CN104538344B - 一种用于超薄、柔性电子器件转移的装置、方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电子器件转移的装置，包括：上电极层和下电极层，其对置间隔布置，通电后在两者之间可产生电场；粘性层，其固结在下电极层的下表面；还包括设置在上电极层和下电极层之间的电活性层，其可在两电极层通电而产生的电场作用下被挤压而产生纵向以及横向的变形，该变形驱动电极层和粘性层产生变形，从而产生剪力和/或者凹凸顶起力，使其被脱粘并放置于受体基板上。本发明还公开了利用上述装置进行电子器件转移的方法及其应用。本发明可实现电子器件主动放置，装置结构简单，具有快速、可靠，容易控制等优点；可普遍适用于常见的超薄、柔性等多种规格的电子器件转移；也适用于大面积的阵列微电子器件/结构的转印等领域。

Description

一种用于超薄、柔性电子器件转移的装置、方法和应用
技术领域
本发明涉及微电子封装与制造领域，具体涉及一种针对不同大小和厚度的电子器件转移的装置、方法与应用。
背景技术
目前，电子器件在极大的市场需求下发展迅速。柔性电子技术开拓了更为广阔的应用区域，如智能皮肤、电子纸、柔性显示器等。柔性电子要求电子器件如IC芯片、电子结构、集成微器件等具备一定的曲面适应能力，驱使电子器件变的越来越薄，目前实验用的IC芯片其厚度已经达到10μm。然而，超薄器件极易弯曲和碎裂，不易承受极大的冲击力，这就给目前器件从供体转移至接收基板或者电路上的转移技术带来极大的挑战。如何快速有效的转移薄/超薄电子器件是当前电子封装领域中亟待解决的难题之一。
传统的方式是利用自动半自动机械转移装置进行转移，其通过利用一个/组顶针并辅助真空吸附等来分离器件和承载体。其具体工艺过程包括利用顶针顶起从承载体上剥离器件，然后利用真空吸附转移并放置器件至合适的位置。这种转移方式采用机械强制分离，会影响器件碎裂、分离成功率和效率，特别是面对越来越薄的器件，这种技术已经不能满足目前的需求。
为克服上述转移方式的缺陷，后来陆续出现了一些优化的技术方案，比如真空吸附式(CN1669119A、CN1768422A)、采用刮取式分离器件的方法 (CN101383274A)等。然而，这些虽然从力学角度上缓解了器件破碎的问题，
尽管使用激光等热剥离电子器件技术是最近备受关注的器件转移技术之一，其利用激光对粘胶粘性的破坏从而使得器件脱离粘性束缚，这种方法剥离速度快，但激光作用属于破坏性的剥离方式，产生热量也可能影响邻近的器件附着和定位；并且，由于基板或者薄膜一般属于有机聚合物，热作用下产生的气体会对环境产生污染。
专利US7943491B2中披露了一种利用粘弹性胶体拾取并放置电子器件的方案。粘取时，移动的方向和速度是关键的技术参数，该方案利用不同速度下的粘接强度来从承载体上取走电子器件；放置器件则相反，利用粘弹性材料本身的低速运动时粘接强度松弛，从而丧失粘弹性印章对器件的粘附。但是，由于粘接强度松弛过程是需要时间的，不同的材料，性能上也大有差别，因此存在转移效率的问题。
为克服上述转移效率的问题，近年，专利US2013/0069275A1中公开了一种可以提高粘弹性印章放置效率的方法，其粘接表面采用犄角式的印章形式。其中的犄角结构采用多层的PDMs微结构搭建而成，布置在粘胶表面的四个边角处。这种粘接表面布局可以在器件放置时，依靠犄角层叠结构的弹性来顶起电子器件，从而加快芯片脱离粘接印章。然而，这种多层的微结构依然需要依靠PDMs本身的松弛特性，犄角设计和特殊层叠结构起到加快粘接力松弛的效果，但是顶起时间仍旧取决材质本身特性，其依然存在芯片脱粘时间相对较长，无法适应目前对电子器件快速转移需求，而且其中的微结构由于其特殊的结构，使得其制造成形过程复杂，对制备工艺要求较高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于超薄/柔性电子器件的转移装置、方法及应用，其通过对放置方式和原理的优化设计，从而显著降低器件脱粘时间，使得电子器件的放置速度大为提高，其结构简单可靠，电子器件转移效率可以得到明显提高。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种用于电子器件转移的装置，实现电子器件从供体基板至受体基板的转移，该装置包括：
上电极层和下电极层，其对置间隔布置，通电后在两者之间可产生电场；
粘性层，其固结在下电极层的下表面，用于粘接待转移的电子器件以将其从供体基板上拾取并从而可转移；
其特征在于，还包括设置在上电极层和下电极层之间的电活性层，当电子器件被移动到受体基板上方后，其可在两电极层通电而产生的电场作用下被挤压而产生纵向以及横向的变形，该变形驱动电极层和粘性层产生变形，从而产生剪力和/或凹凸顶起力，作用在附着于粘性层表面的电子器件上，使其被脱粘并放置于受体基板上。
作为本发明的改进，所述电活性层材料可以为电致伸缩聚合物(Electrostrictive polymers)如PVDF类材料、或者介电弹性体(dielectric elastomers)如硅烷基类聚合物(silicone)。
作为本发明的改进，所述电活性层根据具体的工艺的不同，其厚度可以在数十微米到百微米之间。
作为本发明的改进，所述电活性层可以为堆叠式互连结构，该互连结构中的电活性层厚度应控制在数个微米。
作为本发明的改进，所述电活性层尺寸可以根据变形公式来确定，式中，n是堆叠的电活性层层数，κr和κ0分别代表电活性材料本身的介电常数和真空介电常数，电压U施加在厚度为hEAP的电活性层上。
作为本发明的改进，电极表面优选具有一定图案，其可实现在电场作用下电活性层在图案的空隙中产生凸起，该凸起产生的顶起力耦合横向产生的剪力可实现电气器件更好的脱粘。该图案的存在，使得在电极电场作用下将对电活性层产生挤压，从而电活性层将在图案的空隙中产生凸起，进而使得所述的粘性层表面呈现凹凸状。器件放置时，利用凸起产生的顶起力耦合横向产生的剪力可以更好的适应大薄类型的电子器件剥离。
作为本发明的改进，所述电极表面的图案优选为多个小孔或凹槽。
作为本发明的改进，上述电子器件的横向尺寸要小于粘结层的尺寸，便于电子器件在粘结层变形的作用下主动脱粘。
作为本发明的改进，所述粘性层的材料可为PDMs，其具备粘弹性能力。
作为本发明的改进，上电极顶部附着具有一定弹性的有机材料用于连接该装置与动力装置。
作为本发明的改进，所述的装置可以结合真空吸附作用力，从而更好的完成电子器件的拾取与放置。
本发明的用于电子器件转移的装置、方法与工艺，其可以完成电子器件完好无损地从供体基板转移至受体基板。该过程一般可以分解为从供体基板拾取电子器件，和通过该拾取头转移到受体基板合适位置上并放置电子器件。
本发明采用的拾取方法是利用粘弹性材料或者对剪力敏感的粘性材料作为粘取器件的粘性层，通过合理的控制接触压力、拾取速度等参数来完成电子器件的拾取。同时利用电活性材料在电场作用下的变形来完成电子器件的主动脱附和放置。
本发明采用的电子器件转移装置包括一层或者多层电活性材料构成的电活性驱动层；包括用于构建电场的上、下电极层；包括具有一定粘性的粘性层。具体特征包括所述的上电极层和下电极层分别固结在电活性层的上下表面；所述的粘性层固结在下电极层的下表面。
进一步的，在所述的电活性层，根据具体的工艺的不同，其厚度可以在数十微米到百微米之间，进一步的，如果需要减小所需电场大小，可以制造成堆叠式互连结构，该互连结构中的电活性层厚度应控制在数个微米。具体制作尺寸可以根据变形公式来确定，式中，n是堆叠的电活性层层数，κr和κ0分别代表电活性材料本身的介电常数和真空介电常数，电压U施加在厚度为hEAP的电活性层上，为变形量。根据此公式，当单个电活性层可以控制在微米级，同样变形下，电极电压可以降低到百伏左右，从而实现低压控制。所述的电活性层可以使用电致伸缩聚合物(Electrostrictivepolymers)如 PVDF类材料、或者介电弹性体(dielectric elastomers)如硅烷基类聚合物(silicone)，如polydimethyl siloxane等具备一定机械性能的材料。
进一步的，所述的电极材料为延展性较好的导电聚合物或者金属材料，如聚乙炔(掺杂碘或溴)、聚苯胺、金等。所述的导电聚合物电极可以在微米级；所述的金属电极厚度一般在数十纳米级。
进一步的，所述的电极可以具有一定图案，在电极电场作用下，电极将对电活性层产生挤压，从而点活性层将在图案的空隙中产生凸起，进而使得所述的粘性层表面呈现凹凸状。器件放置时，利用凸起产生的顶起力耦合横向产生的剪力可以更好的适应大薄类型的电子器件剥离。无图案的电极同样可以对粘性层产生剪力，也可以剥离一定规格的电子器件。
进一步的，上电极顶部附着具有一定弹性的有机材料用于连接该装置与动力设备，涉及的动力装置包括电机或者气缸，提供所需压力和位移。
进一步的，所述的装置可以结合真空吸附作用力，从而更好的完成电子器件的拾取与放置。
按照本发明的另一方面，提供一种利用上述装置进行电子器件转移的方法，以将电子器件从供体基板转移至受体基板，其特征在于，该方法包括：
(1)所述的转移装置中的粘性层下表面充分接触电子器件上表面，并施加一定的压力，从而使得粘性层充分粘接器件；
(2)所述的转移装置充分接触器件表面后，电子器件的供体基板固定后，所述的转移装置带动电子器件以一定的速度完成器件与供体基板的剥离。
(3)电子器件被转移至靠近受体基板目标位置上方，在所述的上下电极施加电场，使得电活性层产生变形，带动粘性层产生变形，进而完成器件与粘性层的主动脱粘。
作为本发明的改进，也可以结合真空吸附或者受体基板粘性来使得器件更快地完全与粘接层分离。
按照本发明的又一方面，提供一种上述装置在电子器件转移或阵列微电子器件/结构的转印中的应用。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明的装置和方法，利用电活性材料在电致伸缩性质，利用这个特性产生形变和力，实现主动放置电子器件的功能，同时，采用当下最适合的粘弹性材料PDMs作为粘取器件的粘性层，具备传统拾取电子器件的能力。由此装置构成的电子器件拾取和放置技术以及相应的工艺具有使用方便，容易控制，转移可靠性好；由于采取电场驱动主动放置，这样大大减小了粘性的松弛时间。同时，也可以根据不同的实施情况，容易改进相应的工艺，以满足不同的应用场合。
(2)本发明的装置和方法可以迅速的实现器件的拾取和放置，工艺可靠性高，装置简单易制造，成本低廉，控制方法简易，可以普遍适用于目前的薄/超薄电子器件的转移，包括大、小电子器件或者阵列的大规模器件的转移都可以利用该装置进行。
附图说明
图1是按照本发明实施例所构建的电子器件转移装置的结构示意图；
图2是利用图1装置完成电子器件转移的方法与工艺流程图；
图3是图2中电子器件拾取的平面原理图；
图4是图2中电子器件放置的平面原理图；
图5是图1中所述转移装置10在电场作用下的凹凸计算原理图；
图6是描述多个小型电子器件转移示意图；
图7图1和图6中堆叠式电极与电活性层互连结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参见图1所示，按照本发明实施例所构建的一种所述的电子器件转移装置主体结构部分10，包括具有一定压力缓冲作用的弹性转接体101；承接所述转接体101下表面的是上电极层103；承接该上电极层103下表面的是电活性层102；下电极层104附着在所述电活性层102的下表面；同时在所述下电极层104下表面附着一层粘性层105，所述的粘性层105具有从供体基板202上粘取电子器件201的功能。图示中所述的电子器件201的横向尺寸要小于所述的粘结层 105的尺寸，便于电子器件201在粘结层105变形的作用下主动脱粘。
上下电极101和103在施加合适电压条件下能够构建电场，从而驱使所述的电活性层102产生器件脱离粘性层需要的形变和力；同时所述的电活性层102 具有一定的机械性能，能够承受拾取器件所需的压力和拉力。
粘性层105厚度控制在100微米级以内、具有合适的粘附能力和机械性能，能够承受一定拉力和压力来完成器件的拾取。
上、下电极层101和103的形状可以根据具体实施方案和要求来设计合适图案，所述图案和形状具备在电场作用下诱导弹性层产生表面凸凹和顶起力。
参见图2所示，利用图1所示的装置，完成电子器件201从供体基板202 转移到受体基板203的工艺过程：
(1)转移装置10移动到目标器件201正上方；
(2)转移装置10在压力P的作用下接触到目标器件201上表面，完成器件粘接过程；
(3)利用图1中所述粘接层105的粘接力，在一定拾取速度v的作用下完成目标器件201拾取的；
(4)转移装置10携带目标器件201至受体基板203正确位置的上方；
(5)开启图1中所述上电极103和下电极104的电场，在电场作用下，所述电活性层102产生横向变形，对于图案化的电极，由于挤压还将产生纵向的凹凸，从而实现器件的主动剥离。所述的主动剥离时间由电活性层102在电场作用下的变形时间决定，一般在10ms左右，可以实现目标器件201的快速主动的脱粘。此时，可以将目标器件201安全可靠的放置在受体基板203上。
(6)转移装置10向上移动，同时关闭电场，粘性层105下表面恢复平面状态，进行下一次器件转移时重复工艺步骤(1)～(6)。
参见图3，电子器件拾取的平面原理图；根据断裂竞争机制，器件从供体基板上剥离过程，可以通过原理图中产生裂纹的能量释放率与其临界能量释放率的比较来预测，如下公式说明电子器件成功拾取过程：
上式中Gsubstrate_202表示在速度v的上升速度下，器件201从供体基板202脱粘时产生的能量释放率，其大小满足大于临界剥离能Γcritical_202(由界面特性和材料本身决定的常数)时，表示脱粘成功；同时保证器件被粘性层粘附，否则器件无法被粘性层拾取，此时需要其产生裂纹的能量释放率Gadhesive_105小于其临界的剥离能Γcritical_105。在拾取过程中，需要固定底部的基板，可以使用真空吸附或者夹具来固定基板。辅助的真空吸附也可以用于倒装器件。
参见图4，放置电子器件的平面原理图；放置器件201时，电极103和104的电场开启，在电场条件下，单层电活性层产生的纵向应变εz eap可以通过公式计算，式中，κr和κ0分别代表电活性材料本身的介电常数和真空介电常数，电压U 施加在厚度为heap电活性层上。可见电活性层的变形与材料本身的属性有关，而且与电压呈现抛物线的关系，当电活性层heap越厚，同样的变形需要的电压就要增加。假设材料本身是不可压缩的，横向应变近似如下：
在有图案的电极电场中，横向应变会挤压没有电场施加的区域，从而产生凹凸。该凹凸还叠加了电活性层在厚度方向的变形。合适高度的突起，综合了横向剪力(x方向的形变造成的)的作用，器件将被主动脱粘与粘性层的束缚，从而被放置到受体基板的合适位置。
参见图5，图1中所述转移装置10在电场作用下的凹凸计算原理图。假设粘性层材料是不可压缩的，则凹凸的高度tstamp可以通过以下公式近似推算：
上述公式推导，还假设了粘性层在厚度方向上继承了电活性层的应力值，注意厚度较大的粘性层不一定能满足这个假设，但是一般情况下，考虑到动作的灵敏度，粘性层的厚度在几百的微米级，基本上可以满足这个假设。另外，从公式可见，使用材料较软的(弹性模量较小的)的粘性层可以起到放大变形的作用，因此选用弹性模量较小的粘性层更具有优势。
参见图6，描述多个小型电子器件转移示意图。针对小型的电子器件(<0.5 mm)，图案电极间隙无法达到更小的尺寸时，利用电活性层在电场作用下的剪切力也可以完成器件的脱粘，并且，也可以适用于多个器件的拾取和放置。横向应变量达到3％左右，可以达到大约50％的剥离量。扩大变形量可以采用增加电压的形式，利用辅助器具如真空吸附等，将很容易实现器件的完全脱粘与放置。
参见图7，图1和图6中堆叠式上电极103与下电极104以及电活性层102 互连结构。由于，同等变形条件下，电压和电活性层厚度成正比的关系，因此，减小单层的电活性层厚度，可以大大减小施加电压，甚至可以减小至40V以下，这样低电压控制就更加方便，成本也就更加低廉。同时，这种多层耦合互联形式，在需要更大的变形量时，只要增加互联的层数即可。
本发明装置，以及方法和工艺，可以迅速的实现器件的拾取和放置，工艺可靠性高，装置简单易制造，成本低廉，控制方法简易，可以普遍适用于目前的薄/超薄电子器件的转移，包括大、小电子器件或者阵列的大规模器件的转移都可以利用该装置进行。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种用于电子器件转移的装置，可实现电子器件从供体基板至受体基板的转移，该装置包括：
上电极层(103)和下电极层(104)，其对置间隔布置，通电后可在两者之间产生电场；
粘性层(105)，其固结在下电极层(104)的下表面，用于粘接待转移的电子器件(201)以将其从供体基板(202)上拾取并从而可转移；
其特征在于，还包括设置在上电极层(103)和下电极层(104)之间的电活性层(102)，电子器件被移动到受体基板上方后，其可在两电极层通电而产生的电场作用下被挤压而产生纵向以及横向的变形，该变形驱动下电极层(104)和粘性层(105)产生变形，从而产生剪力和/或凹凸顶起力，作用在附着于粘性层(105)表面的电子器件上，使其被脱粘并从而可放置于受体基板上。
2.根据权利要求1所述的一种用于电子器件转移的装置，其中，所述电活性层材料为电致伸缩聚合物或介电弹性体。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于电子器件转移的装置，其中，所述电活性层(102)根据具体的工艺的不同，其厚度在数十微米到百微米之间。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于电子器件转移的装置，其中，所述电活性层(102)为堆叠式结构，该结构中的每层电活性层厚度控制在数个微米。
5.根据权利要求3所述的一种用于电子器件转移的装置，其中，所述电活性层(102)厚度尺寸根据变形公式确定，式中，n是堆叠的电活性层层数，κr和κ0分别代表电活性材料本身的介电常数和真空介电常数，电压U施加在厚度为hEAP的电活性层上。
6.根据权利要求1或2所述的一种用于电子器件转移的装置，其中，上下电极层表面具有一定图案，其可实现在电场作用下电活性层在图案的空隙中产生凸起，该凸起产生的顶起力耦合横向产生的剪力可实现电子器件更好地脱粘。
7.根据权利要求6所述的一种用于电子器件转移的装置，其中，所述上下电极层表面的图案为多个小孔或凹槽。
8.根据权利要求1或2所述的一种用于电子器件转移的装置，其中，上述电子器件(201)的横向尺寸小于粘性层(105)的尺寸，便于电子器件(201)在粘性层(105)变形的作用下主动脱粘。
9.根据权利要求1或2所述的一种用于电子器件转移的装置，其中，所述粘性层的材料为PDMs，其具备粘弹性能力。
10.根据权利要求1或2所述的一种用于电子器件转移的装置，其中，上电极层顶部附着具有一定弹性的有机材料用于使该装置与外部动力装置连接。
11.一种利用权利要求1-10中任一项所述的装置进行电子器件转移的方法，以将电子器件从供体基板转移至受体基板，其特征在于，该方法包括：
(1)所述的转移装置中的粘性层下表面充分接触电子器件上表面，并施加一定的压力，从而使得粘性层充分粘接器件；
(2)所述的转移装置充分接触器件表面后，电子器件的供体基板固定后，所述的转移装置带动电子器件以一定的速度完成电子器件与供体基板的剥离；
(3)电子器件被转移至靠近受体基板目标位置上方，在所述的上下电极层施加电场，使得电活性层产生变形，带动粘性层产生变形，进而完成器件与粘性层的主动脱粘。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括结合真空吸附或者受体基板粘性来使得器件完全与粘接层分离。
13.权利要求1-10中任一项所述的装置在电子器件转移或阵列微电子器件/结构的转印中的应用。
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