电子器件印刷装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种可将电子器件以直接印刷的方式制造出来的装置。该电子器件印刷装置包括控制器、墨盒阵列机构和基底承载机构，其中：所述控制器，用于控制所述墨盒阵列机构及所述基底承载机构；所述墨盒阵列机构，用于提供电子印刷墨水，并利用所述电子印刷墨水进行电子印刷；所述基底承载机构，用于承载电子器件基底。该装置对环境要求不高，可显著降低电子器件制备工艺的复杂性，并降低材料消耗和污染，提高制作效率。
【专利说明】电子器件印刷装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子器件制造【技术领域】，特别涉及一种可将电子器件直接印刷出来的
>J-U ρ?α装直。
【背景技术】
[0002]电子器件一般由导体、半导体及绝缘材料等组成，在大量的研究和工业【技术领域】有着极为广泛的应用。电子器件的设计制造也一直是电子工业领域的研究核心。迄今为止，电子器件的加工一直沿用十分复杂的制造工艺来进行，程序相当复杂，且能耗高，污染严重，清洁处理费用高。其原因在于，构成电子器件的导电、半导体及绝缘部分一般通过高温沉积或借助化学反应过程进行，要求的工艺条件较高。例如，一个电子器件中涉及导体、半导体和绝缘体等元件，已有的技术尚难以确保全部元件均能通过直接印刷的方式实现；即使某些有机半导体材料或绝缘材料可以采用喷涂方式印制，导体部分的印刷始终是一个瓶颈。因为导体一般为金属如铜、铝等，其熔点极高，若要实现印刷，必须首先将其熔化并在极高的温度下喷涂，这显然会对器件上的低熔点有机半导体材料乃至基底造成破坏，因而，此种印刷途径实现的可能性较小。
[0003]可以想象，若电子器件的整个制造工艺能以直接印刷的方式进行，则将可望实现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，直至建立高效、绿色化的电子器件生产模式。
[0004]为此，人们提出了有机或聚合物导体`材料，但这类材料的导电性一般较差，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墨水，但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一定化学反应乃至烧结，才能最后沉积下所需的导体部件，所以，整个工艺仍然相当复杂。总之，迄今为止，国内外工业界尚未建立起快速简捷的可将电子器件全部以印刷方式制造出来的设备及工艺。
[0005]如果将可编码的导电性墨水、半导体墨水及绝缘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维电子器件乃至组合系统，在此基础上还可实现复杂集成电路及系统的三维组装；这种同时将电子器件印刷用的全系列墨水装置予以集成并统一控制的三维电子器件制造技术可望引申出全新的先进电子生产模式。
【发明内容】
[0006](一)所要解决的技术问题
[0007]本发明的目的在于提供一种可将电子器件以直接印刷的方式制造出来的装置，以解决现有电子器件制造程序复杂、材料消耗大、污染处理费用高的问题。
[0008](二)技术方案
[0009]为了解决上述技术问题，本发明提出了一种电子器件印刷装置。所述印刷装置包括控制器、墨盒阵列机构和基底承载机构，其中:[0010]所述控制器，用于控制所述墨盒阵列机构及所述基底承载机构；
[0011]所述墨盒阵列机构，用于提供电子印刷墨水，并利用所述电子印刷墨水进行电子印刷；
[0012]所述基底承载机构，用于承载电子器件基底。
[0013]可选的，所述装置进一步包括与所述控制器相连的计算机，所述计算机用于生成印刷控制指令；所述控制器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墨盒阵列机构及所述基底承载机构。
[0014]可选的，所述墨盒阵列机构包括墨水盒架、电子印刷墨水盒以及印刷墨头，其中:
[0015]所述墨水盒架，用于支撑所述电子印刷墨水盒；
[0016]所述电子印刷墨水盒，用于提供所述电子印刷墨水；
[0017]所述印刷墨头，用于利用所述电子印刷墨水盒中的电子印刷墨水进行电子印刷。
[0018]可选的，所述电子印刷墨水包括:导电性金属墨水、P型或N型半导体性墨水、绝缘性墨水或三者的纳米颗粒掺杂液体中的一种或多种。
[0019]可选的，所述墨盒阵列机构包括三排分别装有导电性金属墨水、半导体性墨水及绝缘性墨水的所述电子印刷墨水盒，且每排有一个或多个所述电子印刷墨水盒。
[0020]可选的，所述电子印刷墨水盒的内壁布置有电热丝及热电偶，用于调控所述电子印刷墨水盒的内部温度，使所述电子印刷墨水保持液态。
[0021]可选的，所述装置进一步包括与所述控制器相连的气压瓶，所述气压瓶用于为所述控制器提供压力气体；所述控制器通过进气管与所述电子印刷墨水盒相连接，并为所述电子印刷墨水盒提供压力气体。
[0022]可选的，所述装置进一步包括电磁阀，所述电磁阀位于所述进气管与所述电子印刷墨水盒的连接处，用于控制所述进气管中压力气体的通断。
[0023]可选的，所述基底承载机构进一步包括基底承载平台和三维传动部件，其中:
[0024]所述基底承载平台，用于承载所述电子器件基底；
[0025]所述三维传动部件，用于产生动力促使所述基底承载平台进行上下、前后和左右的三维运动。
[0026]可选的，所述墨盒阵列机构进一步包括与所述控制器相连的机械臂，所述机械臂用于控制所述电子印刷墨水盒进行电子印刷。
[0027](三)有益效果
[0028]本发明提出的电子器件印刷装置，由于引入了电子印刷墨水，使得整个电子器件以一种印刷的方式直接制造出来，制备过程在常温及常规条件下即可完成，对环境要求不高，材料无效损耗低，可显著降低电子器件及其集成制备工艺的复杂性和成本，大幅度提高其制作效率。使用该方法得到的电子器件，可广泛用于各行各业，特别是发展柔性电子技术。本技术也可扩展用于其他类型光电器件的直接印刷。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是本发明一种实施方式中的电子器件印刷装置的结构示意图。
[0030]图2是本发明一种实施方式中的墨水盒阵列的示意图。
[0031]图3是本发明一种实施方式中的电子印刷墨水盒的结构示意图。[0032]图4是本发明一种实施方式中的印刷墨头的结构示意图。
[0033]图5是本发明一种实施方式中的基底承载平台的示意图。
[0034]图6是本发明另一种实施方式中的电子器件印刷装置的结构示意图。
[0035]图7是本发明另一种实施方式中的滑竿机构的结构示意图。
[0036]图8是本发明再一种实施方式中的电子器件印刷装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0037]本发明提出了一种电子器件印刷装置。所述印刷装置包括控制器、墨盒阵列机构和基底承载机构，其中:
[0038]所述控制器，用于控制所述墨盒阵列机构及所述基底承载机构；
[0039]所述墨盒阵列机构，用于提供电子印刷墨水，并利用所述电子印刷墨水进行电子印刷；
[0040]所述基底承载机构，用于承载电子器件基底。
[0041]上述电子器件基底可通过粘附胶、锁扣或产生负压等方式固定在基底承载机构上；基底可选为塑料、橡胶、硅、玻璃、丝织物、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、陶瓷、纸中的至少一种。
[0042]可选的，所述装置进一步包括与所述控制器相连的计算机，所述计算机用于生成印刷控制指令；所述控制器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墨盒阵列机构及所述基底承载机构。
[0043]进一步的，上述计算机内置有印刷控制程序，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子器件的电路图，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控制器。其具体功能叙述如下:
[0044]电路图绘制模块:软件已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由点、线、面构成的各种复杂的二维或三维的电路元器件模块。用户须确定每个电子元器件的尺寸(如线宽及线长等)及材料属性(如导电金属墨水或绝缘墨水等)。用户把各种元器件模块组合起来，即形成所需的电路图。
[0045]印刷过程控制模块:软件读取用户绘制的电路图，根据电子元器件之间的相互位置、空间架构，生成各元器件印刷顺序控制指令；根据电子元器件的材料属性及尺寸，生成墨盒选择及动作控制指令(如墨头行程速度控制等)。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。如当印刷装置发出“墨水”用完警告时，软件能及时暂停印刷，等待用户更换墨盒。
[0046]可选的，所述墨盒阵列机构包括墨水盒架、电子印刷墨水盒以及印刷墨头，其中:
[0047]所述墨水盒架，用于支撑所述电子印刷墨水盒；
[0048]所述电子印刷墨水盒，用于提供所述电子印刷墨水；
[0049]所述印刷墨头，用于利用所述电子印刷墨水盒中的电子印刷墨水进行电子印刷。
[0050]上述印刷墨头的形态一般采用针孔型或毛刷型。
[0051]可选的，所述电子印刷墨水包括:导电性金属墨水、P型或N型半导体性墨水、绝缘性墨水或三者的纳米颗粒掺杂液体中的一种或多种。
[0052]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；绝缘性墨水包括聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯苯酚中的一种或多种。
[0053]上述掺杂液体中的纳米颗粒可选用粒径Inm?900nm的钼、金、银、铜、铁、招、铺、铋、镉、锗、镍、铑、钽、铅、钨、铼、康铜、钨铼合金、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、硅化镁颗粒、氧化锡颗粒、氯化锡颗粒、硫化锡颗粒、硒化锡颗粒、碲化锡颗粒、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、铺化锌颗粒、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。
[0054]可选的，所述墨盒阵列机构包括三排分别装有导电性金属墨水、半导体性墨水及绝缘性墨水的所述电子印刷墨水盒，且每排有一个或多个所述电子印刷墨水盒。
[0055]优选的，所述电子印刷墨水盒的内壁布置有电热丝及热电偶，用于调控所述电子印刷墨水盒的内部温度，使所述电子印刷墨水保持液态。
[0056]本发明中电子印刷墨水的驱动方式可选择气体压力助推、压电/静电驱动、电机/电磁驱动、热泡式驱动中的一种。
[0057]可选的，当采用气体压力助推的墨水驱动方式时，所述装置进一步包括与所述控制器相连的气压瓶，所述气压瓶用于为所述控制器提供压力气体；所述控制器通过进气管与所述电子印刷墨水盒相连接，并为所述电子印刷墨水盒提供压力气体。
[0058]优选的，所述装置进一步包括电磁阀，所述电磁阀位于所述进气管与所述电子印刷墨水盒的连接处，用于控制所述进气管中压力气体的通断。
[0059]可选的，所述基底承载机构进一步包括基底承载平台和三维传动部件，其中:
[0060]所述基底承载平台，用于承载所述电子器件基底；
[0061]所述三维传动部件，用于产生动力促使所述基底承载平台进行上下、前后和左右的三维运动。
[0062]可选的，所述墨盒阵列机构进一步包括与所述控制器相连的机械臂，所述机械臂用于控制所述电子印刷墨水盒进行电子印刷。
[0063]下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】作进一步的举例说明。
[0064]在本发明的一种实施方式中，印刷装置采用印刷墨头仅上下一维移动，而基底可上下、前后和左右三维移动印刷的结构。如图1所示，电子器件印刷装置包括:内置有印刷控制程序的计算机1、气压瓶2、控制器3、墨盒阵列机构以及基底承载机构。其中，控制器3用于接收计算机I的印刷控制指令，并根据所述印刷控制指令控制墨盒阵列机构及基底承载机构的移动和操作；墨盒阵列机构包括墨水盒架41、电子印刷墨水盒42以及印刷墨头43，且墨水盒42的属性及地址均可予以编码；基底承载机构包括基底承载平台51和底座52，底座52用于搭载基底承载平台51。[0065]如图1所示，墨盒阵列机构包括墨水盒架41、电子印刷墨水盒42以及印刷墨头43。如图2所示，墨水盒架41用于承载墨水盒阵列；墨水盒阵列由三排分别盛有导电性金属墨水、半导体墨水及绝缘墨水的多个圆筒状墨水盒42组成。如图3所不，每个墨水盒42的内壁布置有电热丝44及热电偶45，以便控制墨盒内温度，使电子印刷墨水在室温环境下保持液态。墨水盒42的底端与印刷墨头43相连。如图4所不，印刷墨头43可以有多种形式，包括钢笔式笔型装置、圆珠笔式笔型装置、印刷设备或喷头式笔型装置，以及毛笔、油画笔或油漆刷等刷子。印刷墨头43可以沿垂直的Z方向上下一维移动。当某一墨水盒42被选择执行打印动作时，与其相连的印刷墨头43会下移一定距离(由用户需求所设定)，使其与电子器件基底接触或保持微小距离(视墨水属性所设定)；当墨水盒42暂停打印动作时，印刷墨头43上移到原位。墨盒顶端与墨盒盖以螺纹形式连接。墨盒盖上的进气口与压力气体相连通，通过电磁阀控制关断和打开状态。控制器3调节来自气压瓶2中气体的压力，并通过进气管将压力气体传送到墨水盒42，从而使墨水被挤出印刷墨头43，并粘附在基底上。
[0066]上述基底承载机构除包括基底承载平台51和底座52外，还包括一个三维传动部件。所述三维传动部件可产生动力促使基底承载平台51沿着X、Y及Z三个方向精准平移。所述Z方向为垂直的上下方向，Z方向的移动可控制墨头和基底之间的距离，以便印刷.’!{方向为水平的左右方向，Y方向为水平的前后方向，X及Y方向的移动可使相应的墨头按设定程序在基底上印刷出相应的电子元器件。如图5所示，电子器件基底可通过粘附胶、锁扣或产生负压的方式固定在基底承载平台51上。墨盒阵列机构与基底承载机构的相互位置是前者位于后者上方，由连杆相连形成一体。
[0067]上述电子器件印刷装置的印刷过程主要包括以下步骤:
[0068]S1、计算机I根据用户绘制的所要印刷的电子器件的电路图，生成印刷控制指令；
[0069]S2、控制器3根据印刷控制指令，控制墨盒阵列机构及基底承载机构的移动和定位；
[0070]S3、通过气体压力助推，电子印刷墨水被挤出印刷墨头43，并粘附在电子器件基底上。
[0071]在步骤SI中，用户通过具备电子设计自动化功能的计算机印刷控制程序，在软件中绘制出自己所需的电路图，并生成相应的印刷控制指令。
[0072]在步骤S2中，用户连接好线路，通过软件调整基底承载平台与印刷墨头之间的位置，再调用印刷控制指令，启动印刷过程。印刷过程中，工作墨头被指令控制上下移动，同时基底承载平台按照指令不停地移动，实现基底与工作墨头之间的定位，以便印刷出相应的电子元器件，从而形成所设定的电路图。
[0073]上述电子元器件可根据需要予以组合，从而形成特定功能的集成电路。
[0074]待印刷完毕，用户通过软件关闭印刷程序，再切断设备电源。
[0075]在本发明的另一种实施方式中，印刷装置采用印刷墨头可三维移动的结构。如图6所示，电子器件印刷装置包括:计算机1、气压瓶2、控制器3、墨盒阵列机构4、基底承载机构以及滑竿机构。其中，墨盒阵列机构4包括墨水盒架、电子印刷墨水盒以及印刷墨头；基底承载机构包括基底承载平台51和底座52。
[0076]上述电子印刷墨水盒的墨盒盖上有铁凹台。滑竿机构的Z滑竿64末端有电磁体凸台。通过铁凹台与电磁体凸台的相互配合，来实现墨盒的移动、定位等动作。墨盒盖上的进气口与压力气体相连通，通过电磁阀控制关断和打开状态。控制器3调节来自气压瓶2中气体的压力，并通过进气管将压力气体传送到墨水盒，从而使墨水被挤出印刷墨头，并粘附在基底上。
[0077]所述的滑竿机构如图6、7所示，其包括滑竿架61、三个可分别沿着X、Y、Z方向运动的滑竿(分别简称X滑竿62、Y滑竿63及Z滑竿64)以及滑块65。滑竿架61的作用是固定滑竿位置。三个滑竿可被控制作平移运动。X滑竿62及Y滑竿63在滑块65的带动下分别沿着X、Y方向运动时，会带动Z滑竿64沿着相应的方向运动。而Z滑竿64本身具有沿着垂直的Z方向运动的功能。Z滑竿64末端装有电磁体凸台，该凸台通电产生磁性，断电即失去磁性。当执行印刷动作时，三个滑竿按照指定路线运动，从而使电磁体凸台完成抓紧墨盒(借助磁性)、移动墨盒、执行印刷动作、返回墨盒等一系列动作。
[0078]在本发明的再一种实施方式中，电子器件印刷装置采用机械臂操控的结构。如图8所示，该印刷装置包括:计算机1、气压瓶2、控制器3、墨盒阵列机构4、基底承载机构以及机械臂。其中，墨盒阵列机构4包括墨水盒架、电子印刷墨水盒以及印刷墨头；基底承载机构包括基底承载平台51和底座52 ;机械臂包括伸缩连杆71和万向节72。
[0079]上述电子印刷墨水盒的墨盒盖上有铁凹台。通过铁凹台与伸缩连杆71末端的电磁体凸台相互配合，来实现墨盒的移动、定位等动作。
[0080]机械臂包括伸缩连杆71和万向节72。伸缩连杆71可沿着连杆轴向移动，而万向节72可以调节伸缩连杆的方向。机械臂可被控制实现三维空间精确定位。机械臂底部伸缩连杆末端装有电磁体凸台，该凸台通电产生磁性，断电即失去磁性。当执行印刷动作时，机械臂按照指定路线运动，从而使电磁体凸台完成抓紧墨盒(借助磁性)、移动墨盒、执行印刷动作、返回墨盒等一系列动作。
[0081]以上所述实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限定。应当指出，对于本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】
1.一种电子器件印刷装置，其特征在于，所述装置包括控制器、墨盒阵列机构和基底承载机构，其中: 所述控制器，用于控制所述墨盒阵列机构及所述基底承载机构； 所述墨盒阵列机构，用于提供电子印刷墨水，并利用所述电子印刷墨水进行电子印刷； 所述基底承载机构，用于承载电子器件基底。
2.根据权利要求1所述的印刷装置，其特征在于，所述装置进一步包括与所述控制器相连的计算机，所述计算机用于生成印刷控制指令； 所述控制器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墨盒阵列机构及所述基底承载机构。
3.根据权利要求1所述的印刷装置，其特征在于，所述墨盒阵列机构包括墨水盒架、电子印刷墨水盒以及印刷墨头，其中: 所述墨水盒架，用于支撑所述电子印刷墨水盒； 所述电子印刷墨水盒，用于提供所述电子印刷墨水； 所述印刷墨头，用于利用所述电子印刷墨水盒中的电子印刷墨水进行电子印刷。
4.根据权利要求1所述的印刷装置，其特征在于，所述电子印刷墨水包括:导电性金属墨水、P型或N型半导体性墨水、绝缘性墨水或三者的纳米颗粒掺杂液体中的一种或多种。
5.根据权利要求3所述的印刷装置，其特征在于，所述墨盒阵列机构包括三排分别装有导电性金属墨水、半导体性墨水及绝缘性墨水的所述电子印刷墨水盒，且每排有一个或多个所述电子印刷墨水盒。
6.根据权利要求3所述的印刷装置，其特征在于，所述电子印刷墨水盒的内壁布置有电热丝及热电偶，用于调控所述电子印刷墨水盒的内部温度，使所述电子印刷墨水保持液态。
7.根据权利要求3所述的印刷装置，其特征在于，所述装置进一步包括与所述控制器相连的气压瓶，所述气压瓶用于为所述控制器提供压力气体； 所述控制器通过进气管与所述电子印刷墨水盒相连接，并为所述电子印刷墨水盒提供压力气体。
8.根据权利要求7所述的印刷装置，其特征在于，所述装置进一步包括电磁阀，所述电磁阀位于所述进气管与所述电子印刷墨水盒的连接处，用于控制所述进气管中压力气体的通断。
9.根据权利要求1所述的印刷装置，其特征在于，所述基底承载机构进一步包括基底承载平台和三维传动部件，其中: 所述基底承载平台，用于承载所述电子器件基底； 所述三维传动部件，用于产生动力促使所述基底承载平台进行上下、前后和左右的三维运动。
10.根据权利要求3所述的印刷装置，其特征在于，所述墨盒阵列机构进一步包括与所述控制器相连的机械臂，所述机械臂用于控制所述电子印刷墨水盒进行电子印刷。
【文档编号】H01L51/00GK103660540SQ201210362945
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月25日 优先权日:2012年9月25日
【发明者】刘静, 何志祝 申请人:中国科学院理化技术研究所