CN110191590A - 一种弹性电路板制备方法及弹性电路板 - Google Patents

一种弹性电路板制备方法及弹性电路板 Download PDF

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Abstract

本发明涉及弹性和柔性电路制备技术领域，具体涉及一种弹性电路板制备方法及弹性电路板。该方法包括：S1.在基底上设置金属薄膜；S2.在金属薄膜表面涂覆光敏材料，并对光敏材料光刻出金属电路版图；S3.刻蚀光敏材料未遮盖的金属薄膜部分，去除光敏材料；S4.在余下的金属薄膜表面涂覆阻焊支撑层，并对阻焊支撑层预固化；S5.根据多种需求电路图来刻蚀阻焊支撑层，并对阻焊支撑层热固化形成金属电路层；S6.重复S1～S5制备多个金属电路层，并从基底上剥离；S7.依次对准各层金属电路层，焊接后形成弹性电路板。采用类PCB制备方法，可以最大程度的利用现有PCB加工设备，可实现多层弹性电路制备、规模化生产、成品率高、工艺成本低和兼容回流焊工艺的优点。

Description

一种弹性电路板制备方法及弹性电路板
技术领域
本发明涉及弹性和柔性电路制备技术领域，具体涉及一种弹性电路板制备方法及弹性电路板，适用于可穿戴设备、医疗设备和机器人领域，甚至航天航空领域。
背景技术
基于传统的印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)等开发的电子设备应用于弯曲表面(如球面、动物皮肤表面等)和运动部位(如人体关节、机器人关节等)时，由于PCB无法弯曲和拉伸，导致这类产品无法与曲面形成紧密配合，也不适用于运动部位。由于与皮肤表面配合不佳，可能会导致传感器(如心率、脉搏、脑电传感器)测量精度降低。更多地，这类设备还存在设备体积庞大和佩戴体验差的缺点。在此技术背景之下，能够弯曲和拉伸的弹性电路技术应运而生。
伴随着材料科学和微加工技术的发展，弹性电路技术尽管有了突飞猛进的发展，但距离实用化还有很长的路要走。通过检索现有弹性电路的加工方法可归纳为两类：一是在弹性材料上制备金属电路；二是利用微流控技术制备弹性电路。针对在弹性材料上制备金属电路，通常的方法是在弹性或柔性材料表面溅射一层数十到数百纳米的金属电路层。由于金属电路和弹性材料的热膨胀系数差异较大，会导致金属电路出现裂纹或断路的现象，并存在金属互连线阻抗高的问题。虽然在柔性材料表面溅射金属电路不会出现裂纹，但是需要对柔性材料进行图形化，而且溅射的金属层阻抗较微米级厚的金属电路要高得多。而利用微流控技术制备弹性电路的方法，可能会存在液体泄漏、体积较大和阻抗较高的问题。
早在2011年，J.A.Rogers等在Science,2011,333:838-843中提出皮表电子的概念，文中提出的弹性电路由弹性基底(聚二甲基硅氧烷)、应力缓冲层(聚酰亚胺)、电路和器件(金属和硅等)和保护层(聚酰亚胺)构成，系统厚37微米。然而，此弹性电路系统无法焊接传统的电子元器件，这极大的限制了它的使用领域；另外，利用溅射工艺加工的金属电路层，其机械性能和电学性能远不如PCB上的金属电路。Todd P.Coleman等在AdvancedMaterials,2017,29,201701312中提出一种利用溅射的方式制备了多层的金属电路，并成功焊接了电子元器件。但该方法仍旧使用溅射工艺制备金属电路，依旧存在前述问题。为了取代硬质金属，R.K.Kramer等在Advanced Functional Materials,2014,24:3501-3507中提出将镓-铟合金直接打印至聚二甲基硅氧烷表面实现弹性电路的功能。众所周知，液态金属的电阻率远高于铜、铝、银和金等导线常用金属，因此使用此方法制备的导线电阻比较大。并且，液态金属与传统的电子元器件难以连接。S.Xu等人在Science,2014,34(6179):70-74中提出一种将传感器、金属导线、射频芯片和处理器等集成于微流体芯片中，并在微流体空腔中注入电介质防止金属导线出现短路的现象。但基于此方法制备的弹性电路，存在电介质泄露的风险和难以批量化的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种弹性电路板制备方法及弹性电路板，以至少解决现有弹性电路板拉伸性能较差的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
根据本发明的一实施例，提供了一种弹性电路板制备方法，包括如下制备步骤：
S1.在基底上设置金属薄膜；
S2.在金属薄膜表面涂覆光敏材料，并对光敏材料光刻出金属电路版图；
S3.刻蚀光敏材料未遮盖的金属薄膜部分，去除光敏材料；
S4.在余下的金属薄膜表面涂覆阻焊支撑层，并对阻焊支撑层预固化；
S5.根据多种需求电路图来刻蚀阻焊支撑层，并对阻焊支撑层热固化形成金属电路层；
S6.重复S1～S5制备多个金属电路层，并从基底上剥离；
S7.依次对准各层金属电路层，涂焊锡膏电性连接各层金属电路层，放置电子元器件，并焊接形成弹性电路板。
进一步地，方法还包括步骤：
S8.浇筑弹性聚合物并固化，最终完成弹性电路板制备。
进一步地，阻焊支撑层的材质为聚酰亚胺。
进一步地，聚酰亚胺分为光敏型聚酰亚胺和非光敏型聚酰亚胺；
当为光敏型聚酰亚胺时，在步骤S5中对光敏型聚酰亚胺阻焊支撑层使用光刻工艺直接成型，热固化形成金属电路层；
当为非光敏型聚酰亚胺时，在步骤S5中对非光敏型聚酰亚胺阻焊支撑层使用干法刻蚀和湿法刻蚀工艺加工成型，热固化形成金属电路层。
进一步地，阻焊支撑层的厚度为5微米～200微米。
进一步地，步骤S1包括：在基底上利用胶带粘贴金属薄膜。
进一步地，金属薄膜为金、银、钛、铂、铝、铬、铜或合金薄膜；金属薄膜的厚度为1微米～100微米。
进一步地，光敏材料为光刻胶或干膜。
进一步地，弹性聚合物为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶；弹性聚合物的厚度为50微米～3毫米。
根据本发明的另一实施例，提供了一种弹性电路板，弹性电路板为由上述弹性电路板制备方法制备而成。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明工艺简单，成本低、成品率高、具备规模化生产的能力；
2、直接刻蚀金属薄膜制备金属电路，较其利用电镀、溅射制备的金属电路具备更优的机械性能和电学性能，具备优越的延展性能；
3、克服传统元器件难以焊接的问题，兼容回流焊和手工焊接。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明一种弹性电路板制备方法的流程图；
图2为本发明一种弹性电路板制备方法的优选流程图；
图3为本发明一种弹性电路板制备方法的工艺流程示例图；
图4为本发明弹性电路板的截面图；
图5为使用湿法刻蚀工艺制备的铜金属互连线的显微镜照片；
图6为本发明单层弹性电路照片；
图7为本发明双层弹性电路板可焊性实验照片；
图8为本发明单层弹性电路板可焊性实验照片；
图9为本发明单层弹性电路板人体实验照片；
图10为本发明单层弹性电路板拉伸实验照片；
图11为本发明弹性金属互联线拉伸电学实验照片；
图12为本发明弹性电路板弯曲实验照片；
图13为基于本发明弹性电路板的脉搏检测系统照片；
其中，1为基底，2为胶带，3、3'为金属薄膜，4为光敏材料，5、5'为阻焊支撑层，6为弹性聚合物，7为焊锡膏，8为电子元器件。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明的一实施例，提供了一种弹性电路板制备方法，参见图1，包括如下制备步骤：
S1.在基底1上设置金属薄膜3；
S2.在金属薄膜3表面涂覆光敏材料4，并对光敏材料4光刻出金属电路版图；
S3.刻蚀光敏材料4未遮盖的金属薄膜3部分，去除光敏材料4；
S4.在余下的金属薄膜3表面涂覆阻焊支撑层5，并对阻焊支撑层5预固化；阻焊支撑层5需满足需求的弯曲度，且可以在其上图形化，同时绝缘。
S5.根据多种需求电路图来刻蚀阻焊支撑层5，并对阻焊支撑层5热固化形成金属电路层；
S6.重复S1～S5制备多个金属电路层，并从基底1上剥离；
S7.依次对准各层金属电路层，涂焊锡膏7电性连接各层金属电路层，放置电子元器件8，并焊接形成弹性电路板。
该方法制备的弹性电路板具有成品率高，具备良好拉伸性能和可靠性、电流负载能力强、并具有良好的焊接性能(能够兼容回流焊和手工焊接)。这类弹性电路系统根据设计要求能够实现信号采集、传输和处理等功能，适用于静止或运动部件的表面，能够满足医疗、工业和消费品、甚至是航天航空等领域的要求。
作为优选，参见图2，该方法还包括步骤：
S8.浇筑弹性聚合物6并固化，最终完成弹性电路板制备。弹性聚合物6在此处起到机械保护作用，增长弹性电路板的使用寿命。
实施例1
本实施例涉及一种弹性电路板制备方法，该弹性电路板制备工艺流程如图3所示。利用本发明完成加工的弹性电路板截面示意图如图4所示，包含两层金属电路层，即两层金属薄膜3和3’及两层阻焊支撑层5和5’，弹性聚合物6，焊锡膏7和数目若干的电子元器件8；鉴于铜金属具有成本低、优越的电学性能(电阻率低)、易于刻蚀成型等的优点，本实施例的金属薄膜3和3’材料为铜；考虑到1盎司铜印刷电路板的铜金属层厚度约为35微米，为获得相似的电流负载能力，本实施例中的金属薄膜3和3’厚度为40微米，最小线宽50微米；阻焊支撑层5和5’厚度50微米，最小线宽60微米，以实现对金属电路的良好包裹；弹性聚合物6厚度为500微米；电子元器件8包括单片机、传感器、电容、电阻、电感和LED等；
本实施例的一种弹性电路板制备方法的具体加工工艺步骤如下：
(1)利用胶带2将40微米厚的铜金属薄膜3平整粘贴于基底1上。
(2)在铜金属薄膜3表面旋涂厚度为5微米的光敏材料4，光敏材料4为光刻胶，在100℃环境下烘3分钟；使用光刻机对光刻胶曝光60～80秒，接着在其显影液中显影150～180秒，从而光刻出金属电路版图。
(3)将完成光刻的铜金属薄膜3浸入25℃～50℃的铜刻蚀液中(加热铜刻蚀液以提高刻蚀速率)，刻蚀至光刻胶未遮盖的铜金属薄膜3完全消失，然后，使用丙酮去除光刻胶，如图5所示。
(4)在余下的铜金属薄膜3表面旋涂50微米厚的负性阻焊支撑层5，在110℃环境下烘4分钟。
(5)使用光刻机曝光60秒，接着在100℃下烘1分钟；然后在其显影液中，显影5～6分钟；250℃下真空烘箱内烘1小时，放置铜被氧化，完成制备阻焊支撑层5。
(6)重复重复(1)～(5)制备实现多层金属电路层，并将制备好的带阻焊支撑层5的金属电路从基底1上剥离，如图6所示。
(7)首先将底层带阻焊支撑层5的金属电路固定，利用丝网印刷工艺将焊锡膏7涂覆在底层金属电路焊盘上；接着，把上层带阻焊支撑层5的金属电路与底层带阻焊支撑层5的金属电路对准并固定，再次利用丝网印刷工艺将焊锡膏7涂覆至顶层金属电路焊盘上；使用芯片吸取工具将各个电子元器件8放置在顶层金属电路的对应焊盘上；最后，利用回流焊工艺实现焊接，如图7所示，回流焊温度曲线按照焊锡膏7提供参考温度曲线设置。
(8)选用具有良好生物兼容性的聚二甲基硅氧烷弹性聚合物6浇铸厚度为500微米的弹性层保护所制备的弹性电路板。接着，将样品置于真空炉中，抽真空至聚二甲基硅氧烷弹性聚合物6中无气泡，接着在75℃下固化2小时，完成弹性电路板及弹性电子系统制备。
图8展示了回流焊工艺后，焊锡膏7能够均匀的附着于焊盘之上，证明了本发明提供的弹性电路板具备良好的可焊性。
图9显示将完成LED焊接之后的弹性电路系统贴于手指表面，测试弹性电路板在拉伸和压缩情况下的电传导性能，实验结果证明本发明提供的弹性电路板具备良好的可拉伸性能。
图10展示了本发明提供的弹性电路板能够焊接大多数封装的电子元器件8，具有适应性广的特点。此外，弹性电路板拉伸至30％应变时，本发明提供的弹性电路板不会出现损坏的现象，证明了本发明提供的弹性电路板具备很好的拉伸可靠性。
图11展示了本发明提供的弹性金属互联线的拉伸电学性能，证明了本发明提供的弹性金属互联线能够拉伸至180％而不损坏。而电阻变化毫欧级的电阻变化，证明了本发明提供的弹性电路板能够广泛用于现有可穿戴设备。
图12展示了本发明提供的弹性电路板在弯曲和扭曲180°时依旧可以正常工作。
图13展示了基于本发明提供的弹性电路设计的人体脉搏检测弹性电路系统，系统具备压力实时检测、数据采集处理和蓝牙无线发送等功能。
实施例2
本实施例涉及的一种弹性电路板制备方法同实施例1，所不同之处在于：金属薄膜3选用低成本的铝薄膜，厚度为10微米；铝电路的最小线宽为10微米；阻焊支撑层5为非光敏型聚酰亚胺，厚度为15微米，最小线宽为15微米；非光敏型聚酰亚胺阻焊支撑层5采用干法刻蚀工艺实现图形化；弹性聚合物6为具有良好拉伸性能和生物兼容性的硅橡胶，厚度为1.5毫米，金属电路层数为4层。
实施例3
本实施例涉及一种弹性电路板制备方法同实施例1，所不同之处在于：金属薄膜3厚度为80微米；光敏材料4为干膜；金属互联线的最小线宽为80微米；聚酰亚胺阻焊支撑层5厚度为100微米，最小线宽为90微米；弹性聚合物6为硅橡胶，厚度为300微米。利用手工焊接的方法焊接电子元器件8。金属电路层数为1层。
实施例4
本实施例涉及一种弹性电路板，弹性电路板为由上述弹性电路板制备方法制备而成。
本发明提供的一种弹性电路制备方法及由该制备方法制备出的弹性电路板，具有成品率高，具备良好拉伸性能和可靠性、电流负载能力强、并具有良好的焊接性能(能够兼容回流焊和手工焊接)。这类弹性电路系统根据设计要求能够实现信号采集、传输和处理等功能，适用于静止或运动部件的表面，能够满足医疗、工业和消费品、甚至是航天航空等领域的要求。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种弹性电路板制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：
S1.在基底上设置金属薄膜；
S2.在所述金属薄膜表面涂覆光敏材料，并对所述光敏材料光刻出金属电路版图；
S3.刻蚀所述光敏材料未遮盖的所述金属薄膜部分，去除所述光敏材料；
S4.在余下的所述金属薄膜表面涂覆阻焊支撑层，并对所述阻焊支撑层预固化；
S5.根据多种需求电路图来光刻/刻蚀所述聚酰亚胺阻焊支撑层，并对所述阻焊支撑层热固化形成金属电路层；
S6.重复S1～S5制备多个所述金属电路层，并从所述基底上剥离；
S7.依次对准各层所述金属电路层，涂焊锡膏电性连接各层所述金属电路层，放置电子元器件，并焊接形成所述弹性电路板。
2.根据权利要求1所述的一种弹性电路板制备方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：
S8.浇筑弹性聚合物并固化，最终完成所述弹性电路板制备。
3.根据权利要求1所述的一种弹性电路板制备方法，其特征在于，所述阻焊支撑层的材质为聚酰亚胺。
4.根据权利要求3所述的一种弹性电路板制备方法，其特征在于，所述聚酰亚胺分为光敏型聚酰亚胺和非光敏型聚酰亚胺；
当为光敏型聚酰亚胺时，在步骤S5中对光敏型聚酰亚胺阻焊支撑层使用光刻工艺直接成型，热固化形成金属电路层；
当为非光敏型聚酰亚胺时，在步骤S5中对非光敏型聚酰亚胺阻焊支撑层使用干法刻蚀和湿法刻蚀工艺加工成型，热固化形成金属电路层。
5.根据权利要求1所述的一种弹性电路板制备方法，其特征在于，所述阻焊支撑层的厚度为5微米～200微米。
6.根据权利要求1所述的一种弹性电路板制备方法，其特征在于，步骤S1包括：在基底上利用胶带粘贴金属薄膜。
7.根据权利要求1所述的一种弹性电路板制备方法，其特征在于，所述金属薄膜为金、银、钛、铂、铝、铬、铜或合金薄膜；所述金属薄膜的厚度为1微米～100微米。
8.根据权利要求1所述的一种弹性电路板制备方法，其特征在于，所述光敏材料为光刻胶或干膜。
9.根据权利要求2所述的一种弹性电路板制备方法，其特征在于，所述弹性聚合物为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶；所述弹性聚合物的厚度为50微米～3毫米。
10.一种弹性电路板，其特征在于，所述弹性电路板为由权利要求1～9任意一项所述的弹性电路板制备方法制备而成。
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