CN116507037A - 一种适用于柔性电子器件的曲面转印装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于柔性电子器件的曲面转印装置及方法，属于半导体器件制造领域，其包括基架、固定在基架上的驱动变形模块以及配套设置的气压控制模块和辅助变形模块，其中：驱动变形模块包括呈阵列密集排布的插针和测距传感器，插针可上下移动地贯穿安装在基架上，该插针的内部设置有多个通气孔，测距传感器设置在插针的下端；气压控制模块包裹全部插针的上端，用于控制插针的气压以实现柔性电子器件的吸附和变形；辅助变形模块与测距传感器连接，并与每个插针的上端相接触，用于根据测距传感器测得的距离带动各个插针上下移动。本发明能够保证整个过程中插针与柔性电子器件无接触，从而有效减少对柔性电子器件的损害，实现无损转印。

Description

一种适用于柔性电子器件的曲面转印装置及方法

技术领域

本发明属于半导体器件制造领域，更具体地，涉及一种适用于柔性电子器件的曲面转印装置及方法。

背景技术

随着科技的不断进步，柔性电子器件逐渐进入人们的视野。在柔性电子器件的许多应用中，需要将大面积的柔性电子器件阵列集成到非可展曲面上，比如将铜导线布置在球状衬底上以形成球面天线，将半导体感光元件集成到球面上以形成仿人眼相机，以及形成表面分布有低频电极的医用椭球气囊等。由于柔性曲面电子具有大面积、可变形、轻质和非平面等优势，正展现出越来越强大的发展潜力。

曲面转移印刷技术是一种先通过传统的蚀刻或光刻技术在平面基板上制造精密电子结构/器件，然后将其转移到柔性/弯曲基板上的工艺。通常可分为三个步骤：在平面基板上制造电子器件，使用临时衬底从平面基板上拾取电子器件并对平面电子器件进行变形，最终将电子器件转移到目标基板上，其本质原理是界面附着力的变化。临时衬底通常是指在转印过程中将设计好的图案或者电子元件转印到基材表面上的工具。当临时衬底和电子器件之间的粘附力大于电子器件和平面基材之间的粘附力时，实现拾取过程。类似地，当临时衬底和电子器件之间的附着力小于电子器件和接收基板之间的附着力时，实现了放下过程。

尽管过去几十年来柔性共形电子学在科学研究和工业上取得了巨大进步，但它仍然面临着许多挑战。最迫切需要解决的问题之一是柔性共形电子器件从平面到目标曲面的变形过程。现有的曲面转印技术具有在柔性电子器件薄膜与衬底的粘合和脱离时会对其造成损伤、传统机械式主动变形的方式精度低，柔性电子器件与曲面基材无法精准对准、传统机械式主动变形的方式仅仅适用于简单曲面，面对复杂曲面很难实现精确转印、柔性电子器件阵列的面积较大时容易出现漏贴和脱粘，从而导致结合体和非可展曲面贴附不紧密等问题。相应地，本领域亟需对此提出更为完善的解决方案，以便符合柔性电子曲面转移日益增长的更高精度、高质量的工艺需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于柔性电子器件的曲面转印装置及方法，旨在解决现有的柔性电子器件转印精度低、容易造成损伤的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种适用于柔性电子器件的曲面转印装置，该曲面转印装置包括基架、固定在基架上的驱动变形模块以及配套设置的气压控制模块和辅助变形模块，其中：

所述驱动变形模块包括预设数量呈阵列密集排布的插针和测距传感器，所述插针可上下移动地贯穿安装在基架上，该插针的内部设置有多个通气孔，工作时利用所述插针吸附柔性电子器件并将其转移至目标基材曲面的上方，然后通过对该柔性电子器件施加气压以改变其形状进而实现曲面转印；所述测距传感器设置在插针的下端，用于探测每个插针下端与柔性电子器件的距离；

所述气压控制模块包裹全部插针的上端，用于控制插针的气压以实现柔性电子器件的吸附和变形；

所述辅助变形模块与测距传感器连接，并与每个插针的上端相接触，用于根据所述测距传感器测得的距离带动各个插针上下移动，从而保证插针与柔性电子器件的距离固定，同时该辅助变形模块还用于带动插针上下移动以恢复平齐状态。

作为进一步优选地，所述曲面转印装置还包括曲面构型仿真模块，同时所述气压控制模块包括与插针数量相同的气压控制器，其中：所述曲面构型仿真模块固定在基架的外侧，并与测距传感器连接，工作时利用所述测距传感器测量每个插针下端与目标基材曲面的距离，并反馈至曲面构型仿真模块以拟合目标基材曲面的形状，进而确定插针的施压顺序和施压大小；所述气压控制器用于根据所述施压顺序和施压大小控制各个插针依序施加气压，进而提高柔性电子器件与目标基材曲面的贴合度。

作为进一步优选地，所述曲面构型仿真模块采用插值法拟合目标基材曲面的形状。

作为进一步优选地，所述曲面构型仿真模块按照插针下端与目标基材曲面的距离由大到小的顺序确定施压顺序。

作为进一步优选地，所述测距传感器为激光测距传感器。

作为进一步优选地，所述辅助变形模块包括与插针数量相同的位移驱动器，工作时利用所述位移驱动器带动各个所述插针上下移动。

作为进一步优选地，所述插针的形状为长方体，其底面为正方形并且边长为6.5～7 mm，相邻插针的间距为3～3.5 mm。

作为进一步优选地，所述通气孔的形状为圆柱形，该通气孔的直径为0.8～0.9mm，相邻通气孔的间距为0.3 mm～0.4 mm。

按照本发明的另一方面，提供了一种适用于柔性电子器件的曲面转印方法，该方法采用上述适用于柔性电子器件的曲面转印装置，具体包括如下步骤：

S1所有插针处于平齐状态，利用气压控制模块控制插针以真空吸附的方式拾取柔性电子器件并转移到目标基材曲面的表面；

S2利用气压控制模块控制插针通过吹气的方式对柔性电子器件进行施压以改变其形状，同时利用辅助变形模块根据测距传感器测得的距离带动插针上下移动，以保证插针与目标基材曲面的距离固定；

S3待所述柔性电子器件与目标基材曲面完全贴合后，辅助变形模块带动插针恢复初始状态，进而完成柔性电子器件的曲面转印。

按照本发明的又一方面，提供了一种适用于柔性电子器件的曲面转印方法，该方法采用上述适用于柔性电子器件的曲面转印装置，具体包括如下步骤：

（a）所有插针处于平齐状态，利用激光测距器测量每个插针与目标基材曲面的距离，并反馈到曲面构型仿真模块，进而拟合出目标基材曲面的形状并确定插针的施压顺序和施压大小；

（b）利用气压控制模块控制插针以真空吸附的方式拾取柔性电子器件并转移到目标基材曲面的表面；

（c）利用所述气压控制模块根据步骤（a）确定的施压顺序和施压大小，控制插针依序吹气以对柔性电子器件进行施压并改变其形状，同时利用辅助变形模块根据测距传感器测得的距离带动插针上下移动，以保证插针与目标基材曲面的距离固定；

（d）待所述柔性电子器件与目标基材曲面完全贴合后，辅助变形模块带动插针恢复初始状态，进而完成柔性电子器件的曲面转印。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1．本发明提供的曲面转印装置采用气动的驱动方式，利用气压控制模块与插针配合对柔性电子器件施加气压以完成变形工作，并通过辅助变形模块保持插针与柔性电子器件的距离固定，使得整个变形过程中插针与柔性电子器件无接触，从而有效减少对柔性电子器件的损害，实现无损转印，显著提高操作的同步性和工作效率，并且插针呈阵列密集排布，能够对柔性电子器件进行精准变形和紧密贴合，有效避免漏贴、脱粘的问题；

2．尤其是，本发明通过设置曲面构型仿真模块，能够针对目曲面基材进行构型以确定各个插针的施压大小，并按照插针下端与目标基材曲面的距离由大到小的顺序排列确定施压顺序，进而有助于顺利将柔性电子器件与目标基材曲面之间的气体排除，提高柔性电子器件与目标基材曲面的贴合度，并且避免柔性电子器件受损，适用于各种复杂曲面的转印场景；

3．同时，本发明通过对插针和通气孔的尺寸进行优化，可以充分利用密排插针和通气孔组成的阵列密集构造点控制共形曲面的形状，进而使得曲面构型的精度达到亚微米级，大幅度提高了柔性电子器件曲面变形的精确性；

4．此外，本发明还提供了适用于柔性电子器件的曲面转印方法，对于简单目标基材曲面能够有效简化转印过程、提高转印效率，对于复杂目标基材曲面能够顺利将柔性电子器件与目标基材曲面之间的气体排除，提高柔性电子器件与目标基材曲面的贴合度，并避免柔性电子器件受损，应用场合更为广阔。

附图说明

图1是本发明实施例提供的适用于柔性电子器件的曲面转印装置的整体三维结构示意图；

图2是本发明实施例提供的插针结构局部放大示意图；

图3是本发明实施例提供的适用于柔性电子器件的曲面转印装置带动柔性电子器件变形并贴合到目标基材曲面表面的示意图；

图4是本发明实施例提供的适用于柔性电子器件的曲面转印方法的流程图；

图5是本发明实施例提供的针对复杂曲面的转印流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

100-目标基材曲面，101-柔性电子器件，200-基架，300-驱动变形模块，301-插针，302-通气孔，400-曲面构型仿真模块，500-气压控制模块，600-辅助变形模块。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-3所示，本发明提供了一种适用于柔性电子器件的曲面转印装置，为了具体展现该曲面转印装置中各组件的结构，图1-3为实际应用中装置反置的情况，该曲面转印装置包括基架200、固定在基架200上的驱动变形模块300以及配套设置的气压控制模块500和辅助变形模块600，其中：

驱动变形模块300包括预设数量呈阵列密集排布的插针301和测距传感器303，所有插针301的长度相同，并可上下移动地贯穿安装在基架200上，与该基架200构成移动副，由此可独立执行相对于基架200上下移动的操作，基架200在竖直方向上有大量均匀分布的正方形小孔，小孔内壁有较高的加工质量，小孔的边长略大于插针301截面边长，形成间隙配合；该插针301的内部设置有多个通气孔302，工作时利用插针301吸附柔性电子器件101并将其转移至目标基材曲面的上方，然后通过对该柔性电子器件101施加气压以改变其形状进而实现曲面转印；测距传感器303设置在插针301的下端并形成传感器阵列，各个测距传感器303可作为一个特征点，用于探测每个插针301下端与柔性电子器件101的距离；

气压控制模块500包裹全部插针301的上端，用于控制插针301的气压以实现柔性电子器件101的吸附和变形；

辅助变形模块600与测距传感器303连接，并与每个插针301的上端相接触，用于根据测距传感器303测得的距离带动各个插针301上下移动，保证插针301与柔性电子器件101的距离固定，从而精确控制插针301内部通气孔302对不同具体点的气压推动力，同时该辅助变形模块600还用于带动插针301上下移动以恢复平齐状态。

进一步，曲面转印装置还包括曲面构型仿真模块400，同时气压控制模块500包括与插针301数量相同的气压控制器，其中：曲面构型仿真模块400固定在基架200的外侧，并与测距传感器303连接，工作时利用测距传感器303测量每个插针301下端与目标基材曲面100的距离，并反馈至曲面构型仿真模块400，以利用插值法拟合目标基材曲面的形状，然后根据其精确控制各个插针301的气压，在容易受损的区域降低气压以实现无损转印，同时按照插针301下端与目标基材曲面的距离由大到小的顺序确定施压顺序；气压控制器可以随着插针301的上下移动而移动，进而保证在插针301移动后气压可以随之持续性输出，从而精确控制每个插针301的气压大小，气压控制精度可以达到微帕级，工作时气压控制器根据施压顺序和施压大小控制各个插针301依序施加预设气压，进而提高柔性电子器件101与目标基材曲面100的贴合度。

当目标基材曲面100为复杂曲面时，曲面构型仿真模块400可以开启，各个插针301依序施加气压，从而可以保证在复杂曲面转印的场景下顺利排出柔性电子器件101与目标基材曲面100之间的所有气体，防止出现因气体未及时顺利排出而存留气泡的现象，极大地提高了目标基材曲面100与柔性电子器件101的贴合率。此外，通过密排插针301的密集点拟合目标基材曲面100的形状并进行精确的气压控制，能够保证插针301与柔性电子器件101为点接触，确保所形成的共形曲面的精度。当目标基材曲面100为简单曲面时，曲面构型仿真模块400可以关闭，插针301同时施加气压，从而有效简化转印流程。

进一步，辅助变形模块600包括与插针301数量相同的位移驱动器，位移驱动器与每个插针301和测距传感器303单独连接，用于根据测距传感器303实时反馈的距离带动插针301上下移动，进而保证插针301下端与柔性电子器件101的距离保持不变，直至推动所有插针301到达相应位置为止。

更具体地，该辅助变形模块600与位于插针下端的测距传感器303相连，工作时通过测距传感器303实时反馈的与柔性电子器件101的距离信息，利用位移驱动器控制每个插针301上下移动，以保证每个插针301下端与柔性电子器件101的距离不变，该距离可根据需要设置，一般可取5～10mm，该距离的选择应当与目标基材曲面100的起伏状态有关，由于测距传感器303位于插针301中心，因此还应保证插针301边缘与柔性电子器件101留有安全距离，在处于非工作状态时，该辅助变形模块600将控制各个插针301保持初始平齐状态。

进一步，插针301的形状优选为长方体，其底面为正方形并且边长为6.5 mm～7mm，相邻插针301的间距为3 mm～3.5 mm，通过对插针301的边长和间距进行优化，能够保证插针301采集目标基材曲面100整体构型信息的准确性，同时还能够保证插针301气动柔性电子器件101主动变形的精度。此外，为了便于插针301在基架200小孔中的移动，插针301应有较高的表面质量，可以采用铁质插针。

进一步，各个插针301内部均有呈阵列排列的圆柱形通气孔302，并且每个通气孔302的直径为0.8 mm～0.9 mm，相邻通气孔302的间距为0.3 mm～0.4 mm，以此保证插针301对柔性电子器件101均匀地施加气体压力，实现对变形曲率的亚微米级控制，同时降低对柔性电子器件101的损伤。

进一步，测距传感器303优选采用激光测距传感器，通过测量从发射激光到接收反射回来的激光的时间间隔来计算插针301下端与柔性电子器件101或目标基材曲面100的距离。

如图4所示，按照本发明的另一方面，提供了一种适用于柔性电子器件的曲面转印方法，该方法适用于简单目标基材曲面，具体包括如下步骤：

S1所有插针301处于平齐状态，使目标基材曲面100的表面具有粘性，利用气压控制模块500控制插针301以真空吸附的方式拾取柔性电子器件101并转移到目标基材曲面100的表面；

S2利用气压控制模块控制插针301通过吹气的方式对柔性电子器件101进行施压以改变其形状，同时利用辅助变形模块600根据测距传感器303测得的距离带动插针301上下移动，以保证插针301与目标基材曲面的距离固定；

S3待柔性电子器件101与目标基材曲面100完全贴合后，辅助变形模块600带动插针301恢复初始状态，进而完成柔性电子器件的曲面转印。

如图4、5所示，按照本发明的又一方面，提供了一种适用于柔性电子器件的曲面转印方法，该方法适用于复杂目标基材曲面，具体包括如下步骤：

（a）所有插针301处于平齐状态，利用激光测距器303测量每个插针301与目标基材曲面100的距离，并反馈到曲面构型仿真模块400，进而拟合出目标基材曲面100的形状并确定插针301的施压顺序和施压大小；

（b）使目标基材曲面100的表面具有粘性，利用气压控制模块500控制插针301以真空吸附的方式拾取柔性电子器件101并转移到目标基材曲面100的表面；

（c）利用气压控制模块500根据步骤（a）确定的施压顺序和施压大小，控制插针301依序吹气以对柔性电子器件101进行施压并改变其形状，同时利用辅助变形模块600根据测距传感器303测得的距离带动插针301上下移动，以保证插针301与目标基材曲面的距离固定；

（d）待柔性电子器件101与目标基材曲面100完全贴合后，辅助变形模块600带动插针301恢复初始状态，进而完成柔性电子器件的曲面转印。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于柔性电子器件的曲面转印装置，其特征在于，该曲面转印装置包括基架（200）、固定在基架（200）上的驱动变形模块（300）以及配套设置的气压控制模块（500）和辅助变形模块（600），其中：

所述驱动变形模块（300）包括预设数量呈阵列密集排布的插针（301）和测距传感器（303），所述插针（301）可上下移动地贯穿安装在基架（200）上，该插针（301）的内部设置有多个通气孔（302），工作时利用所述插针（301）吸附柔性电子器件（101）并将其转移至目标基材曲面（100）的上方，然后通过对该柔性电子器件（101）施加气压以改变其形状进而实现曲面转印；所述测距传感器（303）设置在插针（301）的下端，用于探测每个插针（301）下端与柔性电子器件（101）的距离；

所述气压控制模块（500）包裹全部插针（301）的上端，用于控制插针（301）的气压以实现柔性电子器件（101）的吸附和变形；

所述辅助变形模块（600）与测距传感器（303）连接，并与每个插针（301）的上端相接触，用于根据所述测距传感器（303）测得的距离带动各个插针（301）上下移动，从而保证插针（301）与柔性电子器件（101）的距离固定，同时该辅助变形模块（600）还用于带动插针（301）上下移动以恢复平齐状态。

2.如权利要求1所述的适用于柔性电子器件的曲面转印装置，其特征在于，所述曲面转印装置还包括曲面构型仿真模块（400），同时所述气压控制模块（500）包括与插针（301）数量相同的气压控制器，其中：所述曲面构型仿真模块（400）固定在基架（200）的外侧，并与测距传感器（303）连接，工作时利用所述测距传感器（303）测量每个插针（301）下端与目标基材曲面（100）的距离，并反馈至曲面构型仿真模块（400）以拟合目标基材曲面的形状，进而确定插针（301）的施压顺序和施压大小；所述气压控制器用于根据所述施压顺序和施压大小控制各个插针（301）依序施加气压，进而提高柔性电子器件（101）与目标基材曲面（100）的贴合度。

3.如权利要求2所述的适用于柔性电子器件的曲面转印装置，其特征在于，所述曲面构型仿真模块（400）采用插值法拟合目标基材曲面的形状。

4.如权利要求2所述的适用于柔性电子器件的曲面转印装置，其特征在于，所述曲面构型仿真模块（400）按照插针（301）下端与目标基材曲面（100）的距离由大到小的顺序确定施压顺序。

5.如权利要求2所述的适用于柔性电子器件的曲面转印装置，其特征在于，所述测距传感器（303）为激光测距传感器。

6.如权利要求2所述的适用于柔性电子器件的曲面转印装置，其特征在于，所述辅助变形模块（600）包括与插针（301）数量相同的位移驱动器，工作时利用所述位移驱动器带动各个所述插针（301）上下移动。

7. 如权利要求2所述的适用于柔性电子器件的曲面转印装置，其特征在于，所述插针（301）的形状为长方体，其底面为正方形并且边长为6.5 mm～7 mm，相邻插针（301）的间距为3 mm～3.5 mm。

8. 如权利要求2～7任一项所述的适用于柔性电子器件的曲面转印装置，其特征在于，所述通气孔（302）的形状为圆柱形，该通气孔（302）的直径为0.8 mm～0.9 mm，相邻通气孔（302）的间距为0.3 mm～0.4 mm。

9.一种适用于柔性电子器件的曲面转印方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1～8任一项所述适用于柔性电子器件的曲面转印装置，具体包括如下步骤：

S1所有插针（301）处于平齐状态，利用气压控制模块（500）控制插针（301）以真空吸附的方式拾取柔性电子器件（101）并转移到目标基材曲面（100）的表面；

S2利用气压控制模块控制插针（301）通过吹气的方式对柔性电子器件（101）进行施压以改变其形状，同时利用辅助变形模块（600）根据测距传感器（303）测得的距离带动插针（301）上下移动，以保证插针（301）与目标基材曲面的距离固定；

S3待所述柔性电子器件（101）与目标基材曲面（100）完全贴合后，辅助变形模块（600）带动插针（301）恢复初始状态，进而完成柔性电子器件的曲面转印。

10.一种适用于柔性电子器件的曲面转印方法，其特征在于，该方法采用如权利要求2～8任一项所述适用于柔性电子器件的曲面转印装置，具体包括如下步骤：

（a）所有插针（301）处于平齐状态，利用激光测距器（303）测量每个插针（301）与目标基材曲面（100）的距离，并反馈到曲面构型仿真模块（400），进而拟合出目标基材曲面（100）的形状并确定插针（301）的施压顺序和施压大小；

（b）利用气压控制模块（500）控制插针（301）以真空吸附的方式拾取柔性电子器件（101）并转移到目标基材曲面（100）的表面；

（c）利用所述气压控制模块（500）根据步骤（a）确定的施压顺序和施压大小，控制插针（301）依序吹气以对柔性电子器件（101）进行施压并改变其形状，同时利用辅助变形模块（600）根据测距传感器（303）测得的距离带动插针（301）上下移动，以保证插针（301）与目标基材曲面的距离固定；

（d）待所述柔性电子器件（101）与目标基材曲面（100）完全贴合后，辅助变形模块（600）带动插针（301）恢复初始状态，进而完成柔性电子器件的曲面转印。