柔性電子基板的制作方法

柔性電子基板的制作方法
【專利摘要】一種柔性電子基板(FES)包括金屬層、通過金屬層的表面的氧化形成的介電納米陶瓷層以及形成在該介電層的表面上的電路。FES可以用于支持以下裝置，例如柔性顯示器、OLED、光電子裝置或RF裝置。介電納米陶瓷層具有由基本等軸的晶粒構成的晶體結構，其中介電納米陶瓷層具有100納米或更小的平均晶粒大小、介于1微米與50微米之間的厚度、大于20KV mm?1的介電強度、以及大于3W/mK的導熱率。FES具有低于25cm的最小彎曲半徑。
【專利說明】
柔性電子基板
技術領域
[0001] 本發明涉及柔性電子基板(EFS)，例如用于支持柔性顯示器、印刷電池、光伏裝置、 熱電裝置、光電子裝置、電子裝置、微波裝置或RF裝置的FES。
【背景技術】
[0002] 顯示器裝置、電子裝置、光電子裝置、微波裝置、RF裝置和電氣裝置通常被安裝或 印刷在如下基板上:所述基板提供支持、布置電源和信號供應，并且進行操作以從裝置去除 熱。柔性電子基板被構造在柔性材料基部上，柔性材料基部通常是聚合物膜或金屬箱。柔性 電子基板(FES)也稱為柔性電路或柔性PCB、柔性印刷品或柔性電路。
[0003] 聚合物膜是用于構造的最常見的材料，并且通常由聚酯（例如，聚對苯二甲酸 乙二醇酯(PET))、聚酰亞胺(PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醚酰亞胺(PEI)、或者各種 含氟聚合物(FEP)和共聚物之一制成。
[0004] 基于聚合物膜的柔性電子基板(FES)局限于支持產生低比熱能的電子裝置如柔性 顯示器、有機發光二極管(0LED)、鍵盤或光伏裝置的應用。FES的應用的這些局限部分地歸 因于聚合物膜的低導熱率(低于lW/mK)，這不允許從電子裝置散熱。局限也部分地歸因于聚 合物膜的低熱、結構和尺寸穩定性。
[0005] 許多聚合物材料的最大處理溫度低于薄膜晶體管(TFT)制造所需要的溫度，薄膜 晶體管(TFT)制造所需要的溫度可大于300°C。
[0006] 對于溫度嚴苛的應用，諸如工作在高溫下的光伏裝置或熱電裝置或者柔性顯示器 或光源如0LED(其中所產生的熱對裝置的壽命、光效率、顏色穩定性和可靠性具有不利影 響），提供具有較高導熱率的FES是有益的。
[0007] 對于RF和微波應用，FES包括具有高介電常數的介電材料以及具有接地金屬層或 金屬屏蔽層會是有益的。
[0008] 為了提供更高的處理和工作溫度，以及為了改善熱性能，柔性基板可以構造在金 屬箱，諸如鋼箱、鈦(Ti)箱或鋁(A1)箱上，金屬箱提供了高溫度穩定性和散熱。
[0009]如表1中的數字所示，在上面提及的用作FES的基部的金屬之中，A1具有明顯更高 的導熱率(高于150W/mK)，因此，A1有益于熱管理。
[0011]表1:用于柔性電子基板的材料的導熱率
[0012]為了形成具有金屬箱基部的FES，介電層被涂敷在金屬箱表面上以將其與電路絕 緣。為了保持基于金屬的FES的熱優勢，具有無機介電層是有利的。可以借助于物理氣相沉 積(PVD)、或化學氣相沉積(CVD)通過噴墨印刷或通過陽極化將介電層涂敷于金屬表面。一 些金屬(例如，鋁）的表面上的自然氧化層的存在能夠對傳統沉積涂層或印刷技術造成附著 問題。陽極化工藝不存在相同的問題，這是因為陽極化涂層是通過基板自身的電化學氧化 形成的。
[0013] 美國專利4015987描述了一種用作用于電子應用的絕緣金屬基板的陽極化非柔性 的A1基板。US 4015987中所描述的工藝包括對鋁基板進行陽極化并將銅箱層壓到陽極化基 板。接著進行光致抗蝕、蝕刻和電鍍步驟。陽極化A1基板由于陽極化層的固有低柔性而尚未 作為FES得到廣泛應用。陽極化層還具有低熱穩定性。這兩種不足導致陽極化層中微裂縫的 形成，這危害了層的介電強度。
[0014] 本發明的目的是提供一種具有改進性能的柔性電子基板。

【發明內容】

[0015] 本發明提供了一種柔性電子基板(FES)、一種制造FES的方法和合并了在現在應當 參考的所附獨立權利要求中限定的FES的裝置。在各個從屬子權利要求中闡述本發明的優 選特征或優勢特征。
[0016] FES可以被設置成包括至少一個柔性金屬層，該至少一個柔性金屬層具有柔性介 電納米陶瓷層或涂層以及形成在納米陶瓷涂層的表面上的電路。納米陶瓷涂層包括金屬層 材料的氧化物。例如，FES可以包括金屬層、至少部分地通過金屬層的表面的氧化形成的介 電納米陶瓷層以及形成在介電層的表面上的電路。介電納米陶瓷層具有平均晶粒大小為 100納米或更小的由晶粒構成的晶體結構、介于1微米與50微米之間的厚度、大于20KV mnf1 的介電強度以及大于3W/mK的導熱率。
[0017] 納米陶瓷層具有平均晶粒大小小于100納米的晶體結構。這樣的納米晶體結構提 供了具有在陶瓷材料中不常見的柔性的層。這樣的納米陶瓷層也提供了高導熱率，通常介 于3與10W/mK之間。該涂層的厚度介于1與50微米之間。在該厚度范圍內，納米陶瓷層保持柔 性并且可以在不惡化納米陶瓷層的性能諸如導熱性和介電強度的情況下被反復彎曲成低 至2mm的彎曲半徑。納米陶瓷層具有大于20KV/mm的高介電強度和大于3W/mK的高導熱率以 及高柔性的組合，其中高柔性有利于電子應用。
[0018] 術語"金屬"在本文中用于描述廣泛的金屬種類。因此，該術語描述諸如純鋁的元 素金屬以及一種或更多種元素的合金和金屬互化物。實際上，用在本發明的方法中的基板 很可能是市面上可買到的金屬合成物。許多金屬可以適合于用作上面形成有納米陶瓷層以 制造FES的金屬基板。合適的材料可以包括被歸類為閥金屬的那些金屬。優選地，可以由用 鋁、鎂、鈦、鋯、鉭、鈹，或者這些金屬中的任何金屬的合金或金屬互化物制成的基板來形成 FES〇
[0019]優選地，金屬層具有介于5微米與2000微米之間，優選地介于10微米與500微米之 間，或者介于20微米與200微米之間的厚度。優選地，金屬層是金屬箱。
[0020]對于FES應用，納米陶瓷層的介電強度特別重要。有利地，根據本發明的任一方面 的納米陶瓷層可以提供大于50KV mnf1，或者大于30KV mnf1的介電強度，例如大于40KV mnf1 或者大于50KV mnf1。通常，介電強度可以介于20與60KV mnf1之間。
[0021]對于FES應用，優選的是介電層的導熱率高。需要絕緣層來提供工作電子部件與金 屬層之間的電絕緣，并且同時將熱量從工作電子部件傳導到金屬層中。因此，可能有利的 是，根據本發明的任一方面的FES的介電納米陶瓷層具有大于3W/mK的導熱率，例如大于5W/ mK或者大于7W/mK。通常，納米陶瓷層具有介于3與10W/mK之間的導熱率，例如介于4與7W/mK 之間。
[0022]對于一些FES應用，可優選的是介電層具有高介電常數。高介電常數在意圖把FES 用于RF或微波應用時是特別優選的。優選地，FES包括具有大于7，例如介于7.5與10之間的 介電常數的納米陶瓷層。
[0023]形成在金屬基板上的陶瓷層的許多物理特性在一定程度上取決于陶瓷層的晶體 大小或晶粒大小。根據本發明的FES的納米陶瓷層是晶體陶瓷層，并且優選地，該涂層包括 具有小于100納米的平均直徑的晶粒，優選地小于80納米，例如約50納米或40納米。可替選 地，晶粒可以稱為結晶或晶體。術語晶粒大小是指跨越涂層中晶粒或結晶的平均尺寸的距 離。因此，FES包括下述層：由于其具有納米級的大小或尺寸的物理特征而可以被描述為納 米結構層或納米陶瓷層。細晶粒大小可以改善結構同質性，以及諸如柔性的性質。細晶粒大 小也可以增大陶瓷材料的導熱率、介電強度和介電常數。由于細晶粒大小也可以形成更平 滑的表面輪廓。納米陶瓷層的柔性可以受到該納米陶瓷層內的晶粒的形狀的影響。優選的 是，晶粒基本上是等軸的晶粒，使得納米陶瓷層不具有各向異性的機械性能。
[0024]介電納米陶瓷層優選地基本上沒有具有大于1微米的直徑以及低于500納米的平 均孔隙大小的孔隙。孔隙尺寸的這種限制可以有利地增大該層的介電強度和柔性。
[0025]可以參考彎曲半徑來定義FES的柔性。彎曲半徑是用于表征電線、纜線和片形式的 材料的特征的柔性的標準度量。為了測量彎曲半徑，通常繞具有遞減直徑的桿或圓筒彎曲 片，以確定在沒有損害的情況下可以將該片彎曲成的最小曲率。FES很有可能是材料片的形 式。如本文所使用的，彎曲半徑是指在不損害FES的特性的情況下能夠將FES反復彎曲成的 半徑。最小彎曲半徑是在不損害FES的特性的情況下能夠將FES彎曲成的最小曲率。
[0026] FES的最小彎曲半徑在一定程度上取決于FES的總厚度。在FES具有高厚度（例如， 2mm)的情況下，最小彎曲半徑可以為高。例如，最小彎曲半徑優選地低于25cm，特別優選地 低于15cm或低于10cm。對于大多數應用，FES將具有低于2mm的總厚度并且FES的柔性將為 高。優選的是，FES的最小彎曲半徑低于20mm，例如低于10mm或低于5mm，例如介于2mm與5mm 之間。
[0027]通過陽極化工藝在金屬基板上形成的層往往是高度多孔的。陽極化層或涂層通常 還具有無定形結構（即，陽極化層很少是晶體）以及開放的柱狀結構。典型陽極化層的規則 柱狀結構可以使得該涂層容易受到裂縫的形成的影響，特別是在熱循環或層的彎曲之后。 容易受裂縫形成的影響限制了陽極化層的柔性，并且因此限制了陽極化層在FES中作為電 介質的應用。
[0028]通過等離子體電解氧化(PE0)工藝產生的涂層或層是晶體，但不是柔性的。這歸因 于固有裂縫形成以及與微火花放電相關聯的大規模孔隙，其中微火花放電是PE0工藝的要 素。PE0涂層不能用于形成FES的介電層。
[0029]納米陶瓷層的厚度優選地小于50微米，并且特別優選地小于20微米或小于10微 米。具有越低厚度的納米陶瓷層展示出越高的柔性。層越薄，跨越各層的熱傳遞就越有效， 因此，如果各層具有在1或2微米至10微米的范圍內的厚度，會是特別有利的。
[0030] 期望填充介電納米陶瓷層中存在的任何孔隙。因此，根據本發明的任一方面的FES 可以包括如下納米陶瓷層，已經通過合適的有機或無機材料密封或浸漬該納米陶瓷層以填 充該層中的任何孔隙。合適的密封材料可以為例如樹脂、含氟聚合物、聚酰亞胺、甲基丙烯 酸酯、聚酯、水玻璃或溶膠凝膠材料。這個合適的密封材料的列表并不是窮舉的，并且本領 域技術人員將能夠鑒別其它合適的材料。可以通過許多已知方法，例如通過浸泡、噴射、真 空密封以及PVD和CVD沉積技術將密封材料涂敷于涂層。
[0031] 根據本發明的任一方面的FES包括形成在或構造在納米陶瓷層的表面上的電路。 可以通過任何常規技術，諸如絲網印刷術、導電油墨印刷、無電鍍金屬化、電鍍金屬化、金屬 箱的粘接、預制柔性電路的接合、化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)金屬化來形成 電路。
[0032] 通過使用導熱粘合劑將諸如銅箱的金屬箱或預制柔性電路粘接到如上述那樣形 成的納米陶瓷層來形成電路。合適的導熱粘合劑可以包括樹脂、聚酰亞胺或含氟聚合物、以 及用于將金屬層粘接到涂層的表面的其它粘合劑。使用粘合劑的粘接可能伴隨有粘接材料 向涂層的任何孔隙中的滲透。這樣的滲透可以產生具有增大的擊穿電壓的復合介電層。 [0033] FES可以具有涂敷在金屬基板層的一側或兩側的納米陶瓷介電層。單面有機FES是 普遍使用的，并且在技術上和經濟上是有效的。然而，為實現完全絕緣基板以及當電路不能 容納在基板的一側時，需要雙側絕緣。
[0034] FES可以包括將形成在非金屬涂層的表面上的電路元件與金屬層連接的導電過 孔。這樣的過孔可以通過形成涂層之前的掩模工藝來形成。過孔可以通過在已經形成涂層 之后的蝕刻工藝或通過納米陶瓷層的激光燒蝕來形成。
[0035]可以在電路上方形成保護涂層。
[0036]特別適合于RF或微波應用的FES的優選實施方式可以包括如下金屬基板，該金屬 基板具有在金屬層的表面上形成的介電納米陶瓷層，其中，納米陶瓷層具有大于20KV mm-1 的介電強度、介于1微米與50微米之間的厚度、平均晶粒大小小于100納米的基本上等軸的 晶體結構、以及大于7的介電常數。
[0037]特別適合于高溫應用的FES的優選實施方式可以包括如下金屬基板，該金屬基板 具有在金屬層上形成的介電納米陶瓷層，以及完全用無機材料如金屬，例如通過金屬濺射、 無電鍍金屬化和電鍍金屬化構造的電路。這樣的FES具有完全無機的成分并且能夠在高于 300 °C的溫度下進行操作。這樣的FES不會受到包括塑料材料的FES所固有的熱降解的影響。 完全無機的FES可以特別有利于用于例如在高環境溫度下工作的聚光型光伏器件、熱電能 量收集、高亮度LED或傳感器的裝置。
[0038] 如上所述的FES可以用于支持從包括電子裝置、柔性顯示器、0LED、電池、光電子裝 置、RF裝置、微波裝置和電氣裝置的列表中選擇的一個或更多個裝置。
[0039]為了形成根據本發明的任一方面的FES，在柔性金屬基板上形成具有期望特性的 納米陶瓷涂層或層并且在納米陶瓷層上形成電路。
[0040]形成根據本發明的一個方面的的優選方法包括如下步驟:將柔性金屬片定位 在包含堿性電解質水溶液和電極的電解室中，柔性金屬片的至少一個表面和電極的一部分 與電解質水溶液接觸。與至少一個表面相關聯的柔性金屬片的至少一部分被拉緊，這可以 在形成納米陶瓷層期間防止該片彎曲。然后，通過使柔性金屬片的至少一個表面相對于電 極電偏置來形成介電納米陶瓷層，通過具有介于0.1與20KHZ之間的脈沖重復頻率的交替極 性的電壓脈沖序列來使金屬片的至少一個表面偏置。恒電勢地控制正電壓脈沖，即相對于 電壓控制正電壓脈沖;并且恒電流地控制負電壓脈沖，即參考電流控制負電壓脈沖。
[0041] 在形成納米陶瓷層之后，從電解室去除柔性金屬片。然后在介電納米陶瓷層的表 面上形成電路以形成FES。
[0042] 通過施加交替極性的一系列電壓脈沖，能夠將高電壓的脈沖施加于基板而不感生 出大量的微放電，其中，恒電勢地控制正脈沖并且恒電流地控制負脈沖。通過在形成非金屬 涂層期間最小化或者優選地完全避免微放電事件，可能能夠控制涂層參數，諸如表面粗糙 度和涂層孔隙度的大小。因此，通過控制該工藝，必要時可以形成具有低于500納米的平均 孔隙大小的涂層。微放電也可以稱為微火花放電或微弧。微放電的存在是PE0涂層工藝的必 要特征，但是產生了固有地不適合用于FES的陶瓷層。因此，優選的是使用無火花工藝來產 生納米陶瓷涂層。
[0043]可能有利的是，修整正電壓脈沖和負電壓脈沖的形狀以避免每個電壓脈沖期間的 電流尖峰的形成。電流尖峰與微放電以及涂層的擊穿有關。通過修整電壓脈沖的形狀來避 免電流尖峰，可以顯著減小或消除微放電。如上所述，微放電對許多涂層特性，例如對納米 陶瓷層的柔性以及對該層的平均孔隙大小具有不利影響，并且因此對該層的介電強度具有 不利影響。
[0044] 如果正電壓脈沖和負電壓脈沖中的一個或兩個的形狀基本上為梯形形狀，會是特 別有利的。
[0045] 柔性金屬片(基板）中用以形成納米陶瓷層的材料的轉化發生在正電壓脈沖期間， 在正電壓脈沖期間使基板相對于電極陽極化地偏置。納米陶瓷層被形成為與基板材料本身 發生反應的電解液水溶液中的含氧物質。在連續的正電壓脈沖期間，納米陶瓷層的厚度增 大。隨著層的厚度的增大，該層的電阻增大并且針對所施加的電壓有更少的電流流動。因 此，雖然優選的是在預定周期內正電壓脈沖中的每個正電壓脈沖的峰值電壓是恒定的，但 是在預定周期內隨每個連續的電壓脈沖流動的電流可以減小。
[0046] 隨著納米陶瓷層的厚度的增大，該層的電阻增大，并且因此在每個連續的負電壓 脈沖期間通過該層的電流導致該層的電阻發熱。在負電壓脈沖期間的這種電阻發熱可以有 助于該層中的增加的擴散水平，并且因此可以輔助發展中的層內結晶化過程和晶粒形成過 程。通過以這種方式控制層的形成，優選地其中基本上避免了微放電，可以形成具有晶體或 極細尺度的晶粒大小的致密納米陶瓷層。
[0047]電壓脈沖的脈沖重復頻率可以介于0.1與20KHz之間，優選地介于1.5與15KHz之間 或者介于2與lOKHz之間。例如，有利的脈沖重復頻率可以為2.5KHz或3KHz或4KHz。在低脈沖 重復頻率處，納米陶瓷層經歷長期的生長，隨后經歷長期的歐姆加熱。因此，比起使用更高 的脈沖重復頻率的情況，所得到的納米陶瓷層可以具有更粗糙的結構或表面輪廓。更高的 脈沖重復頻率可以產生更精細的結構和更平滑的納米陶瓷層表面，但是該過程的形成速率 和效率可能會下降。
[0048]在電解液中執行該方法，其中電解液是堿性電解質水溶液，優選地pH為9或更大的 電解液。優選地，電解液具有大于lmS cnf1的導電率。合適的電解液包括堿性金屬氫氧化物， 特別是包括氫氧化鉀或氫氧化鈉的電解液。
[0049] 如果電解液是膠狀的并且包括分散在水相中的固體顆粒，會是特別有利的。特別 優選地，電解液包括一定比例的具有小于100納米的顆粒大小的固體顆粒。顆粒大小是指顆 粒的最大尺寸的長度。
[0050] 在所施加的電壓脈沖期間產生的電場導致分散在水相中的靜電帶電的固體顆粒 向納米陶瓷涂層在上面生長的基板的表面轉移。隨著固體顆粒與生長的納米陶瓷涂層接 觸，固體顆粒可以與納米陶瓷層發生反應并且變成合并到納米陶瓷層中。因此，在使用膠體 電解液的情況下，納米陶瓷層可以包括通過柔性金屬基板的表面的一部分的氧化所形成的 陶瓷材料和源于電解液的膠體顆粒兩者。
[0051] 在陽極化正電壓脈沖期間產生了形成在基板上的納米陶瓷層。為了使納米陶瓷層 生長，需要在基板材料與電解液之間保持連接。生長中的納米陶瓷層并不是完全致密的，而 是具有一定程度的孔隙。通過該孔隙來保持基板材料與電解液之間的連接。在電解液是膠 體的并且包括固體顆粒的情況下，可以顯著改變在納米陶瓷層的形成中所固有的孔隙。分 散在水相中的非金屬固體顆粒在電場下可以迀移到生長中的納米陶瓷層的孔隙中。一旦進 入到孔隙內，固體顆粒例如通過燒結工藝可以與納米陶瓷層以及已經迀移到孔隙中的其它 固體顆粒兩者發生反應。以這種方式，大幅度減小了孔隙的尺寸并且改變了納米陶瓷層的 孔隙度，發展為納米孔隙。例如，納米陶瓷層中的孔隙的最大尺寸可以從1微米寬減小到小 于400納米寬或小于300納米寬。
[0052]通過減小孔隙，增大了納米陶瓷層的密度。此外，貫穿納米陶瓷層的任何孔隙的最 大尺寸的減小可以顯著地增大納米陶瓷層的介電強度和導熱率。
[0053] 電解液可以包括從過程開始就存在的固體顆粒，即顆粒可以初始地存在于電解質 溶液中。可替選地，可以在納米陶瓷層形成過程期間將固體顆粒添加到電解質水溶液中。以 這種方式，可以在納米陶瓷層生長的同時控制生長中的納米陶瓷層的成分和/或結構。
[0054] -種適合于在柔性金屬片的表面上形成納米陶瓷層的設備可以包括用于容納電 解質水溶液的電解室、能夠位于電解室內的至少一個電極，以及能夠在金屬片與電極之間 施加交替極性的電壓脈沖序列的電源。該電源包括用于生成正電壓脈沖的恒電勢控制序列 的第一脈沖發生器，以用于使基板相對于電極陽極偏置。該電源還包括用于生成負電壓脈 沖的恒電流控制序列的第二脈沖發生器，以用于使基板相對于電極陰極偏置。
[0055] 會特別有利的是，該設備還包括膠體電解液，該膠體電解液包括分散在水相中的 固體顆粒。分散在這樣的電解液中的固體顆粒可以變成合并到使用該設備產生的納米陶瓷 層中。
[0056] 優選地，金屬片在形成納米陶瓷層期間被輕微拉緊。這種拉緊可以幫助保持金屬 片處于平面形式并且允許均勻地形成納米陶瓷層。在優選實施方式中，可以以第一卷金屬 片或金屬箱的形式提供金屬片。該金屬箱可以從該卷退卷，通過電解室連續傳輸以形成納 米陶瓷層，然后被纏繞到第二卷上。因此，可以通過卷對卷機制來進行納米陶瓷層的形成。 [0057]在另一方面中，本發明可以提供一種合并了根據上述任一方面的FES或安裝在根 據上述任一方面的FES上的裝置。根據本發明的FES與現有技術FES相比具有更優的介電特 性以及導熱特性，并且歸因于通過FES從裝置的部件改進的熱傳遞，安裝到FES上的裝置可 以更有效地操作。這樣的熱傳遞可以通過FES上的納米陶瓷層的改進的介電強度和材料的 改進的導熱率的組合來實現，其中，改進的介電強度使得在提供電絕緣的同時允許納米陶 瓷層更薄。
[0058] 對于特定應用，可以證明具有多層結構的FES是有利的。例如，可以根據上述任一 方面或實施方式來形成FES，并且該FES隨后可以形成多層FES的基部。然后，可以在基部FES 之上形成另外的介電材料層以及相關的金屬導電層。
[0059] 本文所述的FES可以特別地用作用于支持屏，例如LED屏或IXD屏的絕緣基板。
[0060] 本發明的優選實施方式
[0061] 現在將參考附圖來描述本發明的優選實施方式，其中：
[0062] 圖1是具體化本發明的FES的側視圖，該FES包括金屬層和電路，其中金屬層利用涂 敷在金屬層的一側的介電納米陶瓷層絕緣，并且電路被構造在納米陶瓷層上。
[0063]圖2是具體化本發明的FES的側視圖，該FES包括金屬層和電路，其中金屬層利用涂 敷在金屬層的兩側的介電納米陶瓷層絕緣，并且電路被構造在納米陶瓷層中的一個上。 [0064]圖3是具體化本發明的FES的側視圖，該FES包括金屬層和電路，其中金屬層利用涂 敷在金屬層的一側的介電納米陶瓷層絕緣，并且電路被構造在納米陶瓷層上，其中電路的 多個區域通過導電過孔與金屬層連接。
[0065]圖4是具體化本發明的FES的側視圖，該FES包括金屬層和電路，其中金屬層利用涂 敷在金屬層的兩側的介電納米陶瓷層絕緣，并且電路被構造在兩個納米陶瓷層上。
[0066]圖1至圖4是具體化本發明的FES的不同配置的示意圖。FES全部具有金屬層、納米 陶瓷層和電路。金屬層可以具有從1至1000微米的厚度，并且該厚度通過FES的要求(諸如熱 容量和熱阻、最小彎曲半徑以及機械強度)來確定。形成金屬層的金屬優選地應當屬于能夠 通過電化學轉化技術(例如，如W0 2012/107754中所描述的，其公開內容被整體地合并到本 文中）處理以在金屬層的表面上形成納米晶體金屬氧化(納米陶瓷)層的材料集，即鋁、鎂、 鈦、鋯、鉭、鈹或這些金屬中的任何金屬的合金或金屬互化物。納米陶瓷層的獨特特征是其 高柔度。能夠將納米陶瓷層反復地彎曲或卷曲成低至2_的半徑。納米陶瓷層的厚度可以從 1微米到50微米變化，并且通過電絕緣要求，諸如所需的擊穿電壓來確定納米陶瓷層的所需 厚度。在上文中闡述了在金屬層上形成納米陶瓷層的方法。一旦已經在金屬層的表面上形 成了納米陶瓷層，就可以通過常規方法，諸如絲網印刷術、導電油墨印刷、無電鍍金屬化、電 鍍金屬化、金屬箱的粘接、預制柔性電路的接合、金屬濺射、化學氣相沉積(CVD)和物理氣相 沉積(PVD)金屬化在納米陶瓷層的表面上構造電路。
[0067]圖1是具體化本發明的FES的側視圖，該FES包括柔性金屬層11，柔性金屬層11利用 形成在金屬層11的一側的介電納米陶瓷層12被絕緣。電路13被構造在納米陶瓷層12上。金 屬層是具有300微米的厚度的純工業級(99%)的鋁層11。如上所述，使用金屬層在膠體電解 液中的電化學氧化來形成納米陶瓷涂層。該納米陶瓷層的厚度是12微米。
[0068]測量出納米陶瓷層的擊穿電壓為400V DC。通過圍繞具有遞減半徑的一系列桿反 復地彎曲FES來確定FES的彎曲半徑。確定最小彎曲半徑為8mm。
[0069]使用金屬濺射通過光致抗蝕劑掩模來構造電路13。應用了 Ti-Cu-Ni-Au系。該系提 供了到納米陶瓷層的高附著、高導電率，并且是可焊接和可導線接合的。圖1的FES完全由無 機材料形成并且能夠經受300°C以上的溫度。A1金屬層具有200W/mK的導熱率并且納米陶瓷 層具有4W/mK的導熱率。FES的總熱阻為0.04Ccm2/W。
[0070] 該FES提供了比使用固體Al2〇3陶瓷層制成的無機DBC(直接覆銅）基板低3倍的熱 阻，其中無機DBC基板具有針對300微米厚的基板的0.15Ccm2/W的熱阻抗。FES未遭受固體陶 瓷的脆性，并且根據需要能夠彎曲該FES以符合3D裝置的形狀，例如符合圓柱形。圖1的FES 能夠用于支持熱電裝置。
[0071] 圖2是具體化本發明的FES的側視圖，在該FES上納米陶瓷層22被涂敷在柔性金屬 層21的兩側，以提供其完全電絕緣。電路23被構造在基板的一側。圖2的FES可以適合于應用 到需要熱管理的柔性顯示器中。柔性金屬層21是AA8014等級的A1的鋁箱，并且具有50微米 的厚度。納米陶瓷層22被形成在金屬層21的兩側(使用上述方法)并且層厚度是10微米。 [0072]測量時，確定了納米陶瓷層提供了 300V DC的電絕緣。圖2的FES被認為具有高柔 度。可以將FES反復地彎曲或卷曲成低至4_的半徑。
[0073]使用噴墨印刷機將電路23印刷在納米陶瓷表面上。圖2的基于完全絕緣的鋁箱的 FES被認為與卷對卷印刷電子技術兼容。
[0074]圖3是具體化本發明的FES的側視圖，該FES包括利用介電納米陶瓷層32在一側絕 緣的柔性金屬層31以及構造在納米陶瓷層32的表面上的電路33。電路33的區域通過導電過 孔34與金屬層31連接。這些過孔提供FES所支持的裝置與金屬層31之間的熱接觸或電接觸。 [0075]圖4是具體化本發明的FES的側視圖，該FES包括利用介電納米陶瓷層42在兩側絕 緣的柔性金屬層41以及構造在納米陶瓷層42的表面上的電路43、44。這樣的FES可以用于支 持高密度的電互連，而具有單個介電層的FES不能支持這種高密度的電互連。
【主權項】
1 · 一種柔性電子基板(FES)，包括： 金屬層； 介電納米陶瓷層，所述介電納米陶瓷層至少部分地通過所述金屬層的表面的氧化來形 成，以及 電路，所述電路形成在所述介電層的表面上， 其中，所述介電納米陶瓷層具有平均晶粒大小為100納米或更小的由基本上等軸的晶 粒構成的晶體結構、介于1微米與50微米之間的厚度、大于20KV mnf1的介電強度、以及大于 3W/mK的導熱率，所述FES具有低于25cm的最小彎曲半徑。2. 根據權利要求1所述的FES，其中，所述金屬層具有介于5微米與2000微米之間，優選 地介于10微米與500微米之間或介于20微米與200微米之間的厚度。3. 根據任一前述權利要求所述的FES，所述FES具有低于15cm或者低于10cm的最小彎曲 半徑。4. 根據任一前述權利要求所述的FES，所述FES具有介于10微米與500微米之間的厚度， 以及低于20mm、例如低于10mm或低于5mm、例如介于2mm與5mm之間的最小彎曲半徑。5. 根據任一前述權利要求所述的FES，所述FES包括連接所述電路的部分與所述金屬層 的導電過孔。6. 根據任一前述權利要求所述的FES，其中，第一介電納米陶瓷層形成在所述金屬層的 第一表面上，并且第二介電納米陶瓷層形成在所述金屬層的第二表面上。7. 根據權利要求8所述的FES，其中，第一電路形成在所述第一介電納米陶瓷層的所述 表面上，并且第二電路形成在所述第二介電納米陶瓷層的所述表面上。8. 根據任一前述權利要求所述的FES，其中，所述金屬層是從包括鋁、鎂、鈦、鋯、鉭和 鈹，或者這些金屬中的任意金屬的合金或金屬互化物的組中選擇的材料。9. 根據任一前述權利要求所述的FES，所述FES完全由無機材料形成。10. 根據任一前述權利要求所述的FES，所述FES具有超過200 °C，例如超過250 °C，優選 地超過300 °C的最大工作溫度。11. 根據任一前述權利要求所述的FES，其中，所述納米陶瓷涂層具有大于7的介電常 數。12. 根據任一前述權利要求所述的FES，其中，所述介電納米陶瓷層的厚度小于20微米， 例如小于10微米。13. 根據任一前述權利要求所述的FES，其中，所述介電納米陶瓷涂層通過所述金屬層 在堿性膠體電解液中的電化學氧化來形成。14. 根據任一前述權利要求所述的FES，其中，所述介電納米陶瓷層至少部分地通過所 述金屬層的表面在堿性電解質水溶液中的無火花氧化來形成。15. 根據任一前述權利要求所述的FES，其中，所述介電納米陶瓷層基本上沒有具有大 于1微米的直徑以及低于500納米的平均孔隙大小的孔隙。16. 根據任一前述權利要求所述的FES，其中，通過從包括絲網印刷術、導電油墨印刷、 無電鍍金屬化、電鍍金屬化、金屬箱的粘接、預制柔性電路的接合、金屬濺射、化學氣相沉積 (CVD)和物理氣相沉積(PVD)金屬化的列表中選擇的工藝來形成所述電路。17. 根據任一前述權利要求所述的FES，其中，用有機或無機材料，例如聚酰亞胺、甲基 丙烯酸酯、環氧樹脂、丙烯酸樹脂或溶膠凝膠材料浸漬所述介電納米陶瓷層的至少一部分。18. 根據前述權利要求中的任一權利要求所述的FES，所述FES還包括所布置的保護涂 層。19. 根據任一前述權利要求所述的FES，所述FES用于支持從包括電子裝置、柔性顯示 器、OLED、電池、光電子裝置、RF裝置、熱電裝置、微波裝置和電氣裝置的列表中選擇的一個 或更多個裝置。20. -種用于形成在權利要求1至19中的任一權利要求中定義的FES的方法，包括步驟： 將柔性金屬片定位在包含堿性電解質水溶液和電極的電解室中，所述柔性金屬片的至 少一個表面和所述電極的一部分與所述電解質水溶液接觸，與所述至少一個表面相關聯的 所述柔性金屬片的至少一部分被拉緊， 通過使所述柔性金屬片的所述至少一個表面相對于所述電極電偏置來形成介電納米 陶瓷層，通過具有介于0.1與20KHz之間的脈沖重復頻率的交替極性的電壓脈沖序列來使所 述金屬片的所述至少一個表面偏置，其中，恒電勢地控制正電壓脈沖并且恒電流地控制負 電壓脈沖， 從所述電解室去除具有介電納米陶瓷層的所述柔性金屬片，以及 在所述介電納米陶瓷層的表面上形成電路。21. 根據權利要求20所述的形成FES的方法，其中，以第一卷材料的形式提供所述柔性 金屬片，從所述第一卷材料退卷的所述柔性金屬片的部分具有在至少一個表面上形成的所 述介電納米陶瓷層，并且涂覆有所述介電納米陶瓷層的柔性金屬片被纏繞成第二卷材料。22. 根據權利要求20或21所述的形成FES的方法，其中，在所述柔性金屬片的所述至少 一個表面上形成介電納米陶瓷層的步驟涉及卷對卷處理。23. 根據權利要求20、21或22所述的形成FES的方法，其中，所述納米陶瓷涂層在所述基 板與膠體電解質水溶液接觸的同時部分地通過電解氧化過程來形成，其中，分散在所述膠 體電解液內的膠體顆粒被合并到所述納米陶瓷涂層中。24. 根據任一前述方法權利要求所述的形成FES的方法，其中，控制所述電壓脈沖以避 免微火花的放電。25. 根據任一前述方法權利要求所述的形成FES的方法，其中，所述正電壓脈沖和所述 負電壓脈沖兩者基本上是梯形形狀。26. -種包括在根據權利要求1至22中的任一權利要求所述的FES的所述表面上形成的 電路和RF部件的裝置，所述裝置包括高Q輸入/輸出傳輸線、RF解耦合和匹配電路。27. -種合并根據權利要求1至19中的任一權利要求所述的FES或者安裝在根據權利要 求1至19中的任一權利要求所述的FES上的裝置。28. -種LCD或LED屏，所述LCD或LED屏合并根據權利要求1至19中的任一權利要求所述 的 FES。29. -種多層基板，所述多層基板包括根據權利要求1至19中的任一權利要求所述的 FES〇
【文檔編號】H05K1/05GK106029955SQ201480073097
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2014年10月13日
【發明人】帕維爾·沙什科夫, 謝爾蓋·烏索夫
【申請人】康橋納諾塞姆有限公司