CN113727530B - 基于形状记忆聚合物的电子器件的制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种基于形状记忆聚合物的电子器件的其制备工艺。该制备工艺包括电路加工，所述电路加工包括提供形状记忆聚合物薄膜(3)，所述形状记忆聚合物薄膜(3)的材料为热塑性形状记忆聚合物。在所述形状记忆聚合物薄膜(3)上蒸镀铬和/或钛，形成连接层(4)。在所述连接层(4)上蒸镀铜、金、铂中的至少一者，形成电路层(5)。通过正胶光刻的方法图案化所述电路层(5)。相比于现有技术中在形状记忆聚合物薄膜中制备凹槽铺设导线的方式，本申请采用蒸镀的方法，在薄膜上制备电路层作为导线，方法简单，精度较高。

Description

基于形状记忆聚合物的电子器件的制备工艺
技术领域
本申请涉及先进制造技术领域，尤其涉及一种基于形状记忆聚合物的电子器件的制备工艺。
背景技术
近年来，结合柔性电子技术的三维微结构，在生物医学器件、能量收集系统、光电子学、微机电系统等领域有着广泛的应用，是国内外研究的热点。使用热塑性形状记忆聚合物制造智能材料、织物、电子包装、智能医药器件、高功率三维天线等多种实用性三维微结构也是一种新趋势。
热塑性形状记忆聚合物屈曲诱导三维微结构组装方法的提出为三维微结构的精确组装提供了一种可靠的制备途径。该方法通过预拉伸基底的释放，使部分粘贴其上的二维薄膜在压缩应变作用下发生后屈曲变形，形成三维微结构。利用热塑性形状记忆聚合物的特点，将屈曲变形后的结构加热到玻璃化转变温度，之后进行冷却，屈曲变形后的三维维结构得以固定。利用该种方法制造三维微电子器件，其制备工艺应具备如下特征：(1)结构层数较少，要尽可能轻薄，利于三维组装；(2)加工过程温度不能过高，尽可能不引入残余应力；(3)电路要尽可能精细，并且导线具有良好的导电性。
基于前面介绍可以发现，形状记忆聚合物平面电路加工工艺具有较高要求，如何制备二维薄膜结构上精细的导线、电路是三维器件完成预期功能的关键。当前的技术方法需要先在形状记忆聚合物表面制备相应尺寸的凹糟，凹槽一般通过离子刻蚀或者激光进行制备，之后填充碳纳米管或者液态金属来充当电路的导电物，最后利用多层的设计将电路进行封装，局限于二维结构。
形状记忆聚合物表面制备相应尺寸凹糟的方法较为复杂，很难保证较高的精度。另外制备凹槽会导致结构整体厚度变厚影响后续进行的三维结构自组装。在加工过程中的温升会引入残余应力，在结构转印之后，结构会由于残余应力而变形，影响结构精度。
发明内容
为了改善或解决背景技术中提到的至少一个问题，本申请提供了一种基于形状记忆聚合物的电子器件的制备工艺。
上述形状记忆聚合物的电子器件的制备工艺包括电路加工，所述电路加工包括：
提供形状记忆聚合物薄膜，所述形状记忆聚合物薄膜的材料为热塑性形状记忆聚合物；
在所述形状记忆聚合物薄膜上蒸镀铬和/或钛，形成连接层；
在所述连接层上蒸镀铜、金、铂中的至少一者，形成电路层；以及
通过正胶光刻的方法图案化所述电路层。
在至少一个实施方式中，在所述连接层的蒸镀过程中，所述连接层的蒸镀厚度为20微米至40微米。
在至少一个实施方式中，在所述连接层的蒸镀过程中，所述连接层的蒸镀速率为0.05埃/秒至0.2埃/秒，用于蒸镀所述连接层的真空腔的腔内温度低于40℃。
在至少一个实施方式中，在所述电路层的蒸镀过程中，所述电路层的蒸镀厚度为400微米至1000微米。
在至少一个实施方式中，在所述电路层的蒸镀过程中，所述电路层的蒸镀速率为0.5埃/秒至2埃/秒，用于蒸镀所述电路层的真空腔的腔内温度低于50℃。
在至少一个实施方式中，所述电路加工还包括：
提供施主基底，所述施主基底包括硅片；
在所述施主基底上设置水溶性牺牲层；以及
在蒸镀所述连接层之前，将所述形状记忆聚合物薄膜设置于所述水溶性牺牲层上，
所述制备工艺还包括电路转印，通过所述电路转印能够将所述形状记忆聚合物薄膜、所述连接层和所述电路层形成的组合体从所述施主基底转印至受主基底，所述电路转印包括：
将包括所述施主基底、所述水溶性牺牲层和所述组合体的电子器件置入水中，随后捞出；
提供所述受主基底；以及
将所述组合体转印于所述受主基底。
在至少一个实施方式中，所述水的温度为50至65℃，包括所述施主基底、所述水溶性牺牲层和所述组合体的所述电子器件置入水中的时间为1分钟至2分钟。
在至少一个实施方式中，所述电路转印还包括：
提供水溶性胶带；
在包括所述施主基底、所述水溶性牺牲层和所述组合体的电子器件从水中捞出后，将所述水溶性胶带粘在所述组合体上；以及
将所述组合体转印于所述受主基底，滴水溶解所述水溶性胶带。
在至少一个实施方式中，所述制备工艺还包括电子器件的组装，所述电子器件的组装包括：
提供预拉伸平台；
在所述组合体转印于所述受主基底之前，将所述受主基底以拉伸的状态固定于所述预拉伸平台，所述受主基底包括硅胶；以及
在所述组合体转印于所述受主基底以后，释放所述预拉伸平台。得到屈曲变形的组合体。
对屈曲变形的所述组合体加热然后冷却固形，对所述组合体的加热温度超过所述形状记忆聚合物薄膜的热转变温度。
本申请提供的基于形状记忆聚合物的电子器件的制备工艺使得电子器件的结构层数较少、轻薄，便于电子器件的三位组装。相比于现有技术中在形状记忆聚合物薄膜中制备凹槽铺设导线的方式，本申请采用蒸镀的方法，在薄膜上制备电路层作为导线，方法简单，精度较高。
附图说明
图1示出了根据本申请实施方式的基于形状记忆聚合物的电子器件的电路加工后的结构示意图。
图2示出了根据本申请实施方式的基于形状记忆聚合物的电子器件的电路转印后的结构示意图。
图3示出了根据本申请实施方式的基于形状记忆聚合物的电子器件的三维组装前的结构示意图。
图4示出了图3的电子器件的三维组装后的结构示意图。
附图标记说明
1施主基底；2水溶性牺牲层；3形状记忆聚合物薄膜；4连接层；5电路层；6受主基底；7组合体。
具体实施方式
下面参照附图描述本申请的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。
本申请提供了基于形状记忆聚合物的电子器件的制备工艺可以包括电路加工、电路转印和电子器件的组装，可以在形状记忆聚合物薄膜表面制备出高精度电路，并通过转印及组装将薄膜屈曲成三维器件，实现了电子器件的高精度制造。
本申请中提到的热塑性形状记忆聚合物可以为例如环氧树脂E44经过固化剂聚醚胺D230固化后的产物，或者其他转变温度低于100℃的热塑性形状记忆聚合物。
以单片电子器件为例，如图1所示，电路加工后，电子器件可以包括施主基底1、水溶性牺牲层2、形状记忆聚合物薄膜3、连接层4和电路层5。
基于形状记忆聚合物的电路加工可以包括，在施主基底1上设置水溶性牺牲层2，施主基底1可以为硅片。在水溶性牺牲层2上设置形状记忆聚合物薄膜3。在形状记忆聚合物薄膜3的另一面蒸镀厚度为20～40微米，优选为30微米的铬、钛等稳定且易蒸镀金属作为连接层4，连接层4可以提高电路层5与形状记忆聚合物薄膜3之间的结合稳定性。蒸镀速率可以控制在0.05～0.2埃/秒，优选为0.1埃/秒。蒸镀设备的真空腔内温度可以低于40℃，防止热塑性形状记忆聚合物在高温下丧失性能。
随后在连接层4上再蒸镀400～1000微米，优选为500微米的铜、金、铂等可以低温蒸镀、导电性良好的材料作为电路层5。电路层5的蒸镀速率可以控制在0.5～2埃/秒，优选为1埃/秒。蒸镀设备的真空腔内温度可以低于50℃。蒸镀完成后，可以使用正胶光刻的方法，将电路层5图案化，得到所设计的电路。热塑性形状记忆聚合物会在高温下丧失性能，本申请正是根据热塑性形状记忆聚合物的特性，设计了相应的蒸镀速度和蒸镀温度，使热塑性形状记忆聚合物成功应用于电子器件。
如图2所示，在电路制备完成后，可以将包括形状记忆聚合物薄膜3、连接层4、电路层5的组合体7从施主基底1上转印到受主基底6上。受主基底6的材料包括但不限于硅胶。
基于形状记忆聚合物的电路转印可以包括水浴加热，将电子器件的整体结构浸泡在50～65℃，优选50℃的温水中，浸泡1～2分钟，优选2分钟后捞出，以减少或消除整体结构的残余应力，提高结构的整体精度。水浴过程中水溶性牺牲层2会逐渐溶解，便于组合体7脱离施主基底1。在确保电子器件表面无褶皱后，可以选用水溶性胶带(图中未示出)，粘在组合体7上，例如可以在组合体7未完全脱离施主基底1时，通过水溶性胶带的粘附作用，从施主基底1取出组合体7。
随后使用镊子或其他工具将组合体7从施主基底1转移到受主基底6上。接着在受主基底6上滴水，逐渐将水溶性胶带溶解，完成基于形状记忆聚合物的电路结构的转印过程。水溶性胶带易溶解，不污染电子器件，是本申请推荐的转印工具。
可以理解，为了实现后续的三维组装过程，可以通过夹子将受主基底6以预先拉伸的形态固定在预拉伸组装平台上。可以在受主基底6上相应位置涂抹胶水，实现组合体7与受主基底6的连接。
在电路转印完成后，可以在电路层5表面焊接相应的元件，实现电路的基本功能。电路加工、转印完成后，可以利用预拉伸的组装平台，实现对电子器件的三维组装。
基于形状记忆聚合物的电子器件的组装可以包括，在电路转印完成后，释放预拉伸组装平台上的受主基底6，诱导基于形状记忆聚合物的电子器件的二维结构产生屈曲变形成为三维结构。对形成的三维结构(组合体7)加热，加热温度可以超过形状记忆聚合物的转变温度，然后冷却固形。最后将组合体7从受主基底6取下，即可得到相应的三维电子器件。如图3、4所示，本申请的一个实施方式中，大致呈圆形的电子器件的平面结构屈曲形成倒置的碗形。
热塑性形状记忆聚合物在加热温度超过转变温度时，能够固定形态，使得基于形状记忆聚合物的电路结构在屈曲变形成三维形态后，脱离受主基底6后，形状仍能够得到保持，可以极大地丰富应用场景。
本申请能够实现电子器件(特别是微型电子器件)的电路加工、转印及三维组装一体化制备，热塑性形状记忆聚合物使三维结构更容易保持，具有操作简单、易于加工、精度较高的优点。
以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于形状记忆聚合物的电子器件的制备工艺，其特征在于，所述制备工艺包括电路加工，所述电路加工包括：
提供形状记忆聚合物薄膜(3)，所述形状记忆聚合物薄膜(3)的材料为热塑性形状记忆聚合物；
在所述形状记忆聚合物薄膜(3)上蒸镀铬和/或钛，形成连接层(4)；
在所述连接层(4)上蒸镀铜、金、铂中的至少一者，形成电路层(5)；以及
通过正胶光刻的方法图案化所述电路层(5)，
提供施主基底(1)；
在所述施主基底(1)上设置水溶性牺牲层(2)；以及
在蒸镀所述连接层(4)之前，将所述形状记忆聚合物薄膜(3)设置于所述水溶性牺牲层(2)上，
所述制备工艺还包括电路转印，通过所述电路转印能够将所述形状记忆聚合物薄膜(3)、所述连接层(4)和所述电路层(5)形成的组合体(7)从所述施主基底(1)转印至受主基底(6)，所述电路转印包括：
将包括所述施主基底(1)、所述水溶性牺牲层(2)和所述组合体(7)的电子器件置入水中，随后捞出；
提供所述受主基底(6)；以及
将所述组合体(7)转印于所述受主基底(6)，
所述制备工艺还包括电子器件的组装，所述电子器件的组装包括：
提供预拉伸平台；
在所述组合体(7)转印于所述受主基底(6)之前，将所述受主基底(6)以拉伸的状态固定于所述预拉伸平台；以及
在所述组合体(7)转印于所述受主基底(6)以后，释放所述预拉伸平台，得到屈曲变形的组合体(7)，
对屈曲变形的所述组合体(7)加热然后冷却固形。
2.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，
在所述连接层(4)的蒸镀过程中，所述连接层(4)的蒸镀厚度为20微米至40微米。
3.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，
在所述连接层(4)的蒸镀过程中，所述连接层(4)的蒸镀速率为0.05埃/秒至0.2埃/秒，用于蒸镀所述连接层(4)的真空腔的腔内温度低于40℃。
4.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，
在所述电路层(5)的蒸镀过程中，所述电路层(5)的蒸镀厚度为400微米至1000微米。
5.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，
在所述电路层(5)的蒸镀过程中，所述电路层(5)的蒸镀速率为0.5埃/秒至2埃/秒，用于蒸镀所述电路层(5)的真空腔的腔内温度低于50℃。
6.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，
所述施主基底(1)包括硅片。
7.根据权利要求6所述的制备工艺，其特征在于，
所述水的温度为50至65℃，包括所述施主基底(1)、所述水溶性牺牲层(2)和所述组合体(7)的所述电子器件置入水中的时间为1分钟至2分钟。
8.根据权利要求6所述的制备工艺，其特征在于，所述电路转印还包括：
提供水溶性胶带；
在包括所述施主基底(1)、所述水溶性牺牲层(2)和所述组合体(7)的电子器件从水中捞出后，将所述水溶性胶带粘在所述组合体(7)上；以及
将所述组合体(7)转印于所述受主基底(6)，滴水溶解所述水溶性胶带。
9.根据权利要求6所述的制备工艺，其特征在于，
所述受主基底(6)包括硅胶。
10.根据权利要求9所述的制备工艺，其特征在于，
对所述组合体(7)的加热温度超过所述形状记忆聚合物薄膜(3)的热转变温度。
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