CN116614957A - 柔性电路板和柔性电路的制备方法及可穿戴式电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性电路板和柔性电路的制备方法及可穿戴式电子设备，包括步骤：在转移膜上压合合金箔片，通过刻蚀工艺制备电路图案，再在电路图案表面制备金属导电层；在基片上制备柔性基底层；将所述转移膜贴在所述基片上，使所述电路图案覆在所述柔性基底层上；取下所述转移膜，使转移膜与所述电路图案分离。本柔性可拉伸电路基于合金铜制备，制作出的金属导线具有高屈服强度、抗拉伸强度、弹性极限、疲劳极限和耐磨性等优点，大大提高了柔性可拉伸电路的力学性能和使用寿命，而金属导电层弥补了合金铜导线电学性能，可适应多种柔性基底材料用于柔性可拉伸电路的制备，具有很好的可拓展性。
Description
技术领域
本发明涉及柔性电子集成电路制造领域，特别是涉及一种柔性电路板和柔性电路的制备方法及可穿戴式电子设备。
背景技术
随着智能终端的发展和普及，全球已经进入了智能制造的新时代，电子设备已完全融入到人民的生活中，尤其可穿戴电子设备的出现，对于电子产品的制造提出了更高的要求。目前，传统的可穿戴式电子产品是基于刚性电路设计而成的，电子元器件被固定在刚性基板上，虽然，可以很好的固定和保护电子元器件，但刚性的基板难以适应皮肤形变，极大限制了电子产品在可穿戴式领域中的应用，因此传统的电子集成电路制造工艺已无法满足当前的应用需求。而柔性电子电路技术的发展，因其轻薄便携和集成度高，以及可拉伸和弯曲，与不规则的表面实现良好的亲密贴合等优点，如人体的皮肤，柔性电子电路成为可穿戴式领域内最受关注的焦点之一，在未来可穿戴式与可置入式电子设备中具有广泛的应用前景。虽然，现有的FPC（Flexible Printed Circuit，柔性印刷电路）已成功应用到商业化生产当中，且相对于刚性的电路基板来说，FPC采用聚酰亚胺或聚酯薄膜为柔性基材制成，具有柔性、薄和重量轻便等优点，但在人体可穿戴式医疗应用中，难以与人体实现良好的界面机械耦合，同时FPC制作所使用的铜均为压延铜或电解铜，当FPC电路发生较大拉伸形变时，以及反复弯折时，会发生界面脱落或断裂，难以承受较大的拉伸，此外，在植入式柔性电子系统领域，由于较差的拉伸能力，FPC的置入会对人体组织造成二次损伤。因此，柔性电子器件制作的关键难点在于现有的技术制备出的柔性集成电路整体的可拉伸性较差，难与不规则表面进行良好的贴合，以及现有电路结构难以支持强拉伸。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术中的技术问题，提出一种柔性电路板和柔性电路的制备方法及可穿戴式电子设备。
本发明采用的技术方案是：
本发明提出了一种柔性电路板的制备方法，包括步骤：
在转移膜上压合合金箔片，通过刻蚀工艺制备电路图案，再在电路图案表面制备金属导电层；
在基片上制备柔性基底层；
将所述转移膜贴在所述基片上，使所述电路图案覆在所述柔性基底层上；
取下所述转移膜，使转移膜与所述电路图案分离。
进一步的，在电路图案表面制备金属导电层后，在所述电路图案上制备一层粘合层；并在基片上涂覆柔性基底层后，对所述柔性基底层进行表面处理；将所述转移膜贴在所述基片上后，对所述柔性基底层和所述粘合层进行处理使得所述柔性基底层与粘合层在粘合时彼此的共价键结合。
具体的，对所述柔性基底层和所述粘合层进行处理具体包括：使用水解的3-氨基丙基三乙氧基硅烷对所述柔性基底层和粘合层进行功能化，利用界面接触和加热实现柔性基底层与粘合层的共价键结合。
进一步的，制备柔性基底层具体包括：取出制备好的PDMS溶液旋涂至硅片上，通过真空烘箱对其固化，所制备的柔性基底层的厚度为100um-150um。
具体的，在所述电路图案上制备一层粘合层具体包括：采用UV/臭氧和等离子清洗对镀好的金属导电层的电路图案的表面进行激活处理，再选用SU-8光刻胶、PI或环氧树脂其中的一种作为金属电路图案层和柔性基底的粘合层，并采用旋涂或压印至所述电路图案表面。
进一步的，在电路图案表面制备金属导电层前，采用丙酮和乙醇对合金铜电路图案表面进行清洗。
进一步的，所述电路图案的金属导线在两个焊盘之间为一条呈波浪型的曲线，或者为两条中轴线相互垂直的波浪形曲线。
优选地，所述金属导线的波峰和波谷为角度大于180度的圆弧。
本发明还提出一种柔性电路的制备方法，包括：
采用上述的柔性电路板的制作方法来制作柔性电路板；
在所述柔性电路板的电路图案的焊盘处焊接电子元器件，将所述柔性电路板焊有电子元器件的一面进行封装，剥离所述柔性电路板的基片。
本发明还提出一种可穿戴式电子设备，包括柔性电路，使用上述的柔性电路的制备方法制作所述柔性电路。
与现有技术比较，本发明具有如下优势：
1.本发明的制作方法制作出的金属导线具有高屈服强度、抗拉伸强度、弹性极限、疲劳极限和耐磨性等优点，大大提高了柔性可拉伸电路的力学性能和使用寿命，而金属导电镀层弥补了合金铜导线电学性能，可适应多种柔性基底材料用于柔性可拉伸电路的制备，具有很好的可拓展性；
2.本发明提出的柔性可拉伸电路引入了粘合层，通过光化学氧化处理、等离子处理和表面化学处理等，大大提高金属导线与柔性硅胶基底的结合强度，可适应于高强度的形变拉伸应用场合，保证了柔性可拉伸电路的不同应用场合的可靠性；
3.本发明提出的柔性可拉伸电路实现了电子元器件与柔性可拉伸电路的集成，并具备完备电路功能，易于与其它贴片式人体健康监测传感实现集成，可用于可穿戴式和植入式柔性电子设备制造等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中的流程图；
图2为本发明具体实施例中的流程图；
图3为本发明实施例中具体的工艺流程图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
下面结合附图以及实施例对本发明的原理及结构进行详细说明。
现有的FPC（Flexible Printed Circuit，柔性印刷电路）已成功应用到商业化生产当中，且相对于刚性的电路基板来说，FPC采用聚酰亚胺或聚酯薄膜为柔性基材制成，具有柔性、薄和重量轻便等优点，但在人体可穿戴式医疗应用中，难以与人体实现良好的界面机械耦合，同时FPC制作所使用的铜均为压延铜或电解铜，当FPC电路发生较大拉伸形变时，以及反复弯折时，会发生界面脱落或断裂，难以承受较大的拉伸，此外，在植入式柔性电子系统领域，由于较差的拉伸能力，FPC的置入会对人体组织造成二次损伤。因此，柔性电子器件制作的关键难点在于现有的技术制备出的柔性集成电路整体的可拉伸性较差，难与不规则表面进行良好的贴合，以及现有电路结构难以支持强拉伸，为此本发明提出了一种柔性电路及其制备方法，通过对合金铜电路图案的结构设计实现与柔性基底材料力学性能上的匹配，以适应高强度上的拉伸形变，并采用低温锡回流焊接技术成功将电路图案和商用的芯片集成在一起，构建了具有完备电路功能的柔性可拉伸电路。
如图1所示，本发明提出一种柔性电路板的制备方法，包括步骤：
在转移膜上压合合金箔片，通过刻蚀工艺制备电路图案，再在电路图案表面制备金属导电层；
在基片上制备柔性基底层；
将所述转移膜贴在所述基片上，使所述电路图案覆在所述柔性基底层上；
取下所述转移膜，使转移膜与所述电路图案分离。
本柔性可拉伸电路基于合金铜制备，制作出的金属导线具有高屈服强度、抗拉伸强度、弹性极限、疲劳极限和耐磨性等优点，大大提高了柔性可拉伸电路的力学性能和使用寿命，而金属导电镀层弥补了合金铜导线电学性能，可适应多种柔性基底材料用于柔性可拉伸电路的制备，具有很好的可拓展性。
在具体的实施例中，在电路图案表面制备金属导电层后，在电路图案上制备一层粘合层；并在基片上涂覆柔性基底层后，对柔性基底层进行表面处理；将转移膜贴在基片上后，对柔性基底层和所述粘合层进行处理使得柔性基底层与粘合层在粘合时彼此的共价键结合。引入了粘合层，并通过光化学氧化处理、等离子处理和表面化学处理等，大大提高电路图案中的金属导线与柔性基底层的结合强度，可适应于高强度的形变拉伸应用场合，保证了柔性可拉伸电路的不同应用场合的可靠性。
如图2所示，在具体的实施例中，选用转移膜的方式来承载电路图案，便于进行电路图案的刻蚀、镀膜以及表面处理，具体如下：
即制备电路图案具体为：在转移膜上压合合金箔片，通过刻蚀工艺制备电路图案，再在电路图案表面制备金属导电层。通过增加一层金属导电层，能够提高金属导线的电气性能，从而提高柔性电路的可靠性；
对电路图案表面进行激活处理，在电路图案上涂覆一层粘合层；
制备柔性基底层具体为：在基片上涂覆柔性基底层，并对柔性基底层进行表面处理（表面处理具体为使用UV/臭氧和等离子清洗对所述柔性基底层进行清洗处理，活化所述柔性基底层的表面，增大所述柔性基底层的聚合物的表面活性）；
将转移膜贴在所述基片上，使电路图案覆在柔性基底层上，并进行功能化处理使粘合层与柔性基底层在粘合时彼此的共价键结合；
通过脱模工艺取下所述转移膜，使转移膜与所述电路图案分离，电路图案留在柔性基底层上。
在具体的实施例中，上述的对所述柔性基底层和所述粘合层进行处理具体为：使用水解的(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)对所述柔性基底层和粘合层进行功能化，利用界面接触和加热实现柔性基底层与粘合层的共价键结合。
在具体的实施例中，上述的对电路图案表面进行激活处理具体包括：采用UV/臭氧和等离子清洗对镀好的金属导电层的电路图案的表面进行激活处理，清除表面灰尘，改变金属表面的粗糙程度，便于后续与粘合层结合。
在具体的实施例中，上述的在电路图案上涂覆一层粘合层具体为：选用SU-8光刻胶、PI或环氧树脂其中的一种作为金属电路图案层和柔性基底的粘合层，并采用旋涂或压印至电路图案表面。
本发明还提出了一种柔性电路的制备方法，具体包括步骤：采用上述的柔性电路板的制作方法来制作柔性电路板，再在柔性电路板的电路图案上的焊盘处焊接电子元器件，将基片焊有电子元器件的一面进行封装，剥离柔性电路板的基片。
本发明还提出了一种柔性电路，使用上述的柔性电路的制备方法制备，具体包括：柔性基底层、电路图案、电子元器件和电路封装层。柔性基底层用于承载电路结构，电路图案通过粘合层粘合在柔性基底层上，提高两者之间的结合强度，避免强拉伸下柔性基底层与电路图案的金属导线发生界面脱离，以应该对高强度的形变拉伸。电子元器件焊接在电路图案上对应的焊盘处，电路封装覆盖柔性基底层上，将柔性基底层上的所述电子元器件以及电路图案封装在内。
在具体的实施例中，柔性基底层的材料包括聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）和ecoflex_0030硅橡胶等柔性硅橡胶类材料，此类材料具有较低的弹性模量，可与人体组织和皮肤等，实现亲密贴合和力学性能匹配，应对不同程度的拉伸和形变。
电路图案的合金铜材质，例如C1990钛铜合金或C17200铍铜合金，其通过合金铜箔刻蚀制备形成，制备后的电路图案具体包括焊盘和连接焊盘的金属导线，制备形成的金属导线具有1400MPa以上屈服强度和很高弹性极限。
电子元器件，电子元器件均为商用芯片器件，通过回流焊或激光焊技术，将焊锡膏熔化焊接，安装在电路图案上对应的焊盘处，实现与金属导线的稳定连接。
电路封装是将所述柔性基底、所述金属导线和电子元器件及其所有封装材料，以及所有部件封装成一个整体，其中封装材料也均为柔性硅橡胶材料，如PDMS和ecoflex_0030等材料。
在具体的实施例中，为提高金属导线的电气性能，在合金铜即电路图案表面镀一层10um的金属导电层（具体厚度可以根据实际情况调整，不仅限于10um），如铜、银、金，电镀方法包括化学电镀、蒸镀和磁溅射等多种方法，并置于柔性基底上。
在具体的实施例中，金属导线采用蛇形结构设计，即电路图案的金属导线在两个焊盘之间为一条呈波浪型的曲线，或者为两条中轴线相互垂直的波浪形曲线。并通过拉伸仿真实验验证选用“O型”蛇形导线，即金属导线的波峰和波谷为角度大于180度的圆弧，金属导线采用这种结构能与柔性基底层实现良好的力学性能匹配。
如图3所示，本发明提出的柔性电路的详细制作工艺流程如下：
a.金属电路图案制备：
首先，采用绘图软件设计所需电路图，为了后期便于转移金属电路图案层，任选UV失粘膜和热剥离胶带作为转移膜，采用压印与合金铜箔进行紧密粘合，并通过激光刻蚀、等离子刻蚀、热转印化学刻蚀或感光干膜化学刻蚀，实现合金铜电路图案的制备，刻蚀后的合金铜图案将保留在转移膜上；
b.导电镀层制备：
由于合金铜导电能力较弱，通过金属镀层提高其导电性能，使用金、银和铜中任何一种作为金属镀层材料，采用磁溅射、电镀和蒸镀等方法实现，在此以磁溅射的方式，使用金作为金属镀层对合金铜制备的电路图案制备导电镀层，此外，镀膜前需采用丙酮和乙醇对合金铜电路图案表面进行清洗，金镀层厚度在10um；
c.金属电路图案表面处理与粘合层制备：
采用UV/臭氧和等离子清洗对镀好的金属电路图案层表面进行激活处理，清除表面灰尘，改变金属表面的粗糙程度，以SU-8光刻胶、PI或环氧树脂其中一种作为金属电路图案层和柔性基底的粘合层，旋涂或压印至金属电路图案层表面，这里以SU-8光刻胶为例，采用匀胶机动态旋涂均匀，30秒的时间内以低旋转速度（500rpm）和低加速度（100rpm/s）来完成，厚度控制在40um-50um，并置于50℃真空烘箱内固化5小时;
d.柔性基底层制备与组装：
选用PDMS或ecoflex_0030柔性硅橡胶作为制备柔性基底的首先材料，以PDMS柔性基底的制备为例，重量比例10：1的PDMS主剂和固化剂进行混合，并置于真空干燥器内排净气泡（10-15分钟），然后，取出制备好的PDMS溶液旋涂至硅片上，通过50℃真空烘箱对其固化3小时，所制备的PDMS柔性基底厚度为100um-150um，最后，使用UV/臭氧和等离子清洗对PDMS进行清洗处理，起到活化PDMS表面作用，增大聚合物表面活性，并对SU-8粘合层和经过处理的PDMS柔性基底使用水解的(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)进行功能化，利用界面接触和加热实现柔性基底层与粘合层的共价键结合，通过键合进而提高两者之间的结合强度。
e.电路图案转移：
使用UV/臭氧和等离子清洗对PDMS进行清洗处理，通过脱模剂将转移膜的一面从硅片上取下，由于热剥离胶带或UV失粘膜作为转移膜，可通过物理加热至特定温度，使热剥离胶带失去原有的粘性，从而实现与金属电路图案层的分离，此外，针对UV失粘膜通过紫外照射也可实现与金属电路图案层的分离，而由于粘合层与金属图案层和PDMS的高强度结合，金属图案层转移至PDMS柔性基底上；
f.电子元器件焊接与器件封装：
选用低温锡膏涂抹至焊盘，通过回流焊或激光焊融化锡膏实现电子元器件的焊接固定，由于PDMS和光刻胶、金属铜热胀冷缩系数的不同，过高的温度将导致金属铜与PDMS发生脱离，因此，回流焊和激光焊的温度不宜太高，以回流焊为例最高温度设为150℃，焊接时间为60秒；最后，将焊有电子元器件的一面旋涂一层50um厚的PDMS进行封装，对电子元器件和金属电路层进行加固和保护的作用，并采用脱模剂将柔性基底的一面从硅片上剥离。
本发明还提出一种可穿戴式电子设备，使用上述的柔性电路的制备方法制作柔性电路。
在具体的实施例中，可穿戴式电子设备可以包括柔性血氧贴片。也可以是其它贴片式医学传感器件，或者用于游戏、音影等设备。
需要注意的是，上述所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种柔性电路板的制备方法，其特征在于，包括步骤：
在转移膜上压合合金箔片，通过刻蚀工艺制备电路图案，再在电路图案表面制备金属导电层；
在基片上制备柔性基底层；
将所述转移膜贴在所述基片上，使所述电路图案覆在所述柔性基底层上；
取下所述转移膜，使转移膜与所述电路图案分离。
2.如权利要求1所述的柔性电路板的制备方法，其特征在于，在电路图案表面制备金属导电层后，在所述电路图案上制备一层粘合层；并在基片上涂覆柔性基底层后，对所述柔性基底层进行表面处理；将所述转移膜贴在所述基片上后，对所述柔性基底层和所述粘合层进行处理使得所述柔性基底层与粘合层在粘合时彼此的共价键结合。
3.如权利要求2所述的柔性电路板的制备方法，其特征在于，对所述柔性基底层和所述粘合层进行处理具体包括：使用水解的3-氨基丙基三乙氧基硅烷对所述柔性基底层和粘合层进行功能化，利用界面接触和加热实现柔性基底层与粘合层的共价键结合。
4.如权利要求1所述的柔性电路板的制备方法，其特征在于，所述制备柔性基底层具体包括：取出制备好的PDMS溶液旋涂至硅片上，通过真空烘箱对其固化，所制备的柔性基底层的厚度为100um-150um。
5.如权利要求1所述的柔性电路板的制备方法，其特征在于，在所述电路图案上制备一层粘合层具体包括：采用UV/臭氧和等离子清洗对镀好金属导电层的电路图案的表面进行激活处理，再选用SU-8光刻胶、PI或环氧树脂其中的一种作为金属电路图案层和柔性基底的粘合层，并采用旋涂或压印至所述电路图案表面。
6.如权利要求1所述的柔性电路板的制备方法，其特征在于，在电路图案表面制备金属导电层前，采用丙酮和乙醇对合金铜电路图案表面进行清洗。
7.如权利要求1所述的柔性电路板的制备方法，其特征在于，所述电路图案的金属导线在两个焊盘之间为一条呈波浪型的曲线，或者为两条中轴线相互垂直的波浪形曲线。
8.如权利要求7所述的柔性电路板的制备方法，其特征在于，所述金属导线的波峰和波谷为角度大于180度的圆弧。
9.一种柔性电路的制备方法，其特征在于，包括：
采用如权利要求1至8任一项所述的柔性电路板的制作方法来制作柔性电路板；
在所述柔性电路板的电路图案的焊盘处焊接电子元器件，将所述柔性电路板焊有电子元器件的一面进行封装，剥离所述柔性电路板的基片。
10.一种可穿戴式电子设备，包括柔性电路，其特征在于，使用权利要求9所述的柔性电路的制备方法制作所述柔性电路。
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