基于3D打印工艺制备微流道的液态金属图案化方法

本篇研究来自中南大学何虎课题组。本文提出了基于3D打印工艺制备微流道的液态金属图案化方法，制造了柔性可延展的导线-电极单元，并对柔性可延展导线-电极单元进行了电学表征；同时提出了表面组装式与嵌入式两种液态金属柔性可延展电路的集成封装工艺。

研究背景：

柔性电子是指在弯曲、拉伸的情况下的还可以保持其功能的电子器件及电路，可以实现电子设备与人体体表类或植入类集成。另外，柔性电子设备与复杂曲面的共形能力远超传统电子设备，具有更好的适配性与可靠性。

镓铟锡合金(Galinstan)是一种常温下的液态金属，具有金属的导电性与液体的流动性，是构建柔性电子的理想材料。然而，液态金属作为导电互连结构的柔性电路，大多采用打印、印刷工艺，互连导线与功能器件难以稳定可靠连接，难以形成可靠的封装互连与工艺集成。本文针对可延展电路柔性基板大变形的情况下难以保证器件可靠的电学互连等问题，开展了基于液态金属的导电聚合物与可延展电路制造与集成工艺研究。

研究内容：

（1）提出了基于3D打印工艺制备微流道的液态金属图案化方法，制造了柔性可延展的导线-电极单元，并对柔性可延展导线-电极单元进行了电学表征。导线-电极单元初始电阻仅为1.4Ω左右，最大延展率为260%。将导线-电极单元拉伸至原长110%，该范围内电学灵敏度仅为0.2，继续拉伸至原长260%，该范围电学灵敏度大约为1.5，反映出优异的电阻稳定性。同时，通过改变加载速率，发现液态金属互连导线电学性能无明显差别。

图1（a）液态金属蛇形互连结构显微图像；（b）铜箔电极与液态金属接触处显微图像；（c）20%应变，（d）50%应变，（e）100%应变下液态金属蛇形互连结构显微图像

在20%应变范围与100%应变范围循环动态加载试验中，液态金属导线-电极单元的电阻变化率ΔR/R0分别为0.012与0.23，反映了良好的电阻动态稳定性。此外，我们还注意到了液态金属优异的可修复特性，这种特性使得基于液态金属的电学互连单元具有更好的可靠性与稳定性。

图2 液态金属柔性导线-电极单元在（a）20%应变与（b）100%应变循环拉伸500次的电阻的变化

（2）提出了表面组装式与嵌入式两种液态金属柔性可延展电路的集成封装工艺。两种集成方法制造的LED灯-导线单元均可以在弯曲、折叠、扭曲等形变下正常工作，其中，嵌入式制造的LED灯-导线单元在可以在260%的应变下正常工作。另外，嵌入式集成工艺中合理的流道结构设计能够保证液态金属与电子器件固液界面稳定的机械接触，并能最大限度保留液态金属的流动性。最后，通过表面贴装集成工艺实现封装电子器件在柔性基底上集成，演示了流水灯柔性电路系统，该电路可以在100%应变下正常运行，展示了刚性器件与液态金属柔性电路集成的潜力。

图3 表面贴装法制造的LED-液态金属互连单元可在150%的大应变下正常工作，嵌入法制造的LED-液态金属互连单元可在200%的大应变下正常工作

图4 （a）（b）（c）基于单片机表面贴装法集成的流水灯柔性可延展电路，（d）（e）（f）在50%、100%应变下均可正常工作

编辑：黄飞