将柔性电路连接到其他结构的制作方法

柔性电互连可被用于连接位于设备的各部分中的、可相对于彼此移动的电子组件。在这样的设备中，柔性互连可能在设备的整个寿命期间经受大量的弯曲循环，并因此可能易于损坏。

概述

一个示例提供了一种电路结构，包括被封闭在封装剂中的液态金属导电路径，包含具有可用于缩合反应的官能物质的聚合物的聚合物电路支撑件，以及经由官能物质将所述封装剂共价地键合到所述聚合物电路支撑件的交联剂。

提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的概念的选集。本概述并不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，亦非旨在用于限制所要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任一部分中提及的任何或所有缺点的实现。

附图简述

图1a示出了示例计算系统的正面视图。

图1b示出图1a的示例计算系统的侧视图。

图1c示出图1a的示例计算系统处于闭合状态的侧视图。

图2示出了在两个电组件之间延伸的示例可拉伸互连的示意图。

图3示出了示例可拉伸互连的横截面示意图。

图4示出了将可拉伸互连共价地键合到电组件的示例过程。

图5示出了描绘用于将可拉伸电路元件连接到另一电路元件的示例方法的流程图。

详细描述

电互连可被结合到各种设备中以提供设备各组件之间的电气通路。一些电子设备可以包括接头、铰链和/或其他可移动结构，其连接各自具有电子组件的两个部件。在这样的结构中，柔性互连可被用于桥接各组件以允许各组件在各组件相对于彼此移动时保持电互连。

柔性互连通常由在柔性基板(诸如聚酰亚胺膜)上图案化的固态金属迹线(诸如铜)形成。然而，固态金属迹线可能在反复弯曲后随时间疲劳，这可能导致迹线断裂，从而破坏各组件之间的电连接。即使是能够承受大量弯曲循环的固态金属迹线也可能由于夹点、应变、扭曲和/或其他变形模式而失效。

为了解决这些问题，包括嵌入弹性体封装剂材料中的液态金属导体的电路元件可被用于在各组件之间形成电通路。电路元件的变形可引起可测量的阻抗(例如，电阻、电容和电感)的变化，使得这样的电路也具有感测能力。一些这样的电路还可具有可拉伸的优点，这可能有助于在这种弯曲期间减轻可拉伸电路上的任何机械压力。相比于仅使用固态金属迹线的互连，这可有助于抵抗源自电路的反复弯曲和/或其他变形模式的电路断裂，即使是反复屈曲至高角度(例如，在任一方向上大约180度)或者用高和/或集中水平的力来变形，因为液态金属的流动能力对这种互连赋予了自愈特性。

在另一示例中，作为使用液态金属的替换，可拉伸/柔性电路可包括由嵌有导电颗粒材料(碳、银纳米线等)的弹性体聚合物形成的导电复合物，从而形成渗透且导电的网络。导电复合物还可允许弯曲和拉伸。

然而，将这种柔性电路元件连接到诸如电路板之类的其他电路元件可能会带来挑战。例如，使用压敏粘合剂(psa)可能会产生相对弱的连接，该连接随着时间的推移易于分层。在液态金属导体和电路元件之间通过弹性体封装剂形成电连接也可能是具有挑战性的。例如，如果引脚(例如集成电路引脚)或导线延伸穿过封闭液态金属的封装剂，则引脚或导线可能成为弱点，潜在地允许液态金属导体逸出。

因此，公开了涉及将柔性电路元件共价地键合并电连接到诸如电路板之类的另一电路元件的各示例。在一些示例中，柔性电路元件也可以是可拉伸的。柔性电路元件和其他电路元件之间的共价键合可允许柔性电路元件发生弯曲、屈曲、拉伸等，同时保持与其他电路元件的稳健机械连接。虽然下文参考可拉伸电路元件进行描述，但是将理解，所公开的示例还可以与不可拉伸的电路元件一起使用(例如，包括在不可拉伸的柔性材料上形成的封装层的电路元件)。

包括封装剂的可拉伸电路可被接合到包括聚合物电路支撑件结构(例如聚酰亚胺或其他聚合物膜)的另一电路元件，该聚合物电路支撑件结构包括可用于与交联剂发生缩合反应的一个或多个官能物质(functionalspecies)，诸如羟基、硫醇、羰基或其他合适基团。为了介导缩合反应，可经由等离子体或其他处理在键合表面处执行对官能物质的活化。此外，在一些示例中，可拉伸电路的经封装的液态金属导体与其他电路元件之间的导电路径可由嵌入在封装剂中的材料提供(例如，碳分子、银纳米线、磁性对齐的导电颗粒、碳纳米管、石墨、石墨烯薄片、银颗粒或银薄片)。在交界处给予适当的密封，液态金属本身也可以充当通孔以连接到聚合物电路支撑件结构。在这种情况下，嵌入材料可被省去。

图1a-1c示出了可包括可拉伸电路的示例计算系统100，其中该设备采用具有显示器102的平板计算机形式。计算系统经由连接器106连接到可拆卸键盘单元104。键盘单元104包括柔性互连，其经由连接器106将键110和键盘单元104的其他电组件电连接到计算系统100。

键盘单元104和位于其中的柔性互连在第一弯曲区域108a中围绕显示器的底角屈曲到显示器102的前部。如所示，该区域中的屈曲相对急剧，紧密地顺应计算系统100的拐角。键盘单元104在显示器的前表面继续向上，并且在第二弯曲区域108b中急剧向下并远离显示器的前表面屈曲。这个区域中的屈曲也相对急剧。图1c示出了当计算设备100和键盘单元104处于“闭合”位置时(与图1a-1b中所示的“打开”位置相反)处于伸直配置的弯曲区域108b。弯曲区域108a也可以以类似的方式伸直，例如，当键盘单元104从计算设备移除时。在其他示例中，利用柔性互连的电子设备可以采用任何其他合适的形式。

由于键盘单元在潜在的多年的使用中可能在“打开”和“闭合”位置之间以及其他可能的位置之间每天多次地移动，因此弯曲区域108a-b可在设备寿命期间弯曲非常多个循环。因此，使用具有液态金属的可拉伸互连可有助于防止由于压力引起的损坏而导致的导电性损失。

图2示出了处于可拉伸互连200形式的示例可拉伸电路元件，其可用于在设备的被配置为提供可移动或柔性接头的一部分中提供信号路径，诸如上文针对计算设备100描述的弯曲区域。类似的结构可被用作诸如衣服、室内装潢，医疗设备等其他可拉伸环境中的电路元件。

互连200包括多个导电通路206和基板208，并且在连接器形式的第一电组件202和具有各种电子元件的电路板形式的第二电组件204之间延伸。在其他示例中，组件202和204可采用诸如集成电路之类的任何其他合适的形式。示出了纵轴210以供参考。

导电通路206包含由基板208支撑的液态金属导体。液态金属可以流动以填充保持液态金属的沟道的形状，并且因此在反复屈曲时不会经受固态金属迹线的疲劳和断裂问题。在各种示例中，液态金属可代替固态导体来使用，或(在电路为柔性但不可拉伸的情况下)可以作为固态导体的补充来使用，以在固态金属迹线断裂时为固态金属迹线提供自愈合能力。如本文所用，液态金属可被定义为具有足够低的熔点(tm)的在室温下呈液态的纯金属或金属合金。非限制性示例包括共晶镓/铟(egain)、其他镓/铟合金、共晶镓/铟/锡(galinstan)和其他镓合金。固态导体可被定义为具有足够高于室温的tm(例如，高于液态金属/导体的tm)的电导体，使得固态金属/导体在室温和普通设备工作温度下是固态的。在其他示例中，作为液态金属的替换或补充，导电路径可由嵌有导电颗粒材料(碳、银纳米线等)的弹性体聚合物形成。

第一电组件202和第二电组件204包括用于耦合到互连200的导电通路的一个或多个接口(例如，接触212)。为了在各电组件和互连的导电通路206之间提供电气路径，可任选地在液态金属导电通路206的至少一部分上形成包括导电通路和互连的外表面之间的电气路径的封装剂214。在各种示例中，电气路径可包括磁性对齐的导电颗粒、银纳米线和/或复合材料(例如，与封装剂的聚合物混合的碳分子)。在所例示的示例中，封装剂214被定位在导电通路的末端区域处，使得导电通路的中间区域并非被具有电气路径的封装剂214所封装，而是被没有这样的路径的封装剂216所封装。在其他示例中，包括电气路径的封装剂214可在导电通路的整个长度上形成。

在各种情况下，诸如针对对齐的磁性颗粒而言，导电通路和外表面之间的电气路径可以是各向异性导电的，因为它们沿颗粒对齐的方向传导电，但不沿其他方向传导电。这种结构可允许在不同的互连线和相应的电路元件连接器之间形成电连接，而不必对封装剂材料进行图案化。在不使用各向异性导电材料的其他示例中，可对封装剂的导电部分进行图案化以避免形成不期望的电连接。

图3示出了图2的可拉伸互连200的一部分的截面图。基板208可以至少部分地由任何合适的电绝缘柔性材料形成，诸如硅聚合物。在其他示例中，基板可以由柔性但不可拉伸的材料形成。在所描绘的示例中，液态金属导体206与基板208接触。在使用不可拉伸基板的各示例中，固体金属导电迹线层可位于液态金属导体206和基板208之间。

任何合适的液态金属可被用作液态金属导体206，包括如上文所描述的液态金属材料。液态金属206可以以任何期望的方式沉积。例如，镓合金可以经由针孔等直接沉积在基板上。当暴露在空气中时，这种合金的外表面形成薄的氧化层，防止液态金属扩散，并且因此保持最初沉积液态金属的形状。在其他示例中，可以首先将封装层216施加在基板208上，然后在基板208和封装层216之间形成沟道，并且接着将液态金属(例如通过注入或压力差)引入该沟道中。沉积液态金属的其他示例方法包括浴式电化学沉积液态金属，或将液态金属铺展到固态金属迹线上，其中液态金属和基板之间的选择性润湿可以约束液态金属的形状。

封装层216有助于将液态金属层保持在期望的位置，并使导电通路电绝缘。在一些示例中，封装层216可以至少部分地由硅氧烷基聚合物形成。例如，硅氧烷基聚合物可包括诸如硅橡胶之类的硅氧烷基聚合物、或硅氧烷基聚合物可包括诸如聚氨酯或聚丙烯酸之类的弹性体，其具有诸如二氧化硅之类的硅基填料。封装层216在导电通路206之间的各区域中接触基板208。封装层216可以以任何合适的方式沉积，这取决于所用的聚合物。例如，硅聚合物可以以流体状态沉积，并然后硬化。在包含液态金属之前添加封装层的情况下，可以在封装层的形成之后在基板和封装层的交界处形成沟道，然后可以将液态金属添加到沟道中。在其他示例中，可使用除硅氧烷基聚合物之外的材料。

在图3所示的示例中，末端区域中的封装剂214包括导电颗粒，该导电颗粒经磁对齐以呈现各向异性导电性。导电各向异性的磁性颗粒嵌入的封装剂214是由嵌有磁性颗粒304的硅氧烷基聚合物(例如硅聚合物)302形成的。这些颗粒首先经由磁场对齐，然后硅氧烷基聚合物硬化以捕获处于对齐状态的颗粒。磁性颗粒304可包括铁磁材料的芯(例如，镍或铁)或涂覆有电导体的顺磁性材料(例如，铜、金、银和/或其他导电材料)。在其他示例中，封装剂214可包括银纳米线，和/或诸如炭黑之类的导体。

当在设备中使用时，由液态金属导电通路206、封装剂216和含电气路径的终端封装剂214形成的柔性和/或可拉伸电路结构耦合到一个或多个电路元件。这种电路元件的各示例在图2中被例示为第一电组件202和第二电组件204。在设备使用期间，可拉伸电路结构和电组件之间的耦合可被弯曲、屈曲、扭曲、压缩、拉伸等。随着时间的推移，可拉伸电路结构和(诸)其他电路结构之间的(诸)耦合可能容易退化。因此，为了在可拉伸电路结构和其他电组件之间形成稳健机械连接和可靠电连接，在电组件和可拉伸电路结构之间共价地键合的界面306被形成。界面306包括交联剂，该交联剂与可拉伸电路结构的硅氧烷基封装剂和其他电路元件的聚合物表面(例如，电路板的聚合物基板)两者键合，形成与这些结构中的每一者的共价键。

图4示出了用于将含硅氧烷的电路结构共价地键合到另一电路结构的示例过程400。例如，过程400可被执行以将图2和3的可拉伸电路结构与一个或多个其他电组件键合，诸如第一电组件202和第二电组件204。在所描绘的示例中，过程400涉及经由包括硅氧烷官能团和胺官能团的交联分子将聚合物电路支撑件键合到可拉伸电路结构的含硅氧烷封装剂；然而，其他官能团也可被用于其他实现中。同样地，在其他示例中，包含硅氧烷外表面的不可拉伸电路(例如柔性电路)结构，诸如包括由硅氧烷基封装剂覆盖的固体金属/液体金属迹线的聚酰亚胺电路，可按照方法400被键合到另一电路结构。

在402，过程400包括活化可拉伸电路结构将被键合于其上的电组件的聚合物电路支撑件401的表面。聚合物电路支撑件401可包括任何合适的聚合物材料，包含聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯和/或聚氯乙烯。在一些示例中，聚合物电路支撑件可包括涂覆有另一聚合物材料(例如上文所列的一种或多种聚合物材料)的芯材料(例如，诸如纤维板之类的纤维材料)。活化聚合物电路支撑件401的表面可包括将聚合物电路支撑件401暴露于等离子体，诸如氧等离子体、空气等离子体或氩等离子体。其他类型的活化也可被使用，诸如使聚合物电路支撑件暴露于电晕放电中。

在404，将一层交联剂施加到聚合物电路支撑件401的活化表面上。在一个示例中，交联剂可包括聚[二甲基硅氧烷-共-(3-氨基丙基)甲基硅氧烷](pdms-胺)。在其他示例中，包括硅氧烷官能团和胺官能团的其他交联剂可被使用，诸如包括不同侧基(例如，诸如聚二乙基硅氧烷之类的另一烷基，或诸如聚二苯基硅氧烷之类的另一芳基)的交联剂。此外，一些示例可将具有非胺官能团的交联剂用于与聚合物电路元件(诸如羧基、苯并酚、硫化物或磷化物基团)键合。当施加交联剂时，聚合物电路支撑件的活化表面与交联剂的胺官能团形成共价连锁(linkage)，在此示例中为聚氨酯键。

在406，共价地键合到聚合物电路支撑件401的交联剂经由等离子体处理(例如，氧气、空气和/或氩等离子体)、暴露于电晕放电、或氧化交联剂的含硅氧烷官能团的其他合适的机制来活化。同样地，在408，经由等离子体、电晕或其他合适的处理来活化可拉伸电路结构403。在一些示例中，可拉伸电路结构包括硅氧烷基封装剂。合适的硅氧烷基材料的示例包括但不限于聚甲基乙烯基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、聚氢甲基硅氧烷和聚倍半硅氧烷。

在410，活化的可拉伸电路结构被键合到聚合物电路支撑件401上的活化的交联剂。键合可包括压制或以其他方式使活化的表面接触，并且还可涉及热处理(例如，加热结构达合适的持续时间，诸如一小时)。结果，共价连锁(在此示例中为硅氧烷si-o-si键)被形成在交联剂和硅氧烷封装剂之间。

在可拉伸电路结构的封装剂不包括硅树脂(例如，聚氨酯或聚丙烯酸弹性体)的示例中，交联剂可被应用于电路支撑件表面和封装剂表面，并且硅氧烷共价键可能发生在交联剂的各官能团之间。

图5示出了例示用于将具有硅氧烷基封装剂的电路元件(诸如可拉伸硅氧烷基电路结构)共价地键合到包括聚合物电路支撑件的另一电路元件的示例方法500的流程图。如上文所描述的，电路元件可包括电路结构中的液态金属导体和硅氧烷基封装剂的外部之间的导电路径，以形成与其他电路元件的连接。

在502，方法500包括活化聚合物电路支撑件的表面。聚合物电路支撑件可采用支撑各种电路元件的基板(诸如印刷电路板)的形式。聚合物电路支撑件可由任何合适的材料形成，包括聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚氯乙烯或其他合适的聚合物材料。活化可包括施加等离子体、电晕放电、或其他合适的处理。

在504，将交联剂施加到聚合物电路支撑件的活化表面。交联剂可包括第一官能团和第二官能团，第一官能团包含诸如聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷和/或聚二苯基硅氧烷之类的硅氧烷部分，而第二官能团被配置成创建与聚合物电路支撑件的活化表面的连锁，诸如胺、硫化物或磷化物基团。在一个示例中，交联剂包括聚[二甲基硅氧烷-共-(3-氨基丙基)甲基硅氧烷]，也被称为pdms-胺。将交联剂施加到聚合物电路支撑件导致在胺官能团和聚合物电路支撑件之间形成共价键。

在506，经由暴露于等离子体、电晕放电、和/或任何其他合适的处理，可拉伸电路结构的硅氧烷基封装剂的表面与(现在被键合到聚合物电路支撑件的)交联剂的硅氧烷官能团一起被活化。

在508，将活化的硅氧烷基封装剂键合到聚合物电路支撑件，从而将可拉伸电路元件共价地键合到聚合物电路支撑件。如510处所指示的，这可包括在封装剂的活化硅氧烷和交联剂的活化硅氧烷官能团之间形成硅氧烷键。在512，此过程还可导致在聚合物电路支撑件的电路元件和液体金属导体之间经由封装剂内的电气路径形成电耦合。例如，当在键合过程期间活化的硅氧烷基封装剂被引导向与聚合物电路支撑件上的电路元件相接触时，封装剂内先前描述的(诸)电气路径(诸如纳米线、磁性对齐颗粒等)可接触聚合物电路支撑件上的相应电路元件以形成电耦合。在其他示例中，导体可通过封装剂被插入以到达液态金属材料，并然后导体和封装剂之间的界面可被密封。

另一示例提供了一种设备，包括：包括被封闭在硅氧烷基封装剂中的导电路径的电路结构，聚合物电路支撑件，以及将硅氧烷基封装剂共价地键合到聚合物电路支撑件的交联剂，交联剂包括共价地链接到硅氧烷基封装剂的硅氧烷官能团和共价地链接到硅氧烷官能团和聚合物电路支撑件的第二官能团。导电路径可附加地或替换地包括液态金属和嵌有导电颗粒材料的聚合物中的一者或多者，硅氧烷官能团可附加地或替换地包括聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、和聚二苯基硅氧烷中的一者或多者，以及第二官能团可附加地或替换地包括胺、硫化物和磷化物中的一者或多者。聚合物电路支撑件可附加地或替换地包括聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚氯乙烯和聚酰亚胺中的一者或多者。设备可附加地或替换地包括在电路结构的导电路径与聚合物电路支撑件上的电路元件之间的电耦合。电耦合可附加地或替换地包括嵌入硅氧烷基封装剂中的对齐的磁性颗粒。电耦合可附加地或替换地包括银纳米线、银颗粒和银薄片中的一者或多者。电耦合可附加地或替换地包括嵌入硅氧烷基封装剂中的碳分子。以上所描述的示例中的任何一个或全部可按任何合适的方式被组合在各种实现中。

另一示例提供了一种制造设备的方法，包括将液态金属导体封装在硅氧烷基封装剂中以形成柔性电路结构的导电路径，活化聚合物电路支撑件的表面，在活化聚合物电路支撑件的表面后将交联剂施加到表面，交联剂包括硅氧烷官能团和与硅氧烷官能团键合的第二官能团，第二官能团共价地键合到聚合物电路支撑件的活化表面，活化交联剂的硅氧烷官能团，以及将硅氧烷基封装剂共价地键合到交联剂的活化硅氧烷官能团。活化聚合物电路支撑件的表面可附加地或替换地包括将聚合物电路支撑件的表面暴露于氧等离子体、空气等离子体、和氩等离子体中的一者或多者，并且活化交联剂的硅氧烷官能团附加地或替换地包括将交联剂的硅氧烷官能团暴露于氧等离子体、空气等离子体、和氩等离子体中的一者或多者。该方法可附加地或替换地包括在将硅氧烷基封装剂键合到交联剂的活化硅氧烷官能团之前，通过将硅氧烷基封装剂暴露于氧等离子体、空气等离子体、和氩等离子体中的一者或多者来活化硅氧烷基封装剂。该方法可附加地或替换地包括在柔性电路结构的液态金属导体和聚合物电路支撑件的电路元件之间形成电耦合。该方法可附加地或替换地包括硅氧烷基封装剂的至少一部分，其包含嵌入的磁性颗粒。该方法可附加地或替换地包括硅氧烷基封装剂的至少一部分，其包含嵌入的纳米线。活化聚合物电路支撑件的表面可附加地或替换地包括活化聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚氯乙烯或聚酰亚胺电路支撑件的表面。将交联剂施加到聚合物电路支撑件的表面可附加地或替换地包括施加聚[二甲基硅氧烷-共-(3-氨基丙基)甲基硅氧烷]。以上所描述的示例中的任何一个或全部可按任何合适的方式被组合在各种实现中。

另一示例提供了一种设备，包括：在第一聚合物电路支撑件上的第一电路元件，在第二聚合物电路支撑件上的第二电路元件，第一电路元件和第二电路元件之间的互连，该互连包括，被封装在硅氧烷基封装剂中的液体导电通路，以及在液体导电通路与第一电路元件及第二电路元件中的一者或多者之间和液体导电通路相接的电气路径，该电气路径延伸穿过硅氧烷基封装剂；以及将硅氧烷基封装剂共价地键合到第一电路支撑件和第二电路支撑件的交联剂，该交联剂包括键合到硅氧烷基封装剂的硅氧烷官能团和键合到硅氧烷官能团、以及第一聚合物电路支撑件和第二聚合物电路支撑件的第二官能团。硅氧烷官能团可附加地或替换地包括聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、和聚二苯基硅氧烷中的一者或多者。第二官能团可附加地或替换地包括胺、羧基、苯并酚、硫化物和磷化物中的一者或多者。第一聚合物电路支撑件和第二聚合物电路支撑件各自可附加地或替换地包括聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚氯乙烯和聚酰亚胺中的一者或多者。电气路径可附加地或替换地包括嵌入所述硅氧烷基封装剂中的对齐的磁性颗粒、银纳米线、碳纳米管、石墨、石墨烯薄片、银颗粒、银薄片、和碳分子中的一者或多者。以上所描述的示例中的任何一个或全部可按任何合适的方式被组合在各种实现中。

应当理解，本文中所描述的配置和/或办法本质上是示例性的，并且这些具体实施例或示例不应被视为具有限制意义，因为许多变体是可能的。本文中所描述的具体例程或方法可表示任何数量的处理策略中的一个或多个。由此，所解说和/或所描述的各种动作可以以所解说和/或所描述的顺序执行、以其他顺序执行、并行地执行，或者被省略。同样地，以上所描述的过程的次序可被改变。

本公开的主题包括各种过程、系统和配置以及此处公开的其他特征、功能、动作和/或属性、以及它们的任一和全部等价物的所有新颖且非显而易见的组合和子组合。