一种抗弯折铜基自愈合双层电路及其高精度制造工艺

1.本发明涉及微纳制造及柔性电路加工技术领域，具体涉及一种抗弯折铜基自愈合双层电路及其高精度制造工艺。


背景技术：

2.柔性电路(fpc)是以聚脂薄膜或聚酰亚胺为基材制成的一种具有高度可靠性、绝佳曲挠性的印刷电路，通过在可弯曲的轻薄塑料片上，嵌入电路设计，在窄小和有限空间中堆嵌大量精密元件，从而形成可弯曲的挠性电路。
3.现有的柔性电路(fpc)结构为基底层聚脂薄膜或聚酰亚胺，导电层铜，通过胶合或者热压工艺制备在基底层上方，再通过封装层将导电层包裹形成柔性电路([1]y.tang,h.li,j.sheng,b.sun,j.wang,c.zhang,d.zhang,y.huang.study on wet chemical etching of flexible printed circuit board with 16-μm line pitch.journal of electronic materials.52(6),4030-4036(2023).
[0004]
https://doi.org/10.1007/s11664-023-10368-z；[2]a.salahouelhadj,m.martiny,s.mercier,l.bodin,d.manteigas,b.stephan.reliability of thermally stressed rigid
–
flex printed circuit boards for high density interconnect applications.microelectronics reliability.54(1),204-213(2014).https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.microrel.2013.08.005)。然而目前柔性电路(fpc)存在弯折耐久性差的缺点，柔性电路的弯折耐久性会直接影响柔性电路的使用寿命，柔性电子器件在应变下的耐久性很大程度上取决于裂纹的形成/扩展，柔性电路在工作中往往需要进行弯折，在一定弯折次数下，导电层铜导体会在弯折疲劳应力作用下导致铜电路产生裂纹，从而导致柔性电路的电学性能下降，甚至导致柔性电路失效([3]h.d.merchant,m.g.minor,s.j.clouser,d.t.leonard.18m electrodeposited copper foil for flex fatigue applications.circuit world.25(1),38-46(1999).
[0005]
https://doi.org/10.1108/03056129910244842；[4]b.-j.kim,h.-a.s.shin,j.-h.lee,y.-c.joo.effect of cyclic outer and inner bending on the fatigue behavior of a multi-layer metal film on a polymer substrate.japanese journal of applied physics.55(6s3),06jf01(2016).
[0006]
https://doi.org/10.7567/jjap.55.06jf01；[5]k.-h.huang,j.-g.duh.fatigue characterization for flexible circuit with polyimide on adhesiveless copper.journal of electronic materials.44(10),3934-3941(2015).https://doi.org/10.1007/s11664-015-3865-7)。


技术实现要素：

[0007]
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种抗弯折铜基自愈合双层电路及其高精度制造工艺，抗弯折铜基自愈合双层电路在多次弯折情况下铜导体裂纹
会自愈合，提高了柔性电路的电学性能，并实现了高精度制造。
[0008]
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0009]
一种抗弯折铜基自愈合双层电路，包括依次设置的基底层1、导电层2、导电修复层3；
[0010]
所述的基底层1为聚酰亚胺；基底层1上方覆盖的导电层2为铜膜，采用不同线宽的铜通路；
[0011]
所述的导电修复层3为镓铟锡合金，是一种液态金属合金，导电修复层3对导电层2具有修复作用。
[0012]
所述的导电修复层3的高度h与导电层2的线宽l有以下关系：
[0013][0014]
其中θ为导电修复层3在导电层2的接触角。
[0015]
所述的导电修复层3上方设有封装层4，封装层4为聚酰亚胺前驱液。
[0016]
所述的一种抗弯折铜基自愈合双层电路的高精度制造工艺，包括以下步骤：
[0017]
s1：对基底层1上覆盖的导电层2进行光刻、显影、蚀刻处理，使导电层2成设定线宽的铜通路；
[0018]
s2：将步骤s1加工过铜通路的基底层1以及导电层2放置于溶液环境中，将液态金属滴入溶液中，自然润湿在导电层2的表面；
[0019]
s3：将步骤s2中润湿完液态金属的基底层1以及导电层2低温固化得到导电修复层3，在导电修复层3上使用聚酰亚胺前驱液旋涂作为封装层4，最后将聚酰亚胺前驱液高温固化。
[0020]
所述的步骤s1中基底层1为聚酰亚胺薄膜，厚度为20-30μm；导电层2为压延铜膜，厚度为10-15μm；铜蚀刻液为fecl3溶液。
[0021]
所述的步骤s2中溶液环境为质量分数为20-40％的naoh溶液。
[0022]
所述的步骤s3中低温固化工艺，温度为8℃以下。
[0023]
通过步骤s1-s3制备的抗弯折铜基自愈合双层电路，在铜电路一定弯折次数下产生裂纹的时候，导电修复层3的液态金属流入到导电层2的裂缝中，以此来提升电路电学性能的抗弯折性能。
[0024]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0025]
本发明制造工艺，通过光刻以及蚀刻技术可以使柔性电路导电层2的铜通路线宽达到微米尺度以下，实现柔性电路高精度、高密度化，为柔性电子技术的高集成度发展提供了可能。
[0026]
本发明抗弯折铜基自愈合双层电路通过液态金属填充铜裂纹的原理，当柔性电路在一定次数的弯折下导电层2产生裂纹的时候，导电修复层3的液态金属会填充到裂缝中去，以此来提升电路的电学性能，在柔性电路的抗弯折性能测试中，实现了6万次对折情况下柔性电路仍能保持良好的电学性能；实现23万次0.5mm弯折半径下，柔性电路仍能保持良好的电学性能。
附图说明：
[0027]
图1为本发明实施例抗弯折铜基自愈合双层电路结构剖面图。
[0028]
图2为本发明实施例液态金属在铜表面的接触角示意图。
[0029]
图3为不含有导电修复层的柔性电路和本发明实施例抗弯折铜基自愈合双层电路工作原理图。
[0030]
图4为发明实施例抗弯折铜基自愈合双层电路电镜俯视图。
[0031]
图5为本发明实施例抗弯折铜基自愈合双层电路实物图。
[0032]
图6为本发明实施例抗弯折铜基自愈合双层电路与铜电路的弯折性能对比图。
具体实施方式
[0033]
下面将结合实施例和附图对本发明做详细阐述。以下实施例有助于本领域技术人员更好地理解发明内容，但不以任何形式限制本发明。应当说明的是，在没有做出创造性劳动的前提下，本领域技术人员还可能在本发明基本构思的基础上做出若干材料、结构或阵列类型的变形或改进，这些都属于本发明的保护范围。
[0034]
如图1所示，一种抗弯折铜基自愈合双层电路，包括依次设置的基底层1、导电层2、导电修复层3以及封装层4；
[0035]
所述的基底层1为聚酰亚胺薄膜，导电层2为压延铜膜，采用不同线宽的铜通路，导电层2将作为导电修复层3的基底；
[0036]
所述的导电修复层3为镓铟锡合金，是一种液态金属合金，导电修复层3位于导电层2的上方，导电修复层3对导电层2具有修复作用，不会存留于基底层1；同时导电修复层3的高度h与导电层2的线宽l有以下关系：
[0037][0038]
其中θ为导电修复层3在导电层2的接触角，本实施例θ为26
°
，如图2所示，导电修复层3液态金属可以轻松润湿在在导电层2铜上面。
[0039]
所述的导电修复层3上方设有封装层4，封装层4为聚酰亚胺前驱液，起保护隔离电路的作用，整个柔性电路是一种四层堆叠柔性电路结构。
[0040]
如图3所示，所述的一种抗弯折铜基自愈合双层电路的工作原理为：导电层2铜电路在弯折过程中由于弯曲疲劳应力而产生裂纹，导电层2上方的导电修复层3液态金属具有高流动性、高导电性以及在铜表面具有很好的润湿性，当导电层2铜产生弯折疲劳裂纹时，导电修复层3液态金属填充到导电层2铜的裂纹中去，以此来提升柔性电路的抗弯折性能；不含有导电修复层3液态金属的现有柔性电路在导电层2铜出现裂纹后，电学性能下降，本发明抗弯折铜基自愈合双层电路具有高精度可设计，且可抗弯折的优点。
[0041]
如图4所示，图4为所述的一种抗弯折铜基自愈合双层电路电镜俯视图，可以看出基底层1聚酰亚胺薄膜上没有液态金属，导电修复层3液态金属只存在于导电层2铜的正上方，以此来保证在柔性电路中各导线之间不会短路。
[0042]
所述的基底层1聚酰亚胺薄膜厚度为25μm；导电层2厚度为13μm。
[0043]
所述的一种抗弯折铜基自愈合双层电路的高精度制造工艺，包括以下步骤：
[0044]
s1：首先将导电层2的铜电路的图案做出，铜的图案化工艺选择传统的光刻-刻蚀
工艺；在基底层1即pi覆铜膜表面旋涂一层光刻胶，型号为epg535，匀胶机的参数设置为低速50rpm，持续时间为15s，高速转速为1500rpm，持续时间为40s；匀胶完成后将pi覆铜膜放置在烘台上90℃保持7min，确保pi覆铜膜表面的光刻胶彻底烘干；随后将特定掩膜板放置在pi覆铜膜上方使用光刻机曝光8s，随后放置在5
‰
的naoh溶液中显影12s，取出后将其吹干，使导电层2成设定线宽的铜通路；
[0045]
s2：将步骤s1加工过铜通路的基底层1以及导电层2放置于质量分数为30％的naoh溶液环境中，将液态金属滴入溶液中，自然润湿在导电层2的表面，移动基底层1及导电层2使液态金属均匀润湿在铜电路的表面；
[0046]
s3：将步骤s2中润湿完液态金属的基底层1以及导电层2使用液氮进行低温冷却，使液态金属呈现出固体状态得到导电修复层3，在导电修复层3上使用聚酰亚胺前驱液旋涂作为封装层4，匀胶机旋涂参数为：高速转速为500rpm，持续时间为20s，使聚酰亚胺前驱液均匀包覆在润湿完液态金属的表面，最后将整个柔性电路放入恒温烘箱中进行固化，固化参数为：恒温200℃，保持1h，得到抗弯折铜基自愈合双层电路。
[0047]
如图5所示，图5为所述的一种抗弯折铜基自愈合双层电路的实物图，可以看出抗弯折铜基自愈合双层电路5通过柔性电路转接口6与标准柔性排线7直接联接。
[0048]
如图6所示，图6是所述的一种抗弯折铜基自愈合双层电路与铜电路的弯折性能对比图，图中的测试结果两种电路是在0.5mm弯折半径下的性能对比，可以看出铜基自愈合双层电路在230000次弯折后，电路的电阻变化率达到200％，而纯铜电路在90000次弯折后电路的电阻变化达到200％，可以说明在0.5mm弯折半径下铜基自愈合双层电路相较于纯铜电路的弯折性能提升100％以上。

技术特征：
1.一种抗弯折铜基自愈合双层电路，其特征在于：包括依次设置的基底层(1)、导电层(2)、导电修复层(3)；基底层(1)上方覆盖的导电层(2)为铜膜，采用不同线宽的铜通路；导电修复层(3)为镓铟锡合金。2.根据权利要求1所述的一种抗弯折铜基自愈合双层电路，其特征在于：所述的导电修复层(3)的高度h与导电层(2)的线宽l有以下关系：其中θ为导电修复层(3)在导电层(2)的接触角。3.根据权利要求1所述的一种抗弯折铜基自愈合双层电路，其特征在于：所述的导电修复层(3)上方设有封装层(4)，封装层(4)为聚酰亚胺前驱液。4.权利要求1-3任一项所述的一种抗弯折铜基自愈合双层电路的高精度制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：s1：对基底层(1)上覆盖的导电层(2)进行光刻、显影、蚀刻处理，使导电层(2)成设定线宽的铜通路；s2：将步骤s1加工过铜通路的基底层(1)以及导电层(2)放置于溶液环境中，将液态金属滴入溶液中，自然润湿在导电层(2)的表面；s3：将步骤s2中润湿完液态金属的基底层(1)以及导电层(2)低温固化得到导电修复层(3)，在导电修复层(3)上使用聚酰亚胺前驱液旋涂作为封装层(4)，最后将聚酰亚胺前驱液高温固化。5.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：所述的步骤s1中基底层(1)为聚酰亚胺薄膜，厚度为20-30μm；导电层(2)为压延铜膜，厚度为10-15μm；铜蚀刻液为fecl3溶液。6.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：所述的步骤s2中溶液环境为质量分数为20-30％的naoh溶液。7.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：所述的步骤s3中低温固化工艺，温度为8℃以下。8.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于：通过步骤s1-s3制备的抗弯折铜基自愈合双层电路，在铜电路弯折产生裂纹的时候，导电修复层(3)的液态金属流入到导电层(2)的裂缝中，以此来提升电路电学性能的抗弯折性能。

技术总结
一种抗弯折铜基自愈合双层电路及其高精度制造工艺，包括依次设置的基底层、导电层、导电修复层；基底层上方覆盖的导电层为铜膜，采用不同线宽的铜通路；导电修复层为镓铟锡合金；制造工艺是对基底层上覆盖的导电层进行光刻等处理，使导电层成设定线宽的铜通路；然后将加工过铜通路的基底层及导电层放置于溶液环境中，将液态金属滴入溶液中，自然润湿在导电层的表面；再将润湿完液态金属的基底层及导电层低温固化得到导电修复层，在导电修复层上使用聚酰亚胺前驱液旋涂作为封装层，最后将聚酰亚胺前驱液高温固化；本发明抗弯折铜基自愈合双层电路在多次弯折情况下铜导体裂纹会自愈合，提高了柔性电路的电学性能，并实现了高精度制造。精度制造。精度制造。


技术研发人员：陈小亮 邵金友 赵聪 田洪淼 李祥明 王春慧
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/8/13