CN109643696B - 柔性互连 - Google Patents

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Abstract

一个示例提供了一种柔性电互连，包括：基板、由基板支撑的液态导电通路、以及导电各向异性的、嵌入磁性颗粒的包封，该包封与该液态导电通路相接以连接到另一电路元件。

Description

柔性互连
背景技术
柔性电互连可被用于连接位于设备的可相对于彼此移动的各部分中的电子组件。在这样的设备中，柔性互连可能在设备的整个寿命期间经受大量的弯曲循环，并因此可能易于损坏。
概述
公开了涉及柔性电互连的各示例。一个示例提供了一种互连，该互连包括基板、由基板支撑的液态导电通路、以及导电各向异性的、嵌入磁性颗粒的包封，该包封与该液态导电通路相接以连接到另一电路元件。
提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的概念的选集。本概述并不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，亦非旨在用于限制所要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任一部分中提及的任何或所有缺点的实现。
附图简述
图1A示出了示例计算系统的正面视图。
图1B示出图1A的示例计算系统的侧视图。
图1C示出图1A的示例计算系统处于闭合状态的侧视图。
图2示出了在两个电组件之间延伸的示例柔性互连的示意图。
图3示出了示例柔性互连的横截面示意图。
图4示出了在不同状态下用于柔性互连的示例结构的横截面图。
图5示出了用于对齐包封中的磁性颗粒的示例包封硬化工艺。
图6示出了描绘用于制造柔性电路元件的示例方法的流程图。
详细描述
电互连可被结合到各种设备中以提供设备各组件之间的电通路。一些电子设备可以包括接头、铰链和/或其他可移动结构，其连接各自具有电子组件的两个部件。在这样的结构中，柔性互连可被用于桥接各组件以允许各组件在各组件相对于彼此移动时保持电互连。
柔性互连通常由在柔性基板(诸如聚酰亚胺膜)上图案化的固态金属迹线(诸如铜)形成。然而，固态金属迹线可能在反复弯曲后随时间疲劳，这可能导致迹线断裂，从而破坏各组件之间的电连接。即使是能够承受大量弯曲循环的固态金属迹线也可能由于夹点、应变、扭曲和/或其他变形模式而失效。
为了解决这些问题，嵌入柔性包封材料中的液态金属导体可被用于在各组件之间形成电通路。相比于仅使用固态金属迹线的互连，在柔性电路元件中使用液态金属导体可有助于抵抗源自电路元件的反复弯曲和/或其他变形模式的电路断裂，即使是反复弯曲至高角度(例如，在任一方向上大约180度)或者用高和/或集中水平的力来变形，因为液态金属的流动能力对这种互连赋予了自愈特性。液态金属导体可以单独使用，或者可以与其上沉积有液态金属导体的固态金属迹线结合使用。
然而，通过液态金属导体和其他电路元件之间的包封形成电连接可能会带来挑战。例如，如果引脚(例如集成电路引脚)或导线延伸穿过封闭液态金属的包封，则引脚或导线可能成为弱点，潜在地允许液态金属导体逸出。
因此，公开了涉及在经封装的液态金属导体和该包封的外部之间形成导电路径以将液态金属连接到其他电组件的示例。在一个示例中，具有液态导体的柔性互连利用包含磁性对齐的导电颗粒的包封，该导电颗粒形成来自液态金属导体的导电通路以连接至外部电路元件。如下文更详细描述的，当包封以溶解、液态或其他粘性形式沉积时，包封中的磁性颗粒可能最初是未对齐的。在沉积包封之后，磁场被施加以将磁性颗粒对齐到导电路径中。然后可以使包封硬化以便保持磁性颗粒的对齐并保留导电通路。所得到的结构具有各向异性导电性，使得电可以沿着经对齐的颗粒路径流动，而非在相邻的经对齐的颗粒路径之间流动。
包封的各向异性导电性提供了各种优点。例如，可以在多条液态金属导体的平行线上沉积相同的封装层，而不会使这些线彼此短路。此外，可以通过将正确的引脚、焊盘或其他连接器与相应的液态金属互连迹线对齐并然后与包封接触来连接外部组件。在该实例中，磁性对齐的导电通路的各向异性性质防止引脚到引脚的短路，同时允许电流在相应的互连迹线和引脚之间流动。这些引脚可被推入包封达部分深度，而不会产生液态金属泄漏的风险。此外，磁性颗粒的对齐还可以防止由于互连的弯曲而形成无意的导电通路。
图1A-1C示出了具有显示器102的平板计算机形式的示例计算系统100。计算系统经由连接器106连接到可拆卸键盘单元104。键盘单元104包括柔性互连，其经由连接器106将键110和键盘单元104的其他电组件电连接到计算系统100。
键盘单元104和位于其中的柔性互连件在第一弯曲区域108a中围绕显示器的底角弯曲到显示器102的前部。如所示，该区域中的弯曲相对尖锐，紧密地顺应计算系统100的拐角。键盘单元104在显示器的前表面继续向上，并且在第二弯曲区域108b中急剧向下弯曲并远离显示器的前表面弯曲。这个区域中的弯曲也很尖锐。图1C示出了当计算设备100和键盘单元104处于“闭合”位置时(与图1A-1B中所示的“打开”位置相反)处于伸直配置的弯曲区域108b。弯曲区域108a也可以以类似的方式拉直，例如，当键盘单元104从计算设备移除时。在其他示例中，利用柔性互连的电子设备可以采用任何其他合适的形式。
由于键盘单元在潜在的多年的使用中可能在“打开”和“闭合”位置之间以及其他可能的位置之间每天多次地移动，因此弯曲区域108a-b可在设备寿命期间弯曲非常多个循环。因此，具有液态金属的柔性互连可用于在迹线中的固态导体因疲劳而断裂的情况下帮助防止导电性的损失。
图2示出了处于柔性互连200形式的示例柔性电路元件，其可用于在设备的一部分中提供信号路径，该设备被配置为提供可移动或柔性接头，诸如上文针对计算设备100描述的弯曲区域。互连200包括设置在柔性基板208上并且在连接器形式的第一电组件202和具有各种电子元件的电路板形式的第二电组件204之间延伸的多个导电通路206。在其他示例中，组件202和204可采用诸如集成电路之类的任何合适的形式。示出了纵轴210以供参考。
导电通路206包括设置在柔性基板208上的液态金属导体。液态金属可以流动以填充保持液态金属的沟道的形状，并且因此在反复弯曲时不会受制于固态金属迹线的疲劳和断裂问题。在各种示例中，液态金属可代替固态导体来使用，或者可以作为固态导体的补充来使用，以在固态金属迹线断裂时为固态金属迹线提供自愈合能力。如本文所用，液态金属可被定义为具有足够低的熔点(Tm)的在室温下呈液态的纯金属或金属合金。非限制性示例包括共晶镓/铟(eGaIn)、其他镓/铟合金、共晶镓/铟/锡(Galinstan)和其他镓合金。固态导体可被定义为具有足够高于室温的Tm(例如，高于液态金属/导体的Tm)的电导体，使得固态金属/导体在室温和普通设备工作温度下是固态的。
第一电组件202和/或第二电组件204可包括用于耦合到互连200的导电通路的一个或多个引脚或其他接口(例如，引脚212)。为了在各电组件和互连的导电通路206之间提供电路径，可在液态金属导电通路206的至少一部分上形成包括磁性对齐导电颗粒的包封214。在所例示的示例中，包封214被定位在导电通路的末端区域处，使得导电通路的中间区域并非被具有磁性对齐颗粒的包封214所封装，而是被没有这样的颗粒的包封216所封装。在其他示例中，包括磁性对齐的导电颗粒的包封214可在导电通路的整个长度上形成。
图3示出了图2的示例柔性互连200的一部分的截面图。基板208可以由任何合适的电绝缘柔性材料形成。在一些示例中，基板208由基本上不可拉伸的材料形成，而在其他示例中，可以使用可拉伸材料，这取决于将使用互连200的设备和接头。合适材料的示例包括，但不限于，织造和非织造织物、硅树脂聚合物、柔性塑料和其他聚合物(例如聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯[PET]、聚氨酯和丙烯酸类)。此外，在一些示例中，可以使用复合衬底，诸如嵌入或涂覆有聚合物的织物。
在此示例中，液态金属导体206与基板208接触，但是诸如固态金属导电迹线层之类的其他层可能位于这些层之间。可以使用任何合适的液态金属，其在预期的设备操作温度范围内保持液相。示例包括但不限于各种镓合金，诸如铟/镓和铟/镓/锡合金。液态金属206可以以任何期望的方式结合到互连200中。例如，镓合金可以经由针孔等直接沉积在基板上。当暴露在空气中时，这种合金的外表面形成薄的氧化层，防止液态金属扩散，并且因此保持最初沉积液态金属的形状。在其他示例中，可以首先将封装层216施加在基板208上，然后在基板208和封装层216之间形成沟道，并且接着将液态金属(例如通过注入或压力差)引入该沟道中。其他示例沉积方法包括来自浴槽的电化学沉积液态金属，或将液态金属铺展到固态金属迹线上，其中液态金属和基板之间的选择性润湿可以约束液态金属的形状。
封装层216有助于将液态金属层保持在期望的位置，并使导电通路电绝缘。在一些示例中，封装层216可以至少部分地由硅树脂聚合物、聚酰亚胺或另一种柔性非导电聚合物形成。封装层可以在各导电通路206之间的各区域中接触基板208。封装层可以以任何合适的方式沉积，这取决于所用的聚合物。例如，热塑性聚合物包封可以通过加热、铺展在待覆盖的通路上(无论是在加入液态金属之前还是之后)、并然后冷却来沉积。作为另一个示例，可将可交联单体或聚合物浇铸到基板和/或待覆盖的导电通路上，并然后固化。在又一个示例中，预先形成的包封膜可在导电通路上被层压到基板。在包含液态金属之前添加封装层的情况下，可以在封装层的形成之后在基板和封装层的接口处形成沟道，然后可以将液态金属添加到沟道中。
在导电方面各向异性的、嵌入磁性颗粒的包封可包括嵌有磁性颗粒304的聚合物302。聚合物302由与包封216相同的聚合物材料形成，或者可以使用一种或多种不同的材料。如上文所讨论的，聚合物302可包括弹性体，诸如硅树脂、聚氨酯或氨基甲酸酯族的其他成员，热塑性塑料(例如，含糖聚合物、聚苯乙烯、乙烯丁二烯)，和/或具有弹性品质的其他材料或复合材料。磁性颗粒304可包括诸如镍或铁之类的铁磁颗粒，和/或顺磁颗粒。在一些示例中，磁性颗粒304可包括涂覆有导电材料(例如，包括铜、金、银和/或其他导电材料或化合物)的磁芯(例如，铁、镍和/或其他磁性材料或化合物)。在一些示例中，颗粒大小的范围可以从50到100微米。在其他示例中，可以使用任何其他合适的大小和/或大小分散的颗粒。此外，在一些示例中，可将碳基填料添加到嵌入磁性颗粒的弹性体中以进一步改善连接稳健性。向嵌入磁性颗粒的弹性体添加碳基导电填料可以降低系统中连接区域处的接触电阻，其中低接触电阻是有益的。作为非限制性示例，碳基填料可包括炭黑、石墨、碳纳米管(单壁和/或多壁)和石墨烯。
图4例示了磁性颗粒对齐过程。最初，如状态(A)所示，磁性颗粒404未对齐并且彼此不接触。相反，磁性颗粒是随机分布的并且不形成导电通路，因为颗粒密度太低以致于不能导电。图4的状态(b)是通过将磁场406施加至包封402来实现的。可经由永磁体408或电磁体来施加磁场406。如图所示，磁场406的施加使磁性颗粒404彼此对齐和接触，以在z方向上形成导电通路。当颗粒经由磁场保持对齐时，包封可经由溶剂移除而固化、干燥，或以其他方式硬化以将磁性颗粒固定在对齐状态。
在一些示例中，可以控制对齐的颗粒路径与彼此的间距。图5示出了用于对齐磁性颗粒以控制对齐颗粒的间距的示例包封硬化工艺。在此示例中，图案化的磁屏蔽502被放置在永磁体504和基板506之间以提供其中没有颗粒对齐的多个死区。在此布置中，聚合物主体材料内的颗粒将跨越聚合物主体材料的厚度来垂直于基板对齐。在其他实现中，磁屏蔽可被省略，并且沿磁力线的颗粒“排斥”可能具有沿穿过主体材料的多条非相交路径对齐颗粒的效果。
图6示出了例示用于制造柔性电路元件的示例方法600的流程图。方法600可用于制造图2和3的互连200和300，或任何其他柔性电路元件。在602处，方法600包括沉积液态金属导体以形成由柔性基板支撑的导电路径。术语“由基板支撑”可用于指液态金属导体与基板直接接触、或通过一个或多个中间层与基板分离。
液态金属导体可以以任何合适的方式沉积。例如，液态金属导体可以经由注射器沉积，以在柔性基板上形成液态金属的珠/线。在其他示例中，液态金属导体可在封装层形成之后沉积，例如通过在封装层中形成微流体沟道，然后经由真空或施加的压力将液态金属引入沟道中。作为另一个示例，当液态金属被沉积在固态金属迹线上时，可以使用夹辊或刮刀棒将液态金属拉过基板的表面。液态金属可润湿固态迹线并因此沉积在固态迹线上，同时不润湿基板表面。在这样的示例中，可以在液态金属沉积之前用酸、碱或还原剂处理固态迹线以移除表面氧化物。形成液态金属层的其他示例包括电镀、模板光刻、利用阴影掩模进行蒸发以进行图案化、在挥发性载体溶剂中喷墨印刷液态金属，以及丝网印刷液态金属(可能具有取决于所用液态金属的添加剂)。
方法600进一步包括，在604处，形成封装层以封装液态金属并将液态金属保持在期望的位置。如上文所描述的，各封装层中的至少一部分包括嵌入磁性颗粒的包封。封装层可以以任何合适的方式形成，包括但不限于经由浇铸、模制和层压工艺。在一些示例中，可以形成多层液态金属导体和包封以制造多层导电迹线，其中每层包封可以用作下一固态/液态金属迹线层的基板。
包封当处于液态、溶解或其他粘性状态且经嵌入的磁性颗粒未对齐时，可施加该包封。如608处所指示的，在一些示例中，嵌入磁性颗粒的包封可位于液态金属导体的末端区域中，如图2和3中214处所例示的。在这样的示例中，可以使用没有磁性颗粒的包封来覆盖液态金属导体的中心部分，如图2和3中216处所例示的)。不同的包封区域可以以任何合适的顺序形成，并且可以由相似或不同的包封材料形成。在其他示例中，嵌入磁性颗粒的包封可基本上覆盖液态金属导体的整个长度，如610处所指示的。同样地，在其他示例中，包封可在施加到基板之前(通过沉积、磁性颗粒对齐和硬化)来形成，并然后被层压到基板上。
在612处，方法600包括施加磁场以对齐包封中的磁性颗粒。磁性颗粒的对齐可能导致包封具有各向异性导电性。包封每单位面积或体积的导电性可取决于在对齐期间施加的磁场。例如，施加更强的磁场可以增加包封的颗粒的填充密度，从而增加包封的导体的密度，其中包封具有足够的颗粒负载。此外，如上文参考图5描述的，在一些示例中，可使用图案化机制在所需位置处形成具有磁性颗粒的导电路径。
在616处，方法600包括在施加磁场的同时硬化包封以将磁性颗粒保持在对齐状态。例如，包封可以通过任何合适的机制固化和/或以其他方式固态化。在一些示例中可采用热和/或光化学固化。在其他示例中，可冷却熔融热塑性主体材料以实现固化、或挥发性溶剂可被蒸发。所得到的包封的各向异性导电性形成从液态金属导体延伸的导电路径。方法600进一步包括，在618处，将外部电路元件接触到具有对齐磁性颗粒的包封，以将外部电路元件连接到液态金属导体。
与仅使用固态金属迹线的配置相比，本文公开的示例可以提供针对信号路径断裂的增强保护。此外，在液态金属导电通路的至少接口区域中使用导电各向异性的、嵌入磁性颗粒的包封使得导电通路能够可靠地耦合到刚性或半刚性外部组件并且在液态金属导体弯曲期间防止电路短路和断开。
另一示例提供了一种互连，该互连包括基板、由基板支撑的液态导电通路、以及导电各向异性的、嵌入磁性颗粒的包封，该包封与该液态导电通路相接以连接到另一电路元件。在这样的示例中，嵌入磁性颗粒的包封可附加地或替换地位于液态导电通路的一个或多个末端区域处，并且互连可附加地或替换地进一步包括位于液态导电通路的中心区域内的未嵌入磁性颗粒的包封。在这样的示例中，包封可附加地或替换地在液态导电通路的整个长度上形成。在这样的示例中，包封可附加地或替换地包括嵌入弹性体聚合物中的磁性颗粒。在这样的示例中，弹性体聚合物可附加地或替换地包括硅树脂、聚氨酯和热塑性材料中的一者或多者。在这样的示例中，磁性颗粒可附加地或替换地包括铁磁颗粒。在这样的示例中，磁性颗粒可附加地或替换地包括顺磁颗粒。在这样的示例中，磁性颗粒可附加地或替换地包括镍。在这样的示例中，磁性颗粒可附加地或替换地包括涂覆有导体的磁芯。在这样的示例中，导电芯可附加地或替换地包括金、银和铜中的一者或多者。以上所描述的示例中的任何一个或全部可按任何合适的方式被组合在各种实现中。
另一示例提供了一种用于制造互连的方法，该方法包括：沉积液态金属导体以沿柔性基板形成导电路径，在液态金属导体的至少一部分上施加封装层，该封装层包括嵌入磁性颗粒的包封，向封装层施加磁场以使磁性颗粒对齐并使嵌入磁性颗粒的包封具有各向异性导电性，以及硬化嵌入磁性颗粒的包封以使磁性颗粒保持在对齐状态。在这样的示例中，嵌入磁性颗粒的包封可附加地或替换地包括嵌有磁性颗粒的弹性体聚合物。在这样的示例中，当弹性体聚合物处于粘性状态并且磁性颗粒未对齐时，嵌入磁性颗粒的包封可附加地或替换地被施加在液态金属导体的至少一部分上。在这样的示例中，施加封装层可附加地或替换地包括将嵌入磁性颗粒的包封施加在液态金属导体的末端区域上，并且将不包括磁性颗粒的包封施加在液态金属导体的中心区域上。在这样的示例中，液态金属导体可附加地或替换地是沉积在柔性基板上形成多个导电路径的多个液态金属导体中的一者。在这样的示例中，将封装层施加在液态金属导体的至少一部分上可附加地或替换地包括将封装层施加在多个液态金属导体上使得封装层接触在相邻液态金属导体之间的柔性基板。以上所描述的示例中的任何一个或全部可按任何合适的方式被组合在各种实现中。
另一示例提供了一种设备，该设备包括：第一电路元件、第二电路元件、以及该第一电路元件和该第二电路元件之间的互连，该互连包括液态导电通路和导电各向异性的、嵌入磁性颗粒的包封，该包封与液态导电通路和第一电路元件及第二电路元件中的一者或多者之间的液态导电通路相接。在这样的示例中，第一电路元件和第二元件中的一者或多者可附加地或替换地包括印刷电路板或集成电路元件。在这样的示例中，包封可附加地或替换地包括嵌入弹性体聚合物中的磁性颗粒，弹性体聚合物可附加地或替换地包括硅树脂、聚氨酯和热塑性材料中的一者或多者，并且磁性颗粒可附加地或替换地包括铁磁颗粒和铁磁涂覆颗粒中的一者或多者。在这样的示例中，包封可附加地或替换地进一步包括碳基填料。以上所描述的示例中的任何一个或全部可按任何合适的方式被组合在各种实现中。
应该理解，本文所述的配置和/或方法是示例的目的来呈现的，且这些特定实施例或示例不应被认为是局限性的，因为众多变体是可能的。本文中所描述的具体例程或方法可表示任何数量的处理策略中的一个或多个。由此，所例示和/或所描述的各种动作可以以所例示和/或所描述的顺序执行、以其他顺序执行、并行地执行，或者被省略。同样，以上所描述的过程的次序可被改变。
本公开的主题包括各种过程、系统和配置以及此处公开的其他特征、功能、动作和/或属性、以及它们的任一和全部等价物的所有新颖且非显而易见的组合和子组合。

Claims (18)

1.一种互连，包括：
基板；
由所述基板支撑的液态导电通路；以及
导电各向异性的、嵌入磁性对齐导电颗粒的包封，所述包封与所述液态导电通路相接以连接到另一电路元件；
其中所述嵌入磁性对齐导电颗粒的包封位于所述液态导电通路的一个或多个末端区域处，并且其中所述互连进一步包括位于所述液态导电通路的中心区域内的未嵌入磁性对齐导电颗粒的包封。
2.如权利要求1所述的互连，其特征在于，所述包封在所述液态导电通路的整个长度上形成。
3.如权利要求1所述的互连，其特征在于，所述包封包括嵌入弹性体聚合物中的磁性颗粒。
4.如权利要求3所述的互连，其特征在于，所述弹性体聚合物包括硅树脂、聚氨酯和热塑性材料中的一者或多者。
5.如权利要求3所述的互连，其特征在于，所述磁性颗粒包括铁磁颗粒。
6.如权利要求3所述的互连，其特征在于，所述磁性颗粒包括顺磁颗粒。
7.如权利要求3所述的互连，其特征在于，所述磁性颗粒包括镍。
8.如权利要求3所述的互连，其特征在于，所述磁性颗粒包括涂覆有导体的磁芯。
9.如权利要求8所述的互连，其特征在于，导电芯包括金、银和铜中的一者或多者。
10.一种制造互连的方法，所述方法包括：
沉积液态金属导体以沿柔性基板形成导电路径；
在所述液态金属导体的至少一部分上施加封装层，所述封装层包括嵌入磁性颗粒的包封，其中施加所述封装层包括将所述嵌入磁性颗粒的包封施加在所述液态金属导体的末端区域上，并且将不包括磁性颗粒的包封施加在所述液态金属导体的中心区域上；
向所述封装层施加磁场以使所述磁性颗粒对齐并使所述嵌入磁性颗粒的包封具有各向异性导电性；以及
硬化所述嵌入磁性颗粒的包封以使所述磁性颗粒保持在对齐状态。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述嵌入磁性颗粒的包封包括嵌有所述磁性颗粒的弹性体聚合物。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，当所述弹性体聚合物处于粘性状态并且所述磁性颗粒未对齐时，所述嵌入磁性颗粒的包封被施加在所述液态金属导体的至少一部分上。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述液态金属导体是沉积在所述柔性基板上形成多个导电路径的多个液态金属导体中的一者。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，将所述封装层施加在所述液态金属导体的至少一部分上包括将所述封装层施加在所述多个液态金属导体上使得所述封装层接触在相邻液态金属导体之间的所述柔性基板。
15.一种电子设备，包括：
第一电路元件；
第二电路元件；以及
所述第一电路元件和所述第二电路元件之间的互连，所述互连包括，
液态导电通路，以及
导电各向异性的、嵌入磁性对齐导电颗粒的包封，所述包封与所述液态导电通路和所述第一电路元件及所述第二电路元件中的一者或多者之间的所述液态导电通路相接；
其中所述嵌入磁性对齐导电颗粒的包封位于所述液态导电通路的一个或多个末端区域处，并且其中所述互连进一步包括位于所述液态导电通路的中心区域内的未嵌入磁性对齐导电颗粒的包封。
16.如权利要求15所述的电子设备，其特征在于，所述第一电路元件和所述第二电路元件中的一者或多者包括印刷电路板或集成电路元件。
17.如权利要求15所述的电子设备，其特征在于，所述包封包括嵌入弹性体聚合物中的磁性颗粒，所述弹性体聚合物包括硅树脂、聚氨酯和热塑性材料中的一者或多者，并且所述磁性颗粒包括铁磁颗粒和铁磁涂覆颗粒中的一者或多者。
18.如权利要求15所述的电子设备，其特征在于，所述包封进一步包括碳基填料。
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