CN108513446B - 一种转印模板及转印方法 - Google Patents

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Abstract

一种转印模板及转印方法，包括：步骤A、制备铜镓系合金模板；步骤B、在铜镓系合金模板上印刷所需要的液态金属图案；步骤C、将铜镓系合金模板上的图案转印到承印基材上。本发明解决了现有技术中液态金属与印刷基面间，由于表面张力的不匹配导致的电路质量问题。利用本发明，可以在常规条件下获得特定的单层、双面或多层电路板。由于基底材料可选择许多柔软程度较高的非金属材料，由此可实现除常规电路板之外的不同种类的柔性印刷电路板。

Description

一种转印模板及转印方法
技术领域
本发明涉及液态金属印刷技术领域，尤其涉及一种转印模板及转印方法。
背景技术
印刷电子是一个复杂的领域。对材料质量、墨水、设备都有高的要求和标准。当前学术界已经对包括有机墨水和无机墨水在内的各种新型导电墨水进行了大量研究，在很多基础性问题上取得了重大突破。但仍一些问题悬而未决，如：现有的单晶硅电路制作方法复杂且耗时、成本高；有机导电墨水的电学性能较差；无机导电墨水制备工艺复杂等；导电银浆成本高且制备工艺复杂。随着科学家们的不断探索，一种新型的墨水-液态金属(熔点低于200℃的金属或合金)，如镓铟合金，由于其高导电性、液体的柔软性及自修复性，被越来越多地使用在导电图案的制备中。金属图案化指在基底上选择性地制造功能化的金属图案，如金属电路、柔性金属电极等。然而，由于液态金属本身具有高的表面张力，一般＞500mN/m，远高于我们常用的基材，如聚氯乙烯、对苯二甲酸类塑料、聚酰亚胺、各种玻璃、硅基板等，导致液态金属在这些基材表面并不铺展，最终影响电路质量。因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
有鉴于此，本发明的一个目的是提出一种基于铜镓系合金的转印模板,旨在解决现有技术中液态金属与印刷基面间，由于表面张力的不匹配导致电路质量问题。
在一些说明性实施例中，所述转印模板为铜镓系合金，其化学组成为CuGaa、CuGabInc、或CuGadIneSef；其中，0＜a≤7，0＜b≤7，0＜c≤7，0＜d≤7，0＜e≤7，0＜f≤7。
在一些可选地实施例中，该转印模板用于液态金属的转印。
在一些可选地实施例中，该模板的制备通过电驱动或自驱动作用方式下，于特定液体中，利用液态金属，在覆铜基材上制得铜镓系合金模板，铜镓系合金模板的厚度在0.01～10μm。
在一些可选地实施例中，所述电驱动的过程，包括步骤：A、去除覆铜基材表面污物和氧化物；B、将步骤A中清洗好的覆铜基材浸入特定液体，并使基材与电源负极连接；C、将液态金属以与基材接触的方式放入上述液体，并位于靠进电源负极一侧；D、用铂电极或石墨电极与电源正极相连，并插入到上述特定液体中，与液态金属和覆铜基材都不接触。E、打开电源，保持电源电压在0～36V，控制所述液体的温度在5～95℃，通电时间1～120min；F、断开电源，取出覆铜基材，用去离子水清洗，用50～70℃高纯惰性气吹干表面，即制得镓铜合金系模板。
在一些可选地实施例中，所述自驱动的过程，包括步骤：A、去除覆铜基材表面污物和氧化物；B、将步骤A中清洗好的覆铜基材浸入特定液体；C、将液态金属及活性金属混合物以与覆铜基材接触的方式放入上述液体；D、控制上述特定液体的温度在5～95℃，浸渍时间控制在0～120min；E、取出覆铜基材，用去离子水清洗，用50～70℃高纯惰性气吹干表面，即制得铜镓系合金模板。
在一些可选地实施例中，所述活性金属为铝粉。
在一些可选地实施例中，所述特定液态为去离子水或离子溶液，离子溶液是酸溶液、碱溶液或盐溶液，所述离子溶液浓度为0.01～5mol/L。
本发明另一个目的在于提出一种基于上述转印模板的液态金属转印方法，以解决现有技术中液态金属与印刷基面间，由于表面张力的不匹配导致电路质量问题。
在一些说明性实施例中，所述液态金属转印方法，包括：步骤A、在铜镓系合金模板上印刷所需要的液态金属图案；步骤B、将铜镓系合金模板上的图案转印到承印基材上。
在一些可选地实施例中，所述步骤A中，印刷所需的液态金属图案的方法为：液态金属丝网印刷、液态金属3D打印、液态金属喷墨打印或液态金属喷涂。
在一些可选地实施例中，所述步骤B中，将铜镓系合金模板上的图案转印到承印基材上是指：利用水转印、气转印、丝网转印、热转印等方法，将铜镓系合金模板上的图案转移到承印基材上。
在一些可选地实施例中，所述步骤A中，液态金属是指：镓、镓铟任意配比的合金或镓铟硒任意配比的合金，或镓铝混合物、镓铟任意配比合金与铝的混合物、镓铟硒任意配比合金与铝的混合物，且杂质含量少于0.001％。
在一些可选地实施例中，所述步骤B中，承印基材是指：聚合物基板、超薄玻璃基板、不锈钢基板、纸质基板等
本发明与现有技术相比，具备以下优势：
通过采用本发明方法所制作的转印模板可解决液态金属与印刷基面间，由于表面张力的不匹配导致电路质量问题，提高液态金属与印刷基面之间的选择性和适应性。
附图说明
图1是本发明中转印模板及转印过程的示意图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
如图1所示，本发明公开了一种基于铜镓系合金的转印模板，其化学组成为CuGaa、CuGabInc、或CuGadIneSef；其中，0＜a≤7，0＜b≤7，0＜c≤7，0＜d≤7，0＜e≤7，0＜f≤7。该转印模板可用于液态金属的转印，通过采用本发明方法所制作的转印模板可解决液态金属与印刷基面间，由于表面张力的不匹配导致电路质量问题，提高液态金属与印刷基面之间的选择性和适应性。
优选地，该模板的制备通过电驱动或自驱动作用方式下，于特定液体中，利用液态金属，在覆铜基材上制得铜镓系合金模板，铜镓系合金模板的厚度在0.01～10μm。
优选地，所述电驱动的过程，包括步骤：A、去除覆铜基材表面污物和氧化物；B、将步骤A中清洗好的覆铜基材浸入特定液体，并使基材与电源负极连接；C、将液态金属以与基材接触的方式放入上述液体，并位于靠进电源负极一侧；D、用铂电极或石墨电极与电源正极相连，并插入到上述特定液体中，与液态金属和覆铜基材都不接触。E、打开电源，保持电源电压在0～36V，控制所述液体的温度在5～95℃，通电时间1～120min；F、断开电源，取出覆铜基材，用去离子水清洗，用50～70℃高纯惰性气吹干表面，即制得镓铜合金系模板。
优选地，所述自驱动的过程，包括步骤：A、去除覆铜基材表面污物和氧化物；B、将步骤A中清洗好的覆铜基材浸入特定液体；C、将液态金属及活性金属混合物以与覆铜基材接触的方式放入上述液体；D、控制上述特定液体的温度在5～95℃，浸渍时间控制在0～120min；E、取出覆铜基材，用去离子水清洗，用50～70℃高纯惰性气吹干表面，即制得铜镓系合金模板。其中，所述活性金属可选用铝粉，除铝粉外还可选用其它活性金属，如钾、钠等，根据实际情况选择质量与接触面积。
优选地，所述特定液态为去离子水或离子溶液，离子溶液是酸溶液、碱溶液或盐溶液，所述离子溶液浓度为0.01～5mol/L。
本发明相对于现有技术中的多源共蒸法、溅射法、化学气相沉积法，无需真空环境，即对制备设备的要求降低了许多，极大的节省了制备成本，便于工业批量生产；相对于现有技术中的电沉积，旋涂热解、水热合成法，膜层结晶度高，成分稳定，结合强度高。
本发明另一个目的在于提出一种基于上述转印模板的液态金属转印方法，以解决现有技术中液态金属与印刷基面间，由于表面张力的不匹配导致电路质量问题，所述液态金属转印方法，包括：
步骤A、在铜镓系合金模板上印刷所需要的液态金属图案；
步骤B、将铜镓系合金模板上的图案转印到承印基材上。
本发明通过采用上述方法所制作的转印模板可解决液态金属与印刷基面间，由于表面张力的不匹配导致电路质量问题，提高液态金属与印刷基面之间的选择性和适应性。
优选地，所述步骤A中，印刷所需的液态金属图案的方法为：液态金属丝网印刷、液态金属3D打印、液态金属喷墨打印或液态金属喷涂。
优选地，所述步骤B中，将铜镓系合金模板上的图案转印到承印基材上是指：利用水转印、气转印、丝网转印、热转印等方法，将铜镓系合金模板上的图案转移到承印基材上。
优选地，所述步骤A中，液态金属是指：镓、镓铟任意配比的合金或镓铟硒任意配比的合金，或所述母材为镓铝混合物、镓铟任意配比合金与铝的混合物、镓铟硒任意配比合金与铝的混合物，且杂质含量少于0.001％。
优选地，所述步骤B中，承印基材是指：聚合物基板、超薄玻璃基板、不锈钢基板、纸质基板等
为了便于可以更快的理解本发明的实施例，在此公开优选实施例。
实施例1
步骤1、以铜箔作为基材，用有机溶剂去除表面的油污，然后用稀盐酸浸渍铜箔，去除铜箔铜层表面的氧化皮，用去离子水冲洗，去除基材铜层表面的铜离子和氯离子，然后用50～70℃高纯惰性气吹干表面，以0.5mol/L的稀盐酸溶液作为液体，将清洗好的铜箔放入其中，并与负极相连；将镓置于铜箔上位于靠近电源负极一端；插入铂电极，与电源正极相连，且不与铜箔和镓接触；控制上述稀盐酸溶液温度为50℃，调整电源电压为12V，通电30分钟，断电，取出铜箔并清洗。经测试，铜箔表面形成5μm厚的CuGa2模板；
步骤2、采用液态金属丝网印刷法，在CuGa2模板上印刷所需要的液态金属图案；
步骤3、采用气转印法将铜镓系合金模板上的图案转印到聚氯乙烯基板上。
实施例2
以镀铜玻璃作为基材，用有机溶剂去除表面的油污，然后用稀盐酸浸渍镀铜玻璃，去除基材铜层表面的氧化皮，用去离子水冲洗，去除基材铜层表面的铜离子和氯离子，然后用50～70℃高纯惰性气吹干表面，以1mol/L的稀氢氧化钠溶液作为液体，将清洗好的镀铜玻璃放入其中，并与负极相连；将镓铟合金置于镀铜玻璃上位于靠近电源负极一端；插入铂电极，与电源正极相连，且不与镀铜玻璃和镓铟合金接触；控制上述稀氢氧化钠溶液温度为70℃，调整电源电压为24V，通电30分钟，断电，取出镀铜玻璃并清洗。经测试，镀铜玻璃表面形成7μm厚的CuIn7Ga3模板。
步骤2、采用液态金属喷墨打印法，在步骤1制得的CuIn7Ga3模板上印刷所需要的液态金属图案；
步骤3、采用水转印法将CuIn7Ga3模板上的图案转印到纸质基板上。
实施例3
步骤1、以铜箔作为基材，用有机溶剂去除表面的油污，然后用稀盐酸浸渍铜箔，去除铜箔铜层表面的氧化皮，用去离子水冲洗，去除铜箔铜层表面的铜离子和氯离子，然后用50～70℃高纯惰性气吹干表面，以去离子水为浸渍的特定液体，将镓铟硒与铝的混合物均匀涂覆在清洗好的铜箔上，控制上述稀盐酸溶液温度为60℃，浸渍60分钟，取出铜箔并清洗。经测试，铜箔表面形成4μm厚的CuGa3In7Se3模板。
步骤2、采用液态金属3D打印法，在步骤1制得的CuGa3In7Se3模板上印刷所需要的液态金属图案；
步骤3、采用热转印法将CuIn7Ga3模板上的图案转印到纸质基板上。
实施例4
步骤1、以镀铜高分子膜作为基材，用有机溶剂去除表面的油污，然后用稀盐酸浸渍镀铜高分子膜，去除镀铜高分子膜铜层表面的氧化皮，用去离子水冲洗，去除镀铜高分子膜铜层表面的铜离子和氯离子，然后用50～70℃高纯惰性气吹干表面，以1mol/L的稀氢氧化钠作为特定液体，将镓与铝的混合物均匀涂覆在清洗好的镀铜高分子膜上，控制上述稀氢氧化钠溶液温度为60℃，浸渍20分钟，取出镀铜高分子膜并清洗，镀铜高分子膜表面形成4μm厚的CuGa3模板。
步骤2、采用液态金属喷涂法，在步骤1制得的CuGa3模板上印刷所需要的液态金属图案；
步骤3、采用丝网转印法将CuIn7Ga3模板上的图案转印到纸质基板上。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (12)

1.一种转印模板，其特征在于，该模板为铜镓系合金，其化学组成为CuGaa、CuGabInc、或CuGadIneSef；其中，0＜a≤7，0＜b≤7，0＜c≤7，0＜d≤7，0＜e≤7，0＜f≤7。
2.如权利要求1所述的转印模板，其特征在于，该转印模板用于液态金属的转印。
3.如权利要求1所述的转印模板，其特征在于，该模板的制备通过电驱动作用方式下，于特定液体中，利用液态金属，在覆铜基材上制得铜镓系合金模板，铜镓系合金模板的厚度在0.01~10μm；所述特定液体为酸溶液、碱溶液或盐溶液。
4.如权利要求3所述的转印模板，其特征在于，所述电驱动的过程，包括步骤：
A、去除覆铜基材表面污物和氧化物；
B、将步骤A中清洗好的覆铜基材浸入特定液体，并使基材与电源负极连接；
C、将液态金属以与基材接触的方式放入上述液体，并位于靠进电源负极一侧；
D、用铂电极或石墨电极与电源正极相连，并插入到上述特定液体中，与液态金属和覆铜基材都不接触；
E、打开电源，保持电源电压在0～36V，控制所述液体的温度在5～95℃，通电时间1～120min；
F、断开电源，取出覆铜基材，用去离子水清洗，用50～70℃高纯惰性气吹干表面，即制得镓铜系合金模板。
5.如权利要求1所述的转印模板，其特征在于，该模板的制备通过自驱动作用方式下，于特定液体中，利用液态金属，在覆铜基材上制得铜镓系合金模板，铜镓系合金模板的厚度在0.01~10μm；所述特定液体为去离子水、酸溶液、碱溶液或盐溶液；
所述自驱动的过程，包括步骤：
A、去除覆铜基材表面污物和氧化物；
B、将步骤A中清洗好的覆铜基材浸入特定液体；
C、将液态金属及活性金属的混合物以与覆铜基材接触的方式放入上述液体；
D、控制上述特定液体的温度在5～95℃，浸渍时间控制在0～120min；
E、取出覆铜基材，用去离子水清洗，用50～70℃高纯惰性气吹干表面，即制得铜镓系合金模板；
所述活性金属为铝、钾或钠。
6.根据权利要求5所述的转印模板，其特征在于，所述活性金属为铝粉。
7.根据权利要求5所述的转印模板，其特征在于，所述酸溶液、碱溶液或盐溶液的离子浓度为0.01～5mol/L。
8.一种基于如权利要求1-7任一项所述的转印模板的转印方法，包括：
步骤A、在铜镓系合金模板上印刷所需要的液态金属图案；
步骤B、将铜镓系合金模板上的图案转印到承印基材上；
其中，所述液态金属为镓单质、镓铟合金或镓铟硒合金。
9.根据权利要求8所述的转印方法，其特征在于，所述步骤A中，印刷所需的液态金属图案的方法为：液态金属丝网印刷、液态金属3D打印、液态金属喷墨打印或液态金属喷涂。
10.根据权利要求8所述的转印方法，其特征在于，所述步骤B中，将铜镓系合金模板上的图案转印到承印基材上是指：利用水转印、气转印、丝网转印、热转印方法中的一种方法，将铜镓系合金模板上的图案转移到承印基材上。
11.根据权利要求8所述的转印方法，其特征在于，所述液态金属中的杂质含量少于0.001%。
12.根据权利要求8所述的转印方法，其特征在于，所述步骤B中，承印基材是指：聚合物基板、超薄玻璃基板、不锈钢基板、纸质基板。
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