液态金属针式打印设备及打印方法

液态金属针式打印设备及打印方法
【专利摘要】本发明涉及印刷电路及印刷电子器件制造领域，特别涉及一种液态金属针式打印设备及打印方法。液态金属针式打印设备，包括：控制电路装置，用于控制液态金属印刷机械装置；液态金属印刷机械装置，用于执行所述控制电路装置的指令以实现各内部构件的不同运动；打印设备状态传感器，用于监控打印设备的状态。本发明提供的液态金属针式打印设备及打印方法，解决了有集成电路或电子器件制造程序复杂、材料及能源消耗大、环境污染相对较高等问题，获得了相应非常好的技术效果。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及印刷电路及印刷电子器件制造领域，特别涉及一种液态金属针式打印 设备及打印方法。 液态金属针式打印设备及打印方法

【背景技术】
[0002] 集成电路是上世纪60年代发展起来的一种新型微型电子部件或器件，其使电子 元器件向着小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。它是经过氧化、光刻、扩散、夕卜 延、溅射、真空沉积等主要加工制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的晶体管、二极 管、电阻、电容和电感等电子元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上，然后焊 接封装在一个管壳内的电子器件。但近些年来，集成电路的弊端逐渐被认知，包括制造工艺 复杂、高能耗、高污染、高成本、高洁净要求等。其主要原因在于传统集成电路制造技术是一 种删减技术，其制造工艺需要消耗大量的原材料，水资源，能源等，并且部分加工工艺必须 在洁净室内完成，这需要消耗大量的能源并会带来外部环境的污染。
[0003] 如果集成电路乃至电子器件能采用添加技术以直接印刷的方式制作，则可望实现 集成电路高度快捷的生产制造，从而大幅度改观电子及相关工业的现状，直至建成高效、低 成本、绿色化的电路及器件生产模式。
[0004] 为改变上述现状，研究人员近期提出了有机或聚合物导体墨水直接印刷。但这类 材料的导电性一般相对较差，且溶液化和可印刷性存在一定问题；为获得更好的溶液化，研 究者们继而通过在有机或聚合物中添加高导电性纳米颗粒来实现可印刷的导电墨水，但其 仍就有配制工艺复杂、电阻率高、导线形成需要借助一定的化学反应实现、器件成型固化温 度高等缺憾，而已有的高温焊锡等金属在柔性基底上受到了极大限制。实际的制造过程需 要先印刷，再通过数百度以上的高温使这类墨水发生蒸发、化学反应乃至烧结，才能最后沉 积下所需的导体部件，故整个工艺仍然相当复杂。总之，到目前为止，国内外电子工业界尚 未建立起快速简捷的可将集成电路或电子器件直接以印刷方式制造出来的设备及工艺。
[0005] 为此，本发明提供采用金属流体针式直接打印电路的技术，特别引入导电的低熔 点金属墨水，由此实现快捷打印，并直接构建电路及电子器件。然而，此类液态金属的表面 张力通常较大，采用当前盛行的常规打印技术如激光方法不易实施。


【发明内容】

[0006] (-）要解决的技术问题
[0007] 本发明的目的在于提供一种可将电路及电子器件以直接印刷的方式制造出来的 液态金属针式打印设备及打印方法，以解决现有集成电路或电子器件制造程序复杂、材料 及能源消耗大、环境污染相对较高等问题。
[0008] (二）技术方案
[0009] 为解决上述问题，本发明提供一种液态金属针式打印设备，包括：控制电路装置， 用于控制液态金属印刷机械装置；液态金属印刷机械装置，用于执行所述控制电路装置的 指令以实现各内部构件的不同运动；打印设备状态传感器，用于监控打印设备的状态。 [0010] 优选地，还包括：与所述控制电路装置相连的计算机，所述计算机用于生成印刷控 制指令；所述控制电路装置用于接收所述计算机的印刷控制指令，并根据所述印刷控制指 令控制所述液态金属印刷机械装置及所述打印设备状态传感器进行工作。
[0011] 优选地，所述液态金属印刷机械装置包括：字车与传动机构，用于承载针式打印 头，并控制打印头的左右移动；打印针运动机构，用于执行打印针的出针和收针动作，撞击 液态金属色带进行印刷，以实现正确打印；液态金属色带盒机构，用于装载液态金属导电墨 水，并在打印过程中，打印头左、右移动时，驱动液态金属色带同时循环往复转动，改变液态 金属色带被打印针撞击的部位；走纸机构，用于实现打印基板的纵向移动。
[0012] 优选地，所述液态金属色带盒机构包括驱动机构、色带以及液态金属墨水腔室。
[0013] 优选地，所述液态金属墨水包括低熔点液态金属及其合金、含少量氧化物或磁性 纳米颗粒的液态金属导电墨水、P型或N型半导体性墨水或以上三者的纳米颗粒掺杂液的 一种或多种。
[0014] 优选地，所述液态金属墨水腔室包含出口刮片、电热丝及温度传感器。
[0015] 优选地，所述打印针运动机构的打印针头是9针、12针或24针。
[0016] 优选地，所述打印机状态传感器包括：初始位置传感器，用于检测字车是否停在原 始位置；纸尽传感器，用于检测所装的打印基板是否用尽；温度传感器，用于检测色带机构 内液态金属墨水温度；机盖传感器，用于检测正在打印中的异常开打印机盖操作。
[0017] 本发明还提供了一种使用上述液态金属针式打印设备的打印方法，包括：设计需 要打印的电子电路图案，并生成结构印刷指令；所述控制电路接收所述印刷控制指令，并根 据所述印刷控制指令控制所述印刷机械装置中各构件的运动，实现具体电子电路的打印。
[0018] (三）有益效果
[0019] 本发明提出的用于制造集成电路及电子器件的液态金属针式打印设备，因引入了 可印刷的液态金属导电墨水，使得电路以及电子器件能以一种印刷的方式直接制造出来。 制备过程在常温或常规条件下甚至普通办公场所即可完成，其无高的环境要求，能源消耗 及材料无效损耗低，可显著降低集成电路及电子器件制备工艺的复杂性和成本，大幅度提 高其生产效率。使用该方法得到的液态金属集成电路及电子器件，可广泛用于电子工业制 造领域，尤其是发展柔性电子功能器件，甚至重塑集成电路电子产业。

【专利附图】

【附图说明】
[0020] 图1是本发明中的电子器件液态金属针式打印机的结构示意图；
[0021] 图2是本发明中字车与传动机构的结构示意图；
[0022] 图3是本发明中液态金属打印针头的结构示意图；
[0023] 图4是本发明中液态金属色带盒机构的结构示意图。

【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0025] 本发明提出了一种直接印刷液态金属集成电路和电子元器件的液态金属针式打 印机，所述针式打印机包括控制装置，液态金属印刷机械装置和打印机状态传感器，其中：
[0026] 所述控制电路装置，用于控制所述液态金属印刷机械装置；
[0027] 所述液态金属印刷机械装置，用于执行所述控制电路装置的指令以实现各内部构 件的不同运动；
[0028] 所述的打印机状态传感器，用于监控打印机的一些状态。
[0029] 上述控制电路装置是存在于打印机上的主控电路板，主要用于对打印机的整机进 行控制，通过主控电路对打印机的打印头、字车及驱动电机等进行驱动控制。其内部主要由 CPU、RAM、R0M地址译码器和I/O电路组成，可以直接与打印机连接的计算机进行通信。
[0030] 可选的，所述装置进一步包括与所述主控电路装置相连的计算机，所述计算机用 于设计并生成结构印刷指令；所述控制电路用于接收所述计算机的印刷控制指令，并根据 所述印刷控制指令控制所述印刷机械装置中各构件的运动。
[0031] 上述计算机内置印刷控制程序，具备电子设计自动化功能。印刷控制程序进一步 包括电路图绘制模块和印刷过程控制模块；电路图绘制模块用于绘制所要印刷的电路和电 子器件的结构图，印刷过程控制模块根据所述电路图生成印刷控制指令，并将印刷控制指 令发送给主控电路。其具体功能叙述如下：
[0032] 电路图绘制模块：软件中预存常见的电子元器件模块数据库，用户在图形化界面 中可以调用该数据库，同时也可以根据需求直接绘制出各种复杂电路元器件模块。用户须 确定每个电子元器件的尺寸与结构以及材料属性(如导电金属墨水或半导体墨水等)。
[0033] 印刷过程控制模块：软件读取用户所绘制的电路图，根据不同的打印内容生成针 头出针和收针动作控制指令实现不同的打印效果。此外，软件还可实时监控印刷过程，能及 时响应印刷装置所发出的报警，并反馈相应的控制指令。如当打印机发出"墨水"用完警告 或"基底"用完警告时，软件能及时暂停印刷，等待用户添加基底和更换墨盒。
[0034] 可选的，所述液态金属打印机械装置主要包括字车与传动机构、打印针运动机构、 液态金属色带盒机构，走纸机构和打印机状态传感器，其中：
[0035] 所述的字车与传动机构，用于承载针式打印头，并控制打印头的左右移动；
[0036] 所述打印针运动机构，用于执行打印针头的出针和缩针动作，击打液态金属色带 进行印刷，并保证正确打印；可选的，所述的打印针头主要是金属针头，按打印针头数的不 同主要分为9针、12针和24针。9针打印头具有一排垂直针，12针和24针打印头则由两排 交错的针组成。须指出的是一般针头越多，打印品质越高，打印速度也越快。打印针在驱动 电路的控制下进行出针和缩针两种工作状态。
[0037] 所述液态金属色带盒机构，用于装载液态金属导电墨水和色带，并在打印过程中， 打印头左、右移动时，驱动电机驱动液态金属色带同时循环往复转动，不断改变液态金属色 带被打印针撞击的部位，保证色带均匀磨损，延长液态金属色带的使用寿命，保证打印效 果。
[0038] 所述走纸机构，用于实现打印基板的纵向移动。其与所述字车与传动机构及液态 金属色带盒机构相配合以实现基底上的打印。
[0039] 所述的打印机状态传感器，用于监控打印机的一些运行状态。
[0040] 可选的，打印机状态传感器主要包括初始位置传感器、纸尽传感器、温度传感器、 机盖传感器，其中：
[0041] 所述的初始位置传感器，用于检测字车是否停在原始位置；
[0042] 所述的纸尽传感器，用于检测所装的打印基板是否用完；
[0043] 所述的温度传感器，用于检测色带机构内液态金属墨水温度；
[0044] 所述的机盖传感器，用于检测正在打印中的异常开打印机盖操作。
[0045] 可选的，所述液态金属墨水包括低熔点液态金属及合金、含少量氧化物或磁性纳 米颗粒的液态金属导电墨水、P型或N型半导体性墨水或三者的纳米颗粒掺杂液的一种或 多种等。
[0046] 上述导电性金属墨水包括镓、镓铟合金、镓锡合金、铟锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡 锌合金、镓铟锡锌铋合金中的一种或多种；P型或N型半导体性墨水包括红荧烯rubrene、并 五苯pentacene、聚3-己基噻吩P3HT、聚3, 3' -二烷基连四噻吩PQT、聚3芳基胺PTAA、梯 形聚合物BBL中的一种或多种；
[0047] 上述掺杂液体中的纳米颗粒可选用粒径lnm?900nm的钼、金、银、铜、铁、错、铺、 秘、镉、锗、镍、铭、钽、铅、鹤、铼、钴、(其中铁、镍、钴、礼等为磁性材料），康铜、鹤铼合金、 镍镉合金、碳纳米管或石墨烯；或是选用硫化锗颗粒、硒化锗颗粒、碲化锗颗粒、铋化铟颗 粒、砷化铟颗粒、锑化铟颗粒、氧化铟颗粒、磷化铟颗粒、砷化镓颗粒、磷化镓颗粒、硫化铟颗 粒、硒化铟颗粒、氧化铟锡颗粒、碲化铟颗粒、氧化铅颗粒、硫化铅颗粒、硒化铅颗粒、碲化铅 颗粒、娃化镁颗粒、氧化锡颗粒、氯化锡颗粒、硫化锡颗粒、硒化锡颗粒、締化锡颗粒、硫化银 颗粒、硒化银颗粒、碲化银颗粒、氧化碲颗粒、氧化锌颗粒、砷化锌颗粒、锑化锌颗粒、磷化锌 颗粒、硫化锌颗粒、硫化镉颗粒、氧化硼颗粒、硒化锌颗粒或締化锌颗粒等。
[0048] 可选的，所述液态金属色带盒内壁布置有电热丝及热电偶，用于调控所述液态金 属导电墨水的温度，使所述电子印刷墨水保持液态。
[0049] 其中，该打印基板为打印纸或其他柔性薄膜基板。
[0050] 下面结合附图和具体实施实例进一步描述本发明专利。
[0051] 附图1是本发明的液态金属针式打印机的结构示意图，该打印机主要结构包括： 内置有印刷控制软件的计算机1、内置于针式打印机的控制电路板2、进纸器3、压纸辊4、齿 轮组5、底部纸尽传感器8、初始位置传感器9、液态金属色带盒机构7和字车与传动机构。 其中，控制电路板2用于接收计算机1的印刷控制指令，并根据所述印刷控制指令控制进纸 器3、压纸辊4、齿轮组5、底部纸尽传感器8、初始位置传感器9、液态金属色带盒机构7和 字车与传动机构进行协调运作。进纸器3与压纸辊4用于引导以及平铺打印基底。齿轮组 5用于使进纸器3和压纸辊4配合运动。底部纸尽传感器8与初始位置传感器9分别用于 检测打印基底是否用尽以及字车是否位于初始位置。液态金属色带盒机构7用于承载金属 墨水及色带并接受金属打印针头的撞击以实现打印。字车与传动机构包括字车61、字车传 动皮带62、导杆63和金属打印针头64,色带盒机构7和字车与传动机构是打印机的关键机 构。
[0052] 如附图2所示，字车与传动机构包括字车61、传动皮带62、导杆63。字车用于承载 金属打印针头64,传动皮带62使字车来回运动，传动导杆63用于引导字车的运动。如附图 3所示液态金属打印针头64可以是多种的，包括9针641、12针642、24针643的，9针打印 头具有一排垂直针，12针和24针打印头则由两排交错的针组成。须指出的是针头越多，打 印品质越高，打印速度也越快，用户可根据打印的要求选择使用。打印针在控制电路2的控 制下进行出针和缩针两种工作状态。如附图4所示，色带盒机构7主要包括液态金属色带 盒71、色带驱动转轴72、液态金属腔室73、电热丝74、温度传感器75、出口刮片76以及色带 77。色带驱动转轴72在驱动电机的带动下转动，进而带动色带77的运动。色带77进过液 态金属腔室73时会黏附上液态金属墨水，再进过出口刮刀76时液态金属会均匀附着在色 带上。电热丝74和温度传感器75相配合调控液态金属腔室73内的温度，使液态金属油墨 保持液态。
[0053] 上述液态金属针式打印机的印刷过程主要包括以下步骤：
[0054] S1.计算机1根据用户绘制的所要印刷的电路或电子器件的结构图，生成印刷控 制指令；
[0055] S2.控制电路器2根据印刷控制指令，控制打印机械装置及各传感器工作。通过控 制电路1及机械装置的控制，进纸器3、液态金属色带77、字车61和金属打印针头64协同 工作。最终金属打印针头64的出针和缩针运动将色带中的金属油墨打印在基板上。
[0056] 在步骤S1中，用户通过使用具备电子设计自动化功能的计算机印刷软件，绘制出 自己所需的电路及电子器件结构图，并生成相应的印刷控制指令。
[0057] 在步骤S2中，用户连接好计算机与打印机间的线路，调用印刷控制指令，启动印 刷过程。印刷过程中，金属打印针头在驱动电路控制下开始执行出针和锁针两种工作状态。 特别指出的是，液态金属色带与打印基底位于打印针和打印胶版之间，在打印针击向打印 胶版时，打印基板上就留下了打印点。与此同时，色带机构适时转动液态金属色带，走纸机 构适时纵向移动基底，随着基底的移动，金属打印针的击打，即完成所需的打印工作。
[0058] 待印刷完毕，用户通过软件关闭印刷程序，再切断设备电源，完成电路或电子器件 的针式打印工作。
[0059] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换 也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种液态金属针式打印设备，其特征在于，包括： 控制电路装置，用于控制液态金属印刷机械装置； 液态金属印刷机械装置，用于执行所述控制电路装置的指令以实现各内部构件的不同 运动； 打印设备状态传感器，用于监控打印设备的状态。
2. 根据权利要求1所述的打印设备，其特征在于，还包括： 与所述控制电路装置相连的计算机，所述计算机用于生成印刷控制指令； 所述控制电路装置用于接收所述计算机的印刷控制指令，并根据所述印刷控制指令控 制所述液态金属印刷机械装置及所述打印设备状态传感器进行工作。
3. 根据权利要求1或2所述的打印设备，其特征在于，所述液态金属印刷机械装置包 括： 字车与传动机构，用于承载针式打印头，并控制打印头的左右移动； 打印针运动机构，用于执行打印针的出针和收针动作，撞击液态金属色带进行印刷，以 实现正确打印； 液态金属色带盒机构，用于装载液态金属导电墨水，并在打印过程中，打印头左、右移 动时，驱动液态金属色带同时循环往复转动，改变液态金属色带被打印针撞击的部位； 走纸机构，用于实现打印基板的纵向移动。
4. 根据权利要求3所述的打印设备，其特征在于，所述液态金属色带盒机构包括驱动 机构、液态金属色带以及液态金属墨水腔室。
5. 根据权利要求3所述的打印设备，其特征在于，所述液态金属墨水包括低熔点液态 金属及其合金、含少量氧化物或磁性纳米颗粒的液态金属导电墨水、P型或N型半导体性墨 水或以上三者的纳米颗粒掺杂液的一种或多种。
6. 根据权利要求5所述的打印设备，其特征在于，所述液态金属墨水腔室包含出口刮 片、电热丝及温度传感器。
7. 根据权利要求3所述的打印设备，其特征在于，所述打印针运动机构的打印针头是9 针、12针或24针。
8. 根据权利要求1或2所述的打印设备，其特征在于，所述打印机状态传感器包括： 初始位置传感器，用于检测字车是否停在原始位置； 纸尽传感器，用于检测所装的打印基板是否用尽； 温度传感器，用于检测色带机构内液态金属墨水温度； 机盖传感器，用于检测正在打印中的异常开打印机盖操作。
9. 一种根据权利要求1?8中任一项所述的液态金属针式打印设备的打印方法，其特 征在于，包括： 设计需要打印的电子电路图案，并生成结构印刷指令； 所述控制电路接收所述印刷控制指令，并根据所述印刷控制指令控制所述印刷机械装 置中各构件的运动，实现具体电子电路的打印。
【文档编号】B41J3/407GK104118222SQ201310150185
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年4月26日 优先权日:2013年4月26日
【发明者】刘静, 郑义 申请人:中国科学院理化技术研究所