[发明专利]一种透光材料表面金属图案的背光催化镀制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料表面处理技术领域，特别是提供了一种透光材料表面金属图案的背光催化镀制备方法。

技术背景

随着智能手机、LED照明、平板电脑、透明屏幕以及可穿戴设备等消费电子产品的层出不穷和不断升级换代，玻璃、蓝宝石、有机玻璃(PMMA)等透光材料凭借着自身具备的独特透光属性而获得了广泛应用(如透明玻璃LED显示屏、智能手机显示屏、蓝宝石LED衬底等)。与此同时，伴随科技的快速进步，透光材料所具有的特殊性能促使其在消费电子、医疗设备、集成电路、现代建筑、新型汽车、航空航天等领域具有更加广阔的用途。特别是，表面负载了金属图案的透光材料因可提供导通电路等特殊性能而在相关应用领域备受青睐。

传统的透光材料表面金属图案制备工艺主要包括磁控溅射法、真空蒸发法、化学镀法和烧结被金属法。采用磁控溅射法和真空蒸发法在透光材料表面制备金属图案往往对设备、环境等有着较为严格的要求，因而这两种方法多用于实验室研究或小规模精密元器件的生产。化学镀法因其生产成本低、易于实现规模化制备而得到广泛应用，但传统化学镀法须采用氯离子等有害物质和钯等贵金属经粗化、敏化、活化等工序在透光材料表面制备金属图案。尤其是，上述方法均采用“减法”制备工艺，即在对透光材料表面整体进行金属化处理后，再与光刻等技术相结合，通过制版、曝光、显影、蚀刻等工序在透光材料表面制备金属图案，存在着工艺流程长、污染较大、镀层金属浪费严重以及生产成本高等问题。采用烧结被金属法在透光材料表面制备金属图案时，多与丝网印刷技术结合，通过丝网印刷在需要制备金属图案的区域涂覆浆料实现“加法”制备，但该方法烧结温度高(多在1000℃以上)、生产能耗大、工艺复杂、制备的金属图案精度低且镀层均匀性和致密度较差。

为了解决上述材料表面金属化制备方法中存在的问题，研究者们一直在基于新原理新理论努力开发新的表面金属化制备方法。光催化是基于纳米半导体材料而发展起来的一种新的纳米技术，包括正光催化和背光催化两种方式。正光催化是指光源和反应溶液(如镀液)处在纳米半导体材料(如纳米半导体薄膜)的同一侧而进行的光催化反应，背光催化则是指光源和反应溶液(如镀液)分别位于纳米半导体材料(如纳米半导体薄膜)的相异侧而进行的光催化反应；正光催化对基体材料的透光度无任何要求，而背光催化则要求基体材料是透光的，背光催化时光线能直接先从透光材料一侧穿过透光材料，然后再到达透光材料另一侧负载的纳米半导体薄膜的表面。通过将正光催化方式引入材料表面金属化处理领域，人们开发了多种实现材料表面金属化及金属图案化的光催化镀制备方法。例如，针对目前在玻璃等材料表面实现金属化的制备方法存在的工艺流程长、生产成本高、环境污染大等问题，本专利申请人等开发了光催化镀制备方法[见：刘雪峰，熊小庆，谢建新.一种表面金属化复合材料的光催化化学镀制备方法.中国发明专利，授权号ZL200910081920.X，授权日2010-08-18]，其原理是将纳米半导体光催化技术与传统化学镀技术相结合，使光线穿过镀液照射到基体表面负载的纳米半导体薄膜上，从而发生光催化氧化还原反应，产生初生金属镀层，接着以初生金属镀层为活性中心进行化学镀增厚，最终在基体表面获得所需厚度的金属镀层。该方法利用光能进行材料表面金属化处理，绿色环保、成本低廉、工艺流程短且易于实现规模化生产，为高品质表面金属化材料的低成本高效制备提供了崭新的途径。进一步的，本专利申请人等结合材料表面光催化镀金属过程中需要光照催化的特点，从控制光照区域入手开发了在纳米半导体薄膜和光源之间放置镂空模板直接制备金属图案的有模控形光催化镀制备方法[见：刘雪峰，刘敏，欧阳凌霄，等.一种材料表面金属图案的光催化镀制备方法.中国发明专利，申请号201510120018.X，申请日2015-03-18]以及以激光作为光源、结合激光直写系统实现直写制备金属图案的无模控形光催化镀制备方法[见：刘敏，刘雪峰.一种陶瓷电路基板表面精细化金属图案的制备方法.中国发明专利，申请号201610855059.8，申请日2016-09-27]，提高了该类方法的适用性和实用性，避免了传统材料表面金属图案制备中先整体金属化、后光刻蚀除去多余部分的“减法”制造工艺，实现了金属图案的单流程“加法”制备，简化了生产流程，节约了金、银、铜等镀层金属材料。但是，在采用上述光催化镀方法进行材料表面金属化的过程中，由于采取的都是正光催化方式，发现存在几个主要问题：①光线必须穿过镀液照射到纳米半导体薄膜表面，而镀液对光能所具有的强烈吸收作用将大幅降低光能的利用效率，且易造成光对镀液的分解；②当采用有模控形方法进行制备时，为了提高制备的金属图案的精度，需要将镂空模板和待镀基体同时放入镀液中，并且将二者尽量紧密贴合，以便缩短光线穿过模板透光区后到达待镀基体表面的距离，从而降低光线散射对所需制备的金属图案精度的影响，特别是当所需制备的金属图案线宽尺寸较小、模板透光区镂空缝隙较窄时，不仅对模板镂空缝隙边缘的加工精度要求非常高，而且还常常会因光线在穿过模板镂空缝隙时在其缝隙表面上发生漫反射而造成光照不足及不集中，产生漏镀或镀敷不均等缺陷；③当采用无模控形方法进行制备时，则会因激光在穿过镀液过程中的散射以及激光束对镀液中金属离子和纳米半导体薄膜上刚还原金属单质的冲击轰散作用而造成镀层金属的轮廓精度降低、厚度均匀性较差、镀层金属形状的完整性无法保证，从而难以在材料表面制备得到尺寸精度高的金属图案。