CN110648979B - 具有大拉伸性的一体化柔性基底与柔性电路及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有大拉伸性的一体化柔性基底与柔性电路及其制造方法，属于柔性电子技术领域。通过制备由多种具有不同弹性模量的材料组成的一体化柔性基底，然后将刚性元件置于高弹性模量区域的基底上，将柔性元件置于低弹性模量区域的基底上，再对其封装，得到柔性电路。本发明可以达到应变隔离的效果，满足对刚性元件保护的要求，提高了整体器件的稳定性和可靠性，实现柔性电路的柔性和拉伸性。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有大拉伸性的一体化柔性基底与相应柔性电路及其制造方法，属于柔性电子技术领域。
背景技术
柔性电子技术是一种新兴电子技术，利用这种技术，可以将电子器件制作在柔性的基底上，实现便携、弯折和拉伸等性能，有望被广泛应用于信息和医疗等领域。现阶段，单个柔性电子元件的制备和性能提高已经得到了快速的发展，而集成了刚性元件和柔性元件的柔性电路在系统层面的整体性能却一直没有得到很好的提升，这大大限制了柔性电子技术应用的进一步发展。
从柔性电路的研究来看，最为常见的策略是通过应变隔离策略对刚性元件进行保护，来满足集成了刚性元件的柔性电路在拉伸性和稳定性方面的要求。尽管应变隔离是一个有效的策略，但在采取可以达到应变隔离效果的方法时，除了需要保护刚性元件，还需要兼顾到操作的工艺复杂度和整体的拉伸稳定性，并且不能带来新的问题隐患。
现有技术1(Science 2014,344,70)公开了一种应用岛桥结构和液体封装的方法，可以实现整体柔性电子系统的封装。岛桥结构确保了刚性元件的可靠性，并结合液体封装的方法，赋予了整体电路较好的弯折和拉伸性能。但正是由于使用了液体，在实际情况中不仅仅增加了工艺难度，还会存在液体泄漏和挥发的问题。
现有技术2(Applied Physics Letters 2013,102,131904)公开了一种应用嵌入刚性基板的方法，来实现应变隔离。通过这样的方法，虽然柔性基底的拉伸不会对刚性基板上的元件造成破坏，但是柔性基底与刚性基板之间没有形成牢固的连接，导致柔性基底容易与内嵌的刚性基板脱离，从而使得整个器件发生意外形变而失效。
现有技术3(CN108682665B)公开了一种应用改性衬底的方法来隔离柔性电路拉伸所引入的应变，以提高柔性电路的可靠性。所制造的柔性电路的改性后的基底为一体结构，且改性后的基底中未改性区域的弹性模量小于改性区域的弹性模量，从而实现应变隔离。上述方法由于采用改性膜的方法对基底进行改性，其制造精度会受到限制。而且，通过改性方法得到的改性基底只有两种不同弹性模量的区域，缺乏扩展性，不利于更加丰富的应用。
因此，目前在柔性电路的系统层面的制造方法和性能上，仍然存在工艺复杂度高、整体拉伸性和可靠性差的问题。因而，开发一种工艺更简单、器件拉伸性好、可靠性高的柔性电路制造方法显得尤为必要。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种具有大拉伸性的一体化柔性基底与相应柔性电路，以及柔性电路的制造方法，通过优化制造工艺制备出由不同材料组合而成的一体化柔性基底，并在此基础上制备相应柔性电路，提高了整体柔性电路的可靠性和拉伸性。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
具有大拉伸性的一体化柔性基底，所述基底由两种以上具有不同弹性模量的柔性材料组合而成，弹性模量较高的柔性材料形成的区域承载刚性电子元件，弹性模量较低的柔性材料形成的区域承载柔性电子元件。本发明提供的一体化柔性基底可以承载各种电子元件，并能够在经受整体拉伸变形时对刚性电子元件进行保护，解决柔性电路中刚性电子元件与柔性电子元件的兼容性问题，实现整体柔性电路的拉伸性和稳定性。
在一些具体实施方案中，弹性模量较高的柔性材料与弹性模量较低的柔性材料的弹性模量差异为5倍以上。
在一些具体实施方案中，所述基底由硅胶或聚氨酯弹性体组合而成。
在一些具体实施方案中，所述基底的高弹性模量材料为PDMS，低弹性模量材料为Ecoflex。
在一些具体实施方案中，所述基底由两种以上具有不同弹性模量的柔性材料在长度、宽度、高度中的一个或多个维度拼接组合而成。
在一些具体实施方案中，具有不同弹性模量的柔性材料通过化学方法、物理方法中的一种或多种连接固定，优选通过化学方法连接固定。
在一些具体实施方案中，所述基底通过增材制造、印刷、浇筑中的一种或多种方法实现图形化制备后固化而成，优选通过增材制造实现图形化制备后固化而成。
具有大拉伸性的一体化柔性电路，包括元件层和封装层，元件层由本发明提供的一体化柔性基底承载电子元件形成。
在一些具体实施方案中，所述元件层由单层元件与绝缘层一并组成或多层元件与绝缘层一并组成。
在一些具体实施方案中，所述封装层由一种聚合物构成，或者由多种聚合物拼接组合而成。
上述一体化柔性电路的制造方法，包括如下步骤：
(1)配置两种以上具有不同弹性模量的聚合物溶液；
(2)将配置好的聚合物溶液依次图形化并固化，得到一体化柔性基底；
(3)将刚性电子元件置于基底较高弹性模量区域，将柔性电子元件置于基底较低弹性模量区域，完成元件层的制备；
(4)在元件层上层图形化制备一层封装层。
在一些具体实施方案中，步骤(2)所述图形化通过增材制造、印刷、浇筑中的一种或多种方法实现，所述固化通过溶剂挥发、热固化、紫外固化中的一种或多种方法实现。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：
1)多种不同弹性模量的材料组成的柔性基底，在为保护刚性元件提供应变隔离的同时，维持了整体柔性电路的柔性和拉伸性；
2)一体化制造和一体化结构的基底，提高了整体器件的稳定性和可靠性；
3)简易快速的工艺方案，提高了柔性电路制备效率的同时也确保了制造的精度。
4)方法具有可扩展性，可适用不同柔性电路系统的封装需求。
附图说明
图1是本发明提供的具有大拉伸性的一体化柔性电路的制备方法的流程图。
图2是本发明优选的增材制造实施方式中步骤S12的流程图。
图3是本发明中使用导电银浆作为导线的具有单层元件的元件层的步骤S13的增材制造流程图。
图4是本发明提供的具有大拉伸性的一体化柔性基底的示意图。
附图标记：101-高弹性模量区域；102-低弹性模量区域。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
<第一实施方式>
本发明的第一实施方式提供了一种具有大拉伸性的一体化柔性基底，所述基底由具有不同弹性模量的材料组合而成，具有一体化结构。
本发明对柔性基底中所使用的材料种类和材料数量没有特别限制，只要是材料成型前为液态，可以实现固化成型并能相互之间拼接组合在一起即可。
不受限制的，本发明中的柔性基底所使用的材料典型地可以为包括硅胶和聚氨酯弹性体在内的柔性材料。
不受限制的，本发明中的柔性基底所使用的材料数量为两种或两种以上，典型地可以为两种。在柔性基底整体受到拉伸时，只需要两种在弹性模量上具有差异的材料即可同时实现柔性基底的拉伸性和可靠性。高弹性模量的区域基本不发生形变，因而提供了应变隔离，负责保护刚性元件；而低弹性模量的区域承载了绝大部分形变，提供优异的拉伸性能。
本发明对柔性基底中所使用的不同材料的弹性模量和弹性模量上的差异程度没有限制。通常，可以以100kPa为分界线，100kPa以下为低弹性模量，100kPa以上为高弹性模量。若选取的不同材料的弹性模量过于接近，则会导致应变隔离的效果变差，一般可以选取弹性模量差异为5倍及以上。
本发明对柔性基底中所使用的材料的组合方式没有特别限制，可以在同一平面内进行拼接组合，也可以在厚度方向上叠加。在同一平面内进行拼接组合，则需要对不同的材料都进行图形化，且不同材料之间可以相互接触的面积较小，若连接方式不够牢靠，则可能存在相互之间容易分离的问题，但是这种方式可以得到较薄的柔性基底。在厚度方向上叠加，相互之间的接触面积会更大，但是增加了整体柔性基底的厚度。可以根据实际应用要求来选择合适的组合方式。
本发明对柔性基底中的图形化结构没有限制，可以是相互连接和/或相互间隔的。
本发明对柔性基底中所使用的不同材料之间的连接方式没有限制，可以为物理方法和/或化学方法。优选为化学方法，可以对材料表面进行处理或者依靠不同材料之间相互发生交联实现连接固定。
本发明对柔性基底的图形化制备方法没有限制，可以为增材制造、印刷、浇筑或它们的组合。优选为增材制造，有利于通过更高的自动化程度操作来实现更高复杂度的结构的制备。
本发明对柔性基底中所使用的材料的固化方式没有限制，可以是溶剂挥发、热固化、紫外固化或它们的组合。针对不同的材料，使用不同的固化方案，加快固化速度，提高制备效率。
<第二实施方式>
本发明的第二实施方式提供了一种具有大拉伸性的一体化柔性电路的制作方法，其步骤如图1所示，该方法包括步骤S11至S14。
在步骤S11中，配置具有不同弹性模量的聚合物溶液。
本发明对聚合物的材料种类和溶液粘度没有限制。材料优选为硅胶或者聚氨酯弹性体。聚合物溶液的粘度是可以依据不同的加工工艺来调整的。在增材制造加工工艺中，优选的粘度范围为10-10000mPa·s，更优选为500-8000mPa·s。
在步骤S12中，将配置好的聚合物溶液依次图形化并固化，得到一个一体化的柔性基底。
在本发明中，聚合物的图形化形状是根据待安装的元件和电路图形来确定的。较高弹性模量材料的区域形状由刚性元件的尺寸大小、形状和放置的位置来确定的。较低弹性模量材料的区域形状是主要是由整体电路的外形来确定的。因而，柔性基底中不同弹性模量的材料的图形化结构和形状可以是相互连接和/或相互间隔的。
本发明对聚合物溶液的图形化制备方法没有限制，可以为增材制造、印刷、浇筑或它们的组合。考虑到图形的复杂程度以及工艺操作的简便性，优选为增材制造。
图2为优选的增材制造实施方式中步骤S12的流程图，包括步骤S111至S114。
在步骤S121中，按器件需求，用制图软件设计出各材料区域的外形。
在步骤S122中，将图像转换为增材制造机器可以识别的G-code指令。
在步骤S123中，将配置好的聚合物溶液分别装载到增材制造机器中，选取合适的打印参数，如针头内径、气压大小、底板温度等。
在步骤S124中，自动控制增材制造机器，按预设图形打印。
本发明对柔性基底中所使用的材料的固化方式没有限制，可以是溶剂挥发、热固化、紫外固化或它们的组合。针对不同的材料，使用不同的固化方案，加快固化速度，提高制备效率。
在本发明的制备过程中，可通过控制加热温度，来加快固化进程，减弱聚合物溶液的扩散，从而有利于图形化后的外形特征更加准确、稳定，提高图形化的精度。
本发明对加热温度的范围没有限制，可以依据不同的材料和制造参数来选择合适的加热温度。考虑到操作的安全性以及对后续工艺的兼容性，一般情况下的加热温度不应超过300℃，以40到80℃的温度范围为优。
本发明对柔性基底的一体化方案没有限制，不同材料之间可以以物理方法和/或化学方法进行连接固定。优选为化学方法。更优选为依靠不同材料之间相互发生交联实现连接固定。在更优选方案中，不需要添加额外的试剂材料，也不需要额外的处理步骤，直接依次完成不同聚合物的图形化即可，但是要求不同聚合物材料之间需要直接接触，并且在完成所有材料的图形化之前，已图形化的材料不能完全固化。
在步骤S13中，将刚性元件置于高弹性模量区域的基底上，并将柔性元件，如可拉伸导线等，置于低弹性模量区域的基底上，完成元件层的制备。
本发明对可拉伸元件的种类没有限制，典型地可以为图形化金属导线或可拉伸材料做成的导线。金属导线的图形可以是蛇形、马蹄形、螺旋形等。可按实际需求选择具有合适性能的可拉伸材料，例如是由导电颗粒与弹性体材料共混而成的复合材料。
本发明对元件层的组成没有限制，所述元件层可由单层元件或多层元件和绝缘层一并组成。
图3是使用导电银浆作为导线的具有单层元件的元件层的步骤S13的增材制造流程图，包括步骤S131至S136。
在步骤S131中，用制图软件设计出导线的轨迹。
在步骤S132中，将轨迹转换为增材制造机器可以识别的G-code指令。
在步骤S133中，将导电银浆载到增材制造机器中，选取合适的打印参数，如针头内径、气压大小、底板温度等。
在步骤S134中，自动控制增材制造机器，按预设轨迹打印
在步骤S135中，在一体化柔性基底的高弹性模量区域的相应位置上放上元器件，元器件引脚要与前述导线接触。
在步骤S136中，底板加热，使导电银浆中的溶剂完全挥发，提高导电性。
在步骤S14中，在元件层上层图形化制备一层封装层。
本发明对封装层的组成没有限制，所述封装层可由一种聚合物或多种聚合物拼接组合而成，聚合物材料为硅胶或聚氨酯弹性体。考虑到器件的整体拉伸性能，封装层所用材料的弹性模量不能高于柔性基底相应区域的材料的弹性模量。
封装层的制备可按步骤S121至步骤S124完成。
为了更好的理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。然而，本发明保护范围不局限于实施例所表达的范围。
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1：制备具有大拉伸性的一体化柔性基底
所用柔性基底由两种硅胶组成，其中高弹性模量材料为PDMS，低弹性模量材料为Ecoflex。所用图形化制备工艺为增材制造。具体实施过程如下：
1.通过制图软件画出柔性基底中各个区域的外形，各个区域之间相互接触；
2.将图像转换为增材制造机器可以识别的G-code指令；
3.将PDMS的主剂和固化剂按10比1的质量比混匀，抽真空以消除气泡；
4.将混匀好的PDMS装载到增材制造机器的针筒中，所用针头内径为0.34mm，气压为30psi，底板温度为70℃，按预设图形在底板上打印出PDMS区域；
5.将Ecoflex的A组分和B组分按1比1的质量比混匀，抽真空以消除气泡；
6.将混匀好的Ecoflex装载到增材制造机器的针筒中，所用针头内径为0.34mm，气压为30psi，底板温度为50℃，按预设图形在底板上打印出Ecoflex区域；
7.继续在50℃下加热半小时，使柔性基底完全固化。
实施例2：制备具有大拉伸性的一体化柔性电路
所用可拉伸导线为导电银浆。所用封装层材料为Ecoflex。
1.通过制图软件画出导线的轨迹和封装层的外形，导线应位于低弹性模量区域，并延伸到高弹性模量区域的元器件引脚处；
2.将图像转换为增材制造机器可以识别的G-code指令；
3.将导电银浆装载到增材制造机器的针筒中，所用针头内径为0.09mm，气压为30psi，按预设图形打印出导线；
4.在上述制好的一体化柔性基底的高弹性模量区域的相应位置上放上元器件，元器件引脚与导线接触；
5.在80℃下加热半小时，使导电银浆中的溶剂完全挥发，提高导电性；
6.将Ecoflex的A组分和B组分按1比1的质量比混匀，抽真空以消除气泡；
7.将混匀好的Ecoflex装载到增材制造机器的针筒中，所用针头内径为0.34mm，气压为30psi，底板温度为50℃，按预设图形在上述完成的器件上打印出Ecoflex封装层；
8.继续在50℃下加热半小时，使柔性电路完全固化。
Claims (14)
1.具有大拉伸性的一体化柔性基底，其特征在于，所述基底由两种以上具有不同弹性模量的柔性材料组合而成，弹性模量较高的柔性材料形成的区域承载刚性电子元件，弹性模量较低的柔性材料形成的区域承载柔性电子元件；较高弹性模量材料区域的形状由刚性元件的尺寸大小、形状和放置的位置来确定，较低弹性模量材料的区域形状由整体电路的外形来确定。
2.根据权利要求1所述的一体化柔性基底，其特征在于，弹性模量较高的柔性材料与弹性模量较低的柔性材料的弹性模量差异为5倍以上。
3.根据权利要求1所述的一体化柔性基底，其特征在于，所述基底由硅胶或聚氨酯弹性体组合而成。
4.根据权利要求1所述的一体化柔性基底，其特征在于，所述基底的高弹性模量材料为PDMS，低弹性模量材料为Ecoflex。
5.根据权利要求1所述的一体化柔性基底，其特征在于，所述基底由两种以上具有不同弹性模量的柔性材料在长度、宽度、高度中的一个或多个维度拼接组合而成。
6.根据权利要求1所述的一体化柔性基底，其特征在于，具有不同弹性模量的柔性材料通过化学方法、物理方法中的一种或多种连接固定。
7.根据权利要求1所述的一体化柔性基底，其特征在于，具有不同弹性模量的柔性材料通过化学方法连接固定。
8.根据权利要求1所述的一体化柔性基底，其特征在于，所述基底通过增材制造、印刷、浇筑中的一种或多种方法实现图形化制备后固化而成。
9.根据权利要求1所述的一体化柔性基底，其特征在于，所述基底通过增材制造实现图形化制备后固化而成。
10.具有大拉伸性的一体化柔性电路，包括元件层和封装层，其特征在于，元件层由权利要求1-9任一权利要求所述的一体化柔性基底承载电子元件形成。
11.根据权利要求10所述的一体化柔性电路，其特征在于，所述元件层由单层元件与绝缘层一并组成或多层元件与绝缘层一并组成。
12.根据权利要求10所述的一体化柔性电路，其特征在于，所述封装层由一种聚合物构成，或者由多种聚合物拼接组合而成。
13.根据权利要求10-12所述的一体化柔性电路的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)配置两种以上具有不同弹性模量的聚合物溶液；
(2)将配置好的聚合物溶液依次图形化并固化，得到一体化柔性基底；
(3)将刚性电子元件置于基底较高弹性模量区域，将柔性电子元件置于基底较低弹性模量区域，完成元件层的制备；
(4)在元件层上层图形化制备一层封装层。
14.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，步骤(2)所述图形化通过增材制造、印刷、浇筑中的一种或多种方法实现，所述固化通过溶剂挥发、热固化、紫外固化中的一种或多种方法实现。
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