CN114743719A - 一种导电结构的喷射掩膜、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于3D打印技术领域，公开了一种导电结构的喷射掩膜、制备方法及应用，导电结构的喷射掩膜制备方法包括：采用3D打印方法利用支撑材料打印得到所需导电图案，再进行金属离子溅射，并将溅射后支撑材料进行溶解，得到所需导电结构。本发明采用的是3D打印与离子溅射相结合的方法，工艺流程简单，操作简便，通过在支撑材料上覆盖一层金属膜，理论上可以制作任意形状导电结构；离子溅射的金属无需固化即可导电，相对于直接3D打印金属效率更高，可定制化更强；采用水溶性支撑材料，对水溶解度极高，对金属薄膜起到很好的支撑作用，去除时由于其对水有很好的溶解性，极易去除且不破坏金属表面。
Description
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及一种导电结构的喷射掩膜、制备方法及应用。
背景技术
目前，导电图案是由导电材料在物体表面形成的具有特定形状和功能的导电图形，从而形成具有电磁性能的结构件。导电图形的应用范围也很广泛，包括天线、频率选择表面、RFID(射频识别)标签、pcb电路板和柔性电子等。
传统的导电图形制备方式有丝网印刷、激光刻蚀和热转印法。激光刻蚀的基本原理是将高光束质量的小功率激光束(一般为紫外激光、光纤激光)聚焦成极小光斑，在焦点处形成很高的功率密度，使材料在瞬间汽化蒸发，形成孔、逢、槽。丝网印刷属于传统印刷方式，工厂中批量化印刷电路板生产最常用的方法是丝网印刷法。丝网印刷是指在印刷时，通过施加一定的压力，使印料或油墨透过图案部分网孔漏印到承印物上的一种印刷方式。其缺点是工艺流程较为复杂。热转印法的主要工艺流程是用打印机在热转印纸上打印电路图形将带有图形的热转印纸覆在覆铜板上经过热转印机撕掉热转印纸用药水腐蚀出图形用台钻手工钻孔用砂纸将线路表面的碳粉打磨掉。其缺点很明显，只能做很简单的电路，并且工艺复杂。其传统的制作工艺存在流程复杂，制作周期较长等问题，已逐渐成为制约电子产品快速开发的瓶颈。
传统工艺激光刻蚀、丝网印刷、热转印法都存在的问题是工艺复杂、制作周期长。例如丝网印刷，其工艺流程如下已绷网——脱脂——烘干——剥离片基——曝光——显影——烘干——修版——封网，工艺流程及其繁琐；现有的3D打印纳米银技术相对比较成熟，应用较为广泛，打印出的纳米银不具备导电性能，必须烧结导电图案，以确保导电性和与基板的粘附性，导电图案的烧结质量直接影响其电磁性能。纳米银的烧结过程需要消耗大量时间。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术工艺复杂、制作周期长、成本高、不能满足特定形状的要求且成型精度不高。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种导电结构的喷射掩膜、制备方法及应用。
本发明是这样实现的，一种导电结构的喷射掩膜制备方法，所述导电结构的喷射掩膜制备方法包括：
采用喷墨式3D打印方法按照导电图案进行支撑材料打印，打印厚度按需定制，支撑材料厚度最小为6um左右。打印完成后，将样品放入金属离子溅射仪中进行金属离子溅射，可选择不同金属进行离子溅射，溅射时间范围可变，范围为5min至20min，离子溅射后样品表面形成一层金属薄膜；最后将离子溅射后的样品浸泡在水中，静置30min，直至支撑材料完全去除；得到所需导电结构。
进一步，所述采用3D打印方法利用支撑材料打印得到所需导电图案包括：采用喷墨打印方法或光固化3D打印方法在基板上将支撑材料打印为所需导电图案。
进一步，所述支撑材料为水溶性支撑材料。
进一步，所述进行金属离子溅射包括：利用离子溅射仪对表面进行金属溅射。
进一步，所述金属离子的粒径大小为5-20nm。
进一步，所述将支撑材料进行溶解包括：将溅射后的基板放入水中进行浸泡溶解。
进一步，所述导电结构的喷射掩膜制备方法包括以下步骤：
步骤一，采用喷墨、光固化3D打印方法将水溶性支撑材料喷射成所需导电结构的形状；
步骤二，将打印好的支撑材料以及基板送入离子溅射仪中进行金属离子溅射，于支撑材料表面形成一层金属膜后静置一段时间；
步骤三，将溅射后的支撑材料以及基板放置于水中静置一段时间溶解水溶性支撑材料得到一层导电金属薄膜。
进一步，所述将打印好的支撑材料以及基板送入离子溅射仪中进行金属离子溅射包括：利用离子溅射仪将金属粒子溅射在支撑材料表面。
进一步，所述导电金属薄膜为所需导电结构。
进一步，所述将溅射后的支撑材料以及基板放置于水中静置一段时间溶解水溶性支撑材料包括：
将溅射后的支撑材料以及基板放置于水中静置30min溶解水溶性支撑材料。
本发明的另一目的在于提供一种由所述导电结构的喷射掩膜制备方法制备的导电结构的喷射掩膜。
本发明的另一目的在于提供一种使用所述导电结构的喷射掩膜的导电图形，所述导电图形在天线、频率选择表面、射频识别标签、pcb电路板或柔性电子上使用。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
本发明采用先打印支撑结构再利用离子喷射在表面，由于3D打印的多维性，理论情况下可以打印出任意导电结构。可以根据不同应用需求制作出相应的导电结构。
本发明采用离子喷施进行喷射掩膜过，可用于离子喷射的金属种类较多，金、银、铜、铁、镍为常用的几种溅射材料，可根据不同应用场合选择合适的溅射材料，合理控制成本。
本发明用离子溅射过程代替了直接3D打印金属的过程，弥补了3D打印其他金属如铁、镍等技术不太成熟，不能满足特殊需求以及3D打印金属之后要对金属进行烧结，金属烧结导电会消耗大量时间的缺陷，极大程度提高了生产效率。
本发明通过对支撑材料上进行金属离子溅射形成金属薄膜，实现高效率制造导电结构，解决了目前工艺复杂和制作周期长的问题，满足了高效率高定制化需求。
本发明采用的是3D打印与离子溅射相结合的方法，工艺流程简单，操作简便，通过在支撑材料上覆盖一层金属膜，理论上可以制作任意形状导电结构；离子溅射的金属无需固化即可导电，相对于直接3D打印金属效率更高，可定制化更强；采用水溶性支撑材料，对水溶解度极高，对金属薄膜起到很好的支撑作用，去除时由于其对水有很好的溶解性，极易去除且不破坏金属表面。
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
本发明具有高精度、周期短、个性化高等优点。本发明使用喷墨打印技术来制作导电图案比传统方法效率更高，成本更低。将导电图案与3D打印技术进行结合，可以将产品的制作周期降低到很小的范围内，大大提高了生产效率；以3D打印作为技术手段，可以制作出微米甚至纳米级别的电路，极大程度的提高了导电图案的成型精度，更加扩大了导电图案的应用范围；由于3D打印为增材制造，故导电图形的制作比传统方法成本也更低。
第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明的商业价值在于高精度和高定制化，可以满足不同性能需求的各种导电图形的设计和制作；且成本较低。
(2)本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：本发明提出的导电结构的喷射掩膜工艺技术方法，很好的对导电结构的制造技术这一方面提供了技术支持。
附图说明
图1是本发明实施例提供的导电结构的喷射掩膜制备方法原理图。
图2是本发明实施例提供的导电结构的喷射掩膜制备方法示意图。
图3是本发明实施例提供的导电结构的喷射掩膜制备方法流程图。
图4是本发明实施例提供的导电结构的喷射掩膜制备方法制备的导电结构示意图。
图5是本发明实施例提供的导电结构的微观形貌示意图。
图6是本发明实施例提供的测量导电图形尺寸示意图。
图7是本发明实施例提供的共形天线示意图。
图8是本发明实施例提供的电子皮肤示意图。
图9是本发明实施例提供的水溶性材料溶解对比示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
如图1-图2所示，本发明实施例提供的导电结构的喷射掩膜制备方法包括：
采用3D打印方法利用支撑材料打印得到所需导电图案，再进行金属离子溅射，并将溅射后支撑材料进行溶解，得到所需导电结构。
本发明实施例提供的采用3D打印方法利用支撑材料打印得到所需导电图案包括：采用喷墨打印方法或光固化3D打印方法在基板上将支撑材料打印为所需导电图案。
本发明实施例提供的支撑材料为水溶性支撑材料。
本发明实施例提供的进行金属离子溅射包括：利用离子溅射仪对表面进行金属溅射。
本发明实施例提供的金属离子的粒径大小为5-20nm。
本发明实施例提供的将支撑材料进行溶解包括：将溅射后的基板放入水中进行浸泡溶解。
如图3所示，本发明实施例提供的导电结构的喷射掩膜制备方法包括以下步骤：
S101，采用喷墨、光固化3D打印方法将水溶性支撑材料喷射成所需导电结构的形状；
S102，将打印好的支撑材料以及基板送入离子溅射仪中进行金属离子溅射，于支撑材料表面形成一层金属膜后静置一段时间；
S103，将溅射后的支撑材料以及基板放置于水中静置一段时间溶解水溶性支撑材料得到一层导电金属薄膜即所需导电结构。
本发明实施例提供的将打印好的支撑材料以及基板送入离子溅射仪中进行金属离子溅射包括：利用离子溅射仪将金属粒子溅射在支撑材料表面。
本发明实施例提供的导电金属薄膜为所需导电结构。
本发明实施例提供的将溅射后的支撑材料以及基板放置于水中静置一段时间溶解水溶性支撑材料包括：
将溅射后的支撑材料以及基板放置于水中静置30min溶解水溶性支撑材料。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1：
本发明提供了一种制作导电结构的喷射掩膜工艺方法，分为以下几步，第一步先在基板上打印水溶性支撑材料，第二步使用离子溅射仪对表面进行金属溅射，第三步将溅射后的基板放入水中浸泡。
1、打印水溶性支撑材料
将支撑材料按照所需导电图案的形状进行打印，为下一步工序做成型基础。打印完成之后不对支撑材料做去除操作。
2、进行离子溅射
将打印好的支撑材料以及基板进行金属离子溅射，这一步骤就是将金属粒子溅射在支撑材料表面，使得一层薄膜在样品上形成。
3、溶解支撑材料
离子溅射完毕后，将样品放入水中静置一段时间后，水溶性支撑材料逐渐溶解，支撑材料溶解完毕后，得到一层导电金属薄膜。该金属薄膜即为所需导电图形。
本发明打印的支撑材料为喷墨式水溶性支撑材料，第一，采用喷墨式打印，打印精度可以保障，包括但不局限于喷墨式打印，也可以采用高精度的光固化3D打印工艺；第二，这种支撑材料对水的溶解度极佳，可以有效的去除且残留极少，并且金属薄膜没有任何损伤作用。
本发明采用了离子溅射的方式进行喷射掩膜工艺，包括但不限于离子溅射工艺；可根据不同性能要求喷射不同金属，形成具有特殊性能要求的金属薄膜。
二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
本发明提出的工艺方法面向目前电磁频率选择表面、平面/曲面印刷电子、柔性可穿戴电子等领域的导电结构制造需求。
本发明的方法可打印不可展开频率选择表面、多层电路板、柔性电路板、电子皮肤以及异形天线。
图4至图8分别展示了利用本发明的导电结构的喷射掩膜制备方法制备的导电结构、共形天线以及电子皮肤。
其中，图5中白色斑点为基板上自带的斑点，并不是打印问题。图6中标尺一小格为10μm。
三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
本发明提出的一种导电结构的喷射掩膜制备方法的优点如下：
1、导电结构成型快。如用传统3D打印方式进行纳米银导电图形的打印，打印100*100mm方块形状，如需图形导电，需要打印层数的积累，打印速度为10mm/s，打印宽度为30mm，打印4层，理论所需时间为4min，激光烧结采用X方向步进0.2mm/s，Y方向扫面范围为8mm进行烧结。方形导电图形烧结需要16min左右，导电图形打印完成需要20min左右。采用本发明方法，可节约烧结时间，在支撑材料表面进行金属离子溅射后即可导电，且导电率均匀，离子溅射时间为7-8min。
2、导电率较低且均匀。图4中导电结构测试不同位置电阻均为2Ω左右。传统烧结方式烧结出的导电图形导电率不能保证均匀，如导电率不佳则需进行二次烧结。
3、导电图形材料多样化。目前市场上可进行喷墨式3D打印的金属大多为纳米银，对于其他金属的喷墨式3D打印，如铁、镍、金等金属，技术尚不成熟。本发明提供了一种多材料制作导电结构的方案。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种导电结构的喷射掩膜制备方法，其特征在于，所述导电结构的喷射掩膜制备方法包括：
采用3D打印方法利用支撑材料打印得到所需导电图案，再进行金属离子溅射，并将溅射后支撑材料进行溶解，得到所需导电结构。
2.如权利要求1所述导电结构的喷射掩膜制备方法，其特征在于，所述采用3D打印方法利用支撑材料打印得到所需导电图案包括：
采用喷墨打印方法或光固化3D打印方法在基板上将支撑材料打印为所需导电图案。
3.如权利要求1所述导电结构的喷射掩膜制备方法，其特征在于，所述支撑材料为水溶性支撑材料。
4.如权利要求1所述导电结构的喷射掩膜制备方法，其特征在于，所述进行金属离子溅射包括：利用离子溅射仪对支撑材料表面进行金属溅射。
5.如权利要求1所述导电结构的喷射掩膜制备方法，其特征在于，，所述金属离子的粒径大小为5-20nm。
6.如权利要求1所述导电结构的喷射掩膜制备方法，其特征在于，所述进行溶解包括：将溅射后的基板放入水中进行浸泡溶解。
7.如权利要求1所述导电结构的喷射掩膜制备方法，其特征在于，所述导电结构的喷射掩膜制备方法包括以下步骤：
步骤一，采用喷墨、光固化3D打印方法将水溶性支撑材料喷射成所需导电结构的形状；
步骤二，将打印好的支撑材料以及基板送入离子溅射仪中进行金属离子溅射，于支撑材料表面形成一层金属膜后静置一段时间；
步骤三，将溅射后的支撑材料以及基板放置于水中静置一段时间溶解水溶性支撑材料得到一层导电金属薄膜。
8.如权利要求7所述导电结构的喷射掩膜制备方法，其特征在于，所述将打印好的支撑材料以及基板送入离子溅射仪中进行金属离子溅射包括：利用离子溅射仪将金属粒子溅射在支撑材料表面；
所述将溅射后的支撑材料以及基板放置于水中静置一段时间溶解水溶性支撑材料包括：将溅射后的支撑材料以及基板放置于水中静置30min溶解水溶性支撑材料；
所述导电金属薄膜为所需导电结构。
9.一种由权利要求1～8任意一项所述导电结构的喷射掩膜制备方法制备的导电结构的喷射掩膜。
10.一种使用权利要求9所述的导电结构的喷射掩膜的导电图形，所述导电图形在天线、频率选择表面、射频识别标签、pcb电路板或柔性电子上使用。
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