用喷印形成金属化图案方法及其塑模互连组件技术

本发明专利技术有关于一种用喷印形成金属化图案方法及其塑模互连组件，其中，用喷印形成金属化图案方法包含利用机械方法或化学方法对非金属基材进行表面改质，利用温度敏感聚合物附着有催化性金属粒子的贵金属触媒墨水，以喷印方式将金属化图案涂布在改质后的基材表面，接着利用无电电镀方法在喷印贵金属触媒墨水的部分形成金属化图案，其中贵金属触媒墨水是以黏度调节剂以调整其黏度与表面张力，并利用温度敏感聚合物提高金属化图案与基材的附着力。本发明专利技术又揭露藉由前述的喷印形成金属化图案方法在塑模组件上形成金属化图案，构成2D或3D的塑模互连组件，运用于RFID、行动通讯装置的机壳、汽车电子组件、立体LED组件等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术为有关于一种用喷印形成金属化图案方法及其塑模互连组件，尤其是利用温度敏感聚合物的贵金属触媒墨水，以喷印与无电电镀方法形成金属化图案，以制成于塑模互连组件(molded interconnect device)。
技术介绍
短小轻薄的数字通讯电子组件成为现今科技发展的重点，因此许多金属化线路的制作技术成为数字通讯电子产品发展的主轴；现在智能型手机已改变传统手机零配件的主流设计模式，在「mobility」的移动需求概念下与进一步节省空间要求下，过去以印刷电路板为基材的手机收发天线零件已不符使用，而在智能型手机的机壳内部(或背面)直接制作出金属化天线的3D立体电路，为目前的主要解决方案。另外在汽车电子的应用趋势上，传统的汽车需要依靠大量的电线电缆相互连接，除耗费大量材料与施工工序外，可靠度也相对降低；由于3D立体电路可在塑料壳体的表面上制作出有电气功能的导线、图形,制作或安装其它电子组件，可以大量减化电线电缆的配线相互连接，3D立体电路可将普通的电路板具有的电气互连功能、支撑组件、塑料壳体的支撑与防护等功能，以及由机械实体与导电图形结合成一体；3D立体电路在汽车电子的运用，可提供更多的利用空间、电器组件更小与更轻、设计自由度更大，而更明显的效益在于减少汽车组装的困难与提高可靠度。在各种的3D立体电路或金属化图案上，主要的方式是将金属化电路(金属化图案)嵌在塑料射出成型(或模造成型)物体的表面，或将金属化电路(金属化图案)铺设在透明的玻璃、PET、压克力(acrylic)、透明软性基材上，使金属化电路(金属化图案)与塑料、玻璃基材或透明软性基材结合成一体，称为塑模互连组件(Molded Interconnect Device、MID)。由于3D-MID可使产品将机械与电子功能整合在塑料产品上，使产品同时具有机械结构与电路特性，具有制程时间短、转折角度限制少及成本较低的优势，因此立体电路技术可谓是平板计算机、智能手机、汽车电子或各种电子产品，在追求轻薄短小、模块化维修保养及电路安全的关键性的突破。现有MID制作的方法有(1)雷射雕刻法LDS(Laser Direct Structuring)，(2)双料射出法(double injection)，(3)凹槽填料法，(4)喷印法(Inkjet Printing)等。雷射雕刻法LDS，如图1，图1为现有的雷射雕刻法LDS示意图，其方法为首先使用热塑性塑料91上射出成型，形成塑模组件92，其中热塑性塑料91为添加有热转换还原为铜粒子93的化学药剂的塑料；再通过激光束94将化学药剂的塑料以雷射活化，使物体产生物理化学反应形成金属核95，并形成粗糙的表面96；在雷射活化后的区域的金属化塑料表面进行电镀5～8微米的化学电镀(Metallization、或称为无电电镀)，通常可使用的化学电镀材料如铜、镍等，使塑模组件92成为一个具备导电线路的组件。如台湾专利TWI362906，然而，前述添加有热转换还原为铜粒子的化学药剂的塑料价格甚高、激光束接点小移动速度慢，需要反复的活化，生产成本甚高；再者，例如目前智能手机背壳除了通讯天线外，更先进的智能手机尚有更大面积的感应信用卡(近场通讯、NFC)感应线圈，在这些大面积的范围需要用现有的雷射活化，生产成本更高；甚至无法使用于玻璃或透明软性基材上，为其应用上的主要缺点。双料射出法(Double Injection Plating)的主要技术是先将天线线路先印制于软性的电路板上，将印制有天线线路的软性电路板埋入塑料射出模具内，再利用塑料射出技术，将手机外壳与具有天线线路的软性电路板一起射出成型，形成具有天线的手机机壳；此种方法可运用已经普遍成熟的软性电路板制程设备及塑料射出成型设备，但成本贵、工序繁琐，难以大量应用。金属化图案为目前相当受到重视的技术之一，如日本东芝及东洋纺开发出在手机外壳树脂表面埋入薄型天线，将由树脂及铜金属粉末制成的具导电性的接着剂，涂在外壳树脂的表面制作出电路；或将电路图形印刷于手机外壳等树脂表面，再以摄氏70℃加热，将溶剂挥发使后铜金属粉末露出形成天线；但这二种方法所使用铜金属粉末的导电性的接着剂，其黏度极高(如溶剂量少于5％)、铜金属粉末容易沉淀，难以工业化量产，如日本专利JP2010251594或WIPO专利公开WO/2012/043010等。凹槽填料法的主要技术是使用机械研磨或雷射刨除的方法，在塑料或陶瓷的基板上预先铣制出线路的凹槽，复于凹槽内填入铜胶、银胶、锡胶等导电材料，再将填有导电材料的基板于高温烤制，以赶出导电材料的有机填充料，类似于前述的导电性的接着剂方法，如台湾专利公开号TW200952293；然而为达到良好的导电性能，此种方法所使用的银胶等导电材料中的银或铜粒子比例要相当高成本相对甚高，且银胶等导电材料黏度甚高难以施工，又需经过高温，易造成基板的变形。喷墨印刷技术有许多制程上与成本上的优点。其优点大致可区分为五项:(1)非接触式(no contact)制程，直接喷印所需的图形于所需的基材上；(2)溶液制程(solution process)，将材料分散于一溶剂中，并藉由喷墨列印喷印成型，因此材料的选择具多原性；(3)大面积(large area)制程，藉由喷印技术可快速完成；(4)低设备成本(low cost)，相较于黄光微影技术，没有复杂且昂贵的真空设备与显影仪器只需喷墨列印设备，因此成本极低廉；(5)中高解析度(medium resolution)，只要将材料精确喷印所需喷印的位置上，最高可达成约20μm的解析度，速度快，且可减少材料的浪费；(6)数位资料传输，此技术只需藉由软件的设计即可快速完成完案的设计与列印，不仅可节省需多处理时间与成本，更容易达成客制化的需求，因此近几年渐受重视，许多研究学者尝试应用于电子组件的制作。由于喷印法具有快速、低成本的优点，利用喷印法形成的金属化金属图案技术非常适合应用于金属化天线的制程中，此技术不仅可以数字打印方式快速喷印图案，更可大面积量产所需的金属导线，此外，此技术更可藉由喷印设备的设计而喷印出3D图案，因此可应用于许多非平整性的基材上，所以对于未来3D电路制程技术将拥有相当高的发展潜力。喷印应用金属化墨水材料大致可区分为三类，第一类为纳米金属浆料为主，如纳米金、银粒子的喷墨列印，第二类以导电高分子为主，如导电高分子、胶体悬浮粒子等，第三类以金属触媒活化液为主。在第一类中，研究学者为克服喷印法的困境，乃发展使用纳米金属粒混合在喷印...

【技术保护点】
一种用喷印形成金属化图案方法，其特征在于其包含下列步骤：S1：将基材的表面进行表面改质，该基材的材料为塑料、玻璃或陶瓷之其一或其两种以上任意比例的组合；其中，该表面改质选用机械改质或化学改质其一或其组合；当选用机械改质是在该基材表面进行粗化处理、当选用化学改质是将该基材表面浸涂表面改质溶液；经清洁干燥后形成基材表面改质层；S2：将贵金属触媒墨水雾化形成雾滴，以图案喷印在该基材表面改质层上，并干燥该贵金属触媒墨水，以形成该图案的贵金属触媒层；其中，该贵金属触媒墨水的黏度为2～30cps(mg·s‑1·cm‑1)，包含：贵金属触媒与黏度调节剂所形成的水溶液；其中，该黏度调节剂为可溶于水的高分子聚合物，该贵金属触媒为附着有催化性金属粒子的温度敏感聚合物；该催化性金属粒子为金、银、钯、铂或钌；该温度敏感聚合物为具有低温临界溶液温度，在温度低于LCST时该温度敏感聚合物为亲水性，且当温度高于该LCST时该温度敏感聚合物转变为疏水性；S3：将喷印有图案化的该贵金属触媒层的该基材以无电镀金属镀液在图案化的该贵金属触媒层上形成金属图案层，该金属图案层为平面或立体。

【技术特征摘要】
2013.09.23 TW 1021340121.一种用喷印形成金属化图案方法，其特征在于其包含下列步骤：
S1：将基材的表面进行表面改质，该基材的材料为塑料、玻璃或陶瓷之其一或其
两种以上任意比例的组合；其中，该表面改质选用机械改质或化学改质其一或其组合；
当选用机械改质是在该基材表面进行粗化处理、当选用化学改质是将该基材表面浸涂
表面改质溶液；经清洁干燥后形成基材表面改质层；
S2：将贵金属触媒墨水雾化形成雾滴，以图案喷印在该基材表面改质层上，并干
燥该贵金属触媒墨水，以形成该图案的贵金属触媒层；
其中，该贵金属触媒墨水的黏度为2～30cps(mg·s-1·cm-1)，包含：贵金属触媒与黏
度调节剂所形成的水溶液；其中，该黏度调节剂为可溶于水的高分子聚合物，该贵金
属触媒为附着有催化性金属粒子的温度敏感聚合物；该催化性金属粒子为金、银、钯、
铂或钌；该温度敏感聚合物为具有低温临界溶液温度，在温度低于LCST时该温度敏
感聚合物为亲水性，且当温度高于该LCST时该温度敏感聚合物转变为疏水性；
S3：将喷印有图案化的该贵金属触媒层的该基材以无电镀金属镀液在图案化的该
贵金属触媒层上形成金属图案层，该金属图案层为平面或立体。
2.如权利要求1所述的用喷印形成金属化图案方法，其特征在于：该基材的材料
为塑料时，为丙烯腈丁二烯苯乙烯树脂塑料、聚碳酸酯/ABS树脂塑料、聚丙烯/ABS
树脂塑料、聚对苯二甲酸乙二酯塑料、环氧树脂塑料、尼龙、聚亚酰胺、生物可分解
塑料之一或其两种以上任意比例的组合。
3.如权利要求2所述的用喷印形成金属化图案方法，其特征在于：当该基材为塑
料材质且含有丙烯腈丁二烯苯乙烯树脂塑料成分时，于步骤S1，该表面改质溶液为含
有酸性过氧化氢的水溶液或酸性高锰酸钾水溶液其一；当该基材的表面为塑料材质且
为聚对苯二甲酸乙二酯塑料时，于步骤S1，该表面改质溶液为酸性过氧化氢的水溶液、
聚电解质水溶液、硅烷偶联剂水溶液之一；当该基材的表面为玻璃材质时，于步骤S1，
该表面改质溶液为含有氟化氢铵与酸的水溶液或含有酸性过氧化氢的水溶液之一；当
该基材的表面为陶瓷材质时，于步骤S1，该表面改质溶液为纯水、氢氧化钾水溶液、
含氟氧金属盐类水溶液、聚电解质水溶液、硅烷偶联剂水溶液之一或其两种以上任意
比例的组合；当该基材的表面为环氧树脂塑料材质时，于步骤S1，该表面改质溶液为
纯水、硅烷偶联剂水溶液两者之一。
4.如权利要求1所述的用喷印形成金属化图案方法，其特征在于：其中该温度敏
感聚合物为：苯乙烯单体与N-异丙基丙烯酰胺单体的共聚物、苯乙烯单体与羟丙基纤
维素的共聚物、苯乙烯单体与聚乙烯基己内酰胺的共聚物、苯乙烯单体与聚乙烯基甲
醚的共聚物之一或其两种以上任意比例的组合。
5.如权利要求4所述的用喷印形成金属化图案方法，其特征在于：其中该温度敏
感聚合物选用苯乙烯单体与N-异丙基丙烯酰胺单体的共聚物时，该催化性金属粒子为
为钯，其附着于苯乙烯单体与N-异丙基丙烯酰胺单体的...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛明德，张章平，刘益铭，粘晏瑜，王柏强，
申请(专利权)人：张益诚，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71