CN112770547B - 一种高集成度液体金属柔性电路制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高集成度液体金属柔性电路制备方法，解决现有柔性电路制备方法存在特征线宽过大、集成度低、制备流程复杂、成本高以及无法制备多层液体金属电路的问题。该方法包括：步骤一、清洗柔性基底；步骤二、飞秒激光直写电路图案；步骤三、分别清洗带有电路图案的柔性基底和另一片未加工的柔性基底；步骤四、氧等离子体键合；步骤五、液体金属灌注；该方法流程简单快速、成本较低，使得液体金属电路不再局限于单层电路，而且能够很容易实现多层液体金属柔性电路的制备。

Description

一种高集成度液体金属柔性电路制备方法

技术领域

本发明属于柔性电子技术领域，具体涉及一种高集成度液体金属柔性电路制备方法。

背景技术

随着电子技术的发展，柔性可穿戴器件成为未来电子器件发展的主要方向，在人体健康监测、可穿戴设备、柔性机器人领域具有重要发展潜力。柔性可穿戴器件的主要技术问题在于柔性电路的制备。柔性电路由柔性基底和柔性电极材料构成，其具备良好的延展性以及在承受反复变形时仍保持良好导电性的能力。

为了研究出具备良好延展性及导电性的柔性电路，研究者们采用了一种液体金属材料—镓基合金，作为柔性电极材料。以镓铟合金为例，这种液体金属熔点低于30℃，在室温下为液体状态，而且具备良好的导电性和导热性。最重要的是，镓基液体金属无毒，对于人体无害，因此可以用来柔性电路。

中国专利CN110868794A公开了一种激光雕刻打印超精密液态金属微电子的制备方法，该方法通过激光雕刻机进行液体金属柔性电路制备，但是所用激光本身不具备精密加工能力，所以存在特征线宽过大(最小为250μm)的问题，而且该方法所获得的液体金属电路的金属最小厚度为200μm，在制备液体金属薄膜电路时存在很明显的缺陷。同时，在液体金属填充工艺中，该方法采用将液体金属顺着电路图案挤出的方案，从而存在着制备效率低，工作量大等问题。最主要的是，该方法所制备的液体金属电路因为厚度太大(最小为200μm)、线宽过大(最小为250μm)，所以无法制备可穿戴薄膜式多层柔性液体金属电路。因此，该方法仅适用于集成度要求不高的柔性电路制备，无法实现高集成度、超薄、可多层化液体金属电路的制备。

综上，现有利用镓基液体金属制备柔性电路的方法存在着特征线宽过大、集成度低、制备流程复杂、成本高以及在多层液体金属电路制备时仍存在着制备方法不便等问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有柔性电路制备方法存在特征线宽过大、集成度低、制备流程复杂、成本高以及无法制备多层液体金属电路的问题，提出一种高集成度液体金属柔性电路制备方法，该方法流程简单快速、成本较低，使得液体金属电路不再局限于单层电路，而且能够很容易实现多层液体金属柔性电路的制备。

为实现以上发明目的，本发明技术解决方案是：

一种高集成度液体金属柔性电路制备方法，包括以下步骤：

步骤一、清洗柔性基底；

步骤二、飞秒激光直写电路图案；

2.1)将柔性基底放置在三维移动平台表面；

2.2)将飞秒激光通过显微镜物镜聚焦至柔性基底表面；

2.3)根据电路图案进行三维平台移动程序编程；

2.4)根据步骤2.3)设定的程序控制三维平台进行移动，在柔性基底表面扫描出电路微槽，形成电路图案；

步骤三、分别清洗带有电路图案的柔性基底和另一片未加工的柔性基底；

步骤四、氧等离子体键合；

4.1)将带有电路图案的柔性基底表面和未加工柔性基底表面进行氧等离子体表面改性处理；

4.2)将经过氧等离子体表面改性处理后的两个表面贴合，对已加工的电路图案进行键合封装；

4.3)若进行单层液体金属柔性电路的制备，则直接执行步骤5)，若进行多层液体金属柔性电路的制备，则执行步骤4.4)；

4.4)将键合封装后的柔性基底放置在三维移动平台表面，对未加工柔性基底的未改性表面执行步骤2.2)至步骤4.2)，直至完成n+1层柔性基底的键合封装，n为液体金属柔性电路的层数；

步骤五、液体金属灌注；

将液体金属从电路微槽的一端灌注到封装后的柔性基底中，液体金属填充在电路图案内，从而得到高集成度液体金属柔性电路。

进一步地，步骤4.3)中，若进行多层液体金属柔性电路的制备，则步骤2.4)中，在各层电路微槽之间通过飞秒激光制作相互连通的通孔。

进一步地，步骤二中，飞秒激光的中心波长为325～1200nm，脉宽为10～500fs，重复频率为10Hz～100KHz，激光功率在30～100mW范围内。

进一步地，所述柔性基底为PDMS或硅胶材料，所述液体金属为镓基合金。

进一步地，步骤二中，三维移动平台的移动速度在0.1～100μm/s范围内；显微镜物镜倍数在5x～50x之间，数值孔径NA值在0.05～0.8之间。

进一步地，步骤一具体为，分别在无水乙醇溶液和去离子水中对柔性基底进行超声清洗。

进一步地，步骤三具体为，将带有电路图案的柔性基底和另一片未加工的柔性基底分别在无水乙醇溶液和去离子水中进行超声清洗。

与现有技术相比，本发明方法的优点是：

1.本发明方法制备的高集成度液体金属柔性电路最小线宽能够达到10μm以下，相比于表面喷涂、丝网印刷以及脱模法等制备的液体金属电路，集成度有了大幅度提高；而且，本发明采用在内部灌注液体金属的方法，省去了液体金属电路成型后的封装过程，直接一步成型，流程简单。

2.本发明采用飞秒激光进行液体金属电路制备，电路图案是由飞秒激光在柔性基底表面一次直写成型，制备方法简单、快速、对加工条件无特殊要求，直接在空气环境中即可完成。相比于光刻和软光刻方法，在大幅简化了制备过程的同时，还降低了制备成本。因此，本发明能有效降低超高集成度液体金属电路制备的成本。

3.本发明方法可进行多层高集成度液体金属电路的制备，制备过程简单，只需逐层进行电路图案扫描，然后封装即可完成。

4.本发明制备的高集成度液体金属柔性电路具备良好的延展性，能够在承受大幅拉伸、弯折、扭曲、以及高应力集中时，仍然保持很好的导电性，解决了传统电路抗弯折能力差，无法大幅变形等问题。

5.本发明方法利用飞秒激光所制备的微槽内部布满丰富的微纳粗糙结构，这种粗糙微纳结构在灌注液体金属电路时，能够显著降低液体金属与通道内壁的粘附力，从而提高灌注效率，实现高密度、超长液体金属电路通道灌注。

附图说明

图1为本发明高集成度液体金属柔性电路制备方法流程示意图；

图2为本发明方法制备的双层独立液体金属电路示意图；

图3为本发明方法制备的双层互通液体金属电路示意图；

图4为本发明方法制备的液体金属电路承受各种大幅复杂变形示意图；

图5为本发明方法制备的液体金属电路在承受不同复杂变形时的导电性测试示意图；

图6为本发明方法制备的液体金属拉力传感器电路示意图；

图7为本发明方法制备的液体金属叉指电极电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明提供一种高集成度液体金属柔性电路制备方法，该方法流程简单快速、成本较低，而且使得液体金属电路不再局限于单层电路，能够较容易实现多层液体金属柔性电路的制备。该方法在柔性基底表面通过飞秒激光直写电路图案，飞秒激光的脉宽极短(10^-15)、峰值功率密度极高(～10¹⁵W/cm²)、且光斑大小最小能达到百纳米，具备高精密加工的能力，从而能够制备出极高分辨率、高集成度的电路图案。带有电路图案的柔性材料基底经过表面氧等离子体改性之后，可以进行封装键合。最后，将液体金属灌注进封装好的柔性材料内，液体金属会填充在已经扫描过的电路图案内，形成高集成度液体金属柔性电路。

如图1所示，本发明提供的高集成度液体金属柔性电路制备方法具体包括以下步骤：

步骤一、清洗柔性基底；

分别在无水乙醇溶液和去离子水中对柔性基底进行超声清洗，各5分钟；

步骤二、飞秒激光直写电路图案；

2.1)将柔性基底放置在XYZ三维可移动平台表面；

2.2)将调节好参数的飞秒激光通过显微镜物镜聚焦到柔性基底材料表面；

2.3)根据所需电路图案进行三维平台移动程序编程；

2.4)根据步骤2.3)设定的程序控制三维平台进行移动，在柔性基底表面扫描出电路微槽，形成电路图案；

该步骤中，激光直写过程是飞秒激光直接在柔性基底表面进行单次扫描，极大地降低了加工时间；飞秒激光的中心波长为325～1200nm，脉宽为10～500fs，重复频率为10Hz～100KHz；三维可移动平台的移动速度在0.1～1000mm/s范围内；激光功率在30～100mW范围内，显微镜物镜倍数在5x～50x之间，数值孔径NA值在0.05～0.8之间；激光直写后的电路图案为微槽型，三维平台的移动速度、激光功率、以及显微镜物镜数值孔径大小同时影响着微槽的线宽，通过移动速度、激光功率、以及数值孔径大小的调节，可实现不同液体金属线宽的电路图案直写，通过调节加工参数，液体金属电路的线宽可最小达到10μm以下；

步骤三、清洗激光直写后的柔性基底材料；

将带有电路图案的柔性基底和另一片未加工的柔性基底分别在无水乙醇溶液和去离子水中进行超声清洗，各5分钟；

步骤四、氧等离子体键合；

4.1)将清洗后的带有电路图案的柔性基底材料表面与另一片未加工柔性基底表面进行氧等离子体表面改性处理；

4.2)将经过氧等离子体表面改性处理后的两个表面贴合，对已加工的电路图案进行键合封装；

4.3)若进行单层液体金属柔性电路的制备，则直接执行步骤5)，若进行多层液体金属柔性电路的制备，则执行步骤4.4)；

4.4)将键合封装后的柔性基底放置在三维移动平台表面，对未加工柔性基底的未改性表面执行步骤2.2)至步骤4.2)，直至完成n+1层柔性基底的键合封装，n为液体金属柔性电路的层数；

该步骤中，多层电路制备及封装过程与单层过程相同，两层以上的多层电路只需逐层进行电路图案的直写，然后进行逐层键合即可；

步骤五、液体金属灌注；

将液体金属从扫描后的电路微槽的一端灌注进封装好的柔性材料，液体金属会填充在已经激光扫描过的电路图案内，得到高集成度液体金属柔性电路。

上述方法中，若进行多层液体金属柔性电路的制备，则步骤2.4)中，在各层电路微槽之间通过飞秒激光制作相互连通的通孔，此时，步骤五中，液体金属灌注一次即可。

上述柔性基底为具备高延展性的聚合物材料，如PDMS或硅胶薄膜类柔性聚合物等；液体金属材料为室温下能呈现液态的金属材料(熔点低于30℃)，如镓基合金(镓铟合金，镓铟锡合金)。

图2、图3为双层液体金属电路。图2为双层互相独立的电路结构，两层之间电路不互通，制备时分别对柔性基底两侧做电路图案直写，然后两边分别进行键合后灌液。图3为双层互通的电路结构，两层电路之间需要互相连通，制备时除了两侧电路直写外，连通处还需要通过飞秒激光打孔。双层互通的电路结构只需要对一端进行灌液即可。

图4所示为制备好的液体金属电路，经过灌注后的柔性材料依然保持很好的柔性，并且能够承受各种大幅复杂变形。

图5所示为对制备好的液体金属电路做的在不同变形情况下的导电性测试，将液体金属电路与LED灯连接进行导电性测试。在承受拉伸变形、高应力集中作用、以及大幅度扭转变形时，液体金属电路依然保持有非常好的导电性。说明，所制备的高集成度的液体金属柔性电路具备有很好地抗弯折、抗应力集中性能，能够有效应用于可穿戴设备，柔性电子皮肤，以及柔性机器人等柔性电子领域。

图6和图7为制备并且灌注了液体金属的两种不同复杂电路。图6为两端相通的拉力传感器电路。灌注液体金属时，只需在一端进行灌液，液体金属会填充在整个激光直写出的电路图案内，整个灌注过程只需一次完成。图7为两端不互通的叉指电极型液体金属电路。灌注液体金属时，需要分别从两端进行液体金属灌注。

Claims (4)

1.一种高集成度液体金属柔性电路制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、清洗柔性基底，柔性基底为具备高延展性的聚合物材料；

步骤二、飞秒激光直写电路图案；

2.1）将柔性基底放置在三维移动平台表面；

2.2）将飞秒激光通过显微镜物镜聚焦至柔性基底表面，飞秒激光的中心波长为325～1200nm，脉宽为10～500fs，重复频率为10Hz～100KHz，激光功率在30～100mW范围内；

2.3）根据电路图案进行三维平台移动程序编程；

2.4）根据步骤2.3）设定的程序控制三维平台移动，在柔性基底表面扫描出电路微槽，形成电路图案，所述三维平台的移动速度在0.1～100mm/s范围内；显微镜物镜倍数在5x～50x之间，数值孔径NA值在0.05～0.8之间；若进行多层液体金属柔性电路的制备，则在各层电路微槽之间通过飞秒激光制作相互连通的通孔；

步骤三、分别清洗带有电路图案的柔性基底和另一片未加工的柔性基底；

步骤四、氧等离子体键合；

4.1）将带有电路图案的柔性基底表面和未加工的柔性基底表面进行氧等离子体表面改性处理；

4.2）将经过氧等离子体表面改性处理后的两个表面贴合，对已加工的电路图案进行键合封装；

4.3）若进行单层液体金属柔性电路的制备，则直接执行步骤五，若进行多层液体金属柔性电路的制备，则执行步骤4.4）；

4.4）将键合封装后的柔性基底放置在三维移动平台表面，对未加工柔性基底的未改性表面执行步骤2.2）至步骤4.2），直至完成n+1层柔性基底的键合封装，n为液体金属柔性电路的层数；

步骤五、液体金属灌注；

将液体金属从电路微槽的一端灌注到封装后的柔性基底中，液体金属填充在电路图案内，从而得到高集成度液体金属柔性电路，所述液体金属为室温下能呈现液态的金属。

2.根据权利要求1所述的高集成度液体金属柔性电路制备方法，其特征在于：所述柔性基底为PDMS或硅胶材料，所述液体金属为镓基合金。

3.根据权利要求2所述的高集成度液体金属柔性电路制备方法，其特征在于：步骤一具体为，分别在无水乙醇溶液和去离子水中对柔性基底进行超声清洗。

4.根据权利要求3所述的高集成度液体金属柔性电路制备方法，其特征在于：步骤三具体为，将带有电路图案的柔性基底和另一片未加工的柔性基底分别在无水乙醇溶液和去离子水中进行超声清洗。

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