CN113223986A - 吸盘式热驱动可编程弹性转印印章及转印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种吸盘式热驱动可编程弹性转印印章及转印方法，该印章由衬底和吸盘状的印章主体组装而成；转印方法为：1)拾取：在印章主体与放置在施主基底上的器件表面接触之后，对印章施加向下的压力，印章主体向下挤压发生变形，减小印章主体与器件之间的空腔间隙。印章抬升时，印章主体与器件之间的封闭空腔增大，形成负压，印章/器件界面处于强粘附状态，器件被成功拾取；2)印刷：将印章/器件移到受主基底上方，施加激光加热印章主体，空腔内空气受热膨胀，对器件产生正压，印章/器件界面处于弱粘附状态，器件被成功印刷。本发明在拾取时无需温度调控，在印刷时利用激光印刷，既能实现高效率的全局转印，也能实现精准的选择性印刷。
Description
技术领域
本发明涉及一种转移印刷技术，尤其涉及一种吸盘式热驱动可编程弹性转印印章，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
作为一种多功能的异质异构集成组装技术，转印技术可以将不同种类、独立制备的离散元件在同一个基底上进行大规模集成，进而形成空间有序的功能系统。转印技术常常使用一种高聚物印章作为转移器件的中间媒介，具有成本低，操作方便，转印效率高和对器件无污染等优点，所以常被应用于各种电子器件的集成与制备。例如，将大量微型发光二极管(Micro LED)集成在显示面板上制造Micro LED显示屏幕；将脆性的半导体材料集成在柔软基底上制作柔性可拉伸无机电子器件。
通常，转印技术利用高聚物印章与器件界面强弱粘附力的调节来实现印章对器件在不同基底上的转移。因此，转印的成功关键在于印章/器件界面的粘附调控方式。
现有转印技术的粘附调控原理有许多种，如动态粘附调控，方向相关的粘附调控，激光热失配粘附调控，接触面积粘附调控和刚度调控抓手等等，这些调控技术粘附调控范围有限，难以通过简单快速的方式增强转印过程中的拾取力，难以拾取强粘附基底上的器件。
基于气压调控的转印技术可以通过调控气压来增强对器件的拾取力。但现有的气压调控方式，如在印章拾取器件前先加热印章，接触器件后再冷却印章以增强粘附力的方式，大大增加了拾取所需要的时间；亦或是利用多层印章结构实现气压调控的方式，增加了印章装配环节，提高了印章制作的难度。
先前有类似原理的专利，如章鱼仿生的可编程吸盘式转印印章及转印方法(申请号：CN201911369616.5)和热控可编程气压式转印印章及转印方法(申请号：CN202010264723.8)。但这两种方法是通过磁场驱动或热驱动促进薄膜变形进而调控气压，对器件实现拾取。本发明提出的印章主要是在拾取阶段通过与器件之间的相互挤压，排出气体，实现对器件的拾取，与先前专利拾取阶段调控气压的方式不同。
发明内容
本发明针对现有气压调控转印技术的不足，提出了一种吸盘式热驱动可编程弹性转印印章及转印方法。通过简单地施加预载荷，该印章能够在常温下以更强的拾取力快速拾取器件，在激光作用下高速印刷器件。所述的转印印章由衬底和印章主体组装而成，所述的印章主体形状呈圆形、中间凹陷的盘状(吸盘状)。
其具体转印方法为：1)拾取时，将印章按压在器件/施主基底上，印章主体和器件之间形成封闭空腔。印章主体在压力作用下产生变形，封闭空腔内的空气被部分排出。当印章被抬升时，印章主体发生变形，封闭空腔内形成负压，印章/器件界面处于强粘附状态，器件被成功拾取；2)印刷时，将印章/器件移动到受主基底上方，对印章进行激光加热，封闭空腔内的空气受热膨胀对器件产生正压，印章/器件界面处于弱粘附状态，同时印章恢复原来的形状，器件被成功印刷。本发明通过封闭空腔内气体体积的变化来改变封闭空腔内的气压，从而实现增强粘附或削弱粘附的效果。
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，其拾取过程和原来相同。
印章衬底可选取易于加工且透明的杨氏模量比印章主体要高的材料，如聚二甲基硅氧烷，还可采用玻璃等透光性较好的材料，方便对转印过程进行监测，同时降低在激光作用下受到的热损伤。
优选的，为加快印章的热传导速率，缩短加热空腔内空气的时间，提高印章的效率，可以在制备印章主体时向其中加入质量分数10-20％的银纳米线等纳米金属材料，在提升印章热传导性能的同时，又保证了印章的良好透光性。
外加温度场可以为全局的热板加热或局部激光加热。在全局加热下实现大规模高效率的转印；在激光局部加热下实现可编程的图案化转印。
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：结合气压和材料粘附两种作用力，使得印章的拾取力更大；所述印章主体呈圆形、中间凹陷的盘状，无需加热，可直接拾取器件，因此印刷速度快，转印时间短；在激光的热驱动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是本发明提出的吸盘式热驱动可编程弹性转印印章的最小单元的结构示意图。
图2是本发明中提出的吸盘式热驱动可编程弹性转印印章的转印原理图。
图3是本发明提出的通过调节印章主体变形来拾取器件的流程图。
图4是对本发明提出的吸盘式热驱动可编程弹性转印印章加热来拾取器件的流程图。
图5是本发明提出的吸盘式热驱动可编程弹性转印印章进行非接触式印刷的流程图。
图6是对本发明提出的吸盘式热驱动可编程弹性转印印章施加全局激光实现大规模高效率转印的流程图。
图7是对本发明提出的吸盘式热驱动可编程弹性转印印章施加选择性激光实现可编程拾取的流程图。
图中：1-印章衬底 2-印章主体 3-封闭空腔 4-器件 5-施主基底 6-受主基底 7-印刷时的激光 8-拾取时的激光 9-印刷时的全局激光 10-印刷时的选择性激光
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为本发明的吸盘式热驱动可编程弹性转印印章的最小单元的结构示意图。印章主体2的材料为聚二甲基硅氧烷(固化剂与本体配比为1:10)；印章主体2顶端的印章衬底1的材料为聚二甲基硅氧烷(固化剂与本体配比为1:5)；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是本发明中提出的吸盘式热驱动可编程弹性转印印章的转印原理图。图2中a-c:在外加压力下拾取器件。图2中d-f:在外加激光下印刷器件。
先将印章移动到位于施主基底5的器件4上方并与之接触(图2中a)形成封闭空腔3，对印章施加向下的压力，印章主体2向下挤压发生变形，减小了印章主体2与器件4之间的封闭空腔3(图2中b)。印章抬升时，印章主体2与器件4之间的封闭空腔3增大，形成负压，印章/器件界面处于强粘附状态，器件被成功拾取。(图2中c)。
之后将吸附有器件4的印章移动到受主基底6上方(图2中d)，施加激光(印刷时的激光7)加热印章主体2，封闭空腔3内空气受热膨胀，对器件4产生正压(图2中e)，印章/器件界面处于弱粘附状态，器件被成功印刷(图2中f)。
作为一个示例，但并不限制本发明范围，图3是本发明的通过调节印章主体变形来拾取器件的流程图。首先将印章与器件4接触(图3中a)；然后对印章施加压力，使之与器件4形成封闭空腔3(图3中b)，印章向上抬升时封闭空腔3内的压强减小，处于负压状态，器件4受到负压作用被成功从施主基底5上剥离，实现拾取过程(图3中c)。
作为一个示例，但并不限制本发明范围，图4是对本发明提出的仿吸盘式热驱动可编程弹性转印印章加热来拾取器件的流程图。首先将印章移动到器件4上方，将印章加热(图4中a)，印章与器件紧密接触形成封闭空腔后，冷却印章，形成负压(图4中b)，然后抬升印章，印章主体变形，封闭空腔3体积增大，空腔内的负压进一步增大，产生更强的拾取力，完成拾取过程(图4中c)。
作为一个示例，但并不限制本发明范围，图5是本发明的吸盘式热驱动可编程弹性转印印章进行非接触式印刷的流程图。首先将成功拾取起器件4的印章移动到受主基底6上方(图5中a)；施加激光(印刷时的激光7)加热印章主体，封闭空腔3内空气受热膨胀，对器件4产生正压(图5中b)，印章/器件界面处于弱粘附状态，器件4被成功印刷(图5中c)。
作为一个示例，但并不限制本发明范围，图6是对本发明提出的吸盘式热驱动可编程弹性转印印章施加全局激光实现大规模高效率转印的流程图。其拾取过程(图6中a-c)与图3相同，印刷过程(图6中d-f)与图5相同，只是整个转印过程使用大范围的全局激光(印刷时的全局激光9)，来大规模的拾取和印刷器件4，提高转印的效率。
作为一个示例，但并不限制本发明范围，图7是对本发明提出的吸盘式热驱动可编程弹性转印印章施加选择性激光加热实现可编程印刷的流程图。其拾取过程同图3，而在印刷时将激光全局加热(印刷时的全局激光9)换为激光局部加热(印刷时的选择性激光10)。首先将拾取有器件4的印章移动到受主基底6上方(图7中a)；对将要印刷的区域施加局部激光加热(印刷时的选择性激光10)，封闭空腔3内空气膨胀挤压器件4，同时印刷位置的印章回弹(图7中b)，器件4被成功印刷(图7中c)。
Claims (9)
1.一种吸盘式热驱动可编程弹性转印印章，其特征在于，所述印章由衬底和以及设于衬底下端的印章主体组装而成；所述的印章主体形状呈圆形、中间凹陷的盘状，所述的印章主体材料为杨氏模量低于10MPa的高聚物材料。
2.根据权利要求1所述的吸盘式热驱动可编程弹性转印印章，其特征在于，所述的印章衬底材料的杨氏模量等于或大于印章主体材料的杨氏模量。
3.根据权利要求1所述的吸盘式热驱动可编程弹性转印印章，其特征在于，对印章主体底面涂覆全氟硅烷，或者使用UV/Ozone光照进行氧化处理，以减小印章主体的界面粘附。
4.根据权利要求1所述的吸盘式热驱动可编程弹性转印印章，其特征在于，所述的印章主体材料为聚二甲基硅氧烷。
5.根据权利要求4所述的吸盘式热驱动可编程弹性转印印章，其特征在于，所述印章的衬底材料为聚二甲基硅氧烷，印章衬底材料的固化剂含量不低于印章主体材料。
6.一种大规模可编程转印方法，其特征在于，基于如权利要求1-5任一项所述的印章实现，步骤如下：
拾取时，将印章按压在器件/施主基底上，印章主体和器件之间形成封闭空腔，印章主体在压力作用下发生变形，封闭空腔内的空气被部分排出；印章抬升时，印章主体与器件之间的封闭空腔增大，形成负压，印章/器件界面处于强粘附状态，器件被成功拾取；
印刷时，将印章/器件移到受主基底上方，施加激光加热印章主体，封闭空腔内空气受热膨胀，对器件产生正压，印章/器件界面处于弱粘附状态，器件被成功印刷。
7.根据权利要求6所述的大规模可编程转印方法，其特征在于，外加驱动为全局激光加热时，驱动印章实现大规模高效转印；外加驱动为局部激光加热时，驱动印章实现可编程图案化转印。
8.根据权利要求6所述的大规模可编程转印方法，其特征在于，所述的拾取方式为：在印章与器件接触之前，先加热印章，然后在印章和器件接触形成封闭空腔后，冷却印章至室温，降低印章和器件之间封闭空腔内的气压，然后提升印章，对器件产生更强的拾取力。
9.根据权利要求6所述的大规模可编程转印方法，其特征在于，所述的印刷方式为：将印章上的器件与受主基底接触，然后施加激光加热印章主体，空腔内空气受热膨胀，对器件产生正压，印章/器件界面处于弱粘附状态，印章抬升，器件被成功印刷，实现接触式印刷。
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