CN102907184B - 柔性电路覆盖膜的附着增强 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在喷墨印刷机应用中提高柔性电路覆盖膜与封装材料之间的附着的方法。

Description

柔性电路覆盖膜的附着增强
相关专利申请的交叉参考
本专利申请要求2010年5月20日提交的第61/346538号、2010年10月5日提交的第61/389771号以及2011年1月20日提交的第61/434689号美国临时专利申请的权益。
技术领域
本发明涉及在喷墨印刷机应用中提高柔性电路覆盖膜（coverfilm）与封装材料之间的附着。
背景技术
在多种应用中，柔性电路可能会暴露于腐蚀性材料。在这些应用中，希望用保护盖层或覆盖层来保护柔性电路。这样的一个应用是喷墨印刷机笔。
喷墨印刷机笔是安装在喷墨印刷***中的墨盒，用来存储油墨和将油墨分配到记录介质（例如，纸张）上。喷墨印刷机笔通常包括用于盛装油墨的笔主体、设置在笔主体上用于分配油墨的印刷机芯片，以及连接到主体用于将印刷***和印刷机芯片相互电连接的柔性电路。在印刷操作期间，印刷***通过柔性电路将电信号传输到印刷机芯片。该信号使得油墨根据采用的喷射技术而从笔主体喷射到记录介质上。例如，热气泡式喷墨使用热阻部件，当接收到来自印刷***的电信号时，该热阻部件变热。这将导致一部分油墨挥发，以便产生将油墨从笔主体喷出的气泡。或者，压电喷射使用转换器，当接收到电信号时，转换器以机械方式将油墨从笔主体喷出。
如果柔性电路的导电部件没有用耐油墨材料进行全面封装，那么通常含有腐蚀性溶剂的油墨可能对导电元件产生化学侵蚀。这可能导致电路短路和信号微弱，从而可致使印刷机笔不能工作。
发明内容
在至少一个方面，本发明涉及使喷墨柔性电路上使用的覆盖层覆盖膜***糙，以作为提高对封装材料的附着的方法，从而提高喷墨笔的可靠性。此粗糙过程可通过多种方法而实现，例如以下方法：用带纹理的金属层对覆盖膜进行压花（通过蚀刻而消除）、微复制，或者对覆盖膜进行化学粗糙。
本发明的一个实施例提供一种制品，所述制品包括：具有基底层的柔性电路；位于所述基底层上的成图案的导电电路；以及位于所述导电电路上的覆盖层，所述覆盖层包括通过粘合剂层粘附到所述导电电路的覆盖膜，其中与所述粘合剂层相背的所述覆盖膜的表面带纹理。
本发明的另一个实施例提供一种方法，所述方法包括：提供具有基底层的柔性电路以及位于所述基底层上的成图案的导电电路；以及将覆盖层施加到所述导电电路上，所述覆盖层包括通过粘合剂层粘附到所述导电电路的覆盖膜，其中与所述粘合剂层相背的所述覆盖膜的表面带纹理。
本发明的另一个实施例提供一种制品，所述制品包括：具有基底层的柔性电路；位于所述基底层上的成图案的导电电路；以及位于所述导电电路上的覆盖层，所述覆盖层包括通过粘合剂层粘附到所述导电电路的覆盖膜，其中与所述粘合剂层相背的所述覆盖膜的表面包括热塑性聚酰亚胺材料。
本发明的上述发明内容并非意图描述本发明的每一个公开的实施例或本发明的每种实施方式。以下附图和详细说明更具体地举例说明了示例性实施例。
附图说明
图1示出了喷墨模具与柔性电路之间的封装连接。
图2示出了UPISEL-N材料的结构。
图3为在已经蚀刻掉层合的粗糙铜箔之后，本发明的热塑性聚酰亚胺覆盖膜表面的实施例的数字图像。
图4示出了用于使本发明实施例的覆盖膜的表面带纹理的示例性微复制过程。
图5为本发明的化学蚀刻后的热塑性聚酰亚胺覆盖膜表面的实施例的数字图像。
图6为本发明的化学蚀刻后的热塑性聚酰亚胺层覆盖膜表面的另一个实施例的数字图像。
图7a和图7b示出了聚酰亚胺覆盖层，其中覆盖膜部分具有一个或两个由热熔热塑性聚酰亚胺层覆盖的表面。
图8为本发明的实例和比较例的剪切测试结果的数字图像。
具体实施方式
在以下优选实施例的详细说明中，参考了形成本发明一部分的附图。附图以举例说明的方式示出了其中可实施本发明的具体实施例。应当理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以采用其他实施例，并且可以进行结构性或逻辑性的修改。因此，以下详细说明不应从限制的意义上去理解，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
意图用于长寿命性能的喷墨印刷头使用柔性电路在喷墨模具与印刷***之间实现电互连，这些喷墨印刷头需要位于柔性电路上的稳固保护层。需要这种稳固的构造归因于腐蚀性油墨环境、高温以及与印刷头功能相关的机械擦拭作用。具有粘合剂和覆盖膜层的覆盖层材料是满足长寿命印刷头需求的公认解决方案，因为该覆盖膜在很大程度上免受模压和化学侵蚀。常见的覆盖膜包括（但不限于）聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯以及芳香聚酰胺。这些覆盖层材料中使用的粘合剂包括各种各样的化学物质，包括（但不限于）聚酰胺酚醛、环氧苯乙烯一丁二烯、丙烯酸酯以及环氧树脂。这些粘合剂可以是交联的，也可以是非交联的。一种合适类型的粘合剂是第2007-0165076号美国专利申请中描述的热固***联粘合剂，该专利申请以引用方式并入本文中。另一种合适类型的粘合剂是第5,707,730号美国专利中描述的聚酰胺基粘合剂，该专利的以下部分以引用方式并入本文中：第3栏第10行到第4栏第21行；第5栏第1至11、33至43以及53至63行；以及第6栏第6至15以及46至56行。尤其合适的聚酰胺基粘合剂包括那些采用下文所述的方法用以下组分制成的粘合剂。一种混合物由以下项形成：（a）300到500份异丙醇/甲苯混合溶剂中的25重量%聚酰胺树脂溶液，其分子量为28,000到44,000且胺值为2到55（例如，根据商品名“TOHMIDE 394,535,1350&1360”可得自日本富士化成工业株式会社（Fji Kasei Kogyo K.K.）的那些）；（b）100份环氧树脂（例如，根据商品名EPIKOTE 828可得自日本油化壳牌环氧树脂株式会社（Yuka Shell Epoxy K.K.）的双酚A基环氧树脂）；（c）30份甲基乙基酮中的50重量%酚醛清漆型酚醛树脂溶液（例如，根据商品名CKM2432可得自日本昭和高分子株式会社（Showa Kobunshi K.K.）的那些）；以及（d）0.3份甲基乙基酮中的1重量%2-甲基咪唑溶液。
上述组分的混合物可在PET衬片等隔离衬片上涂至所需厚度，并且在100到200℃的温度下干燥2分钟。随后，粘合剂可在60℃下经受24到96小时的老化过程，以形成半固化热固阶段。所得的膜随后可层合到聚酰亚胺膜等上（例如，根据商品名UPILEX SN、UPILEX CA以及UPILEX VT可得自日本宇部兴产株式会社（UBE）的那些膜）。
覆盖层可以是适用于预期应用的任何厚度。在一些实施例中，覆盖层的合适厚度在下限值为约30到约40微米且上限为约50到约80微米的范围内。覆盖膜可以是任何合适的厚度，但通常为约12到约25微米厚。有利的是，粘合剂膜的层厚度足以封装该粘合剂膜所连接到的柔性电路的导电迹线，并且在柔性电路与覆盖膜之间实现良好的附着。粘合剂膜的层厚度一般取决于导电迹线的层厚度，可以在约1微米到约100微米的范围内。商用喷墨印刷机墨盒的导电迹线的典型层厚度在约25微米到约50微米的范围内。粘合剂层的合适层厚度通常为导电迹线的层厚度的至少约1到2倍，并且尤其合适的层厚度为导电迹线的层厚度的至少约1.5倍。
在将柔性电路连接到印刷机芯片之后，需要进行额外的保护，以确保油墨从有效电连接中排出。这通常由封装剂或密封剂完成，该封装剂或密封剂覆盖柔性电路上暴露的金属迹线以及热喷墨模具上的连接点。在柔性电路与热喷墨模具之间进行电连接之后，再施加这种封装材料。该封装材料分配在挠曲模具结构的两侧上并且固化。图1示出了封装连接。柔性电路2包括基底4和电路层6。电路层6部分由覆盖层8保护，该覆盖层包括覆盖膜10和粘合剂12。电路层6的暴露端与喷墨模具14进行电连接。上部封装材料16施加成覆盖电路层6的暴露端的一侧以及基底4和喷墨模具14的相邻部分。后部封装材料18施加成覆盖电路层6的暴露端的另一侧以及覆盖层8和喷墨模具14的相邻部分。
这些封装***的共同破坏来源是封装材料与覆盖层8的覆盖膜10之间的附着损耗。发生这种情况通常是由于1）覆盖膜的化学惰性，它会抑制覆盖膜与封装剂之间的化学粘合以及2）覆盖膜的光滑度，它会提供相对较小的表面接触区域，以供粘合到封装剂。覆盖膜与封装剂之间发生分层使得腐蚀性油墨渗透到电连接，从而导致铜腐蚀、覆盖层与柔性电路分层，以及电路内和/或热喷墨模具上的电路接触点之间发生电路短路。
发明人发现，使粘合到封装材料的覆盖膜上具有粗糙或带纹理的表面会提供额外的表面接触区域，从而附着更强，且封装剂与覆盖膜分层的机会更小。表面的纹理可具有随机图案或均一图案。纹理的任何凹陷或凸起的高度可以是均一的，也可以是变化的。覆盖膜的粗糙或带纹理的表面具有约5到约0.5微米，通常为约1到约3微米的平均峰谷距离。这种粗糙可以通过若干种方式来实现，包括以下方式：
1)使用因先前粘合到粗糙的金属基底而具有粗糙表面纹理的覆盖膜。发明人发现用来表明增强的封装剂附着的这样一种覆盖膜可根据商品名UPISEL-N得自日本的宇部兴产公司，专用化学品（UbeIndustries,Ltd.,Specialty Chemicals&Products）。这种材料具有约12到约15微米的总厚度，由热固性聚酰亚胺芯构成，所述热固性聚酰亚胺芯的每侧上覆有厚度为约2到约3微米的薄热塑性聚酰亚胺（TPPI）层（该材料可作为UPILEX VT聚酰亚胺从宇部兴产公司，专用化学品商购），&所述薄热塑性聚酰亚胺层随后已在一侧或两侧上热层合到粗糙的铜箔，以形成UPISEL-N产品。图2示出了UPISEL-N产品的结构，其具有热塑性聚酰亚胺（TPPI）层22、热固性聚酰亚胺芯层25以及铜箔层26。发明人发现，通过从TPPI层中蚀刻掉铜，粗糙铜的“指纹”仍留在TPPI层中，从而显著增加与封装剂接触的表面区域。粗糙度的量可由层合到热塑性聚酰亚胺层的铜箔的粗糙度建立。图3中示出了源于从UPISEL-N基底中蚀刻掉铜箔的典型TPPI表面。铜可用多种传统的市售化学物质进行蚀刻，例如，CuCl2+HCl、H2SO4+H2O2、FeCl3+HCl，或H2SO4+Na2S2O8。
这种方法的额外选择包括“3-层”基底，其中热固性粘合剂层用于将基础聚酰亚胺基底粘合到铜箔。此类基底的实例为与铜和KAPTON聚酰亚胺结合使用的环氧基粘合剂***，作为NIKAFLEX层合物从美国杜邦（DuPont）商购。在这种情况下，铜可被蚀刻掉，以暴露热固性粘合剂，这将会产生其所粘合到的铜箔的负像。如果铜箔并未向热固性粘合剂赋予所需的粗糙度，则热固性粘合剂可采用本领域已知的方法进行进一步处理，以赋予所需的粗糙度。
2)使用膜，例如，UPILEX VT或其他合适的膜，该膜的外表面已通过压花技术（例如，图4所示的压花技术）或微复制技术而具有纹理，以便在膜的一侧或两侧上产生更大的表面区域。图4示出了压花过程，其中即将进行压花的膜30从收卷辊32上解开，经过引导辊33并在压花辊34与36之间穿过，所述压花辊的表面上均具有凸起。压花辊34和36通常受热，这样，膜30便发生软化，并且在穿过压花辊34与36之间时呈现出它们的负形，从而产生压花膜38，所述压花膜的两个表面上均具有凸起和凹陷。为了只在膜的一侧上形成凸起（且在膜的另一侧上形成凹陷），其中一个辊可具有平滑的表面。
3)对膜（例如，UPILEX VT或其他合适的膜）的外层进行化学蚀刻，以产生增大的表面特征，用于粘合到封装剂。适用于UPILEX VT的热塑性聚酰亚胺外层的蚀刻溶液的实例为包含碱金属盐、增溶剂和乙二醇的水溶液。合适的碱金属盐为氢氧化钾（KOH）、氢氧化钠（NaOH）、取代的氢氧化铵，例如氢氧化四甲铵和氢氧化铵，或它们的混合物。合适的盐的典型浓度具有约30重量%到约40重量%的下限值以及约50重量%到约55重量%的上限值。适用于蚀刻溶液的增溶剂可选自由以下项构成的组：胺，包括乙二胺、丙二胺、乙胺、甲基乙胺；以及链烷醇胺，例如乙醇胺、单乙醇胺、二乙醇胺、丙醇胺等等。合适的增溶剂的典型浓度具有约10重量%到约15重量%的下限值以及约30重量%到35重量%的上限值。乙二醇，例如单乙二醇的典型浓度具有约3重量%到约7重量%的下限值以及约12重量%到约15重量%的上限值。
在至少一个实例中，合适的蚀刻溶液包含约45重量%到约42重量%的KOH、约18重量%到约20重量%的单乙醇胺（MEA），以及约3重量%到约15重量%的单乙二醇（MEG）。这种方法的额外益处在于，通过将聚酰亚胺基转换成聚酰胺酸来对聚酰亚胺表面进行化学活化。聚酰亚胺表面的这种功能提供反应基，以与一些封装化学物质共价粘合。图5中示出了用45重量%的KOH在约200℉（93℃）下以约140cm/min的线速度进行蚀刻的UPILEX VT表面的实例，而且图6中示出了用约42重量%到43重量%的KOH、约20重量%到21重量%的MEA以及约6重量%到7重量%的MEG在约200℉（93℃）下于烧杯中蚀刻约一分钟的UPILEX VT表面的实例。
发明人已发现，封装剂与覆盖膜的附着在很大程度上取决于1）覆盖膜的粗糙度，该覆盖膜提供相当大的表面区域以与封装材料接触，如上所述，和/或2）覆盖膜表面的固有性质，该覆盖膜表面实现与封装材料的化学粘合或物理相互作用，例如疏水或离子相互作用等。
关于固有性质，发明人发现，与UPILEX SN和UPILEX CA等膜相比，UPILEX VT膜即使在不进行任何表面粗糙或表面处理的情况下，也可提供对封装材料的更好附着。据信，这是因为UPILEX VT膜的表面上存在热熔热塑性聚酰亚胺（TPPI）。据信，TPPI层的热塑性性质使得可能在TPPI层处于固化期间让封装材料形成互穿的聚合物网络（IPN），从而形成由这两种材料的混合物构成的过渡层。此过渡层会抑制界面附着破坏，这象征着未进行混合的表面。热固性材料，例如与UPILEX SN和UPILEX CA相关的那些热固性材料提供较小的分子移动性和溶胀，这样，封装剂将更难渗透到层中。因此，本发明的另一个实施例包括一种覆盖膜，所述覆盖膜至少在将粘附到封装材料的该覆盖膜的表面上具有TPPI层，且任选地，还在将粘附到覆盖层的粘合剂层的表面上具有TPPI层。图7a和图7b中示出了这些实施例，其中示出了具有热熔TPPI层22、热固性聚酰亚胺层24以及粘合剂层28的覆盖层。
实例
以下实例说明了本发明，但这些实例中列举的特定材料和用量以及其他条件和细节不应当解释为是对本发明的不当限制。
为了表明本发明的至少一方面，从日本的宇部日东科赛有限公司（UBE-Nitto Kesai Co.Ltd.）购得UPILEX VT膜（厚度为15um），以用作覆盖膜并且涂有ELEPHANE CL-X粘合剂（可购自日本的巴川制纸所（Tomoegawa）），从而形成覆盖层。覆盖层会在覆盖膜侧上经受封装剂附着测试，如下：
将一滴3M环氧1735封装剂施加在约1mm的UPILEX VT膜的暴露表面上，并且覆盖层在烘箱中在130℃下固化30分钟。比较例以相同方式进行处理，但将UPILEX SN和UPILEX CA而非UPILEX VT作为覆盖膜。
制备的样品（包括比较例）先经受剪切测试，然后浸入油墨中：样品用LOCTITE 380速干胶（黑色）粘合到玻璃表面上，并且放置至少3小时。使用达歌剪切测试仪（Dage Shear Tester）通过施加30um/sec的剪切速度&以及1um的高度来进行剪切测试。随后测量从样品表面掉落的封装剂的直径。
所有的样品都要经受油墨浸泡测试，方式为在极其密封的容器中浸入pH为8到9的溶剂型碱性油墨中，并且在75℃下保存7天。
样品会定期取出并且在以下制备步骤之后经受上述剪切测试：油墨浸泡的样品被取出，并且用去离子（DI）水冲洗并干燥至少3小时。
图8示出了UPILEX SN（列A）、UPILEX CA（列B）以及UPILEXVT（列C）在油墨浸泡前（行1）和在75℃下在油墨中浸泡7天后（行2）的剪切测试结果。如图8所示，在进行油墨浸泡和未进行油墨浸泡的情况下，用UPILEX VT覆盖膜制成的覆盖层进行的剪切测试显示出内聚破坏方式（cohesive failure mode），因为破坏发生在封装剂层内而非封装剂和聚酰亚胺层的交界处，而且用UPILEX SN和UPILEX CA覆盖膜制成的覆盖层显示，粘合剂破坏发生在封装剂和聚酰亚胺层的交界处。封装剂内的内聚破坏方式表明，与封装剂与UPILEX SN和UPILEX CA膜中的热固性或经化学处理的热固性外部材料之间的附着相比，封装剂与UPILEX VT膜的TPPI层之间的附着更强。
不论采用何种方法制备之后，覆盖膜通常都会层合到粘合剂膜，以形成覆盖层。
上述方法提供一种在不影响基本柔性电路制造过程的情况下，显著增强封装剂对覆盖膜的附着的方法。任何覆盖膜表面区域修改均在覆盖层制造（将粘合剂涂到覆盖膜上）之前进行，这样将覆盖层层合到铜聚酰亚胺电路上便不受影响。在覆盖层的覆盖膜部分的向外表面上具有TPPI表面层可在粘合剂涂覆覆盖膜之前或之后实现，但优选在此类涂覆之前完成。
虽然本文出于说明优选实施例的目的对具体实施例进行了图示和描述，但是本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明范围的前提下，各种替代和/或等同实施方式可以取代图示和描述的具体实施例。本专利申请旨在涵盖本文所讨论的优选实施例的任何修改形式或变型形式。因此，显而易见，本发明仅受本发明权利要求书及其等同物的限制。

Claims (16)

1.一种具有由覆盖层保护的导电电路的制品，其包括：
具有基底层的柔性电路；
位于所述基底层上的成图案的导电电路；以及
位于所述导电电路上的覆盖层，所述覆盖层包括通过粘合剂层粘附到所述导电电路的覆盖膜，其中所述覆盖膜的两个表面带纹理，
其中与所述粘合剂层相背的所述覆盖膜的带纹理的表面粘附到喷墨印刷机封装材料。
2.根据权利要求1所述的制品，其中所述覆盖膜的带纹理的表面具有随机图案。
3.根据权利要求1所述的制品，其中所述覆盖膜的带纹理的表面具有均一图案。
4.根据权利要求1所述的制品，其中所述覆盖膜的带纹理的表面具有1到3微米的平均峰谷距离。
5.根据权利要求1所述的制品，其中所述覆盖膜和封装材料在它们的交界处形成互穿网络。
6.根据权利要求1所述的制品，其中所述覆盖膜包括每侧上均覆有薄热塑性聚酰亚胺层的热固性聚酰亚胺芯。
7.一种利用覆盖层保护导电电路的方法，其包括：
提供具有基底层的柔性电路以及位于所述基底层上的成图案的导电电路；以及
将带纹理的覆盖层施加到所述导电电路上，所述覆盖层包括通过粘合剂层粘附到所述导电电路的覆盖膜，其中所述覆盖膜的两个表面带纹理，以及
将喷墨印刷机封装材料施加到与所述粘合剂层相背的所述覆盖膜的带纹理的表面上。
8.根据权利要求7所述的方法，其中通过将粗糙的铜箔热层合到所述覆盖膜，随后将所述铜箔蚀刻掉而使所述覆盖膜的表面带纹理。
9.根据权利要求7所述的方法，其中通过微复制而使所述覆盖膜的表面带纹理。
10.根据权利要求7所述的方法，其中通过压花而使所述覆盖膜的表面带纹理。
11.根据权利要求7所述的方法，其中通过化学蚀刻而使所述覆盖膜的表面带纹理。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述封装材料和所述覆盖膜在它们的交界处形成互穿网络。
13.一种具有由覆盖层保护的导电电路的制品，其包括：
具有基底层的柔性电路；
位于所述基底层上的成图案的导电电路；以及
位于所述导电电路上的覆盖层，所述覆盖层包括通过粘合剂层粘附到所述导电电路的覆盖膜，其中与所述粘合剂层相背的所述覆盖膜的表面包括热塑性聚酰亚胺材料，
其中所述覆盖膜的所述热塑性聚酰亚胺材料粘附到喷墨印刷机封装材料，并且
其中所述热塑性聚酰亚胺材料和封装材料在它们的交界处形成互穿聚合物网络。
14.根据权利要求13所述的制品，其中所述覆盖膜包括每侧上均覆有热塑性聚酰亚胺层的热固性聚酰亚胺芯。
15.根据权利要求13所述的制品，其中所述粘合剂包括聚酰胺树脂。
16.根据权利要求13所述的制品，其中所述粘合剂包括聚酰胺树脂、环氧树脂以及酚醛清漆型酚醛树脂。
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