一种金属纳米颗粒微图案化学镀结构及其制备方法

本发明属于微纳米表面涂层，具体涉及一种金属纳米颗粒微图案化学镀结构及其制备方法。

背景技术：

1、柔性电子产业已经成为未来电子信息领域发展的先导性行业，多个发达国家已率先在该领域进行了战略布局，将柔性电子作为先进制造领域的首要发展方向。相对于传统电子，柔性电子要求微电路具备良好的弯曲变形性能，这对柔性微电路的制造工艺提出了新的挑战。传统集成电路制备主要通过材料的选择性剥离或蚀刻实现，但该工艺条件难以与柔性电路常用的有机聚合物基底兼容，因此，无法直接应用于柔性微电路制备上。目前的制备工艺普遍采用导电油墨、导电浆料、导电微纳米颗粒等基材配合有机聚合物基底，以解决柔性电路制备的问题。但是，一方面，导电油墨、导电浆料等流体所能实现的制备精度受限于流体的表面张力、流体粘度、挥发性能、触变性等性质以及基底的浸润特性等多因素共同作用，在微纳尺度下往往具有严重缺陷，导电性能较差；而且，对于传统的导电纳米颗粒其制备获得的电路的分辨率较低，且有较多缺陷，严重影响电路的质量。

2、因此，采用非剥离和刻蚀材料方法制备一种分辨率高、缺陷较少、导电性好、质量优异、稳定可靠的微电路结构具有积极的意义。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术采用非剥离和刻蚀材料方法制备得到的微电路结构分辨率较低、缺陷较多、导电性较差、质量和稳定性较差的问题，从而提供一种金属纳米颗粒微图案化学镀结构及其制备方法。

2、本发明提供一种金属纳米颗粒微图案化学镀结构的制备方法，包括如下步骤：

3、(1)表面电位改性

4、取第一改性物对金属纳米颗粒进行表面改性处理，得到表面呈现电性的改性纳米颗粒，并加入复合溶剂混合，得到改性纳米颗粒分散液；

5、取第二改性物对基底进行表面改性处理，得到表面呈现电性的改性基底；

6、其中，所述改性基底表面与所述改性纳米颗粒表面的电位相反；

7、所述复合溶剂包括沸点和表面张力均不同的第一溶剂和第二溶剂的混合溶剂；

8、(2)自组装

9、将所述改性基底插入所述改性纳米颗粒分散液中进行自组装反应，得到表面覆盖金属纳米颗粒自组装层的微图案基底；

10、(3)取目标基底，并在其表面制备形成可诱导固化的粘结层，得到粘结基底；

11、(4)将所述微图案基底的金属纳米颗粒自组装层部分与所述粘结基底的所述粘结层部分相贴合压紧，并在外界刺激作用下诱导所述粘结层固化；

12、(5)将所述微图案基底的基底进行剥离，得到所需金属纳米颗粒微图案结构；

13、(6)将所述金属纳米颗粒微图案结构置于化学镀液中进行化学镀，得到所需基于化学镀利用金属纳米颗粒图案结构制备的微电路结构。

14、在本发明中，所述微结构基底中所述微结构为凸起，通过在平面基底表面通过光刻技术、激光加工和微纳米压印中的至少一种形成微结构基底；其中平面基底包括硅片、不锈钢片、铜片、环氧树脂膜、聚二甲基硅氧烷膜中的一种。

15、可选的，步骤(4)中将所述微图案基底的金属纳米颗粒自组装层部分与所述粘结基底的可诱导固化的粘结层部分相贴合压紧过程中控制金属纳米颗粒自组装层与粘结层的相对位置从而使金属纳米颗粒自组装层对应微图案部分与粘结层压紧，而其它位置的金属纳米颗粒自组装层并未与粘结层接触。

16、可选的，所述微图案基底的微图案的图案形状包括条纹、圆形和多边形的至少一种；

17、可选的，条纹的宽度为1-500um。

18、优选的，所述步骤(1)中，所述复合溶剂中，所述第一溶剂的沸点高于所述第二溶剂的沸点，所述第一溶剂的表面张力系数大于所述第二溶剂的表面张力系数；

19、优选的，所述第一溶剂与第二溶剂的沸点差为10-50℃；

20、优选的，所述第一溶剂与第二溶剂的表面张力差为5-50nn/m；

21、优选的，所述第一溶剂和第二溶剂的体积比为9.5：0.5-5：5；

22、优选的，所述第一溶剂包括水，所述第二溶剂包括甲醇、乙醇、丙醇或丙酮中的一种。

23、优选的，所述步骤(1)中，所述金属纳米颗粒包括金属金、金属银、金属铜、金属锡颗粒中的至少一种；

24、优选的，所述金属纳米颗粒包括金属单质颗粒或金属氧化物纳米颗粒；

25、优选的，所述金属纳米颗粒的平均粒径为10-10000nm。

26、优选的，所述步骤(1)中，所述第一改性物包括三乙氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷、丁基三乙氧基硅烷、3氨基丙基二甲基甲氧基硅烷、3氨基丙基三乙氧基硅烷、巯基丙酸或巯基丁二酸中的至少一种；

27、优选的，所述第一改性物与所述金属纳米颗粒的质量比为(0.2-5)：(1-5)；

28、优选的，所述金属纳米颗粒的改性处理步骤包括将所述第一改性物配制形成第一改性溶液的步骤，以及，将所述金属纳米颗粒置于所述第一改性溶液中进行表面改性的步骤；

29、优选的，所述第一改性溶液包括水溶液、乙醇溶液或异丙醇溶液中的至少一种；

30、优选的，所述第一改性溶液中所述第一改性物的浓度为0.1-10wt％。

31、优选的，所述步骤(1)中，所述微结构基底包括含有表面微结构的硅片或树脂膜中的至少一种；

32、所述第二改性物包括聚二烯基丙二甲基氯化铵、三乙氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷、丁基三乙氧基硅烷、3氨基丙基二甲基甲氧基硅烷、3氨基丙基三乙氧基硅烷、巯基丙酸或巯基丁二酸中的至少一种；

33、优选的，所述基底的改性处理步骤包括将所述第二改性物配制形成第二改性溶液的步骤，以及，将所述基底置于所述第二改性溶液中进行表面改性的步骤；

34、优选的，所述第二改性溶液包括水溶液、乙醇溶液或异丙醇溶液中的至少一种；

35、优选的，所述第二改性溶液中所述第二改性物的浓度为0.08-5wt％。

36、在本发明所述方案中，经上述方法改性处理后的所述改性基底的表面电位的绝对值约为30-300mv左右，其电位的控制数值并不影响自组装的过程，只需控制所述改性基底的电位与所述改性纳米颗粒的表面电位相反即可。

37、优选的，所述步骤(1)中：

38、所述改性纳米颗粒的表面电位的绝对值为30-70mv；

39、优选的，所述改性纳米颗粒分散液的浓度为0.1mg/ml-1000mg/ml。

40、优选的，所述步骤(2)中，还包括将所述改性基底进行加热的步骤；

41、优选的，控制所述改性基底的加热温度低于所述第二溶剂的沸点；

42、优选的，控制所述改性基底的加热温度与第二溶剂沸点的温度差为5-20℃；

43、优选的，所述步骤(2)中，控制所述改性基底匀速插入所述改性纳米颗粒分散液中进行自组装反应；

44、优选的，控制所述改性基底插入所述改性纳米颗粒分散液的速度为0.1mm/s-100mm/s。

45、优选的，所述步骤(3)中，所述目标基底材料包括硬质材料基底和软质材料基底；

46、优选的，所述硬质材料基底选自硅、不锈钢或铜基底中的一种；

47、优选的，所述软质材料基底选自聚二甲基硅氧烷或聚氨酯弹性体橡胶基底中的一种；

48、优选的，形成可诱导固化的所述粘结层的材料包括光敏树脂和/或热敏树脂；

49、优选的，所述光敏树脂包括光敏聚二甲基硅氧烷；所述热敏树脂包括热敏聚二甲基硅氧烷；

50、优选的，所述粘结层的厚度为100-100000nm。

51、优选的，所述硬质材料的目标基底的表面为平面或曲面；

52、优选的，所述步骤(4)中，所述贴合压紧步骤的压力为0.1n/cm2-100n/cm2，压合时间为1s-10min；

53、优选的，所述诱导固化步骤包括光固化和/或加热固化；

54、优选的，所述光固化包括紫外光固化、红外光固化；

55、优选的，所述光固化的能量密度为10-500mj/cm2，固化时间为1s-10min；

56、优选的，所述加热固化的温度为60-100℃，固化时间为1min-5h。

57、优选的，所述步骤(6)中，化学镀液包括铜镀液、银镀液中的一种；

58、优选的，所述化学镀处理步骤的温度为30-80℃，化学镀的时间为5s-30min。

59、本发明提供一种由上述所述方法制备得到的金属纳米颗粒微图案化学镀结构。

60、本发明提供一种上述所述金属纳米颗粒微图案化学镀结构用于制备微电路结构的用途。

61、本发明技术方案，具有如下优点：

62、本发明提供一种金属纳米颗粒微图案化学镀结构的制备方法，利用表面改性的方式分别对所述纳米颗粒剂和微结构基底进行表面改性处理，获得具有明显电性的改性纳米颗粒及改性基底，并通过不同改性物的选择使得所述改性纳米颗粒及改性基底呈现相反的电位性能；并且改性纳米颗粒分散液的溶剂包括沸点不同的第一溶剂和第二溶剂的混合溶剂。在自组装过程中，加热后的改性基底插入改性纳米颗粒分散液中时，改性基底与改性纳米颗粒分散液接触的三相接触线附近的低沸点的溶剂快速挥发，从而形成界面张力梯度引发马兰戈尼效应(marangoni效应)，从而使改性纳米颗粒分散液的改性纳米颗粒快速向改性基底定向运动；当改性纳米颗粒接近改性基底时，因改性纳米颗粒与改性基底具有相反的电性，在静电吸引的作用下，改性纳米颗粒向改性基底运动并稳定结合形成纳米颗粒自组装层。界面张力梯度/静电引力两者的协同作用使改性纳米颗粒能够快速在改性基底高速自组装，可以提高自组装过程的效率，完成高速自组装过程，形成较大面积的自组装层，同时形成的纳米自组装层的缺陷较少。最终，得到表面覆盖金属纳米颗粒自组装层的微图案基底，且表面覆盖金属纳米颗粒自组装层的缺陷较少；

63、本发明所述方法，通过在目标基底上形成可诱导固化的粘结层，得到粘结基底；将所述微图案基底的金属纳米颗粒自组装层部分与所述粘结基底的所述粘结层部分相贴合压紧，并在外界刺激作用下诱导所述粘结层固化；可诱导固化粘结层在未固化前起是非固体状态；将所述微图案基底的金属纳米颗粒自组装层部分与所述粘结基底的可诱导固化的粘结层部分相贴合压紧过程中可控制金属纳米颗粒自组装层与粘结层的相对位置从而使金属纳米颗粒自组装层对应微图案部分与粘结层压紧；随后在外界刺激作用下诱导所述粘结层固化，从而使金属纳米颗粒自组装层对应微图案部分与固化后的粘结层的结合稳定；

64、本发明所述方法，通过将所述微图案基底的基底进行剥离，得到金属纳米颗粒微图案结构；所述微图案基底的基底与金属纳米颗粒自组装层的结合力为范德华力，其中金属纳米颗粒自组装层对应微图案部分经与固化后的粘结层稳定结合后，其结合力为范德华力以及共价键力，结合力大小远高于基底与金属纳米颗粒自组装层的结合力，因此将所述微图案基底的基底进行剥离，将会在目标基底上形成金属纳米颗粒微图案结构；

65、本发明所述方法，通过在将金属纳米颗粒微图案结构置于化学镀液中进行化学镀，得到所需基于化学镀利用金属纳米颗粒图案结构制备的微电路结构。

66、本发明所述制备方法，通过界面张力梯度/静电引力两者的协同作用高速形成质量高缺陷少的具有金属纳米颗粒自组装层的微图案基底，随后将微图案基底的具有微图案的金属纳米颗粒自组装层粘结在目标基底上，从而形成金属纳米颗粒微图案结构；再将金属纳米颗粒微图案结构进行化学镀形成最后所需的微电路结构；微图案基底的分辨率取决于微结构基底，不受种种流体效应的影响，微图案基底的分辨率也可达1-10微米，从而使最后形成的所需金属纳米颗粒微图案结构的分辨率为1-10微米，相较于现有印刷技术的分辨率有了极大的提高，因为这些技术通常受限于流体效应，难以对分辨率实现准确的控制，同时因为微图案基底的金属纳米颗粒自组装层的缺陷较少、导电性较好、质量较好，从而使制备得到微电路结构缺陷较少且质量较好，稳定性得到提高。

67、综上，本发明提供的制备方法采用非剥离和刻蚀材料方法可以得到分辨率高、缺陷较少、导电性较好、质量较好且稳定性较高的微电路结构。

68、进一步，在整个操作过程中，不需要引入昂贵的印刷或激光设备，因此制备成本交底；同时制备方法类似于移印过程，整个过程操作简单，可高效制备。

69、进一步，本发明提供的制备方法可制备大面积的微电路结构，并可适用于多种材料、多种形态的目标基底，且工艺、设备较为简单。

70、进一步，本发明提供的制备方法制备得到的微电路结构能显著提高微电路结构在柔性变形情况下的抗干扰能力，能够在连续大幅度形变工况下依旧保持良好的电气连接，解决了柔性电路形变后易发生断触等关键性问题，具有良好的应用前景。