CN108428511A - 一种基于液态金属的柔性电子加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性电子领域，并公开了一种基于液态金属的柔性电子加工方法，包括以下步骤：1)掩模制作：将柔性薄膜附在第一基底的上表面，然后利用切割设备在柔性薄膜上制作出具有线路图案的掩模；2)掩模转移：用具有粘性的胶带，将此掩模粘附转移至模板上；3)液态金属沉积：待柔性基底固化后，让液态金属穿过掩模上的线路图案后沉积在柔性基底上，从而形成金属图案；4)脱模显影：将掩模移除，从而使沉积在柔性基底上的金属图案显露出来；5)集成封装：将硅橡胶液体均匀的涂在所述柔性基底上，并覆盖住金属图案，则完成封装。本方法形成的柔性电子兼具高分辨率、高线路复杂度、高柔顺度，并且具有很高的工业大批量生产的潜力。

Description

一种基于液态金属的柔性电子加工方法

技术领域

本发明属于柔性电子领域，更具体地，涉及一种基于液态金属的柔性电子加工方法。

背景技术

柔性电子由于其优秀的可拉伸性，已经在科学界得到了非常密切的广泛关注。许多相关应用已经得到开发，如共形天线、装备蒙皮、生物智能电路、仿生器官等。该类电子的电路通常是基于金属箔制作，虽然其具有较高的柔软性，并且通过一定的结构设计可以使其有一定的拉伸性能，但其柔性与拉伸性能仍然有一定的局限性，还不能满足柔性电子优其是表面电子的需求。另外由于金属箔是固体，其弯曲疲劳强度同时也有很大的局限性。而基于液态金属线路的柔性电子能够很好的克服这些不足，满足这些性能需求，它具有高可拉伸性，高柔顺性，高导电性，高抗疲劳性。

然而这种柔性电子的加工工艺有很大的局限性。由于液态金属的表面张力非常大，很难浸润在大部分材料表面，很难像传统的打印技术一样直写在柔性基底上。并且，其在空气中极易形成一层很薄的氧化膜，这将阻止其与柔性基底的接触，所以液态金属打印技术受到了很大的限制。

现在此类柔性电子的成形技术有很多种，如微通道注射法，直写技术以及相关衍生技术。但都有一些不足，例如，微通道注射法非常的费时费力，而直写技术受到基底材料和分辨率的限制，均不能很好的解决液态金属打印成形问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于液态金属的柔性电子加工方法，形成的柔性电子兼具高分辨率、高线路复杂度、高柔顺度，并且具有很高的工业大批量生产的潜力。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于液态金属的柔性电子加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)掩模制作：将柔性薄膜附在第一基底的上表面，然后利用切割设备在柔性薄膜上制作出具有线路图案的掩模；

2)掩模转移：用具有粘性的胶带，将此掩模粘附转移至模板上，其中，所述模板包括第二基底及设置在第二基底上表面的柔性基底，掩模转移到该柔性基底的上表面上，此时该柔性基底为半固化状态且具有粘性，从而粘住所述掩膜，让掩膜从胶带上脱落；

3)液态金属沉积：让液态金属沉积在步骤2)中掩模及线路图案内的柔性基底上，从而形成金属图案；

4)脱模显影：将掩模移除，从而使沉积在柔性基底上的金属图案显露出来；

5)集成封装：将硅橡胶液体均匀的涂在所述柔性基底上，并覆盖住步骤4)中形成的金属图案，则硅橡胶液体固化后完成封装。

优选地，所述柔性薄膜优选为具有可加工性的柔性高分子膜，譬如聚氯乙烯绝缘带、聚乙烯醇膜或聚对苯二甲酸乙二醇脂膜，或者为金属箔，譬如铜箔、铝箔、锡箔或金箔。

优选地，所述柔性基底优选为在半固化状态具有粘性的PDMS或Eco-Flex系列材料，或者在完全固化状态具有粘性的Sylgard-MG7系列材料。

优选地，所述切割设备为刻字机或紫外线激光器。

优选地，掩膜转移为基于粘性差异的掩膜转印，如胶带与掩膜的粘力小于掩膜与粘性基底的粘力。

优选地，所述液态金属沉积方法为直接浇注、雾化喷涂或者电纺沉积。

优选地，所述的脱模显影为机械剥离掩模或者溶剂溶解掩模。

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)本方法可以通过掩膜的图案来控制整体金属线路的分辨率达到较高的高度，而基底的选择也宽泛很多，同时效率更高，能实现自动化生产。

2)本方法形成的柔性电子兼具高分辨率、高线路复杂度、高柔顺度，并且具有很高的工业大批量生产的潜力。

附图说明

图1是掩模示意图；

图2是图1中沿A-A线的剖视图；

图3是掩模转移后的示意图；

图4是液态金属雾化沉积示意图；

图5是脱模显影示意图；

图6是集成封装示意图。

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。

参照图1～图6，本发明提出了一套集掩模加工及转印、液态金属沉积、去膜显影和集成封装等为一体的基于液态金属的柔性电子加工方法。

主要过程如下：

1)掩模制作：将柔性薄膜附在第一基底1的上表面，然后利用切割设备在柔性薄膜上制作出具有线路图案的掩模，如图2；

2.)掩模转移：用具有粘性的胶带，将此掩模粘附转移至模板上，其中，所述模板包括第二基底4及设置在第二基底4上表面的柔性基底5，掩模转移到该柔性基底5的上表面上，此时该柔性基底5为半固化状态且具有粘性，从而粘住所述掩膜2，让掩膜2从胶带上脱落，如图3；

3)液态金属沉积：待步骤2)中的柔性基底固化后，让液态金属穿过掩模上的线路图案后沉积在柔性基底5上，从而形成金属图案3，如图4；

4)脱模显影：将掩模移除，从而使沉积在柔性基底5上的金属图案3显露出来，如图5；

5)集成封装：将硅橡胶液体均匀的涂在所述柔性基底5上，并覆盖住步骤4)中形成的金属图案3，则硅橡胶液体固化后完成封装，如图6。

本过程中未提到其它元器件的集成，如：何时完成与外界交互、何时完成功能性元器件的嵌套。这些工序依据具体情况可在步骤2、步骤3之间或者步骤4、步骤5之间完成。

实施例1

本实施方式仅以聚氯乙烯绝缘带作为掩模进行实例说明，其它类似的柔性薄膜(如铜箔，聚乙烯醇膜等)均包含在其中。同样，本实施方式仅以具有代表性的硅橡胶PDMS(聚二甲基硅氧烷)作为说明，其它类似的在半固化状态具有粘性(如Eco-Flex)，或者在完全固化状态具有粘性(如Sylgard-MG7-9900)的柔性基底均包含其中。

1.掩模制作：以聚氯乙烯绝缘带作为掩模原料，利用刻字机作为切割设备，将此薄膜雕割成具有所需图案的掩模。

2.掩模转移：利用具有粘性的胶带将掩模粘起，并将其转移至一个半固化的PDMS柔性基底5表面，由于半固化PDMS与掩模的粘性大于胶带与掩模的粘力，所以当胶带剥离时，掩模便被转移至半固化的PDMS表面上。

3.液态金属雾化沉积：利用喷枪的高压雾化喷射功能，控制喷枪的移动速度和距离，将液态金属以一定的动能和一定的厚度喷涂在PDMS表面。或者直接将液态金属浇注在掩模表面，并用柔性工具将液态金属均匀的平铺在掩模和柔性基底5之上。

4.脱模显影：将此掩模慢速剥离，此时沉积在掩模上的液态金属将会被除去，所需的粘附在基底上的液态金属图案3将会显露出来。

5.集成封装：将另一层PDMS液体以一定厚度均匀的涂在以上柔性基底5上作为覆盖层，固化完成封装。

实施例2

本实施方式仅以可溶于水的聚乙烯醇掩模作为实例说明，其它类似的可溶性掩模均包含在其中。同样，本实施方式只选择了具有代表性的PDMS(聚二甲基硅氧烷)和Eco-Flex(超柔性的硅橡胶)作为说明，其它类似的在半固化状态具有粘性(如Eco-Flex)，或者在完全固化状态具有粘性(如Sylgard-MG7-9900)的柔性基底均包含在其中。

1.掩模制作：以可溶性聚乙烯醇膜作为掩模材料，紫外线激光器(如，LSU5E)作为切割设备，调整好激光的参数，利用紫外线激光将可溶性聚乙烯醇膜雕刻制成设计所需的掩模。

2.掩模转移

①柔性基底5制作

a)PDMS基底:将PDMS以一定厚度均匀的浇注在PET(耐高温聚酯薄膜)膜的表面，然后置于烘箱加热固化至PDMS并未完全固化并具有一定的粘力的状态。

b)Eco-flex基底:将Eco-flex(00-30)以一定厚度均匀的浇注在PET膜的表面，然后在室温(25℃)下水平静置至Eco-flex(00-30)并未完全固化并具有一定的粘力的状态。

c)其它聚合物：其它类似聚合物如:Eco-flex(00-20)等，均可以使用类似的操作，使高聚物达到并未完全固化且具有一定粘力的状态，也可以使用本方法。

其它基底：其它类似PET的薄膜均可当作基底，当制作超薄型表面电子时，PET膜可使用另一种墨粉转印纸(Pulsar Professional FX)来代替。

②掩模转移：

将以上基底整体轻轻的按压在步骤1中掩模的表面，使掩模与PET膜上的柔性基底5粘结，之后将柔性基底5撕开，这样由于柔性基底5的粘性，掩模将转印至柔性基底5表面上。同时该基底还将作后续工艺的基底。

3.液态金属雾化沉积：利用喷枪的高压雾化功能，控制喷枪的移动速度和距离，将液态金属以一定的能量和一定的厚度喷涂在PDMS表面。或者直接将液态金属浇注在掩模表面，并用柔性工具将液态金属均匀的平铺在掩模和柔性基底5之上。

4.溶解显影：将整个结构倒置浸入水溶液中，使可溶于水的聚乙烯醇掩模溶解，这样沉淀在掩模上的液态金属将会脱离柔性基底5表面，液态金属图案3就会显示出来。

5.集成封装：在显影之后的柔性基底5上再次涂上另一层柔性基底作为覆盖层，最后加热完全固化，完成封装。

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 (7)

1.一种基于液态金属的柔性电子加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)掩模制作：将柔性薄膜附在第一基底的上表面，然后利用切割设备在柔性薄膜上制作出具有线路图案的掩模；

2)掩模转移：用具有粘性的胶带，将此掩模粘附转移至模板上，其中，所述模板包括第二基底及设置在第二基底上表面的柔性基底，掩模转移到该柔性基底的上表面上，此时该柔性基底为半固化状态且具有粘性，从而粘住所述掩膜，让掩膜从胶带上脱落；

3)液态金属沉积：让液态金属沉积在步骤2)中掩模及线路图案内的柔性基底上，从而形成金属图案；

4)脱模显影：将掩模移除，从而使沉积在柔性基底上的金属图案显露出来；

5)集成封装：将硅橡胶液体均匀的涂在所述柔性基底上，并覆盖住步骤4)中形成的金属图案，则硅橡胶液体固化后完成封装。

2.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的柔性电子加工方法，其特征在于，所述柔性薄膜优选为具有可加工性的柔性高分子膜，譬如聚氯乙烯绝缘带、聚乙烯醇膜或聚对苯二甲酸乙二醇脂膜，或者为金属箔譬，如铜箔、铝箔、锡箔或金箔。

3.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的柔性电子加工方法，其特征在于，所述柔性基底优选为在半固化状态具有粘性的PDMS或Eco-Flex系列材料，或者在完全固化状态具有粘性的Sylgard-MG7系列材料。

4.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的柔性电子加工方法，其特征在于，所述切割设备为刻字机或紫外线激光器。

5.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的柔性电子加工方法，其特征在于，掩膜转移为基于粘性差异的掩膜转印，如胶带与掩膜的粘力小于掩膜与粘性基底的粘力。

6.根据权利要求1～5中任一权利要求所述的一种基于液态金属的柔性电子加工方法，其特征在于，所述液态金属沉积方法为直接浇注、雾化喷涂或者电纺沉积。

7.根据权利要求1～6中任一权利要求所述的一种基于液态金属的柔性电子加工方法，其特征在于，所述的脱模显影为机械剥离掩模或者溶剂溶解掩模。