CN106029955B - 柔性电子基板 - Google Patents

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Abstract

一种柔性电子基板(FES)包括金属层、通过金属层的表面的氧化形成的介电纳米陶瓷层以及形成在该介电层的表面上的电路。FES可以用于支持以下装置，例如柔性显示器、OLED、光电子装置或RF装置。介电纳米陶瓷层具有由基本等轴的晶粒构成的晶体结构，其中介电纳米陶瓷层具有100纳米或更小的平均晶粒大小、介于1微米与50微米之间的厚度、大于20KV mm‑1的介电强度、以及大于3W/mK的导热率。FES具有低于25cm的最小弯曲半径。

Description

柔性电子基板
技术领域
本发明涉及柔性电子基板(EFS)，例如用于支持柔性显示器、印刷电池、光伏装置、热电装置、光电子装置、电子装置、微波装置或RF装置的FES。
背景技术
显示器装置、电子装置、光电子装置、微波装置、RF装置和电气装置通常被安装或印刷在如下基板上：所述基板提供支持、布置电源和信号供应，并且进行操作以从装置去除热。柔性电子基板被构造在柔性材料基部上，柔性材料基部通常是聚合物膜或金属箔。柔性电子基板(FES)也称为柔性电路或柔性PCB、柔性印刷品或柔性电路。
聚合物膜是用于构造FES的最常见的材料，并且通常由聚酯(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醚酰亚胺(PEI)、或者各种含氟聚合物(FEP)和共聚物之一制成。
基于聚合物膜的柔性电子基板(FES)局限于支持产生低比热能的电子装置如柔性显示器、有机发光二极管(OLED)、键盘或光伏装置的应用。FES的应用的这些局限部分地归因于聚合物膜的低导热率(低于1W/mK)，这不允许从电子装置散热。局限也部分地归因于聚合物膜的低热、结构和尺寸稳定性。
许多聚合物材料的最大处理温度低于薄膜晶体管(TFT)制造所需要的温度，薄膜晶体管(TFT)制造所需要的温度可大于300℃。
对于温度严苛的应用，诸如工作在高温下的光伏装置或热电装置或者柔性显示器或光源如OLED(其中所产生的热对装置的寿命、光效率、颜色稳定性和可靠性具有不利影响)，提供具有较高导热率的FES是有益的。
对于RF和微波应用，FES包括具有高介电常数的介电材料以及具有接地金属层或金属屏蔽层会是有益的。
为了提供更高的处理和工作温度，以及为了改善热性能，柔性基板可以构造在金属箔，诸如钢箔、钛(Ti)箔或铝(Al)箔上，金属箔提供了高温度稳定性和散热。
如表1中的数字所示，在上面提及的用作FES的基部的金属之中，Al具有明显更高的导热率(高于150W/mK)，因此，Al有益于热管理。
材料 导热率(W/mK)
铝 150-250
钢 15-25
钛 5-23
聚酰亚胺 0.4-0.8
聚酯 0.15-0.24
表1：用于柔性电子基板的材料的导热率
为了形成具有金属箔基部的FES，介电层被涂敷在金属箔表面上以将其与电路绝缘。为了保持基于金属的FES的热优势，具有无机介电层是有利的。可以借助于物理气相沉积(PVD)、或化学气相沉积(CVD)通过喷墨印刷或通过阳极化将介电层涂敷于金属表面。一些金属(例如，铝)的表面上的自然氧化层的存在能够对传统沉积涂层或印刷技术造成附着问题。阳极化工艺不存在相同的问题，这是因为阳极化涂层是通过基板自身的电化学氧化形成的。
美国专利4015987描述了一种用作用于电子应用的绝缘金属基板的阳极化非柔性的Al基板。US 4015987中所描述的工艺包括对铝基板进行阳极化并将铜箔层压到阳极化基板。接着进行光致抗蚀、蚀刻和电镀步骤。阳极化Al基板由于阳极化层的固有低柔性而尚未作为FES得到广泛应用。阳极化层还具有低热稳定性。这两种不足导致阳极化层中微裂缝的形成，这危害了层的介电强度。
本发明的目的是提供一种具有改进性能的柔性电子基板。
发明内容
本发明提供了一种柔性电子基板(FES)、一种制造FES的方法和合并了在现在应当参考的所附独立权利要求中限定的FES的装置。在各个从属子权利要求中阐述本发明的优选特征或优势特征。
FES可以被设置成包括至少一个柔性金属层，该至少一个柔性金属层具有柔性介电纳米陶瓷层或涂层以及形成在纳米陶瓷涂层的表面上的电路。纳米陶瓷涂层包括金属层材料的氧化物。例如，FES可以包括金属层、至少部分地通过金属层的表面的氧化形成的介电纳米陶瓷层以及形成在介电层的表面上的电路。介电纳米陶瓷层具有平均晶粒大小为100纳米或更小的由晶粒构成的晶体结构、介于1微米与50微米之间的厚度、大于20KV mm-1的介电强度以及大于3W/mK的导热率。
纳米陶瓷层具有平均晶粒大小小于100纳米的晶体结构。这样的纳米晶体结构提供了具有在陶瓷材料中不常见的柔性的层。这样的纳米陶瓷层也提供了高导热率，通常介于3与10W/mK之间。该涂层的厚度介于1与50微米之间。在该厚度范围内，纳米陶瓷层保持柔性并且可以在不恶化纳米陶瓷层的性能诸如导热性和介电强度的情况下被反复弯曲成低至2mm的弯曲半径。纳米陶瓷层具有大于20KV/mm的高介电强度和大于3W/mK的高导热率以及高柔性的组合，其中高柔性有利于电子应用。
术语“金属”在本文中用于描述广泛的金属种类。因此，该术语描述诸如纯铝的元素金属以及一种或更多种元素的合金和金属互化物。实际上，用在本发明的方法中的基板很可能是市面上可买到的金属合成物。许多金属可以适合于用作上面形成有纳米陶瓷层以制造FES的金属基板。合适的材料可以包括被归类为阀金属的那些金属。优选地，可以由用铝、镁、钛、锆、钽、铍，或者这些金属中的任何金属的合金或金属互化物制成的基板来形成FES。
优选地，金属层具有介于5微米与2000微米之间，优选地介于10微米与500微米之间，或者介于20微米与200微米之间的厚度。优选地，金属层是金属箔。
对于FES应用，纳米陶瓷层的介电强度特别重要。有利地，根据本发明的任一方面的纳米陶瓷层可以提供大于50KV mm-1，或者大于30KV mm-1的介电强度，例如大于40KV mm-1或者大于50KV mm-1。通常，介电强度可以介于20与60KV mm-1之间。
对于FES应用，优选的是介电层的导热率高。需要绝缘层来提供工作电子部件与金属层之间的电绝缘，并且同时将热量从工作电子部件传导到金属层中。因此，可能有利的是，根据本发明的任一方面的FES的介电纳米陶瓷层具有大于3W/mK的导热率，例如大于5W/mK或者大于7W/mK。通常，纳米陶瓷层具有介于3与10W/mK之间的导热率，例如介于4与7W/mK之间。
对于一些FES应用，可优选的是介电层具有高介电常数。高介电常数在意图把FES用于RF或微波应用时是特别优选的。优选地，FES包括具有大于7，例如介于7.5与10之间的介电常数的纳米陶瓷层。
形成在金属基板上的陶瓷层的许多物理特性在一定程度上取决于陶瓷层的晶体大小或晶粒大小。根据本发明的FES的纳米陶瓷层是晶体陶瓷层，并且优选地，该涂层包括具有小于100纳米的平均直径的晶粒，优选地小于80纳米，例如约50纳米或40纳米。可替选地，晶粒可以称为结晶或晶体。术语晶粒大小是指跨越涂层中晶粒或结晶的平均尺寸的距离。因此，FES包括下述层：由于其具有纳米级的大小或尺寸的物理特征而可以被描述为纳米结构层或纳米陶瓷层。细晶粒大小可以改善结构同质性，以及诸如柔性的性质。细晶粒大小也可以增大陶瓷材料的导热率、介电强度和介电常数。由于细晶粒大小也可以形成更平滑的表面轮廓。纳米陶瓷层的柔性可以受到该纳米陶瓷层内的晶粒的形状的影响。优选的是，晶粒基本上是等轴的晶粒，使得纳米陶瓷层不具有各向异性的机械性能。
介电纳米陶瓷层优选地基本上没有具有大于1微米的直径以及低于500纳米的平均孔隙大小的孔隙。孔隙尺寸的这种限制可以有利地增大该层的介电强度和柔性。
可以参考弯曲半径来定义FES的柔性。弯曲半径是用于表征电线、缆线和片形式的材料的特征的柔性的标准度量。为了测量弯曲半径，通常绕具有递减直径的杆或圆筒弯曲片，以确定在没有损害的情况下可以将该片弯曲成的最小曲率。FES很有可能是材料片的形式。如本文所使用的，弯曲半径是指在不损害FES的特性的情况下能够将FES反复弯曲成的半径。最小弯曲半径是在不损害FES的特性的情况下能够将FES弯曲成的最小曲率。
FES的最小弯曲半径在一定程度上取决于FES的总厚度。在FES具有高厚度(例如，2mm)的情况下，最小弯曲半径可以为高。例如，最小弯曲半径优选地低于25cm，特别优选地低于15cm或低于10cm。对于大多数应用，FES将具有低于2mm的总厚度并且FES的柔性将为高。优选的是，FES的最小弯曲半径低于20mm，例如低于10mm或低于5mm，例如介于2mm与5mm之间。
通过阳极化工艺在金属基板上形成的层往往是高度多孔的。阳极化层或涂层通常还具有无定形结构(即，阳极化层很少是晶体)以及开放的柱状结构。典型阳极化层的规则柱状结构可以使得该涂层容易受到裂缝的形成的影响，特别是在热循环或层的弯曲之后。容易受裂缝形成的影响限制了阳极化层的柔性，并且因此限制了阳极化层在FES中作为电介质的应用。
通过等离子体电解氧化(PEO)工艺产生的涂层或层是晶体，但不是柔性的。这归因于固有裂缝形成以及与微火花放电相关联的大规模孔隙，其中微火花放电是PEO工艺的要素。PEO涂层不能用于形成FES的介电层。
纳米陶瓷层的厚度优选地小于50微米，并且特别优选地小于20微米或小于10微米。具有越低厚度的纳米陶瓷层展示出越高的柔性。层越薄，跨越各层的热传递就越有效，因此，如果各层具有在1或2微米至10微米的范围内的厚度，会是特别有利的。
期望填充介电纳米陶瓷层中存在的任何孔隙。因此，根据本发明的任一方面的FES可以包括如下纳米陶瓷层，已经通过合适的有机或无机材料密封或浸渍该纳米陶瓷层以填充该层中的任何孔隙。合适的密封材料可以为例如树脂、含氟聚合物、聚酰亚胺、甲基丙烯酸酯、聚酯、水玻璃或溶胶凝胶材料。这个合适的密封材料的列表并不是穷举的，并且本领域技术人员将能够鉴别其它合适的材料。可以通过许多已知方法，例如通过浸泡、喷射、真空密封以及PVD和CVD沉积技术将密封材料涂敷于涂层。
根据本发明的任一方面的FES包括形成在或构造在纳米陶瓷层的表面上的电路。可以通过任何常规技术，诸如丝网印刷术、导电油墨印刷、无电镀金属化、电镀金属化、金属箔的粘接、预制柔性电路的接合、化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)金属化来形成电路。
通过使用导热粘合剂将诸如铜箔的金属箔或预制柔性电路粘接到如上述那样形成的纳米陶瓷层来形成电路。合适的导热粘合剂可以包括树脂、聚酰亚胺或含氟聚合物、以及用于将金属层粘接到涂层的表面的其它粘合剂。使用粘合剂的粘接可能伴随有粘接材料向涂层的任何孔隙中的渗透。这样的渗透可以产生具有增大的击穿电压的复合介电层。
FES可以具有涂敷在金属基板层的一侧或两侧的纳米陶瓷介电层。单面有机FES是普遍使用的，并且在技术上和经济上是有效的。然而，为实现完全绝缘基板以及当电路不能容纳在基板的一侧时，需要双侧绝缘。
FES可以包括将形成在非金属涂层的表面上的电路元件与金属层连接的导电过孔。这样的过孔可以通过形成涂层之前的掩模工艺来形成。过孔可以通过在已经形成涂层之后的蚀刻工艺或通过纳米陶瓷层的激光烧蚀来形成。
可以在电路上方形成保护涂层。
特别适合于RF或微波应用的FES的优选实施方式可以包括如下金属基板，该金属基板具有在金属层的表面上形成的介电纳米陶瓷层，其中，纳米陶瓷层具有大于20KV mm-1的介电强度、介于1微米与50微米之间的厚度、平均晶粒大小小于100纳米的基本上等轴的晶体结构、以及大于7的介电常数。
特别适合于高温应用的FES的优选实施方式可以包括如下金属基板，该金属基板具有在金属层上形成的介电纳米陶瓷层，以及完全用无机材料如金属，例如通过金属溅射、无电镀金属化和电镀金属化构造的电路。这样的FES具有完全无机的成分并且能够在高于300℃的温度下进行操作。这样的FES不会受到包括塑料材料的FES所固有的热降解的影响。完全无机的FES可以特别有利于用于例如在高环境温度下工作的聚光型光伏器件、热电能量收集、高亮度LED或传感器的装置。
如上所述的FES可以用于支持从包括电子装置、柔性显示器、OLED、电池、光电子装置、RF装置、微波装置和电气装置的列表中选择的一个或更多个装置。
为了形成根据本发明的任一方面的FES，在柔性金属基板上形成具有期望特性的纳米陶瓷涂层或层并且在纳米陶瓷层上形成电路。
形成根据本发明的一个方面的FES的优选方法包括如下步骤：将柔性金属片定位在包含碱性电解质水溶液和电极的电解室中，柔性金属片的至少一个表面和电极的一部分与电解质水溶液接触。与至少一个表面相关联的柔性金属片的至少一部分被拉紧，这可以在形成纳米陶瓷层期间防止该片弯曲。然后，通过使柔性金属片的至少一个表面相对于电极电偏置来形成介电纳米陶瓷层，通过具有介于0.1与20KHz之间的脉冲重复频率的交替极性的电压脉冲序列来使金属片的至少一个表面偏置。恒电势地控制正电压脉冲，即相对于电压控制正电压脉冲；并且恒电流地控制负电压脉冲，即参考电流控制负电压脉冲。
在形成纳米陶瓷层之后，从电解室去除柔性金属片。然后在介电纳米陶瓷层的表面上形成电路以形成FES。
通过施加交替极性的一系列电压脉冲，能够将高电压的脉冲施加于基板而不感生出大量的微放电，其中，恒电势地控制正脉冲并且恒电流地控制负脉冲。通过在形成非金属涂层期间最小化或者优选地完全避免微放电事件，可能能够控制涂层参数，诸如表面粗糙度和涂层孔隙度的大小。因此，通过控制该工艺，必要时可以形成具有低于500纳米的平均孔隙大小的涂层。微放电也可以称为微火花放电或微弧。微放电的存在是PEO涂层工艺的必要特征，但是产生了固有地不适合用于FES的陶瓷层。因此，优选的是使用无火花工艺来产生纳米陶瓷涂层。
可能有利的是，修整正电压脉冲和负电压脉冲的形状以避免每个电压脉冲期间的电流尖峰的形成。电流尖峰与微放电以及涂层的击穿有关。通过修整电压脉冲的形状来避免电流尖峰，可以显著减小或消除微放电。如上所述，微放电对许多涂层特性，例如对纳米陶瓷层的柔性以及对该层的平均孔隙大小具有不利影响，并且因此对该层的介电强度具有不利影响。
如果正电压脉冲和负电压脉冲中的一个或两个的形状基本上为梯形形状，会是特别有利的。
柔性金属片(基板)中用以形成纳米陶瓷层的材料的转化发生在正电压脉冲期间，在正电压脉冲期间使基板相对于电极阳极化地偏置。纳米陶瓷层被形成为与基板材料本身发生反应的电解液水溶液中的含氧物质。在连续的正电压脉冲期间，纳米陶瓷层的厚度增大。随着层的厚度的增大，该层的电阻增大并且针对所施加的电压有更少的电流流动。因此，虽然优选的是在预定周期内正电压脉冲中的每个正电压脉冲的峰值电压是恒定的，但是在预定周期内随每个连续的电压脉冲流动的电流可以减小。
随着纳米陶瓷层的厚度的增大，该层的电阻增大，并且因此在每个连续的负电压脉冲期间通过该层的电流导致该层的电阻发热。在负电压脉冲期间的这种电阻发热可以有助于该层中的增加的扩散水平，并且因此可以辅助发展中的层内结晶化过程和晶粒形成过程。通过以这种方式控制层的形成，优选地其中基本上避免了微放电，可以形成具有晶体或极细尺度的晶粒大小的致密纳米陶瓷层。
电压脉冲的脉冲重复频率可以介于0.1与20KHz之间，优选地介于1.5与15KHz之间或者介于2与10KHz之间。例如，有利的脉冲重复频率可以为2.5KHz或3KHz或4KHz。在低脉冲重复频率处，纳米陶瓷层经历长期的生长，随后经历长期的欧姆加热。因此，比起使用更高的脉冲重复频率的情况，所得到的纳米陶瓷层可以具有更粗糙的结构或表面轮廓。更高的脉冲重复频率可以产生更精细的结构和更平滑的纳米陶瓷层表面，但是该过程的形成速率和效率可能会下降。
在电解液中执行该方法，其中电解液是碱性电解质水溶液，优选地pH为9或更大的电解液。优选地，电解液具有大于1mS cm-1的导电率。合适的电解液包括碱性金属氢氧化物，特别是包括氢氧化钾或氢氧化钠的电解液。
如果电解液是胶状的并且包括分散在水相中的固体颗粒，会是特别有利的。特别优选地，电解液包括一定比例的具有小于100纳米的颗粒大小的固体颗粒。颗粒大小是指颗粒的最大尺寸的长度。
在所施加的电压脉冲期间产生的电场导致分散在水相中的静电带电的固体颗粒向纳米陶瓷涂层在上面生长的基板的表面转移。随着固体颗粒与生长的纳米陶瓷涂层接触，固体颗粒可以与纳米陶瓷层发生反应并且变成合并到纳米陶瓷层中。因此，在使用胶体电解液的情况下，纳米陶瓷层可以包括通过柔性金属基板的表面的一部分的氧化所形成的陶瓷材料和源于电解液的胶体颗粒两者。
在阳极化正电压脉冲期间产生了形成在基板上的纳米陶瓷层。为了使纳米陶瓷层生长，需要在基板材料与电解液之间保持连接。生长中的纳米陶瓷层并不是完全致密的，而是具有一定程度的孔隙。通过该孔隙来保持基板材料与电解液之间的连接。在电解液是胶体的并且包括固体颗粒的情况下，可以显著改变在纳米陶瓷层的形成中所固有的孔隙。分散在水相中的非金属固体颗粒在电场下可以迁移到生长中的纳米陶瓷层的孔隙中。一旦进入到孔隙内，固体颗粒例如通过烧结工艺可以与纳米陶瓷层以及已经迁移到孔隙中的其它固体颗粒两者发生反应。以这种方式，大幅度减小了孔隙的尺寸并且改变了纳米陶瓷层的孔隙度，发展为纳米孔隙。例如，纳米陶瓷层中的孔隙的最大尺寸可以从1微米宽减小到小于400纳米宽或小于300纳米宽。
通过减小孔隙，增大了纳米陶瓷层的密度。此外，贯穿纳米陶瓷层的任何孔隙的最大尺寸的减小可以显著地增大纳米陶瓷层的介电强度和导热率。
电解液可以包括从过程开始就存在的固体颗粒，即颗粒可以初始地存在于电解质溶液中。可替选地，可以在纳米陶瓷层形成过程期间将固体颗粒添加到电解质水溶液中。以这种方式，可以在纳米陶瓷层生长的同时控制生长中的纳米陶瓷层的成分和/或结构。
一种适合于在柔性金属片的表面上形成纳米陶瓷层的设备可以包括用于容纳电解质水溶液的电解室、能够位于电解室内的至少一个电极，以及能够在金属片与电极之间施加交替极性的电压脉冲序列的电源。该电源包括用于生成正电压脉冲的恒电势控制序列的第一脉冲发生器，以用于使基板相对于电极阳极偏置。该电源还包括用于生成负电压脉冲的恒电流控制序列的第二脉冲发生器，以用于使基板相对于电极阴极偏置。
会特别有利的是，该设备还包括胶体电解液，该胶体电解液包括分散在水相中的固体颗粒。分散在这样的电解液中的固体颗粒可以变成合并到使用该设备产生的纳米陶瓷层中。
优选地，金属片在形成纳米陶瓷层期间被轻微拉紧。这种拉紧可以帮助保持金属片处于平面形式并且允许均匀地形成纳米陶瓷层。在优选实施方式中，可以以第一卷金属片或金属箔的形式提供金属片。该金属箔可以从该卷退卷，通过电解室连续传输以形成纳米陶瓷层，然后被缠绕到第二卷上。因此，可以通过卷对卷机制来进行纳米陶瓷层的形成。
在另一方面中，本发明可以提供一种合并了根据上述任一方面的FES或安装在根据上述任一方面的FES上的装置。根据本发明的FES与现有技术FES相比具有更优的介电特性以及导热特性，并且归因于通过FES从装置的部件改进的热传递，安装到FES上的装置可以更有效地操作。这样的热传递可以通过FES上的纳米陶瓷层的改进的介电强度和材料的改进的导热率的组合来实现，其中，改进的介电强度使得在提供电绝缘的同时允许纳米陶瓷层更薄。
对于特定应用，可以证明具有多层结构的FES是有利的。例如，可以根据上述任一方面或实施方式来形成FES，并且该FES随后可以形成多层FES的基部。然后，可以在基部FES之上形成另外的介电材料层以及相关的金属导电层。
本文所述的FES可以特别地用作用于支持屏，例如LED屏或LCD屏的绝缘基板。
本发明的优选实施方式
现在将参考附图来描述本发明的优选实施方式，其中：
图1是具体化本发明的FES的侧视图，该FES包括金属层和电路，其中金属层利用涂敷在金属层的一侧的介电纳米陶瓷层绝缘，并且电路被构造在纳米陶瓷层上。
图2是具体化本发明的FES的侧视图，该FES包括金属层和电路，其中金属层利用涂敷在金属层的两侧的介电纳米陶瓷层绝缘，并且电路被构造在纳米陶瓷层中的一个上。
图3是具体化本发明的FES的侧视图，该FES包括金属层和电路，其中金属层利用涂敷在金属层的一侧的介电纳米陶瓷层绝缘，并且电路被构造在纳米陶瓷层上，其中电路的多个区域通过导电过孔与金属层连接。
图4是具体化本发明的FES的侧视图，该FES包括金属层和电路，其中金属层利用涂敷在金属层的两侧的介电纳米陶瓷层绝缘，并且电路被构造在两个纳米陶瓷层上。
图1至图4是具体化本发明的FES的不同配置的示意图。FES全部具有金属层、纳米陶瓷层和电路。金属层可以具有从1至1000微米的厚度，并且该厚度通过FES的要求(诸如热容量和热阻、最小弯曲半径以及机械强度)来确定。形成金属层的金属优选地应当属于能够通过电化学转化技术(例如，如WO 2012/107754中所描述的，其公开内容被整体地合并到本文中)处理以在金属层的表面上形成纳米晶体金属氧化(纳米陶瓷)层的材料集，即铝、镁、钛、锆、钽、铍或这些金属中的任何金属的合金或金属互化物。纳米陶瓷层的独特特征是其高柔度。能够将纳米陶瓷层反复地弯曲或卷曲成低至2mm的半径。纳米陶瓷层的厚度可以从1微米到50微米变化，并且通过电绝缘要求，诸如所需的击穿电压来确定纳米陶瓷层的所需厚度。在上文中阐述了在金属层上形成纳米陶瓷层的方法。一旦已经在金属层的表面上形成了纳米陶瓷层，就可以通过常规方法，诸如丝网印刷术、导电油墨印刷、无电镀金属化、电镀金属化、金属箔的粘接、预制柔性电路的接合、金属溅射、化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)金属化在纳米陶瓷层的表面上构造电路。
图1是具体化本发明的FES的侧视图，该FES包括柔性金属层11，柔性金属层11利用形成在金属层11的一侧的介电纳米陶瓷层12被绝缘。电路13被构造在纳米陶瓷层12上。金属层是具有300微米的厚度的纯工业级(99％)的铝层11。如上所述，使用金属层在胶体电解液中的电化学氧化来形成纳米陶瓷涂层。该纳米陶瓷层的厚度是12微米。
测量出纳米陶瓷层的击穿电压为400V DC。通过围绕具有递减半径的一系列杆反复地弯曲FES来确定FES的弯曲半径。确定最小弯曲半径为8mm。
使用金属溅射通过光致抗蚀剂掩模来构造电路13。应用了Ti-Cu-Ni-Au系。该系提供了到纳米陶瓷层的高附着、高导电率，并且是可焊接和可导线接合的。图1的FES完全由无机材料形成并且能够经受300℃以上的温度。Al金属层具有200W/mK的导热率并且纳米陶瓷层具有4W/mK的导热率。FES的总热阻为0.04Ccm2/W。
该FES提供了比使用固体Al2O3陶瓷层制成的无机DBC(直接覆铜)基板低3倍的热阻，其中无机DBC基板具有针对300微米厚的基板的0.15Ccm2/W的热阻抗。FES未遭受固体陶瓷的脆性，并且根据需要能够弯曲该FES以符合3D装置的形状，例如符合圆柱形。图1的FES能够用于支持热电装置。
图2是具体化本发明的FES的侧视图，在该FES上纳米陶瓷层22被涂敷在柔性金属层21的两侧，以提供其完全电绝缘。电路23被构造在基板的一侧。图2的FES可以适合于应用到需要热管理的柔性显示器中。柔性金属层21是AA8014等级的Al的铝箔，并且具有50微米的厚度。纳米陶瓷层22被形成在金属层21的两侧(使用上述方法)并且层厚度是10微米。
测量时，确定了纳米陶瓷层提供了300V DC的电绝缘。图2的FES被认为具有高柔度。可以将FES反复地弯曲或卷曲成低至4mm的半径。
使用喷墨印刷机将电路23印刷在纳米陶瓷表面上。图2的基于完全绝缘的铝箔的FES被认为与卷对卷印刷电子技术兼容。
图3是具体化本发明的FES的侧视图，该FES包括利用介电纳米陶瓷层32在一侧绝缘的柔性金属层31以及构造在纳米陶瓷层32的表面上的电路33。电路33的区域通过导电过孔34与金属层31连接。这些过孔提供FES所支持的装置与金属层31之间的热接触或电接触。
图4是具体化本发明的FES的侧视图，该FES包括利用介电纳米陶瓷层42在两侧绝缘的柔性金属层41以及构造在纳米陶瓷层42的表面上的电路43、44。这样的FES可以用于支持高密度的电互连，而具有单个介电层的FES不能支持这种高密度的电互连。

Claims (34)

1.一种柔性电子基板FES，包括：
金属层，所述金属层具有介于5微米与200微米之间的厚度；
柔性介电纳米陶瓷层，所述柔性介电纳米陶瓷层至少部分地通过所述金属层的表面的氧化来形成，以及
电路，所述电路形成在所述介电层的表面上，
其中，所述柔性介电纳米陶瓷层具有由基本上等轴的晶粒构成的晶体结构，使得所述纳米陶瓷层不具有各向异性的机械性能，所述柔性介电纳米陶瓷层具有100纳米或更小的平均晶粒大小、介于1微米与50微米之间的厚度、大于20KV mm-1的介电强度、以及大于3W/mK的导热率，所述FES具有低于20mm的最小弯曲半径。
2.根据权利要求1所述的FES，其中，所述金属层具有介于20微米与200微米之间的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的FES，所述FES具有低于10mm的最小弯曲半径。
4.根据权利要求1或2所述的FES，所述FES具有低于5mm的最小弯曲半径。
5.根据权利要求1或2所述的FES，所述FES具有介于2mm与5mm之间的最小弯曲半径。
6.根据权利要求1或2所述的FES，所述FES包括连接所述电路的部分与所述金属层的导电过孔。
7.根据权利要求1或2所述的FES，其中，第一柔性介电纳米陶瓷层形成在所述金属层的第一表面上，并且第二柔性介电纳米陶瓷层形成在所述金属层的第二表面上。
8.根据权利要求7所述的FES，其中，第一电路形成在所述第一柔性介电纳米陶瓷层的所述表面上，并且第二电路形成在所述第二柔性介电纳米陶瓷层的所述表面上。
9.根据权利要求1或2或8所述的FES，其中，所述金属层是从包括铝、镁、钛、锆、钽和铍，或者这些金属中的任意金属的合金或金属互化物的组中选择的材料。
10.根据权利要求1或2或8所述的FES，所述FES完全由无机材料形成。
11.根据权利要求1或2或8所述的FES，所述FES具有超过200℃的最大工作温度。
12.根据权利要求1或2或8所述的FES，所述FES具有超过250℃的最大工作温度。
13.根据权利要求1或2或8所述的FES，所述FES具有超过300℃的最大工作温度。
14.根据权利要求1或2或8所述的FES，其中，所述柔性介电纳米陶瓷层具有大于7的介电常数。
15.根据权利要求1或2或8所述的FES，其中，所述柔性介电纳米陶瓷层的厚度小于20微米。
16.根据权利要求1或2或8所述的FES，其中，所述柔性介电纳米陶瓷层的厚度小于10微米。
17.根据权利要求1或2或8所述的FES，其中，所述柔性介电纳米陶瓷层通过所述金属层在碱性胶体电解液中的电化学氧化来形成。
18.根据权利要求1或2或8所述的FES，其中，所述柔性介电纳米陶瓷层至少部分地通过所述金属层的表面在碱性电解质水溶液中的无火花氧化来形成。
19.根据权利要求1或2或8所述的FES，其中，所述柔性介电纳米陶瓷层基本上没有具有大于1微米的直径以及低于500纳米的平均孔隙大小的孔隙。
20.根据权利要求1或2或8所述的FES，其中，通过从包括丝网印刷术、导电油墨印刷、无电镀金属化、电镀金属化、金属箔的粘接、预制柔性电路的接合、金属溅射、化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)金属化的列表中选择的工艺来形成所述电路。
21.根据权利要求1或2或8所述的FES，其中，用有机或无机材料浸渍所述柔性介电纳米陶瓷层的至少一部分。
22.根据述权利要求1或2或8所述的FES，其中，用聚酰亚胺、甲基丙烯酸酯、环氧树脂、丙烯酸树脂或溶胶凝胶材料浸渍所述柔性介电纳米陶瓷层的至少一部分。
23.根据权利要求1或2或8所述的FES，所述FES还包括布置在所述电路上方的保护涂层。
24.根据权利要求1或2或8所述的FES，所述FES用于支持从包括电子装置、柔性显示器、OLED、电池、光电子装置、RF装置、热电装置、微波装置和电气装置的列表中选择的一个或更多个装置。
25.一种用于形成在权利要求1至24中的任一权利要求中定义的FES的方法，包括步骤：
将柔性金属片定位在包含碱性电解质水溶液和电极的电解室中，所述柔性金属片的至少一个表面和所述电极的一部分与所述电解质水溶液接触，与所述至少一个表面相关联的所述柔性金属片的至少一部分被拉紧，
通过使所述柔性金属片的所述至少一个表面相对于所述电极电偏置来形成柔性介电纳米陶瓷层，通过具有介于0.1与20KHz之间的脉冲重复频率的交替极性的电压脉冲序列来使所述金属片的所述至少一个表面偏置，其中，恒电势地控制正电压脉冲并且恒电流地控制负电压脉冲，
从所述电解室去除具有柔性介电纳米陶瓷层的所述柔性金属片，以及
在所述柔性介电纳米陶瓷层的表面上形成电路。
26.根据权利要求25所述的形成FES的方法，其中，以第一卷材料的形式提供所述柔性金属片，从所述第一卷材料退卷的所述柔性金属片的部分具有在至少一个表面上形成的所述柔性介电纳米陶瓷层，并且涂覆有所述柔性介电纳米陶瓷层的柔性金属片被缠绕成第二卷材料。
27.根据权利要求25或26所述的形成FES的方法，其中，在所述柔性金属片的所述至少一个表面上形成柔性介电纳米陶瓷层的步骤涉及卷对卷处理。
28.根据权利要求25或26所述的形成FES的方法，其中，所述柔性介电纳米陶瓷层在所述基板与胶体电解质水溶液接触的同时部分地通过电解氧化过程来形成，其中，分散在所述胶体电解液内的胶体颗粒被合并到所述柔性介电纳米陶瓷层中。
29.根据权利要求25或26所述的形成FES的方法，其中，控制所述电压脉冲以避免微火花的放电。
30.根据权利要求25或26所述的形成FES的方法，其中，所述正电压脉冲和所述负电压脉冲两者基本上是梯形形状。
31.一种包括在根据权利要求1至24中的任一权利要求所述的FES的所述表面上形成的电路和RF部件的装置，所述装置包括高Q输入/输出传输线、RF解耦合和匹配电路。
32.一种合并根据权利要求1至24中的任一权利要求所述的FES或者安装在根据权利要求1至24中的任一权利要求所述的FES上的装置。
33.一种LCD或LED屏，所述LCD或LED屏合并根据权利要求1至24中的任一权利要求所述的FES。
34.一种多层基板，所述多层基板包括根据权利要求1至24中的任一权利要求所述的FES。
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