CN112133667B - 一种微型器件转移装置及转移方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型器件转移装置及转移方法，微型器件转移装置包括控温基板、形貌适应层和阵列排布的黏附单元，所述黏附单元包括弹性体和设于弹性体内用于控制其温度的控温元件组，黏附单元的弹性体为微米级柱状结构，所述弹性体采用熵弹性材料制成，所述控温元件组与控温基板电性连接。转移过程中，根据目标转移器件的重量和形状，通过控温基板设定对应黏附单元的目标温度，与目标器件形成良好接触后将器件拾取并转移至目标位置；控温元件组断电，黏附单元与目标器件分离，完成器件转移。本发明能够根据需要调节黏附力大小，基本能够防止在转移过程中对器件产生应力，尤其适用于高精度器件和超薄器件的转移。

Description

一种微型器件转移装置及转移方法

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及一种芯片转移技术，具体涉及一种微型器件转移装置及转移方法。

背景技术

随着电子制造技术的发展，电子设备的小型化和低成本化也使得其中的电子器件向着更轻、更薄以及更高效的方向发展。以电子芯片举例，自上世纪五十年代第一代芯片以来，芯片制备技术发展迅速，如尺寸在微米量级的微型芯片在诸如显示器件、手机甚至于生物体内均具有极大的应用前景。但是，在制备完成后，如何在不对芯片造成损害的基础上，快速稳定将芯片大批量的从施体基板转移到接收基板进行进一步的作业，成为本领域技术人员需要解决的问题。

目前，已有专利和文献提供了一些解决方案：公开号为CN210245498U的专利提供了一种微型芯片转移装置，利用外加电场作用，使弹性印模载体表面产生静电从而吸附目标芯片。但电场和静电作用可能会对芯片内部结构造成影响，从而限制了该转移装置的实用性。同样的，公开号为CN110753487A的专利提供了一种利用液体水膜的毛细作用吸附芯片的装置，虽然这种作用力柔和，不易破坏芯片，但水汽对芯片内部结构也容易产生影响。公开号为CN 110752167A和CN110797295A的专利分别利用光敏胶层受到光照的相变或体积收缩膨胀来控制芯片的黏附和脱附，但在此过程中，光敏胶层受压会有很大的形变，施压过程操作不当容易损伤芯片，此外，光敏胶也容易残留在目标芯片的表面，从而造成污染。

此外，对于一些表面具有曲率的芯片等电子器件，现有的芯片转移装置往往难以与其表面形成良好的接触，从而导致黏附和转移的过程的不稳定甚至失败。

综上，目前需要一种可以与电子器件表面形成良好接触，能够精确控制黏附力大小的转移装置，以解决现有技术的缺失。

发明内容

本发明目的在于提供一种可控微型器件转移装置，具有可适应目标器件表面形貌的形貌适应层和黏附单元，以及各个黏附单元内独立的控温系统，在极小外力作用下，即可与待转移目标器件形成良好的接触，保持可控的均匀黏附性能，对微型器件进行快速、无伤害的大批量可选择性转移。

为达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种微型器件转移装置，其特征在于，包括控温基板、形貌适应层和阵列排布的黏附单元，所述黏附单元包括弹性体和设于弹性体内用于控制其温度的控温元件组，黏附单元的弹性体为微米级柱状结构，所述弹性体采用熵弹性材料制成，所述控温元件组与控温基板电性连接。

本发明形貌适应层的作用在于黏附单元阵列与待转移的微型器件接触时，黏附单元能够在发生部分微型压缩变形，使得与微型器件形状匹配的所有黏附单元都能与微型器件均衡接触，均衡转移过程中微型器件的应力，防止微型器件变形，或者适应表面不平整的微型器件，特别是对于超薄微型器件，转移效果最好。

本发明之所以选择黏附单元阵列，是因为该尺寸级别的黏附单元阵列具有壁虎攀爬的仿生原理，本身就对微型器件具有一定的黏附力，只是这种黏附力一般小于微型器件自身重力，导致无法直接通过这种仿生黏附力将微型器件吸附起来，所以本发明黏附单元采用熵弹性材料制成，熵弹性材料有一个特性，那就是在一定温度范围内随着温度升高，其黏附力会变大，而本发明本身就因为仿生结构具有一定的黏附力，因此，只需要通过升温稍微增大熵弹性材料的黏附力，那么即可使得整体黏附力大于微型器件自身重力，实现对微型器件的黏附，当停止加热升温时，黏附单元自然散热降温，整体黏附力低于其自身重力，就能实现对微型器件的分离，本发明结合了仿生黏附和变温黏附，提供了一种全新的微型器件转移原理，使得本发明转移过程简单，容易控制。

再者，由于本发明黏附单元阵列本身具有一定的黏附力，所以本发明对黏附单元的升温所需热量远小于现有技术中变温吸附的热量，所以容易控制。本发明熵弹性材料的黏附力变化与温度基本成逐渐变化关系，不存在突变，所以，本发明与微型器件分离时比较柔和，可以有效防止微型器件分离时突然掉落导致移位、损坏或者产生碰撞应力等情况发生。

最后，本发明采用阵列型黏附单元，除了可以具有仿生黏附力以外，还可以对不同形状面积的微型器件进行自适应，本发明转移器件时，只选择控制与器件形状匹配范围内的黏附单元升温，这样既能节约能源，又能防止不必要的干扰，最重要的是本发明无需针对每种器件形状开发一个独有的微型器件转移装置，通过阵列型黏附单元的选择，一个微型器件转移装置可以自动适应多种不同形状的微型器件转移，大大提高了微型器件转移装置的适应范围，降低了使用成本。

进一步地，所述形貌适应层为整体结构或与黏附单元一一对应的离散结构。整体结构的形貌更加适用于平整型的超薄微型器件，离散结构的形貌更加适用于表面不平整的微型器件。

进一步地，所述形貌适应层采用易压缩不易拉伸且为隔热绝缘的各向异性材料制成，采用这种材料制成使得本发明形貌适应层易于变形，与微型器件进行形貌自适应，但是同时在转移过程中能够很好保持微型器件原有形状，防止因为自身重力和其他因素造成微型器件变形，减少微型器件转移过程中的应力产生。

进一步地优选，本发明形貌适应层为力学性能各向异性的三维多孔材料层，通过三维形状的拓扑结构，使得本发明形貌适应层具有各向异性的力学性能，该类材料比如在在空间内多棱锥排布材料或者类海绵材料，三维多孔材料层为采用树脂或者橡胶采用3D打印技术制成所需的三维拓扑结构，树脂或者橡胶材料本身具有隔热绝缘性能，比如聚丙烯，聚乙烯，聚氯乙烯，聚醚醚酮，聚苯乙烯等等。该结构具有很好的压缩能力，但是抗拉伸，既能保证黏附单元阵列与微型器件的良好接触，又能保持微型器件原有形状。

进一步地优选，三维多孔材料层的具体形态可以为蜂窝多孔、菱形多孔

进一步地，所述弹性体的柱状结构截面为圆形、多边形中的任一种或多种方式的组合，所述黏附单元通过四方排列、六方排列或不规则排列中的任一种或多种方式形成阵列，在器件转移装置表面的分布为局部或全覆盖。

进一步地，所述黏附单元的弹性体的末端有一用于黏附器件的薄层，薄层直径略大于柱状结构的直径，通过该薄层本发明可以增加单个黏附单元与微型器件的接触面积，从而增大黏附力。

进一步地，所述黏附单元内部的控温元件组为多个控温元件组成的阵列结构，通过该阵列结构使得黏附单元升温均衡，防止局部温度变化过大，导致黏附单元因热胀冷缩而变形，从而在黏附过程中对微型器件造成应力。

进一步地，所述黏附单元内控温元件的弹性模量大于外层的弹性体，使得本发明控温元件不仅有控温功能，还具有增强弹性体的功能，防止弹性体在转移器件过程中被拉长，造成微型器件变形。

进一步地，所述单个黏附单元内部控温元件与外层的弹性体之间存在结构互锁、化学键、氢键、特异性相互作用、分子缠绕中的任一种或多种组合。

进一步地，所述控温元件为线性结构，所述黏附单元内部控温元件的阵列结构中，沿着柱状结构长度方向，控温元件呈中间低四周高和/或中间稀四周密的分布状态，因为控温元件加热过程中，黏附单元的弹性体外侧与空气接触散热快，内部被包裹起来散热慢，所以实际加热起来会导致中间升温快，四周升温慢，这种温度不均已也会导致黏附单元的弹性体产生微小变形，这种微小变形对于超薄或者高精度要求的微型器件转移来说还是存在较大影响，在控温元件相同的温度设定情况下，采用这种分布结构，可以进一步保证黏附单元的弹性体受热均衡。所述黏附单元内部控温元件的阵列结构中，控温元件加热功率单独可调。

进一步地，所述控温元件为直线形、螺旋形、波浪形、锯齿形结构中的任一种或多种组合。

进一步地，所述控温元件组中的控温元件包括加热模块和测温模块，所述加热模块采用导电型的电热丝，所述测温模块为温度传感器或者与电热丝集成在一起的自限温电热丝。

进一步地，所述加热模块采用包括但不限于金属电热丝、高模量导电橡胶或者添加导电石墨烯改性的高模量纤维。

进一步地，所述弹性体采用橡胶性材料制成。比如聚二甲基硅氧烷硅橡胶、乙丙橡胶等等。

一种利用上述任意一项所述微型器件转移装置的微型器件转移方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据待转移的微型器件形状和材料类型，选择阵列中对应的黏附单元进行温度设定；

步骤2、将微型器件转移装置放置在微型器件上，使得黏附单元接触微型器件表面，微米级柱状结构在仿生机理下就对微型器件具有一定的黏附力，通过控温基板启动相应的黏附单元加热，使得黏附单元的弹性体升温，黏附力变大，当黏附力大于自身重力时，微型器件就能随微型器件转移装置一起移动；

步骤3、通过微型器件转移装置将黏附的微型器件转移到所需位置后，停止黏附单元的加热，黏附单元的弹性体的温度降低，黏附力变小，在其自身重力作用下与黏附单元分离，达到微型器件转移的目的。

本发明微型器件转移装置主要用于微型芯片转移，比如显示器封装过程中的发光芯片巨量转移或者其他电子芯片的转移。

相比于现有技术而言，本发明具有以下有益效果：

1、由于黏附单元中内部控温元件组中独立控温系统的存在，黏附单元可根据各个部位的实际温度进行温度调整，使整体温度始终控制在设定温度，极大的提高了其温度和黏附力的均匀性，避免黏附单元热膨胀不均导致与目标器件局部接触效果不佳引起的脱附，提高了黏附稳定性和转移成功率；

2、微型器件转移装置中形貌适应层和黏附单元结构（如易变形的控温元件结构、柱子末端的薄片结构等）可以很好的适应目标器件的表面形貌，保证在极小外力下黏附单元即可获得强健均匀的黏附力，提高对非水平表面器件的转移能力和转移效果；

3、黏附单元的黏附力通过温度精确控制，可以根据目标器件自重和形貌来调整合适的黏附力大小，在保证足够的黏附力同时，避免继续增加黏附力造成的额外能量损耗，降低器件转移作业的成本；

4、由于黏附单元内部控温元件与外层弹性体材料之间存在相互作用，在反复作业后不会因为控温元件与弹性体材料之间剥离而产生空隙，而影响黏附单元的加热和黏附效果，有效提高了黏附单元的使用寿命；

5、由于每个黏附单元的黏附力可以独立控制，所以可以根据作业需要，选择性的转移经过图案化的器件，而且可以同时转移不同型号的器件，达到智能可控器件转移的目的。

附图说明

图1为本发明提供的一种可控微型器件转移装置侧视图。

图2为本发明提供的一种可控微型器件转移装置仰视图。

图3为本发明实施例1中内部具有螺旋形控温元件组的黏附单元结构示意图。

图4为本发明实施例1中黏附单元的黏附力随温度的变化曲线。

图5为本发明实施例2中内部具有波浪形控温元件组的黏附单元结构示意图。

图6为本发明实施例1中形貌适应层的一种拓扑结构示意图。

图标：1-控温基板，2-形貌适应层，3-黏附单元，31-控温元件组，32-弹性体，5-聚氯乙烯拓扑结构形貌适应层，6-微米螺旋形柱，7-微米级硅橡胶圆柱，8-聚醚醚酮拓扑结构形貌适应层，9-陶瓷材质微米波浪形控温元件阵列，10-乙丙橡胶。

具体实施方式

以下通过结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

如图1至图4所示，一种微型器件转移装置，总体为立方体形状，包括：控温基板、隔热绝缘的形貌适应层和多行多列排列的黏附单元。所述黏附单元包括弹性体和设于弹性体内用于控制其温度的控温元件组，黏附单元的弹性体为高10微米、直径20微米的微米级硅橡胶圆柱，柱顶薄片厚度1微米、直径24微米；黏附单元内部控温元件为金属材质的微米螺旋形柱，螺旋形柱成六边形阵列排布形成控温元件组，单个螺旋形的控温元件高为8微米、直径为4微米。

具体的，形貌适应层为增材制造的聚氯乙烯拓扑结构形貌适应层（拓扑结构如图6所示），黏附单元内部控温元件为金属材质的电子元器件，黏附单元的弹性体为聚二甲基硅氧烷硅橡胶，整体结构采用3D打印制作。

针对于该可控微型器件转移装置，在作业前，已通过黏附力测试仪器，进行不同温度下黏附单元的黏附力测试，测试温度范围为40到180摄氏度，获得该温度范围内黏附单元随温度的变化趋势，测试温度点数量应大于5个以上增加趋势准确性，如图4所示，黏附单元的黏附力与温度基本呈线性相关。

根据选定器件自重和形貌，通过图4曲线获取黏附单元所需升温，通过控温基板设定其温度，电子元器件通电，使加控温元件开始迅速升温，直至达到黏附单元的弹性体的设置温度，使黏附单元与目标器件形成良好接触后将器件拾取并转移至目标位置；电子元器件断电，黏附单元与目标器件分离，完成一次器件转移。

实施例2

基于实施例1的可控微型器件转移装置结构设计，形貌适应层可换为增材制造的聚醚醚酮拓扑结构形貌适应层，黏附单元排布方式可换为四方排列，如图5所示，黏附单元内部控温元件组替换为陶瓷材质微米波浪形控温元件阵列，弹性体可换为乙丙橡胶。

具体的，黏附单元尺寸为高10微米、直径15微米，柱顶薄片厚度1微米、直径25微米，单个内部控温元件尺寸为高7微米、宽4微米。

黏附单元的黏附力测试中，测试温度范围为20到150摄氏度。

实施例3

基于实施例1的可控微型器件转移装置结构设计，形貌适应层可换为增材制造的聚醚醚酮拓扑结构形貌适应层，黏附单元排布方式可换为四方排列，黏附单元内部控温元件组为陶瓷材质微米波浪形控温元件阵列，弹性体为乙丙橡胶，陶瓷材质微米波浪形控温元件阵列呈中间低四周高的分布状态。

具体的，黏附单元尺寸为高11微米、直径14微米，柱顶薄片厚度1微米、直径24微米，单个内部控温元件尺寸为高8微米、宽5微米。

黏附单元的黏附力测试中，测试温度范围为20到160摄氏度。

需要说明的是，本发明上述仅为举例说明，没有公开部分采用现有技术中公知常识，比如整体结构制作可以采用3D打印技术制作，控温元件组的控温方式和与控温基板的连接方式均采用公知常识，控温基板为微型电路板加上微型控制器。

需要说明的是，本发明黏附力测试的温度范围不限于上述实施例范围，实际为20-200摄氏度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种微型器件转移装置，其特征在于，包括控温基板、形貌适应层和阵列排布的黏附单元，所述黏附单元包括弹性体和设于弹性体内用于控制其温度的控温元件组，黏附单元的弹性体为微米级柱状结构，所述弹性体采用熵弹性材料制成，所述控温元件组与控温基板导电连接；

所述黏附单元内部的控温元件组为多个控温元件组成的阵列结构，控温元件的弹性模量大于外层的弹性体；

所述控温元件为线性结构，所述黏附单元内部控温元件的阵列结构中，沿着柱状结构长度方向控温元件呈中间低四周高和/或径向呈中间稀四周密的分布状态；所述黏附单元内部控温元件的阵列结构中，控温元件加热功率单独可调。

2. 根据权利要求1所述的微型器件转移装置，其特征在于：所述形貌适应层为整体结构或与黏附单元一一对应的离散结构。

3.根据权利要求2所述的微型器件转移装置，其特征在于：所述形貌适应层为力学性能各向异性的三维多孔材料层，该三维多孔材料层具有易压缩不易拉伸的特性且为隔热绝缘材料。

4.根据权利要求1所述的微型器件转移装置，其特征在于：所述弹性体的柱状结构截面为圆形、多边形中的任一种或多种方式的组合，所述黏附单元通过四方排列、六方排列或不规则排列中的任一种或多种方式形成阵列，在器件转移装置表面的分布为局部或全覆盖。

5.根据权利要求1所述的微型器件转移装置，其特征在于：所述单个黏附单元内部控温元件与外层的弹性体之间存在结构互锁、化学键、氢键、特异性相互作用、分子缠绕中的任一种或多种组合。

6.根据权利要求1所述微型器件转移装置，其特征在于：所述控温元件为直线形、螺旋形、波浪形、锯齿形结构中的任一种或多种组合。

7.根据权利要求1所述的微型器件转移装置，其特征在于：所述控温元件组中的控温元件包括加热模块和测温模块，所述加热模块采用导电型的电热丝，所述测温模块为温度传感器或者与电热丝集成在一起的自限温电热丝。

8.一种利用权利要求1-7任意一项所述微型器件转移装置的微型器件转移方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据待转移的微型器件形状和材料类型，选择阵列中对应的黏附单元进行温度设定；

步骤2、将微型器件转移装置放置在微型器件上，使得黏附单元接触微型器件表面，微米级柱状结构在仿生机理下就对微型器件具有一定的黏附力，通过控温基板启动相应的黏附单元加热，使得黏附单元的弹性体升温，黏附力变大，当黏附力大于自身重力时，微型器件就能随微型器件转移装置一起移动；

步骤3、通过微型器件转移装置将黏附的微型器件转移到所需位置后，停止黏附单元的加热，黏附单元的弹性体的温度降低，黏附力变小，在其自身重力作用下与黏附单元分离，达到微型器件转移的目的。

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