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CN105578738A - 基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法及可拉伸电路板 - Google Patents

基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法及可拉伸电路板 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法及可拉伸电路板，包括如下步骤：步骤1，在模具中制备衬底；步骤2，在所述衬底的表面溅射金属种子层；步骤3，在所述金属种子层的表面旋涂光刻胶，在所述光刻胶上光刻电路版图；步骤4，在所述光刻胶上经光刻的部分制作金属电路和焊盘；步骤5，去除所述光刻胶，蚀刻所述金属种子层；步骤6，在所述金属电路和焊盘上焊接电子元器件；步骤7，旋涂保护层，并固化；步骤8，将制备好的电路板从所述模具中剥离，完成制备。本发明的有益效果如下：1、取消了聚酰亚胺层，简化了工艺流程，且能够很好的克服金属导线裂纹和断路问题，仅需要单次溅射、光刻、电镀和刻蚀工艺，成品率高。

Description

基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法及可拉伸电路板
技术领域
本发明涉及一种基于弹性衬底的可拉伸电路板及其制备方法。利用该方法制备的可拉伸电路板用于连接传感器、微处理器、电源等IC芯片及其他分立元器件，可作为电源线和信号线使用。这类可拉伸电路系统可用作数据测量、数据处理、动作反馈或图像显示等，可用于医疗、工业和消费品等领域，属于可穿戴式设备领域。
背景技术
鉴于现有的硬质印刷电路板(PrintedCircuitBoard，PCB)等刚性电子设备不适合长时间佩戴、无法与皮肤褶皱处紧密结合导致测量结果误差大等缺点。而使用柔性可拉伸材料衬底制备的电子设备能够更好的贴合人体皮肤表面获得更高的测量精度的同时，降低了长时间佩戴不适度，改善佩戴者的生活质量，逐步受到了科研人员的重视。随着材料科学和微纳米制造技术的进步，使得制造柔性可拉伸电路成为可能。但是金属与可拉伸材料的热膨胀系数极为不同，直接在弹性可拉伸材料表面(如聚二甲基硅氧烷)制作金属电路，会出现金属电路出现裂纹或是断路等问题，严重影响电路的健壮性、可靠性和实用性。因此，目前大多数科研人员在金属电路与可拉伸电路之间增加一层聚酰亚胺(polyimide，PI)层来减少裂纹和断路等问题，这不仅增加了工艺复杂度和生产成本，并且会降低电路的拉伸性能。
目前，已报到了多种不同结构和不同方法实现的弹性电路。如X.Huang在AdvancedFunctionalMaterials，2014，24(25):3846-3854中介绍了一种超薄的、可像纹身一样纹到人体皮肤表面的、用于无线测量皮肤应变参数和电介质的可拉伸传感设备。该方法采用了聚二甲基硅氧烷作为弹性可拉伸衬底，然后旋涂一层厚度为1μm的聚酰亚胺以降低制作铜互连电路时出现裂纹的可能性。作者设计的可拉伸设备一共包含一层聚二甲基硅氧烷衬底、二层铜互连电路层和三层聚酰亚胺层，加工工艺复杂，存在成品率低、成本高的问题。由于聚酰亚胺只是一种柔性材料，其拉伸性能有限，因此，聚酰亚胺层会降低该设备的可拉伸性能。F.Bossuyt等人在IEEETranscationsonComponents，PackagingandManufacturingTechnology，2013，3(2):229-235上发表了一种可大面积应用的可拉伸电子技术的制造和机械系能测试方法。文中使用光敏型聚酰亚胺作为铜互连电路的支撑层，然后再利用聚二甲基硅氧烷作为电路的衬底以及保护层，构成一种柔性电路三明治结构。此加工方法仍旧使用了拉伸性能不佳的聚酰亚胺材料，导致电路存在拉伸性能有限的问题。且在聚酰亚胺层进行图形化时，增加了光刻工艺，很大程度上会造成制造成本的上升。S.Xu等人在Science，344(6179):70-74中针对皮肤特性创新性的提出了一种将传感器、电路和射频(RF)等集成于微流体芯片中的装配方法。该装配方法使用结构化的聚二甲基硅氧烷将IC芯片(传感器、MCU、RF)、电路和分立元件包裹于微流体中，并在聚二甲基硅氧烷微流体中注入防止互连电路短路的电介质液，保证了系统工作的稳定性和拉伸性能。但是这种方法存在制造工艺复杂和难以批量化的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种工艺简单、成品率高，电路拉伸性能良好、稳定性高的基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法及可拉伸电路板。
为解决上述技术问题，本发明提供的基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，在模具中制备衬底；
步骤2，在所述衬底的表面溅射金属种子层；
步骤3，在所述金属种子层的表面旋涂光刻胶，在所述光刻胶上光刻电路版图；
步骤4，在所述光刻胶上经光刻的部分制作金属电路和焊盘；
步骤5，去除所述光刻胶，蚀刻所述金属种子层；
步骤6，在所述金属电路和焊盘上焊接电子元器件；
步骤7，旋涂保护层，并固化；
步骤8，将制备好的电路板从所述模具中剥离，完成制备。
优选地，所述基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法不包括在所述衬底与所述金属电路和焊盘之间设置聚酰亚胺层的步骤。
优选地，所述模具包括基片及设置在所述基片上圆环。
优选地，所述基片为陶瓷片、硅片或玻璃片，所述圆环的厚度为200微米～2000微米。
优选地，所述衬底的材质为聚二甲基硅氧烷；所述衬底的厚度为200微米～2000微米。
优选地，所述金属种子层的材质为铬和铜；所述金属种子层的厚度为0.05微米～0.2微米。
优选地，所述金属电路及焊盘的材质为金、银或铜；所述金属电路及焊盘的厚度为1微米～25微米，所述金属电路及焊盘的线宽为10微米～4000微米。
优选地，所述金属电路及焊盘为蛇形或S形。
优选地，所述保护层的材质为聚二甲基硅氧烷；所述保护层的厚度为50微米～500微米。
可拉伸电路板，所述可拉伸电路板由基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法制备而成。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、取消了聚酰亚胺层，简化了工艺流程，且能够很好的克服金属导线裂纹和断路问题，仅需要单次溅射、光刻、电镀和刻蚀工艺，成品率高；
2、金属互电路的制备方法采用电铸工艺，极大的减小了互连电路的阻抗，提高信号传输能力；
3、采用生物相容材料聚二甲基硅氧烷制作弹性可拉伸衬底，佩戴舒适，且不易发生佩戴过敏的反应。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法工艺流程图；
图2为本发明可拉伸电路板截面图；
图3为本发明可拉伸电路板俯视图。
图中：
1-基片2-圆环3-衬底
4-金属种子层5-光刻胶6-金属电路及焊盘
7-电子元器件8-保护层
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法，可拉伸电路板参数：弹性聚合物衬底3材料为聚二甲基硅氧烷，其厚度为500微米；金属种子层4材料为铬/铜(Cr/Cu)，其厚度为0.15微米；金属电路及焊盘6材料为金属铜，其厚度10微米，最小线宽为100微米；弹性聚合物保护层8材料为聚二甲基硅氧烷，其厚度100微米。
模具制作，弹性可拉伸衬底3制备
使用汇邦德3491紫外固化胶水将内径60毫米，外径68毫米，厚度为0.5毫米的圆环2(选用铜环)固定到1毫米厚3英寸的玻璃基片1上。依次使用丙酮、酒精和去离子超声清洗模具后，在120℃～180℃真空炉中去水烘3小时。将聚二甲基硅氧烷浇筑至模具，使用刀片沿铜环表面刮平，保证聚二甲基硅氧烷厚度与铜环厚度一致。然后置于真空炉，抽真空直至PDMS液体内无气泡，真空炉加热至60℃并保持2小时～3小时，对聚二甲基硅氧烷热固化，完成聚二甲基硅氧烷弹性衬底3制作。
金属种子层4溅射
为克服在聚二甲基硅氧烷表面溅射金属种子层4时，金属种子层4容易出现裂纹等问题。在溅射铬/铜金属种子层4前，使用氧等离子体对聚二甲基硅氧烷弹性衬底3进行表面处理60秒，接着使用氩气反溅射聚二甲基硅氧烷弹性衬底3表面60秒(反溅射参数：离子束电流40mA，中和电流50mA，离子能量400eV)，接着间歇的在聚二甲基硅氧烷弹性衬底3表面溅射Cr/Cu种子层40.1微米(每次溅射60秒，冷却240秒；共溅射10次，其中Cr2次，Cu8次；溅射参数：离子束电流70mA，中和电流90mA，离子能量800eV)。
光刻
旋涂15微米厚的AZ4903正胶5，90℃前烘4小时；采用德国KarlSuss公司双面对准MA6光刻机曝光130秒；正胶显影液中，显影150秒。
铜电路及焊盘制备
电铸厚度为10微米，最小线宽为100微米的铜电路及焊盘6，电流强度为200mA，电铸时间为90分钟。
光刻胶5去除，铬/铜金属种子层4刻蚀
使用丙酮超声去除AZ4903正胶5，接着依次使用酒精、去离子水超声清洗弹性可拉伸电路板。聚二甲基硅氧烷弹性衬底3表面的铬/铜金属种子层4采用氩等离子体刻蚀工艺刻蚀，刻蚀功率20kW，气体流量40sccm，刻蚀时间15分钟(间歇式刻蚀，每次刻蚀时间1分钟，冷却1分钟～2分钟)。
电子元器件7焊接
采用点焊或者手工焊接等方法，将电子元器件7焊接到金属电路及焊盘6上。
聚二甲基硅氧烷弹性保护层8旋涂
在完成元器件焊接之后，旋涂厚度为100微米聚二甲基硅氧烷弹性保护层8，转速为1500rpm，时间180秒。将样品置于真空炉中，抽真空至PDMS液体中无气泡，接着在60℃下固化2小时～3小时。
剥离
将制备好的可拉伸电路板从模具中剥离下来，完成可拉伸电路板制备。
本发明还提供了一种由基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法制备而成的可拉伸电路板(如图2～图3所示)。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，在模具中制备衬底；
步骤2，在所述衬底的表面溅射金属种子层；
步骤3，在所述金属种子层的表面旋涂光刻胶，在所述光刻胶上光刻电路版图；
步骤4，在所述光刻胶上经光刻的部分制作金属电路和焊盘；
步骤5，去除所述光刻胶，蚀刻所述金属种子层；
步骤6，在所述金属电路和焊盘上焊接电子元器件；
步骤7，旋涂保护层，并固化，以形成电路板；
步骤8，将完成制作的电路板从所述模具中剥离，完成制备。
2.根据权利要求1所述的基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法，其特征在于，所述基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法不包括在所述衬底与所述金属电路和焊盘之间设置聚酰亚胺层的步骤。
3.根据权利要求1所述的基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法，其特征在于，所述模具包括基片及设置在所述基片上的圆环。
4.根据权利要求3所述的基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法，其特征在于，所述基片为陶瓷片、硅片或玻璃片，所述圆环的厚度为200微米～2000微米。
5.根据权利要求1所述的基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法，其特征在于，所述衬底的材质为聚二甲基硅氧烷；所述衬底的厚度为200微米～2000微米。
6.根据权利要求1所述的基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法，其特征在于，所述金属种子层的材质为铬和铜；所述金属种子层的厚度为0.05微米～0.2微米。
7.根据权利要求1所述的基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法，其特征在于，所述金属电路及焊盘的材质为金、银或铜；所述金属电路及焊盘的厚度为1微米～25微米，所述金属电路及焊盘的线宽为10微米～4000微米。
8.根据权利要求1或7所述的基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法，其特征在于，所述金属电路及焊盘为蛇形或S形。
9.根据权利要求1所述的基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法，其特征在于，所述保护层的材质为聚二甲基硅氧烷；所述保护层的厚度为50微米～500微米。
10.一种可拉伸电路板，其特征在于，所述可拉伸电路板由权利要求1至9任意一项所述的基于弹性衬底的可拉伸电路板的制备方法制备而成。
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