一種在紙質(zhì)基材上制作導(dǎo)電電路的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于柔性電子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在紙基上制作導(dǎo)電電路的方法，特別是可通過手寫法在紙質(zhì)基材上繪制導(dǎo)電電路。
【背景技術(shù)】
[0002]柔性電子器件的應(yīng)用使電子產(chǎn)品變得更加輕柔，使可穿戴電子產(chǎn)品成為現(xiàn)實(shí)。目前可穿戴電子產(chǎn)品的基材大多是柔性塑料板或者纖維布，以紙作為柔性基材比較少，主要是紙不耐濕，電路圖形的精度控制比較困難。
[0003]紙基電路圖形的制備有以下幾種方法:噴墨打印、絲網(wǎng)印刷以及手寫法，其中以手寫法最為方便。手寫法制備電路圖形，主要技術(shù)包括:Russ0等制備了導(dǎo)電性的銀膠墨水，注入鋼筆中，手寫電路圖形，導(dǎo)電率為4.34 XlO Ω.cm (Adv.Mater.2011, 23，3426 - 3430)；Polavarapu等在紙上制備了用于表面拉曼增強(qiáng)的導(dǎo)電芯片，芯片制作使用的導(dǎo)電油墨是納米金、納米銀的水性膠體(Small 2014，10，3065 - 3071)。以上兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是電路圖形的制備不需要高溫還原或者紫外光照射還原的過程，以及不需要多次反復(fù)的在同一位置書寫線路圖形，以增強(qiáng)區(qū)域位置油墨的量，確保電路圖形不斷路。其缺點(diǎn)在于，油墨材料是貴金屬的納米金、納米銀，制備成本較高。
[0004]為了與微電子器件銅互連相兼容，制備紙基銅電路是必須跨越的技術(shù)難題。林承賢等發(fā)明了一種油墨及利用該油墨制作導(dǎo)電線路的方法，油墨成分包括銀氨絡(luò)合物和還原齊U，該方法有效避免了分別配置氧化性油墨和還原性油墨，再分別進(jìn)行打印的問題，簡(jiǎn)化了線路制作工藝(中國(guó)發(fā)明專利，公開號(hào)CN101591488A)。該發(fā)明的核心在于在紙上打印銀氨油墨，在光照下還原成單質(zhì)銀，再催化化學(xué)鍍銅，得銅電路圖形。
[0005]本發(fā)明的基本原理是，先將纖維素紙表面改性，降低纖維素紙的表面親水性，使得電路圖形的精度得以控制；再利用纖維素紙對(duì)銅離子的強(qiáng)吸附力，將銅離子固定在紙中；然后在紙上書寫強(qiáng)還原劑，如NaBH4的圖形，將銅離子還原成銅單質(zhì)，預(yù)制電路圖形；最后利用銅單質(zhì)的自催化作用，化學(xué)鍍銅，完成電路圖形制作。與上述發(fā)明(CN101591488A)相比，本發(fā)明是用手寫的方法制備電路圖形，無需借助噴墨打印設(shè)備；本發(fā)明雖然也采用化學(xué)鍍銅的方法完成電路圖形制作，但無需催化劑，避免貴金屬催化劑(如銀氨絡(luò)合物)的使用。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)還在于無需光照工藝，以及銅電路圖形中不含其它非銅金屬(如銀)雜質(zhì)，避免了合金腐蝕電位的產(chǎn)生，延長(zhǎng)了電路使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出一種在紙質(zhì)基材上制作導(dǎo)電電路的方法，特別是可通過手寫法在紙質(zhì)基材上繪制導(dǎo)電電路。具體工藝包括纖維素紙洗凈、烘干、表面改性、銅離子吸附、電路圖形預(yù)制以及化學(xué)鍍銅等。本發(fā)明制備的紙基手寫電路圖形具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)不依靠任何儀器設(shè)備，如噴墨打印機(jī)、絲網(wǎng)印刷機(jī)以及光掩模設(shè)備等，來制備電路圖形；(2)制備的是銅電路圖形，避免了昂貴的納米金、納米銀油墨的使用，極大的降低了生產(chǎn)成本；(3)工藝過程是一種“全加成法”，不使用貴金屬催化活化劑，如鈀、金、銀等，一方面降低了生產(chǎn)成本，另一方面避免了銅電路中的非銅金屬對(duì)電路圖形壽命的損傷；(4)銅電路圖形的導(dǎo)電性好，有利于降低使用過程中的能耗。
[0007]本發(fā)明提出的紙基手寫電路圖形的制備方法，其具體步驟為:
1)清潔纖維素紙:將纖維素紙洗凈、烘干；
2)纖維素紙改性:將清潔后的纖維素紙浸泡在改性溶液中3?5分鐘，取出，烘干；
3)銅離子吸附:將改性后的纖維素紙浸泡在含銅離子膠體溶液中5?10分鐘，烘干；
4)電路圖形預(yù)制:在水性筆中加注還原性墨水，在銅離子吸附的纖維素紙上手寫電路圖形，書寫完畢，在空氣中放置10~20分鐘，洗凈，烘干；
5)化學(xué)鍍銅:將電路圖形預(yù)制的纖維素紙浸泡在銅化學(xué)鍍液中，于15~25°C化學(xué)鍍20?30分鐘，取出洗凈，烘干，制得紙基手寫電路圖形。
[0008]本發(fā)明中改性溶液的溶質(zhì)為3-巰基丙基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅燒、3-疏基丙基二乙氧基娃燒、3-氨基丙基二乙氧基娃燒中的任意一種；溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇或丙酮中的任意一種；改性溶液的質(zhì)量濃度為0.01%~5%。
[0009]本發(fā)明中，含銅離子膠體溶液的配方是溶劑為去離子水，溶液中各種溶質(zhì)為:氯化銅(濃度4~6 g/L)，乙二胺(濃度1~5 g/L)，乙二醇(濃度8~16 g/L)，十二烷基磺酸鈉(濃度20~40 g/L)，檸檬酸三鈉(濃度1~5 g/L)。
[0010]本發(fā)明中，還原性墨水的配方是溶劑為去離子水，溶液中各種溶質(zhì)為:硼氫化鈉(濃度2~3 g/L)，聚丙烯酸鈉(濃度10~15 g/L)，乙二醇丁醚(濃度20~30 g/L)，氫氧化鈉(濃度4~6 g/L)，聚乙烯吡咯烷酮(濃度40~60 g/L)。
[0011]本發(fā)明中，銅化學(xué)鍍液的配方是溶劑為去離子水，溶液中各種溶質(zhì)為:硫酸銅(濃度7~10 g/L)，酒石酸鈉鉀(30~40 g/L)，氫氧化鈉(濃度4~6 g/L)，碳酸鈉(濃度2~3 g/L),氯化鎳(濃度1~2 g/L)，甲醛(濃度5~8 g/L)。
[0012]本發(fā)明制備的紙基手寫電路圖形可廣泛用于可穿戴電子產(chǎn)品、射頻標(biāo)簽天線、柔性芯片等工業(yè)領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0013]圖1為紙基手寫銅電路圖形的光學(xué)照片(紫銅色區(qū)域深色區(qū)域?yàn)殂~電路圖形，藍(lán)色區(qū)域淺色區(qū)域?yàn)槔w維素紙，電路圖形線寬為0.20-0.25毫米)。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明實(shí)施例1
將纖維素紙用去離子水、乙醇淋洗干凈，烘干，置于濃度為0.01%的3-巰基丙基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中，浸泡3分鐘，取出，烘干，得表面改性的纖維素紙。
[0015]將4g氯化銅，Ig乙二胺，8g乙二醇，20g十二烷基磺酸鈉，Ig檸檬酸三鈉溶于500mL去離子水中，溶解完畢，添加去離子水，至溶液體積為1L，得含銅離子膠體溶液。
[0016]將改性后的纖維素紙置于上述溶液中，放置5分鐘，取出，烘干，得銅離子吸附的纖維素紙。
[0017]將2g硼氫化鈉，1g聚丙烯酸鈉，20g乙二醇丁醚，4g氫氧化鈉，40g聚乙烯吡咯烷酮溶于500mL去離子水中，溶解完畢，添加去離子水，至溶液體積為1L，得還原性墨水。
[0018]在水性筆中加注上述還原性墨水，在銅離子吸附的纖維素紙上一次性手寫電路圖形，書寫完畢，在空氣中放置10分鐘，洗凈，烘干，得電路圖形預(yù)制的纖維素紙。
[0019]將7g硫酸銅,30g酒石酸鈉鉀，4g氫氧化鈉,2g碳酸鈉，Ig氯化鎳,5g甲醒溶于500mL去離子水中，溶解完畢，添加去離子水，至溶液體積為1L，得化學(xué)鍍銅溶液。
[0020]將電路圖形預(yù)制的纖維素紙置于上述鍍液中，于25°C化學(xué)鍍20分鐘，取出，用水洗凈，烘干，得紙基手寫銅電路圖形，銅電路圖形的導(dǎo)電率為1.84X 105S/cm，剝離強(qiáng)度能通過3M公司思高?膠帶的測(cè)試。
[0021]實(shí)施例2
將纖維素紙用去離子水、乙醇淋洗干凈，烘干，置于濃度為0.01%的3-氨基丙基三甲氧基硅烷的甲醇溶液中，浸泡5分鐘，取出，烘干，得表面改性的纖維素紙。
[0022]將6g氯化銅，5g乙二胺，16g乙二醇，40g十二燒基磺酸鈉，5g朽1檬酸三鈉溶于500mL去離子水中，溶解完畢，添加去離子水，至溶液體積為1L，得含銅離子膠體溶液。
[0023]將改性后的纖維素紙置于上述溶液中，放置10分鐘，取出，烘干，得銅離子吸附的纖維素紙。
[0024]將3g硼氫化鈉，15g聚丙烯酸鈉，30g乙二醇丁醚，6g氫氧化鈉，60g聚乙烯吡咯烷酮溶于500mL去離子水中，溶解完畢，添加去離子水，至溶液體積為1L，得還原性墨水。
[0025]在水性筆中加注上述還原性墨水，在銅離子吸附的纖維素紙上一次性手寫電路圖形，書寫完畢，在空氣中放置20分鐘，洗凈，烘干，得電路圖形預(yù)制的纖維素紙。
[0026]將1g硫酸銅，40g酒石酸鈉鉀，6g氫氧化鈉,3g碳酸鈉,2g氯化鎳，8g甲醒溶于500mL去離子水中，溶解完畢，添加去離子水，至溶液體積為1L，得化學(xué)鍍銅溶液。
[0027]將電路圖形預(yù)制的纖維素紙置于上述鍍液中，于15°C化學(xué)鍍30分鐘，取出，用水洗凈，烘干，得紙基手寫銅電路圖形，銅電路圖形的導(dǎo)電率為2.13X105S/cm，剝離強(qiáng)度能通過3M公司思高?膠帶的測(cè)試。
[0028]實(shí)施例3
將纖維素紙用去離子水、乙醇淋洗干凈，烘干，置于濃度為5%的3-氨基丙基三乙氧基硅烷的異丙醇溶液中，浸泡4分鐘，取出，烘干，得表面改性的纖維素紙。
[0029]將5g氯化銅，3g乙二胺，1g