一種延性電路制作方法與流程

本發明屬于延性電路的制作領域，具體涉及用卷對卷方法來制作延性電路。

背景技術：

延性電子可概括為是將有機/無機材料電子器件制作在可延性塑料或薄金屬基板上的新興電子技術，以其獨特的質量輕、厚度薄、具有延展性等特點，在信息、能源、醫療、國防等領域具有廣泛應用前景，如柔性電子顯示器、有機發光二極管oled、印刷rfid、薄膜太陽能電池板、仿生電子皮膚、智能可穿戴設備等。延性電子技術有可能帶來一場電子技術革命，引起全世界的廣泛關注并得到了迅速發展。美國《科學》雜志將有機電子技術進展列為2000年世界十大科技成果之一，與人類基因組草圖、生物克隆技術等重大發現并列。

與傳統ic技術一樣，制造工藝和裝備也是柔性/延性電子技術發展的主要驅動力。延性電路是在柔性電路柔性的基礎上，再增加了可延展的特性，但在制作工藝上，兩者具有很大的區別，主要是前者對材料的要求更高。

申請號為201510638404.8的中國專利申請公開了一種制作延性電路板的制作方法，其是通過先將感光樹脂層形成在可移除的輔助基底上，選擇性移除感光樹脂形成特定的溝槽，然后在槽內填充導電金屬平齊感光樹脂表面，最后移除基底后形成嵌入感光樹脂的延性電路板。

申請號為201310090363.4的中國專利申請公開了一種制作延性電路互聯結構的工藝，其是先利用靜電紡絲在硅片上直寫出一級波紋圖案，然后轉印到預拉伸的彈性襯底上，彈性襯底恢復自然狀態后，形成二級波紋結構的圖案。

總體來說，這些制作柔性/延性電路的方法都側重于對電路性能的改進，當面對大規模制作時，在加工效率這方面都存在較大缺陷，而且并沒有對制作延性電路整體的全部加工工藝進行集成和一體化，效率方面更加受到限制。

因此，需要開發一種新型的延性電路制作方法，要求其能在大規模制作時候，具有較大的加工效率。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種結合卷對卷的制造延性電路的方法，其目的在于，通過將制作延性電路的工藝與卷對卷運動平臺相結合，使生產延性電路的效率得到極大地提高。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種延性電路制作方法，采用“卷對卷”工藝，具體包括如下步驟：

s1：將導電層和第一輔助基底層層合形成一體后制成卷材，將該卷材的一端作為初始進料放卷端，放卷后展開設定長度，

s2：在展開設定長度的卷材導電層上進行圖案化，制備所需的電路結構，進行圖案化的方法包括機械對輥擦除、模切、生物蝕刻、化學蝕刻或者激光圖案化，

s3：將設置有基底的第一彈性體層作為進料端，送入對輥間，通過對輥壓合和粘力差，將電路結構轉印到第一彈性體層表面，再將第一輔助基底層作為廢料收卷去除，

s4：將用第二輔助基底層承載的芯片輸送到電路結構的相應位置處，使芯片和第一彈性體表面的電路結構對準，采用對輥壓合，將芯片與電路結構組裝在一起，再將第二輔助基底層作為廢料收卷去除，獲得延性電路層半成品，

s5：將設置有第三輔助基底的第二彈性體層作為進料端，送入相應對輥間，通過對輥壓合和粘力差，將第二彈性體層轉印至延性電路層半成品表面，第二彈性體層用于延性電路層半成品的封裝層，完成封裝后，再將第三輔助基底作為廢料收卷去除，獲得延性電路。

上述過程只是一種典型的最基本的工藝流程，根據具體的延性電路結構需求可以將原料放卷和廢料收卷過程、圖案化過程、轉印過程等進行組合，類似于電路的串聯和并聯等組合，比如若要制作多層電路層，則需要進行多次圖案化、電路層間的中間彈性體層的轉印、電路層間連接導體的轉印等步驟。

進一步的，所述導電層選自導電金屬薄膜和非金屬材質的導電薄膜，所述導電金屬薄膜包括銅箔、鋁箔、金箔、銀箔以及鐵薄膜，所述非金屬材質的導電薄膜包括硅材薄膜、導電聚合物薄膜、導電陶瓷以及導電水凝膠。原則上只要可以作為導體的材料均可，導電薄膜的厚度為20微米以下較優。

進一步的，所述第一、第二彈性體層可以是硅膠，比如常見的有聚二甲基硅氧烷(pdms)或者己二酸丁二醇酯與對苯二甲酸丁二醇酯的共聚物(ecoflex)等，其具有較好的延展性、斷裂伸長性等特點，也可以是熱塑性聚氨酯(tpu)或者水凝膠等彈性體橡膠，所述彈性體層的厚度則根據所制作延性電路的具體用途確定即可。

進一步的，所述輔助基底層的表面可以增加一層粘結膠層，這是為了便于固定被承載物以及滿足轉印過程的粘力差的需求。

進一步的，為了保護芯片及彈性體在進入該工序前不受其他物體的碰撞等物理影響及保證性能可靠性，也可以在相應卷材的芯片或彈性體表面再增加一層保護層，即該卷材由輔助基底層、芯片/彈性體、保護層三層組成，在進入相應工序前再增加一個剝離裝置將保護層去掉；也可以將芯片或彈性體直接通過機械臂等方式拾取放置到輔助基底上傳送過來，從而避免進入卷材內部而被相鄰層的輔助基底碰撞影響。同理，在工藝最后，為保護封裝好的延性電路整體，也可以在其表面加一層類似的保護層再進入收卷環節，或者直接通過機械臂等方式拾取并放置到成品收集裝置。

進一步的，所述輔助基底、基底或者保護層可以是聚對苯二甲酸類塑料(pet)、聚碳酸酯(pc)、聚乙烯(pe)、聚氯乙烯(pvc)、聚丙烯(pp)等薄膜。實質上，也不限于上述塑料薄膜，只要是具有一定的強度，能夠承載被承載物，在實際工作中不發生變形的薄膜材料即可。

進一步的，所述步驟s4中，芯片和電路間的具體組裝方式并不限定，比如采用導電膠連接或者焊接方式均可，工藝中則增加相應步驟，如在電路結構的芯片安裝位置上預先施加導電膠或焊膏等輔助物質。

進一步的，還包括步驟s6，步驟s6為：對封裝好的延性電路整體進行后處理，最后收卷。所述步驟s6中的后處理可以是對延性電路整體的進一步強化，比如提高封裝的可靠性和電路的穩定性，其他操作可以是直接將制作好的成品進行二次加工，比如將其固定在所需目標物體的二維表面或者三維表面。

進一步的，在整個工藝的適當步驟，如導電層和輔助基底層的層合、轉印的進行、輔助基底層的分離、芯片的組裝、保護層的剝離和層合等處，可以加入加熱或冷卻裝置以輔助工藝的順利進行。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

將延性電路制作的全部工藝，包括基底層的放置、導電層的制作、導電層和基底層的粘合、芯片的安裝、成品的收集等工藝步驟采用“卷對卷”的設計構思整合為一體，實現了延性電路制作的自動化，并且充分利用卷對卷方式的優點，實現延性電路制作的高效率。

附圖說明

圖1是按照本發明方法實施例完成延性電路制作的放卷及層合的結構示意圖；

圖2是按照本發明方法實施例完成延性電路制作時的對延性電路整體加保護層及最后收卷的結構示意圖；

圖3的(a)、(b)是本發明實施例中兩種不同的轉印方式結構示意圖；

圖4是按照本發明方法實施例完成延性電路制作時一套完整的流程示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：

100表示放料輥，200表示對輥，300表示收料輥，400表示輔助輥，500表示分離輥，600表示圖案化裝置；a為圖案化后的導電層，b為彈性體層，c為芯片，d、e分別為第一、第二半成品，f為封裝好的延性電路整體。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

圖1是按照本發明方法實施例完成延性電路制作的放卷及層合的結構示意圖，其中：兩根放料輥100分別對導電層和輔助基底層進行放料，對輥200完成二者的層合。

圖2是按照本發明方法實施例完成延性電路制作時的對延性電路整體加保護層及最后收卷的結構示意圖，即輸送過來的封裝好的延性電路整體法，首先利用對輥200對其加一層表面的保護層，保證其在收卷后能不受其他基底的影響，之后再進行成品卷材的收卷。

圖3的(a)、(b)是本發明實施例中兩種不同的轉印方式結構示意圖，兩種方式都是運用對輥機構實現轉印，但是圖3中(a)圖代表轉印前后，主體的基底發生改變，圖3中(b)圖代表轉印前后，主體的基底沒有改變，兩種方式都對輔助基底都進行了回收，如圖3中收料輥300用于對輔助基底進行回收。

在實際工程實踐中，可根據具體的轉印效果的需求，從被轉印物和轉印的受體開始接觸到轉印結束二者的分離，可以調整這段接觸長度或者在中間增加對輥來提高轉印的效果。如圖3中(a)圖中接觸長度是從對輥200到分離輥500，圖3中(b)圖中則只在對輥200處接觸，也可以在圖3中(a)圖中對輥200和分離輥500之間再增加對輥來輔助轉印。

結合以上收放卷以及轉印方式，本發明方法提出一種利用卷對卷實現延性電路制作的完整流程示意圖如圖4所示，其包括以下步驟：

s1：將做成卷材的導電層和第一輔助基底層分別通過兩根放料輥100進行放卷，并通過層合機構200進行層合；

s2：對導電層進行圖案化，即通過圖案化的方法，如機械對輥擦除、模切、化學蝕刻、生物蝕刻、激光等方式對導電層選擇性地制作圖案，得到所需的導電層a；

s3：將制作好的導電層a轉印到帶有基底的第一彈性體層b上，即先利用放料輥100對用基底層承載的第一彈性體層b進行放卷，通過粘力差，將導電層a轉印到第一彈性體層b表面，得到第一半成品d，再將第一輔助基底層作為廢料通過收料輥300收卷；

s4：電路芯片的組裝，即先利用放料輥100對用第二輔助基底層承載的芯片c輸送到第一彈性體層b表面的導電層a的相應位置附近，再輔以譬如機器視覺等方式進行對準組裝，得到第二半成品e，再將第二輔助基底層作為廢料通過收料輥300收卷；

s5：延性電路的封裝，即先利用放料輥100對用第三輔助基底層承載的第二彈性體層b進行放料，再次通過轉印的方式，將第二彈性體層b作為安裝好芯片的延性電路半成品的頂層，完成封裝，得到延性電路整體f，再將第三輔助基底層作為廢料通過收料輥300收卷；

s6：對封裝好的延性電路整體f進行后處理和其他操作，最后通過收料輥300進行最終收卷。

上述過程只是一種典型的最基本流程，只是為了說明如何將圖1-圖3的方式進行工藝連接。

在實際工程實踐中，可根據具體的延性電路結構需求將原料放卷和廢料收卷過程、圖案化過程、轉印過程等進行組合，類似于電路的串聯和并聯等組合，比如若要制作多層電路層，則需要多次圖案化、電路層間的中間彈性體層的轉印、電路層間連接導體的轉印等步驟。

另外，圖4中也省略了一些比如牽引輥、糾偏結構、張力測量和控制等實際卷對卷工藝中必要的裝置。

進一步的，所述步驟s4中，芯片和電路間的具體組裝方式并不限定，比如采用導電膠連接或者焊接方式均可，工藝中則增加相應步驟，如在電路結構的芯片安裝位置上預先施加導電膠或焊膏等輔助物質。

進一步的，所述步驟s6中的后處理可以是對延性電路整體的進一步強化，比如提高封裝的可靠性和電路的穩定性，其他操作可以是直接將制作好的成品進行二次加工，比如將其固定在所需目標物體的二維表面或者三維表面。

具體的，所述導電層選自導電金屬薄膜和非金屬材質的導電薄膜，所述導電金屬薄膜包括銅箔、鋁箔、金箔、銀箔以及鐵薄膜，所述非金屬材質的導電薄膜包括硅材薄膜、導電聚合物薄膜、導電陶瓷以及導電水凝膠。原則上只要可以作為導體的材料均可，導電薄膜的厚度為20微米以下較優。原則上只要可以作為導體的材料均可。

所述彈性體層可以是硅膠，比如常見的有聚二甲基硅氧烷(pdms)或者己二酸丁二醇酯與對苯二甲酸丁二醇酯的共聚物(ecoflex)等，具有較好的延展性、斷裂伸長性等特點，也可以是熱塑性聚氨酯(tpu)或者水凝膠等彈性體橡膠，所述彈性體層的厚度則根據所制作延性電路的具體用途確定即可；

所述輔助基底/基底/保護層可以是聚對苯二甲酸類塑料(pet)、聚碳酸酯(pc)、聚乙烯(pe)、聚氯乙烯(pvc)、聚丙烯(pp)等薄膜，實質上，也不限于上述塑料薄膜，只要是具有一定的強度，能夠承載被承載物，在實際工作中不發生變形的薄膜材料即可,對于和導電層接觸的還需要有絕緣特性。

本發明中，主要是利用轉印來實現目標物體從一個物體表面轉移到另一個物體表面的過程。轉印是當一個目標物體同時和兩個物體接觸再分開時，由于目標物體和兩側物體間的粘力大小存在差異，會傾向粘附于粘力較大一側物體上的一種工藝。本發明方法中，為了便于固定被承載物以及滿足不同轉印過程中粘力差的需求，所述輔助基底層的表面可以增加具有特定大小粘力的粘結膠層。

本發明中，為了保護芯片及彈性體在進入該工序前不受其他物體的碰撞等物理影響及保證性能可靠性，可以在相應卷材的芯片或彈性體表面再增加一層保護層，即該卷材由輔助基底層、芯片/彈性體、保護層三層組成。在進入相應工序前再增加一個剝離裝置將保護層去掉。也可以將芯片或彈性體直接通過機械臂等方式拾取放置到輔助基底上傳送過來，從而避免進入卷材內部而被相鄰層的輔助基底碰撞影響。同理，在工藝最后，為保護封裝好的延性電路整體，也可以在其表面加一層類似的保護層再進入收卷環節，如圖2中的放料輥100即是提供一層保護層來保護最終的電路，或者直接通過機械臂等方式拾取并放置到成品收集裝置。

本發明中，在整個工藝的適當位置，如導電層和輔助基底層的層合、轉印的進行、輔助基底層的分離、芯片的組裝、保護層的剝離和層合等處，可以加入加熱或冷卻裝置以輔助工藝的順利進行。

本發明中的“卷對卷運動平臺”包括多對主動或者被動輥筒，或者說包括多對對輥，卷對卷英文名是rolltoroll，國內一般簡稱r2r，主要是針對薄膜類材料加工的裝置，通過輥筒的主動或被動轉動，來實現對材料的一種高效、低成本的加工方式。有學者(sukangbae,hyeongkeunkim,youngbinlee,etal.roll-to-rollproductionof30-inchgraphenefilmsfortransparentelectrodes[j].naturenanotechnology,2010,5:5574–578.)利用這種方式來制作石墨烯電極，也有學者(krebsfc,gevorgyansa,alstrupj.aroll-to-rollprocesstoflexiblepolymersolarcells:modelstudies,manufactureandoperationalstabilitystudies[j].journalofmaterialschemistry,2009,19(30):5442-5451.)用來制作太陽能電池。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。