多层电子产品的生产系统

1.本实用新型涉及电路印刷的技术领域，特别涉及一种多层电子产品的生产系统。


背景技术：

2.电路的集成化和低成本化制造是产业发展的主要趋势，印刷加工方法以其简化的工艺和低廉的成本决定了其在部分电子产品制造中的独特优势，有望在一些集成度较低的电路制造中获得广泛应用。例如，丝网印刷电极目前已经成为全世界光伏电池生产的标准工艺，而喷墨印刷成为柔性oled显示屏制造的主流技术等。
3.在过去的几十年中，集成电路(包括电路板和芯片等)主要采用减成法标准工序，包括复杂的光刻、显影、刻蚀等一系列加工步骤，虽然具有较高的分辨率和较好的产品性能，但也存在工艺复杂、污染性大等不足。因此，随着低价电子产品需求量的指数级增加，已经有部分尺寸不小于50μm的简单电子产品采用丝网以及喷墨印刷方法生产。
4.然而，目前量产的丝网以及喷墨印刷图形宽度最细也只能在50μm左右，无法达到1-50μm的分辨率。这是因为导电油墨在干燥前存在自发运动。当丝网以及喷墨印刷强行把油墨降低到50微米以下时，会出现很多不可控因素，严重影响产品的良率，因此无法达到量产的标准。而对于市场而言，1-50μm的分辨率的电子电路需求量日趋扩大，传统的减成法工艺也无法满足日益增长的产能需求。
5.而几乎所有的精细结构加工方法都存在成本高、产能低的问题，不适合用于大规模量产。
6.在诸多精细结构的加工方法中，比较特别的技术之一是利用亲疏水图形引导喷墨打印的墨水自发形成精细图形，并被多次报道。这种方法可以实现小于1微米的图形，且能够避免打印的导电图形之间因意外连接而发生短路。然而，该技术的问题在于，这种精细的亲疏水结构一般是采用曝光/显影的方法来完成，制备成本高昂，或者效率低下，并没有大规模工业化的潜力。
7.如果采用印刷的方法来制备亲/疏水图形，那么同样会出现因油墨自发运动而产生的各种图形走样，完全违背了技术开发的初衷。
8.另外，传统电子产品的生产流程，包括选用衬底—镀膜—涂胶—烘烤—曝光—烘烤—显影—刻蚀—去胶。其中，传统电子产品的生产流程中，“显影”环节需要产生2次废液(用显影液洗掉部分光刻胶、完成显影后用水或溶剂洗去残余的显影液)，“刻蚀”流程如果采用湿法，也需要产生2次废液(用腐蚀性的试剂进行反应、完成刻蚀后用水或溶剂洗去残余的腐蚀剂)，最后的“去胶”过程实际上需要产生2次废液(用丙酮等溶剂洗去残留的光刻胶、用水或溶剂清洗)。因此，传统电子产品的生产流程中，至少会产生6次废水，且成分差别大，环保处理麻烦。
9.而喷墨打印的过程，理论上基本没有废液产生，仅喷墨打印头在用溶剂清理保养的时候会产生一些废液。由于该操作一般是在完成当天生产后才会进行，因此产生的废液较少。在全社会越来越注重环保的今天，废液减少的有益效果是显而易见的。
10.而如果与同样进行增材制造(例如印刷工艺)相比，有些设备的线条也非常精细，例如电流体喷印技术。但电流体喷印的单个喷头太大，无法实现像压电式喷墨打印(inkjet)那样的集成度，因此生产效率非常低，基本处于实验室状态，无法工业应用。


技术实现要素：

11.本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种用于多层电子产品的生产系统，结构简单，使多层精细电路的印刷能够大规模量产，成本较低，利于工业化应用，且环保节能，减少后续废液处理的工序。
12.为达到上述技术效果，本实用新型提供了一种多层电子产品的生产系统，依次包括：
13.对衬底进行表面能处理的表面能处理设备；
14.与所述表面能处理设备连接的亲疏水形成单元，所述亲疏水形成单元包括亲疏水印章，所述亲疏水印章能与衬底相接触，以在衬底上形成亲疏水图形；
15.与所述亲疏水形成单元连接的图案打印单元，所述图案打印单元用于在具有亲疏水图形的衬底上进行喷墨打印，得到印刷图案；
16.与所述图案打印单元连接的表面能处理设备，所述表面能处理设备用于对具有印刷图案的衬底进行表面能处理；
17.与所述表面能处理设备连接的绝缘层打印单元，所述绝缘层打印单元用于在印刷图案的表面打印绝缘层；
18.与绝缘层打印单元连接的表面能处理设备，所述表面能处理设备用于对绝缘层进行表面能处理；
19.与所述表面能处理设备连接的亲疏水形成单元，所述亲疏水形成单元包括亲疏水印章，所述亲疏水印章能与衬底相接触，以在绝缘层表面再次形成亲疏水图形；
20.与亲疏水形成单元连接的电极打印单元，所述电极打印单元用于打印电极和封装层，得到成品。
21.作为上述方案的改进，所述表面能处理设备为臭氧发生器、氧等离子体发生器、电晕设备中的至少一种。
22.作为上述方案的改进，所述亲疏水形成单元还包括第一移动机构，用于将亲疏水印章进行水平方向和竖直方向的移动，使其与衬底接触。
23.其中，所述第一移动机构包括用于提供动力源的气缸以及与所述气缸连接的移动支架，所述亲疏水印章安装在移动支架上。
24.所述移动支架上设有压力传感器和/或拍摄设备。
25.作为上述方案的改进，所述衬底为玻璃衬底或石英衬底；
26.所述亲疏水印章由硅橡胶制成。
27.作为上述方案的改进，所述亲疏水印章包括印章本体和印刷层，所述印刷层由硅橡胶制成；
28.所述印章本体和印刷层是通过粘接形成一体结构，所述印刷层上设有用于形成亲疏水图形的微结构。
29.作为上述方案的改进，所述印章本体的弹性模量小于所述印刷层的弹性模量。
30.所述印刷层、印章本体的厚度范围的比例为1:(2-100)；
31.所述印刷层的弹性模量与所述印章本体的弹性模量之比为(2-200)：1。
32.作为上述方案的改进，所述硅橡胶为聚二甲基硅氧烷、甲基乙烯基硅橡胶或氟硅橡胶；
33.所述印刷层的弹性模量为2-20mpa；
34.所述印章本体的弹性模量为0.1-2mpa。
35.作为上述方案的改进，所述图案打印单元和表面能处理设备之间还包括烘干设备、烧结设备或退火设备。
36.所述绝缘层打印单元和表面能处理设备之间还包括烘干设备、退火设备或者光固化设备。
37.所述电极打印单元之后，还包括烘干设备、烧结设备或退火设备。
38.实施本实用新型具有如下有益效果：
39.本实用新型提供了一种多层电子产品的生产系统，包括表面能处理设备、亲疏水形成单元、图案打印单元、表面能处理设备、绝缘层打印单元、表面能处理设备、亲疏水形成单元和电极打印单元，分别进行衬底表面能处理—衬底表面形成亲疏水图形—对亲疏水图形进行喷墨打印—表面能处理—打印绝缘层—表面能处理—再次形成亲疏水图形—再次喷墨打印电极和封装层，以此形成多层电子产品。
40.与现有技术相比，本实用新型生产系统结构简单，易于实施，能使多层精细电路的印刷能够大规模量产，成本较低，利于工业化应用，且环保节能，减少后续废液处理的工序。
41.而且，本实用新型采用的亲疏水印章是由含有-o-si-r基团的硅橡胶类材料制成，其与衬底接触，能在衬底表面获得疏水性的效果。与以往的方法不同的是，本专利采用带弹性的固体材料作为疏水性的“油墨”，通过由含有-o-si-r基团的硅橡胶制成的印章，印章上设有预设的目标印刷图案，可在相对粗糙的衬底上使用，并能在直接与衬底接触1ms后使玻璃的接触角从＜20
°
变成＞90
°
，由此获得跟印章上图纹完全一致的亲疏水图形。所述亲疏水图形疏水性能好，进而能控制导电油墨在干燥前存在的自发运动，从而获得更精细的导电图案，并降低意外短路的概率。而且，所述亲疏水图形能获得类似于“自组装层”的效果，不会被溶剂轻易破坏。
42.进一步，亲疏水印章包括低模量的印章本体和高模量的印刷层，所述印刷层由硅橡胶制成，通过较大厚度的软材料(低模量)来吸收可能的形变，达到“缓冲”的作用，而印章最关键的设有微结构部分的印刷层则采用相对较硬(高模量)的材料，即，印章本体的弹性模量小于所述印刷层的弹性模量，这样的模量分布设计能保证印章在受到一定程度的挤压后，能及时用低模量部分吸收形变，并产生尽可能小的压力，以保持微观结构图形的稳定，改善整体印刷效果。
附图说明
43.图1是本实用新型多层电子产品的生产系统一实施例的示意简图；
44.图2是本实用新型多层电子产品的生产系统一实施例的结构示意图；
45.图3是本实用新型亲疏水形成单元的结构示意图；
46.图4是本实用新型亲疏水印章的结构示意图；
47.图5是本实用新型打印单元一实施例的结构示意图；
48.图6是本实用新型打印单元另一实施例的结构示意图。
具体实施方式
49.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。
50.如图1所示，本实用新型提供一种多层电子产品的生产系统，包括：
51.对衬底进行表面能处理的表面能处理设备1；
52.与所述表面能处理设备1连接的亲疏水形成单元2，所述亲疏水形成单元2包括亲疏水印章21，所述亲疏水印章21能与衬底相接触，以在衬底上形成亲疏水图形；
53.与所述亲疏水形成单元2连接的图案打印单元3，所述图案打印单元3用于在具有亲疏水图形的衬底上进行喷墨打印，得到印刷图案；
54.与所述图案打印单元3连接的表面能处理设备1，所述表面能处理设备1用于对具有印刷图案的衬底进行表面能处理；
55.与所述表面能处理设备1连接的绝缘层打印单元4，所述绝缘层打印单元4用于在印刷图案的表面打印绝缘层；
56.与绝缘层打印单元4连接的表面能处理设备1，所述表面能处理设备1用于对绝缘层进行表面能处理；
57.与所述表面能处理设备1连接的亲疏水形成单元2，所述亲疏水形成单元2包括亲疏水印章21，所述亲疏水印章21能与衬底相接触，以在绝缘层表面再次形成亲疏水图形；
58.与亲疏水形成单元2连接的电极打印单元5，所述电极打印单元5用于打印电极和封装层，得到成品。
59.如图2所示，上述生产系统的表面能处理设备1、亲疏水形成单元2、图案打印单元3、表面能处理设备1、绝缘层打印单元4、表面能处理设备1、亲疏水形成单元2以及电极打印单元5，可以通过传动带连接，形成一自动化作业的生产线。该生产系统结构简单，易于实施，能使多层精细电路的印刷能够大规模量产，成本较低，利于工业化应用，且环保节能，减少后续废液处理的工序。其中，电极打印单元5包括用于打印电极的第一电极打印单元51和用于打印封装层的第二电极打印单元52。
60.具体的，所述表面能处理设备1为臭氧发生器、氧等离子体发生器、电晕设备中的至少一种。其中，臭氧发生器简单便捷、设备通用性强；
61.氧等离子体发生器包括真空等离子体发生器和常压等离子体发生器，其中，真空等离子体需要抽真空，但施加电压较低，等离子体含量也精确可控；常压等离子体处理无须抽真空，设备更为简单，但需要的电压较高，且随着待处理材料的厚度而线性增加；
62.电晕设备可以是电晕处理机，进行直接的电晕处理，直接电晕处理的设备更加简单，成本低廉，但由于电压的限制，仅适用于较薄的膜材或者是等离子喷枪。电晕设备还可以是等离子喷枪进行间接的电晕处理，等离子喷枪将常压等离子发生器中产生的氧等离子体用气流送出，结构更加复杂，但对电压的要求不受待处理衬底厚度的影响。
63.本实用新型的衬底由氧化硅制成；或者，衬底由硅、硅酸盐或有机硅制成，硅、硅酸盐或有机硅经预处理后变成氧化硅；或者，衬底包括基体和表面层，表面层为氧化硅。优选
的，所述衬底为玻璃衬底或石英衬底，其表面含有si-o-(h)。
64.如图2和图3所示，所述亲疏水形成单元2包括亲疏水印章21，所述亲疏水印章21能与衬底相接触，以在衬底上形成亲疏水图形。所述亲疏水印章为含有-o-si-r基团的硅橡胶制成。
65.本实用新型采用含有-o-si-r基团的硅橡胶类材料为印章，在表面含有si-o-(h)的衬底上获得疏水性的效果。与以往的方法不同的是，本专利采用带弹性的固体材料作为疏水性的“油墨”，通过由含有-o-si-r基团的硅橡胶制成的印章，印章上设有预设的目标印刷图案，可在相对粗糙的衬底上使用，并能在直接与衬底接触1ms后使玻璃的接触角从＜20
°
变成＞90
°
，由此获得跟印章上图纹完全一致的亲疏水图形。本实用新型的亲疏水图形疏水性能好，进而能控制导电油墨在干燥前存在的自发运动，从而获得更精细的导电图案，并降低意外短路的概率。而且，所述亲疏水图形能获得类似于“自组装层”的效果，不会被溶剂轻易破坏。
66.具体的，所述亲疏水形成单元还包括第一移动机构22，用于将亲疏水印章进行水平方向和竖直方向的移动，使其与衬底接触。所述第一移动机构22可以是机械手，也可以是能进行水平方向和竖直方向移动的移动机构。第一移动机构22的结构设置参照现有技术设计即可，只要其能实现移动即可。
67.优选的，所述第一移动机构22包括用于提供动力源的气缸221以及与所述气缸221连接的移动支架222，所述亲疏水印章21安装在移动支架222上。气缸驱动移动支架运动，进而控制亲疏水印章21的运动。
68.更佳的，所述移动支架上设有压力传感器223，压力传感器用于保证亲疏水印章的压力可控，使其的压力小于限定值。
69.更佳的，所述移动支架上设有拍摄设备224，所述拍摄设备可以为相机，该相机搭配镜头和光源，可以清晰地观测产品，观测亲疏水印章与衬底的接触情况，进而了解亲疏水图形的形成情况。最佳的，所述拍摄设备为4相机，分辨率更高，拍照更为清晰。
70.优选的，如图4所示，所述亲疏水印章21包括印章本体211和印刷层212，所述印刷层212由硅橡胶制成；所述印章本体211和印刷层212是通过粘接形成一体结构，所述印刷层212上设有用于形成亲疏水图形的微结构；所述印章的印刷层212由含有-o-si-r基团的硅橡胶制成，其表面为固态的弹性体。优选的，所述印刷本体211和印刷层212均由含有-o-si-r基团的硅橡胶制成。
71.硅橡胶的种类繁多，总体上可以分成液态和固态两大类，前者可以通过液体硅橡胶前驱体在模板上固化(硫化)而获得微观结构，后者的原料本身就是固态的，但可以通过热压的办法获得微结构。本实用新型印章可以通过液态成型或固态成型制成。
72.所述亲疏水印章的主要成分为聚硅氧烷，其可以是单一的单体聚合，也可以是多种单体共聚，核心特征为包含-o-si-r基团。所述-o-si-r基团中，r包括烷烃基、烯烃基和卤素取代烃基，代表性的材料包括聚二甲基硅氧烷、甲基乙烯基硅橡胶、以及氟硅橡胶等。优选的，所述印章是利用液态的ab型前驱体浇铸成具有目标图形的pdms印章。
73.所述印章本体211的弹性模量小于所述印刷层212的弹性模量，且所述印刷层212的弹性模量与所述印章本体211的弹性模量之比为(2-200)：1。优选的，所述印刷层212的弹性模量与所述印章本体211的弹性模量之比为(6-20)：1。更佳的，所述印刷层212的弹性模
量与所述印章本体211的弹性模量之比为(8-15)：1。
74.本实用新型通过较大厚度的软材料(低模量)来吸收可能的形变，达到“缓冲”的作用，而印章最关键的微结构部分则采用相对较硬(高模量)的材料。这样的模量分布设计能保证印章在受到一定范围的不均匀压力后能保持图形的稳定，改善整体印刷效果。
75.具体的，所述印刷层212的弹性模量可以为2-20mpa，所述印章本体211的弹性模量为0.1-2mpa，所述印刷层212、印章本体211的厚度范围的比例为1:(2-100)，这样可以保持印刷层的微结构的形变小于1μm。
76.因此，本实用新型通过巧妙的模量分布设计，使印章在一定程度上能更好地维持图形的稳定性，避免设备振动、样品不平整、辊轴之间平行偏差等因素导致弹性印章的图形发生变化。
77.优选的，所述亲疏水印章还连接有计时单元，所述计时单元用于计算亲疏水印章与衬底的表面接触时间。所述印章与带有si-o-(h)基团的衬底表面进行接触至少1ms，优选为1s-90min，更优为1s-30min。
78.如图2、5、6所示，本实用新型图案打印单元3、绝缘层打印单元4、电极打印单元5统称为打印单元，其打印单元可以选用图2、5所示的喷墨打印头实现，也可以采用图6所示的喷墨打印装置实现，图2、5所示的喷墨打印头可以设于传送带的上方，方便全线自动化作业；而图6所示的喷墨打印装置则需要单独设置，通过移动小车等移动设备，将电子产品输送至喷墨打印设备内进行印刷图案、绝缘层、电极和封装层等的打印。
79.需要说明的是，喷墨打印头和喷墨打印装置都是选用现有设备即可。
80.进一步优选的，所述图案打印单元3和表面能处理设备1之间还包括烘干设备、烧结设备或退火设备，具体可以为自动化程度比较高的隧道式烘箱，或者集成在自动化传送带上的光子加热设备(红外、激光、氙闪灯等)，也可以为加热台、热风烘箱或真空烘箱等，且并不以此为限。
81.所述绝缘层打印单元4和表面能处理设备1之间还包括烘干设备、退火设备或者光固化设备，具体可以为自动化程度比较高的隧道式烘箱，或者集成在自动化传送带上的光子加热设备(红外、激光、氙闪灯等)，也可以为加热台、热风烘箱或真空烘箱等，还可以是光固化设备，且并不以此为限。
82.所述电极打印单元5之后，还包括烘干设备、烧结设备或退火设备，具体可以为自动化程度比较高的隧道式烘箱，或者集成在自动化传送带上的光子加热设备(红外、激光、氙闪灯等)。也可以为加热台、热风烘箱或真空烘箱等，且并不以此为限。
83.以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。