CN108770221A - 一种印刷电路及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种印刷电路及其制备方法，包括：步骤1、将高分子有机材料涂覆在基底表面上形成一层液态金属粘附层；步骤2、再利用石墨在所述液态金属粘附层上形成特定图案的液态金属不粘层；其中，所述液态金属不粘层的尺寸面积小于所述液态金属粘附层的尺寸面积；步骤3、在所述基底上均匀涂覆液态金属，使液态金属在所述液态金属粘附层上实现粘附，以及在所述液态金属不粘层上实现不粘附，得到液态金属电路；步骤4、再利用高分子有机材料对所述液态金属电路进行封装处理。本发明通过改良印制表面的表面附着力，可实现对于不粘附液态金属的基底表面粘附液态金属，从而提高液态金属印制对于各种材质基底的适应性。其次，在实现控制液态金属的粘附与不粘附的条件下，可根据用户要求定制化其电路图案，以满足用户的自定义设计需求及质量要求。

Description

一种印刷电路及其制备方法

技术领域

本发明属于电子印刷技术领域，尤其涉及一种印刷电路及其制备方法。

背景技术

在传统的电子印刷领域，电子电路的制备往往需要复杂的过程，并且在制备的过程中伴随着资源的浪费和环境污染。例如，传统电路制备方法中的铜板蚀刻工艺需要事先将金属铜镀在电路基板(一般为玻璃纤维板)上，之后通过化学腐蚀或激光雕刻的方法，去除多余部分的金属铜，最终在基底表面形成特定形状的铜电路。这种制备工艺加工时间长，工艺复杂，对制造仪器的要求较高。当今社会人们对个性化定制产品的需求越来越大，个人定制电子电路的技术方案却乏善可陈。

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。

目前，液态金属只能印制在亲液态金属的基材上，导致液态金属的印制的适应性低的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的是提出一种印刷电路的制备方法,以解决现有技术中液态金属的印刷对于基材的要求较高，适应性低的问题。

在一些说明性实施例中，所述印刷电路的制备方法，包括：步骤1、将高分子有机材料涂覆在基底表面上形成一层液态金属粘附层；步骤2、再利用石墨在所述液态金属粘附层上形成特定图案的液态金属不粘层；其中，所述液态金属不粘层的尺寸面积小于所述液态金属粘附层的尺寸面积；步骤3、在所述基底上均匀涂覆液态金属，使液态金属在所述液态金属粘附层上实现粘附，以及在所述液态金属不粘层上实现不粘附，得到液态金属电路；步骤4、再利用高分子有机材料对所述液态金属电路进行封装处理。

在一些可选地实施例中，所述基底选用以下之一的材质：纸材、布料、金属、塑料、玻璃、木材、石材。

在一些可选地实施例中，所述高分子有机材料选用以下之一：PDMS、Ecoflex、聚氨酯、硅胶和丙烯酸类聚合物。

在一些可选地实施例中，所述液态金属包括熔点在300摄氏度以下的低熔点金属单质、低熔点金属合金或主要成分为低熔点金属单质/低熔点金属合金的导电混合物。

在一些可选地实施例中，所述液态金属包括以下之一或任意组合：汞、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。

在一些可选地实施例中，所述液态金属选用常温下呈液态的低熔点金属，包括：镓单质和/或镓基合金。

在一些可选地实施例中，所述制备方法，还包括：步骤5、分离所述基底与所述液态金属粘附层，得到以所述高分子有机材料封装的柔性印刷电路。

在一些可选地实施例中，所述高分子有机材料和/或石墨的涂覆通过喷涂或打印的方式成型。

本发明的另一个目的在于基于上述印刷电路的制备方法，提出一种印刷电路。

在一些说明性实施例中，所述印刷电路，包括：由高分子有机材料形成的液态金属粘附层；位于所述液态金属粘附层上的液态金属与由石墨形成的液态金属不粘层，其中，位于所述液态金属粘附层上的液态金属构成印刷电路的导电线路；由高分子有机材料形成、并包覆所述液态金属及液态金属不粘层的封装层，所述封装层与所述液态金属粘附层配合实现所述液态金属的封装。

在一些说明性实施例中，所述液态金属粘附层附着在基底上；所述基底包括以下之一：纸材、布料、金属、塑料、玻璃、木材、石材。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

1.本发明通过改良印制表面的表面附着力，可实现对于不粘附液态金属的基底表面粘附液态金属，从而提高液态金属印制对于各种材质基底的适应性。

2.在实现控制液态金属的粘附与不粘附的条件下，可根据用户要求定制化其电路图案，以满足用户的自定义设计需求及质量要求。

3.相比较传统的电路制备工艺而言，本发明在完成基底上的粘附层和不粘层的涂覆设计后，可利用刷涂的方式一次性成型液态金属，有效的提高了制备效率。

附图说明

图1是本发明实施例中印刷电路的制备流程图；

图2是本发明实施例中印刷电路的制备流程图；

图3是本发明实施例中印刷电路的制备流程图；

图4是本发明实施例中的印刷电路的结构示意图；

图5是本发明实施例中的印刷电路的结构示意图.

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。

为了便于更快的理解本发明中的各实施例，在此对本发明的主要思想进行简要说明。

发明人发现液态金属对于不同材料的基底的粘附性差异明显。具体的，液态金属对于高分子有机材料表现较好的粘附性，这是由于有机高分子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，因此液态金属可均匀涂覆在高分子有机材料形成的层体表面，且形态稳定。而液态金属对于石墨的浸润性表现很差，液态金属无法粘附石墨上，少量残留也极易擦除。发明人通过上述发现，利用高分子有机材料对印制表面进行改性处理，使印制表面对于液态金属的粘附性得到提升，再利用与液态金属不粘附的石墨形成特定图案的结构，可使得石墨未覆盖的区域粘附液态金属，以及石墨覆盖的区域不粘附液态金属，进而得到以液态金属作为导电线路的印制电路。

现在参照图1，图1示出了本发明实施例中的印刷电路的制备方法的流程图，如该流程图所示，本发明公开了一种印刷电路的制备方法，包括：

步骤S11、将高分子有机材料涂覆在基底表面上形成一层液态金属粘附层；

步骤S12、再利用石墨在所述液态金属粘附层上形成特定图案的液态金属不粘层；其中，所述液态金属不粘层的尺寸面积小于所述液态金属粘附层的尺寸面积；

步骤S13、在所述基底上均匀涂覆液态金属，使液态金属在所述液态金属粘附层上实现粘附，以及在所述液态金属不粘层上实现不粘附，得到液态金属电路；

步骤S14、再利用高分子有机材料对所述液态金属电路进行封装处理。

本发明通过改良印制表面的表面附着力，可实现对于不粘附液态金属的基底表面粘附液态金属，从而提高液态金属印制对于各种材质基底的适应性。其次，在实现控制液态金属的粘附与不粘附的条件下，可根据用户要求定制化其电路图案，以满足用户的自定义设计需求及质量要求。再有，相比较传统的电路制备工艺而言，本发明在完成基底上的粘附层和不粘层的涂覆设计后，可利用刷涂的方式一次性成型液态金属，有效的提高了制备效率。

在一些实施例中，本发明实施例中的基底可选用表面粗糙的材质的基底，这类基底由于粗糙的界面使金属/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，通过步骤S11中的表面改性处理后，可有效的解决上述问题。进而，本发明实施例中的基底可使用任意材质的基底，例如表面粗糙的纸材、布料、木材、石材等，除表面粗糙材质的基底之外，本发明亦可使用表面较光滑的塑料、玻璃等。

在一些实施例中，所述高分子有机材料选用以下之一：PDMS(聚二甲基硅氧烷)、Ecoflex(生物降解塑料)、聚氨酯、硅胶、丙烯酸类聚合物等长链高分子有机材料。优选地，高分子有机材料可选用Ecoflex(生物降解塑料)、聚氨酯、硅胶或丙烯酸类聚合物，相比较PDMS(聚二甲基硅氧烷)而言，其成型后的气密性较好，不易使空气渗入其中，与液态金属接触，从而避免由于氧化影响液态金属的电学性质。其中，步骤S11和步骤S14中的高分子有机材料可选用不同的材料，亦可选用相同的材料。优选地，步骤S11和步骤S14中的高分子有机材料选用同种材料，进而避免由于材料不同可能产生的分层问题。

所述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。

在一些实施例中，所述液态金属选用常温下呈液态的低熔点金属，包括：熔点为29摄氏度的镓单质和/或熔点处于10–30摄氏度之间的镓基合金(其熔点与其配比相关)。通过选用常温下呈液态的低熔点金属，可降低印刷电路的制备要求与成本。

如图2，所述制备方法，还包括：

步骤S15、分离所述基底与所述液态金属粘附层，得到以所述高分子有机材料封装的柔性印刷电路。

通过上述实施例所制备的柔性印刷电路的效率提得到极大的提升，制备过程简易，无需注模、开槽、灌注等处理。

在一些实施例中，步骤S11中的高分子有机材料的涂覆可利用打印技术或喷涂技术实现，例如使用相应原料的喷墨打印机，直接在基底表面喷涂一层高分子有机材料。除上述打印技术或喷涂技术之外，还可以采用手工涂覆或浸渍处理的方式涂覆。

在一些实施例中，步骤S12中的石墨的特定图案的涂覆亦可采用打印技术或喷涂技术实现，亦如喷墨打印机，利用设计好的电子设计图，实现特定图案的喷涂，原料可采用石墨粉。

在一些实施例中，步骤S14中的高分子有机材料的封装，亦可通过上述步骤S11中的高分子有机材料的涂覆方式，在此不再赘述。

在一些实施例中，步骤S13中的液态金属的涂覆除上述涂覆方式之外，还可选用浸渍、刷涂等方式，浸渍例如将已经过表面处理后的基底放置在液态金属池中浸渍，一定时间后取出；刷涂例如利用刷涂工具(滚轮、刷子、刮子等类似工具)将液态金属刷涂到基底上。

参见图3，本发明针对上述制备方法提出了一种具体实施方式，该制备方法中所使用的材料及设备包括：基底1、有机高分子材料2；喷墨打印机3；石墨4；滚轮5；液态金属6；封装材料7。其中，有机高分子材料2和封装材料7均采用有机高分子材料，其名称仅用于相互区别。该实施例中选用纸张作为基底1材料。首先将有机高分子材料2均匀涂覆在基底1材料表面。待其固化成膜后，使用喷墨打印机3将石墨4喷涂在涂覆有机高分子材料2的基底1表面。之后使用滚轮5将液态金属6刷涂在经过两种材料处理后的基底1表面。由于液态金属6在石墨4和有机高分子材料2表面的黏附力差异，液态金属6只黏附在没有被石墨4覆盖的有机高分子2膜的表面，从而形成具有特定图案的电路结构。最后，将封装材料7均匀涂覆在基底1材料表面，待其固化成膜后可将液态金属6固定在基底1材料的表面，完成电路结构的封装。

上述实施例是本发明的一种具体实施方式，其内的材料选择、设备选择均可利用本发明上述相关实施例进行替换，以满足不同需求及不同环境下的制备。

再次参见图3，本发明的另一个目的在于基于上述印刷电路的制备方法，提出一种印刷电路，包括：由高分子有机材料2形成的液态金属粘附层；位于所述液态金属粘附层上的液态金属6与由石墨4形成的液态金属不粘层，其中，位于所述液态金属粘附层上的液态金属6构成印刷电路的导电线路；由高分子有机材料形成、并包覆所述液态金属及液态金属不粘层的封装层7，所述封装层7与所述液态金属粘附层配合实现所述液态金属的封装。

在一些实施例中，所述液态金属粘附层附着在基底上；在一些实施例中，本发明实施例中的基底可使用任意材质的基底，例如表面粗糙的纸材、布料、木材、石材等，除表面粗糙材质的基底之外，本发明亦可使用表面较光滑的塑料、玻璃等。

所述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。

在一些实施例中，所述液态金属选用常温下呈液态的低熔点金属，包括：熔点为29摄氏度的镓单质和/或熔点处于10–30摄氏度之间的镓基合金(其熔点与其配比相关)。通过选用常温下呈液态的低熔点金属，可降低印刷电路的制备要求与成本。

在一些实施例中，所述高分子有机材料选用以下之一：PDMS(聚二甲基硅氧烷)、Ecoflex(生物降解塑料)、聚氨酯、硅胶、丙烯酸类聚合物等长链高分子有机材料。优选地，高分子有机材料可选用Ecoflex(生物降解塑料)、聚氨酯、硅胶或丙烯酸类聚合物，相比较PDMS(聚二甲基硅氧烷)而言，其成型后的气密性较好，不易使空气渗入其中，与液态金属接触，从而避免由于氧化影响液态金属的电学性质。

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 (10)

1.一种印刷电路的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1、将高分子有机材料涂覆在基底表面上形成一层液态金属粘附层；

步骤2、再利用石墨在所述液态金属粘附层上形成特定图案的液态金属不粘层；其中，所述液态金属不粘层的尺寸面积小于所述液态金属粘附层的尺寸面积；

步骤3、在所述基底上均匀涂覆液态金属，使液态金属在所述液态金属粘附层上实现粘附，以及在所述液态金属不粘层上实现不粘附，得到液态金属电路；

步骤4、再利用高分子有机材料对所述液态金属电路进行封装处理。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基底选用以下之一的材质：纸材、布料、金属、塑料、玻璃、木材、石材。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高分子有机材料选用以下之一：PDMS、Ecoflex、聚氨酯、硅胶和丙烯酸类聚合物。

4.根据权利要求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、低熔点金属合金或主要成分为低熔点金属单质/低熔点金属合金的导电混合物。

5.根据权利要求4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：汞、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。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述液态金属选用常温下呈液态的低熔点金属，包括：镓单质和/或镓基合金。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括：步骤5、分离所述基底与所述液态金属粘附层，得到以所述高分子有机材料封装的柔性印刷电路。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高分子有机材料和/或石墨的涂覆通过喷涂或打印的方式成型。

9.一种印刷电路，其特征在于，包括：

由高分子有机材料形成的液态金属粘附层；

位于所述液态金属粘附层上的液态金属与由石墨形成的液态金属不粘层，其中，位于所述液态金属粘附层上的液态金属构成印刷电路的液态金属电路；

由高分子有机材料形成、并包覆所述液态金属及液态金属不粘层的封装层，所述封装层与所述液态金属粘附层配合实现所述液态金属电路的封装。

10.根据权利要求9所述的印刷电路，其特征在于，所述液态金属粘附层附着在基底上；所述基底包括以下之一：纸材、布料、金属、塑料、玻璃、木材、石材。