基于PI基材的液态金属柔性电路线封装3D打印技术研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.12.011

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (12): 64-71.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.12.011

基于PI基材的液态金属柔性电路线封装3D打印技术研究

郭恒瑞, 王飞(), 白彦军, 毕经新, 程千帅, 杨文钊, 王文卓

青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东青岛 266520

收稿日期:2024-12-19 出版日期:2025-12-26 发布日期:2025-12-22
通讯作者: 王飞（1985—），男，副教授，从事3D打印、微纳增材制造、柔性电子方面研究，wangfei@qut.edu.cn
E-mail:wangfei@qut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(51605241)

Study on 3D printing of flexible liquid metal circuits with encapsulation on a polyimide substrate

GUO Hengrui, WANG Fei(), BAI Yanjun, BI Jingxin, CHENG Qianshuai, YANG Wenzhao, WANG Wenzhuo

Qingdao University of Technology，Qingdao 266000，China

Received:2024-12-19 Online:2025-12-26 Published:2025-12-22
Contact: WANG Fei E-mail:wangfei@qut.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

创新性地提出基于聚酰亚胺（PI）基材的液态金属柔性电路线封装3D打印技术研究。通过调节固态基底亚胺化程度和液态封装层线宽，调控基底的溶解进而控制电路的沉降。同时研究了不同工艺参数对PI基底层厚度及表面粗糙度、电路和封装层线宽的影响规律，利用提出的方法制备了柔性电路样品，并对其进行了弯曲和扭转性能测试。结果表明，电路沉降率最低可以降至8 %；在不同弯曲直径（3.5~2 cm）下分别循环弯曲100次，电阻变化率均保持在0.54 %以下；同样，在90 °~360 °扭转范围内分别循环扭转100次，电阻变化率也均低于0.45 %；基于提出的方法制备了PI基的柔性LED电路板，在不同角度的弯曲扭转形变环境中，该器件展现出了良好的柔韧性和电路连接的稳定性。

关键词: 聚酰亚胺, 三维打印, 液态金属, 柔性电路

Abstract:

This study presents a novel 3D printing technique for fabricating and encapsulating flexible liquid metal circuits on a polyimide （PI） substrate. The method precisely controls the circuit's settlement， a key factor in performance， by modulating the imidization degree of the PI base layer and the line width of the liquid metal and its encapsulation. The optimal process parameters reduced the circuit settlement rate to a minimum of 8 %. Furthermore， the influence of various printing parameters on the thickness and surface roughness of the PI layer， as well as on the line widths of the circuit and encapsulation， was systematically investigated. Flexible circuits fabricated with this method exhibited exceptional mechanical stability. After 100 bending cycles with diameters from 2 cm to 3.5 cm， the resistance change rate remained below 0.54 %. Similarly， after 100 torsion cycles within a range from 90 ° to 360 °， the resistance change rate was below 0.45 %. To demonstrate practical application， a flexible LED circuit board was successfully fabricated. The device maintained excellent circuit connectivity and stability under repeated bending and torsion， validating the proposed technique's potential for robust flexible electronics.

Key words: polyimide, three?dimensional printing, liquid metal, flexible circuits

中图分类号:

TQ323.7

郭恒瑞, 王飞, 白彦军, 毕经新, 程千帅, 杨文钊, 王文卓. 基于PI基材的液态金属柔性电路线封装3D打印技术研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(12): 64-71.

GUO Hengrui, WANG Fei, BAI Yanjun, BI Jingxin, CHENG Qianshuai, YANG Wenzhao, WANG Wenzhuo. Study on 3D printing of flexible liquid metal circuits with encapsulation on a polyimide substrate[J]. China Plastics, 2025, 39(12): 64-71.

图/表 18

图1 柔性电路样品制备流程

Fig.1 Flexible circuit sample preparation process

图2 材料直写打印原理

Fig.2 Material direct writing printing principle

图3 电流体动力喷射打印原理

Fig.3 Printing principle of electrohydrodynamic injection

图4 面封装下电路的沉降泄露过程及热固化后电路的截面形貌

Fig.4 Sedimentation leakage process of the circuit under surface package and the cross section morphology of the circuit after heat curing

图5 线封装下电路的沉降过程及热固化后电路的截面形貌

Fig.5 The sedimentation process of the circuit in wire package and the cross section morphology of the circuit after heat curing

图6 电路沉降前后对比

Fig.6 Comparison before and after circuit settlement

图7 工艺参数对电路沉降率的影响

Fig.7 Influence of process parameters on circuit settlement rate

图8 工艺参数对PI基底层厚度的影响

Fig.8 Influence of process parameters on the thickness of PI base layer

图9 液态PI基底层打印成膜原理

Fig.9 Film formation principle of liquid PI base layer

图10 打印周期对PI基底层表面粗糙度的影响

Fig.10 Influence of printing cycle on surface roughness of PI base layer

图11 打印流量对PI基底层表面粗糙度的影响

Fig.11 Influence of print flow on surface roughness of PI base

图12 工艺参数对电路线宽的影响

Fig.12 Influence of process parameters on circuit width

图13 工艺参数对封装层线宽的影响

Fig.13 Influence of process parameters on line width of package layer

图14 弯曲循环测试原理

Fig.14 Bending cycle test principle

图15 柔性电路不同弯曲状态下的电阻变化率

Fig.15 Resistance change rate of flexible circuit under different bending states

图16 扭转循环测试原理

Fig.16 Principle of torsional loop test

图17 柔性电路不同扭转状态下的电阻变化率

Fig.17 Resistance change rate of flexible circuit under different torsion states

图18 PI基柔性LED电路板

Fig.18 PI⁃based flexible LED circuit board

参考文献 21

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基于PI基材的液态金属柔性电路线封装3D打印技术研究

Study on 3D printing of flexible liquid metal circuits with encapsulation on a polyimide substrate

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