CN111446200A - 气压调控的磁控薄膜转印印章及转印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气压调控的磁控薄膜转印印章及转印方法，该印章由印章主体、磁性薄膜和印章底面组装而成；转印方法为：1)拾取时，对印章施加向下的磁场，磁性薄膜产生向下的变形，将印章压在器件表面后撤去磁场，磁性薄膜回弹产生负压，再对印章施加反向磁场，磁性薄膜产生向上的变形使负压进一步增大，印章/器件界面处于强粘附状态，器件被成功拾取；2)印刷时，保持向上磁场并将印章/器件移到基底上方，撤去向上磁场并外加更强的反向磁场，磁性薄膜发生更大的向下变形而产生正压，印章/器件界面处于弱粘附状态，器件被成功印刷。该印章成本低廉；所述方法可实现常温下非接触转印，既能实现高效率的全局转印，也能实现精准的选择性转印。

Description

气压调控的磁控薄膜转印印章及转印方法
技术领域
本发明涉及一种转移印刷技术，尤其涉及一种气压调控的磁控薄膜转印印章及转印方法，可用于任意图案化的微纳电子元器件的转移印刷。
背景技术
作为一种新型的材料组装技术，转移印刷技术可以将不同种类、独立制备的离散元件进行大规模集成，进而形成空间有序的功能系统(可参见罗鸿羽, 令狐昌鸿,宋吉舟.可延展柔性无机电子器件的转印力学研究综述[J].中国科学: 物理学力学天文学,2018(9).)。因该技术响应迅速、集成效率高，所以常被应用于各种电子器件的集成与制备。例如，将刚硬脆的半导体材料集成在柔软弹性体上的柔性可拉伸无机电子产品，将数以百万计的MicroLED芯片集成在显示基板上的MicroLED显示器等。
通常，转印技术通过柔软的高聚物印章来实现。首先利用印章将电子器件从施主基底上拾取起来，然后将器件印刷到受主基底的指定位置。从施主基底上拾取元件的时候要求印章与器件的粘附力强，向受主基底上印刷元件的时候要求印章与器件之间的粘附弱。转印的关键在于印章/器件界面的强弱粘附转换，因此操纵和调节印章/器件的界面粘附力是成功转印的关键。
转印技术可以分为接触式转印技术和非接触转印技术两类。接触式转印技术在拾取和印刷时印章/器件/基底都需要保持接触；非接触转印在拾取时印章/器件/基底都需要保持接触，而在印刷时器件/基底不需要保持接触。
接触式转印通常通过对印章的结构进行设计来调节界面粘附，受主基体的性质和几何形状将会极大的限制其应用，且印章的结构设计较为复杂。
非接触式转印技术通常通过激光诱发的界面热失配来实现，然而要实现非接触印刷的目标通常需要较高的热失配温度(约300℃)，这会对印章界面造成损伤，不利于印章的重复使用。
无论是接触式转印还是非接触转印，其拾取过程都依靠范德华力来实现，然而范德华力会受到材料参数、接触面积、剥离速度的影响，自身调节范围有限，不能给予印章更大的粘附调节能力。
在我们前期的研究中，设计了一种章鱼仿生的可编程吸盘式转印印章(CN201911369616.5)，通过该印章可以实现非接触的转印，且粘附调节不依赖于范德华力。但是该印章拾取时的拾取力有限，无法从强粘附的施主基底上拾取电子器件。
发明内容
本发明针对现有气压驱动转印技术的不足，提出了一种新型气压调控的磁控薄膜转印印章及转印方法。该结构能够提供更强的拾取力，使得该印章能够从强粘附的施主基底上拾取元件。所述的转印印章由印章主体、磁性薄膜和印章底面组装而成，所述的印章主体上设置有空腔阵列，印章主体顶端还开有与空腔连通的通气孔，磁性薄膜将空腔分为上下两层，上层为具有通气孔的上层空腔、下层为贯穿印章底部的下层空腔。
其具体转印方法为：1)拾取时，首先对印章施加竖直向下的磁场，磁性薄膜在磁场的作用下产生向下的变形，下层空腔的空气被排出，将印章按压在器件表面后撤去向下磁场，磁性薄膜回弹使得下层空腔产生负压，再对印章施加反向的竖直向上的磁场，磁性薄膜产生向上的变形使得下层空腔的负压进一步增大，印章/器件界面处于强粘附状态，器件被成功拾取；2)印刷时，保持向上的磁场不变将印章/器件移动到基底上方，撤去向上的磁场外加更强的向下的磁场，薄膜产生更大的向下变形致使下层空腔产生正压，印章/器件界面处于弱粘附状态，器件被成功印刷。
除上述拾取方式外，当器件/基底界面粘附较弱时，拾取时还可不施加向下的磁场，不依靠磁性薄膜的回弹来增大下层空腔的负压，而只是单纯通过磁场调节磁性薄膜的变形来实现拾取过程，其印刷过程和原理相同。
除上述非接触的拾取方式外，在印刷时还可将印章/器件按压在受主基底上方，来实现接触式的印刷，提高印刷位置的精准性，其拾取过程和原理相同。
印章主体可选取易于加工且没有磁性的材料，如铝合金等无磁性的金属材料，还可采用亚克力等透光性较好的材料，方便对转印过程进行监测，保证其在易于制备的同时又不会受到外加磁场的影响。
磁性薄膜可选取易于加工的磁性金属材料，如铁箔等模量较高且磁性较强的材料，高模量(杨氏模量高于50Gpa)、强磁性(饱和磁感应性不低于1T) 使得薄膜在撤去磁场后更容易回弹，能够显著增大拾取力。
印章底面可选取低模量高聚物材料，如ECOFLEX等容易制备的聚合物，其模量通常低于1MPa，可以保证转印过程中印章具有良好的气密性。
优选的，为方便印章的制备，可以将印章主体材料与印章底面材料都选为PDMS(聚二甲基硅氧烷)。通过调节PDMS本体和固化剂的配比来调节 PDMS的杨氏模量，印章主体PDMS的固化剂含量较高，保证空腔内气压变化时印章主体不会有较大的形变；底面PDMS的固化剂含量较低，保证其低模量。
优选的，磁性薄膜也可采用高聚物和磁性颗粒的混合材料。高聚物还可以选取PDMS，磁性颗粒可以选取纳米铁粉，将纳米铁粉按照不同质量比例与 PDMS前聚物混合可以得到磁性和模量都可调的磁性薄膜。
除了将PDMS前聚物与纳米铁粉混合得到磁性薄膜，也可采用“夹芯板”的结构来制备磁性薄膜，即磁性薄膜具有三层结构，中间层为磁性材料如铁粉等，上下两层选用PDMS进行封装。
通常，未经过处理的高聚物(如Ecoflex、PDMS等)表面粘附较强，会对非接触印刷产生不利影响，需要对其表面进行脱粘处理以便印刷。
优选地，所述的转印印章表面处理可以通过表面化学处理以形成低粘附层，如在印章表面涂覆全氟硅烷，或者UV/Ozone光照进行表面氧化处理，进一步减小印章的表面粘附，便于印刷过程中元件的脱粘。
本发明的有益效果是：印章制备成本低廉；能够在常温下实现非接触的转印；相对于之前的气压调控的转印技术，能够提供更大的拾取力；在磁场下既能实现高效率的全局转印，也能实现精准的选择性转印。
附图说明
图1是本发明提出的气压调控的磁控薄膜印章的最小单元的结构示意图。
图2是本发明中提出的使用气压调控的磁控薄膜印章的转印原理图。
图3是本发明提出的只通过调节磁控薄膜变形来拾取器件的流程图。
图4是本发明提出的使用气压调控的磁控薄膜印章进行接触式印刷的流程图。
图5是本发明提出的对气压调控的磁控薄膜印章施加全局磁场实现大规模高效率转印的流程图。
图6是本发明提出的对气压调控的磁控薄膜印章施加选择性磁场实现可编程拾取的流程图。
图7是本发明提出的对气压调控的磁控薄膜印章施加选择性磁场实现可编程印刷的流程图。
图8是本发明提出的气压调控的磁控薄膜印章拾取力(负压)与外加磁场力关系的力学模型与计算结果图。
图中：1-印章主体 1-1上层空腔 1-2下层空腔 2-磁性薄膜 3-印章底面 4-通气孔 5-器件 6-施主基底 7-受主基底 8-拾取时竖直向下的磁场 9-拾取时竖直向上的磁场 10-印刷时竖直向下的磁场 11-竖直向上的全局磁场 12-竖直向下的全局磁场 13-竖直向上的选择性磁场 14-竖直向下的选择性磁场。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的内容。
作为一个示例，但并不限制本发明范围，图1为本发明的气压调控的磁控薄膜转印印章的最小单元的结构示意图。印章主体1的材料为制备有空腔阵列的PDMS(固化剂与本体配比为1:10)，印章主体1顶端还开有与空腔连通的通气孔4，磁性薄膜2将空腔分为上下两层，其中上层为带有通气孔4的上层空腔 1-1，下层为完全贯穿印章底部的下层空腔1-2；印章底面3的材料为固化剂与本体配比为1:20的PDMS；磁性薄膜2材料选用PDMS与铁粉的混合物，其中铁粉质量分数为70％，PDMS固化剂与本体配比为1:10；这些结构一起组成完整的转印印章。
作为一个示例，但并不限制本发明范围，图2中a-f是本发明中提出使用气压调控的磁控薄膜印章进行转印的原理图。图2中a-c:在外加磁场下拾取器件。图2中d-f:在反向的外加磁场下印刷器件。
先对印章施加竖直向下的磁场，使得磁性薄膜2产生向下的变形(图2 中a)；将印章按压到位于施主基底6的器件上后，撤去外加磁场，磁性薄膜2 由于自身的弹性发生回弹，使得下层空腔1-2内空气体积增大，压强减小，下层空腔1-2内处于负压状态(图2中b)；然后再对印章施加反向的竖直向上的磁场，磁性薄膜2产生向上的变形，下层空腔1-2内空气体积进一步增大，下层空腔1-2 内的负压进一步增大(图2中c)，保持竖直向上的磁场，并向上移动印章，器件 5与施主基底6剥离，实现拾取过程。
之后仍在竖直向上的磁场作用下，将吸附有器件5的印章移动到受主基底7上方(图2中d)，对印章施加竖直向下更强的磁场，磁性薄膜2产生向下的变形，且形变量大于图2中a的薄膜形变量，下层空腔1-2内空气被压缩，处于正压状态(图2中e)，器件5受到下层空腔1-2空气的压力，与印章脱离，实现非接触的印刷(图2中f)。
作为一个示例，但并不限制本发明范围，图3是本发明提出的只通过调节磁控薄膜变形来拾取器件的流程图。首先不施加磁场将印章移动到器件5 上方(图3中a)；然后将印章按压在器件5上方，保证下层空腔1-2不漏气，施加竖直向上的磁场，磁性薄膜2受到磁力作用产生向上的变形，下层空腔1-2内空气体积膨胀而产生负压(图3中b)；保持向上的磁场不变，向上移动印章，器件5受到负压作用被成功从施主基底6上剥离，实现拾取过程。
作为一个示例，但并不限制本发明范围，图4是本发明提出的使用气压调控的磁控薄膜印章进行接触式印刷的流程图。首先保持竖直向上的磁场，将成功拾取起器件5的印章移动到受主基底7上方(图4中a)；将器件/印章按压在受主基底7上，对印章施加竖直向下的磁场，磁性薄膜2产生向下的变形，下层空腔1-2内空气被压缩，处于正压状态(图4中b)，保持向下的磁场不变，向上移动印章，器件受到下层空腔1-2内空气的压力作用，与印章5分离，保留在受主基底7上，实现接触式的印刷(图4中c)。
作为一个示例，但并不限制本发明范围，图5是本发明提出的对气压调控的磁控薄膜印章施加全局磁场实现大规模高效率转印的流程图。其拾取过程 (图5中a-c)与图3相同，印刷过程(图5中d-f)与图2相同，只是整个转印过程使用大范围的全局磁场，来大规模的拾取和印刷器件，提高转印的效率。
作为一个示例，但并不限制本发明范围，图6是本发明提出的对气压调控的磁控薄膜印章施加选择性磁场实现可编程拾取的流程图。首先将印章移动到器件5上方(图6中a)；将印章按压到器件5上后，对指定位置的印章区域施加向上的局部磁场，该位置的磁性薄膜2向上变形，下层空腔1-2内产生负压(图 6中b)；然后向上移动印章，指定位置的器件5被成功拾取(图6中c)。
作为一个示例，但并不限制本发明范围，图7是本发明提出的对气压调控的磁控薄膜印章施加选择性磁场实现可编程印刷的流程图。其拾取过程同图 5，而在印刷时将全局磁场换为局部磁场。首先在竖直向上的全局磁场作用下将拾取有器件的印章移动到受主基底7上方(图7中a)；对将要印刷的区域施加竖直向下的局部磁场，其余位置施加竖直向上的局部磁场(图7中b)；印刷位置的磁性薄膜2向下变形，下层空腔1-2内产生正压，器件被成功印刷(图7中c)。
对于气压调控的磁控薄膜印章，其拾取力(负压)与外加磁场力的力学模型如图8中a所示。印章下层空腔1-2的高度为h，磁性薄膜的厚度为t，空腔半径为R，磁场力为q1，磁性薄膜在磁场力下产生的变形为w，由此产生的拾取力(负压)为ΔP1。
下层空腔1-2内的空气在磁性薄膜未变形时，其初始压强P0为一个大气压即101Kpa，体积为V0；在薄膜变形后，其压强为P1，体积为V1；在对空腔内的空气列出理想气体状态方程可知：
P0V0＝P1V1 (1)
由上式可得：
Figure BDA0002440835560000061
则由压强差产生的拾取力(负压)为：
Figure BDA0002440835560000062
上式中ΔV＝V1-V0为磁性薄膜变形前后下层空腔1-2内空气体积的变化。
而体积变化和磁性薄膜在磁力作用下的挠度相关，将磁性薄膜看作四周固支的圆形薄板，则其在均部载荷作用下的挠度可表示为：
Figure BDA0002440835560000071
其中w0为薄板中心处的挠度，其与均布载荷q的关系为：
Figure BDA0002440835560000072
E,v分别为薄膜材料的弹性模量和泊松比。由薄膜的挠曲变形而引起的空腔体积变化为：
Figure 1
将(5)式及(6)式代入(3)式可得：
Figure BDA0002440835560000074
上式中
Figure BDA0002440835560000075
为无量纲的磁场力，并将(7)式变换为：
Figure BDA0002440835560000076
Figure BDA0002440835560000077
为无量纲的拾取力，根据式(8)可做出其与无量纲的磁场力Q的关系图。
令
Figure BDA0002440835560000078
为无量纲的空腔高度，
Figure BDA0002440835560000079
为无量纲的磁性薄膜厚度。现取磁性薄膜的泊松比v为0.5，杨氏模量E为2Mpa，无量纲的空腔高度为1，无量纲的磁性薄膜厚度为0.01，磁场压力由0增加值50Kpa，可做出无量纲磁场力与无量纲拾取力的关系图如图8中b所示。可以看出，在上述几何和材料参数下，当磁场压强达到50Kpa时，拾取力就可达到近0.7个大气压，相对于以往的章鱼仿生的吸盘式印章显著提升了拾取力。

Claims (10)

1.一种气压调控的磁控薄膜转印印章，其特征在于，由印章主体、磁性薄膜和印章底面组装而成；所述的印章主体上设置有空腔阵列，印章主体顶端还开有与空腔连通的通气孔，磁性薄膜将空腔分为上下两层，上层为具有通气孔的上层空腔；下层为贯穿印章底部的下层空腔。
2.根据权利要求1所述的气压调控的磁控薄膜转印印章，其特征在于，所述的印章主体材料为无磁性的金属或亚克力。
3.根据权利要求1所述的气压调控的磁控薄膜转印印章，其特征在于，所述的印章底面材料为杨氏模量低于1MPa的高聚物材料。
4.根据权利要求1所述的气压调控的磁控薄膜转印印章，其特征在于，所述的磁性薄膜材料为杨氏模量高于50GPa且饱和磁感应性不低于1T磁性金属材料。
5.根据权利要求1所述的气压调控的磁控薄膜转印印章，其特征在于，印章主体材料与印章底面材料都为聚二甲基硅氧烷，印章主体材料的固化剂含量高于印章底面材料。
6.根据权利要求1所述的气压调控的磁控薄膜转印印章，其特征在于，磁性薄膜采用高聚物和磁性颗粒的混合材料，将磁性颗粒按照不同质量比例与高聚物混合得到磁性和模量都可调的磁性薄膜。
7.根据权利要求1所述的气压调控的磁控薄膜转印印章，其特征在于，所述的磁性薄膜具有三层结构，中间层为磁性材料，上下两层选用高聚物进行封装。
8.根据权利要求1所述的气压调控的磁控薄膜转印印章，其特征在于，对印章底面涂覆全氟硅烷，或者使用UV/Ozone光照进行氧化处理，以减小印章的界面粘附。
9.一种大规模可编程转印方法，其特征在于，基于如权利要求1-8任一项所述的印章实现，步骤如下：
拾取时，首先对印章施加竖直向下的磁场，磁性薄膜在磁场的作用下产生向下的变形，下层空腔的空气被排出，将印章按压在器件表面后撤去向下磁场，磁性薄膜回弹使得下层空腔产生负压，再对印章施加反向的竖直向上的磁场，磁性薄膜产生向上的变形使得下层空腔的负压进一步增大，印章/器件界面处于强粘附状态，器件被成功拾取；
印刷时，保持向上的磁场不变将印章/器件移动到基底上方，撤去向上的磁场，外加更强的向下的磁场，薄膜产生更大的向下变形致使下层空腔产生正压，印章/器件界面处于弱粘附状态，器件被成功印刷。
10.根据权利要求9所述的大规模可编程转印方法，其特征在于，外加驱动为全局磁场时，驱动印章实现大规模高效转印；外加驱动为局部磁场时，驱动印章实现可编程图案化转印。
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