CN115996556A - 用于制造大尺寸电子器件阵列的基于剪纸设计的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种基于剪纸设计的制造方法和系统。该方法包括提供在初始状态下的用于安装电子器件的多个基板单元；提供至少一个连接器，所述至少一个连接器连接在初始状态下的多个基板单元中的相邻基板单元，其中该至少一个连接器包括由多个折痕限定的一个或多个可折叠区域和相互堆叠的n个可拉伸层；将连接器的一个或多个可折叠区域沿多个折痕折叠180°；以及翻转连接器的n个可拉伸层，并将n个可拉伸层展开为连接多个基板单元的一层平面预定图案。该制造方法和系统通过折叠和展开过程、将小面积的薄膜材料展开为大面积的网络。

Description

用于制造大尺寸电子器件阵列的基于剪纸设计的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年10月19日提交的美国临时申请序列号63/257,126的权益，该申请在此通过引用整体(包括任何表格、图或附图)并入本文。

背景技术

电子器件阵列在不同工业领域有着广泛的应用。例如在人体健康监测领域，智能坐垫、智能鞋垫和智能床垫等智能产品通常用来监测人体姿势、心率、就坐、运动和平躺时间，以提供健康建议。要实现这些监测功能，需要传感器阵列。例如，为了准确检测一个人的坐姿，需要在智能坐垫的坐位区域安装大约十个压力传感器，以实时监测压力分布。对于尺寸较大的智能床垫和智能地毯，需要甚至更多的传感器来实现智能功能。在结构健康监测领域，使用大规模的传感器阵列来检测结构的损坏位置、预测结构的剩余服务时间、或者为机械结构的维护提供建议以确保安全。例如，在对飞机表面进行无损检测时，超声波传感器阵列可以帮助快速定位损坏位置并检测损坏程度。对于大型设施，如飞机、桥梁或建筑物，在结构的关键部位设置振动传感器阵列以进行长期监测，有助于收集估计疲劳寿命以确保设施安全的负载历史。此外，大尺寸电子器件阵列通常用于大型显示设备，如安装在建筑物外墙上的显示屏幕。

目前有两种方法来制造电子器件阵列。第一种方法是使用柔性印刷电路(FPC)技术，来在制造过程中直接集成电子器件和电路，这是一种成熟的技术并且故障率低。然而，这种方法有几个问题。首先，阵列的尺寸受生产设备的最大允许面积的限制。第二，生产所需的基板材料的面积与阵列的面积一样大，但器件和导线所使用的面积只是整个面积的一小部分，并且其余的面积被浪费了。

第二种方法是在独立安装电子器件后用导线连接所有的电子器件。这种方法对于有少量器件的小型阵列有很大的优势。每个器件都可以独立维护或更换，通过改变导线的长度可以很容易地改变阵列的面积和器件的位置，而且生产和安装时不需要特殊设备。然而，对于大面积的密集阵列，这种方法大大增加了安装的难度和系统的重量，导致人为错误造成的故障概率很高。

此外，当电子器件的数量增加时，连接电路或导线的数量也相应地增加。由于电子器件是单独制造的分立元件，并且通过键合形成阵列网络，并且连接电路网络在安装电子元件的相邻节点之间提供物理连接，因此连接电路必须覆盖大的面积，并且制造这样的网络带来了一些挑战。例如，当采用导线或电缆来连接电子器件时，布线图案可能非常复杂，导致可靠性较差并且成本、重量和安装工作增加。这些问题的一个解决方案是在软片上制造连接电路网络，以获得高集成能力和高性能。然而，由于现有制造技术的能力限制，这种方法所覆盖的区域是有限的，并且柔性电路基板的大部分区域不能使用。

因此，缺乏以高效和低成本的方式制造大尺寸(large-format)电子器件阵列的方法。

发明内容

本领域仍然需要用于制造大尺寸电子器件阵列的方法和系统的改进的设计和技术。

根据本发明的一个实施例，提供了一种基于剪纸设计(kirigamienabled)的制造方法。该方法包括提供在初始状态下的用于安装电子器件的多个基板单元；提供至少一个连接器，所述至少一个连接器连接在初始状态下的多个基板单元中的相邻基板单元，其中该至少一个连接器包括由多个折痕限定的一个或多个可折叠区域和相互堆叠的n个可拉伸层；将连接器的一个或多个可折叠区域沿多个折痕折叠180°；以及翻转连接器的n个可拉伸层并将n个可拉伸层展开为连接多个基板单元的一层平面预定图案，其中n是大于等于3的奇数整数。此外，当至少一个连接器包括多个连接器时，该方法还包括正交地展开相邻的连接器以形成基板单元的k*k矩阵的图案，其中k是大于等于2的整数。当在初始状态下的多个连接器的长度相同时，展开后形成的基板单元的k*k矩阵的图案的形状为矩形。另一方面，当在初始状态下的多个连接器的长度不同时，展开后形成的基板单元的k*k矩阵的图案具有三维(3D)结构。多个基板单元由柔性电路基板制成。

在本发明的某些实施例中，提供了一种制造系统，包括：多个基板支架，每个基板支架都连接到可折叠基板图案的单元；在行方向和列方向上布置的多个滑轨；支撑结构；以及电机，每个基板支架在行方向上连接到第一对应滑轨并且在列方向上连接到第二对应滑轨，并且滑轨由电机驱动。此外，多个滑轨被配置为使可折叠基板图案的单元在行方向或列方向上的运动同步，以翻转可折叠基板图案并将可折叠基板图案展开为较大尺寸的平面基板图案。

在本发明的一些实施例中，提供了一种基于剪纸设计的制造系统，包括基板，其具有用于安装电子器件的多个基板单元和连接多个基板单元中的相邻基板单元的至少一个连接器，其中该至少一个连接器包括由多个折痕限定的一个或多个可折叠区域和相互堆叠的n个可拉伸层；释放带；基模；推模(pushing mold)；和推片(pushing film)。此外，释放带的顶部表面和底部表面有粘合剂，以将基板附接在基模上。释放带上与基板的可折叠区域相对应的区域是镂空的。基模由金属或其它刚性材料制成，以支撑基板。基模上与基板的可折叠区域相对应的区域是镂空的。此外，推模由刚性材料制成。推模被配置为在被构造为与基板的可折叠区域相对应的位置安装推片。推片由塑料或其它弹性材料制成。

在本发明的另一实施例中，提供了一种基于剪纸设计的制造方法，包括提供基板，其具有用于安装电子器件的多个基板单元和连接多个基板单元中的相邻基板单元的至少一个连接器，其中该至少一个连接器包括一个或多个可折叠区域和相互堆叠的n个可拉伸层；将释放带附接到基模；将基板转移到基模；向折叠后重叠的区域施加粘合剂；推起一个或多个可折叠区域；用滚动装置来折叠一个或多个可折叠区域；按压一个或多个可折叠区域并等待粘合剂固化；将基模和基板旋转90度，并针对其它折叠方向、对基板重复执行折叠过程；以及将折叠的基板从基模释放。此外，一种制造方法包括上述的基于剪纸设计的制造方法的步骤，并且还包括步骤：将电子器件阵列附接到基板，以及用共形材料覆盖电子器件阵列和基板以保护电子器件阵列和基板的电路。通过焊接或键合将电子器件阵列附接到基板。共形材料是塑料薄膜、硅胶和织物中的一种。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的单个连接器图案的示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的单个连接器图案的折叠和展开过程的示意图。

图3是根据本发明的一个实施例的折叠和展开过程的等距视图的示意图。

图4是根据本发明的一个实施例的2*2电子器件阵列的折叠和展开过程的第一实施例的示意图。

图5是根据本发明的一个实施例的膨胀率较大和面积利用率较高的2*2电子器件阵列的第二实施例的示意图。

图6是根据本发明的一个实施例的采用高效率设计的4*4阵列的示意图。

图7是根据本发明的一个实施例的为三维(3D)半球形曲面图案设计的柔性电路基板在其初始状态下的示意图。

图8是根据本发明的一个实施例的折叠和展开的三维半球形曲面图案的示意图。

图9是根据本发明的一个实施例的用于折叠3*3电子器件阵列的模具和工具的示意图。

图10是根据本发明的一个实施例的用于电子器件3*3阵列的展开系统的示意图。

具体实施方式

本发明的实施例涉及一种用于制造大尺寸的电子器件阵列的基于剪纸设计的方法和系统。

本文使用的术语仅用于描述特定的实施例，并不旨在限制本发明。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项目的任何和所有组合。如本文所使用的，单数形式的“一个(a、an)”和“该(the)”旨在包括复数形式以及单数形式，除非上下文另有明确说明。还可以理解，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises和/或comprising)”具体说明了存在所述特征、步骤、操作、元素和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元素、组件和/或其组合。

除非另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应当理解，如那些在常用字典中定义的术语应被解释含义与其在相关技术和本公开的上下文中的含义相同，并且除非本文明确定义，否则将不会解释为理想化的或过于正式的含义。

当本文使用术语“约”与数值结合时，可以理解为该值可以在该值的90％至110％的范围内，即该值可以是所述值的+/-10％。例如，“约1kg”是指从0.90kg到1.1kg。

在描述本发明时，可以理解为公开了一些技术和步骤。这些技术和步骤中的每一个都有各自的优点，而且每一个都可以与一个或多个(或在某些情况下是与所有的)其它公开的技术结合使用。因此为了清楚起见，本描述将避免以不必要的方式重复各个步骤的每个可能的组合。然而，在阅读说明书和权利要求书时，应理解到这种组合完全在本发明和权利要求的范围之内。

在本发明的实施例中，首先在基板的小面积上制造密集电路和器件，并且然后通过折叠和展开步骤，将小面积的基板展开成大面积的电子器件阵列，以实现具有各种尺寸和器件密度的平面或曲面配置。

在本发明的一个实施例中，基于剪纸设计的制造方法包括以下步骤：基板制造、器件安装(也可以在折叠和展开步骤之后进行)、折叠和展开、以及封装(根据具体的应用场景可以省略)。下面将更详细地解释每个步骤。

基板制造：基于剪纸设计的设计图案的柔性电路基板可以通过柔性印刷电路(FPC)加工技术或其它合适的薄膜制造工艺来制造。

器件安装：电子器件通过包括但不限于焊接和键合的方法安装在柔性电路基板上。

折叠和展开：借助定制的模具和工具对柔性电路基板进行折叠和展开，以获得大尺寸的电子器件阵列。

封装：柔性电路基板用共形材料(如塑料薄膜、硅胶或织物)覆盖，以保护柔性电路基板的电路和器件。

以下是说明实施本发明的过程的示例。这些示例不应该被解释为限制性的。

基于剪纸设计的制造方法

基板制造

首先制作具有电路的柔性电路基板，并且然后将电子器件安装在柔性电路基板上。柔性电路基板包括用于安装电子器件的基板单元(“岛”)和用于承载连接导线的连接器。相邻的岛通过连接器连接，在连接器处执行基板的折叠和展开变形。每个连接器包括由多个折痕限定的一个或多个可折叠区域和相互堆叠的多个可拉伸层。需要注意的是，连接器的层数必须是奇数。

参考图1，基于剪纸设计的图案的最简单的基板图案单元100包括由连接器120连接的两个基板单元(“岛”)110。基板图案单元100由三个关键参数定义：初始状态下的连接器长度l₀，连接器的宽度w，和岛的边长a。

在某些实施例中，柔性电路基板可以由薄膜材料制成，如聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对二甲苯-C或纸。

在一个实施例中，每个岛的形状是正方形。

在其它实施例中，岛的形状为矩形或任何其它合适的形状。

基板伸长

参考图2和图3，伸长过程分为两个步骤。第一步骤是将一个或多个折叠区域折叠180°，并且第二步骤是将柔性电路基板的多个可拉伸层拉伸成连接多个基板单元的一层平面预定图案。

通过改变连接器的长度和宽度，可以实现不同的伸长率。例如，图2中的连接器有三个可拉伸层。为了获得更长的伸长，连接器可以有五层、七层或其它层数。需要注意的是，连接器的层数必须是奇数。

基板的二维(2D)展开

在本发明的一个实施例中，通过正交地展开连接器，一维(1D)伸长过程可以很容易地转变成二维(2D)展开过程。图4示出了将图3的图案正交展开为电子器件阵列的2*2矩阵。

可以看到，在图4的二维展开过程中，图案中间的区域是不能展开的，因此是浪费的。

在一个实施例中，如图5所示，提供了柔性基板图案，以减少浪费的区域。

在有更多岛的阵列中，该设计的优点要大得多。一方面，浪费的区域减少了。另一方面，柔性电路基板的展开率提高了。图6示出了基于高效柔性基板图案的4*4电子器件阵列。

基板的三维结构

如上所述，每个岛通过连接器连接到其相邻的岛，并且可以独立设计每个连接器。连接器的长度确定了电子器件阵列的行和列的长度，并且行和列的长度确定了整个电子器件阵列的形状。如果所有的行的长度相同并且所有的列的长度相同，则电子器件阵列被形成为矩形形状。另一方面，如果行的长度不同或者列的长度不同，则可以构造出柔性电路基板的三维(3D)结构。

在一个实施例中，图7示出了在初始状态下(即在被折叠和展开之前)的为三维半球形曲面图案设计的柔性电路基板。图7中所示的间隙被配置为控制连接器的长度。间隙的长度被配置为在展开柔性电路基板后允许连接器具有不同长度。进而，岛之间的连接器的长度控制了展开后的三维半球形曲面图案的形状。

接下来，图7的二维薄膜柔性电路基板通过折叠和展开过程被转换为图8所示的具有曲面网络的三维半球形曲面图案。

折叠工具

柔性电路基板可以通过定制的模具和工具来折叠。如图9所示，提供了以下用于折叠的模具和工具。

提供两面都有粘合剂的释放带710来将柔性电路基板700固定在基模720上。带上对应于柔性电路基板700的折叠区域的区域是镂空的。

基模720由金属或其它刚性材料制成，以支撑柔性电路基板700。以同样的方式，基模720的对应于柔性电路基板700的折叠区域的区域是镂空的。

推模730由刚性材料制成，并且推片(pushing film)740由塑料或其它弹性材料制成。推模730用于安装推片740，并且推片740的位置被包括在柔性电路基板700的折叠区域中。

借助于折叠工具，执行折叠过程的以下步骤：

用蓝带挑起独立的柔性电路基板，

将释放带附到基模，

将柔性电路基板从蓝带转移到基模，

向折叠后有重叠的区域施加胶，

推起折叠区域，

用辊来折叠所述折叠区域，

按压折叠区域，并且等待胶完全固化，

因为需要折叠4个方向，所以将基模和柔性电路基板旋转90度，并重复三次折叠过程，以及

通过热空气或紫外(UV)光将柔性电路基板从模具中释放。

展开工具

展开的步骤是同步电子器件阵列的每一行和每一列上的岛的运动。这项任务可以由图10所示的多滑轨系统来完成。柔性电路基板的每个岛都与支架相连，并且每个支架同时与行和列中相应的滑轨相连，并且每个滑轨由电机驱动。因此，可以实现每一行和每一列的同步运动，并且可以均匀地展开柔性电路基板。

电子器件安装

根据不同的应用，可以在折叠和展开过程之前或之后将电子器件安装在柔性电路基板上。可以通过焊接、键合或其它任何合适的方法将电子器件安装在柔性电路基板上。连接焊盘可以直接制作在柔性电路基板的岛上。

封装

在执行了折叠、展开和安装电子器件的步骤后，可以将电子器件阵列用共形材料覆盖，以保护电路和电子器件。由于电子器件阵列的柔性较好但拉伸性较差，因此可以使用PET、PI或任何其它合适的塑料薄膜来封装电子器件阵列。

在本发明的实施例中，基于剪纸图案设计制造大尺寸的电子器件阵列，以提高生产效率并且降低生产成本，从而实现低成本的制造，并且能够制造具有各种传感器或发光元件的大尺寸传感或显示阵列。

本发明的实施例有两个优点。首先，制作相同面积的阵列所需的材料大大减少，从而提高了材料的利用率，并且大大降低了大规模生产的成本。第二，可以由较小的机器来展开小面积的薄膜材料来制造大面积的阵列，从而提高制造电子器件阵列的机器的生产能力。

本文所参考或引用的所有专利、专利申请、临时申请和出版物均以它们与本说明书的明确教导一致的程度通过引用整体(包括所有附图和表格)并入本文。

应当理解，本文所述的示例和实施例仅用于说明性目的，并且本领域技术人员将想到根据其的各种修改或变化，并且这些修改或变化将包括在本申请的精神和范围以及所附权利要求的范围内。此外，本文公开的任何发明或其实施例的任何要素或限制可以与本文公开的任何和/或所有其它要素或限制(单独地或以任何组合)或任何其它发明或其实施例组合，并且所有此类组合在本发明的范围内被考虑而不限于此。

Claims (20)

1.一种基于剪纸设计的制造方法，包括：

提供在初始状态下的用于安装电子器件的多个基板单元；

提供至少一个连接器，所述至少一个连接器连接在所述初始状态下的所述多个基板单元中的相邻基板单元，其中，所述至少一个连接器包括由多个折痕限定的一个或多个可折叠区域和相互堆叠的n个可拉伸层；

将所述连接器的所述一个或多个可折叠区域沿所述多个折痕折叠180°；以及

翻转所述连接器的所述n个可拉伸层，并将所述n个可拉伸层展开为连接所述多个基板单元的一层平面预定图案。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，n是大于等于3的奇数整数。

3.根据权利要求1所述的制造方法，当所述至少一个连接器包括多个连接器时，所述制造方法还包括：正交地展开相邻的连接器，以形成所述多个基板单元的k*k矩阵的图案，其中k是大于等于2的整数。

4.根据权利要求3所述的制造方法，其中，当所述初始状态下的所述多个连接器的长度相同时，展开后形成的所述多个基板单元的k*k矩阵的图案的形状为矩形。

5.根据权利要求3所述的制造方法，其中，当在所述初始状态下的所述多个连接器的长度不同时，展开后形成的所述多个基板单元的k*k矩阵的图案具有三维(3D)结构。

6.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述多个基板单元由柔性电路基板制成。

7.一种制造系统，包括：

多个基板支架，分别连接到可折叠基板图案的单元；

多个滑轨，在行方向和列方向上布置；

支撑结构；以及

电机；

其中，每个基板支架在所述行方向上连接到第一对应滑轨，并且在所述列方向上连接到第二对应滑轨，并且所述滑轨由所述电机驱动。

8.根据权利要求7所述的制造系统，其中，所述多个滑轨被配置为使所述可折叠基板图案的所述单元在所述行方向或所述列方向上的运动同步，以翻转所述可折叠基板图案并将所述可折叠基板图案展开为较大尺寸的平面基板图案。

9.一种基于剪纸设计的制造系统，包括：

基板，其具有用于安装电子器件的多个基板单元和连接所述多个基板单元中的相邻基板单元的至少一个连接器，其中，所述至少一个连接器包括由多个折痕限定的一个或多个可折叠区域和相互堆叠的n个可拉伸层；

释放带；

基模；

推模；以及

推片。

10.根据权利要求9所述的制造系统，其中，所述释放带的顶部表面和底部表面有粘合剂，以将所述基板附接在所述基模上。

11.根据权利要求9所述的制造系统，其中，所述释放带上与所述基板的所述可折叠区域相对应的区域是镂空的。

12.根据权利要求9所述的制造系统，其中，所述基模包括金属或其它刚性材料，以支撑所述基板。

13.根据权利要求9所述的制造系统，其中，所述基模上与所述基板的所述可折叠区域相对应的区域是镂空的。

14.根据权利要求9所述的制造系统，其中，所述推模由刚性材料制成。

15.根据权利要求9所述的制造系统，其中，所述推模被配置为在被构造为与所述基板的所述一个或多个可折叠区域相对应的位置处安装所述推片。

16.根据权利要求9所述的制造系统，其中，所述推片由塑料或其它弹性材料制成。

17.一种基于剪纸设计的制造方法，包括：

提供基板，其具有用于安装电子器件的多个基板单元和连接所述多个基板单元中的相邻基板单元的至少一个连接器，其中，所述至少一个连接器包括一个或多个可折叠区域和相互堆叠的n个可拉伸层；

将释放带附接到基模；

将所述基板转移到所述基模；

向折叠后重叠的区域施加粘合剂；

推起所述一个或多个可折叠区域；

用滚动装置来折叠所述一个或多个可折叠区域；

按压所述一个或多个可折叠区域，并等待所述粘合剂固化；

将所述基模和所述基板旋转90度，并且针对其它折叠方向，对所述基板重复执行折叠过程；以及

将所述折叠的基板从所述基模释放。

18.一种制造方法，包括：

执行根据权利要求17所述的基于剪纸设计的制造方法的步骤；

将电子器件阵列附接到所述基板；以及

用共形材料覆盖所述电子器件阵列和所述基板，以保护所述电子器件阵列和所述基板的电路。

19.根据权利要求18所述的制造方法，其中，通过焊接或键合将所述电子器件阵列附接到所述基板。

20.根据权利要求18所述的制造方法，其中，所述共形材料是塑料薄膜、硅胶和织物中的一种。

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