CN109788656A - 一种在柔性基材上制备2.5d铜电路的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子信息技术领域，公开了一种在柔性基材上制备2.5D铜电路的方法及其装置。该方法将注射器加压控制滴液CuO NP油墨于基材上；设置旋涂加热器的参数，旋涂得到CuO NP油墨单层涂层，然后加热烘干；设置激光器的参数和振镜运行轨迹进行激光扫描；重复旋涂加热步骤，计算机控制X‑Y振镜位置相对于载物台上调12μm，沿原来设定轨迹以同样参数进行激光扫描，即可实现在柔性基材上2.5D铜电路的加工。本发明利使铜电路制造不再局限于2D平面图案，还可以实现厚度方向上的2.5D铜图案制备。无需人工操作和样品转移，实现流水线一步制备铜电路，极大程度缩减了时间人员成本，具有经济效益。
Description
技术领域
本发明属于电子信息技术领域，更具体地，涉及一种在柔性基材上制备2.5D铜电路的方法及其装置。
背景技术
在过去的几十年中，基于硅的器件一直在微电子行业占据主导地位。然而，为了开发便携式和可穿戴式电子器件，制造基于柔性衬底(如塑料等)电子器件的兴趣日益增加。这些灵活的电子设备也受到消费电子和物联网等新兴市场的推动。最近对柔性、可拉伸和可穿戴电子设备的研究已经证明其在广泛应用中的巨大发展潜力。如电池，传感器，照明设备，显示器，机器人和自动化设备，储能设备，通过不同的印刷方法将无机纳米材料整合到柔性衬底上，以制备柔性电子器件的研究取得了重大进展。过去，氧化铟锡喷镀法作为玻璃上加工电路图案常用方法，存在导电性低、高成本、对材料尺寸有所限制等不可忽视的缺点；同样，电子印刷法也有诸多弊端：导电性低、粘附强度有限。
现有技术的缺点：同样作为制备电路主流方法之一的激光诱导液相沉积，通常将激光刻蚀与化学镀相结合，不能一步完成电路制备，化学液组成包含甲醛等有毒试剂，不符合环保理念。过去有研究利用铜纳米油墨作为金属前驱体，对比金、银等贵金属纳米颗粒，在价格上具备令人瞩目的优势且拥有与贵金属相当的导电性。但激光烧结Cu纳米颗粒存在着不可忽视的问题，就是容易在高温烧结过程中发生氧化。因此，一般需要昂贵的惰性气体腔或真空设备以防止Cu纳米颗粒在加工期间出现氧化，这大大削弱了Cu纳米颗粒在材料价格上的优势。
最相似实验方案：先将氧化铜纳米颗粒(CuO NP)分散在分散剂中制备CuO NP油墨；将该油墨利用匀胶机旋涂在柔性基材上；取下基材，自然晾干一定时间；利用激光直接照射下的光热化学反应还原烧结CuO NP，实现塑料上制备Cu电路的目的。该方案是用CuONP作为金属前驱体，但加工步骤繁杂，分为以下三步：1.利用匀胶机在基材上旋涂CuO NP油墨；2.室温下干燥一定时间；3.激光作用于CuO NP涂层，使其还原烧结为Cu电路。步骤分散，需要人工转移至不同设备操作，仅能制备平面电路结构。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明的目的在于提供了一种在柔性基材上制备2.5D铜电路的方法。该方法通过旋涂、烘干、激光加工，可实现无缝结合完成作业，全程计算机控制加工运动轨迹，无需人工操作和样品转移，即可实现流水线一步制备空间2.5D电路结构，制备具有一定厚度的铜电路图案，显著提高了生产效率和电路厚度，可应用于工厂车间的流水线加工作业。
本发明的目的在于提供了一种实现上述方法的装置。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种在柔性基材上制备2.5D铜电路的方法，包括如下具体步骤：
S1.将注射器加压控制滴液CuO NP油墨于基材上；
S2.设置旋涂加热器的参数为：转速2000～3500rpm，旋涂时间为30～60s，旋涂得到CuO NP油墨单层涂层，然后在40～160℃加热烘干，所述CuO NP单层涂层为12μm；
S3.设置激光器的参数和设置振镜运行轨迹，进行激光扫描；
S4.重复步骤S2，计算机控制X-Y振镜位置相对于载物台上调12μm，沿原来设定轨迹以同样参数进行激光扫描，加工完成后，以去离子水喷射于基材表面，去除激光加工区域外多余的CuO NP涂层，即可实现在柔性基材上2.5D铜电路的加工。
优选地，步骤S1中所述基材为塑料或玻璃布。
优选地，步骤S1中所述基材的长×宽×高为(10～200)mm×(10～200)mm×(1～10)mm。
优选地，步骤S2中所述加热的时间为5～30min。
优选地，步骤S4中所述2.5D铜电路的厚度为为12～1200μm。
优选地，步骤S3中所述激光器为飞秒激光器或近红外纳秒光纤激光器。
更为优选地，所述激光器为近红外纳秒光纤激光器时的参数为：波长为1064nm，转台的高度15＜d＜39cm，激光对焦使其光斑位于焦点位置，激光参数频率为100～1000KHz，脉宽为4～200ns，功率为0.1～1W，速度为10～100mm/s；所述激光器为飞秒激光器时的参数为：波长为1064nm，频率为80MHz，脉宽为290fs，功率为0.02～0.2W，速度为1～5mm/s。
一种实现所述在柔性基材上制备2.5D铜电路的方法的激光加工装置，所述装置包括激光器、X-Y振镜、旋涂加热器、注射器和载物台；所述载物台上置有旋涂加热器，旋涂加热器内设有转台；所述转台下设置转轴，所述转轴带动转台旋转；所述注射器位于所述转台的正上方；所述激光器发出的激光束，经过所述X-Y振镜射出至转台上的样品。
进一步地，所述转台的材料为铁铬铝、镍铬、康铜或纯镍；所述转台的高度为15～39cm。
进一步地，所述激光器为飞秒激光器或近红外纳秒光纤激光器。
本发明利用CuO NP油墨，使之在激光作用下还原烧结形成铜电路，通过相关步骤的重复操作，使铜电路制造不再局限于2D平面图案，而且2.5D(维度)Cu电路是通过重复以下步骤“旋涂-烘干-激光加工”，由多层CuO NP涂层制备而得，可以实现厚度方向上的2.5D铜图案制备。可以将CuO NP单层涂层厚度控制在12μm，这个厚度值的CuO NP单层涂层在激光单次扫描作用下，能被充分还原烧结形成Cu电路，Cu电路厚度与CuO NP单层涂层厚度保持一致。如果CuO NP单层涂层过薄，可能导致Cu电路发生再氧化从而电性能下降；如果CuONP单层涂层过厚，就可能导致下表面的CuO无法得到还原，重复旋涂、激光扫描步骤后出现垂直面上Cu电路连接中断的现象。将CuO NP单层涂层厚度控制在12μm，该厚度为固定值与激光渗透深度有关，为使CuO NP在激光照射下得到充分还原并烧结形成铜电路。制备的Cu电路厚度＝CuO NP单层涂层厚度＝12μm，振镜每上移12μm进行激光加工，Cu电路即在厚度方向上增加12μm。如制备144μm厚的Cu电路，只要在机器上重复操作12次即可实现。若想制备非12倍数的Cu电路，只要调整CuO NP单层涂层厚度(考虑到激光渗透深度的限制，厚度应小于等于12μm)和激光加工参数，重复旋涂-烘干-激光加工步骤即可得到具有相当厚度值的2.5D铜电路，以实现厚度方向上的2.5D铜电路制备。
现今在柔性基材上制备电路分别需要用到如下三种设备：匀胶机、烤箱(或热板)和激光器，且仅能制备2D平面图案。本发明加热原理类电热毯，转台所用材料为高电阻电热合金，室温下接通电源，通电发热，温度逐渐升高。本发明装置无需人工操作和样品转移，实现流水线一步制备铜电路可实现2.5D铜电路制备，极大程度缩减了时间人员成本，具有经济效益。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明利用CuO NP油墨，使之在激光作用下还原烧结形成铜电路，结合了匀胶机、烤箱、激光器三种设备的功能优势，仅通过一台设备装置即可完成旋涂、烘干、激光加工，有效节省了加工时间，全程计算机智能控制，节约了人员支出成本。
2.本发明的在柔性基材上制备2.5D铜电路的激光加工装置，不再局限于平面结构，不仅能在平面上制备电路，还能实现垂直方向上Cu电路厚度和图案均可根据需要任意设计增加厚度。如果需要更厚的Cu电路图案，重复旋涂-烘干步骤使CuO NP单层涂层厚度为12μm，再重复激光加工步骤，以实现厚度方向上具有相当厚度的2.5D铜电路构造。
附图说明
图1为本发明制备2.5D铜电路的激光加工装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
本发明制备2.5D铜电路的激光加工装置的结构如图1所示。所述装置包括激光器1、X-Y振镜2、旋涂加热器3、注射器4和载物台5。载物台5上置有旋涂加热器3，旋涂加热器3内设有高度为d的转台用以放置柔性基材，计算机控制注射器4向柔性基材表面滴入一定质量的CuO NP油墨后，转台下设置转轴，转轴带动转台旋转；实现柔性基材上CuO NP油墨的铺开。转台为热阻材料(铁铬铝、镍铬、康铜或纯镍)，通电即具备加热功能，计算机进行温控调节以实现CuO油墨涂层的加热烘干。旋涂、加热完成后，激光束由近红外纳秒光纤激光器或飞秒激光器1发出，经X-Y振镜2激光束，通过计算机控制X-Y振镜2内的反光镜角度，可分别沿X、Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，使具有一定功率密度的激光聚焦点在样品上按所需的要求运动。注射器4位于转台的正上方；激光器1发出的激光束，经过所述X-Y振镜2射出至转台上的在柔性基材上的CuO NP涂层表面，可以通过计算机画出不同图案，激光沿着图案轨迹进行加工，即可实现样品上不同图案的2.5D铜电路制备。不仅能在平面上制备电路，还能实现垂直方向上CuO NP单层涂层厚度为12μm的2.5D铜电路构造。
实施例2
1.加压控制注射器滴液1mlCuO NP油墨于聚酰亚胺塑料基材上，基材尺寸为25×75×1mm(长×宽×高)。
2.旋涂加热器同时具备真空吸附和加热功能，旋涂参数设置为2500rpm转速，时间30s。旋涂后CuO NP油墨涂层厚度为12μm；旋涂加热器的加热参数设置为50℃，加热烘干涂层30min。
3.激光器为近红外纳秒光纤激光器，波长λ＝1064nm。已知高度d，激光对焦使光斑位于焦点位置，激光参数频率f＝500KHz，脉宽d＝50ns，功率P＝0.15W，速度v≤30mm/s。计算机设置振镜运行轨迹进行激光扫描。
4.重复步骤2，计算机控制激光器动态轴使振镜位置相对于载物台上调12μm，沿原来设定轨迹以同样参数进行激光扫描，即可实现厚度方向上CuO NP单层涂层厚度为12μm的2.5D铜电路构造。
5.加工完成后，以去离子水喷射于柔性基材表面，即可轻松去除激光加工区域外多余的CuO NP涂层，得到厚度为24μm的2.5D的Cu电路。
实施例3
按照实施例2的方法在聚酰亚胺基材上分别制得厚度为120μm、240μm、480μm、600μm、720μm、840μm、960μm、1080μm和1200μm的2.5D的Cu电路。
实施例4
1.加压控制注射器滴液20mlCuO NP油墨于聚酰亚胺基材上，基材尺寸为200×200×10mm(长×宽×高)。
2.旋涂加热器同时具备真空吸附和加热功能，旋涂参数设置为3500rpm转速，时间60s。旋涂后CuO NP油墨涂层单层厚度为12μm；旋涂加热器的加热参数设置为40℃，加热烘干涂层30min。
3.激光器为飞秒激光器的参数为：波长为1064nm，频率为80MHz，脉宽为290fs，功率为0.02～0.2W，速度为1～5mm/s，计算机设置振镜运行轨迹进行激光扫描。
4.重复步骤2，计算机控制激光器动态轴使振镜位置相对于载物台上调12μm，沿原来设定轨迹以同样参数进行激光扫描，即可实现厚度方向上CuO NP单层涂层厚度为12μm的2.5D铜电路构造。
5.加工完成后，以去离子水喷射于柔性基材表面，即可轻松去除激光加工区域外多余的CuO NP涂层，得到厚度为24μm的2.5D的Cu电路。
实施例5
按照实施例4的方法在聚酰亚胺基材上分别制得厚度为为12μm整数倍(范围值为12～1200μm)的2.5D的Cu电路。
实施例6
按照实施例4的方法在聚对苯二甲酸乙二酯基材上分别制得厚度为12μm整数倍(范围值为12～1200μm)的2.5D的Cu电路。
实施例7
按照实施例4的方法在聚萘二甲酸乙二醇酯基材上分别制得厚度为12μm整数倍(范围值为12～1200μm)的2.5D的Cu电路。
实施例8
1.加压控制注射器滴液1mlCuO NP油墨于玻璃布基材上，基材尺寸为10×10×1mm(长×宽×高)。
2.旋涂加热器同时具备真空吸附和加热功能，旋涂参数设置为3000rpm转速，时间30s。旋涂后CuO NP油墨涂层单层厚度为12μm；旋涂加热器的加热参数设置为160℃，加热烘干涂层10min。
3.激光器为飞秒激光器的参数为：波长为1064nm，频率为80MHz，脉宽为290fs，功率为0.02～0.2W，速度为1～5mm/s，计算机设置振镜运行轨迹，进行激光扫描。
4.重复步骤2，计算机控制激光器动态轴使振镜位置相对于载物台上调12μm，沿原来设定轨迹以同样参数进行激光扫描，即可实现厚度方向上CuO NP单层涂层厚度为12μm的2.5D铜电路构造。
5.加工完成后，以去离子水喷射于柔性基材表面，即可轻松去除激光加工区域外多余的CuO NP涂层，得到厚度为24μm的2.5D的Cu电路。
实施例9
按照实施例8的方法在玻璃布基材上分别制得厚度为12μm整数倍(范围值为12～1200μm)的2.5D的Cu电路。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种在柔性基材上制备2.5D铜电路的方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
S1.将注射器加压控制滴液CuONP油墨于基材上；
S2.设置旋涂加热器的参数为：转速2000～3500rpm，旋涂时间为30～60s，旋涂得到CuONP油墨单层涂层，然后在40～160℃加热烘干，所述CuONP单层涂层为12μm；
S3.设置激光器的参数和设置振镜运行轨迹，进行激光扫描；
S4.重复步骤S2，计算机控制X-Y振镜位置相对于载物台上调12μm，沿原来设定轨迹以同样参数进行激光扫描，加工完成后，以去离子水喷射于基材表面，去除激光加工区域外多余的CuONP涂层，即可实现在柔性基材上2.5D铜电路的加工。
2.根据权利要求1所述的所述在柔性基材上制备2.5D铜电路方法，其特征在于，步骤S1中所述基材为塑料或玻璃布。
3.根据权利要求1所述的所述在柔性基材上制备2.5D铜电路的方法，其特征在于，步骤S1中所述基材的长×宽×高为(10～200)mm×(10～200)mm×(1～10)mm。
4.根据权利要求1所述的所述在柔性基材上制备2.5D铜电路的方法，其特征在于，步骤S2中所述加热的时间为5～30min。
5.根据权利要求1所述的所述在柔性基材上制备2.5D铜电路的方法，其特征在于，步骤S4中所述2.5D铜电路的厚度为12～1200μm。
6.根据权利要求1所述的所述在柔性基材上制备2.5D铜电路的的方法，其特征在于，步骤S3中所述激光器为飞秒激光器或近红外纳秒光纤激光器。
7.根据权利要求6所述的所述在柔性基材上制备2.5D铜电路的方法，其特征在于，所述激光器为近红外纳秒光纤激光器时的参数为：波长为1064nm，转台的高度15＜d＜39cm，激光对焦使其光斑位于焦点位置，激光参数频率为100～1000KHz，脉宽为4～200ns，功率为0.1～1W，速度为10～100mm/s；所述激光器为飞秒激光器时的参数为：波长为1064nm，频率为80MHz，脉宽为290fs，功率为0.02～0.2W，速度为1～5mm/s。
8.一种实现权利要求1-7任一项所述在柔性基材上制备2.5D铜电路的方法的激光加工装置，其特征在于，所述装置包括激光器、X-Y振镜、旋涂加热器、注射器和载物台；所述载物台上置有旋涂加热器，旋涂加热器内设有转台；所述转台下设置转轴，所述转轴带动转台旋转；所述注射器位于所述转台的正上方；所述激光器发出的激光束，经过所述X-Y振镜射出至转台上的样品。
9.根据权利要求8所述的在柔性基材上制备2.5D铜电路的方法的激光加工装置，其特征在于，所述转台的材料为铁铬铝、镍铬、康铜或纯镍；所述转台的高度为15～39cm。
10.根据权利要求8所述的在柔性基材上制备2.5D铜电路的方法的激光加工装置，其特征在于，所述激光器为飞秒激光器或近红外纳秒光纤激光器。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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