一种基于液态金属填充微纳通道制备导电线路的方法

本发明涉及电子元器件制备，尤其涉及一种基于液态金属填充微纳通道制备导电线路的方法。

背景技术：

1、目前液态金属图案化制备柔性电子导电线路的方法主要分为两大类，分别是直接沉积液态金属到指定区域的直接图案化方法，以及制备柔性通道使液态金属填充通道的间接图案化方法。其中间接液态金属图案化方法分为两种：第一种是注射法，即使用注射器通过外部施加压力的方式将液态金属压入柔性通道内；第二种是真空法，即将液态金属放置在通道入口处并将柔性器件处于真空环境，当器件由真空环境回到大气环境时，由于通道内部气压小于外部，液态金属被大气压压入通道从而实现通道的填充。间接法的特点主要有两个：(1)使用如pdms、ecoflex等材料制备柔性基底，其内部已加工好液态金属电路所需通道；(2)通过外部压力(注射器、大气压)的方式使液态金属完全填充通道。所以当液态金属完全填充通道后，通道的尺寸即为间接法制备的柔性液态金属电路的精度。

2、间接法中的注射法是使用压力将液态金属注入通道，但需要注意的是通道的尺寸与填充所需的压力成反比，即越精细的通道需要的压强越大，而过大的压力会破坏柔性基底的封装使液态金属泄露从而破坏柔性器件。这使得注射法有如下局限：(1)尺寸精度低，难以加工高精度液态金属线路，目前文献报道注射法制备液态金属线路最精细的尺寸为50μm。(2)无法实现多通道、盲孔、交错通道等复杂通道结构的填充。因受限于注射法本身，通道必须有入口及对应出口因此无法填充盲孔结构，而当有多通道、交错通道时，因流体倾向于流向通道阻力小的出口而无法实现完全填充，如图1所示。

3、为保护柔性基底，研究人员在注射法基础上开发了真空法，其利用大气压填充液态金属可以较好地保护柔性基底且能达到平面10μm精度，但真空准备时间(即对柔性基底内部通道抽真空)至少在30min以上生产效率较低，且当图案复杂且拐角较多时，仍可能出现填充不完全的情况。因此真空法局限有如下几点：(1)精度有限，受限于大气压的压强，目前文献报道真空法能达到的液态金属图案化精度极限为10μm。(2)准备时间较长(即加工时间长、效率低)，需要至少30min才能使通道内达到真空环境进而产生压力差。(3)可能出现填充不完全的情况，当拐角较多时真空法也可能会出现填充不完全的情况。

技术实现思路

1、针对以上技术问题，本发明公开了一种基于液态金属填充微纳通道制备导电线路的方法，解决了传统间接图案化方法面临的精度低、准备时间长、复杂通道无法填充等问题。

2、对此，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于液态金属填充微纳通道制备导电线路的方法，包括如下步骤：

4、步骤s1，制备具有通道图案和液态金属腔室的模具，并在模具内加入混合好的柔性基底树脂混合物；

5、步骤s2，将盛满柔性基底树脂混合物的模具放入真空环境中消除气泡，并固化，将固化好的柔性基底从模具中剥离下来，获得未封底的柔性基底；

6、步骤s3，将未封底的柔性基底采用底板进行封底，得到柔性基底封底模具；

7、步骤s4，将所述柔性基底封底模具固定在钛合金夹具台上，将液态金属注入到所述柔性基底封底模具的液态金属腔室中，在所述柔性基底封底模具的一侧采用超声焊机接触夹具台，并施加超声，液态金属腔室内部的液态金属因超声驱动而完成对通道的填充；

8、步骤s5，拆除柔性基底封底模具的底板，得到液态金属柔性导电线路。

9、其中，所述液态金属为ga基液态金属。采用此技术方案，室温下，ga基液态金属为液态，具有流动性方便进行填充；其次，ga基液态金属中含有ga元素，ga被氧气氧化产生氧化膜，该氧化膜能粘附绝大多数基底，可以维持注射进入通道内的液态金属能粘附在通道内部，保证液态金属进入通道后不会因为自身的表面张力回缩，从而实现了超声驱动液态金属填充超细通道。

10、本发明技术方案采用超声驱动法，通过引入超声作为压力源，诱导在液态金属内部产生不均匀的声压分布，通过声压梯度将液态金属从声压正值区域(液态金属腔室)压入到声压负值区(通道)，进而驱动液态金属填充微纳通道，得到柔性电子的导电线路。

11、作为本发明的进一步改进，步骤s4中，所述超声的功率为400～800w。

12、作为本发明的进一步改进，步骤s4中，采用超声头对夹具台垂直施加超声。

13、作为本发明的进一步改进，步骤s4中，所述超声头通过空气压缩机的气压压在所述夹具台上，所述空气压缩机的压强为0.3～0.5mpa。

14、作为本发明的进一步改进，所述超声头与所述柔性基底封底模具的距离不大于100mm。进一步地，所述超声头与所述柔性基底封底模具的距离为30-75mm。

15、作为本发明的进一步改进，步骤s3中，将未封底的柔性基底的底部采用pdms溶液与底板连接、固化，得到柔性基底封底模具。

16、作为本发明的进一步改进，所述底板为pmma板材。

17、作为本发明的进一步改进，所述柔性基底树脂混合物包含pdms和固化剂。进一步地，所述pdms与固化剂的质量比为10:0.5-2。进一步地，所述pdms与固化剂的质量比为10:1。

18、作为本发明的进一步改进，所述金属夹具台的材质为钛合金或铝合金。进一步地，所述金属夹具台的材质为钛合金。

19、本发明公开了一种微导电线路，采用如上所述的基于液态金属填充微纳通道制备导电线路的方法制备得到。

20、本发明公开了一种柔性电子元器件，包括如上所述的微导电线路。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

22、采用本发明的技术方案，引入超声作为压力源，驱动液态金属填充微纳通道从而得到柔性电子的导电电路，可以填充最细750nm的亚微米级别通道，并可以实现多通道、交错复杂通道以及盲孔结构等的有效填充，填充过程在数秒内即可完成，速度快、精度高、效率高、成本低。

技术特征：

1.一种基于液态金属填充微纳通道制备导电线路的方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于液态金属填充微纳通道制备导电线路的方法，其特征在于：步骤s4中，所述超声的功率为400～800w。

3.根据权利要求2所述的基于液态金属填充微纳通道制备导电线路的方法，其特征在于：步骤s4中，采用超声头对夹具台垂直施加超声。

4.根据权利要求3所述的基于液态金属填充微纳通道制备导电线路的方法，其特征在于：步骤s4中，所述超声头通过空气压缩机的气压压在所述夹具台上，所述空气压缩机的压强为0.3～0.5mpa。

5.根据权利要求4所述的基于液态金属填充微纳通道制备导电线路的方法，其特征在于：所述超声头与所述柔性基底封底模具的距离不大于100mm。

6.根据权利要求4所述的基于液态金属填充微纳通道制备导电线路的方法，其特征在于：步骤s3中，将未封底的柔性基底的底部采用柔性基底树脂混合物与底板连接、固化，得到柔性基底封底模具。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的基于液态金属填充微纳通道制备导电线路的方法，其特征在于：所述底板为pmma板材；所述柔性基底树脂混合物包含pdms和固化剂。

8.根据权利要求1～6任意一项所述的基于液态金属填充微纳通道制备导电线路的方法，其特征在于：所述金属夹具台的材质为钛合金或铝合金。

9.一种微导电线路，其特征在于：采用如权利要求1～8任意一项所述的基于液态金属填充微纳通道制备导电线路的方法制备得到。

10.一种柔性电子元器件，其特征在于：包括如权利要求9所述的微导电线路。

技术总结
本发明提供了一种基于液态金属填充微纳通道制备导电线路的方法，包括如下步骤：使用3D打印制备具有通道图案和液态金属腔室的模具，并在模具内加入混合好的柔性基底树脂混合物；然后进行消泡、固化，从模具中剥离，获得未封底的柔性基底；采用底板进行封底，得到柔性基底封底模具；将柔性基底封底模具固定在金属夹具台上，将液态金属注入到液态金属腔室中，在一侧采用超声焊机接触夹具台，施加超声，完成通道填充；拆除底板，得到液态金属柔性导电线路。采用本发明的技术方案，可填充最细750nm的亚微米级别通道，并可以实现多通道、交错复杂通道以及盲孔结构等的有效填充，填充过程在数秒内即可完成，速度快、精度高、效率高、成本低。

技术研发人员：马星,徐梓榕,许志武,刘三湖
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）（哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院）
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23