電子器件印刷裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種可將電子器件以直接印刷的方式制造出來的裝置。該電子器件印刷裝置包括控制器、墨盒陣列機構和基底承載機構，其中：所述控制器，用于控制所述墨盒陣列機構及所述基底承載機構；所述墨盒陣列機構，用于提供電子印刷墨水，并利用所述電子印刷墨水進行電子印刷；所述基底承載機構，用于承載電子器件基底。該裝置對環境要求不高，可顯著降低電子器件制備工藝的復雜性，并降低材料消耗和污染，提高制作效率。
【專利說明】電子器件印刷裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及電子器件制造【技術領域】，特別涉及一種可將電子器件直接印刷出來的
>J-U ρ?α裝直。
【背景技術】
[0002]電子器件一般由導體、半導體及絕緣材料等組成，在大量的研究和工業【技術領域】有著極為廣泛的應用。電子器件的設計制造也一直是電子工業領域的研究核心。迄今為止，電子器件的加工一直沿用十分復雜的制造工藝來進行，程序相當復雜，且能耗高，污染嚴重，清潔處理費用高。其原因在于，構成電子器件的導電、半導體及絕緣部分一般通過高溫沉積或借助化學反應過程進行，要求的工藝條件較高。例如，一個電子器件中涉及導體、半導體和絕緣體等元件，已有的技術尚難以確保全部元件均能通過直接印刷的方式實現；即使某些有機半導體材料或絕緣材料可以采用噴涂方式印制，導體部分的印刷始終是一個瓶頸。因為導體一般為金屬如銅、鋁等，其熔點極高，若要實現印刷，必須首先將其熔化并在極高的溫度下噴涂，這顯然會對器件上的低熔點有機半導體材料乃至基底造成破壞，因而，此種印刷途徑實現的可能性較小。
[0003]可以想象，若電子器件的整個制造工藝能以直接印刷的方式進行，則將可望實現高度快捷的生產制造，從而大幅度改觀電子及相關工業的現狀，直至建立高效、綠色化的電子器件生產模式。
[0004]為此，人們提出了有機或聚合物導體`材料，但這類材料的導電性一般較差，且溶液化和可印刷性存在一定問題；為獲得更好的溶液化，研究者們繼而通過在有機或聚合物中添加高導電性納米顆粒來實現可印刷的墨水，但實際的制造過程需要先印刷，再通過數百度以上的高溫使這類墨水發生一定化學反應乃至燒結，才能最后沉積下所需的導體部件，所以，整個工藝仍然相當復雜?？傊?，迄今為止，國內外工業界尚未建立起快速簡捷的可將電子器件全部以印刷方式制造出來的設備及工藝。
[0005]如果將可編碼的導電性墨水、半導體墨水及絕緣墨水以可控制的方式直接印刷到基底上，便可形成特定功能的三維電子器件乃至組合系統，在此基礎上還可實現復雜集成電路及系統的三維組裝；這種同時將電子器件印刷用的全系列墨水裝置予以集成并統一控制的三維電子器件制造技術可望引申出全新的先進電子生產模式。

【發明內容】

[0006](一)所要解決的技術問題
[0007]本發明的目的在于提供一種可將電子器件以直接印刷的方式制造出來的裝置，以解決現有電子器件制造程序復雜、材料消耗大、污染處理費用高的問題。
[0008](二)技術方案
[0009]為了解決上述技術問題，本發明提出了一種電子器件印刷裝置。所述印刷裝置包括控制器、墨盒陣列機構和基底承載機構，其中:[0010]所述控制器，用于控制所述墨盒陣列機構及所述基底承載機構；
[0011]所述墨盒陣列機構，用于提供電子印刷墨水，并利用所述電子印刷墨水進行電子印刷；
[0012]所述基底承載機構，用于承載電子器件基底。
[0013]可選的，所述裝置進一步包括與所述控制器相連的計算機，所述計算機用于生成印刷控制指令；所述控制器用于接收所述計算機的印刷控制指令，并根據所述印刷控制指令控制所述墨盒陣列機構及所述基底承載機構。
[0014]可選的，所述墨盒陣列機構包括墨水盒架、電子印刷墨水盒以及印刷墨頭，其中:
[0015]所述墨水盒架，用于支撐所述電子印刷墨水盒；
[0016]所述電子印刷墨水盒，用于提供所述電子印刷墨水；
[0017]所述印刷墨頭，用于利用所述電子印刷墨水盒中的電子印刷墨水進行電子印刷。
[0018]可選的，所述電子印刷墨水包括:導電性金屬墨水、P型或N型半導體性墨水、絕緣性墨水或三者的納米顆粒摻雜液體中的一種或多種。
[0019]可選的，所述墨盒陣列機構包括三排分別裝有導電性金屬墨水、半導體性墨水及絕緣性墨水的所述電子印刷墨水盒，且每排有一個或多個所述電子印刷墨水盒。
[0020]可選的，所述電子印刷墨水盒的內壁布置有電熱絲及熱電偶，用于調控所述電子印刷墨水盒的內部溫度，使所述電子印刷墨水保持液態。
[0021]可選的，所述裝置進一步包括與所述控制器相連的氣壓瓶，所述氣壓瓶用于為所述控制器提供壓力氣體；所述控制器通過進氣管與所述電子印刷墨水盒相連接，并為所述電子印刷墨水盒提供壓力氣體。
[0022]可選的，所述裝置進一步包括電磁閥，所述電磁閥位于所述進氣管與所述電子印刷墨水盒的連接處，用于控制所述進氣管中壓力氣體的通斷。
[0023]可選的，所述基底承載機構進一步包括基底承載平臺和三維傳動部件，其中:
[0024]所述基底承載平臺，用于承載所述電子器件基底；
[0025]所述三維傳動部件，用于產生動力促使所述基底承載平臺進行上下、前后和左右的三維運動。
[0026]可選的，所述墨盒陣列機構進一步包括與所述控制器相連的機械臂，所述機械臂用于控制所述電子印刷墨水盒進行電子印刷。
[0027](三)有益效果
[0028]本發明提出的電子器件印刷裝置，由于引入了電子印刷墨水，使得整個電子器件以一種印刷的方式直接制造出來，制備過程在常溫及常規條件下即可完成，對環境要求不高，材料無效損耗低，可顯著降低電子器件及其集成制備工藝的復雜性和成本，大幅度提高其制作效率。使用該方法得到的電子器件，可廣泛用于各行各業，特別是發展柔性電子技術。本技術也可擴展用于其他類型光電器件的直接印刷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發明一種實施方式中的電子器件印刷裝置的結構示意圖。
[0030]圖2是本發明一種實施方式中的墨水盒陣列的示意圖。
[0031]圖3是本發明一種實施方式中的電子印刷墨水盒的結構示意圖。[0032]圖4是本發明一種實施方式中的印刷墨頭的結構示意圖。
[0033]圖5是本發明一種實施方式中的基底承載平臺的示意圖。
[0034]圖6是本發明另一種實施方式中的電子器件印刷裝置的結構示意圖。
[0035]圖7是本發明另一種實施方式中的滑竿機構的結構示意圖。
[0036]圖8是本發明再一種實施方式中的電子器件印刷裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0037]本發明提出了一種電子器件印刷裝置。所述印刷裝置包括控制器、墨盒陣列機構和基底承載機構，其中:
[0038]所述控制器，用于控制所述墨盒陣列機構及所述基底承載機構；
[0039]所述墨盒陣列機構，用于提供電子印刷墨水，并利用所述電子印刷墨水進行電子印刷；
[0040]所述基底承載機構，用于承載電子器件基底。
[0041]上述電子器件基底可通過粘附膠、鎖扣或產生負壓等方式固定在基底承載機構上；基底可選為塑料、橡膠、硅、玻璃、絲織物、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、陶瓷、紙中的至少一種。
[0042]可選的，所述裝置進一步包括與所述控制器相連的計算機，所述計算機用于生成印刷控制指令；所述控制器用于接收所述計算機的印刷控制指令，并根據所述印刷控制指令控制所述墨盒陣列機構及所述基底承載機構。
[0043]進一步的，上述計算機內置有印刷控制程序，具備電子設計自動化功能。印刷控制程序進一步包括電路圖繪制模塊和印刷過程控制模塊；電路圖繪制模塊用于繪制所要印刷的電子器件的電路圖，印刷過程控制模塊根據所述電路圖生成印刷控制指令，并將印刷控制指令發送給控制器。其具體功能敘述如下:
[0044]電路圖繪制模塊:軟件已預存常見的電子元器件模塊數據庫，用戶在圖形化界面中可以調用該數據庫，同時也可以根據需求直接繪制出由點、線、面構成的各種復雜的二維或三維的電路元器件模塊。用戶須確定每個電子元器件的尺寸(如線寬及線長等)及材料屬性(如導電金屬墨水或絕緣墨水等)。用戶把各種元器件模塊組合起來，即形成所需的電路圖。
[0045]印刷過程控制模塊:軟件讀取用戶繪制的電路圖，根據電子元器件之間的相互位置、空間架構，生成各元器件印刷順序控制指令；根據電子元器件的材料屬性及尺寸，生成墨盒選擇及動作控制指令(如墨頭行程速度控制等)。此外，軟件還可實時監控印刷過程，能及時響應印刷裝置所發出的報警，并反饋相應的控制指令。如當印刷裝置發出“墨水”用完警告時，軟件能及時暫停印刷，等待用戶更換墨盒。
[0046]可選的，所述墨盒陣列機構包括墨水盒架、電子印刷墨水盒以及印刷墨頭，其中:
[0047]所述墨水盒架，用于支撐所述電子印刷墨水盒；
[0048]所述電子印刷墨水盒，用于提供所述電子印刷墨水；
[0049]所述印刷墨頭，用于利用所述電子印刷墨水盒中的電子印刷墨水進行電子印刷。
[0050]上述印刷墨頭的形態一般采用針孔型或毛刷型。
[0051]可選的，所述電子印刷墨水包括:導電性金屬墨水、P型或N型半導體性墨水、絕緣性墨水或三者的納米顆粒摻雜液體中的一種或多種。
[0052]上述導電性金屬墨水包括鎵、鎵銦合金、鎵錫合金、銦錫合金、鎵銦錫合金、鎵銦錫鋅合金、鎵銦錫鋅鉍合金中的一種或多種；P型或N型半導體性墨水包括紅熒烯rubrene、并五苯pentacene、聚3_己基噻吩P3HT、聚3，3’ - 二烷基連四噻吩PQT、聚3芳基胺PTAA、梯形聚合物BBL中的一種或多種；絕緣性墨水包括聚苯乙烯、聚酰亞胺、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯苯酚中的一種或多種。
[0053]上述摻雜液體中的納米顆?？蛇x用粒徑Inm?900nm的鉬、金、銀、銅、鐵、招、鋪、鉍、鎘、鍺、鎳、銠、鉭、鉛、鎢、錸、康銅、鎢錸合金、鎳鎘合金、碳納米管或石墨烯；或是選用硫化鍺顆粒、硒化鍺顆粒、碲化鍺顆粒、鉍化銦顆粒、砷化銦顆粒、銻化銦顆粒、氧化銦顆粒、磷化銦顆粒、砷化鎵顆粒、磷化鎵顆粒、硫化銦顆粒、硒化銦顆粒、氧化銦錫顆粒、碲化銦顆粒、氧化鉛顆粒、硫化鉛顆粒、硒化鉛顆粒、碲化鉛顆粒、硅化鎂顆粒、氧化錫顆粒、氯化錫顆粒、硫化錫顆粒、硒化錫顆粒、碲化錫顆粒、硫化銀顆粒、硒化銀顆粒、碲化銀顆粒、氧化碲顆粒、氧化鋅顆粒、砷化鋅顆粒、鋪化鋅顆粒、磷化鋅顆粒、硫化鋅顆粒、硫化鎘顆粒、氧化硼顆粒、硒化鋅顆?；蚓喕\顆粒等。
[0054]可選的，所述墨盒陣列機構包括三排分別裝有導電性金屬墨水、半導體性墨水及絕緣性墨水的所述電子印刷墨水盒，且每排有一個或多個所述電子印刷墨水盒。
[0055]優選的，所述電子印刷墨水盒的內壁布置有電熱絲及熱電偶，用于調控所述電子印刷墨水盒的內部溫度，使所述電子印刷墨水保持液態。
[0056]本發明中電子印刷墨水的驅動方式可選擇氣體壓力助推、壓電/靜電驅動、電機/電磁驅動、熱泡式驅動中的一種。
[0057]可選的，當采用氣體壓力助推的墨水驅動方式時，所述裝置進一步包括與所述控制器相連的氣壓瓶，所述氣壓瓶用于為所述控制器提供壓力氣體；所述控制器通過進氣管與所述電子印刷墨水盒相連接，并為所述電子印刷墨水盒提供壓力氣體。
[0058]優選的，所述裝置進一步包括電磁閥，所述電磁閥位于所述進氣管與所述電子印刷墨水盒的連接處，用于控制所述進氣管中壓力氣體的通斷。
[0059]可選的，所述基底承載機構進一步包括基底承載平臺和三維傳動部件，其中:
[0060]所述基底承載平臺，用于承載所述電子器件基底；
[0061]所述三維傳動部件，用于產生動力促使所述基底承載平臺進行上下、前后和左右的三維運動。
[0062]可選的，所述墨盒陣列機構進一步包括與所述控制器相連的機械臂，所述機械臂用于控制所述電子印刷墨水盒進行電子印刷。
[0063]下面結合附圖，對本發明的【具體實施方式】作進一步的舉例說明。
[0064]在本發明的一種實施方式中，印刷裝置采用印刷墨頭僅上下一維移動，而基底可上下、前后和左右三維移動印刷的結構。如圖1所示，電子器件印刷裝置包括:內置有印刷控制程序的計算機1、氣壓瓶2、控制器3、墨盒陣列機構以及基底承載機構。其中，控制器3用于接收計算機I的印刷控制指令，并根據所述印刷控制指令控制墨盒陣列機構及基底承載機構的移動和操作；墨盒陣列機構包括墨水盒架41、電子印刷墨水盒42以及印刷墨頭43，且墨水盒42的屬性及地址均可予以編碼；基底承載機構包括基底承載平臺51和底座52，底座52用于搭載基底承載平臺51。[0065]如圖1所示，墨盒陣列機構包括墨水盒架41、電子印刷墨水盒42以及印刷墨頭43。如圖2所示，墨水盒架41用于承載墨水盒陣列；墨水盒陣列由三排分別盛有導電性金屬墨水、半導體墨水及絕緣墨水的多個圓筒狀墨水盒42組成。如圖3所不，每個墨水盒42的內壁布置有電熱絲44及熱電偶45，以便控制墨盒內溫度，使電子印刷墨水在室溫環境下保持液態。墨水盒42的底端與印刷墨頭43相連。如圖4所不，印刷墨頭43可以有多種形式，包括鋼筆式筆型裝置、圓珠筆式筆型裝置、印刷設備或噴頭式筆型裝置，以及毛筆、油畫筆或油漆刷等刷子。印刷墨頭43可以沿垂直的Z方向上下一維移動。當某一墨水盒42被選擇執行打印動作時，與其相連的印刷墨頭43會下移一定距離(由用戶需求所設定)，使其與電子器件基底接觸或保持微小距離(視墨水屬性所設定)；當墨水盒42暫停打印動作時，印刷墨頭43上移到原位。墨盒頂端與墨盒蓋以螺紋形式連接。墨盒蓋上的進氣口與壓力氣體相連通，通過電磁閥控制關斷和打開狀態。控制器3調節來自氣壓瓶2中氣體的壓力，并通過進氣管將壓力氣體傳送到墨水盒42，從而使墨水被擠出印刷墨頭43，并粘附在基底上。
[0066]上述基底承載機構除包括基底承載平臺51和底座52外，還包括一個三維傳動部件。所述三維傳動部件可產生動力促使基底承載平臺51沿著X、Y及Z三個方向精準平移。所述Z方向為垂直的上下方向，Z方向的移動可控制墨頭和基底之間的距離，以便印刷.’!{方向為水平的左右方向，Y方向為水平的前后方向，X及Y方向的移動可使相應的墨頭按設定程序在基底上印刷出相應的電子元器件。如圖5所示，電子器件基底可通過粘附膠、鎖扣或產生負壓的方式固定在基底承載平臺51上。墨盒陣列機構與基底承載機構的相互位置是前者位于后者上方，由連桿相連形成一體。
[0067]上述電子器件印刷裝置的印刷過程主要包括以下步驟:
[0068]S1、計算機I根據用戶繪制的所要印刷的電子器件的電路圖，生成印刷控制指令；
[0069]S2、控制器3根據印刷控制指令，控制墨盒陣列機構及基底承載機構的移動和定位；
[0070]S3、通過氣體壓力助推，電子印刷墨水被擠出印刷墨頭43，并粘附在電子器件基底上。
[0071]在步驟SI中，用戶通過具備電子設計自動化功能的計算機印刷控制程序，在軟件中繪制出自己所需的電路圖，并生成相應的印刷控制指令。
[0072]在步驟S2中，用戶連接好線路，通過軟件調整基底承載平臺與印刷墨頭之間的位置，再調用印刷控制指令，啟動印刷過程。印刷過程中，工作墨頭被指令控制上下移動，同時基底承載平臺按照指令不停地移動，實現基底與工作墨頭之間的定位，以便印刷出相應的電子元器件，從而形成所設定的電路圖。
[0073]上述電子元器件可根據需要予以組合，從而形成特定功能的集成電路。
[0074]待印刷完畢，用戶通過軟件關閉印刷程序，再切斷設備電源。
[0075]在本發明的另一種實施方式中，印刷裝置采用印刷墨頭可三維移動的結構。如圖6所示，電子器件印刷裝置包括:計算機1、氣壓瓶2、控制器3、墨盒陣列機構4、基底承載機構以及滑竿機構。其中，墨盒陣列機構4包括墨水盒架、電子印刷墨水盒以及印刷墨頭；基底承載機構包括基底承載平臺51和底座52。
[0076]上述電子印刷墨水盒的墨盒蓋上有鐵凹臺?；蜋C構的Z滑竿64末端有電磁體凸臺。通過鐵凹臺與電磁體凸臺的相互配合，來實現墨盒的移動、定位等動作。墨盒蓋上的進氣口與壓力氣體相連通，通過電磁閥控制關斷和打開狀態?？刂破?調節來自氣壓瓶2中氣體的壓力，并通過進氣管將壓力氣體傳送到墨水盒，從而使墨水被擠出印刷墨頭，并粘附在基底上。
[0077]所述的滑竿機構如圖6、7所示，其包括滑竿架61、三個可分別沿著X、Y、Z方向運動的滑竿(分別簡稱X滑竿62、Y滑竿63及Z滑竿64)以及滑塊65。滑竿架61的作用是固定滑竿位置。三個滑竿可被控制作平移運動。X滑竿62及Y滑竿63在滑塊65的帶動下分別沿著X、Y方向運動時，會帶動Z滑竿64沿著相應的方向運動。而Z滑竿64本身具有沿著垂直的Z方向運動的功能。Z滑竿64末端裝有電磁體凸臺，該凸臺通電產生磁性，斷電即失去磁性。當執行印刷動作時，三個滑竿按照指定路線運動，從而使電磁體凸臺完成抓緊墨盒(借助磁性)、移動墨盒、執行印刷動作、返回墨盒等一系列動作。
[0078]在本發明的再一種實施方式中，電子器件印刷裝置采用機械臂操控的結構。如圖8所示，該印刷裝置包括:計算機1、氣壓瓶2、控制器3、墨盒陣列機構4、基底承載機構以及機械臂。其中，墨盒陣列機構4包括墨水盒架、電子印刷墨水盒以及印刷墨頭；基底承載機構包括基底承載平臺51和底座52 ;機械臂包括伸縮連桿71和萬向節72。
[0079]上述電子印刷墨水盒的墨盒蓋上有鐵凹臺。通過鐵凹臺與伸縮連桿71末端的電磁體凸臺相互配合，來實現墨盒的移動、定位等動作。
[0080]機械臂包括伸縮連桿71和萬向節72。伸縮連桿71可沿著連桿軸向移動，而萬向節72可以調節伸縮連桿的方向。機械臂可被控制實現三維空間精確定位。機械臂底部伸縮連桿末端裝有電磁體凸臺，該凸臺通電產生磁性，斷電即失去磁性。當執行印刷動作時，機械臂按照指定路線運動，從而使電磁體凸臺完成抓緊墨盒(借助磁性)、移動墨盒、執行印刷動作、返回墨盒等一系列動作。
[0081]以上所述實施方式僅用于說明本發明，而非對本發明的限定。應當指出，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種電子器件印刷裝置，其特征在于，所述裝置包括控制器、墨盒陣列機構和基底承載機構，其中: 所述控制器，用于控制所述墨盒陣列機構及所述基底承載機構； 所述墨盒陣列機構，用于提供電子印刷墨水，并利用所述電子印刷墨水進行電子印刷； 所述基底承載機構，用于承載電子器件基底。
2.根據權利要求1所述的印刷裝置，其特征在于，所述裝置進一步包括與所述控制器相連的計算機，所述計算機用于生成印刷控制指令； 所述控制器用于接收所述計算機的印刷控制指令，并根據所述印刷控制指令控制所述墨盒陣列機構及所述基底承載機構。
3.根據權利要求1所述的印刷裝置，其特征在于，所述墨盒陣列機構包括墨水盒架、電子印刷墨水盒以及印刷墨頭，其中: 所述墨水盒架，用于支撐所述電子印刷墨水盒； 所述電子印刷墨水盒，用于提供所述電子印刷墨水； 所述印刷墨頭，用于利用所述電子印刷墨水盒中的電子印刷墨水進行電子印刷。
4.根據權利要求1所述的印刷裝置，其特征在于，所述電子印刷墨水包括:導電性金屬墨水、P型或N型半導體性墨水、絕緣性墨水或三者的納米顆粒摻雜液體中的一種或多種。
5.根據權利要求3所述的印刷裝置，其特征在于，所述墨盒陣列機構包括三排分別裝有導電性金屬墨水、半導體性墨水及絕緣性墨水的所述電子印刷墨水盒，且每排有一個或多個所述電子印刷墨水盒。
6.根據權利要求3所述的印刷裝置，其特征在于，所述電子印刷墨水盒的內壁布置有電熱絲及熱電偶，用于調控所述電子印刷墨水盒的內部溫度，使所述電子印刷墨水保持液態。
7.根據權利要求3所述的印刷裝置，其特征在于，所述裝置進一步包括與所述控制器相連的氣壓瓶，所述氣壓瓶用于為所述控制器提供壓力氣體； 所述控制器通過進氣管與所述電子印刷墨水盒相連接，并為所述電子印刷墨水盒提供壓力氣體。
8.根據權利要求7所述的印刷裝置，其特征在于，所述裝置進一步包括電磁閥，所述電磁閥位于所述進氣管與所述電子印刷墨水盒的連接處，用于控制所述進氣管中壓力氣體的通斷。
9.根據權利要求1所述的印刷裝置，其特征在于，所述基底承載機構進一步包括基底承載平臺和三維傳動部件，其中: 所述基底承載平臺，用于承載所述電子器件基底； 所述三維傳動部件，用于產生動力促使所述基底承載平臺進行上下、前后和左右的三維運動。
10.根據權利要求3所述的印刷裝置，其特征在于，所述墨盒陣列機構進一步包括與所述控制器相連的機械臂，所述機械臂用于控制所述電子印刷墨水盒進行電子印刷。
【文檔編號】H01L51/00GK103660540SQ201210362945
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月25日 優先權日:2012年9月25日
【發明者】劉靜, 何志祝 申請人:中國科學院理化技術研究所