CN109093120A - 一种金属印制品及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属印制品及其制备方法，其制备方法包括将熔融态的低熔点金属印制在处在不高于所述低熔点金属的熔点的温度环境中的基底上，形成附着于所述基底表层上的固态金属层；将附着有所述固态金属层的基底置于不低于所述低熔点金属的熔点的温度环境中，使所述固态金属层中的低熔点金属液化流平；再次固化所述低熔点金属，得到表面平整均匀的固态金属层。本发明解决了使用熔点高于常温的低熔点金属制备的金属印制品水平方向和竖直方向存在的质量问题，保证了金属图形的完整一体，以及更为平整。

Description

一种金属印制品及其制备方法
技术领域
本发明属于液态金属印制技术领域，尤其涉及一种金属印制品及其制备方法。
背景技术
随着印刷电子技术的不断进步，以液态金属(也称为低熔点金属)为代表的导电流体应运而生，使得直写、打印等电路直印技术成为了可能，不仅颠覆了以往传统的电子电路制造模式，在极大地降低电路制造成本和时间的同时，也使得个人电子制造成为可能。
液态金属直写式打印技术是类似书写笔的工作方式，通过移动机构的带动在基底上绘制一条一条的液态金属线，从而形成液态金属图案。当液态金属直写式打印机使用熔点高于常温且低于300℃的液态金属作为打印油墨时，可利用加热部件使处于打印机内的液态金属融化成熔融的液态，然后通过笔尖在基底表面上的移动，使熔融态的液态金属从笔尖上流出，在基底上绘制成液态金属线，由于打印机外部为常温(室温)环境，因此绘制在基底上的液态金属线会瞬间凝固成固态，稳定的存在于基底表面。
出于绘制精度和出墨量便于控制的需求，液态金属直写打印头的笔尖直径一般设计的非常小，绘制图案则是通过逐步填充描绘的方式完成一个个图形的绘制，过程中一条液态金属线挨着一条液态金属线，打印头的偏移步长设定为其单笔线宽，理想状态下液态金属线和液态金属线会相互紧密连接，但实际过程中由于液态金属处于熔融态时的表面张力的影响，液态金属线之间经常存在细微间隙，无法相连成片。
另一方面，液态金属直写打印头在印制时的抬起和下落，会拖动液态金属在竖直方向的变形，由于液态金属在基底上瞬间凝固，变形会一直保持下去，影响液态金属印制品的质量。
发明内容
有鉴于此，本发明的一个目的是提出金属印制品的制备方法，以解决现有技术中使用熔点高于常温且低于300℃的液态金属绘制液态金属图案时，液态金属印制品的质量较差的问题。
在一些说明性实施例中，所述金属印制品的制备方法，包括：将熔融态的低熔点金属印制在处在不高于所述低熔点金属的熔点的温度环境中的基底上，形成附着于所述基底表层上的固态金属层；将附着于所述基底表层上的固态金属层中的部分或全部置于不低于所述低熔点金属的熔点的温度环境中，使所述固态金属层中的低熔点金属液化流平；再次固化所述低熔点金属，得到表面平整均匀的固态金属层。
在一些可选地实施例中，在所述将附着于所述基底表层上的固态金属层中的部分或全部置于不低于所述低熔点金属的熔点的温度环境中，使所述固态金属层中的低熔点金属液化流平之前，还包括：质检形成的所述固态金属层，提取所述固态金属层中的缺陷位置；所述在所述将附着于所述基底表层上的固态金属层中的部分或全部置于不低于所述低熔点金属的熔点的温度环境中，使所述固态金属层中的低熔点金属液化流平，具体包括：对提取到的所述缺陷位置进行热化处理，使该位置处的低熔点金属液化流平。
在一些可选地实施例中，附着于所述基底表层上的固态金属层的厚度不超过80um。
在一些可选地实施例中，附着于所述基底表层上的固态金属层的厚度不超过40um。
在一些可选地实施例中，附着于所述基底表层上的固态金属层的厚度不低于30um。
在一些可选地实施例中，在所述将附着有所述固态金属层的基底置于不低于所述低熔点金属的熔点的温度环境中之前，还包括：利用弱酸对附着于所述基底表层上的固态金属层进行清洗，去除位于固态金属层表面的氧化膜。
在一些可选地实施例中，所述低熔点金属的熔点不高于300℃。
在一些可选地实施例中，所述低熔点金属的熔点不高于100℃。
在一些可选地实施例中，所述低熔点金属的熔点不低于50℃。
在一些可选地实施例中，所述使所述固态金属层中的低熔点金属液化流平的温度至少比所述低熔点金属的熔点高5℃。
本发明的另一个目的在于提出一种金属印制品，该金属印制品由上述任一项制备方法制成，包括：基底、以及附着在所述基底表层上、表面平整均匀的固态金属层；其中，所述固态金属层构成导电性金属图案和/或装饰性金属图案。
本发明的再一个目的在于提出一种液态金属打印机，该液态金属打印机执行上述任一项所述的制备方法。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
本发明解决了使用熔点高于常温的低熔点金属制备的金属印制品水平方向和竖直方向存在的质量问题，保证了金属图形的完整一体，以及更为平整。
附图说明
图1是本发明实施例中的金属印制品的制备流程图；
图2是未实施本发明的制备方法的金属印制品的高倍显像图；
图3是实施本发明的制备方法的金属印制品的高倍显像图。
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。
现在参照图1，图1示出了本发明实施例中的金属印制品的制备流程图，如该流程图所示，本发明公开了一种金属印制品的制备方法，包括：
步骤S11、将熔融态的低熔点金属印制在处在不高于所述低熔点金属的熔点的温度环境中的基底上，形成附着于所述基底表层上的固态金属层；
步骤S12、将附着于所述基底表层上的固态金属层中的部分或全部置于不低于所述低熔点金属的熔点的温度环境中，使所述固态金属层中的低熔点金属液化流平；
步骤S13、再次固化所述低熔点金属，得到表面平整均匀的固态金属层。
本发明解决了使用熔点高于常温的低熔点金属制备的金属印制品水平方向和竖直方向存在的质量问题，保证了金属图形的完整一体，以及更为平整。
如图2和图3所示，图2是未实施本发明的制备方法的金属印制品的高倍显像图，图3是实施本发明的制备方法的金属印制品的高倍显像图，可明显发现图2中的金属层存在波峰、波谷等褶皱缺陷，图3则明显平整均匀。
上述实施例中，可以通过将步骤S11中形成的整个金属印制品进行整体加热，也可以针对金属印制品中的局部位置进行局部加热。如可通过扫描步骤S11中形成的固态金属层，判断所述固态金属层中是否存在金属线与金属线之间的空隙和/或固态金属层的表面波峰波谷(褶皱现象)达到一定程度(如过于厚、过于薄或薄厚差异较大)，将其判定为金属图案的缺陷，记录并提取缺陷位置，通过控制热源的移动，对缺陷位置进行热化处理，实现对固态金属层的局部的完善。
其中，步骤S13中可通过停止对固态金属层进行加温或通过对固态金属进行冷却降温实现。
低熔点金属在熔融状态下，其表面张力较大，容易产生缩线、缩球的现象，另一方面，低熔点金属的厚度超过一定范围时，固态金属层的硬度会提升，降低柔性金属印制品的柔性，多次弯折易发生于金属与基底脱离的现象，这都与单位面积上的液态金属含量相关，经过反复试验验证发现，通过控制打印头在基底表面绘制的金属层的层厚不超过80um的情况下，可降低步骤S12中通过升温使低熔点金属处于熔融态下导致的缩线、缩球问题，以及不耐弯折的问题。
在一些优选地实施例中，控制金属层的层厚不超过40um的情况下，可明显避免步骤S12中通过升温使低熔点金属处于熔融态下导致的缩线、缩球问题。
液态金属打印机使用低熔点金属(液态金属)作为打印油墨使用，由于低熔点金属具有良好的导电性，可用于制备印制电路使用。众所周知，电阻的计算公式为R＝ρL/S，其中R是电阻值，ρ为材料的电阻率，L为材料的长度，S为材料的横截面积。
通过本发明上述实施例，可使低熔点金属线连成一体，使低熔点金属的横截面积S增大，从而使电阻值R降低。
在一些优选地实施例中，作为导电材料使用的低熔点金属的层厚过少(过于薄)的情况下，低熔点金属非常容易受到氧化、高温、及其它杂质的影响，导致线路导电性能失效，因此，本发明实施例中的打印头还控制金属层的层厚不过于薄。优选地，控制金属层的层厚不低于30um，即使金属层的表面发生一定的氧化反应，其内部还具有一定量的低熔点金属可满足正常的导电连接。
在一些优选地实施例中，金属层的层厚被控制在30um–40um之间，即不影响金属层的正常导电，还可避免金属层受热导致的缩线问题。
在另一些实施例中，由于低熔点金属表面在空气中容易产生一定程度的氧化，在表面形成很薄的一层熔点高于低熔点金属的氧化膜，虽然氧化膜很薄，但也容易对步骤S12中的低熔点金属的均匀流平起到限制作用。因此，本发明实施例中，还可以在步骤S12的在所述将附着有所述固态金属层的基底置于不低于所述低熔点金属的熔点的温度环境中之前，利用弱酸对附着于所述基底表层上的固态金属层进行清洗，去除位于固态金属层表面的氧化膜。优选地，弱酸可采用浓度为1％的稀盐酸。
本发明实施例中的低熔点金属可采用熔点不高于300℃的低熔点金属单质或合金，其中，低熔点金属的熔点温度可选择12±2℃、17±2℃、29±2℃、65±2℃、80±℃、98±2℃、120±2℃、180±2℃、220±2℃、232±2℃、260±2℃、288±2℃、298±2℃。例如汞、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、铋铅锡合金中的一种或几种。其中，上述合金的熔点可根据其合金相图中的比例进行相应熔点的配比选择。例如镓铟合金，根据其合金相图，随着镓的含量从100％-0％不断减少、铟的含量从0％-100％不断升高的过程中，合金熔点从29℃开始逐渐下降，直至达到镓铟合金的低共熔点，此时镓铟合金的熔点最低(15℃左右)，镓铟合金的比例79.6的镓，21.4的铟，此后，镓铟合金的熔点逐步向铟的熔点靠近，最终可达到158℃左右。
进一步的，为了降低液态金属打印机的设备要求和降低能耗，低熔点金属可选用熔点不高于100℃的低熔点金属单质或合金。其中，低熔点金属的熔点温度可选择12±2℃、17±2℃、25±2℃、29±2℃、45±2℃、50±2℃、65±2℃、72±2℃、80±℃、98±2℃。符合该熔点的金属单质或合金可根据其相图进行选择。
进一步的，低熔点金属的熔点不低于50℃或不低于常温(室温)下，可减免后续的对低熔点金属的封胶程序，该熔点下的低熔点金属在常温下即可稳定存在。
在一些说明性实施例中，步骤S12中所述使所述固态金属层中的低熔点金属液化流平的温度至少比所述低熔点金属的熔点高5℃。在一些实施例中，所述固态金属层中的低熔点金属液化流平的温度也不应过高，过高的温度会使低熔点金属的活跃性提升，液相属相增强，导致缩线、缩球的问题。温度上限与采用的低熔点金属的成分相关。
本发明实施例公开了一种具体的低熔点金属，低熔点金属可采用58℃熔点的铋铟锡合金，其温度上限为120℃，满足此要求下，使用58℃熔点的铋铟锡合金绘制的金属印制品的成品率在98％以上。
本发明实施例中还公开了另一种具体的低熔点金属，低熔点金属可采用75℃熔点的铋铟锡合金，其温度上限为100℃，满足此要求下，使用75℃熔点的铋铟锡合金绘制的金属印制品的成品率在98％以上。
本发明的另一个目的在于提出一种金属印制品，该金属印制品由上述任一项制备方法制成，包括：基底、以及附着在所述基底表层上、表面平整均匀的固态金属层；其中，所述固态金属层构成导电性金属图案和/或装饰性金属图案。
本发明的再一个目的在于提出一种液态金属打印机，该液态金属打印机执行上述任一项所述的制备方法。
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)

1.一种金属印制品的制备方法，其特征在于，包括：
将熔融态的低熔点金属印制在处在不高于所述低熔点金属的熔点的温度环境中的基底上，形成附着于所述基底表层上的固态金属层；
将附着于所述基底表层上的固态金属层中的部分或全部置于不低于所述低熔点金属的熔点的温度环境中，使所述固态金属层中的低熔点金属液化流平；
再次固化所述低熔点金属，得到表面平整均匀的固态金属层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述附着于所述基底表层上的固态金属层的厚度不超过80um。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述附着于所述基底表层上的固态金属层的厚度不超过40um。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述附着于所述基底表层上的固态金属层的厚度不低于30um。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述将附着有所述固态金属层的基底置于不低于所述低熔点金属的熔点的温度环境中之前，还包括：
利用弱酸对附着于所述基底表层上的固态金属层进行清洗，去除位于固态金属层表面的氧化膜。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述低熔点金属的熔点不高于300℃。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述低熔点金属的熔点不高于100℃，所述低熔点金属的熔点不低于50℃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述使所述固态金属层中的低熔点金属液化流平的温度至少比所述低熔点金属的熔点高5℃。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的制备方法制成的金属印制品，其特征在于，包括：基底、以及附着在所述基底表层上、表面平整均匀的固态金属层；
其中，所述固态金属层构成导电性金属图案和/或装饰性金属图案。
10.一种液态金属打印机，其特征在于，执行如权利要求1-8任一项所述的制备方法。
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