大幅度的提高；

由于热塑性塑料薄膜302随着温度的升高，其塑性得到了显著的提高，将其移动至压力平台上，通过真空压力吸附或高压，使热塑性塑料薄膜302发生变形贴附在三维模具表面，成为三维表面顺形(共形)图案。

本发明方法结合了基于激光的直接图案化薄膜加工方法、胶转印技术、力学缓冲层机制、集成传统电子元器件以及表面贴体顺形共形加工技术，通过上述方法可以简单、快速、有效的制作出三维表面顺形(共形)图案系统。

本发明中，利用激光、切割机、蚀刻等方法直接加工薄膜材料。采用激光加工时，通过对激光参数的控制和优化，如激光对微米级薄膜的图案化加工中光导致热变形，激光不同参数对加工图案的最小线宽线宽、最大深度及粗糙度的影响，以及对图案化薄膜的力学、电学性质的控制与优化，从而获得力学性能较优的三维表面顺形(共形)图案系统，满足后续工艺的需要。由于激光的稳定性已大幅度上升而成本迅速下降，因此使用激光直接加工薄膜不仅可以降低制造成本，还能减少传统工艺所带来的环境污染等问题。

本发明中，利用转印技术，将图案化薄膜由辅助基底转印到最终的柔性目标基底上。由于薄膜和柔性基底材料的热力学性质、加工方式都存在巨大的差异，因此薄膜的图案化加工不能直接在最终的目标柔性基底上。通过研究辅助基底与图案化薄膜、图案化薄膜与柔性目标基底之间作用力的关系，使图案化薄膜完整有效的从辅助基底上转印至柔性目标基底上。

本发明中，将辅助基底改成对称的三部分，左右两侧采用粘性较大的基底材料，中间部分采用粘性较小的材料，利用左右两侧基底粘性大，中间部分粘性小，可以实现选择性转印，使多余的导电薄膜留在辅助线基底上，所需的图案化薄膜转印到目标基底上，从而实现多余的薄膜与所需的图案化导电薄膜间的自动化剥离。

本发明中，通过导电薄膜电路图案的设计，使其可以承受较大的变形而不发生断裂。由于从二维平面到一个三维表面的急剧变化过程中，会产生很大的变形，使图案化薄膜发生较大的拉伸。而薄膜本身不能承受很大的拉伸变形，会使得图案化薄膜与柔性目标基底之间产生很大的应力，使其极易被破坏。因此，在薄膜化图案设计中引入形状冗余设计、自相似设计等提高薄膜图案的可拉伸性。

本发明中，为了使其从二维平面变形成为三维立体的过程中，在图案化薄膜和热塑性薄膜基底之间引入了一层较软的缓冲层后，产生较大变形时图案化薄膜不发生断裂。该缓冲层在其中主要有两个作用，首先其可以解决薄膜与热塑性塑料薄膜间的粘合问题，其次，在相对较硬的薄膜与热塑性塑料薄膜之间引入一层较软的材料，可以有效的隔离在变形中产生的应力不匹配的问题。

本发明中，可以通过表面等离子处理，先对薄膜和缓冲层表面进行处理，再通过真空蒸镀在其两者表面镀上一层很薄的表面活性剂，以增强其表面能，从而使缓冲层和导电薄膜粘附的更牢固。

本发明中，通过传统的回流焊接技术可以实现传统电子元器件的集成，由于热塑性塑料薄膜加热至软化温度后，其会软化变形，而热塑性塑料薄膜在贴体热成型前的变形会对成品的精度有所影响。因此采用低温焊锡膏，使在回流焊接时的温度低于热塑性塑料薄膜的软化温度，从而实现回流焊接与贴体热成型技术的匹配。

本发明中，利用表面贴体顺形加工技术，使二维平面图案变形为三维立体形状。该技术利用热塑性塑料加热后塑性增大、柔韧性增强的原理，再利用真空或高压使其吸附在三维模具表面，形成所需的三维立体形状，该方法操作简单、对设备要求不高、生产效率高，便于实现自动化生产。

本发明中，可以通过3D打印技术，制作出精度高结构复杂的三维模具，从而使贴体成型后的表面顺形三维表面顺形(共形)图案系统的精度更高，能够适应更多复杂的三维表面。

本发明中，可以通过热压成型或者热吸使其贴附在凹模上的方式，使其变形成为所需三维立体形状。

本发明方法、工艺过程，可以迅速简单有效的实现三维表面顺形三维表面顺形(共形)图案系统的制作，该工艺过程可靠，装置简单，成本低廉，方法简易，制作出的三维表面顺形三维表面顺形(共形)图案系统工作效率较高，例如可以普遍适用于目前的三维电小天线的制造，但是该方法不仅仅局限于电小天线的制造，也可以用于其他三维表面顺形电子的制作。

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 (6)

1.一种三维表面顺形或共形图案的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1：将薄膜粘附在辅助基底上；

S2：采用激光、切割机切割或者蚀刻将所述薄膜加工成预定的图案，获得图案化薄膜辅助基底；

S3：在塑料薄膜上添加缓冲层，获得目标基底；

S4：将图案化薄膜辅助基底与所述目标基底相对压合，使图案化薄膜接触并粘结在所述缓冲层上；

S5：分离出辅助基底，完成图案化薄膜由辅助基底到目标基底的转印过程，获得图案化薄膜目标基底；

S6：对所述图案化薄膜目标基底加热，待所述塑料薄膜塑性增大至可在真空压力下变形后，将所述图案化薄膜目标基底移至三维模具上，所述三维模具位于压力平台上，利用真空压力吸附或高压，使图案化薄膜目标基底变形后贴附在三维模具表面，成为与三维模具表面形貌相同的三维表面顺形或共形图案。

2.如权利要求1所述的一种三维表面顺形或共形图案的制备方法，其特征在于，所述辅助基底材料为硅胶，所述辅助基底的厚度为200微米～400微米。

3.如权利要求1或2所述的一种三维表面顺形或共形图案的制备方法，其特征在于，所述缓冲层材料为热熔胶或者硅胶，所述缓冲层厚度为50微米～150微米。

4.如权利要求1所述的一种三维表面顺形或共形图案的制备方法，其特征在于，所述薄膜为铜薄膜，所述薄膜的厚度为5微米～15微米。

5.如权利要求1所述的一种三维表面顺形或共形图案的制备方法，其特征在于，所述塑料薄膜的材料优选为聚碳酸酯，所述塑料薄膜的厚度为100微米～150微米。

6.如权利要求1、2、4或者5所述的一种三维表面顺形或共形图案的制备方法，其特征在于，以上方法步骤S2中，采用激光、切割机或者蚀刻将所述薄膜的一面或者两面加工成预定图案。