CN108934127A - 一种基于桌面打印的快速制备大面积电路的方法 - Google Patents

一种基于桌面打印的快速制备大面积电路的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开并提供了一种以表面处理技术为支撑、可快速实现多种基板电路的制备、具备修复功能的以及可使用多种电路导电材料的基于桌面打印的快速制备大面积印刷电路的方法。本发明基于桌面打印、表面处理以及快速自成形等技术，可以根据具体应用需求，灵活选择电路基板材料以及电路导电材料，快速设计和打印电路图案，以及一次性大面积成形导电电路，实现快速制备大面积电路的目的。本方法适用于多种基板材料，多种导电电路材料，多种涂覆方法。操作简单，适应性强，参数可控，成功率高，且重复性好，易于实现大批量生产，为电路印刷生产提供了新的思路和实施方案，具有良好的应用前景，有望实现工业化。本发明应用于电路印刷的技术领域。

Description

一种基于桌面打印的快速制备大面积电路的方法
技术领域
本发明涉及电路印刷领域,特别涉及一种基于桌面打印的快速制备大面积电路的方法。
背景技术
印刷电路在当前工业生产中得到大量的应用，包括但不限于便携电子设备、电子传感器、医疗诊断设备、照明显示设备等以及其它大量的用途。相对于其他制备方法(例如减法制造)，印刷方法具有多种优点：生产速度更快，产生更少废物，涉及更少的危险化学物质，可以用以生产柔性电子设备。
目前通常采用导电性的金属基油墨来制造印刷电子设备。所得到的金属电路导电性常常需要后续高温烧结方法增强电路的导电性，然而进一步限制了电子设备制备基板的选择范围。例如，在很多应用中，虽然希望使用更为廉价的材料作为电路基板(塑料薄膜，纸张等)，但是所述的烧结温度常常限制了这些材料的应用。
此外，金属基油墨使得所得到的电子器件重量增加，也会因为所需后处理共的原因使制造过程繁琐麻烦，增加制备周期。因此有必要发展一种更为简单的印刷电路方法，简化制备周期，增加基板材料选择范围，增强电路导电性。
目前，多项专利公开了增进印刷电路的方法。例如US 7163734公开了用于有机聚合物导电层的方法，所述方法适用于制备电子或者半导体器件中的电子电路单元；US7097788公开了一种提高金属基油墨中定向颗粒导电性的方法；WO 2006/108165公开了一种包含有金属颗粒、聚合物基以及以纳米管作为传导性填料的传导性油墨；WO 2007/053621公开了一种电流体力学印刷和制造的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种以表面处理技术为支撑、可快速实现多种基板电路的制备、具备修复功能的以及可使用多种电路导电材料的大面积印刷电路的方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于桌面打印的快速制备大面积电路的方法，包括以下步骤：
步骤1：选定所需基板，根据需要在基板上沉积一薄层的聚多巴胺涂层；
步骤2：在沉积有多巴胺涂层的基板上涂覆一层超疏水树脂，该树脂可以实现紫外光固化，固化后的涂层可以实现超疏水功能；
步骤3：设计绘制电路图形，通过桌面打印机打印在掩模版基底上，电路图形由不透光墨水打印而成；
步骤4：透过掩模版，紫外线照射涂覆有超疏水树脂的基板，实现超疏水树脂的选择性固化；
步骤5：对步骤4得到的基板进行涂覆相应金属盐溶液，经还原反应，得到最终所需电路。
步骤1中的基板，包含多种平面形状的基底材料，包括但不限于：玻璃，纸，PET膜，PI膜，单晶硅片，PDMS薄膜等。
步骤1中的聚多巴胺涂层，由多巴胺在Tris 8.5溶液中聚合而成，可以沉积在任意的基地材料上面，形成一层~10nm的聚多巴胺涂层。
步骤2中的超疏水树脂为光敏树脂，指可以以任意形式进行紫外光固化的超疏水树脂材料，包括但不限于以自由基固化或阳离子固化或两种固化方式混杂等为固化机理的光固化材料体系。是指在光辐射下，液态树脂材料中光引发剂受激变为自由基或者阳离子，从而引发树脂材料中不饱和双键物质间的化学反应从而实现固化的体型结构。
步骤2中的超疏水涂层，由紫外线进行固化形成。该涂层原树脂包括复合摩尔平均官能度大于1的单体和/或低聚物；任选的光引发剂；粒度为1nm到30μm的疏水性纳米粒子；以及一种或者多种溶剂。
步骤3中掩模版基底是指可通过桌面打印机打印图案的平面材料，是指可透紫外光线的材料，包括但不限于PEMS薄膜，PET膜，PI膜等。
步骤3中的电路图形由不透光材料打印而成，是指可以阻挡紫外线的吸光材料，包括但不限于常规黑色打印墨水、混合有纳米吸光颗粒的黑色打印墨水等。
步骤4中的紫外线照射是指紫外线透过打印有电路图案的掩模版照射涂覆有超疏水树脂的目标基板。
步骤4中的疏水树脂固化是指由于紫外线照射，树脂中的单体和/或低聚物发生聚合反应，得到超疏水涂层。
步骤4中的选择性固化是指通过掩模版实现非电路部分的基板上超疏水涂层的固化。电路部分的疏水树脂由于掩模版上电路图案的遮挡，不会固化，可以使用有机溶液清除。
步骤5中的涂覆是指将相应金属盐溶液涂敷在步骤4得到的基板上，涂敷方法包括但不限于丝轴涂覆（wire-bar coating）、旋涂（spin-coating）等方法。
步骤5中的金属盐溶液根据需要可以自由选择，包括但不限于铜盐溶液、镍盐溶液、金盐溶液、银盐溶液以及铟镓锌半导体材料的盐溶液。
本发明的有益效果是：由于本发明采用了一种快速实现大面积印刷电路的方法。本方法以表面处理技术为支撑，可快速实现在多种基板材料上印刷电路、可修复剥落电路涂层、以及可实现多种电路导电材料的电子电路大面积制备。
附图说明
图1是直接通过桌面打印所需电路图案在掩模版的示意图；
图2是选择性固化超疏水涂层的流程图；
图3是经过选择性光固化后沉积电路的制作过程图。
具体实施方式
实施例一
一种基于桌面打印的快速制备大面积电路的方法，包括以下步骤：
1、PET膜为掩模版，通过软件设计所需电路图形，用桌用打印机（HP envy 4520）打印黑色颜料（HP 63 black）打印在PET薄膜上，空干1分钟；
2、PET膜作为电路基板。将清洗干燥后的PET膜浸泡在在Tris pH8.5溶液中，常温放置1小时，用清水清洗干净，干燥，得到一层~10nm厚度的聚多巴胺涂层；
3、在上述处理后的的PET膜上，旋涂一层50μm的紫外光固化超疏水树脂（500 rpm，10s。然后2000rmp，30s）；
4、紫外光固化超疏水树脂组成成份为：三羟甲基丙烷三丙烷酸酯（TMPA）（单体，10.5wt%），1-羟基环己基-苯基酮（光引发剂，5.0wt%），（2，4，6-三甲基苯甲酰基）-苯基-亚磷酸乙酯（光引发剂， 3.0wt%），异丙醇（溶剂， 71.5wt%），Aerosil R202（纳米干粒子，10.0wt%）；
5、将掩模版放置在基板正上方1mm高度，用波长为405nm，光强为23mw/cm2的紫外光固化20s。然后用乙醇溶液清洗基板，干燥。
6、用丝轴涂敷方法涂覆金属铜盐溶液与上述处理后的基板上（10mm/s）。铜溶液由两种溶液A和B按照1：1体积比例混合得到。其中A溶液由30g/L的乙二胺四乙酸、15g/L的CuCl2和12g/L的硼酸的水溶液组成。B溶液为12g/L的二甲基氨基苯甲酸水溶液，作为辅助金属螯合剂。在使用前将A和B两种溶液混合，聚合物部件浸泡在该混合溶液中，在常温下反应，经过1小时的沉积，可以得到~5μm厚度的金属铜涂层。
7、清洗，干燥，得到最终印刷电路。
实施例二
一种基于桌面打印的快速制备大面积电路的方法，包括以下步骤：
1、PI膜为掩模版，通过软件设计所需电路图形，用桌用打印机（HP envy 4520）打印黑色颜料（HP 63 black）打印在PET薄膜上，空干1分钟；
2、PET膜作为电路基板。将清洗干燥后的PET膜浸泡在在Tris pH8.5溶液中，常温放置1小时，用清水清洗干净，干燥，得到一层~10nm厚度的聚多巴胺涂层；
3、在上述处理后的的PET膜上，旋涂一层50μm的紫外光固化超疏水树脂（500 rpm，10s。然后2000rmp，30s）；
4、紫外光固化超疏水树脂组成成份为：三羟甲基丙烷三丙烷酸酯（TMPA）（单体，5.0wt%），二季戊四醇五/六丙烯酸酯（单体，5.5wt%），苯甲酰基甲酸甲酯（光引发剂，5.0wt%），（2，4，6-三甲基苯甲酰基）-苯基-亚磷酸乙酯（光引发剂， 3.0wt%），异丙醇（溶剂，71.5wt%），Aerosil R202（纳米干粒子，10.0wt%）；
5、将掩模版放置在基板正上方1mm高度，用波长为405nm，光强为23mw/cm2的紫外光固化20s。然后用乙醇溶液清洗基板，干燥；
6、用旋涂方法涂覆金属银盐溶液与上述处理后的基板上（300rpm， 30s）。银盐溶液为50mM的AgNO3水溶液，室温条件下反应2小时，可以得到~1μm厚度的金属银涂层；
7、清洗，干燥，得到最终印刷电路。
实施例三
一种基于桌面打印的快速制备大面积电路的方法，包括以下步骤：
1、PET膜为掩模版，通过软件设计所需电路图形，用桌用打印机（HP envy 4520）打印黑色颜料（HP 63 black）打印在PET薄膜上，空干1分钟；
2、单晶硅作为电路基板。将清洗干燥后的PET膜浸泡在在Tris pH8.5溶液中，常温放置1小时，用清水清洗干净，干燥，得到一层~10nm厚度的聚多巴胺涂层；
3、在上述处理后的的PET膜上，旋涂一层50μm的紫外光固化超疏水树脂（500 rpm，10s。然后2000rmp，30s）；
4、紫外光固化超疏水树脂组成成份为：三羟甲基丙烷三丙烷酸酯（TMPA）（单体，5.0wt%），二季戊四醇五/六丙烯酸酯（单体，5.5wt%），苯甲酰基甲酸甲酯（光引发剂，5.0wt%），（2，4，6-三甲基苯甲酰基）-苯基-亚磷酸乙酯（光引发剂， 3.0wt%），异丙醇（溶剂，71.5wt%），Aerosil R202（纳米干粒子，10.0wt%）；
5、将掩模版放置在基板正上方1mm高度，用波长为405nm，光强为23mw/cm2的紫外光固化20s。然后用乙醇溶液清洗基板，干燥；
6、用旋涂方法涂覆半导体金属盐溶液与上述处理后的基板上（300rpm， 30s）。盐溶液为0.2M的硝酸铟、硝酸锌和硝酸镓的2-甲氧基乙醇溶液（In: Ga: Zn = 6: 1: 3。经过5分钟、100度的水蒸气烧结和60分钟、400度的空气烧结；
7、清洗，干燥，得到最终印刷的半导体电路。
实施例四
在本实施例中，将实例1中得到的部分铜电路涂层刮去；用丝轴涂敷方法涂覆多巴胺（2g/L）的Tris 8.5溶液，反应1小时；重复实施例一中的步骤6和7。进而实现电路的重修复。
本发明应用于电路印刷领域的制造的技术领域。
虽然本发明的实施例是以实际方案来描述的，但是并不构成对本发明含义的限制，对于本领域的技术人员，根据本说明书对其实施方案的修改及与其他方案的组合都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种基于桌面打印的快速制备大面积电路的方法，其特征在于：所述一种基于桌面打印的快速制备大面积电路的方法包括如下步骤：
步骤1：选定所需基板，根据需要在基板上沉积聚多巴胺涂层；
步骤2：在沉积有多巴胺涂层的基板上涂覆一层超疏水树脂，该超疏水树脂可以实现紫外光固化，固化后的涂层可以实现超疏水功能；
步骤3：设计绘制电路图形，通过桌面打印机打印在掩模版基底上，电路图形由不透光墨水打印而成；
步骤4：透过掩模版，紫外线照射涂覆有超疏水树脂的基板，实现超疏水树脂的选择性固化，得到图形化基底；
步骤5：对步骤4得到的基板进行涂覆相应金属盐溶液，经还原反应，得到最终所需电路。
2.根据权利要求1所述的一种基于桌面打印的快速制备大面积电路的方法，其特征在于：步骤1中的基板包含多种平面形状的基底材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于桌面打印的快速制备大面积电路的方法，其特征在于：步骤1中的聚多巴胺涂层是指多巴胺（dopamine hydrochloride）经过tris 8.5后形成的聚合物，该聚合物可以还原多种金属离子。
4.根据权利要求1所述的一种基于桌面打印的快速制备大面积电路的方法，其特征在于：所述超疏水树脂是指经过紫外光固化后聚合形成超疏水涂层的树脂。
5.根据权利要求4所述的一种基于桌面打印的快速制备大面积电路的方法，其特征在于：所述超疏水树脂指可以以任意形式进行紫外光固化的超疏水树脂材料，包括以自由基固化或阳离子固化或两种固化方式混杂等为固化机理的光固化材料体系；所述超疏水树脂是指在光辐射下，液态树脂材料中光引发剂受激变为自由基或者阳离子，从而引发树脂材料中不饱和双键物质间的化学反应从而实现固化的体型结构。
6.根据权利要求5所述的一种基于桌面打印的快速制备大面积电路的方法，其特征在于：所述超疏水树脂包括复合摩尔平均官能度大于1的单体和/或低聚物、光引发剂、粒度为1nm到30μm的疏水性纳米粒子以及一种或者多种溶剂。
7.根据权利要求6所述的一种基于桌面打印的快速制备大面积电路的方法，其特征在于：所述超疏水树脂中的溶剂为树脂组成物总重量的20%到80%，或者为25%到79%；或者30%到80%。
8.根据权利要求6所述的一种基于桌面打印的快速制备大面积电路的方法，其特征在于：所述超疏水树脂含有一种或者多种反应性单体和/或低聚物，所述单体和/或低聚物包括丙烯酸酯，或者甲基丙烯酸酯基团；所述单体或者低聚物的官能团为单官能团性或者多官能团性丙烯酸酯或其组合，所述多官能团性丙烯酸酯包括三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基化TMPTA；所述单体和/或低聚物所述超疏水树脂中的溶剂为树脂组成物总重量的10%到30%。
9.根据权利要求6所述的一种基于桌面打印的快速制备大面积电路的方法，其特征在于：所述超疏水树脂含有一种或者多种光引发剂，所述光引发剂为安息香醚、烷基安息香、苯甲基衍生物、苯乙酮衍生物的一种或多种。
10.根据权利要求6所述的一种基于桌面打印的快速制备大面积电路的方法，其特征在于：所述超疏水树脂包含一种或者多种类别的颗粒物质，所述颗粒物质的粒子的直径为1nm到25μm，所述颗粒物质为铝氧化物、氧化钛、氧化锆、经过有机硫醇处理的金或银、聚苯乙烯粒子、PTFE粒子以及二氧化硅粒子、纳米纤维、纳米管、纳米线的一种或多种。
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