[發明專利]利用飛秒激光在碳基聚合物表面加工微電路的系統和方法

在審

• 申請號: 202011527336.5
• 申請日: 2020-12-22
• 公開（公告）號: CN112518131A
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 姜瀾;閆劍鋒;郭恒;黃辰瀟
• 申請（專利權）人: 清華大學;北京理工大學
• 主分類號: B23K26/36
• 分類號: B23K26/36;B23K26/402;B23K26/70
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 羅文群

發明提出了一種利用飛秒激光在碳基聚合物表面加工微電路的系統和方法,屬于飛秒激光應用技術領域。本發明結合運用了飛秒激光器的不同出光模式進行加工，先利用振蕩級激光對碳基聚合物進行碳化，獲得可以導電的碳化層，再利用放大級激光精準去除多余的碳化層，從而加工電路元件。利用本發明提出的系統和方法，可以快速、精準地在碳基聚合物表面加工出碳基微電路，使用柔性碳基聚合物時，可以成功制備柔性電路。本發明的系統具有調節方便、切換靈活、適應性強的優勢，利用本發明提出的方法，可以克服振蕩級激光碳化直寫加工的缺陷，加工出的微電路之間毛刺被有效抑制，電路元件之間的距離縮小，降低微電路發生短路故障的風險，有利于電路的微型化和提高電路的集成度。本發明具有加工精度高、可加工材料多、可加工電路元件形狀靈活等優點，為制備碳基柔性微電路提供了一種可行的方案。

技術領域

本發明屬于飛秒激光應用技術領域，尤其涉及利用飛秒激光在碳基聚合物表面加工微電路的系統和方法。

背景技術

柔性電路是一種在柔性基板上安裝電路元件形成的特殊電路，有可彎曲、重量輕、厚度小、可穿戴等諸多優點，碳基聚合物常被用作柔性電路基板。在柔性電路的傳統加工方式中，刻蝕法不利于環境保護與可持續發展，噴涂法加工的電路板可能發生粘結失效。使用激光在柔性基板表面直寫加工微電路，是一種新的制備柔性電路的方法。

飛秒激光具有振蕩級和放大級兩種輸出模式。振蕩級激光的峰值功率較低，但重復頻率很高，加工時可以使材料持續升溫至較高溫度。放大級激光的重復頻率低，峰值功率很高，熱影響區小，適合用于燒蝕去除材料。

利用飛秒激光器的振蕩級對碳基聚合物進行直寫加工時，因為激光的峰值功率低于碳基聚合物的燒蝕閾值，碳基聚合物不會發生燒蝕，但激光的能量累積可以使碳基聚合物溫度升高，一些碳基聚合物會發生碳化，例如聚酰亞胺(PI)分子結構中的苯環受熱會發生裂解反應產生碳結構，聚二甲基硅氧烷(PDMS)受熱會產生石墨與碳化硅復合結構，這些結構能夠使被激光輻照過的區域具備導電性，利用此方法可以在碳基聚合物表面碳化直寫電極、電容等微電路元件。

研究表面，受材料性質影響，碳化加工的電極線寬較大，使得器件整體尺寸無法進一步縮小。同時，碳化加工的精度也不高，碳化區域的邊緣會存在微小的毛刺。在微電路中，元件之間距離非常小，特別是超級電容的兩個電極之間的距離，其尺度和毛刺接近。振蕩級激光直寫加工的元件可能通過毛刺相連，導致元件短路，無法正常工作。為避免毛刺將兩個元件或電極導通失效，只能增大元件之間或電極之間的距離，但如此會影響微電路的集成度、降低超級電容器的電容，難以滿足微電路預期的使用需求。

對碳基聚合物使用經過脈沖啁啾放大的放大級飛秒激光進行加工時，因為激光瞬時功率高，可以燒蝕去除掉碳基聚合物材料及其表面的碳化層，實現將目標區域與周圍材料分離或對碳化導電區域形狀的精細加工。

超級電容是一種儲存電荷能力很強的電容器，具有充放電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節約能源和綠色環保等優勢。超級電容由兩個分開的電極以及電極之間的電解質組成，其電容受電極面積、電極之間的距離、電解質性能等因素影響，縮短電極之間的距離有利于提高電容的性能。常見的超級電容的形狀有平板形、圓形、叉指形等。

發明內容

本發明的目的在于提出一種利用飛秒激光在碳基聚合物表面加工微電路的系統和方法，通過結合使用飛秒激光器的振蕩級激光和放大級激光進行加工。先利用振蕩級激光在碳基聚合物表面碳化加工出微電路的整體外輪廓，再利用放大級激光燒蝕去除多余的碳化層，精確加工出微電路的形狀，達到制備柔性碳基微電路的目的。