基于热成形的三维曲面共形电子制作和探究

发布时间：2020-04-13 07:46

【摘要】：近年来,电子制造技术发展速度,对于电子产品提出的要求也不断提高。为使人与物、物与物以及人与人之间的联系更加紧密,电子器件需要与人和物具有良好的共形性和适配性,而现有的电子器件由于质硬难以变形拉伸的缘故,很难与现实生活中包括人体在内的各种三维曲面共形贴合,一定程度上限制了电子产品的发展。本文基于上述问题,提出了一种基于热成形的三维曲面共形电子制造工艺,该工艺主要包括激光加工电路、电路转印、视觉对准和热成形等步骤。该工艺通过粘接缓冲层将金属电路与热塑性薄膜粘合,利用热塑性薄膜受热软化变形的特点,抽真空得到共形贴合三维曲面的电子器件。为有效评价电子器件的成形效果,本文提出了包括中心偏移角、形貌贴合度和电路褶皱翘曲程度等三种评价参数,并且探究了粘接缓冲层厚度、加热温度、金属电路形状尺寸等因素对成形效果的影响,以优化后的实验参数为准,可以得到中心偏移角5°、形貌贴合角10°以及金属电路基本无褶皱翘曲的三维曲面共形电子器件。在保证成形效果的前提下,借助于网格分析法和视觉识别技术,本文通过建立极坐标系确定成形前后金属电路的极径和极角,探究成形前后金属电路极径和极角的映射关系,为实现电子器件准确贴合至三维曲面的特定位置提供方法指导。最后,本文使用该工艺制作了一系列应用,包括连接导线和螺旋天线等,并且对其性能进行了测量验证。本文提出的三维曲面共形电子制造加工工艺,通过引入粘接缓冲层,缓解金属电路和热塑性薄膜之间的性质差异所导致的褶皱脱离。除此以外,借助于视觉对准操作,该工艺能有效保证加工的准确性和可重复性,有望在实际生产过程中大规模应用。而且,该工艺流程简单,加工成本较低,对环境无污染。
【图文】：

三维形状,冷焊工艺,天线,工艺

华中科技大学硕士学位论文1.3 三维曲面共形电子成形工艺研究现状现有的电子器件，大多由硬而脆的导体材料组成，受限于导体材料硬而脆的特性，电子器件难以变形。然而生活中很多产品的表面是三维曲面，而不是简单的平面。要使电子器件能够贴合三维曲面，综合而言，当前的研究集中在以下一些方案：1.3.1 冷焊工艺密西根大学的学者利用冷焊方法，制作柔性印章，镀金，通过真空吸附，使柔性印章变形为内凹的三维形状，再将印章上的金转印到对应的外凸形三维基体上，最后利用蚀刻和镀金技术制得带有金属图案的三维曲面共形电子（图 1-1）。该加工工艺繁琐，而且使用金作为导体材料，成本较高[6-7]。

打印技术,电小天线,直写,技术制作

图 1-2 3D 直写打印技术及由该技术制作的半球电小天线[8].3.3 印刷电路板技术和热成形工艺结合根特大学的JanVanfleteren教授等人尝试利用现在已经成熟的印刷电路板（PCB造技术，结合马蹄形电路结构的设计，得到基底为热塑性材料的平面电子器件。利用一次性热贴体成形工艺，热塑性材料加热软化变形，使电子器件贴合三维模面，得到三维曲面共形电子器件（图 1-3）。该工艺方法结合现有的工业 PCB 生艺，便于实现工业化生产，然而其电路制造采用蚀刻工艺，会带来一定的环境污染待改进[11-13]。除此以外，，在 PCB 工艺中，金属电路和热塑性薄膜直接压合，二者之间性质差异较大，金属电路的刚性较大，不易变形，而热塑性薄膜受热后变形，导致在后续的热成形过程，因为应力不匹配，金属电路发生失效，容易产皱脱离。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN05

【参考文献】