CN106376180A - 基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备方法 - Google Patents

基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备方法；包括如下步骤：在基底上粘贴金属薄膜；在金属薄膜的表面旋涂光刻胶并光刻电路及焊盘版图；在电路及焊盘版图区域制作金属电路和焊盘，接着旋涂光敏型有机可溶聚合物并光刻阻焊层版图；在焊盘上焊接电子元器件；去除光刻胶及光敏型有机可溶聚合物，浇铸上层弹性聚合物并固化；将金属薄膜及其上层结构从基底上剥离；刻蚀金属薄膜；旋涂下层弹性聚合物并固化，即可。本发明无需淀积金属种子层，彻底克服了因弹性聚合物与金属热匹配不同导致的金属导线裂纹或断路问题；同时，取消了应力缓冲层，简化了工艺流程，仅需光刻、电镀和刻蚀工艺即可，具有成品率高、焊接简易、并兼容回流焊工艺。

Description

基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备方法
技术领域
本发明涉及电路制备技术领域，具体涉及一种基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备方法。
背景技术
常见的硬质印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)等刚性电子设备存在无法弯曲和拉伸、无法与曲面形成紧密配合、不适用于运动部位(如人体肘关节、机器人关节)的缺点。此外，刚性电子设备用于穿戴领域时，由于无法紧密的贴合皮肤表面，使得传感器(如心率、脑电传感器)测量误差变大，且存在佩戴不舒适和不适用于长时间佩戴的缺点。基于弹性材料衬底制备的电子设备能够很好的克服基于刚性衬底电子设备的缺点，因此，逐步受到了科研人员的重视。伴随着材料科学和微纳米制造技术的进步，弹性电路制备技术正逐步的往实用化方向发展。目前弹性电路的制作工艺可分为两类：一，在弹性材料上制备金属电路；二，基于微流控技术制备弹性电路。关于第一类方法，由于金属与弹性材料(如聚二甲基硅氧烷)的热膨胀系数差异较大，直接在弹性材料上制备金属电路时，金属电路上出现裂纹或断路等问题，直接影响弹性电路的性能和成品率。因此，目前大部分文献都提出在金属电路与弹性材料之间制备一层聚酰亚胺(polyimide，PI)应力缓冲层来降低金属电路层的应力，进而减少或解决金属电路裂纹和断路等问题。但这会增加工艺复杂度(如图形化聚酰亚胺应力缓冲层等)和生产成本，并且会在一定程度上可能会降低了弹性电路的拉伸性能。J.A.Rogers等在Science,2011,333:838-843中提出皮表电子的概念，该系统集成了传感器、能量转换和无线数据传输等功能，系统厚37微米，由弹性基底(聚二甲基硅氧烷)、应力缓冲层(聚酰亚胺)、电路和器件(金属和硅等)和保护层(聚酰亚胺)构成。加工应力缓冲层和保护层需进行旋涂、光刻和固化等繁琐工艺，很大程度上增加了工艺复杂度。更多地，在J.A.Rogers等在Advanced Functional Materials,2014,24(25):3846-3854中介绍了一种用于测量皮肤应变和电介质的弹性无线传感系统。该系统集成了传感器和无线发射天线等，系统由一层聚二甲基硅氧烷衬底、二层铜互连电路层和三层聚酰亚胺层构成，同样可能存在加工工艺复杂、成品率低、成本高的问题。关于第二类方法，R.K.Kramer等在AdvancedFunctional Materials,2014,24:3501-3507提出利用直写的方式将镓-铟合金制备与聚聚二甲基硅氧烷上替代固态金属导线实现弹性电路的功能。众所周知，相比于大部分固态金属，液态金属的电阻率较高，因此使用此方法制备的导线电阻比较大。并且，液态金属与传统的电子元器件连接也会存在一定的问题。S.Xu等人在Science,2014,34(6179):70-74中创新性的提出一种将传感器、金属导线、射频芯片和处理器等集成于微流体芯片的装配方法，并在微流体空腔中注入电介质防止金属导线出现短路的现象，保证了系统工作的稳定性和拉伸性能。但基于此方法制备的弹性电路，存在制造工艺复杂、难以批量化的问题和存在电介质泄露的风险。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种工艺简单、成品率高，且具备良好拉伸性能、可靠的基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备方法。利用该方法制备的弹性电路适用于数字电路信号传输和电源传输。这类弹性电路系统根据设计要求能够实现信号采集、传输和处理等功能，适用于静止或运动部件的表面，能够满足医疗、工业和消费品等领域要求，适用于可穿戴式设备领域。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
第一方面，本发明涉及一种基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备方法，所述方法包括如下步骤：
S1、在基底上粘贴金属薄膜；
S2、在所述金属薄膜的表面制作金属电路和焊盘，在焊盘上焊接电子元器件后，浇铸上层弹性聚合物并固化；
S3、将所述金属薄膜及其上层结构从所述基底上剥离；
S4、刻蚀所述金属薄膜；
S5、旋涂下层弹性聚合物并固化，完成弹性电路制备。
优选的，步骤S2具体包括如下步骤：
S21、在所述金属薄膜的表面旋涂光刻胶并光刻出电路和焊盘版图；
S22、在所述电路和焊盘版图区域(即，光刻胶上经光刻的区域)制作金属电路和焊盘；
S23、在所述金属电路和焊盘以及金属薄膜上未被光刻的光刻胶上旋涂光敏型有机可溶聚合物并光刻出阻焊层版图；
S24、在所述阻焊层版图区域的焊盘上焊接电子元器件；
S25、去除步骤S21和S23中旋涂的光刻胶和光敏型有机可溶聚合物，浇铸上层弹性聚合物并固化。(该浇铸的上层弹性聚合物表面低于电子元器件的表面。即，去除步骤S21和S23中旋涂的光刻胶和光敏型有机可溶聚合物后，在除电子元器件外的区域上浇铸上层弹性聚合物并固化，具体如图1。)
优选的，所述基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备方法不包括在所述上下层弹性聚合物与所述金属电路和焊盘之间制备聚酰亚胺应力缓冲层的步骤。
优选的，所述基底为陶瓷片、硅片或玻璃片。
优选的，所述金属薄膜为铝或铜薄膜；所述金属薄膜的厚度为15微米～200微米。
优选的，所述金属电路及焊盘为蛇形或S形。
优选的，所述金属电路及焊盘的材质为金、银或铜；所述金属电路及焊盘的厚度为1微米～50微米，所述金属电路及焊盘的线宽为10微米～4000微米。
优选的，所述光敏型有机可溶聚合物为光刻胶。
优选的，所述上层弹性聚合物的材质为聚二甲基硅氧烷或弹性硅橡胶；所述上层弹性聚合物的厚度为50微米～500微米。
优选的，所述下层弹性聚合物材质为聚二甲基硅氧烷或弹性硅橡胶；所述下层弹性聚合物的厚度为50微米～500微米。
第二方面，本发明还涉及一种基于金属牺牲层工艺的弹性电路，所述弹性电路由前述基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备方法制备而成。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、制备金属电路及焊盘前，无需淀积金属种子层，彻底克服了因弹性聚合物和金属热匹配不同而导致的金属导线裂纹和断路问题；
2、在上下层弹性聚合物与所述金属电路和焊盘之间无需设置聚酰亚胺应力缓冲层，取消了聚酰亚胺应力缓冲层及聚酰亚胺相关加工工艺，简化了工艺流程，仅需光刻、电铸和浇铸工艺即可完成制备；
3、兼容回流焊工艺，降低焊接难度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备工艺流程图；
图2为本发明弹性电路截面图示例；
图3为本发明弹性电路俯视图示例；
图4为直接在聚二甲基硅氧烷弹性聚合物上淀积铬/铜(Cr/Cu)金属种子层，并电铸10微米铜的实验照片；
图5为本发明弹性电路实验照片；
其中，1为基底，2为金属薄膜，3为光刻胶，4为金属电路及焊盘，5为光敏型有机可溶聚合物，6为焊锡膏，7为电子元器件，8为上层弹性聚合物，9为下层弹性聚合物。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例涉及基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备及其制备得到的弹性电路。该弹性电路如图2所示，上层弹性聚合物8材料为聚二甲基硅氧烷，其厚度为500微米；电子元器件7为单片机、传感器或电容电阻等；焊锡膏6为低温焊锡膏，熔化温度130℃；金属电路及焊盘4材料为铜，其厚度10微米，线宽为100～4000微米；下层弹性聚合物9为聚二甲基硅氧烷，其厚度为100微米。
本实施例的基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备工艺如图1所示，包括步骤(1)-(9)，具体如下：
(1)制作铝薄膜(金属薄膜2)粘贴在玻璃基底1上，旋涂5微米厚的光刻胶3(AZ4903正胶)。将50微米厚的铝薄膜沿基底1边缘缓慢的压至基底1上，利用压片机压片2～6小时，确保铝薄膜与基片紧密贴合。
(2)光刻电路及焊盘版图
在铝薄膜上，旋涂15微米厚的AZ4903正胶3，90℃前烘4小时；采用德国KarlSuss公司双面对准MA6光刻机曝光130秒；正胶显影液中，显影150～200秒。
(3)铜电路及焊盘制备
电铸厚度为10微米，最小线宽为100微米的铜电路及焊盘，电流强度为200mA，电铸时间为90分钟。
(4)光刻阻焊层版图
在铜电路及焊盘上，旋涂5微米厚的光敏型有机可溶聚合物5(AZ4903正胶)，90℃前烘4小时；采用德国Suss公司双面对准MA6光刻机曝光80秒；正胶显影液中，显影100～150秒。
(5)电子元器件焊接
可采用手工焊接或回流焊的方式实现电子元器件焊接。本实施例使用回流焊。在焊盘上涂低温焊锡膏6，将相应电子元器件7安放至对应区域，入回流焊机器。回流焊温度曲线为：预热区温度上升速率为2℃/S至140℃，活性区140℃保持90秒，回流区温度上升速率为1℃/S至190℃，冷却区降温速率2℃/S。
(6)光刻胶去除和上层二甲基硅氧烷弹性聚合物浇铸，并固化
完成电子元器件焊接后，使用丙酮去除光刻胶3和光敏型有机可溶聚合物5，依次使用无水乙醇、去离子水清洗，然后60℃烘箱30分钟去除样品表面水分。接着，浇铸厚度为500微米聚二甲基硅氧烷弹性聚合物。将样品置于真空炉中，抽真空至PDMS液体中无气泡，接着在60℃下固化2小时～3小时。
(7)剥离
将所述金属薄膜2及其上层结构从模具中剥离下来。
(8)铝薄膜刻蚀
使用10％NaOH溶液，常温刻蚀铝薄膜，直至铝薄膜被完全刻蚀。
(9)下层二甲基硅氧烷弹性聚合物旋涂，并固化
在聚二甲基硅氧烷弹性聚合物下表面，旋涂厚度为100微米下层聚二甲基硅氧烷弹性聚合物，转速为1500rpm，时间180秒。将样品置于真空炉中，抽真空至PDMS液体中无气泡，接着在60℃下固化2小时～3小时，完成弹性电路制备；制备得到的电路俯视图如图3所示。
图4为直接在聚二甲基硅氧烷弹性聚合物上淀积铬/铜(Cr/Cu)金属种子层，并电铸10微米铜的实验照片；可见其裂纹清晰可见。该裂纹区域显微镜照片显示，裂纹会经过电铸工艺传递到铜导线上，拉伸时可能引起电阻增大或电路的情况。
图5为本发明弹性电路实验照片，没有裂纹出现。该显微镜照片显示，电铸的铜导线完好。
实施例2
本实施例涉及的基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备及其制备得到的弹性电路同实施例1，所不同之处在于：上层弹性聚合物8材料为弹性硅橡胶，其厚度为50微米；金属电路及焊盘4为蛇形，其材料为金，其厚度1微米，线宽为10～100微米；下层弹性聚合物9为弹性硅橡胶，其厚度为50微米；采用的基底为硅片基底，采用的金属薄膜为15微米厚的铜薄膜。
实施例3
本实施例涉及的基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备及其制备得到的弹性电路同实施例1，所不同之处在于：上层弹性聚合物8材料为聚二甲基硅氧烷，其厚度为300微米；金属电路及焊盘4为S形，其材料为银，其厚度50微米，线宽为1000～4000微米；下层弹性聚合物9为弹性硅橡胶，其厚度为500微米；采用的基底为陶瓷片基底，采用的金属薄膜为200微米厚的铝薄膜。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、在基底上粘贴金属薄膜；
S2、在所述金属薄膜的表面制作金属电路和焊盘，在焊盘上焊接电子元器件后，浇铸上层弹性聚合物并固化；
S3、将所述金属薄膜及其上层结构从所述基底上剥离；
S4、刻蚀所述金属薄膜；
S5、旋涂下层弹性聚合物并固化，完成弹性电路制备。
2.根据权利要求1所述的基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备方法，其特征在于，步骤S2具体包括如下步骤：
S21、在所述金属薄膜的表面旋涂光刻胶并光刻出电路和焊盘版图；
S22、在所述电路和焊盘版图区域制作金属电路和焊盘；
S23、在所述金属电路和焊盘以及金属薄膜上未被光刻的光刻胶上旋涂光敏型有机可溶聚合物并光刻出阻焊层版图；
S24、在所述阻焊层版图区域的焊盘上焊接电子元器件；
S25、去除步骤S21和S23中旋涂的光刻胶和光敏型有机可溶聚合物，浇铸上层弹性聚合物并固化。
3.根据权利要求1所述的基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备方法，其特征在于，所述基底为陶瓷片、硅片或玻璃片。
4.根据权利要求1所述的基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备方法，其特征在于，所述金属薄膜为铝或铜薄膜；所述金属薄膜的厚度为15微米～200微米。
5.根据权利要求1所述的基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备方法，其特征在于，所述金属电路及焊盘为蛇形或S形。
6.根据权利要求1所述的基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备方法，其特征在于，所述金属电路及焊盘的材质为金、银或铜；所述金属电路及焊盘的厚度为1微米～50微米，所述金属电路及焊盘的线宽为10微米～4000微米。
7.根据权利要求1所述的基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备方法，其特征在于，所述光敏型有机可溶聚合物为光刻胶。
8.根据权利要求1所述的基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备方法，其特征在于，所述上层弹性聚合物的材质为聚二甲基硅氧烷或弹性硅橡胶；所述上层弹性聚合物的厚度为50微米～500微米。
9.根据权利要求1所述的基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备方法，其特征在于，所述下层弹性聚合物材质为聚二甲基硅氧烷或弹性硅橡胶；所述下层弹性聚合物的厚度为50微米～500微米。
10.一种基于金属牺牲层工艺的弹性电路，其特征在于，所述弹性电路由权利要求1～9任意一项所述的基于金属牺牲层工艺的弹性电路制备方法制备而成。
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