柔性电路基板设计与制造研究

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柔性电子已成为未来电子设备发展的主流趋势,柔性电路是柔性电子器件发展的关键组成部分。柔性电路具有轻薄、柔软、可弯曲甚至可拉伸等特点,在柔性传感器、柔性显示、柔性可穿戴以及电子皮肤等领域具有良好的应用前景,因此开展柔性电路设计与制造研究具有重要意义。本文给出适用于可穿戴柔性电路的导电材料和基板材料选择标准和工艺参数选择范围,并基于气压挤出式双喷头3D打印技术制作导电银浆/液态硅胶复合的柔性电路。具体研究内容如下:明确柔性导电材料应具有的性能要求,选用导电银浆作为柔性电路的导电材料。通过分析针头内径、打印压力、打印速度及固化温度等工艺参数对成型效果及线路导电稳定性的影响,确定其最佳打印参数,即选用410 um的针头,打印压力在1.5 bar-2 bar的范围,打印速度在10 m/s-15 m/s的范围,固化温度为60℃时能打印出最佳的电路。依据柔性基板材料的选择标准,对TPU、硅胶等常见的柔性基板材料进行了性能测试与分析,最终选用液态硅胶作为柔性电路的基板材料。通过ABAQUS有限元软件对柔性电路硅胶基板进行了拉伸变形仿真分析,得到硅胶材料的拉伸试验仿真结果与实际试验数据保持一致,并结合仿真数据与实际试验结果得到3型哑铃型硅胶试样可以承受的最大变形量为初始长度的56%,最大应力为2.5 MPa,进一步确定了柔性电路硅胶基板具有良好的拉伸力学性能。通过比较分析注塑成型与3D打印两种硅胶试样的制备方法,利用模糊数学评价方法对线宽相对误差、质量相对误差、拉断时刻的最大拉力及成型时间等性能指标进行综合评价分析,最终选用3D打印方式制备柔性硅胶基板,并采用正交试验方法对3D打印硅胶试样的断裂拉伸强度及伸长率进行测试分析,得到当填充角度为45°,层高为800 um,间距为2.85 mm时,为最佳的打印工艺参数。提出一种基于气压挤出式双喷头3D打印制造柔性电路的新工艺,通过分析双喷头3D打印柔性电路的基本原理及成型工艺,进行柔性电路的打印。通过对柔性电路拉伸及弯曲电学性能的测试分析,得出其在形变量为33%时仍保持较好的导电稳定性,在进行300次折弯实验后电阻仍保持不变,从而验证了基于双喷头3D打印技术制备的导电银浆/液态硅胶复合的柔性电路在拉伸和弯曲状态下具有良好的导电性能和力学性能。
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