Métallisation de substrats flexibles PDMS: une proposition technique complète de la chaîne, de la caractérisation des matériaux à l'intégration fonctionnelle

Le Polydiméthylsiloxane (PDMS), en tant qu'élastomère silicone performant, occupe une position importante dans l'électronique flexible, les puces microfluidiques, les dispositifs portables et le génie biomédical grâce à sa transparence optique, sa biocompatibilité et sa flexibilité mécanique exceptionnelles. Cependant, l'hydrophobie inhérente et l'inertie chimique de la surface du PDMS rendent difficile la fixation solide du film métallique sur sa surface, ce qui constitue un goulot d'étranglement technologique central qui limite la fiabilité et l'expansion fonctionnelle des dispositifs connexes.Advanced House (Shenzhen) technologie Co., LtdDepuis de nombreuses années, le domaine du revêtement de substrat flexible en Labour profond a développé une gamme complète de processus de chaîne allant du prétraitement de surface au dépôt de métal autour de la métallisation de substrat PDMS, offrant un support technique professionnel et des services de personnalisation pour des scénarios d'application multiples.

I. caractéristiques des matériaux PDMS et défis de métallisation

Le PDMS est constitué d'une chaîne principale d'oxygène de silicium (si - o) et d'un groupe latéral méthyle hydrophobe avec des températures de transition vitreuse aussi basses que - 120°c environ, conférant au matériau une grande élasticité stable dans un large domaine de température. En régulant le rapport du prépolymère à l'agent de durcissement (10: 1 à 30: 1) et la température de durcissement (température ambiante à 150°c), son module d'Young peut être ajusté avec précision dans l'intervalle de 0,34 à 2,97 MPa, avec une transmission lumineuse supérieure à 90% dans la bande visible (400 - 800 nm) et un indice de réfraction d'environ 1,41 à 1,43. Cependant, la surface du PDMS présente des caractéristiques hydrophobes intrinsèques en raison de l'alignement dense des groupes méthyles, avec un angle de contact avec l'eau allant jusqu'à 100 - 110 °, une énergie de surface de seulement 19 - 22 Mn / M et une inertie chimique significative, ce qui rend difficile l'établissement d'une liaison chimique efficace entre les atomes métalliques et la surface. Le dépôt direct de la couche métallique par évaporation thermique ou pulvérisation cathodique, non seulement a une adhérence extrêmement faible, est facile à décoller, et lorsque la température du substrat dépasse 150 ° C, les oligomères résiduels ou les gaz dissous à l'intérieur du PDMS s'échappent, ce qui peut provoquer des changements locaux dans le réseau de cloquage et de réticulation du film, ce qui est une difficulté technique dans le processus de métallisation flexible nécessitant un taraudage ciblé.

II. Prétraitement de surface: le lien clé pour briser le goulot d'étranglement de l'attachement métallique

Pour obtenir une liaison solide du métal avec le PDMS, un traitement d'activation de la surface et une optimisation de l'ingénierie de l'interface sont nécessaires. Advanced House Technology utilise le processus de prétraitement par plasma pour améliorer efficacement la force de liaison entre le substrat et la couche métallique en bombardant la surface du substrat par plasma. Le traitement par plasma d'oxygène (puissance 50 - 200 W, débit d'oxygène 20 - 50 SCCM, durée 30 - 120 s) permet d'oxyder les groupes silylméthyl (si - ch₃) hydrophobes de la couche superficielle en groupes Silanol (si - OH) hydrophiles, faisant chuter l'angle de contact avec l'eau d'environ 110° à moins de 5° et augmentant l'énergie de surface à 30 - 70 Mn / M, fournissant un site de liaison polaire dense pour la nucléation du métal. Il est à noter que l'effet d'activation plasma décroît progressivement (phénomène de "vieillissement") en environ 1 heure dans l'air, de sorte que le dépôt de métal doit être effectué le plus rapidement possible après le traitement. Pour améliorer encore la fiabilité de l'interface, des couches monomoléculaires auto - assemblées (telles que aptes, mpts) peuvent être introduites sur la surface activée, greffant des fonctions Amino ou mercapto pour renforcer l'affinité chimique avec des métaux tels que l'or, l'argent, etc.; Soit une pulvérisation préalable de chrome (CR) ou de titane (TI) de 5 à 20 nm d'épaisseur comme couche d'adhérence, par effet d'interdiffusion atomique à l'aide d'un emboîtement physique, augmentant la résistance au pelage Interfacial jusqu'à un nombre N / CM, fournissant un substrat stable pour les couches métalliques fonctionnelles ultérieures.

Iii. Or (au): électrodes flexibles et conducteurs préférés pour la détection biologique

L'or est le matériau conducteur le plus largement utilisé dans la métallisation PDMS en raison de sa résistance à l'oxydation supérieure, de sa faible résistivité (2,44 × 10⁻⁸Ω.m) et de sa bonne biocompatibilité. Les méthodes de dépôt comprennent l'évaporation thermique (température de la source d'environ 1000 - 1500 ° C, refroidissement à l'eau du substrat pour maintenir la température ambiante) et la Pulvérisation magnétron (densité de puissance 2 - 5 W / cm², pression d'argon 0,5 - 2 pa), l'épaisseur du film peut être contrôlée Dans la gamme de 10 nm à plusieurs centaines de nanomètres. Après activation par plasma oxygéné et optimisation de la couche adhésive, la résistance au pelage du film d'or avec le PDMS peut dépasser 2 N / cm et le taux de variation de la résistance relative est contrôlé à 20% sous 30% de déformation en traction. L'inertie chimique de l'or confère aux électrodes plaquées or une excellente résistance à la corrosion et convient aux scénarios d'implantation à long terme. Les électrodes flexibles à base d'au / PDMS ont été largement utilisées dans les capteurs épidermiques électro - cérébraux / électrocardiovasculaires, les plates - formes électrochimiques d'immunodétection telles que l'immobilisation de molécules d'anticorps, ainsi que les substrats de diffusion Raman renforcés en surface - ces derniers peuvent fournir des facteurs d'amélioration du signal de l'ordre de 10⁶, permettant une détection très sensible des biomarqueurs traces.

Iv. Argent (AG): transmission à haute conductivité intégrée avec fonction antimicrobienne

Avec la résistivité la plus faible de tous les métaux (1,59 × 10⁻⁸Ω.m), l'argent est le matériau idéal pour construire des circuits flexibles à haute conductivité avec des antennes RF sans fil. Lors de la préparation du film d'argent par Pulvérisation magnétron, l'épaisseur du film doit être contrôlée à moins de 200 nm pour éviter la fissuration à l'état étiré; La résistance à la traction peut être considérablement améliorée en concevant une structure ondulée de l'ordre du micron avec une période de 8 µm. La couche d'argent ultra - mince (épaisseur inférieure à 20 nm) combine la transmission de la lumière (supérieure à 80%) avec la conductivité électrique et convient aux électrodes transparentes des dispositifs portables. Les ions d'argent confèrent au film des propriétés antibactériennes naturelles à large spectre, adaptées à la fabrication d'électrodes de surface de cathéter médical ou de patchs de surveillance faciale, permettant l'intégration fonctionnelle intégrée de l'acquisition de signaux électrophysiologiques et de la protection contre les infections bactériennes. La technologie de l'Académie avancée adopte la technologie composite de fil d'argent nanométrique dans le processus de placage d'argent pour former un réseau conducteur tridimensionnel, améliorant davantage les performances de conductivité.

V. aluminium (AL): couche réfléchissante optique et protection contre les interférences électromagnétiques

Après activation par plasma oxygéné de l'aluminium (angle de contact de l'eau inférieur à 10 °), il peut être déposé sur la surface du PDMS par évaporation thermique (point de fusion d'environ 660 ° c) ou par pulvérisation cathodique, formant une couche métallique solidement fixée. Avec une réflectivité de plus de 90% dans la bande visible à proche infrarouge, le film d'aluminium est idéal pour les dispositifs optiques tels que les réflecteurs rétroéclairés d'écrans flexibles, les matrices de micromiroirs pliables, etc. Avec une résistivité de 2,65 × 10⁻⁸Ω.m et des avantages de coût, l'aluminium se distingue également dans le domaine de la compatibilité électromagnétique: lorsque l'épaisseur du film atteint 100 nm et plus, la couche d'aluminium peut protéger les interférences électromagnétiques de 60 à 80 DB dans la gamme de fréquences de 30 MHz à 1 GHz, offrant une protection électromagnétique fiable pour les dispositifs portables et les boîtiers électroniques flexibles.

Vi. Electrode de capteur en platine (PT) avec structure d'interconnexion multicouche CR / Cu / ni

Le platine (PT) est principalement utilisé dans le domaine de la détection électrochimique (telles que les électrodes de pH, la fixation de glucose oxydase, etc.), où une couche d'adhésion Cr ou Ti (5 - 10 nm) doit être introduite avant le dépôt et une couche fonctionnelle PT de 50 - 200 nm doit être re - pulvérisée. Optimisé pour l'interface, la force de liaison Pt / PDMS peut atteindre 4112 MPa, avec une dérive d'impédance inférieure à 18,3% après 500 cycles de flexion à 80°, garantissant une stabilité de détection à long terme. La résistivité de frittage de la boue d'électrode de platine de la recherche et du développement technologiques de l'Académie avancée est aussi faible que 1,65 μΩ.cm et la résistance carrée est aussi faible que 20 ± 5 mΩ / □, assurant une sensibilité élevée et une réponse rapide de l'électrode. D'autre part, le système composite chrome / cuivre / nickel (CR / Cu / ni) à trois couches est dédié aux interconnexions microélectroniques: la couche de Cr (environ 10 nm) assure la fixation, la couche de Cu (100 - 500 nm) prend en charge les canaux conducteurs de faible résistance (résistivité 1,68 X 10⁻⁸ Ω.m) et la couche de ni (50 - 100 nm) agit comme une barrière de diffusion contre l'oxydation du cuivre. Cette combinaison est capable de résister aux plis répétés du substrat flexible et est largement utilisée dans les circuits imprimés flexibles à haute densité et les dispositifs MEMS pour marcher à l'intérieur de la ligne.

Vii. ITO Film conducteur transparent et processus de remplacement de métal liquide à basse température

L'oxyde d'indium et d'étain (ITO), déposé sur la surface du PDMS par Pulvérisation magnétron radiofréquence (température du substrat contrôlée en dessous de 100°C, régulation précise de la pression partielle d'oxygène), permet d'obtenir des films conducteurs transparents avec une transmittance lumineuse visible supérieure à 90% et une résistivité aussi faible que ≤ 8 x 10⁻⁴ Ω.cm, matériau préféré pour les écrans tactiles flexibles avec des électrodes LED pliables. Cependant, en raison des caractéristiques de faible module du PDMS, l'ITO est susceptible de germer des microfissures à plus de 15% de déformation uniaxiale, nécessitant l'inhibition de la propagation des fissures à l'aide d'une conception topologique microstructurée (par exemple, géométrie ondulée) ou d'une couche tampon interfaciale. Il est intéressant de noter que les processus non sous vide à température ambiante ou à basse température deviennent des orientations alternatives émergentes, telles que les alliages métalliques liquides de gallium - indium eutectique imprimé par jet d'encre (egain) ou de gallium - indium - étain (gainsn), qui peuvent rapidement construire des motifs conducteurs flexibles tout en évitant les dommages thermiques, élargissant ainsi la fenêtre de processus pour les dispositifs PDMS sensibles à la chaleur.

Viii. Support de processus de chaîne complète et capacité de production à l'échelle

Quel que soit le schéma de métallisation utilisé, la chaîne de processus « activation de surface → couche adhésive → dépôt de couche fonctionnelle» doit être strictement suivie et les paramètres de température strictement contrôlés pour éviter les risques de moussage induits par des températures élevées. Advanced House Science and Technology a construit indépendamment la ligne de production de Pulvérisation magnétron et de placage à la vapeur sous vide, peut déposer une couche métallique en continu sur la surface du film polymère flexible, les caractéristiques du processus comprennent un placage uniforme et une forte adhérence, soutenir la production continue de rouleau à rouleau, adapté à l'approvisionnement à l'échelle. Les substrats applicables couvrent FEP, Pi, PET, LCP, PPS, Pen, PP et d'autres matériaux polymères, les métaux plaqués peuvent inclure l'or, l'argent, le cuivre, l'aluminium, l'étain, le nickel, le titane, le platine, etc. La société a passé la certification du système de gestion de la qualité ISO9001 et les produits sont conformes aux normes militaires pertinentes GJB 773a et aux exigences environnementales ROHS.

Advanced Academy (Shenzhen) Science and Technology Co., Ltd. A développé la technologie de métallisation de dispositifs flexibles à base de PDMS pour fournir des solutions de support et de personnalisation de processus à chaîne complète, du prétraitement de surface au dépôt de métal, pour l'électronique flexible, la microfluidique, les capteurs portables, les interfaces biologiques, les MEMS et les nouvelles énergies.

(cet article est basé sur la littérature technique générale de l'industrie et l'accumulation de technologie de l'entreprise pour la sélection technique et les négociations commerciales)