CN108770220B - 一种电路制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电路制备方法，该方法选取对液态金属粘附性小的材料作为基底，在该基底上利用对液态金属粘附性大的材料制备电路图案，再将液态金属粘附在做好的电路图案上，封装后得到液态金属电路。相比于传统的金属印刷技术，本方法可以一次成型平面金属结构，原理简单，操作方便，加工迅速等优点。

Description

一种电路制备方法

技术领域

本发明属于金属打印领域，具体涉及一种电路制备方法。

背景技术

传统的平面电路制造技术往往需要复杂的工艺流程，首先需要利用绘图机或打印机在专用软件布图上形成黑白图，之后将黑白图送至专业制作厂进行制版。在传统的印刷电路板生产过程中，在设备数量、制版技术等方面有着较高的要求，导致了制作时间长、成本高，而且在生产的过程中不能够对电路进行局部修正。由于传统电路加工方法存在的种种缺点，目前研究人员开发出多种快速平面电路印刷方法，以及金属3D打印技术等。然而目前的平面金属打印技术多采用单喷头在平面上画线形成特定图案的方式，这种方式在打印复杂平面金属图案时需要的时间较长，影响金属打印的效率。

液态金属是一类熔点较低的金属或合金，如常见的金属汞。金属汞具有很强的毒性，因而很难应用于日常生活领域。其他类型的液态金属，如镓基合金和铋基合金等材料在较低温度下也可以保持液态，而且具有金属的导电性和导热性，重要的是，此类合金生物毒性较低，可以用于日常生活领域。此外，有研究采用低熔点合金作为导电材料，制作平面印刷电路，并且将该种材料用于金属3D打印领域。

近年来的研究发现液态金属在不同基底上的粘附性存在差异：例如液态金属在一些固态金属(如银、金、铜等)表面具有很好的浸润性，并且形成金属化合物，从而具有很好的粘附性；此外，一些高分子聚合物表面可以提供较大的范德华力，因而与液态金属具有很好的粘附性；相反，玻璃、纸等基底则对液态金属的粘附性很差。液态金属这种在不同表面的粘附性的差距，可以用于设计制备不同形状的柔性导电结构。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的是提出一种电路制备方法，以弥补现有技术电路制作步骤复杂、操作不便等问题。

在一些说明性实施例中，该电路制备方法，包括如下步骤：

步骤一，选取对液态金属不具有粘附性的材料作为基底；

步骤二，在所述基底上利用对液态金属具有粘附性的材料制作电路图案；

步骤三，将液态金属粘附在所述电路图案上得到液态金属电路。

在一些可选的实施例中，还包括如下步骤：

重复步骤一至步骤三，得到至少两个液态金属电路，将所述液态金属电路电连通，得到多层液态金属电路。

在一些可选的实施例中，所述基底为玻璃、纸张、布料。

在一些可选的实施例中，所述对液态金属具有粘附性的材料为金属或高分子聚合物。

在一些可选的实施例中，所述金属为金、银、铜、铁、镍；所述高分子聚合物为硅橡胶或丙烯酸类聚合物。

在一些可选的实施例中，所述液态金属包括以下之一或任意组合：镓、铟、锡单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓锌镉合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、铋铟锡锌合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌铜合金、锡银铜合金和铋铅锡合金。

在一些可选的实施例中，在所述步骤二中，利用印刷、打印或喷涂的方式制备电路图案。

在一些可选的实施例中，在所述步骤三中，还包括设置液态金属液池，将所述基底上制作有所述电路图案的一面浸泡于所述液态金属液池中，取出所述基底，得到所述液态金属电路。

在一些可选的实施例中，在所述步骤三中，还包括通过打印、印刷或喷涂的方式将所述液态金属粘附所述电路图案上，得到所述液态金属电路。

在一些可选的实施例中，还包括如下步骤：利用封装材料封装所述液态金属电路，所述封装材料为柔性封装材料。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

(1)本发明使用液态金属作为打印材料，因此相比于传统的金属打印制备流程更为简单，增材制备方法也降低了原料的损耗，能耗也相应减少；

(2)本发明使用转印方式使整个平面一次性固化成型，因此相比于传统的平面金属印刷方式，本方法具有更快的制备速度。

附图说明

图1是基于液态金属转印的电路制备方法流程示意图；

图2是基于液态金属转印的电路制备方法的剖面流程示意图；

其中，1、对液态金属具有粘附性的材料；2、基底；3、液态金属液池；4、封装材料。

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。

本发明公开了一种基于液态金属转印的电路制备方法，具体包括如下步骤：

步骤一：选取对液态金属不具有粘附性的材料作为基底；

步骤二：在所述基底上利用对液态金属具有粘附性的材料制备电路图案；

步骤三：将液态金属粘附在所述电路图案上从而得到液态金属电路；

在步骤一中，选取的基底一般为普通纸张、玻璃或布料，这类材料表面一般较粗糙，而液态金属在接触面上的粘附主要是由于其中的氧化物层与接触面的粘附，由于粗糙的界面使金属氧化层与基底的作用距离增大，接触面积大大减小，降低了金属的浸润性，并且不能形成分子间作用力，所以液态金属在这类材料上粘附性较差或几乎不具有粘附性。这就可以利用上述特性来制备特定形态的电路。

在步骤二中，选取的对液态金属具有粘附性的材料一般为固态金属或高分子聚合物，其中固态金属可以为金、银、铜、铁、镍等，液态金属在上述金属表面的浸润性较强，容易在其表面铺展粘接黏附；高分子聚合物可以选用PDMS、Ecoflex等类型的硅橡胶材料或者丙烯酸类聚合物等表面粘性较大的材料，这类材料可以提供较高的范德华力以及形成一定程度的氢键相互作用，因此液态金属的氧化层也容易黏附在这类材料的表面。

在基底上利用对液态金属具有粘附性的材料制备电路图案可以通过印刷的方式来实现，例如通过丝网印刷的方式，将特定形状的电路图案印制在基底上，形成液态金属电路粘附层。也可以通过打印的方式，利用3D打印机等增材制造设备，在基底上打印预制形状的电路图案，以形成液态金属电路粘附层。也可以通过喷涂的方式，在基底上规划好特定形状的电路图案，利用喷枪等喷涂设备将上述材料施涂在基底上，形成液态金属电路粘附层。

在步骤三中，可以设置一液态金属液池用于盛装液态金属，将基底上制备有电路图案的一面浸泡于该液态金属液池中，然后再取出。由于基底其他部分没有涂覆对液态金属具有粘性的材料，在取出时液态金属不会遗留在基底上，仅有电路图案部分粘出液态金属，从而可以很方便的将液态金属粘附在基底的电路图案上，制得液态金属电路。也可以利用液态金属电子电路打印机，将预设的电路图案电子文件输入液态金属电子电路打印机中，通过液态金属电子电路打印机将液态金属按照预设的路径打印在电路图案中，制得液态金属电路。

选用的液态金属又称低熔点金属，其包括熔点在300摄氏度以下的低熔点金属单质、低熔点金属合金或由液态金属单质/低熔点金属合金与金属纳米颗粒和流体分散剂混合形成的导电纳米流体。更为具体地，当选用所述导电纳米流体时，流体分散剂优选为乙醇、丙二醇、丙三醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚二甲基硅氧烷、聚乙二醇、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。

在一些实施例中，低熔点金属合金成分可包括镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、汞、银、铜、钠、钾、镁、铝、铁、镍、钴、锰、钛、钒、硼、碳、硅等中的一种或多种。

优选地，液态金属具体的选择范围包括：汞单质、镓单质、铟单质、锡单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓锌镉合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、铋铟锡锌合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌铜合金、锡银铜合金、铋铅锡合金中的一种或几种。

当选用的液态金属为室温下呈液态时，在步骤三之后还需要对液态金属电路进行封装处理，以防止液态金属氧化脱落和线路结构的破坏；在选用的液态金属为室温下呈固态时，封装步骤可以省略。

优选的，封装材料为柔性硅橡胶材料，其他柔性材料同样可以作为本发明的封装材料。利用封装设备将封装胶或封装材料均匀涂覆于制作好的液态金属电路上，可以完全覆盖基底全部面积，也可以仅覆盖液态金属电路部分。

具体的，对于单层电路的制备，首先将对液态金属具有粘附性的材料1通过印刷、打印或喷涂的方式涂抹在基底2表面制作特定的电路图案，之后将基底2制作有电路图案的一面浸泡于液态金属液池3中，再将基底2从液态金属液池3中取出，液态金属将粘附在电路图案上。如果选用的是室温下为液态的液态金属，最后还需使用封装材料4对基底2表面液态金属进行封装，制得液态金属电路。如果选用的是室温下为固态的液态金属，将基底2从液态金属液池3中取出后，待液态金属冷却凝固后，即可得到液态金属电路。

对于双层电路的制备，在单层电路制备的基础上，将两块都制备有液态金属电路的基底贴合，其中位于底部的基底的液态金属电路这一侧与位于顶部的基底的未制有液态金属电路的这一侧贴合接触，并在顶部基底的特定位置打孔，在孔中填充上述液态金属，使得上下两层液态金属电路导通，从而得到双层电路。对于两层基底之间的连接固定，可以通过机械装置固定或者使用胶水粘结，以保证电路连接的稳定性。

进一步的，对于多层电路的制备，可以在双层电路的基础上，在顶部基底上继续叠加基底，利用前述方法制备多层液态金属电路。

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 (5)

1.一种电路制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，选取表面粗糙、且对液态金属不具有粘附性的纸张或布料作为基底；

步骤二，通过丝网印刷在所述基底上利用对液态金属具有粘附性的硅橡胶或丙烯酸类聚合物制作非金属电路图案；

步骤三，将液态金属粘附在所述非金属电路图案上得到液态金属电路；

其中，在所述步骤三中，还包括设置液态金属液池，将所述基底上制作有所述非金属电路图案的一面浸泡于所述液态金属液池中，取出所述基底，得到所述液态金属电路。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：

重复步骤一至步骤三，得到至少两个液态金属电路，将所述液态金属电路电连通，得到多层液态金属电路。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述液态金属包括以下之一或任意组合：镓、铟、锡单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓锌镉合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、铋铟锡锌合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌铜合金、锡银铜合金和铋铅锡合金。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤三中，还包括通过打印、印刷或喷涂的方式将所述液态金属粘附所述非金属电路图案上，得到所述液态金属电路。

5.如权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：

利用封装材料封装所述液态金属电路，所述封装材料为柔性封装材料。

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