CN115090896B - 一种导线互联电流体喷印装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种导线互联电流体喷印装置及方法，属于先进制造技术领域。该装置包括供液模块、运动模块和视觉模块，通过观测相机观察针尖和基底的相对位置，利用驱动电源控制运动模块，气压控制柜调整输出气压参数，在热场辅助作用下完成互联结构的打印。改变针尖内径尺寸、输出气压大小、施加电压大小、运动模块的移动速度及打印溶液成分等，能够实现不同结构尺寸的互联结构的打印。本发明在热场辅助作用下完成空间互联结构的打印，具有结构简单、操作方便、成型快、加工效率高、适用范围较广等特点，对集成电路的封装等领域具有广泛的应用。

Description

一种导线互联电流体喷印装置及方法
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，涉及一种导线互联电流体喷印装置及方法。
背景技术
导线互联技术是半导体封装的重要工艺，内部芯片和外部管脚以及芯片之间的导电连接，作为芯片和外界之间的输入/输出的重要保证。半导体器件的失效约有1/4～1/3是由芯片互联引起的，故芯片互联对器件长期使用的可靠性影响很大。随着集成电路的发展，芯片的尺寸向更小、更薄的方向发展，互联技术也直接影响到封装的总厚度，使互联的技术难度不断提高，先进的导线技术不断发展以适应各种半导体新工艺的要求。引线键合工艺在目前封装方式中起到主导地位，常用的引线键合方式有3种，分别是热压键合、超声键合和热声键合。它具有工艺简单、成本低廉和应用范围广的优点。然而引线键合技术对键合面要求较高，容易出现键合失效和破坏衬底的问题，并且焊盘节距受线径影响较大，很难对尺寸进一步缩小。
目前，导电浆料已被用于电子设备的微电极之间的连接，例如太阳能电池导电互联件，驱动器集成电路芯片和电路板之间以及液晶显示器面板中的微型图形电极终端之间的连接等。具有可变形、可回收的导电材料与基底具有很好的结合力，可以长时间提供可靠的互联。然而目前对于导电浆料空间互联结构的研究还比较少。
具有高分辨率特性的电流体喷射打印是利用电流体动力效应聚焦形成精细射流，结合运动平台可在衬底上直接喷印微/纳米尺度的功能结构。电喷打印具有分辨率高、材料适应性广、工艺简单、制造过程高效环保等诸多优点，可以快速喷印多种三维结构，并可以选择多种导电材料，对三维导电互联结构的打印提供依据。
发明内容
为解决集成电路发展中对更高精度和更可靠的导电互联技术需求的问题，本发明提出了一种导线互联电流体喷印装置及喷印方法，在热场和电场作用下，打印了空间导线互联结构，解决当前互联结构中对衬底表面要求高、与衬底结合力小、连线尺寸难以控制等问题。
本发明所采用的技术方案：
一种导线互联电流体喷印装置，包括运动模块、供液模块和视觉模块。
所述运动模块包括支架1、螺栓Ⅰ2、螺栓Ⅱ3、针筒夹具4、基底Ⅰ6、基底Ⅱ8、工作台9、支柱10、驱动电源15、电机Z轴17、电机X轴18和电机Y轴19。其中，支架1通过螺栓Ⅰ2安装于电机Z轴17上；针筒夹具4通过螺栓Ⅱ3固定在支架1上。工作台9通过支柱10安装在电机X轴18上，支柱10用于工作台9的连接和调平；工作台9内安装加热装置，在打印过程中提供热场辐射。所述基底Ⅱ8放置于工作台9上；基底Ⅰ6放置在基底Ⅱ8上，作为打印互联结构7的基底。电机X轴18安装在电机Y轴19上，电机Z轴17安装在电机Y轴19侧面，驱动电源15分别与电机Z轴17、电机X轴18和电机Y轴19连接，实现为电机供电和运动控制，通过驱动电源和电机的配合可以实现装置的三自由度方向的运动。
所述供液模块包括针筒5、气泵11、气压控制柜13和高压电源14。其中，针筒5安装在针筒夹具4中，高压电源14与针筒5连接，为针筒提供高压电场；气泵11与气压控制柜13连接，为气压控制柜提供气源；气压控制柜13与针筒5连接，为针筒提供稳定气压。
所述视觉模块包括计算机12和观测相机16。其中，观测相机16用于观察针筒与基底Ⅰ之间的相对位置、互联结构的打印情况以及变形情况；计算机12与高压电源14、驱动电源15、气压控制柜13和观测相机16相连，计算机12可以调整气压控制柜13的输出气压和高压电源14的电压，同时计算机12可以通过程序调控运动模块。
进一步的，所述电机X轴18、电机Z轴17和电机Y轴19的速度范围为0.01-50mm/s，运动行程为0.01-30mm，可以实现针筒与基底Ⅰ之间的相对位置控制。
进一步的，所述基底Ⅰ6包括凹槽基底6-1、条型基底6-2、阶梯基底6-3、圆环型基底6-4、柱型基底6-5、锥型基底6-6和半球型基底6-7，各基底结构通过刻蚀和激光烧结等方式加工制成。利用不同基底Ⅰ6的结构，通过调整气压控制柜的输出气压和控制运动模块实现多种不同互联结构的打印。
进一步的，所述互联结构7的材料包括导电金属墨水、导电聚合物等。互联结构7的线径a的大小主要取决于针筒针尖的尺寸，同时也受到气压控制柜输出气压及运动模块移动速度的影响；互联结构7的跨距高度h1和h2一方面受到基底Ⅰ6结构尺寸的影响，另一方面与打印溶液各成分的配比有关。
一种采用上述导线互联电流体喷印装置进行喷印的方法，包括以下步骤：
步骤1：将基底Ⅰ6作为打印互联结构7的基底放置在基底Ⅱ8上，基底Ⅱ8放置于工作台9上。将工作台9通过支柱10安装在电机X轴18上，并通过支柱10对工作台9进行调平；工作台9内安装加热装置，在打印过程中提供热场辐射。支架1通过螺栓Ⅰ2安装于电机Z轴17上；针筒夹具4通过螺栓Ⅱ3固定在支架1上。驱动电源15分别与电机Z轴17、电机X轴18和电机Y轴19连接，实现为电机供电和运动控制。
步骤2：将计算机12与高压电源14、驱动电源15、气压控制柜13和观测相机16相连；通过计算机12调整气压控制柜13的输出气压和高压电源14的电压，并通过程序调控运动模块。
步骤3：将墨水放置在针筒5中，针筒5安装在针筒夹具4中，并与高压电源14连接；将气泵11、气压控制柜13、针筒5依次连接，为针筒提供稳定气压。墨水逐渐喷出，在针筒5与基底之间有高压电场，墨水细化，形成锥射流，计算机12控制电机运动，打印出不同的互联结构。
针对不同的基底Ⅰ6可以打印出不同的互联结构，具体地：
将凹槽基底6-1放置在基底Ⅱ8上，通过电流体喷印打印跨越过凹槽的互联结构Ⅰ7-1；所述凹槽基底上互联结构Ⅰ7-1的线径为a，跨距宽度为b，高度为h。
将条型基底6-2放置在基底Ⅱ8上，通过电流体喷印打印基底Ⅱ8与条型基底6-2上表面的互联结构Ⅱ7-2；所述条型基底上互联结构Ⅱ7-2的线径为a，跨距宽度为b，高度与条型基底6-2上表面距离为h1，与基底Ⅱ8上表面距离为h2。
将阶梯基底6-3放置在基底Ⅱ8上，通过电流体喷印打印阶梯基底6-3两个不同高度表面的互联结构Ⅲ7-3；所述阶梯基底上互联结构Ⅲ7-3的线径为a，跨距宽度为b，高度与阶梯基底6-3上表面距离为h1，与阶梯基底6-3的阶梯表面距离为h2。
将圆环型基底6-4放置在基底Ⅱ8上，通过电流体喷印打印圆环型基底6-4上表面与基底Ⅱ8之间的互联结构Ⅳ7-4；所述圆环型基底上互联结构Ⅳ7-4的线径为a，跨距宽度为b，高度与圆环型基底6-4上表面距离为h1，与基底Ⅱ8上表面距离为h2。
将柱型基底6-5放置在基底Ⅱ8上，通过电流体喷印在柱型基底6-5的四周打印互联结构Ⅴ7-5；所述柱型基底上互联结构Ⅴ7-5为螺旋导线结构，其线径为a，螺旋导线结构的圆周直径为D，螺距为p。
将锥型基底6-6放置在基底Ⅱ8上，通过电流体喷印在锥型基底6-6的上表面打印互联结构Ⅵ7-6；所述锥型基底上互联结构Ⅵ7-6为螺旋导线结构，其线径为a，螺旋导线结构的螺距为p。
将半球型基底6-7放置在基底Ⅱ8上，通过电流体喷印在半球型基底6-7的上表面打印互联结构Ⅶ7-7；所述半球型基底上互联结构Ⅶ7-7为螺旋导线结构，其线径为a。
本发明的有益效果：本发明在热场辅助作用下完成空间互联的打印，通过观测相机观察针尖和基底的相对位置，利用驱动电源控制运动模块，气压控制柜调整输出气压参数，高压电源控制针尖与基底的电场，在热场辅助作用下完成互联结构的打印。本发明所述的喷印方法打印材料种类广泛，包括液体的金属、聚合物、生物材料等；且喷印装置结构具有结构简单、操作方便、加工效率高等特点，在微机电系统、微/纳加工和封装等领域具有广泛的应用。
附图说明
图1为本发明所述的导线互联电流体喷印装置的示意图。
图2为凹槽基底空间互联结构的示意图。
图3为凹槽基底空间互联结构的正视图。
图4为条型基底空间互联结构的示意图。
图5为条型基底空间互联结构的右视图。
图6为阶梯基底空间互联结构的示意图。
图7为阶梯基底空间互联结构的正视图。
图8为圆环型基底空间互联结构的示意图。
图9为圆环型基底空间互联结构的正视图。
图10为柱形基底空间螺旋结构的示意图。
图11为柱形基底空间螺旋结构的正视图。
图12为柱形基底空间螺旋结构的俯视图。
图13为锥型基底空间螺旋结构的示意图。
图14为锥型基底空间螺旋结构的正视图。
图15为半球型基底空间螺旋结构的示意图。
图16为半球型基底空间螺旋结构的俯视图。
图中：1支架1；2螺栓Ⅰ；3螺栓Ⅱ；4针筒夹具；5针筒；6基底Ⅰ；7互联结构；8基底Ⅱ；9工作台；10支柱；11气泵；12计算机；13气压控制柜；14高压电源；15驱动电源；16观测相机；17电机Z轴；18电机X轴；19电机Y轴；6-1凹槽基底；6-2条型基底；6-3阶梯基底；6-4圆环型基底；6-5柱型基底；6-6锥型基底；6-7半球型基底；7-1互联结构Ⅰ；7-2互联结构Ⅱ；7-3互联结构Ⅲ；7-4互联结构Ⅳ；7-5互联结构Ⅴ；7-6互联结构Ⅵ；7-7互联结构Ⅶ。
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，下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的描述。
如图1所示，基底Ⅰ6作为打印互联结构7的基底放置在基底Ⅱ8上，基底Ⅱ8放置于工作台9上。工作台9通过支柱10安装在电机X轴18上，并通过支柱10对工作台9进行调平；工作台9内安装加热装置，在打印过程中提供热场辐射。支架1通过螺栓Ⅰ2安装于电机Z轴17上；针筒夹具4通过螺栓Ⅱ3固定在支架1的水平板上。驱动电源15分别与电机Z轴17、电机X轴18和电机Y轴19连接，实现为电机供电和运动控制，通过驱动电源和电机的配合实现装置的三自由度方向的运动。
计算机12与高压电源14、驱动电源15、气压控制柜13和观测相机16相连，计算机12可以调整气压控制柜13的输出气压和高压电源14的电压，同时计算机12通过程序调控运动模块。将银墨水放置在针筒5中，针筒5安装在针筒夹具4中；高压电源14与针筒5连接，为针筒提供高压电场；气泵11与气压控制柜13连接，实现为气压控制柜提供气源；气压控制柜13与针筒5连接，为针筒提供稳定气压。墨水逐渐喷出，在针筒5与基底Ⅱ8之间有高压电场，墨水细化，形成锥射流，计算机12控制电机运动，打印出不同的互联结构。通过观测相机16观察针筒与基底之间的相对位置、互联结构的打印情况以及变形情况。
如图2-16为在不同的基底Ⅰ6上打印的多种互联结构7。具体地，将凹槽基底6-1放置在基底Ⅱ8上，通过电流体喷印打印跨越过凹槽的互联结构Ⅰ7-1；所述凹槽基底上互联结构Ⅰ7-1的线径为5μm，互联结构Ⅰ7-1的跨距宽度为1mm，高度为30μm。将条型基底6-2放置在基底Ⅱ8上，通过电流体喷印打印基底Ⅱ8与条型基底6-2上表面的互联结构Ⅱ7-2；所述条型基底上互联结构Ⅱ7-2的线径为5μm，互联结构Ⅱ7-2的跨距宽度为1mm，高度与条型基底6-2上表面距离为30μm，与基底Ⅱ8上表面距离为500μm。将阶梯基底6-3放置在基底Ⅱ8上，通过电流体喷印打印阶梯基底6-3两个不同高度表面的互联结构Ⅲ7-3；所述阶梯基底上互联结构Ⅲ7-3的线径为5μm，互联结构Ⅲ7-3的跨距宽度为1mm，高度与阶梯基底6-3上表面距离为30μm，与阶梯基底6-3的阶梯表面距离为500μm。将圆环型基底6-4放置在基底Ⅱ8上，通过电流体喷印打印圆环型基底6-4上表面与基底Ⅱ8之间的互联结构Ⅳ7-4；所述圆环型基底上互联结构Ⅳ7-4的线径为5μm，互联结构Ⅳ7-4的跨距宽度为1mm，高度与圆环型基底6-4上表面距离为30μm，与基底Ⅱ8上表面距离为500μm。将柱型基底6-5放置在基底Ⅱ8上，通过电流体喷印在柱型基底6-5的四周打印互联结构Ⅴ7-5；所述柱型基底上互联结构Ⅴ7-5为螺旋导线结构，其线径为5μm，螺旋导线结构的圆周直径为20μm，螺距为30μm。将锥型基底6-6放置在基底Ⅱ8上，通过电流体喷印在锥型基底6-6的上表面打印互联结构Ⅵ7-6；所述锥型基底上互联结构Ⅵ7-6为螺旋导线结构，其线径为5μm，螺旋导线结构的螺距为30μm。将半球型基底6-7放置在基底Ⅱ8上，通过电流体喷印在半球型基底6-7的上表面打印互联结构Ⅶ7-7；所述半球型基底上互联结构Ⅶ7-7为螺旋导线结构，其线径为5μm。
综合以上所述内容，本发明提供了一种导线互联电流体喷印装置及方法，解决了当前互联结构中对衬底表面要求高、与衬底结合力小、连线尺寸难以控制等问题，热场辅助导电墨水打印空间互联结构的电流体喷印方法所提出的空间跨越结构打印装置，具有结构简单、操作方便、成型快、加工效率高等特点，在微机电系统、微/纳加工和封装等领域具有广泛的应用。

Claims (8)

1.一种导线互联电流体喷印装置，其特征在于，该装置包括供液模块、运动模块和视觉模块；
所述运动模块包括支架(1)、针筒夹具(4)、基底Ⅰ(6)、基底Ⅱ(8)、工作台(9)、支柱(10)、驱动电源(15)、电机Z轴(17)、电机X轴(18)和电机Y轴(19)；其中，支架(1)安装于电机Z轴(17)上，针筒夹具(4)固定在支架(1)上；工作台(9)通过支柱(10)安装在电机X轴(18)上，支柱(10)用于工作台的连接和调平；所述基底Ⅱ(8)放置于工作台(9)上；基底Ⅰ(6)放置在基底Ⅱ(8)上，作为打印互联结构的基底；所述电机X轴(18)安装在电机Y轴(19)上，电机Z轴(17)安装在电机Y轴(19)侧面，驱动电源(15)分别与电机Z轴(17)、电机X轴(18)和电机Y轴(19)连接，实现为电机供电和运动控制，通过驱动电源和电机的配合实现装置的三自由度方向的运动；
所述供液模块包括针筒(5)、气泵(11)、气压控制柜(13)和高压电源(14)；其中，针筒(5)安装在针筒夹具(4)中，高压电源(14)与针筒(5)连接，为针筒提供高压电场；气泵(11)、气压控制柜(13)、针筒(5)依次连接，为针筒提供稳定气压；
所述视觉模块包括计算机(12)和观测相机(16)；其中，观测相机(16)用于观察针筒与基底之间的相对位置、互联结构的打印情况以及变形情况；计算机(12)与高压电源(14)、驱动电源(15)、气压控制柜(13)和观测相机(16)相连，用于调整气压控制柜(13)的输出气压和高压电源(14)的电压，同时实现运动模块的调控。
2.根据权利要求1所述的一种导线互联电流体喷印装置，其特征在于，所述电机Z轴(17)、电机X轴(18)和电机Y轴(19)的速度为0.01-50mm/s，运动行程为0.01-30mm，实现针筒与基底Ⅰ之间的相对位置控制。
3.根据权利要求1或2所述的一种导线互联电流体喷印装置，其特征在于，所述基底Ⅰ(6)包括凹槽基底(6-1)、条型基底(6-2)、阶梯基底(6-3)、圆环型基底(6-4)、柱型基底(6-5)、锥型基底(6-6)和半球型基底(6-7)。
4.根据权利要求1或2所述的一种导线互联电流体喷印装置，其特征在于，工作台(9)内安装有加热装置，在打印过程中提供热场辐射。
5.根据权利要求3所述的一种导线互联电流体喷印装置，其特征在于，工作台(9)内安装有加热装置，在打印过程中提供热场辐射。
6.一种如权利要求1-5任一所述的导线互联电流体喷印装置的喷印方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：将基底Ⅰ(6)作为打印互联结构的基底放置在基底Ⅱ(8)上，基底Ⅱ(8)放置于工作台(9)上；将工作台(9)通过支柱(10)安装在电机X轴(18)上，并通过支柱(10)对工作台(9)进行调平；支架(1)安装于电机Z轴(17)上；针筒夹具(4)固定在支架(1)上；驱动电源(15)分别与电机Z轴(17)、电机X轴(18)和电机Y轴(19)连接，实现为电机供电和运动控制；
步骤2：将计算机(12)与高压电源(14)、驱动电源(15)、气压控制柜(13)和观测相机(16)相连；通过计算机(12)调整气压控制柜(13)的输出气压和高压电源(14)的电压，并调控运动模块；
步骤3：将墨水放置在针筒(5)中，针筒(5)安装在针筒夹具(4)中，并与高压电源(14)连接；将气泵(11)、气压控制柜(13)、针筒(5)依次连接，为针筒提供稳定气压；墨水逐渐喷出，在针筒与基底之间有高压电场，墨水细化，形成锥射流，计算机(12)控制电机运动，打印出不同的互联结构。
7.根据权利要求6所述的喷印方法，其特征在于，利用不同的基底Ⅰ(6)打印出不同的互联结构，具体地：
将凹槽基底(6-1)放置在基底Ⅱ(8)上，通过电流体喷印打印跨越过凹槽的互联结构Ⅰ(7-1)；将条型基底(6-2)放置在基底Ⅱ(8)上，通过电流体喷印打印基底Ⅱ(8)与条型基底(6-2)上表面的互联结构Ⅱ(7-2)；将阶梯基底(6-3)放置在基底Ⅱ(8)上，通过电流体喷印打印阶梯基底(6-3)两个不同高度表面的互联结构Ⅲ(7-3)；将圆环型基底(6-4)放置在基底Ⅱ(8)上，通过电流体喷印打印圆环型基底(6-4)上表面与基底Ⅱ(8)之间的互联结构Ⅳ(7-4)；将柱型基底(6-5)放置在基底Ⅱ(8)上，通过电流体喷印在柱型基底(6-5)的四周打印互联结构Ⅴ(7-5)，所述互联结构Ⅴ(7-5)为螺旋导线结构；将锥型基底(6-6)放置在基底Ⅱ(8)上，通过电流体喷印在锥型基底(6-6)的上表面打印互联结构Ⅵ(7-6)，所述互联结构Ⅵ(7-6)为螺旋导线结构；将半球型基底(6-7)放置在基底Ⅱ(8)上，通过电流体喷印在半球型基底(6-7)的上表面打印互联结构Ⅶ(7-7)，所述互联结构Ⅶ(7-7)为螺旋导线结构。
8.根据权利要求6或7所述的喷印方法，其特征在于，所述互联结构的材料包括导电金属墨水或导电聚合物。
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