[发明专利]基材上无溶剂印刷电路的方法

说明书

本发明公开了一种无溶剂制造电路的方法。首先采用激光印刷技术将含金属前体和还原剂前体的厚达13微米的厚图案层沉积到基材上；然后用新开发的高能强脉冲光(intense pulsed light，IPL)系统照射沉积的图案化前体材料，以将沉积的材料转变为导电的厚金属层电路。印刷图案易于金属化使本发明成为大规模生产柔性印刷电路的高效制造方法。

技术领域

本发明涉及印刷电子领域，尤其涉及一种在基材上制造厚导电层电路的无溶剂方法。

背景技术

具有改进电子工业和改变我们日常生活潜力的印刷电子、柔性电子和可穿戴电子构成了一个迅速增长的研究领域。喷墨印刷、凹版印刷、丝网印刷、气溶胶喷射印刷和激光诱导正向转移印刷等各种印刷技术已被用于制造各种应用的电气和电子器件。高效率、可扩展的印刷技术一直吸引着印刷电子界。近年来，印刷电子产品的研发得到了长足的发展。大多数现有印刷电子技术是基于涉及一种或多种溶剂的溶液方案。金属纳米颗粒、碳纳米管、导电/功能聚合物或离子凝胶等可溶性的导电和/或特殊功能材料通常会被配制成不同的印刷油墨。在金属纳米颗粒制作成导电油墨应用在印刷电子领域的深入探索中，银纳米颗粒扮演着重要的角色。然而，为了防止纳米颗粒聚集、沉降和氧化，由金属纳米颗粒组成的导电油墨中大量的稳定剂、封端剂和/或改性剂的使用会降低固体负载、提高杂质含量，结果导致印刷电路的高电阻。虽然选择性激光烧结、脉冲光烧结、等离子体和微波闪速烧结等许多有效的烧结方法用来制作印刷电路并获得高达60％的块材导电性，但由于导电层较薄(小于1μm)，这些印刷电路的电阻仍然很高，使得印刷电子仍难以满足电子工业的要求。此外，高质量油墨的制备通常较复杂和昂贵；在油墨配方方面，印刷工艺对粘度和表面张力有严苛要求。印刷质量容易受到针孔构造等内在限制的影响，并且油墨与基底的粘附也是所有湿加工技术的共同挑战。

近年来，喷墨印刷、纳米压印和丝网印刷等印刷技术已逐渐成为生产柔性可伸缩的电子/器件非常有前景的技术趋势。特别是增材制造工艺的材料或喷墨印刷具有高效率、低材料消耗和可编程控制的优点，通过直接书写方式制造柔性和可伸缩的电子器件已被证明是非常通用且具有成本效益。然而，印刷电路的低导电性、印刷材料与基底之间的弱粘附、低分辨率、基底材料的选择限制性和导电油墨使用Ag或Au纳米粒子的高成本等方面仍存在挑战。特别是低电导率和弱粘附性问题，直接影响到制造过程中的质量控制，以及器件在使用过程中的性能和寿命。如果能够提高印刷分辨率，则成本和材料消耗将降低，吞吐量将进一步增加，更多的应用将变得可用。

发明内容

光固化是使用闪光灯(通常是氙灯)产生的高能光脉冲对材料进行能量密集处理的过程。光固化允许不耐高温基材在比用烤箱(需要长达数小时)更短的时间周期(约1毫秒)内被处理，而不会对热敏基材造成损坏。强脉冲光能使热塑性不透明或其它不透明聚合物材料在气相中分解成醇和酸，并能提供在醇和酸环境中还原金属前体的能量。

激光印刷是一种无溶剂、高速、静电式的数字印刷工艺，它通过将激光束传递到带电鼓上快速地产生高质量的图案，以便定义差分带电图像，并且已经广泛应用于我们的日常生活中。虽然激光印刷广泛应用于图形印刷中，除了激光诱导正向转移印刷、控制碳纳米管生长的激光印刷图案和制备微流体器件等少数案例外，利用激光印刷进行器件制造的报道仍然很少。因为不需要溶剂从而不必考虑金属和调色剂粉末的溶解性，激光印刷有很大优势。与喷墨印刷不同，激光印刷采用干墨粉，因此不受粘度和表面张力的限制。自激光打印机问世以来，它们变得更加实惠，使它们成为印刷电子和个人使用的可行选择。激光诱导正向转移(Laser-induced forward transfer，LIFT)是一种在无相变情况下将激光推进到基底的技术，能在不降低性能的情况下沉积复合材料。利用LIFT技术，可以高精度地传输具有平滑均匀轮廓的银图案，同时可以获得具有高再现性的均匀圆形液滴。醇和酸还原机理被广泛应用于通过还原金属氧化物来合成金属。下列反应式(1-6)显示了这些反应的机理和热动力学。

Cu₂O+CH₃OH(g)→2Cu+H₂O(g)+HCHO(g)