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复旦研发电路板制造新工艺 电子产品“能伸能屈”


  是否可以把电脑显示屏做成一支笔的模样,不用时把屏幕卷好塞进口袋,要用了再平整展开?据了解,复旦大学材料科学系的杨振国教授正致力于柔性印制电路板的新工艺研发,旨在降低成本、减少污染,使之更好地适应产业化发展的需求,而这正是制造和大规模推广可弯卷屏幕的前提。

  在即将举办的中国国际工业博览会上,杨教授的团队将展示其新近研发的一种制造双面柔性印制电路板的印刷-吸附-催化加成法,这种新工艺将为绿色、低成本、大规模、卷对卷制造柔性印制电路提供新途径,实现产业化后将打破该领域高端技术和柔性电子产品大多被外国公司垄断的局面。

电路板

  现有的制造工艺存在哪些缺陷?

  印制电子,顾名思义,就是像印刷报纸那样大批量地印制各种电子元器件和电子线路。这样做的好处是使电子产品的制造成本大幅下降,从而实现电子产品的柔性化、薄膜化、环保化和多功能化。

  印制电路板是所有电子元器件二级封装用的载板,实现了电子元器件之间的电气互连。目前,中国是世界上印制电路板的第一生产大国。2013年,中国的印制电路板产值超过1800亿元人民币,占世界总产值的39%左右。

  但是,工业上制造印制电路板的导电线路,蕞常用的是光刻腐蚀法,也叫减成法,就是利用化学腐蚀方法减去不需要的铜箔。这种工艺存在材料消耗高、生产工序多、废液排放大、环保压力重等问题,不能适应当今制造业节能减排、增效降耗的发展要求。

  另一方面,用以替代减成法的丝网印刷导电浆料、喷墨/凹版印刷纳米银颗粒导电油墨等方法普遍存在着成本高、电性能不稳定的缺陷;喷墨/凹版/丝网印刷纳米催化油墨工艺,又存在界面粘附力的不足。

  因此,在印制电路板——尤其是可弯折的柔性印制电路板和多功能刚柔结合印制电路板——用量大、增长速度快的背景下,由减成法转向加成法、改进印制电路板的制造工艺显得刻不容缓。

  绿色新工艺,生产低成本

  据了解,早在2007年,杨振国教授就看到了柔性印制电路巨大的发展潜力。自那时起,他就投入了大量时间、精力和财力进行这方面的研究。杨教授于20083月与中国印制电路行业协会(CPCA)合作,率先成立了我国第一个研究印制电子的专业机构——中国印制电路行业协会全印制电子分会,并出任副会长。

  2011年,杨教授的团队就已发布了卷对卷加成法工艺印制的柔性电子标签(RFID),是我国第一个具有自主知识产权、且可真正使用的柔性电子标签,但当时产品中的印制电路板是单面印刷的。

  此后,杨教授和他的团队再接再厉,于今年共同研发出了可直接制造双面甚至多层柔性印制电路板的印刷-吸附-催化加成法新工艺,解决了多层柔性电路板通孔互连的核心问题,用更环保、低成本的方法实现了双面电路板的柔性印制,并将蕞终实现多层柔性电路板的卷对卷制造。

  这种新工艺的核心是自主开发了专有的离子吸附油墨。作为树脂基板与导电镀铜之间的连接层,这种离子吸附油墨可催化化学镀反应,其中的胺基、羧基、羟基等特殊基团可以显著提高电路板基材和镀层间的界面粘附力。无需烧结,其镀层的导电性就可与铜箔的导电性相当,还可解决互连多层柔性电路的通孔金属化问题。此外,这种特殊的离子吸附油墨可适用于不同基材的表面处理,如塑料、陶瓷、金属、复合材料等,使柔性电子产品基材的选择范围更广泛。

  与之前的工艺相比,这种新工艺具有无浪费、低污染,线路电性能好、粘附力强,能直接制造双面柔性电路板等优点。此外,由于该工艺流程简化,且可使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET,普通矿泉水瓶就使用这种材料)等不耐热的普通塑料基材,因而使电路板的制造成本至少降低了30%

  印刷-吸附-催化加成法在工艺流程、基质材料、印制设备、加工参数等方面的完善与发展,使得在市场上大规模推广加成法制造工艺以替代高污染的光刻腐蚀法成为可能。

  应用于各类电子产品,前景广阔

  据杨振国教授介绍,柔性印制电路板有多方面的应用。其一是射频识别(RFID),即人们俗称的电子标签,如使用高速公路上的不停车电子收费系统(ETC)所需的感应卡就是一种电子标签。未来,电子标签能实现几米甚至几十米以外的远距离识别,将在物流管理、商品防伪、公共空间内的贵重物品管理、图书借阅和产品租赁等方面,为人们带来诸多便利和服务质量的提升。

  另一方面,柔性印制电路板应用于有机发光二极管(OLED),将使得采用可随意折叠、弯卷的柔性屏幕来制造智能手机、笔记本电脑等移动电子设备成为可能。此外,柔性印制电路板在电子器件的多功能化、有机光伏特电池、有机传感器、可穿戴电子、柔性存储器、医疗保健、智能物品、智能纺织物等领域也有非常广阔的应用前景。


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