CN111586988A - 一种超细线路制备装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超细线路制备装置，其中，包括纳米铜气溶胶制备装置和纳米铜收集装置，所述纳米铜气溶胶制备装置通过管道与所述纳米铜收集装置连接，所述纳米铜收集装置包括外壳，所述外壳内部设有用于放置基板并接收所述纳米铜气溶胶制备装置制备出的纳米铜气溶胶的XY移动平台，以及用于对XY移动平台上放置的基板进行光烧结的光学系统，所述外壳上设有抽真空装置和出气口，所述出气口上设有第一单向排气阀。本发明还提供一种超细线路制备方法。本发明能够有效避免纳米铜颗粒被氧化，显著提高基本上超细线路的加工效率，且成本低、无污染。

Description

一种超细线路制备装置及其方法
技术领域
本发明涉及电子基板技术领域，更具体地，涉及一种超细线路制备装置及其方法。
背景技术
近年来，纳米技术得到了长远地发展，纳米金属低温烧结后接近块状金属的熔点、电导率和热导率，可以较好的满足高温服役的工作环境。这其中，纳米铜以成本低廉、材料易得、电迁移率低等优势脱颖而出。所以研究者们将纳米铜颗粒制备成铜膏应用于基板的超细导电线路的制备中，虽然纳米铜材料具有独特的优势，但是氧化问题严重，纳米铜抗氧化问题是人们一直希望能够解决的难题。中国专利一种具有较高速率的电路基板线圈线路蚀刻工艺，中国公布号为CN107949164A，公开日期为20171127，该专利通过在铜箔上进行激光进行刻蚀形成超细线路，但是并没有解决铜的氧化问题；而公开传统的管式炉、快速退火炉、热压炉加热需要很长的加热时间，在充满保护气体的传统烧结炉进行烧结也存在一定程度的氧化，现有的光烧结工艺保证了较低的退火速度和较快的加工速度，即使在空气环境中也有明显的抗氧化作用，此外光烧结的纳米铜薄膜比传统的加热工艺具有更好的集电性能和更低的氧化率；但是在光烧结过程中纳米铜依旧存在与外界空气接触而出现被氧化的缺陷，造成纳米铜颗粒之间的连接强度不高，导电性能不强等问题，而且操作过程较多，增加了操作难度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有超细线路加工过程中已被氧化和操作难度大的缺点，提供一种超细线路制备装置。本发明能够有效避免纳米铜颗粒被氧化，显著提高基本上超细线路的加工效率，且成本低、无污染。
本发明还提供了一种超细线路制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种超细线路制备装置，包括纳米铜气溶胶制备装置和纳米铜收集装置，所述纳米铜气溶胶制备装置通过管道与所述纳米铜收集装置连接，所述纳米铜收集装置包括外壳，所述外壳内部设有用于放置基板并接收所述纳米铜气溶胶制备装置制备出的纳米铜气溶胶的XY移动平台，以及用于对XY移动平台上放置的基板进行光烧结的光学系统，所述外壳上设有抽真空装置和出气口，所述出气口上设有第一单向排气阀。本技术方案中纳米铜气溶胶制造装置生成纳米铜颗粒，纳米铜颗粒分散在惰性气体中形成纳米铜气溶胶，纳米铜气溶胶从管道中进入纳米铜收集装置，XY移动平台上放置需要加工的基板，纳米铜颗粒沉积在基板上，XY移动平台带动基板进行移动的同时，光学系统发出的光对基本上沉积的纳米铜颗粒进行烧结，随着XY平台的移动，基板上烧结形成具有精确线宽、线距和所需形状的可导电的超细线路，由于抽真空装置提前将纳米铜收集装置内的空气进行抽取，纳米铜气溶胶制备装置形成的气溶胶源源不断输入纳米铜收集装置，使得纳米铜收集装置内可以充满由纳米铜收集装置中产生的惰性气体，在烧结加工过程中能够有效避免纳米铜颗粒被氧化，第一单向排气阀排出纳米铜收集装置多余的惰性气体，维持纳米铜收集装置中的压力。
进一步的，所述管道上设有单向阀，所述管道上还设有临界孔，所述临界孔与所述纳米铜气溶胶制备装置之间的管道上还设有第二单向排气阀。本技术方案中，单向阀控制纳米铜气溶胶制备装置中气溶胶是否通往纳米铜收集装置，当需要纳米铜收集装置内部一直保持真空状态时，需要将抽真空装置一直开启，打开单向阀，纳米铜气溶胶通过临界孔时，由于临界孔是一个微细孔，尺寸范围在0.01um-5mm，面对纳米铜收集装置固定流速的气溶胶输出，临界孔会起到控流空压的作用，故临界孔只能通过纳米铜气溶胶中铜纳米铜颗粒和小部分惰性气体进入纳米铜收集装置，其中纳米铜气溶胶中未通过临界孔的大部分惰性气体通过管道的第二单向排气阀进行排出，纳米铜颗粒进入纳米铜收集装置在基板上沉积，真空装置将进入纳米铜收集装置中的多余的惰性气体抽出，保证临界孔靠近纳米铜收集装置一侧为真空状态，靠近纳米铜气溶胶制备装置的一侧为常压状态，当基板上纳米铜颗粒达到一定的厚度后，关闭单向阀和抽真空装置，让光学系统和XY移动平台在真空状态的纳米铜收集装置中完成烧结。
进一步的，所述光学系统包括光发生器、光隔离器、光控制器、光阑和反光镜，所述光发生器位于所外壳的内壁，所述光隔离器、光控制器和光澜依次叠放在所述光发生器上，所述反光镜的位置满足所述光发生器发出的光线经反光镜反射后被所述XY移动平台接收到。光隔离器、光控制器和光阑对光发生器发出的光进行控制，反光镜改变光的路线，将光反射到XY移动平台上的基板上对沉积的纳米铜颗粒进行烧结。
进一步的，所述光发生器为热辐射光源、气体放电光源、电致发光光源、紫外光源、红外光源、非照明用的可见光源和激光光源中的一种或多种。所述光发生器产生的光波长为0.1μm-300μm中的任一种，所述光发生器产生的光直径为线路线宽的1.1倍。以确保线路完全烧结成型。
进一步的，所述纳米铜气溶胶制备装置为化学气相沉积装置、电火花放电装置或电弧放电装置。
一种超细线路制备方法，包括以下步骤：
S1.在XY移动平台上放置待加工基板，将所需要的线路形状输入XY移动平台，利用抽真空装置将纳米铜收集装置中的空气抽出；
S2.获取光学系统的照射位置，调整光学系统的照射位置至线路加工的初始位置；
S3.启动纳米铜气溶胶制备装置，纳米铜气溶胶制备装置产生的纳米铜颗粒溶入惰性气体形成纳米铜气溶胶，纳米铜气溶胶通过管道进入纳米铜收集装置；
S4.纳米铜气溶胶中的纳米铜颗粒在基板上沉积后，打开光学系统和XY移动平台，XY移动平台根据步骤1中输入的线路形状带动基板进行移动，光学系统对基板上沉积的纳米铜颗粒进行光烧结；
S5.光烧结完毕后，取出基板，将基板进行酸洗得到具有超细线路的电路基板。
进一步的，在步骤S1中，所述基板为半导体基板、有机/无机薄膜类柔性基板或多孔基板。
进一步的，在步骤S4中，纳米铜颗粒在基板上沉积的厚度范围为1nm-10mm。
进一步的，在步骤S5中酸洗的溶液为稀硫酸、稀硝酸、双氧水中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明通过利用光学系统对基板上的纳米铜颗粒进行光烧结形成超细线路，代替传统线路板金属化电镀工艺，能够得到清晰的超细线路；
2.本发明利用抽真空装置将纳米铜收集装置中的空气抽取干净，使得纳米铜颗粒从产生到完成光烧结的过程中均没有与空气进行接触，有效避免纳米颗粒被氧化，能够显著提高电路板的导电性能；
3.本发明通过XY移动平台带动基板进行移动，从而显著提高超细线路的加工效率，且成本低、无污染。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明中光学系统的结构示意图。
图示标记说明如下：
1-纳米铜气溶胶制备装置，2-单向阀，3-反射镜，4-纳米铜收集装置，5-光学系统，501-光发生器，502-光，503-光隔离器，504-光控制器，505-光澜，6-XY移动平台，7-基板，8-第一单向排气阀，9-抽真空装置，10-第二单向排气阀，11-临界孔。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
如图1至图2所示为本发明一种超细线路制备装置的实施例。一种超细线路制备装置，其中，包括纳米铜气溶胶制备装置1和纳米铜收集装置4，纳米铜气溶胶制备装置1通过管道与纳米铜收集装置4连接，管道上设有单向阀2，纳米铜收集装置4包括外壳，外壳内部设有用于放置基板7并接收纳米铜气溶胶制备装置1制备出的纳米铜气溶胶的XY移动平台6，以及用于对XY移动平台6上放置的基板7进行光烧结的光学系统，外壳上设有抽真空装置9和出气口，出气口上设有第一单向排气阀8，第一单向排气阀8排出纳米铜收集装置4多余的惰性气体，维持纳米铜收集装置4中的压力。
其中，光学系统5包括光发生器501、光隔离器503、光控制器504、光阑505和反光镜3，光发生器501位于外壳的内壁，光隔离器503、光控制器504和光澜505依次叠放在光发生器501上，反光镜3设置在外壳的内壁上，反射镜3将光502反射到XY移动平台6上放置的基板7。
另外，XY移动平台6采用的是电动整体位移台DXY100-300K，将线路形状输入该平台中，该平台能够根据线路形状进行移动，在移动的过程中，使得光发生器501产生的光502经过反射镜3在基板7上烧结形成对应的线路形状。基板7采用的是聚酰亚胺基板。
本实施例中，纳米铜气溶胶制备装置1是通过电火花放电装置制备纳米铜气颗粒，往电火花装置中通入氩气，纳米铜颗粒在氩气中形成纳米铜气溶胶；打开抽真空装置9，将纳米铜收集装置4中的空气抽出，打开管道上的单向阀2，纳米铜气溶胶从管道进入纳米铜收集装置4，纳米铜气溶胶中的纳米铜颗粒沉积在XY移动平台6上放置的聚酰亚胺基板上；在XY移动平台6中输入需要制备超细线路的形状；当纳米铜颗粒沉积0.1mm厚度时，光学系统5发射出直径为2.2μm、光功率为100W的连续波光激光经反射镜3投射到聚酰亚胺基板上进行纳米铜颗粒的烧结，随着XY移动平台根据之前输入的线路形状以2.5mm/s的速度移动，光学系统5对纳米铜颗粒的烧结形成具有2μm线宽、6μm线距的可导电的线路板，完成烧结后的聚酰亚胺基板经过稀硫酸清洗后得到清晰的线路。
实施例2
本实施例与实施例1类似，所不同之处在于，基板7采用的是聚乙烯对苯二甲酸酯基板，纳米铜气溶胶制备装置1是通过热蒸发装置制备纳米铜颗粒，往热蒸发装置中通入氩气，纳米铜颗粒在氩气中形成纳米铜气溶胶；打开抽真空装置9，将纳米铜收集装置4中的空气抽出，打开管道上的单向阀2，纳米铜气溶胶从管道进入纳米铜收集装置4，纳米铜气溶胶中的纳米铜颗粒沉积在XY移动平台6上放置的聚乙烯对苯二甲酸酯基板上；在XY移动平台6中输入需要制备超细线路的形状；纳米铜颗粒沉积50μm厚度时，光学系统5发射出直径为110mm、光功率为8W的紫外激光经反射镜3投射到聚乙烯对苯二甲酸酯基板上进行纳米铜颗粒的烧结，随着XY移动平台根据之前输入的线路形状以6mm/s的速度移动，光学系统5对纳米铜颗粒的烧结形成具有100nm线宽、300nm线距的可导电的线路板，完成烧结后的聚乙烯对苯二甲酸酯基板经过稀硝酸洗后得到清晰的线路。
实施例3
本实施例与实施例1类似，所不同之处在于，基板7采用的是聚萘二甲酸丁二酯基板，纳米铜气溶胶制备装置1是通过电弧放电装置制备纳米铜颗粒，往电弧放电装置通入氮气，纳米铜颗粒在氮气中形成纳米铜气溶胶；打开抽真空装置9，将纳米铜收集装置4中的空气抽出，打开管道上的单向阀2，纳米铜气溶胶从管道进入纳米铜收集装置4，纳米铜气溶胶中的纳米铜颗粒沉积在XY移动平台6上放置的聚乙烯对苯二甲酸酯基板上；在XY移动平台6中输入需要制备超细线路的形状；纳米铜粉沉积1μm厚度时，光学系统5发射出直径为550nm、光功率为5000W的皮秒激光经反射镜3投射到聚萘二甲酸丁二酯基板上进行纳米铜颗粒的烧结，随着XY移动平台6以20mm/s的速度移动，光学系统5对纳米铜颗粒的烧结形成具有500nm线宽、1μm线距的可导电的线路板，完成烧结后的聚乙烯对苯二甲酸酯基板经过稀硝酸洗后到线路清晰的线路。
实施例4
本实施例与实施例1类似，所不同之处在于，基板7采用的是聚酰亚胺基板，纳米铜气溶胶制备装置1是通过电火花放电装置制备纳米铜颗粒，往电火花放电装置通入氢气和氮气混合气，纳米铜颗粒在氢气和氮气混合气中形成纳米铜气溶胶，打开抽真空装置9，将纳米铜收集装置4中的空气抽出，打开管道上的单向阀2，纳米铜气溶胶从管道进入纳米铜收集装置4；在XY移动平台6中输入需要制备超细线路的形状；纳米铜粉沉积50nm厚度时，光学系统5发射出直径为22nm、光功率为2000W的紫外激光经反射镜3投射到聚酰亚胺基板上进行纳米铜颗粒的烧结，随着XY移动平台6根据之前输入的线路形状以40.5mm/s的速度移动，光学系统5对纳米铜颗粒的烧结形成具有20nm线宽、40nm线距的可导电的线路板，完成烧结后的聚酰亚胺基板经过稀硫酸洗后得到清晰的线路。
实施例5
本实施例与实施例1类似，不同的地方在于，管道上设有临界孔11，临界孔11与纳米铜气溶胶制备装置1之间的管道上还设有第二单向排气阀10，本实施例中，要求纳米铜收集装置4内部一直保持真空状态，让基板7在纳米铜收集装置4中处于真空状态完成光烧结，故需要将抽真空装置9一直开启，打开单向阀2，纳米铜气溶胶通过临界孔11时，临界孔11能够将纳米铜气溶胶中铜纳米铜颗粒和小部分惰性气体进入纳米铜收集装置4，其中纳米铜气溶胶中的大部分惰性气体通过管道的第二单向排气阀10进行排出，纳米铜颗粒进入纳米铜收集装置4在基板上沉积，抽真空装置9将进入纳米铜收集装置4中的多余的惰性气体抽出，保证临界孔11靠近纳米铜收集装置4一侧为真空状态，靠近纳米铜气溶胶制备装置1的一侧为常压状态，当基板7上纳米铜颗粒达到一定的厚度后，依次关闭单向阀2和抽真空装置9，让光学系统5和XY移动平台6在真空状态的纳米铜收集装置4中完成烧结。
实施例6
一种超细线路制备方法的实施例，包括以下步骤：
S1.在XY移动平台6上放置待加工基板7，将所需要的线路形状输入XY移动平台6，利用抽真空装置9将纳米铜收集装置4中的空气抽出；
S2.获取光学系统5的照射位置，调整光学系统5的照射位置至线路加工的初始位置；
S3.启动纳米铜气溶胶制备装置1，纳米铜气溶胶制备装置1产生的纳米铜颗粒溶入惰性气体形成纳米铜气溶胶，纳米铜气溶胶通过管道进入纳米铜收集装置4；
S4.纳米铜气溶胶中的纳米铜颗粒在基板7上沉积后，打开光学系统5和XY移动平台6，XY移动平台6根据步骤1中输入的线路形状带动基板7进行移动，光学系统5对基板7上沉积的纳米铜颗粒进行光烧结；
S5.光烧结完毕后，取出基板7，将基板7进行酸洗。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超细线路制备装置，其特征在于：包括纳米铜气溶胶制备装置和纳米铜收集装置，所述纳米铜气溶胶制备装置通过管道与所述纳米铜收集装置连接，所述纳米铜收集装置包括外壳，所述外壳内部设有用于放置基板并接收所述纳米铜气溶胶制备装置制备出的纳米铜气溶胶的XY移动平台，以及用于对XY移动平台上放置的基板进行光烧结的光学系统，所述外壳上设有抽真空装置和出气口，所述出气口上设有第一单向排气阀。
2.根据权利要求1所述的一种超细线路制备装置，其特征在于：所述管道上设有单向阀，所述管道上还设有临界孔，所述临界孔与所述纳米铜气溶胶制备装置之间的管道上还设有第二单向排气阀。
3.根据权利要求1所述的一种超细线路制备装置，其特征在于：所述光学系统包括光发生器、光隔离器、光控制器、光阑和反光镜，所述光发生器位于所外壳的内壁，所述光隔离器、光控制器和光澜依次叠放在所述光发生器上，所述反光镜的位置满足所述光发生器发出的光线经反光镜反射后被所述XY移动平台接收到。
4.根据权利要求3所述的一种超细线路制备装置，其特征在于：所述光发生器为热辐射光源、气体放电光源、电致发光光源、紫外光源、红外光源、非照明用的可见光源和激光光源中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的一种超细线路制备装置，其特征在于：所述光发生器产生的光波长为0.1μm-300μm中的任一种，所述光发生器产生的光直径为线路线宽的1.1倍。
6.根据权利要求1所述的一种超细线路制备装置，其特征在于：所述纳米铜气溶胶制备装置为化学气相沉积装置、电火花放电装置或电弧放电装置。
7.一种超细线路制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.在XY移动平台上放置待加工基板，将所需要的线路形状输入XY移动平台，利用抽真空装置将纳米铜收集装置中的空气抽出；
S2.获取光学系统的照射位置，调整光学系统的照射位置至线路加工的初始位置；
S3.启动纳米铜气溶胶制备装置，纳米铜气溶胶制备装置产生的纳米铜颗粒溶入惰性气体形成纳米铜气溶胶，纳米铜气溶胶通过管道进入纳米铜收集装置；
S4.纳米铜气溶胶中的纳米铜颗粒在基板上沉积后，打开光学系统和XY移动平台，XY移动平台根据步骤1中输入的线路形状带动基板进行移动，光学系统对基板进行光烧结；
S5.光烧结完毕后，取出基板，将基板进行酸洗得到具有超细线路的电路基板。
8.根据权利要求7所述的一种超细线路制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述基板为半导体基板、有机/无机薄膜类柔性基板或多孔基板。
9.根据权利要求7所述的一种超细线路制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，纳米铜颗粒在基板上沉积的厚度范围为1nm-10mm。
10.根据权利要求9所述的一种超细线路制备方法，其特征在于：所述步骤S5中酸洗的溶液为稀硫酸、稀硝酸、双氧水中的一种或多种。
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