CN115866893A - 一种可拉伸及曲面电子产品的制造方法及产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可拉伸及曲面电子产品的制造方法及产品，制造方法包括步骤：在柔性电路板上构制矩阵电路；对柔性电路板进行切割，以使柔性电路板在相邻的两个矩阵电路之间，形成一折叠区；对LED芯片和柔性电路板进行封装；沿折叠区对柔性电路板进行折叠；对折叠区进行封装。本发明以折叠区取代刚性节点连接旋转单元并结合刚性功能器件来制造自适应的曲面电子产品，折叠区克服了在刚性节点上的应力集中和无法铺设电路的问题，而且它们所折叠的中性位置允许膨胀结构拉伸和压缩。
Description
技术领域
本发明属于电子产品制造技术领域，具体涉及一种可拉伸及曲面电子产品的制造方法及产品。
背景技术
可拉伸和曲面电子产品具有很高的空间适应性，可以调整其形状以适应不同的物体并已广泛用于曲面保形电路、穿戴传感器、曲面光电、人造智能皮肤和曲面显示器等等。为了扩大电子产品在曲面物体和穿戴设备上的应用，电子制造技术已经向更适形的方向发展，从而极大地促进了制造工艺的改进。然而，大多数电子设备和传感器等是在二维基底上制造的，刚性或脆性基底在许多领域的许多应用中令人满意，但它们在本质上不与复杂的曲面兼容，如对动物的健康检测和治疗，或在不规则曲面上集成保形天线/电路，或大面积自适应曲面显示器。
高斯绝妙定理(Egregium Theorem)，证明了非拉伸曲面在局部等距变换下的高斯曲率(GC,K)的恒定性。因此，对于实现曲面电子器件而言，可拉伸性是不可或缺的。几十年来，研究人员开发出了各式共形制造工艺以弥补传统的半导体技术不能直接制造可拉伸材料或结构的缺陷。根据所需的功能性结构或曲面电子器件的可变形性，共形制造技术可大致分为两大类:以平面结构为基础再通过几何变换为曲面电子器件所需的形状，或将材料、器件、结构和组件直接在目标曲面表面制造或组装。
几何变换方法首先在平面基板上制造电子器件，然后通过压力、温度、光、磁、电等外界刺激将最初的平面基板自发/人工地转移到目标曲面，或者直接将该平面基板变形为曲面(弯折或卷曲)，从而实现曲面电子产品的制造。以典型的曲面光电设备或曲面显示器为例，常用的方案是将刚性器件安装或嵌入到弹性基材内，或将岛式小型器件用可拉伸链接结构连起来，再将器件人工转移到目标曲面上去。但由于可拉伸材料(如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Eco-flex、dragonskin、PEDOT等)刚度低、疲劳寿命短，嵌入其中的发光材料或导电材料在高压下容易损坏。另一个制造曲面电子产品的可行方案是用几何上可拉伸的链接连接岛式刚性发光原件。Song等人受节肢动物眼睛的启发，开发了以蛇形链接为基础的曲面数码成像系统。Rogers等人开发了一种技术，使用蛇形链接连接微型发光二极管(Micro-LED)像素阵列，然后转移到预拉伸的400微米厚的PDMS切片上，获得了48％的双轴拉伸能力。然而，此类基于可拉伸链接的电子产品通常依赖弹性材料作为基板，这就造成了类似于上述的限制。此外，可拉伸链接暴露出结构复杂、制造难度大、成本高的缺点，不利于大规模生产。
不同于几何变换方法，包括曲面光刻、喷墨打印、3D打印和激光直写等直接制造方法，显示出其独特的不可替代性。曲面光刻可以很好地应用于高分辨率的曲面表面，但在大面积曲面上的沉积、蚀刻或材料生长/掺杂方面存在挑战/困难。因此，在精度要求不高或电子结构不复杂的情况下，通过保角喷墨打印、3D打印或激光直写等方式在任意表面上直接制电子器件是理想的方法，而对于规模化生产廉价产品并不适用。
发明内容
为了克服上述技术缺陷，本发明第一个方面提供了一种可拉伸及曲面电子产品的制造方法，包括步骤：
在柔性电路板上构制矩阵电路；
对柔性电路板进行预处理，以使柔性电路板在相邻的两个矩阵电路之间，形成一折叠区；
沿折叠区对柔性电路板进行折叠；
对折叠区进行封装。
作为本发明的进一步改进，所述折叠区包括：围栏段、切割段和预设折痕段；
所述围栏段围绕所述矩阵电路设置；
所述围栏段与所述矩阵电路的接触处，为所述预设折痕段；
所述切割段位于所述预设折痕的其中一延长线上，以及所述切割段位于所述预设折痕的旁侧。
作为本发明的进一步改进，所述折叠区一端与所述矩阵电路的一侧边缘平齐，所述折叠区的另一端与另一所述矩阵电路的一侧边缘平齐，其中，所述矩阵电路的一侧边缘、另一所述矩阵电路的一侧边缘为相互远离的两侧。
作为本发明的进一步改进，在矩阵电路之间，通过所述柔性电路板两个表面的金属电路连接，所述对柔性电路板进行预处理的步骤，包括：
在柔性电路板的表面敷设阻焊剂，所述表面包括：除去矩阵电路、金属电路的剩余区域；
对所述切割段进行激光切割。
作为本发明的进一步改进，采用SMT对LED芯片进行封装。
作为本发明的进一步改进，通过模具组引导的方式沿折叠区对柔性电路板进行折叠，以使所述围栏段与所述矩阵电路相垂直。
作为本发明的进一步改进，所述模具组包括：由上及下顺次摆放的第一模具、第二模具和第三模具；
所述第一模具设置有与所述矩阵电路相匹配的第一推板；
第二模具设置有若干压板，所述压板的形状、位置与所述折叠区相匹配；
所述第三模具设置有与所述矩阵电路相匹配的第二推板。
作为本发明的进一步改进，所述通过模具组引导的方式沿折叠区对柔性电路板进行折叠的步骤，包括：
将所述柔性电路放置在所述第二模具上，且将所述折叠区搁置在所述压板上；
将第一推板对准所述矩阵电路，向所述第三模具的方向进行挤压，使得所述预设折痕段发生折叠，所述围栏段与所述矩阵电路垂直；
所述第二推板与所述矩阵电路对准，所述第三模具将所述柔性电路板往上推。
本发明的第二个方面，提供了一种可拉伸及曲面电子产品，通过上述制造方法制作得到，包括若干相互连接的LED装置；
所述LED装置包括：功能区、围栏；
所述功能区上焊接有LED芯片电路；
所述围栏围绕设置在所述功能区的四周，且所述围栏沿一个方向延伸形成链接部；
若干所述LED装置通过所述链接部连接。
作为本发明的进一步改进，所述LED芯片电路上覆盖有环氧树脂，以使所述LED芯片与所述围栏连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：以折叠区取代刚性节点连接旋转单元并结合刚性功能器件来制造自适应的曲面电子产品，折叠区克服了在刚性节点上的应力集中和无法铺设电路的问题，而且它们所折叠的中性位置允许膨胀结构拉伸和压缩。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明所述制造方法的流程图；
图2为本发明所述的柔性电路板及金属电路的结爆炸图；
图3为本发明所述的柔性电路板的结构示意图；
图4为本发明所述步骤S4的制作过程示意图一；
图5为本发明所述步骤S4的制作过程示意图二；
图6为本发明所述步骤S4的制作过程示意图三；
图7为本发明所述电子产品的结构示意图；
图8为本发明所述电子产品安装在柱面时的效果图；
图9为本发明所述电子产品安装在球面时的效果图；
图10为本发明所述电子产品安装在任意表面时的效果图；
图11为本发明所述电子产品安装在鞍面时的效果图；
图12为本发明所述LED装置的结构示意图。
附图标记说明：
1、柔性电路板；11、聚酰亚胺薄膜；12、功能区；13、阻焊剂；14、金属电路；2、LED芯片；3、折叠区；31、围栏段；311、围栏；312、链接部；32、切割段；33、预设折痕段；4、第一模具；41、第一推板；5、第二模具；51、压板；6、第三模具；61、第二推板；7、环氧树脂；
101、点胶机；102、紫外线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种可拉伸及曲面电子产品的制造方法，如图1所示，包括步骤：
S1、在柔性电路板1上构制矩阵电路，如图2和图3所示，柔性电路板1包括聚酰亚胺薄膜11，预先对聚酰亚胺薄膜11进行划分，使其上表面设有矩阵分布若干功能区12，,将40x40mil LED芯片2封装在约17um的环氧树脂7的阻焊膜上，并设置在功能区12上，在30um聚酰亚胺薄膜11的不同两个表面分别构制了12um厚的两层金属电路14，通过金属电路14，使得多个LED芯片2之间实现电连接，金属电路14还用于与外部的电路连接。底层阻焊剂13的用于保护柔性电路板1的剩余区域，同时，顶层阻焊剂13的位置与底层阻焊剂13的位置一一对应。
S2、如图3所示，对柔性电路板1进行预处理，以使柔性电路板1在相邻的两个矩阵电路之间，形成一折叠区3；折叠区3包括：围栏311段31、切割段32和预设折痕段33；围栏311段31围绕矩阵电路设置；围栏311段31与矩阵电路的接触处，为预设折痕段33；切割段32位于预设折痕的其中一延长线上，以及切割段32位于预设折痕的旁侧。
折叠区3一端与矩阵电路的一侧边缘平齐，折叠区3的另一端与另一矩阵电路的一侧边缘平齐，其中，矩阵电路的一侧边缘、另一矩阵电路的一侧边缘为相互远离的两侧。
预处理的过程包括：在聚酰亚胺薄膜11的上表面的剩余区域(即除去功能区12、金属电路14覆盖的地方)敷设顶部阻焊剂13，用于保护柔性电路板1的剩余区域，并加强其刚度，使顶部阻焊剂13与LED芯片2的连接处，形成预设折痕段33，进而更容易被折叠，使暴露的折痕可以更容易被折叠。切割段32是采用激光切割的方式得到。
S3、沿折叠区3对柔性电路板1进行折叠。
为了实现对柔性电路板1的快速折叠，本发明设计了模具组，通过模具组引导的方式沿折叠区3对柔性电路板1进行折叠，以使围栏311段31与所矩阵电路相垂直。模具组包括：由上及下顺次摆放的第一模具4、第二模具5和第三模具6；第一模具4设置有与矩阵电路相匹配的第一推板41；第二模具5设置有若干压板51，压板51的形状、位置与折叠区3相匹配；第三模具6设置有与矩阵电路相匹配的第二推板61。
通过模具组引导的方式沿折叠区3对柔性电路板1进行折叠的步骤，包括：
S31、将柔性电路放置在第二模具5上，且将折叠区3搁置在压板51上；
S32、如图4、图5所示，将第一推板41对准矩阵电路，向第三模具6的方向进行挤压，使得预设折痕段33发生折叠，围栏311段31与矩阵电路垂直。
S33、如图6所示，第二推板61与矩阵电路对准，第三模具6将柔性电路板1往上推。
经过折叠后，使得围栏311段31沿LED芯片2的方向翻转，此时，围栏311段31分为包绕在LED芯片2外围的围栏311和与围栏311连接的链接部312，链接部312位于围栏311其中一延长方向上，用于相邻两个LED芯片2的连接。
S4、对折叠区3进行封装，具体为采用点胶机101在LED芯片2的上方(即围栏311区内)注满环氧树脂7，并用紫外线对环氧树脂7进行烘干，从而使得围栏与环氧树脂相粘连，垂直围在LED芯片的四周，需要注意的是，对折叠区3进行封装的步骤，可以与步骤S42同时进行，也可以将所有折叠区折叠完毕后单独进行。
通过上述步骤，如图7所示，得到一种可拉伸及曲面电子产品，本发明以400个像素(即含有400个矩阵电路)组成的电子产品对其性能进行试验，该电子产品作为曲面显示器使用，将曲面显示器分别与圆柱、球形、马鞍面、任意表面匹配，验证了该曲面显示器对不同曲面的兼容性和工作性能，如图8a所示，显示器安装在半径5厘米的圆柱形模具上。第一主曲率(k1＝0.2cm-1)和第二个主曲率(k2＝0)分别用红包络线和蓝包络线表示。从图8b中可以看出，由于圆柱体为可展开曲面，像素间距无需改变所以呈现出均匀的排列。相比之下，球体上和马鞍面上的像素点通过拉伸和收缩来排列的。球面顶点(k1＝k2＝0.2cm-1)和马鞍面鞍点(k1＝-k2＝0.2cm-1)处的包络曲率(如图9a和10a所示)与外形一致。其中，任意曲面的高斯曲率随起伏形状而变化(图11a)，像素的布局也随之伸缩(图11b)。采用由移位寄存器(74HC595)电路组成的无源线扫描控制系统驱动曲面显示器。光学图片展示了显示器在运行过程中不同角度和视野的状态(图8c、9c、10c显示字母图案“ust”，图11c显示单词“HELLO”)。结果表明，该曲面显示器具有可观的可拉伸性(从压缩状态到拉伸状态)，并且由于围栏311、链接部312畸变的存在，显示器可实现空间上的凹凸变形，从而自适应地匹配不同高斯曲率的曲面。具体地，链接部312的畸变，是指扭曲，扭曲则是受到方向相反的扭矩，链接部312的两端往相反方向扭转，链接部312就会形成螺旋状。当用于适配曲面(比如球面)时，链接部312因为材料本身不能拉伸或压缩，所以它会发生扭曲来迎合曲面，这种情况下，链接部312被粘住的部分仍然垂直，而中间柔性的一段会倒下更贴近曲面。
同时，本发明提供了一种可拉伸及曲面电子产品，通过前述的制造方法制作得到，包括若干相互连接的LED装置；LED装置包括：功能区12、围栏311；功能区12上焊接有LED芯片2电路；围栏311围绕设置在功能区12的四周，且围栏311沿其中一个方向延伸形成链接部312。LED芯片电路包括：LED芯片2及其金属电路14，金属电路14可以敷设在功能区12的两个表面、围栏311、链接部312的两个侧面上；若干LED装置通过链接部312以及金属电路14连接。
进一步地，LED芯片2电路上覆盖有环氧树脂7，以使LED芯片2与围栏311连接。
可拉伸及曲面电子产品的具体实施过程及有益效果请参见前文，在此不再一一赘述。
以上仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可拉伸及曲面电子产品的制造方法，其特征在于，包括步骤：
在柔性电路板上构制矩阵电路；
对柔性电路板进行预处理，以使柔性电路板在相邻的两个矩阵电路之间，形成一折叠区；
沿折叠区对柔性电路板进行折叠；
对折叠区进行封装。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述折叠区包括：围栏段、切割段和预设折痕段；
所述围栏段围绕所述矩阵电路设置；
所述围栏段与所述矩阵电路的接触处，为所述预设折痕段；
所述切割段位于所述预设折痕的其中一延长线上，以及所述切割段位于所述预设折痕的旁侧。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述折叠区一端与所述矩阵电路的一侧边缘平齐，所述折叠区的另一端与另一所述矩阵电路的一侧边缘平齐，其中，所述矩阵电路的一侧边缘、另一所述矩阵电路的一侧边缘为相互远离的两侧。
4.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，在矩阵电路之间，通过所述柔性电路板两个表面的金属电路连接，所述对柔性电路板进行预处理的步骤，包括：
在柔性电路板的表面敷设阻焊剂，所述表面包括：除去矩阵电路、金属电路的剩余区域；
对所述切割段进行激光切割。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，采用SMT对LED芯片进行封装。
6.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，通过模具组引导的方式沿折叠区对柔性电路板进行折叠，以使所述围栏段与所述矩阵电路相垂直。
7.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述模具组包括：由上及下顺次摆放的第一模具、第二模具和第三模具；
所述第一模具设置有与所述矩阵电路相匹配的第一推板；
第二模具设置有若干压板，所述压板的形状、位置与所述折叠区相匹配；
所述第三模具设置有与所述矩阵电路相匹配的第二推板。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述通过模具组引导的方式沿折叠区对柔性电路板进行折叠的步骤，包括：
将所述柔性电路放置在所述第二模具上，且将所述折叠区搁置在所述压板上；
将第一推板对准所述矩阵电路，向所述第三模具的方向进行挤压，使得所述预设折痕段发生折叠，所述围栏段与所述矩阵电路垂直；
所述第二推板与所述矩阵电路对准，所述第三模具将所述柔性电路板往上推。
9.一种可拉伸及曲面电子产品，其特征在于，通过权利要求1～8任一项所述制造方法制作得到，包括若干相互连接的LED装置；
所述LED装置包括：功能区、围栏；
所述功能区上焊接有LED芯片电路；
所述围栏围绕设置在所述功能区的四周，且所述围栏沿一个方向延伸形成链接部；
若干所述LED装置通过所述链接部连接。
10.根据权利要求9所述的可拉伸及曲面电子产品，其特征在于，所述LED芯片电路上覆盖有环氧树脂，以使所述LED芯片与所述围栏连接。
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