CN117241475B - 一种适用于阵列电路的双层可拉伸电路的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种适用于阵列电路的双层可拉伸电路的制备方法。该方法在铜电路层图形化过程中采用热释放临时键合基底固定，所采用的热释放临时键合基底能够耐受图形化工艺过程的环境和温度；并且通过采用不同的释放温度的热释放临时键合基底实现不同加工面的切换，确保了可拉伸电路在加工过程中始终保持固定；元器件焊接过程中采用了高强度、耐高温且能快速释放的水溶性临时键合基底，该基底耐受回流焊的高温，确保高温下临时键合基底依旧能够贴附电路确保电路不发生变形。该方法使得规模化生产可拉伸电路板成为可能。
Description
技术领域
本发明属于可拉伸电子制造技术领域，具体涉及一种适用于阵列电路的双层可拉伸电路的制备方法。
背景技术
可拉伸电子技术被广泛应用于可穿戴电子、可拉伸显示以及共形天线等领域。在这些领域中，通常通过直接对基于可拉伸聚合物介质基底的金属箔进行图案化，实现可拉伸电路的制备，然后在制备好的可拉伸电路表面贴装元器件并进行回流焊实现元器件焊接。
目前，可拉伸电路普遍是通过转印技术或者打印技术来实现。其中，转印技术是将刚性基底上制备好的金属箔材的电路图案通过印章转印至柔性可拉伸基底，但该工艺受限于印章尺寸和界面调控难度，使得其无法实现大规模的生产。相较于转印技术，打印技术能够实现直接在柔性可拉伸基底上打印电路图案的功能，但是打印材料多为纳米材料或液态金属等能够制备成浆料的导电材料为主，而这些材料的导电性和可靠性普遍不如金属箔材。同时，对于双层可拉伸电路的制备过程中对位问题和不同层电路间的线路电气互连也是一大挑战。这是因为，可拉伸基底在完成双层电路后难以依靠自身的力学特性维持电路图案不发生变形，这一特性不利于后续的元器件贴装和不同层电路的准确加工。此外，阵列应用的电路普遍需要不同层间电路实现互连用以实现更加复杂的电路功能。
当制备好可拉伸电路后，将阵列元器件贴装在可拉伸电路上即可。目前，标准的元器件贴装技术是表面贴装技术(SMT)，其工艺流程为印刷锡膏、贴放元器件和回流焊。针对可拉伸电子的元器件焊接的方法是将传统刚性元器件采用锡焊接在可拉伸电路上，而回流焊温度通常达到210℃以上。由于硅橡胶与铜箔存在显著的热膨胀系数差异，并且硅橡胶的低弹性模量，导致回流焊高温引起可拉伸电路板受热后发生翘曲，最终影响元器件焊接的的精度。
因此，如何实现可拉伸电路的制备，且使其能够适应于后续的阵列电路形成，就成为研究重点。
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种适用于阵列电路的双层可拉伸电路的制备方法。该方法通过设计可拉伸电路板元器件贴装的临时键合基底，使得规模化生产可拉伸电路板成为可能，同时能够对可拉伸聚合物上铜箔进行图形化；通过金属化过孔来实现层层铜电路的互联。此外，临时键合基底的应用也实现了元器件能够采用传统的表面贴装工艺进行规模化贴装和焊接。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种适用于阵列电路的双层可拉伸电路的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：对可拉伸介质板采用激光制备通孔，然后对通孔进行清洗、去除切割产生的残留物；所述可拉伸介质板包括可拉伸介质基底和位于可拉伸介质基底上下表面的铜层；通孔的位置和数量都取决于电路功能；
步骤2：对步骤1制备得到的通孔进行过孔金属化处理使第一铜层和第二铜层互连，所述过孔金属化处理包括清洁、整孔、黑孔、微蚀和铜电镀过程；
步骤3：在步骤2处理后的第一铜层表面贴覆第一热释放临时键和基底；
步骤4：对第二铜层进行顶层电路的制备，包括贴感光干膜、曝光、显影、蚀刻和脱膜；
步骤5：在步骤4处理后的顶层电路层表面贴覆第二热释放临时键和基底，并对电路进行加压加热，加热至第一热释放临时键和基底的热释放温度，保持一段时间，去除第一热释放临时键和基底；加压确保第一热释放临时键和基底在释放时不会引起电路层的翘曲；
步骤6：对步骤5中去除了第一热释放临时键和基底后暴露出来的第一铜层进行底层电路的制备，包括贴感光干膜、曝光、显影、蚀刻和脱膜；
步骤7：在步骤6得到的底层电路层表面贴覆水溶性临时键合基底，然后对可拉伸电路进行加压加热，加热温度为第二热释放临时键和基底的热释放温度，保温一段时间，去除第二热释放临时键和基底；
步骤8：对步骤7中顶层电路层采用表面贴装工艺进行元器件的焊接，所述表面贴装工艺包括锡膏印刷、元器件贴放和回流焊；
步骤9：对步骤8的顶层元器件表面涂覆液态的可拉伸聚合物并固化，实现顶层封装层；
步骤10：将步骤9中的顶层封装后样品置于水中，去除水溶性的临时键合基底；
步骤11：对步骤10中底层电路层表面涂覆液态可拉伸聚合物并固化，实现底层封装层。
进一步地，步骤1中激光打孔中的激光波段优选紫外波段或红外波段激光，激光频率优选为飞秒、皮秒、纳秒等。
进一步地，步骤3中第一热释放临时键和基底的热释放温度大于铜箔层图案化处理的最高温度110℃。
进一步地，步骤4中第二热释放临时键和基底的热释放温度大于第一热释放临时键和基底的热释放温度。
进一步地，步骤5中的加压加热采用平板加压加热的方式，压力范围为0.1～0.5MPa。
进一步地，步骤3、步骤5和步骤7中贴覆临时键合基底采用辊压贴附。
进一步地，步骤9和步骤11中可拉伸聚合物涂覆可采用刮刀涂布、线棒涂布、狭缝涂布、刷涂或丝网印刷的方式。
进一步地，步骤7中水溶性临时键合基底包括纤维和水溶性胶的混合层、以及多孔聚合物增强层；所述水溶性临时键合基底按照以下制备方法制备得到：
步骤7.1.将纤维薄膜浸泡水溶性胶水，然后常温干燥，得到纤维和水溶性胶的混合层；
步骤7.2.对聚合物增强层进行打孔，制备多孔聚合物增强层；
步骤7.3.将多孔的聚合物薄膜贴覆在步骤1的纤维和水溶性胶的混合层表面，即可得到水溶性临时键合基底。
进一步地，步骤7.1中纤维层浸润胶水可采用浸泡法和表面涂覆渗透法，水溶性胶水选用丙烯酸类型胶水。
进一步地，步骤7.2中打孔方式可采用激光打孔、钻头钻孔或冲孔；步骤7.3中贴附采用辊压机进行。
进一步地，纤维和水溶性胶的混合层的厚度为3-100μm，聚合物增强层为5-200μm。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明通过不同临时键合基底的搭配适用，确保了可拉伸双层电路在电路图形化和元器件贴装过程中电路不发生变形。更具体地，在铜电路层图形化过程中采用热释放临时键合基底固定，所采用的热释放临时键合基底能够耐受图形化工艺过程的环境(碱性溶液)和温度(110℃)；并且通过采用不同的释放温度的热释放临时键合基底实现不同加工面的切换，确保了可拉伸电路在加工过程中始终保持固定；元器件焊接过程中采用了高强度、耐高温且能快速释放的水溶性临时键合基底，该基底耐受回流焊的高温(210℃)，确保高温下临时键合基底依旧能够贴附电路确保电路不发生变形。
附图说明
图1为本发明实施例1中发光二极管阵列的双层可拉伸电路的结构示意图。
图2为本发明实施例1中双层电路的俯视图图。
图3为本发明水溶性临时键合基底的结构示意图。
图4为本发明实施例3天线阵列的双层可拉伸电路的结构示意图。
其中，1为顶层封装层、2为发光二极管阵列层、3为顶层电路层、4为硅橡胶介质层、5为金属化过孔、6为底层电路层、7为底层封装层、8为离型膜、9为水溶性胶、10为棉纸纤维、11为聚合物增强层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
实施例1
一种发光二极管阵列的双层可拉伸电路，其结构示意图如图1所示，包括顶层封装层1、发光二极管阵列层2、顶层电路层3、硅橡胶介质层4、金属化过孔5、底层电路层6、底层封装层7；其中，顶层电路和底层电路的结构如图2所示。发光二极管焊接在两个焊盘表面，分别对应发光二极管的正负极。所有的负极焊盘连接到顶层电路层3的蛇形线结构，所有的正极焊盘通过介质层上的金属化过孔5与底层电路层6的蛇形线结构；
所述双层可拉伸电路按照以下方法制备：
步骤1：采用紫外纳秒激光对基于聚二甲基硅氧烷的双面覆铜板打通孔，并对通孔依次用酒精和去离子水清洗，去除激光切割产生的残留物；
步骤2：对步骤1中双面覆铜板依次浸泡在去油清洁液中15分钟、整孔液中3分钟、黑孔液中15分钟和微蚀液中3分钟，浸泡过程中可通过摆动来提高浸泡处理效果；
步骤3：对步骤2处理后的双面覆铜板浸泡在电镀槽中的阴极电极处，电镀槽中阳极铜加载1.3A/dm2的电流，电镀时间为1小时，其中，总电流由双面覆铜板面积决定；
步骤4：对步骤3处理后的双面覆铜板的其中一面通过辊压贴附120℃的第一热释放临时键和基底；
步骤5：对步骤4的双面覆铜板未贴附热释放临时键和基底的铜箔进行辊压贴感光干膜，辊压温度为110℃，重复辊压3次；
步骤6：在感光干膜表面放置菲林片，之后置于曝光机内进行25秒的紫外曝光，曝光功率为100W；曝光后，去除菲林片和感光干膜表面的保护膜，将双面覆铜板浸泡在30℃的显影液中80s,直至未被曝光的感光干膜脱落，然后，用去离子水将表面多余的显影液冲洗干净；
步骤7：将步骤6处理后的双面覆铜板浸泡在50℃的蚀刻液中15min，直至表面未被感光干膜覆盖的铜全部被蚀刻完全，然后用去离子水将表面多余的蚀刻液冲洗干净；
步骤8：将步骤7处理后的双面覆铜板浸泡在30℃的脱膜液中10min，直至表面的感光干膜全部脱落，之后，用去离子水将表面多余的脱膜液冲洗干净并用氮气烘干，形成顶层电路层3；
步骤9：对步骤8处理后顶层电路层3表面采用辊压方式贴附150℃的热释放临时键和基底，并对双面覆铜板进行加压加热，加压至0.2Mpa，加热至120℃、保持5分钟以去除120℃的热释放临时键和基底，此时150℃热释放临时键和基底仍贴附在覆铜板表面；
步骤10：重复步骤5至步骤8过程，在双面覆铜板中暴露出来的底层铜箔层上刻蚀制备图形，实现底层电路层6的制备；
步骤11：对步骤10中的底层电路层6表面辊压贴附水溶性的临时键合基底，并对电路进行加压加热，加热至150℃、保持5分钟以去除150℃的热释放临时键和基底；所述水溶性的临时键合基底的结构示意图如图3所示，包括纤维和水溶性胶的混合层、以及多孔聚合物增强层；所述水溶性临时键合基底按照以下制备方法制备得到：
步骤11.1：将干燥的棉纸纤维10浸泡在丙烯酸水溶性胶水9中，浸泡时间为5min；
步骤11.2：对步骤1中浸泡后的棉纸纤维进行常温烘干，去除胶水中溶剂，烘干时间为30min；
步骤11.3：采用激光打孔方式在对聚酰亚胺增强基底11进行打孔，聚酰亚胺膜厚度为100μm，孔径为1mm；
步骤11.4：对步骤2中薄膜其中一面贴附步骤11.3制备得到的多孔聚酰亚胺膜，另一面贴附在底层电路层6表面；
步骤12：对步骤11中顶层电路层3的焊盘表面采用钢网印刷焊锡膏，之后采用贴片机放置发光二极管元器件2，然后将电路板输送至回流焊炉中并实现元器件焊接；采用的焊锡膏为低温焊锡膏，熔点为138℃，回流焊最高温度为210℃；
步骤13：对步骤12中的电路板的元器件表面刷涂液态聚二甲基硅氧烷，在60℃加热固化3小时，形成顶层封装层1；其中，液态聚二甲基硅氧烷的基体和固化剂的质量比为9：1，在顶层封装层1表面贴附PET离型膜，用于未使用时对电路表面的保护；使用时，直接撕下离型膜即可；
步骤14：将步骤13电路浸泡在50℃水中，超声90min，水溶性胶水溶解并且棉质纤维和聚酰亚胺增强层从可拉伸电路板表面脱落；
步骤15：对步骤14中暴露出来的底层电路层6表面刷涂液态液态聚二甲基硅氧烷，60℃加热固化3小时，形成底层封装层7在底层封装层6表面贴附PET离型膜。
实施例2
按照实施例1的步骤制备发光二极管阵列的双层可拉伸电路，仅将步骤4中第一热释放临时键和基底调整为热释放温度140℃的第一热释放临时键和基底，步骤9中第二热释放临时键和基底调整为热释放温度180℃的第二热释放临时键和基底，其余步骤不变。
实施例3
一种天线阵列的双层可拉伸电路，其结构示意图如图4所示，所述天线为偶极子可拉伸天线；包括顶层电路层3、硅橡胶介质层4和底层电路层6；
其制备过程按照实施例1的制备方法进行，仅需要删除步骤1-3和步骤12-15。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (9)
1.一种适用于阵列电路的双层可拉伸电路的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对可拉伸介质板采用激光制备通孔，然后对通孔进行清洗；所述可拉伸介质板包括可拉伸介质基底和位于可拉伸介质基底上下表面的铜层；通孔的位置和数量都取决于电路功能；
步骤2：对步骤1制备得到的通孔进行过孔金属化处理使第一铜层和第二铜层互连，所述过孔金属化处理包括清洁、整孔、黑孔、微蚀和铜电镀；
步骤3：在步骤2处理后的第一铜层表面贴覆第一热释放临时键合基底；
步骤4：对第二铜层进行顶层电路的制备，包括贴感光干膜、曝光、显影、蚀刻和脱膜；
步骤5：在顶层电路层表面贴覆第二热释放临时键合基底，并对电路进行加压加热，加热至第一热释放临时键合基底的热释放温度，保持一段时间，去除第一热释放临时键合基底；
步骤6：对去除了第一热释放临时键合基底后暴露出来的第一铜层进行底层电路的制备，包括贴感光干膜、曝光、显影、蚀刻和脱膜；
步骤7：在底层电路层表面贴覆水溶性临时键合基底，然后对可拉伸电路进行加压加热，加热温度为第二热释放临时键合基底的热释放温度，保温一段时间，去除第二热释放临时键合基底；水溶性临时键合基底包括纤维和水溶性胶的混合层、以及多孔聚合物增强层；所述水溶性临时键合基底按照以下制备方法制备得到：
步骤7.1.将纤维薄膜浸泡水溶性胶水，然后常温干燥，得到纤维和水溶性胶的混合层；
步骤7.2.对聚合物增强层进行打孔，制备多孔聚合物增强层；
步骤7.3.将多孔的聚合物薄膜贴覆在步骤7.1的纤维和水溶性胶的混合层表面，即可得到水溶性临时键合基底；
步骤8：对顶层电路层采用表面贴装工艺进行元器件的焊接，所述表面贴装工艺包括锡膏印刷、元器件贴放和回流焊；
步骤9：在顶层元器件表面涂覆液态的可拉伸聚合物并固化，实现顶层封装层；
步骤10：将顶层封装后的样品置于水中，去除水溶性的临时键合基底；
步骤11：在底层电路层表面涂覆液态可拉伸聚合物并固化，实现底层封装层。
2.如权利要求1所述的双层可拉伸电路的制备方法，其特征在于，步骤1中激光打孔中的激光波段为紫外波段或红外波段激光，激光频率为飞秒、皮秒或纳秒。
3.如权利要求1所述的双层可拉伸电路的制备方法，其特征在于，步骤3中第一热释放临时键合基底的热释放温度应大于铜箔层图案化处理的最高温度110 ℃。
4.如权利要求1所述的双层可拉伸电路的制备方法，其特征在于，步骤4中第二热释放临时键合基底的热释放温度大于第一热释放临时键合基底的热释放温度。
5.如权利要求1所述的双层可拉伸电路的制备方法，其特征在于，步骤5中的加压加热采用平板加压加热的方式，压力范围为0.1~0.5 MPa。
6.如权利要求1所述的双层可拉伸电路的制备方法，其特征在于，步骤3、步骤5和步骤7中贴覆临时键合基底采用辊压贴附。
7.如权利要求1所述的双层可拉伸电路的制备方法，其特征在于，步骤9和步骤11中可拉伸聚合物涂覆采用刮刀涂布、线棒涂布、狭缝涂布、刷涂或丝网印刷的方式。
8.如权利要求1所述的双层可拉伸电路的制备方法，其特征在于，步骤7.1中纤维层浸润胶水采用浸泡法或表面涂覆渗透法，水溶性胶水选用丙烯酸类型胶水；步骤7.2中打孔方式采用激光打孔、钻头钻孔或冲孔；步骤7.3中贴附采用辊压机进行。
9.如权利要求1所述的双层可拉伸电路的制备方法，其特征在于，纤维和水溶性胶的混合层的厚度为3-100 µm，聚合物增强层为5-200 µm。
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