基于超疏液体金属表面的柔性电路印刷方法与流程

本发明涉及一种电路印刷方法，具体涉及一种基于超疏液体金属表面的柔性电路印刷方法。

背景技术：

柔性电子器件因其在通讯、天线、传感、医疗、可穿戴设备等领域的广泛应用而引起了科学家们的广泛关注。柔性电子器件的核心就是其内部的柔性导电体。银、铜、铝等传统金属导体虽然导电性高，但不能经受反复弯曲、扭曲或拉伸。相比之下，镓(ga)和镓基金属合金在室温下通常为液态，除了导电性高之外，还具有延展性强、弹性模量大、无毒等优点。优异的力学和电学性能使镓基液态金属成为柔性电子领域的热门导体材料，可取代传统的金属导体。然而，镓基液体金属通常被一层薄的氧化膜所覆盖，这种氧化膜具有超高附着力，很容易使液体金属残留和附着在样品表面，且不易清除。液体金属残留不仅会造成不必要的浪费和污染，而且限制了液体金属微电子器件的制备精度。虽然氧化膜可以通过酸或碱溶液处理去除，但一旦液态金属与空气接触，氧化层将很快重新生成。此外，去除氧化膜的酸碱类物质一般具有腐蚀性，不适用于各类电子器件。

为了减少液体金属与固体表面的粘附，近年来科学家提出了一种“抗液体金属表面”，来取代化学去除表面氧化层的工艺。但事实上，这种“抗液体金属表面”是以涂层的形式附着在样品表面，理化稳定性差，容易脱落；其次，这种工艺缺乏普适性，往往只能在特定材料表面形成“抗液体金属性”，因此，这类材料并没有达到严格意义上的“超疏液体金属”。

此外，在柔性电子器件的印刷中，“可粘附”、“不可粘附”液体金属表面的图案化分布也备受关注，但目前此类图案化表面通常是通过昂贵的掩模和复杂的衬底来实现的。通过一步法在单一衬底上实现高机械强度的图案化液态金属排斥表面仍然具有极大的挑战性。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有技术中存在的“抗液体金属表面”是以涂层的形式附着在样品表面，理化稳定性差，容易脱落，加工工艺缺乏普适性，只能在特定材料表面制成，且图案化过程较为复杂的技术问题，而提供了基于超疏液体金属表面的柔性电路印刷方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于超疏液体金属表面的柔性电路印刷方法，其中使用的飞秒激光加工系统包括飞秒激光发生器、参数调制光路、反射镜、光学聚焦镜头、平移台以及用于控制参数调制光路的快门开关和平移台移动的上位机，其特殊之处在于，按照以下步骤实施：

1)清洗基板；

2)调整飞秒激光加工系统

2.1)选取飞秒激光发生器，所述飞秒激光发生器可发出波长为515-1030nm、中心脉宽为50-450fs的飞秒激光脉冲；

2.2)选取光学聚焦镜头，所述光学聚焦镜头为显微镜物镜，放大倍数为5-20倍，数值孔径na值为0.2-0.45；

2.3)打开飞秒激光发生器，调节参数调制光路的衰减片，使通过参数调制光路的飞秒激光单脉冲能量为5-60μj；

2.4)关闭参数调制光路的快门，将基板固定在平移台上；

2.5)调整光学聚焦镜头的焦距，使飞秒激光脉冲可聚焦在基板上；

2.6)在上位机中设置平移台的平移速度，使脉冲间距为2-8μm；并在上位机中设置飞秒激光脉冲扫描图案，所述扫描图案与印刷图案互补；

3)飞秒激光扫描

3.1)通过上位机开启扫描，参数调制光路的快门打开，飞秒激光脉冲经过参数调制光路、反射镜，然后通过光学聚焦镜头聚焦到基板表面；

3.2)平移台在上位机控制下按设定的扫描图案沿基板所在平面移动；

3.3)同时通过上位机控制参数调制光路的快门开关，进行逐点选择性扫描；

4)液体金属印刷

扫描完成后，将液体金属均匀涂抹在基板表面，将多余液体金属从基板上去除。

进一步地，步骤3.1所述反射镜为半透半反镜或窄带高反片。

进一步地，步骤4将液体金属均匀涂抹在基板表面的具体方法是，使用滚轮蘸取液体金属均匀涂抹在基板上，或使用刷子蘸取液体金属均匀涂抹在基板上，或直接将液体金属滴在基板上，然后用棉签涂抹均匀，只要使液体金属与基板表面接触，并涂抹均匀即可；

步骤4将多余液体金属从基板上去除的具体方法是，利用洗耳球将多余液体金属从基板表面吹除。

进一步地，步骤1清洗基板的具体方法是，依次使用丙酮、乙醇、去离子水分别对基板进行超声波清洗3分钟以上，使基板得到有效清洗。

进一步地，所述基板的材质为聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯或聚乙烯醇。

本发明实现超疏液体金属表面的原理是利用飞秒激光脉冲在基板材料表面构建微纳粗糙结构，该结构可极大程度减小液体金属与材料表面的接触面积，形成cassie式接触。当具有上述结构的材料表面同时满足液体金属接触角为150-180度，滚动角为0-10度，粘滞力小于10^-6n时，材料表面即具有超疏液体金属性。

对材料表面粗糙度影响最大的参数就是激光脉冲间距，平移台的平移速度决定脉冲间距。如图2所示，在飞秒激光脉冲11的作用下，脉冲间距13越小，脉冲光斑12重合面积越大，意味着单位面积受到的激光破坏越大，材料表面粗糙形貌更为明显，但同时，脉冲间距13越小，则扫描效率越低。因此必须选取合适的脉冲间距，即设置平移台的平移速度，使脉冲间距为2-8μm，就能同时满足材料表面的超疏液体金属性和高扫描效率的要求。

本发明相对现有技术的有益效果是：

(1)本发明所提出的基于超疏液体金属表面的柔性电路印刷方法，通过调控飞秒激光单脉冲能量、光学聚焦镜头、三维平移台的平移速度等参数，在材料表面的特定扫描区域实现超疏液体金属性，而未扫描区域保留亲液体金属性，当液体金属铺展在整个材料表面上时，便会自发地形成图案，如图3所示的图案化加工过程，实现了一步法印刷；

(2)本发明是直接在单一衬底上实现，无需掩膜版，所有图案可以通过飞秒激光加工系统编程直写获得，加工过程简单易操作；

(3)通过本发明所提出的方法加工得到的图案化表面机械性能稳定，经摩擦、弯曲、化学浸泡等试验后，原有性质依然得以保持；

(4)本发明可在聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯或聚乙烯醇等多种柔性材料表面上实现超疏液体金属性，普适性强；

(5)本发明可实现的最小尺寸印刷为宽200μm、间距200μm的条纹图案的微电路印刷，精细化程度较高。

附图说明

图1是本发明使用的飞秒激光加工系统示意图；

图2是飞秒激光逐点扫描示意图；

图3是图案化加工过程图；

图中，1-飞秒激光发生器，2-参数调制光路，3-反射镜，4-光学聚焦镜头，5-基板，6-平移台，7-上位机，11-飞秒激光脉冲，12-脉冲光斑，13-脉冲间距。

具体实施方式

下面结合附图1和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于超疏液体金属表面的柔性电路印刷方法，其中使用的飞秒激光加工系统如图1所示，包括飞秒激光发生器1、参数调制光路2、反射镜3、光学聚焦镜头4、平移台6以及用于控制参数调制光路2的快门开关和平移台6移动的上位机7。

实施例一

1)取材质为聚二甲基硅氧烷、大小为30*20*1mm的基板5，依次使用丙酮、乙醇、去离子水分别对基板5进行超声波清洗3分钟以上，使基板5得到有效清洗；

2)调整飞秒激光加工系统

2.1)选取飞秒激光发生器1，所述飞秒激光发生器1可发出波长为800nm、中心脉宽为50fs的飞秒激光脉冲；

2.2)选取光学聚焦镜头4，所述光学聚焦镜头4为显微镜物镜，放大倍数为20倍，数值孔径na值为0.45；

2.3)打开飞秒激光发生器1，调节参数调制光路2的衰减片，使通过参数调制光路2的飞秒激光单脉冲能量为20μj；

2.4)关闭参数调制光路2的快门，将基板5固定在平移台6上；

2.5)调整光学聚焦镜头4的焦距，使飞秒激光脉冲可聚焦在基板5上；

2.6)在上位机7中设置平移台6的平移速度为8mm/s，使脉冲间距为8μm；并在上位机7中设置飞秒激光脉冲扫描图案，所述扫描图案与印刷图案互补；

3)飞秒激光扫描

3.1)通过上位机7开启扫描，参数调制光路2的快门打开，飞秒激光脉冲经过参数调制光路2、反射镜3，然后通过光学聚焦镜头4聚焦到基板5表面；

3.2)平移台6在上位机7控制下按设定的扫描图案沿基板5所在平面移动；

3.3)同时通过上位机7控制参数调制光路2的快门开关，进行逐点选择性扫描；

4)液体金属印刷

将液体金属滴在基板5上，使用棉签涂抹均匀，然后利用洗耳球将多余液体金属从基板5表面吹除。

使用上述方法加工的基板液体金属接触角为158度，滚动角为8度，粘滞力小于10^-6n，具有超疏液体金属性，经摩擦、弯曲、化学浸泡等试验后，原有性质未发生改变。

实施例二

1)取材质为聚二甲基硅氧烷、大小为30*20*1mm的基板5，依次使用丙酮、乙醇、去离子水分别对基板5进行超声波清洗3分钟以上，使基板5得到有效清洗；

2)调整飞秒激光加工系统

2.1)选取飞秒激光发生器1，所述飞秒激光发生器1可发出波长为515nm、中心脉宽为450fs的飞秒激光脉冲；

2.2)选取光学聚焦镜头4，所述光学聚焦镜头4为显微镜物镜，放大倍数为10倍，数值孔径na值为0.3；

2.3)打开飞秒激光发生器1，调节参数调制光路2的衰减片，使通过参数调制光路2的飞秒激光单脉冲能量为60μj；

2.4)关闭参数调制光路2的快门，将基板5固定在平移台6上；

2.5)调整光学聚焦镜头4的焦距，使飞秒激光脉冲可聚焦在基板5上；

2.6)在上位机7中设置平移台6的平移速度为6mm/s，使脉冲间距为6μm；并在上位机7中设置飞秒激光脉冲扫描图案，所述扫描图案与印刷图案互补；

3)飞秒激光扫描

3.1)通过上位机7开启扫描，参数调制光路2的快门打开，飞秒激光脉冲经过参数调制光路2、反射镜3，然后通过光学聚焦镜头4聚焦到基板5表面；

3.2)平移台6在上位机7控制下按设定的扫描图案沿基板5所在平面移动；

3.3)同时通过上位机7控制参数调制光路2的快门开关，进行逐点选择性扫描；

4)液体金属印刷

使用刷子蘸取液体金属，并均匀涂抹在基板5上，然后利用洗耳球将多余液体金属从基板5表面吹除。

使用上述方法加工的基板液体金属接触角为158度，滚动角为5度，粘滞力小于10^-6n，具有超疏液体金属性，经摩擦、弯曲、化学浸泡等试验后，原有性质未发生改变。

实施例三

1)取材质为聚四氟乙烯、大小为30*20*1mm的基板5，依次使用丙酮、乙醇、去离子水分别对基板5进行超声波清洗3分钟以上，使基板5得到有效清洗；

2)调整飞秒激光加工系统

2.1)选取飞秒激光发生器1，所述飞秒激光发生器1可发出波长为800nm、中心脉宽为50fs的飞秒激光脉冲；

2.2)选取光学聚焦镜头4，所述光学聚焦镜头4为显微镜物镜，放大倍数为5倍，数值孔径na值为0.2；

2.3)打开飞秒激光发生器1，调节参数调制光路2的衰减片，使通过参数调制光路2的飞秒激光单脉冲能量为5μj；

2.4)关闭参数调制光路2的快门，将基板5固定在平移台6上；

2.5)调整光学聚焦镜头4的焦距，使飞秒激光脉冲可聚焦在基板5上；

2.6)在上位机7中设置平移台6的平移速度为2mm/s，使脉冲间距为2μm；并在上位机7中设置飞秒激光脉冲扫描图案，所述扫描图案与印刷图案互补；

3)飞秒激光扫描

3.1)通过上位机7开启扫描，参数调制光路2的快门打开，飞秒激光脉冲经过参数调制光路2、反射镜3，然后通过光学聚焦镜头4聚焦到基板5表面；

3.2)平移台6在上位机7控制下按设定的扫描图案沿基板5所在平面移动；

3.3)同时通过上位机7控制参数调制光路2的快门开关，进行逐点选择性扫描；

4)液体金属印刷

使用刷子蘸取液体金属，并均匀涂抹在基板5上，然后利用洗耳球将多余液体金属从基板5表面吹除。

使用上述方法加工的基板液体金属接触角为160度，滚动角为0.5度，粘滞力小于10^-6n，具有超疏液体金属性，经摩擦、弯曲、化学浸泡等试验后，原有性质未发生改变。

实施例四

1)取材质为聚四氟乙烯、大小为30*20*1mm的基板5，依次使用丙酮、乙醇、去离子水分别对基板5进行超声波清洗3分钟以上，使基板5得到有效清洗；

2)调整飞秒激光加工系统

2.1)选取飞秒激光发生器1，所述飞秒激光发生器1可发出波长为1030nm、中心脉宽为200fs的飞秒激光脉冲；

2.2)选取光学聚焦镜头4，所述光学聚焦镜头4为显微镜物镜，放大倍数为20倍，数值孔径na值为0.4；

2.3)打开飞秒激光发生器1，调节参数调制光路2的衰减片，使通过参数调制光路2的飞秒激光单脉冲能量为30μj；

2.4)关闭参数调制光路2的快门，将基板5固定在平移台6上；

2.5)调整光学聚焦镜头4的焦距，使飞秒激光脉冲可聚焦在基板5上；

2.6)在上位机7中设置平移台6的平移速度为4mm/s，使脉冲间距为4μm；并在上位机7中设置飞秒激光脉冲扫描图案，所述扫描图案与印刷图案互补；

3)飞秒激光扫描

3.1)通过上位机7开启扫描，参数调制光路2的快门打开，飞秒激光脉冲经过参数调制光路2、反射镜3，然后通过光学聚焦镜头4聚焦到基板5表面；

3.2)平移台6在上位机7控制下按设定的扫描图案沿基板5所在平面移动；

3.3)同时通过上位机7控制参数调制光路2的快门开关，进行逐点选择性扫描；

4)液体金属印刷

使用刷子蘸取液体金属，并均匀涂抹在基板5上，然后利用洗耳球将多余液体金属从基板5表面吹除。

使用上述方法加工的基板液体金属接触角为159度，滚动角为0.5度，粘滞力小于10^-6n，具有超疏液体金属性，经摩擦、弯曲、化学浸泡等试验后，原有性质未发生改变。

实施例五

1)取材质为聚乙烯醇、大小为30*20*1mm的基板5，依次使用丙酮、乙醇、去离子水分别对基板5进行超声波清洗3分钟以上，使基板5得到有效清洗；

2)调整飞秒激光加工系统

2.1)选取飞秒激光发生器1，所述飞秒激光发生器1可发出波长为515nm、中心脉宽为300fs的飞秒激光脉冲；

2.2)选取光学聚焦镜头4，所述光学聚焦镜头4为显微镜物镜，放大倍数为10倍，数值孔径na值为0.3；

2.3)打开飞秒激光发生器1，调节参数调制光路2的衰减片，使通过参数调制光路2的飞秒激光单脉冲能量为50μj；

2.4)关闭参数调制光路2的快门，将基板5固定在平移台6上；

2.5)调整光学聚焦镜头4的焦距，使飞秒激光脉冲可聚焦在基板5上；

2.6)在上位机7中设置平移台6的平移速度为4mm/s，使脉冲间距为4μm；并在上位机7中设置飞秒激光脉冲扫描图案，所述扫描图案与印刷图案互补；

3)飞秒激光扫描

3.1)通过上位机7开启扫描，参数调制光路2的快门打开，飞秒激光脉冲经过参数调制光路2、反射镜3，然后通过光学聚焦镜头4聚焦到基板5表面；

3.2)平移台6在上位机7控制下按设定的扫描图案沿基板5所在平面移动；

3.3)同时通过上位机7控制参数调制光路2的快门开关，进行逐点选择性扫描；

4)液体金属印刷

使用刷子蘸取液体金属，并均匀涂抹在基板5上，然后利用洗耳球将多余液体金属从基板5表面吹除。

使用上述方法加工的基板液体金属接触角为155度，滚动角为10度，粘滞力小于10^-6n，具有超疏液体金属性，经摩擦、弯曲、化学浸泡等试验后，原有性质未发生改变。

实施例六

1)取材质为聚乙烯醇、大小为30*20*1mm的基板5，依次使用丙酮、乙醇、去离子水分别对基板5进行超声波清洗3分钟以上，使基板5得到有效清洗；

2)调整飞秒激光加工系统

2.1)选取飞秒激光发生器1，所述飞秒激光发生器1可发出波长为1030nm、中心脉宽为200fs的飞秒激光脉冲；

2.2)选取光学聚焦镜头4，所述光学聚焦镜头4为显微镜物镜，放大倍数为5倍，数值孔径na值为0.2；

2.3)打开飞秒激光发生器1，调节参数调制光路2的衰减片，使通过参数调制光路2的飞秒激光单脉冲能量为40μj；

2.4)关闭参数调制光路2的快门，将基板5固定在平移台6上；

2.5)调整光学聚焦镜头4的焦距，使飞秒激光脉冲可聚焦在基板5上；

2.6)在上位机7中设置平移台6的平移速度为5mm/s，使脉冲间距为5μm；并在上位机7中设置飞秒激光脉冲扫描图案，所述扫描图案与印刷图案互补；

3)飞秒激光扫描

3.1)通过上位机7开启扫描，参数调制光路2的快门打开，飞秒激光脉冲经过参数调制光路2、反射镜3，然后通过光学聚焦镜头4聚焦到基板5表面；

3.2)平移台6在上位机7控制下按设定的扫描图案沿基板5所在平面移动；

3.3)同时通过上位机7控制参数调制光路2的快门开关，进行逐点选择性扫描；

4)液体金属印刷

使用滚轮蘸取液体金属，并均匀涂抹在基板5上，然后利用洗耳球将多余液体金属从基板5表面吹除。

使用上述方法加工的基板液体金属接触角为154度，滚动角为10度，粘滞力小于10^-6n，具有超疏液体金属性，经摩擦、弯曲、化学浸泡等试验后，原有性质未发生改变。