Metal del sustrato flexible pdms: una solución técnica de cadena completa desde las características del material hasta la integración funcional

Como elástico de silicona con excelentes propiedades, el polidimetilsiloxano (pdms) ocupa una posición importante en los campos de la electrónica flexible, chips microfluídicos, dispositivos portátiles e ingeniería biomédica con su excelente transparencia óptica, biocompatibilidad y flexibilidad mecánica. Sin embargo, la hidrofobicidad inherente y la inercia química de la superficie del pdms dificultan que las películas metálicas se adhieran firmemente a su superficie, lo que se convierte en el cuello de botella técnico central que restringe la fiabilidad y expansión funcional de los dispositivos relacionados.Academia avanzada (shenzhen) Technology co., Ltd.Después de muchos años cultivando profundamente el campo del recubrimiento de sustratos flexibles, se ha desarrollado un plan de proceso de cadena completa desde el pretratamiento de la superficie hasta la deposición metálica en torno a la metalización de sustratos pdms, proporcionando soporte técnico profesional y servicios personalizados para escenarios de aplicación diversificados.

I. características de los materiales pdms y desafíos de metalización

El pdms está compuesto por la cadena principal de silicio y oxígeno (si - o) y el Grupo lateral metil hidrofóbico, con una temperatura de transición vítrea tan baja como unos - 120 ° c, dando al material una alta elasticidad estable en un amplio rango de temperatura. Al regular la relación entre el preolímero y el agente de curado (10: 1 a 30: 1) y la temperatura de curado (temperatura ambiente a 150 ° c), su módulo de Young se puede ajustar con precisión en el rango de 0,34 a 2,97 mpa, con una transmisión de luz superior al 90% en la banda visible (400 - 800 nm) y un índice de refracción de aproximadamente 1,41 - 1,43. Sin embargo, la superficie de pdms presenta propiedades hidrofóbicas características propias debido a la disposición densa de metilos, el ángulo de contacto del agua alcanza los 100 ° - 110 °, la Energía superficial es de solo 19 - 22 mnn / m, junto con la inercia química significativa, es difícil para los átomos metálicos establecer una unión química efectiva con la superficie. La deposición directa de capas metálicas por evaporación térmica o pulverización no solo tiene una adherencia extremadamente baja y es fácil de pelar, sino que también cuando la temperatura del sustrato supera los 150 ° c, los oligómeros residuales o gases disueltos en el pdms escapan, lo que puede desencadenar cambios locales en la burbuja de la película y la red de enlace cruzado, que es una dificultad técnica clave que debe superarse en el proceso de metalización flexible.

2. pretratamiento de la superficie: el eslabón clave para romper el cuello de botella de la adherencia metálica

Para lograr una fuerte combinación de metal y pdms, es necesario activar la superficie y optimizar la ingeniería de interfaz. La ciencia y la tecnología avanzadas de la Academia utilizan el proceso de pretratamiento de plasma para bombardear la superficie del sustrato a través del plasma, lo que mejora efectivamente la resistencia de unión entre el sustrato y la capa metálica. El tratamiento con plasma de oxígeno (potencia 50 - 200 w, flujo de oxígeno 20 - 50 sccm, tiempo 30 - 120 segundos) puede oxidar el Grupo hidrofóbico de silicio - metil (si - ch) en la superficie en un grupo hidrofílico de silanol (si - oh), haciendo que el ángulo de contacto con el agua caiga bruscamente de unos 110 ° A menos de 5 ° y la Energía superficial aumente a 30 - 70 mnn / m, proporcionando un punto de unión polar denso para la formación de núcleos metálicos. Cabe señalar que el efecto de activación del plasma disminuye gradualmente en el aire en aproximadamente una hora (es decir, el fenómeno del "envejecimiento"), por lo que la deposición del metal debe completarse lo antes posible después del tratamiento. Para mejorar aún más la fiabilidad de la interfaz, se pueden introducir capas monomoleculares autoensambladas (como aptes, mpts) en la superficie activada, injertando grupos funcionales de aminoácidos o sulfhídrico para mejorar la afinidad química con metales como el oro y la plata; O el cromo (cr) o el titanio (ti) con un espesor de 5 - 20 nm de pulverización previa como capa de adhesión, con la ayuda del efecto de intercalación física y difusión atómica, la resistencia de desprendimiento de la interfaz se eleva al nivel de varios n / cm, proporcionando un sustrato estable para la capa metálica funcional posterior.

III. oro (au): conductor preferido para electrodos flexibles y biosensores

El oro se ha convertido en el material conductor más utilizado en la metalización de pdms gracias a su excelente resistencia a la oxidación, baja resistencia eléctrica (2,44 × 10⁻ Omega · m) y buena biocompatibilidad. Los métodos de deposición incluyen evaporación térmica (la temperatura de la fuente es de aproximadamente 1000 - 1500 ° c, el agua del sustrato se enfría para mantener la temperatura ambiente) y pulverización de magnetrón (densidad de potencia de 2 - 5 W / CM cuadrado, presión de argón de 0,5 - 2 pa), y el espesor de la película se puede controlar en un rango de 10 nm a cientos de nanómetros. Después de la activación del plasma de oxígeno y la optimización de la capa de adhesión, la resistencia de desprendimiento de la película de oro y pdms puede superar los 2 n / cm, y la tasa de variación de la resistencia relativa se controla dentro del 20% bajo una tensión de tracción del 30%. La inercia química del oro otorga a los electrodos recubiertos de oro una excelente resistencia a la corrosión, adecuada para escenarios de implantación a largo plazo. Los electrodos flexibles basados en AU / pdms se han utilizado ampliamente en sensores EEG / ECG epidérmicos, plataformas de inmunodetección electroquímica (como la fijación molecular de anticuerpos) y sustratos de dispersión Raman mejorados en superficie, que pueden proporcionar factores de mejora de señal de magnitud 10 para lograr una detección altamente sensible de trazas de biomarcadores.

IV. plata (ag): integración de la transmisión de alta conductividad eléctrica y la función antibacteriana

Con la resistencia más baja de todos los metales (1,59 × 10⁻ Omega · m), la plata es el material ideal para construir circuitos flexibles de alta conductividad eléctrica y antenas de radiofrecuencia inalámbrica. Al preparar la película de plata por pulverización de magnetrón, el espesor de la película debe controlarse dentro de 200 nm para evitar el agrietamiento en estado de tracción; Al diseñar una estructura corrugada a nivel de micrones con un ciclo de diseño de 8 micras, se puede mejorar significativamente la tolerancia a la tracción. La capa de plata ultradelgada (espesor inferior a 20 nm) puede tener en cuenta la transmisión de luz (superior al 80%) y la conductividad eléctrica, y es adecuada para electrodos transparentes en dispositivos portátiles. Los iones de plata dan a la película propiedades antibacterianas naturales de amplio espectro, adecuadas para la fabricación de electrodos superficiales de catéteres médicos o parches de monitoreo de heridas, para lograr la integración funcional de la adquisición de señales electrofisiológicas y la protección contra infecciones bacterianas. La tecnología avanzada de la Academia adopta la tecnología compuesta de nanocables de plata en el proceso de galvanoplastia de plata para formar una red eléctrica tridimensional y mejorar aún más la conductividad eléctrica.

V. aluminio (al): capa reflectante óptica y capa de blindaje de interferencia electromagnética

Después de la activación por plasma de oxígeno (los tentáculos de agua caen por debajo de 10 ° c), el aluminio se puede depositar en la superficie del pdms a través de evaporación térmica (punto de fusión de unos 660 ° c) o proceso de pulverización, formando una capa metálica firmemente adherida. La película de aluminio tiene una reflectividad de más del 90% en la banda visible a cercana al infrarrojo y es ideal para dispositivos ópticos como espejos de retroiluminación de pantallas flexibles y conjuntos de microscopios plegables. Al mismo tiempo, con las ventajas de resistencia y costo de 2,65 × 10, el aluminio también destaca en el campo de la compatibilidad electromagnética: cuando el espesor de la película alcanza los 100 nm o más, la eficiencia de blindaje de interferencia electromagnética de la capa de aluminio en el rango de frecuencia de 30 MHz a 1 GHz puede alcanzar los 60 a 80 db, proporcionando una protección electromagnética confiable para dispositivos portátiles y envases electrónicos flexibles.

6. estructura de interconexión multicapa entre electrodos de sensores de platino (pt) y CR / cu / ni

El platino (pt) se utiliza principalmente en el campo de la detección electroquímica (como electrodos de ph, fijación de glucosa oxigenasa, etc.), antes de la deposición se debe introducir una capa de adhesión de CR o ti (5 - 10 nm), y luego se debe salpicar una capa funcional de PT de 50 - 200 nm. Después de la optimización de la interfaz, la resistencia de unión PT / pdms puede alcanzar los 4412 mpa, y la deriva de resistencia después de 500 ciclos de flexión de 80 ° es inferior al 18,3%, lo que garantiza la estabilidad de detección a largo plazo. La resistencia de sinterización del purín de electrodo de platino desarrollado por la Ciencia y la tecnología avanzadas de la Academia es tan baja como 1,65 muohm · cm y la resistencia cuadrada es tan baja como 20 ± 5 mohm / □, lo que garantiza una alta sensibilidad y una respuesta rápida del electrodo. Por otro lado, el sistema compuesto de tres capas de cromo / cobre / níquel (cr / cu / ni) está dedicado a la interconexión microelectrónica: la capa de cromo (unos 10 nm) garantiza la adhesión, la capa de cobre (100 - 500 nm) asume el canal conductor de baja resistencia (resistencia eléctrica 1,68 × 10⁻ ⁸ Omega · m), y la capa de ni (50 - 100 nm) actúa como barrera de difusión para evitar la oxidación del cobre. Esta combinación puede soportar las curvas repetidas de los sustratos flexibles y es ampliamente utilizada para conectar placas de circuito flexibles de alta densidad con dispositivos microelectrónicos.

7. película conductora transparente Ito y proceso alternativo de metal líquido a baja temperatura

El óxido de estaño de indio (ito) se deposita en la superficie del pdms a través del chorro de magnetrón de radiofrecuencia (la temperatura del sustrato se controla por debajo de 100 ° C y la presión parcial de oxígeno se regula con precisión), lo que puede obtener una película conductora transparente con una transmitancia de luz visible superior al 90% y una resistencia eléctrica tan baja como ≤ 8 × 10 ⁴ Omega · cm, que es el material preferido para pantallas táctiles flexibles y electrodos LED flexibles. Sin embargo, debido a las características de bajo módulo de pdms, Ito es propenso a iniciar microcracks cuando la tensión Uniaxial supera el 15%, lo que requiere la ayuda de diseños topológicos microestructurales (como geometría de onda) o capas amortiguadoras de interfaz para frenar el crecimiento de grietas. Cabe señalar que los procesos no al vacío a temperatura ambiente o baja temperatura se están convirtiendo en direcciones alternativas emergentes, como la impresión por inyección de tinta de aleaciones metálicas líquidas de galio e indio (egain) o galio, indio y estaño (gainsn), que pueden construir rápidamente patrones conductores flexibles evitando daños térmicos y ampliando las ventanas de proceso para dispositivos pdms termosensibles.

8. apoyo a los procesos de toda la cadena y capacidad de producción a gran escala

Independientemente del esquema de metalización utilizado, se debe seguir estrictamente la cadena de proceso de "activación de la superficie → capa de adhesión → depósito de capa funcional" y controlar estrictamente los parámetros de temperatura para evitar el riesgo de ampollas causadas por altas temperaturas. La ciencia y la tecnología avanzadas de la Academia han construido independientemente una línea de producción de pulverización de magnetrón y evaporación al vacío, que puede depositar continuamente capas metálicas en la superficie de películas poliméricas flexibles. las características del proceso incluyen recubrimiento uniforme y fuerte adherencia, apoyando la producción continua de bobinas, que es adecuada para el suministro a gran escala. Los sustratos aplicables cubren una variedad de materiales poliméricos como fep, pi, pet, lcp, pps, PEN y pp, y los metales chapados incluyen oro, plata, cobre, aluminio, estaño, níquel, titanio y platino. La compañía ha pasado la certificación del sistema de gestión de calidad iso9001, y los productos cumplen con las normas militares pertinentes gjb 773a y los requisitos ambientales rohs.

Advanced Academy (shenzhen) Technology co., Ltd. cultiva profundamente la tecnología de metalización de dispositivos flexibles a base de pdms y proporciona soluciones de soporte y personalización de procesos de cadena completa, desde el pretratamiento de la superficie hasta la deposición de metales, para electrónica flexible, microfluídicos, sensores portátiles, interfaces biológicas, MEMS y Nueva energía.

(este artículo se basa en la literatura técnica general de la industria y la acumulación de tecnología de la empresa para la selección de tecnología y la negociación de negocios)