基于3D打印工藝制備微流道的液態(tài)金屬圖案化方法

本篇研究來自中南大學(xué)何虎課題組。本文提出了基于3D打印工藝制備微流道的液態(tài)金屬圖案化方法，制造了柔性可延展的導(dǎo)線-電極單元，并對(duì)柔性可延展導(dǎo)線-電極單元進(jìn)行了電學(xué)表征；同時(shí)提出了表面組裝式與嵌入式兩種液態(tài)金屬柔性可延展電路的集成封裝工藝。

研究背景：

柔性電子是指在彎曲、拉伸的情況下的還可以保持其功能的電子器件及電路，可以實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備與人體體表類或植入類集成。另外，柔性電子設(shè)備與復(fù)雜曲面的共形能力遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電子設(shè)備，具有更好的適配性與可靠性。

鎵銦錫合金(Galinstan)是一種常溫下的液態(tài)金屬，具有金屬的導(dǎo)電性與液體的流動(dòng)性，是構(gòu)建柔性電子的理想材料。然而，液態(tài)金屬作為導(dǎo)電互連結(jié)構(gòu)的柔性電路，大多采用打印、印刷工藝，互連導(dǎo)線與功能器件難以穩(wěn)定可靠連接，難以形成可靠的封裝互連與工藝集成。本文針對(duì)可延展電路柔性基板大變形的情況下難以保證器件可靠的電學(xué)互連等問題，開展了基于液態(tài)金屬的導(dǎo)電聚合物與可延展電路制造與集成工藝研究。

研究?jī)?nèi)容：

（1）提出了基于3D打印工藝制備微流道的液態(tài)金屬圖案化方法，制造了柔性可延展的導(dǎo)線-電極單元，并對(duì)柔性可延展導(dǎo)線-電極單元進(jìn)行了電學(xué)表征。導(dǎo)線-電極單元初始電阻僅為1.4Ω左右，最大延展率為260%。將導(dǎo)線-電極單元拉伸至原長(zhǎng)110%，該范圍內(nèi)電學(xué)靈敏度僅為0.2，繼續(xù)拉伸至原長(zhǎng)260%，該范圍電學(xué)靈敏度大約為1.5，反映出優(yōu)異的電阻穩(wěn)定性。同時(shí)，通過改變加載速率，發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬互連導(dǎo)線電學(xué)性能無明顯差別。

圖1（a）液態(tài)金屬蛇形互連結(jié)構(gòu)顯微圖像；（b）銅箔電極與液態(tài)金屬接觸處顯微圖像；（c）20%應(yīng)變，（d）50%應(yīng)變，（e）100%應(yīng)變下液態(tài)金屬蛇形互連結(jié)構(gòu)顯微圖像

在20%應(yīng)變范圍與100%應(yīng)變范圍循環(huán)動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)中，液態(tài)金屬導(dǎo)線-電極單元的電阻變化率ΔR/R0分別為0.012與0.23，反映了良好的電阻動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。此外，我們還注意到了液態(tài)金屬優(yōu)異的可修復(fù)特性，這種特性使得基于液態(tài)金屬的電學(xué)互連單元具有更好的可靠性與穩(wěn)定性。

圖2 液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線-電極單元在（a）20%應(yīng)變與（b）100%應(yīng)變循環(huán)拉伸500次的電阻的變化

（2）提出了表面組裝式與嵌入式兩種液態(tài)金屬柔性可延展電路的集成封裝工藝。兩種集成方法制造的LED燈-導(dǎo)線單元均可以在彎曲、折疊、扭曲等形變下正常工作，其中，嵌入式制造的LED燈-導(dǎo)線單元在可以在260%的應(yīng)變下正常工作。另外，嵌入式集成工藝中合理的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠保證液態(tài)金屬與電子器件固液界面穩(wěn)定的機(jī)械接觸，并能最大限度保留液態(tài)金屬的流動(dòng)性。最后，通過表面貼裝集成工藝實(shí)現(xiàn)封裝電子器件在柔性基底上集成，演示了流水燈柔性電路系統(tǒng)，該電路可以在100%應(yīng)變下正常運(yùn)行，展示了剛性器件與液態(tài)金屬柔性電路集成的潛力。

圖3 表面貼裝法制造的LED-液態(tài)金屬互連單元可在150%的大應(yīng)變下正常工作，嵌入法制造的LED-液態(tài)金屬互連單元可在200%的大應(yīng)變下正常工作

圖4 （a）（b）（c）基于單片機(jī)表面貼裝法集成的流水燈柔性可延展電路，（d）（e）（f）在50%、100%應(yīng)變下均可正常工作

編輯：黃飛