专利名称：微结构加工方法
微结构加工方法技术领域：
本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种超材料的微结构加工方法。
背景技术：
超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而或得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料。超材料的特殊性质在很大程度上取决于材料的关键物理尺度。一个最直观的例子是晶体。晶体在原子尺度上是排列有序的，正因为此，晶体材料拥有一些无定型态所不具备的物理特征。由此类比，在其它层次上的有序排列则可能获得一定程度的自然界中的材料所不具备的物理性质。通常人造结构的尺寸为所需响应波长的十分之一，否则这些人造结构所组成的排列在空间中不能被视为连续。超材料包括人造结构以及人造结构所附着的材料,该附着材料对人造结构起到支撑作用，因此可以是任何与人造结构不同的材料，这两种材料的叠加会在空间中产生一个等效介电常数与磁导率，而这两个物理参数分别对应了材料的电场响应与磁场响应。超材料的制备目前主要通过光蚀刻、化学蚀刻、电化学沉积等技术在基底材料上镀上有特定重复图案的铜层来实现。光蚀刻的步骤多，操作一般比较复杂，并且由于光蚀刻等技术本身对材料的要求限制，现阶段使用的基底材料一般为硬质的FR4板，而不能够应用在柔性的基底材料及封装材料上。而化学蚀刻、电化学沉积等技术则可能导致对环境的污染。需要提供一种新的微结构加工方法，能够快速简单地在尤其是柔性的基底材料上制备金属微结构。
发明内容本发明提供一种微结构加工方法，采取预种晶种激光诱导化学镀的方式来加工微结构，可快速简单高效而精确地在尤其是柔性的基底材料上制备金属微结构。激光柔性布线是一种新生的超精密微结构加工技术，属于激光直写技术中的一种。它与传统的柔性制备线路技术如热压印、静电转印、聚焦粒子束技术、激光加工技术等相比，具有最小线宽低、导线分辨率高、布线速率快、无需掩膜板等突出优势。并且，激光束能量密度高，光斑直径、方向和位置容易精确控制。本发明将激光直写技术和化学镀技术相结合，在聚酰亚胺基片表面制备金属微结构。通过使用表面掺杂银的聚酰亚胺薄膜，或是在基片表面涂布含银纳米粒子的聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)薄膜，这些薄膜经过处理的表面都能够在聚焦激光束的作用下在基板上沉积一定量的金属晶种晶粒，再经过化学镀处理后即可生成铜。
根据本发明的一个主要方面，提供一种微结构加工方法，该方法包括以下步骤:
a、将PVP与AgNO3溶解于乙醇中，将此溶液均匀加热，得到棕色的金属胶体溶液；b、将该金属胶体溶液冷却至室温，涂布在基片的表面并烘干；C、配置化学镀液；d、用激光束在基片上写出微结构图案；e、用清洗液清洗基片，除去未经照射的PVP薄膜；f、将清洗好的基片置于化学镀液中，得到微结构。根据本发明的一个方面，基片是柔性基片。根据本发明的一个方面，柔性基片是聚酰亚胺(PI)基片。根据本发明的一个方面，PVP与AgNO3的重量比为2:1。根据本发明的一个方面，乙醇浓度在0.03g/ml左右。根据本发明的一个方面，加热方式为使用微波炉每隔I分钟在300w功率下加热I分钟，共加热6次。根据本发明的一个方面，用旋转涂膜机将金属胶体溶液涂布在基片上。根据本发明的一个方面，化学镀液包括按1:1的体积比混合配比的第一溶液和第二溶液，其中，第一溶液的组成为CuSO4 16g/l，酒石酸钾钠48g/l，NaOH 28g/l，而第二溶液的组成为12ml/l的浓甲醛溶液。根据本发明的一个方面，清洗液是0.5 %的NaOH溶液。根据本发明的一个方面，清洗好的基片置于30°C的化学镀液中达约15分钟。根据本发明的一个方面，微结构包括多个阵列排布的微结构单元，所述微结构单元为工字型或工字衍生型金属线结构。根据本发明的一个方面，微结构包括多个阵列排布的微结构单元，所述微结构单元为开口环型或开口环衍生型金属线结构。根据本发明的另一个主要方面，提供一种微结构加工方法，该方法包括以下步骤:a、将基片浸入KOH水溶液中，浸泡后取出后用水清洗除去多余的KOH ；b、再将基片浸入AgNO3水溶液中，用银离子交换表面的钾离子，取出后用水清洗并烘干；C、配置化学镀液；d、用激光束在基片上写出微结构图案；e、用清洗液清洗基片，除去未经照射的PVP薄膜，然后进行热处理；f、将清洗好的基片置于化学镀液中，得到微结构。
根据本发明的一个方面，基片是柔性基片。根据本发明的一个方面，柔性基片是聚酰亚胺(PI)基片。根据本发明的一个方面，KOH水溶液为0.5M的KOH水溶液。根据本发明的一个方面，基片在KOH水溶液中在50°C条件下浸泡约20分钟。根据本发明的一个方面，AgNO3水溶液为0.1M的AgNO3水溶液。根据本发明的一个方面，基片在AgNO3水溶液中浸泡约30分钟。根据本发明的一个方面，化学镀液包括按1:1的体积比混合配比的第一溶液和第二溶液，其中，第一溶液的组成为CuSO4 16g/l，酒石酸钾钠48g/l，NaOH 28g/l，而第二溶液的组成为12ml/l的浓甲醛溶液。根据本发明的一个方面，清洗液是5%的H2SO4溶液。根据本发明的一个方面，热处理在250°C条件下进行30分钟。根据本发明的一个方面，清洗好的基片置于30°C的化学镀液中达约15分钟。根据本发明的一个方面，微结构包括多个阵列排布的微结构单元，所述微结构单元为工字型或工字衍生型金属线结构。根据本发明的一个方面，微结构包括多个阵列排布的微结构单元，所述微结构单元为开口环型或开口环衍生型金属线结构。应当认识到，本发明以上各方面中的特征可以在本发明的范围内自由组合，而并不受其顺序的限制一只要组合后的技术方案落在本发明的实质精神内。利用本发明的方法，将激光柔性布线技术和化学镀结合，可实现在柔性基板如聚酰亚胺(PI)上制备金属微结构。而激光束可精确控制其定位和大小，由此可获得结构精准的金属微结构图案，制备精度可低至微米级别。再有，图案直接写入，无需掩膜板。操作简单，程序少，速度快，效率高，成本较低。与其他激光技术相比，本发明的方法又避免了有机金属盐和有机溶剂的使用，对环境无害。并且，除PI基板外，本发明的方法还可广泛用于各类基板，如陶瓷、玻璃和有机树脂基板；所镀金属也可自由选择。
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对本发明的附图作简单地介绍，其中:图1示意性地显示了根据本发明的一种微结构加工方法的流程。图2则示意性地显示了根据本发明的另一种微结构加工方法的流程。图3-6示意性地显示了根据本发明的方法得到的微结构的基本单元的形状。
具体实施方式
下文将结合本发明的优选实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要明白，下文的描述(包括附图)仅仅是示例性的，而非对本发明的限制性描述。在以下描述中会涉及到部件的具体数量，然而也需要明白的是，这些数量也仅仅是示例性的，本领域技术人员可以参照本发明任意选取适当数量的部件。并且，在本发明中所提及的“第一”、“第二”等字眼，并非表示对部件重要性的排序，仅仅作区别部件名称之用。除非另有明确定义，本申请上下文中使用的术语具有本领域中通常使用的含义。根据本发明的实施例，采用Nd = YAG激光器266nm紫外激光作为辐射光源，激光束经过透镜后再基片的表面聚焦，基片放置在一个由计算机控制的移动平台上，当平台移动式，激光束在基片表面写出设计好的图形结构，而金属铜微结构即是通过控制激光束选择性聚焦照射来实现。图1和图2示意性地显示了根据本发明的微结构加工方法的流程。其具体的制备方式可以参见下列具体实施例。实施例一:将重量比2: I的PVP与AgN03溶解于浓度约0.03g/ml乙醇中。用微波炉将此溶液均匀加热，每隔I分钟在300W功率下加热I分钟，共加热6次，由此得到棕色的金属胶体溶液。将反应液冷却至室温，用旋转涂膜机涂布在PI基片的表面并烘干。取CuSO4 16g/l、酒石酸钾钠48g/l、NaOH 28g/l配成第一溶液，取12ml/l的浓甲醛溶液作为第二溶液，然后按1:1的体积比混合第一溶液和第二溶液来形成化学镀液。将PI基片放置在由计算机控制的平台上，按计算机程序移动该平台，利用激光束在该PI基片上写出预设的微结构图案。将写好的PI基片从平台上取下后，用0.5%的NaOH溶液清洗PI基片，除去表面未经照射的PVP薄膜。将清洗好的基片置于30°C的化学镀液中15分钟，得到化学镀的金属铜微结构。实施例二:将PI基片浸入0.5M的KOH水溶液中，加热KOH水溶液至50°C，浸泡20分钟，取出后用水清洗除去多余的Κ0Η。再将基片浸入0.1M的AgN03水溶液中，浸泡30分钟，以使银离子交换出表面的钾离子，取出后用 水清洗并烘干。取CuSO4 16g/l、酒石酸钾钠48g/l、NaOH 28g/l配成第一溶液,取12ml/l的浓甲醛溶液作为第二溶液，然后按1:1的体积比混合第一溶液和第二溶液来形成化学镀液。将PI基片放置在由计算机控制的平台上，按计算机程序移动该平台，利用激光束在该PI基片上写出预设的微结构图案。将写好的PI基片从平台上取下后，用5%的H2S04清洗基片，然后在250°C下热处理30分钟。 将热处理后PI基片置于30°C的化学镀液中15分钟，得到化学镀的金属铜微结构。图3-6示意性地显示了根据本发明的方法得到的微结构的基本单元形状，这些形状是预先设计好的。图3和图4所示为工字型及工字衍生型金属线结构的微结构单元。而图5和图6所示为开口环型或开口环衍生型金属线结构的微结构单元。金属微结构包括多个阵列排布的微结构单元。根据本发明的方法，能够快速、简单、高效而精确地在柔性基板如PI基板上制备金属微结构。并且，本发明的方法避免了有机金属盐和有机溶剂的使用，对环境无害。需要明白，除柔性的PI基板外，本发明的方法还可广泛用于各类基板，如陶瓷、玻璃和有机树脂基板；而且所镀金属除了铜之外也可自由选择。还需要明白，以上根据优选的实施方式对本发明作了详细的描述，不过需要理解的是，本发明的范围并不局限于这些具体的实施方式，而是包括本领域技术人员根据本发明的公开能够做出的任何改动和变更。
权利要求
1.一种微结构加工方法，该方法包括以下步骤: a、将PVP与AgNO3溶解于乙醇中，将此溶液均匀加热，得到棕色的金属胶体溶液； b、将所述金属胶体溶液冷却至室温，涂布在所述基片的表面并烘干； C、配置化学镀液； d、用激光束在所述基片上写出微结构图案； e、用清洗液清洗所述基片，除去未经照射的PVP薄膜； f、将清洗好的基片置于所述化学镀液中，得到微结构。
2.根据权利要求1所 述的方法，其特征在于，PVP与AgNO3的重量比为2:1。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基片是柔性基片。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述柔性基片是聚酰亚胺基片。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述化学镀液包括按1:1的体积比混合配比的第一溶液和第二溶液，其中，第一溶液的组成为CuS0416g/l，酒石酸钾钠48g/l，NaOH28g/l，而第二溶液的组成为12ml/l的浓甲醛溶液。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微结构包括多个阵列排布的微结构单元，所述微结构单元为工字型或工字衍生型金属线结构。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微结构包括多个阵列排布的微结构单元，所述微结构单元为开口环型或开口环衍生型金属线结构。
8.一种微结构加工方法，该方法包括以下步骤: a、将基片浸入KOH水溶液中,浸泡后取出后用水清洗； b、再将基片浸入AgNO3水溶液中，取出后用水清洗并烘干； C、配置化学镀液； d、用激光束在基片上写出微结构图案； e、用清洗液清洗基片，除去未经照射的PVP薄膜，然后进行热处理； f、将清洗好的基片置于化学镀液中，得到微结构。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述微结构包括多个阵列排布的微结构单元，所述微结构单元为工字型或工字衍生型金属线结构。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述微结构包括多个阵列排布的微结构单元，所述微结构单元为开口环型或开口环衍生型金属线结构。
全文摘要
本发明提供一种超材料的微结构加工方法，该方法采取预种晶种激光诱导化学镀的方式，首先将PVP与AgNO3溶解于乙醇中，均匀加热得到棕色的金属胶体溶液，然后将其冷却至室温，涂布在基片的表面并烘干；接着用激光束在基片上写出微结构图案；接着再用清洗液清洗基片，除去未经照射的PVP薄膜；最后将清洗好的基片置于预先配置的化学镀液中，得到微结构。根据本发明的方法来加工微结构，可快速简单高效而精确地在尤其是柔性的基底材料上制备金属微结构。
文档编号C23C14/04GK103173724SQ201110439939
公开日2013年6月26日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者刘若鹏, 赵治亚, 法布里齐亚·盖佐, 何雪涵 申请人:深圳光启高等理工研究院