KR20220106170A - 3차원 전자 제품들을 생산하기 위한 방법들 및 시스템들 - Google Patents
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Abstract
제조를 위한 방법으로서, 이 방법은 샘플을 마운트에 결합시키고, 광감성 액체와 주변 환경 사이의 계면을 정의하는 상부 표면을 갖는 광감성 액체에 샘플의 적어도 일부를 침지시키는 단계를 포함한다. 샘플의 적어도 섹션에 결합되는 적어도 중합체층은, 상부 표면에 대해 샘플의 위치를 제어하는 것에 의해 중합체층의 두께를 설정하는 것, 및 광감성 액체를 중합하여 중합체층을 형성하기 위해 적어도 상부 표면을 조명하는 것에 의해 형성된다.
Description
본 발명은 일반적으로 전자 제품들의 생산에 관한 것으로, 상세하게는 스테레오리소그래피와 다른 프로세스들을 결합한 기술들을 사용하여 3차원 제품들을 생산하기 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것이다.
3차원(three-dimensional, 3D) 제품들을 생산하기 위한, 스테레오리소그래피와 같은, 다양한 프로세스들이 개발되었다.
예를 들어, 미국 특허 5,705,117은 기능하는 프로토타입 부품을 개발하기 위해 결과적인 부품 내에 비광중합체(non-photopolymer) 재료의 인서트들이 포함되는 프로토타입 부품을 개발하기 위한 스테레오리소그래피 프로세스를 설명한다. 한 섹션이 형성될 때마다 개발 중인 부품의 하나의 섹션에 비광중합체 인서트가 수동으로 위치된다.
미국 특허 7,373,214는 3차원 제품들을 프린팅하는 시스템을 설명하며, 이 시스템은 비프린팅된(non-printed) 대상물들을 부분적으로 완성된 제품에 통합시키는 하나 이상의 대상물 통합 디바이스를 포함하며, 비프린팅된 대상물들은 시스템에 의해 프린팅되지 않는다.
본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예는 제조를 위한 방법을 제공하며, 이 방법은 샘플을 마운트에 결합시키고, 광감성 액체(photosensitive liquid)와 주변 환경 사이의 계면을 정의하는 상부 표면을 갖는 광감성 액체에 샘플의 적어도 일부를 침지(immerse)시키는 단계를 포함한다. 샘플의 적어도 섹션에 결합되는 적어도 중합체층은, 상부 표면에 대해 샘플의 위치를 제어하는 것에 의해 중합체층의 두께를 설정하는 것, 및 광감성 액체를 중합하여 중합체층을 형성하기 위해 적어도 상부 표면을 조명하는 것에 의해 형성된다.
일부 실시예들에서, 적어도 상부 표면을 조명하는 것은 2 개 이상의 파장들 또는 2 개 이상의 파장 범위들을 사용하는 것을 포함한다. 다른 실시예들에서, 중합체층을 형성하는 것은 중합체층을 샘플의 적어도 섹션에 결합시키기 위해 광감성 액체의 점도를 제어하는 것을 포함한다. 또 다른 실시예들에서, 점도를 제어하는 것은 광감성 액체의 온도 및 화학적 조성 중 적어도 하나를 제어하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 중합체층의 두께를 설정하는 것은 상부 표면으로부터 광감성 액체의 적어도 일부를 와이핑(wiping)하는 것을 포함한다. 다른 실시예에서, 이 방법은 미리 정의된 패턴에 따라 샘플의 적어도 고체 표면을 향해 용융된 재료(molten material)의 액적(droplet)들을 지향시켜 액적들이 고체 표면 상에서 경화(harden)되어 고체 표면 상에 하나 이상의 층의 구조체를 프린팅하도록 하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 고체 표면은 중합체층의 적어도 일부를 포함한다.
일부 실시예들에서, 이 방법은 구조체의 적어도 주어진 표면을 주변 환경에 노출시키기 위해 중합체층의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함한다. 다른 실시예들에서, 이 방법은 추가적인 미리 정의된 패턴에 따라 주어진 표면 상의 미리 정의된 위치를 향해 추가적인 액적들을 지향시키는 것에 의해 주어진 표면 상에 전기 접점(electrical contact)을 형성하여 추가적인 액적들이 주어진 표면 상에서 경화되어 미리 정의된 위치에 전기 접점을 프린팅하도록 하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예들에서, 구조체는 3차원(3D) 구조체를 포함한다.
일 실시예에서, 이 방법은 중합체층에 공동을 형성하고 공동을 향해 액적들을 지향시켜 공동에 구조체의 적어도 일부를 프린팅하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 적어도 중합체층을 형성하는 것은 구조체를 고체 표면에 고정시키는 것을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 적어도 중합체층을 형성하는 것은 적어도 중합체층으로 구조체를 커버하는 것을 포함한다.
일부 실시예들에서, 이 방법은 적어도 접촉 패드를 갖는 전자 디바이스를 샘플에 결합시키는 단계, 및 전자 디바이스의 적어도 섹션 상에 적어도 중합체층을 형성하는 단계를 포함한다. 다른 실시예들에서, 이 방법은 미리 정의된 패턴에 따라 패드 표면을 향해 추가적인 액적들을 지향시키는 것에 의해 적어도 접촉 패드의 패드 표면 상에 전기 접점을 형성하여 추가적인 액적들이 패드 표면 상에서 경화되도록 하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예들에서, 전기 접점은 전자 디바이스로 또는 전자 디바이스로부터 전기 신호들을 전도하도록 패드 표면에 결합된 필러(pillar)를 포함한다.
일 실시예에서, 전자 디바이스를 결합시키는 단계는 전자 디바이스의 적어도 일부를 광감성 액체에 침지시키는 단계를 포함하고, 이 방법은 광감성 액체의 적어도 일부를 중합하여 중합체층의 적어도 일부를 형성하기 위해 샘플을 가열하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 이 방법은 중합체층에서의 선택된 위치에 공동을 형성하고 주어진 액체로 공동을 채우는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 공동을 형성하는 단계는 (a) 광감성 액체가 선택된 위치에서 중합되지 않도록 선택된 위치를 둘러싸는 하나 이상의 위치에서 광감성 액체를 조명하는 단계, 및 (b) 선택된 위치로부터 광감성 액체를 제거하여 공동을 형성하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 광감성 액체를 제거하는 것은 (a) 광감성 액체를 선택된 위치 밖으로 펌핑하는 것, 및 (b) 고체 요소를 공동 내로 삽입하는 것 중 하나를 포함한다. 다른 실시예들에서, 공동을 채우는 단계는 주어진 액체를 공동 내로 디스펜싱하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예들에서, 주어진 액체는 (a) 기계적 특성, (b) 열적 특성, (c) 전기적 특성, 및 (d) 화학적 특성으로 이루어진 특성 목록으로부터 선택되는 적어도 하나의 특성에 의해 광감성 액체와는 상이하다.
일부 실시예들에서, 주어진 액체는 주어진 광감성 액체를 포함하고, 이 방법은 주어진 광감성 액체의 선택된 패턴을 중합하여 공동 내의 주어진 중합체층을 갖는 선택된 패턴을 형성하기 위해 주어진 광감성 액체의 선택된 패턴을 조명하는 단계를 포함한다. 다른 실시예들에서, 이 방법은 (a) 중합체층 위에 또는 아래에 전기 컴포넌트를 형성하는 단계, (b) 중합체층에 공동을 패터닝하는 단계, (c) 중합체층과는 상이한 물질(substance)로 공동을 채우는 단계, 및 (d) 적어도 물질 상에 유연성 부재(flexible member)를 배치하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 전기 컴포넌트는 저항기를 포함하고, 여기서 물질은 중합체층의 제2 열팽창 계수(coefficient of thermal expansion, CTE)보다 큰 제1 CTE를 갖는다.
일 실시예에서, 전기 컴포넌트는 커패시터를 포함하고, 물질은 중합체층의 제2 기계적 강성(mechanical rigidness)보다 작은 제1 기계적 강성을 갖는다. 다른 실시예에서, 유연성 부재는 폴리이미드 또는 실리콘(silicone)을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 광감성 액체는 (a) 에폭시 또는 실리콘 중합체들을 형성하도록 광중합 가능한 화학적 모이어티(chemical moiety)들, (b) 폴리이미드, (c) 폴리우레탄들, (d) 폴리디시클로펜타디엔(polydicyclopentadiene), (e) 광감성 중합가능 실란들, 및 광중합가능 모이어티로 이루어진 목록으로부터 선택되는 하나 이상의 물질을 포함한다.
일부 실시예들에서, 적어도 상부 표면을 조명하는 것은 자외선(ultraviolet, UV) 방사선을 사용하여 광감성 액체를 조명하는 것을 포함한다. 다른 실시예들에서, 이 방법은 층을 도포하거나 디바이스를 주어진 표면에 결합시키기 전에 중합체층의 주어진 표면을 준비하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예들에서, 층을 도포하는 것은 미리 정의된 패턴에 따라 중합체층의 주어진 표면을 향해 용융된 재료의 액적들을 지향시켜 액적들이 주어진 표면 상에서 경화되어 주어진 표면 상에 층을 프린팅하도록 하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 주어진 표면을 준비하는 단계는 층을 도포하기 전에 주어진 표면에 접착층을 도포하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 주어진 표면을 준비하는 단계는 주어진 층에 공동을 패터닝하고 공동의 적어도 일부에 층을 도포하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 주어진 표면을 준비하는 단계는 레이저 어블레이션을 사용하여 주어진 표면의 적어도 섹션을 조면화(roughen)하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 주어진 표면을 준비하는 단계는 주어진 표면의 적어도 섹션에 마이크로미터 규모 입자(micron-scale particle)들을 도포하는 단계를 포함한다. 다른 실시예들에서, 마이크로미터 규모 입자들을 도포하는 단계는 휘발성 용제(volatile solvent)에 침지된 마이크로미터 규모 입자들을 포함하는 희석 용액을 디스펜싱하거나 분사(jet)하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예들에서, 이 방법은 미리 정의된 패턴에 따라 샘플의 적어도 고체 표면을 향해 용융된 재료의 제1 액적들을 지향시키는 것에 의해 제1 3차원(3D) 구조체를 형성하여 제1 액적들이 고체 표면 상에서 경화되어 고체 표면 상에 제1 3D 구조체를 프린팅하도록 하는 단계를 포함한다. 제1 3D 구조체는 고체 표면을 향하는 하부 표면을 갖는 제1 단부 및 하부 표면 반대편의 상부 표면을 갖는 제2 단부를 포함하고, 이 방법은, 상부 표면을 향해 용융된 재료의 제2 액적들을 지향시키는 것에 의해 제2 3D 구조체를 상부 표면 상에 형성하여 제2 액적들이 상부 표면 상에서 경화되어 제1 3D 구조체의 상부 표면 상에 제2 3D 구조체를 프린팅하도록 하는 단계를 포함한다. 적어도 중합체층을 형성하는 단계는, (i) 고체 표면 상의 제1 3D 구조체의 위치를 고정시키기 위한 제1 중합체층을 형성하는 단계, 및 (ii) 제1 3D 구조체의 상부 표면 상의 제2 3D 구조체의 위치를 고정시키기 위한 제2 중합체층을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 제1 3D 구조체 및 제2 3D 구조체 중 적어도 하나는 필러를 포함한다. 다른 실시예에서, 두께를 설정하는 것은 상부 표면을 조명하는 것이 주어진 두께 내의 모든 광감성 액체를 중합하는 것을 포함하도록 주어진 두께를 설정하는 것을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 두께를 설정하는 것은 광감성 액체의 제1 상부 표면으로부터 광감성 액체의 적어도 일부를 와이핑하는 것에 의해 제1 중합체층의 적어도 제1 두께를 설정하는 것을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 제조를 위한 시스템이 추가적으로 제공되며, 이 시스템은 광감성 액체, 마운트, 광학 어셈블리 및 프로세서를 포함한다. 광감성 액체는 통(vat)에 담겨 있고 광감성 액체와 주변 환경 사이의 계면을 정의하는 상부 표면을 갖는다. 마운트는 샘플이 그에 결합되어 있으며 샘플을 상부 표면에 대해 이동시키는 것에 의해 샘플의 적어도 일부를 광감성 액체에 침지시키도록 구성된다. 광학 어셈블리는 광감성 액체를 중합하여 중합체층을 형성하기 위해 적어도 상부 표면을 조명하도록 구성된다. 프로세서는 상부 표면에 대해 샘플의 위치를 제어하는 것에 의해 중합체층의 두께를 설정하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 제조를 위한 방법이 더 제공되며, 이 방법은 미리 정의된 패턴으로 기판을 향해 용융된 재료의 액적들을 토출(eject)하여 액적들이 기판 상에서 경화되어 기판 상에 3차원(3D) 구조체를 프린팅하게 하도록 하는 단계를 포함한다. 기판은, 그 위의 3D 구조체와 함께, 광감성 액체에 침지된다. 3D 구조체의 적어도 일부를 포함하는 하나 이상의 중합체층을 형성하도록 광감성 액체를 중합하기 위해 광감성 액체가 조사(irradiate)된다.
일부 실시예들에서, 액적들은 용융된 금속을 포함한다. 다른 실시예들에서, 이 방법은 기판 상에 전자 디바이스를 배치하는 단계를 포함하며, 액적들을 토출하는 단계는 전자 디바이스에의 전도성 연결을 이루는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예들에서, 전도성 연결을 이루는 단계는 광감성 액체를 중합하는 것에 의해 형성되는 중합체층들 중 하나 이상을 통해 연장되는 필러를 프린팅하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 액적들을 토출하는 단계는 도너 필름에 충돌하도록 레이저 빔을 지향시키는 것에 의해 액적들이 레이저 유도 전방향 전사(laser-induced forward transfer, LIFT)에 의해 토출되도록 하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 광감성 액체를 조사하는 것은 스테레오리소그래피 프로세스에서 다수의 중합체층들을 빌드업(build up)하기 위해 패터닝된 방사선을 광감성 액체에 인가하는 것을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 액적들을 토출하는 것은 3D 구조체를 위한 기판으로서 역할하는 제1 스테레오리소그래픽층(stereolithographic layer) 상에 3D 구조체를 프린팅하는 것을 포함하고, 패터닝된 방사선을 인가하는 것은 제1 스테레오리소그래픽층 위에 적어도 제2 스테레오리소그래픽층을 형성하는 것을 포함한다.
본 발명은, 도면과 함께, 그의 실시예들에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 더 완전히 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전자 디바이스들을 제조하기 위한 시스템의 개략 측면도이다.
도 2 내지 도 9는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, 전자 제품들에 전자 디바이스들 또는 광전자 디바이스들을 생산 및 매립하기 위한 방법들 및 프로세스 시퀀스들을 개략적으로 예시하는 다이어그램들이다.
도 2 내지 도 9는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, 전자 제품들에 전자 디바이스들 또는 광전자 디바이스들을 생산 및 매립하기 위한 방법들 및 프로세스 시퀀스들을 개략적으로 예시하는 다이어그램들이다.
개관
이하에서 설명되는 본 발명의 실시예들은 중합체 매트릭스에 다양한 유형들의 다수의 디바이스들 및 컴포넌트들을 매립하고 상호 연결시키는 것에 의해 3차원(3D) 전자 제품들을 생산하기 위한 방법들 및 시스템들을 제공한다.
일부 실시예들에서, 중합체 매트릭스는 샘플을 가동 스테이지에 결합시키고 상부 표면을 갖는 광감성 액체를 담고 있는 통에 샘플을 침지시키는 것에 의해 형성된다. 스테이지는 매트릭스의 중합체층의 원하는 두께를 얻기 위해 광감성 액체의 상부 표면에 대해 샘플을 이동시킨다. 추가적으로, 스테레오리소그래피 조명 어셈블리(stereolithography illumination assembly, SLI)의 광원은 광감성 액체를 중합하여, 본 명세서에서 광중합된 층으로도 지칭되는, 중합체층을 형성하기 위해 적어도 상부 표면을 조명한다. SLI가 중합체층에 패턴을 형성하거나 샘플의 전체 표면을 중합체층으로 커버하도록 구성된다는 점에 유의한다.
일부 실시예들에서, 3D 전자 제품들을 생산하기 위한 시스템은 제1 및 제2 디바이스들을 매트릭스의 각자의 제1 및 제2 위치들에 위치시키도록 구성된 픽 앤 플레이스(pick and place, PP) 서브시스템을 포함한다. 디바이스들의 형상들 및 치수들은 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 일부 실시예들에서, PP는 제1 디바이스의 적어도 일부를 광감성 액체에 침지시킬 수 있고, SLI는 제1 디바이스를 중합체 매트릭스에 고정시키기 위해 제1 디바이스를 둘러싸는 광감성 액체를 중합할 수 있다. 다른 실시예들에서, 이 시스템은 중합체 매트릭스에 공동을 생산하도록 구성되고 PP는 공동 내에 제2 디바이스를 위치시킬 수 있다. 광감성 액체의 두께 및 공동의 치수들을 제어하는 것에 의해, 이 시스템이 중합체 매트릭스에서 임의의 원하는 위치에 제1 및 제2 디바이스들을 위치시키도록 구성된다는 점에 유의한다.
일부 실시예들에서, 이 시스템은 제1 및 제2 디바이스들을 상호 연결시키기 위한 및/또는 제1 및 제2 디바이스들 중 임의의 것을 샘플에 전기적으로 결합되거나 샘플 내에 포함된 임의의 다른 엔티티와 연결시키기 위한 전기 트레이스들을, 광중합된 층들 상에, 프린팅하도록 구성되는 레이저 직접 쓰기 서브시스템(laser direct writing subsystem)(LDW)을 포함한다. LDW는 미리 정의된 패턴에 따라 샘플을 향해 용융된 금속 액적들을 토출하는 것에 의해 액적들이 기판 상에서 경화되어 전기 트레이스들을 형성하도록 하는 것에 의해 전기 트레이스들을 프린팅하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 이 시스템은 LDW, 또는 디스펜싱 서브시스템 또는 잉크젯 서브시스템과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 임의의 다른 적합한 서브시스템을 사용하여 금속 잉크들을 프린팅하도록 구성된다.
다른 실시예들에서, 이 시스템은 중합체 매트릭스에, 열 기반 액추에이터와 같은, 다양한 유형들의 센서들 및 액추에이터들을 생산하도록 구성된다. 예를 들어, 이 시스템은 (a), 예를 들면, 중합체 매트릭스에 형성되는 공동 아래에, 저항기와 같은, 전기 컴포넌트를 생산하고, (b) 중합체 매트릭스의 열 팽창 계수(CTE)보다 큰 CTE를 갖는 액체를 디스펜싱하며, (c) 공동에 디스펜싱되는 액체 위에 유연성 멤브레인을 고정시키도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 샘플에 특정 전압 레벨을 인가하는 것에 응답하여, 저항기가 가열되고, 이는 액체의 부피를 팽창시키며 중합체 매트릭스 밖으로의 유연성 부재의 돌출에 의해 달성되는 열 기반 작동을 야기한다. 다른 프린팅 가능한 액추에이터들은 다른 대상물들의 전술한 3D 제품들을 생산하기 위한 빌드업 프로세스의 일부로서 LDW 장치에 의해 생성되는 바이메탈 유형이다.
일부 실시예들에서, 이 시스템은 또한, 다양한 크기들 및 형상들을 갖는 중합체 매트릭스 공동들을 형성하고 이러한 공동들을 원하는 열적, 전기적 및 기계적 특성들을 갖는 선택된 액체 및/또는 고체 물질들로 채우는 것에 의해, 샘플의 다양한 섹션들의 열적, 전기적 및 기계적 특성들 중 하나 이상을 제어하도록 구성된다. 매립된 고체들은, 예를 들어, 임의의 적합한 유형의 마이크로-전자-기계(micro- electro-mechanical)(MEMS) 센서들 또는 액추에이터 디바이스들 또는 임의의 다른 마이크로미터 규모의 전기적으로 기능하는 디바이스, 또한 예를 들어 마이크로 배터리들 또는 슈퍼 커패시터들과 같은 전원들을 포함할 수 있다.
개시된 기술들은 통에 보유된 샘플로 전체 생산 프로세스를 수행하는 것에 의해 복잡한 제품들을 생산하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 제품들은 예를 들어 부상하는 첨단 전자 패키징 산업에서도 특별히 관심을 받고 있다. 더욱이, 개시된 기술들은 통에 보유된 샘플로 모든 프로세스들을 수행하는 것으로 인해 복잡한 제품의 품질을 개선시키고 생산 비용 및 화학 폐기물의 양을 줄인다.
시스템 설명
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다양한 유형들의 전자 및 광전자 디바이스들을 제조하기 위한 시스템(10)의 개략적인 측면도이다. 일부 실시예들에서, 시스템(10)은 통(24) 및 튜브(28)를 통해 저장조(26)로부터 통(24)에 공급되는 광감성 액체(44)를 포함하는, 본 명세서에서 SLY(22)로 지칭되는, 스테레오리소그래피 통 어셈블리를 포함한다.
일부 실시예들에서, 광감성 액체(44)는 에폭시 또는 실리콘 중합체들, 또는 폴리이미드, 또는 폴리우레탄들 또는 폴리디시클로펜타디엔, 또는 광감성 중합가능 실란들, 또는 임의의 다른 적합한 유형의 광중합가능 모이어티들을 형성하도록 광중합 가능한 화학적 모이어티들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 시스템(10)은 샘플(99)이 결합되어 있는, 본 명세서에서 마운트(33)로 지칭되는, 전동식 z-스테이지를 포함한다. 일 실시예에서, 마운트(33)는 액체(44)의 상부 표면(90)에 대해 샘플(99)을 이동시키도록 구성된다. 도 1의 예시적인 구성에서, 마운트(33)는, 양방향 화살표(48)에 의해 도시된 바와 같이, z축을 따라 샘플(99)을 이동시키고 샘플(99)의 적어도 일부를 공기에 또는 액체(44)의 상부 표면(90)의 주변 환경에 있는임의의 다른 적합한 유형의 유체 및/또는 고체에 노출시키도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 시스템(10)은 xy 평면(50)의 x축 및/또는 y축(양방향 화살표(46)로 도시됨)을 따라 제어되고 균일한(예를 들어, 매끄러운) 움직임으로 통(24)을 이동시키도록 구성된, 본 명세서에서 마운트(30)로 지칭되는, 전동식 xy 스테이지를 포함한다.
일부 실시예들에서, 시스템(10)은 섀시(31)에 결합되고 액체(44)의 적어도 상부 표면(90)을 조명하도록 구성된, 본 명세서에서 SLI(55)로 지칭되는, 스테레오리소그래피 조명 어셈블리를 포함한다.
일부 실시예들에서, SLI(55)는, 아래에서 상세히 설명될 것인 바와 같이, 액체(44)의 상부 표면(90)에 이미지(20)를 투영하도록 구성된다. 그러한 실시예들에서, SLI(55)는 상부 표면(90)에 매우 근접하여 위치하는 액체(44)의 적어도 일부를 중합하기 위해 샘플(99)의 대상물 빌드업과 정렬되게 이미지(20)를 투영하도록 구성된다.
다른 실시예들에서, SLI(55)는 하나 이상의 레이저 빔을 사용하여, 또는 액체(44)의 상부 표면(90)을 조명하기 위한 임의의 다른 적합한 방법을 사용하여 상부 표면(90)을 스캔하도록 구성된다.
본 개시 및 청구범위의 맥락에서, "조명하는"이라는 용어는 이미지(20)를 투영하는 것, 또는, 예를 들어, 액체(44) 상에 하나 이상의 광 빔을 지향시키는 것을 지칭한다. 본 개시 및 청구범위의 맥락에서, "조명하는", "지향시키는" 및 "투영하는"이라는 용어들은 상호 교환 가능하게 사용된다.
그러한 실시예들에서, SLI(55)는, 상부 표면(90)에 매우 근접하여 위치하는 액체(44)의 적어도 일부를 중합하는 것에 의해 패턴을 형성하기 위해, 액체(44)의 표면(90)에 원하는 패턴을 갖는 이미지(20)를 투영하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 액체(44)는, 광감성 에폭시 또는 실리콘과 같은, 자외선(UV) 광감성 수지, 또는 임의의 다른 유형의 UV 감응 단량체 또는 올리고머 수지, 또는 임의의 다른 적합한 유형의 재료를 포함할 수 있다. UV 광에 노출 시에 즉각 중합되는 그러한 재료들은, 예를 들어, Engineered Materials Systems Inc.(EMS)(미국 오하이오주 델라웨어)에 의해 및 EMS의 지분이 Nagase & Co(일본 오사카)에 의해 인수된 후에 설립된 EMS-NAGASE에 의해 제공된다.
그러한 실시예들에서, 이미지(20)의 투영된 광은 액체(44)의 상부 표면(90)을 조명하는 UV 광을 포함할 수 있으며, 액체(44)의 상부 표면(90)은 아래에서 상세히 설명될 것인 바와 같이 층상으로(layer by layer) 형성되는 미리 정의된 패턴에 따라 중합된다.
일부 실시예들에서, SLI(55)는 중합 프로세스의 깊이, 속도 및 다른 파라미터들을 제어하기 위해 2 개 이상의 파장들 또는 파장 범위들(예를 들면, 약 375 nm 내지 405 nm의 파장들을 가짐)를 방출하도록 구성된 하나 이상의 레이저 다이오드 또는 하나 이상의 고출력 발광 다이오드(light-emitting diode, LED)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, SLI(55)는 주어진 해상도의 이미지(20)에 대해 이미지의 횡방향 범위(lateral span)를 정의한 약 1 메가 픽셀 또는 임의의 다른 적합한 수의 메가 픽셀을 갖는 DLP(digital light processing) 프로젝터를 사용하여 상부 표면(90)에 이미지(20)를 투영하도록 구성된다. 횡방향 분해능과 조명 필드 크기 간의 트레이드오프에 유의한다. 예를 들어, 30 μm 픽셀 크기의 DLP 프로젝터는 약 30 mm의 조명 필드 크기를 가질 수 있다. 그러한 DLP 프로젝터들은, 예를 들어, Texas Instruments(텍사스주 달라스)에 의해 제공된다. 추가적으로 또는 대안적으로, SLI(55)는 임의의 적합한 유형의 레이저 스캐너(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 액체(44)의 중합은 상부 표면(90)에, 본 명세서에서 중합체 매트릭스로도 지칭되는, 고체층을 형성하고, 고체층의 두께는 투영된 이미지(20)의 다양한 파라미터들, 액체(44)의 특성들, 및 액체의 광 강도, 조명 지속 기간, 및 흡수 깊이와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 다른 파라미터들에 의해 결정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 액체(44)의 상부 표면(90)에 있는, 본 명세서에서 상부층으로도 지칭되는, 층이 미리 결정된 두께로 중합된 후에, 마운트(33)는 샘플(99)의 적어도 일부를 액체(44)에 침지시키기 위해 z축을 따라 샘플(99)을 이동시키고, SLI(55)는 액체(44)를 조명한다. 패터닝 빌드업 계획에 따라 원하는 패턴을 형성하기 위해 침지 및 조명 프로세스들이 반복된다. 스테레오리소그래피 프로세스가 아래에서 더 상세히 추가로 설명된다.
일부 실시예들에서, 시스템(10)은 섀시(31)에 결합되고 샘플(99)의 표면 상에 다양한 유형들의 재료들(전형적으로 금속층들)을 퇴적시키도록 구성된, 본 명세서에서 LDW(66)로도 지칭되는, 레이저 직접 쓰기 및/또는 컴포넌트 매립 서브시스템 및/또는 레이저 어블레이션 서브시스템을 포함한다. LDW(66)는 레이저 유도 전방향 전사(LIFT)와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 다양한 기술들 및 프로세스들을 적용할 수 있다.
LIFT 프로세스에서, 하나 이상의 레이저 빔은 투명한 도너 기판(도시되지 않음)을 통과하고 샘플(99)을 향하는 도너 기판의 하부 표면 상에 퇴적되는 하나 이상의 도너 필름에 충돌하도록 지향된다. 충돌된 레이저 빔은 샘플(99)의 표면 상의 미리 정의된 위치에 랜딩하는 도너 필름들의 액적들을 토출한다.
도 1의 예에서, 레이저 빔은 미러 또는 임의의 다른 적합한 빔 반사 장치로부터 반사되고 도너 기판으로 지향된다. 다른 실시예들에서, 레이저 빔은 아래의 일부 실시예들에서 간략하게 설명될 것인 바와 같이 입사 빔의 특성들 중 일부를 설정하도록 구성된 광학 장치를 통해 레이저로부터 도너 기판으로 직접 조준될 수 있다.
다른 실시예들에서, LDW(66)는 유전체층들 및 접착제들과 같은 비전도성 재료들을 프린팅하도록 구성된다.
또 다른 실시예들에서, LDW(66)는 또한 레이저 미세가공 스테이션으로서 기능하도록 구성된다. 동일한 레이저 소스를 사용하거나 필요에 따라 추가적인 레이저 유형을 사용하여, 필요에 따라 프린팅된 재료를 로컬로 가공하기 위해. 예를 들어, 구멍들을 뚫기 위해, 및/또는 원하지 않는 재료, 중합체 또는 금속을 제거하기 위해. 또한, 프린팅된 재료의 접착력을 개선시키기 위해 레이저 표면 처리가 필요한 경우가 있다. 예를 들어, 이것은 전형적으로 사전 처리된 중합체 영역 위의 레이저 프린팅된 금속 트랙 또는 트레이스의 접착력을 개선시키는 중합체 표면 조면화에 의해 또는 일부 경우에 원하지 않는 산화물층의 제거에 의해 달성된다. 예를 들어, 전술한 금속 패드들의 상부 표면 상에 접촉 금속들을 프린팅하기 전에, 산화물 제거가 필요할 수 있다.
LIFT 및 다른 컴포넌트 매립 기술들의 다양한 처리 방법들이 알려져 있으며, 일부는, 예를 들어, Serra, Pere & Piquι, Alberto. (2018). Laser- Induced Forward Transfer: Fundamentals and Applications. Advanced Materials Technologies. 4. 1800099. 10.1002/admt.201800099에, 미국 특허 출원 공보 US20170189995에, 및 PCT 공보 WO2019138404에 상세히 설명되어 있으며, 이들의 개시들 모두는 본 명세서에 참고로 포함된다.
일부 실시예들에서, 시스템(10)은 임의의 적합한 기판으로부터 디바이스를 집어서 샘플(99)의 표면 상의 미리 결정된 위치에 디바이스를 놓도록 구성된, 본 명세서에서 PP(77)로 지칭되는, 픽 앤 플레이스 서브시스템을 포함한다. 추가적으로 또는 대안적으로, PP(77)는 또한 하나 이상의 유형의 컴포넌트, 및/또는 임의의 다른 적합한 유형 및 크기의 고체 물품과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 임의의 다른 유형의 고체 대상물을 집어 놓도록 구성된다. PP(77)는, Comau(이탈리아 그룰리아스코)에 의해 생산된 4축 REBEL-S6 SCARA 로봇 또는 임의의 다른 적합한 제품 또는 서브시스템과 같은, 임의의 적합한 픽 앤 플레이스 서브시스템을 포함할 수 있다. 더욱이, PP(77)는 집어 놓기 동작의 공간 및 수직 정확도를 향상시키기 위한 카메라 및 이미지 처리 및 정합 알고리즘들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, PP(77)는 섀시(31)에 결합되며, xy 평면에서 PP(77)의 위치를 조정하도록 구성된 마운트(27)를 포함한다. 마운트(29)는, 예를 들어, 아래에서 설명되는 프로세서(11)를 사용하여 제어될 수 있다.
일부 실시예들에서, 시스템(10)은 샘플(99)에 임의의 다른 적합한 프로세스를 적용하도록 구성된 서브시스템(88)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 서브시스템(88)은 임의의 적합한 유형의 검사 및/또는 계측 서브시스템(예를 들어, 광학 기반), 레이저 어블레이션 서브시스템, 드릴링 서브시스템, 소잉(sawing) 및/또는 다이싱(dicing) 서브시스템, 전도성 및 비전도성 재료들(예를 들면, 접착제들)의 디스펜싱 서브시스템, 액체 흡인 서브시스템, 레이저 기반 미세가공 서브시스템, 어닐링/용융/경화 가열 서브시스템(예를 들면, 레이저 기반 적외선), 또는 임의의 다른 적합한 처리 또는 검사/계측 및 이미지 처리 서브시스템, 또는 전기 테스트와 같은 테스트 모듈들을 포함할 수 있다. 시스템(10)이 하나 이상의 서브시스템(88)을 포함할 수 있고, 이들 각각이 위의 목록에 언급된 적어도 하나의 서브시스템을 포함한다는 점에 유의한다.
일부 실시예들에서, 서브시스템(88)은 섀시(31)에 결합되며, xy 평면에서 서브시스템(88)의 위치를 조정하도록 구성된 마운트(29)를 포함한다. 마운트(29)는, 예를 들어, 프로세서(11)에 의해 제어될 수 있다.
일부 실시예들에서, 시스템(10)은 SLV(22), SLI(55), LDW(66), PP(77), 마운트들(30 및 33), 및 위에서 설명된 임의의 적합한 유형의 서브시스템(88)과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 시스템(10)의 다수의 서브시스템들 및 어셈블리들을 제어하도록 구성된 제어 콘솔(12)을 포함한다.
일부 실시예들에서, 콘솔(12)은, 케이블들(42)을 통해, 전술한 서브시스템들 및 어셈블리들의 제어기들(도시되지 않음)과 인터페이싱하고 이들과 신호들을 교환하기 위한 적합한 프런트 엔드 및 인터페이스 회로들을 갖는 프로세서(11), 전형적으로 범용 컴퓨터를 포함한다.
일부 실시예들에서, 프로세서(11) 및 제어기들은 시스템(10)에 의해 사용되는 기능들을 수행하고 소프트웨어에 대한 데이터를 메모리(21)에 저장하도록 소프트웨어로 프로그래밍될 수 있다. 소프트웨어는, 예를 들어, 네트워크를 통해 전자 형태로 프로세서(11) 및/또는 하나 이상의 제어기에 다운로드될 수 있거나, 광학, 자기 또는 전자 메모리 매체들과 같은 비일시적 유형적 매체들 상에 제공될 수 있다.
일부 실시예들에서, 콘솔(12)은 프로세서(11)로부터 수신되는 이미지(34) 또는 입력 디바이스들(40)을 사용하여 사용자(도시되지 않음)에 의해 삽입되는 입력들과 같은 데이터 및 이미지들을 디스플레이하도록 구성된 디스플레이(34)를 포함한다.
일부 실시예들에서, 프로세서(11)는 섀시(31)에 결합된 서브시스템들 및 어셈블리들에 대해 SLV(22)를 이동시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어하도록 구성된다. 프로세서(11)는 또한 프로세스 시퀀스를 수행하여 통합된 전자 및/또는 광전자 디바이스 및/또는 제품을 생산하기 위해 위에서 설명된 서브시스템들 및 어셈블리들 각각을 제어하도록 구성된다. 그러한 프로세스들 및 프로세스 시퀀스들의 예들은 아래에서 상세히 설명된다.
다른 실시예들에서, SLI(55), LDW(66), PP(77) 및 서브시스템(88) 중 적어도 하나는 섀시(31)와는 상이한 섀시에 결합될 수 있다. 예를 들어, SLI(55)는 섀시(31)에 결합될 수 있고, LDW(66), PP(77) 및 서브시스템(88) 각각은 상이한 각자의 섀시에 결합될 수 있다. 이 구성은, 예를 들어, 시스템(10)의 SLI(55), LDW(66), PP(77) 및 서브시스템(88)의 운용 유연성을 개선시키기 위해 사용될 수 있다.
시스템(10)의 이러한 특정 구성은 본 발명의 실시예들에 의해 다루어지는 다수의 디바이스들 및 프로세스들을 단일 제품에 통합시키는 것과 같은 특정 문제들을 예시하고 그러한 시스템의 성능을 향상시키는 데 이러한 실시예들을 적용하는 것을 설명하기 위해 예로서 도시되어 있다. 그렇지만, 본 발명의 실시예들은 이러한 특정 종류의 예시적인 시스템으로 결코 제한되지 않으며, 본 명세서에 설명된 원리들은 다른 종류들의 생산 및/또는 엔지니어링 및/또는 연구 시스템들에도 유사하게 적용될 수 있다.
중합된 샘플에 전기 트레이스를 매립하기
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 샘플(99)의 중합체 매트릭스에 전기 트레이스(52)를 생산 및 매립하기 위한 방법 및 프로세스 시퀀스를 개략적으로 예시하는 다이어그램이다. 프로세스는, 단계 1에서, 프로세서(11)가 (a) z축에서 SLI(55)와 정렬되게 또는 SLI(55)에 매우 근접하게 샘플(99)을 위치시키도록 마운트(30)를 제어하는 것, (b) 샘플(99)이 미리 정의된 두께의 액체(44)에 완전히 침지되도록 z축을 따라 샘플(99)을 이동시키도록 마운트(33)를 제어하는 것, 및 (c) 샘플(99) 상의 대상물 빌드업과 정렬되게 이미지(20)를 투영하고 상부 표면(92)를 갖는 샘플(99)의 첨가제층을 중합하도록 SLI(55)를 제어하는 것으로 시작된다.
일부 실시예들에서, 첨가제층이 샘플(99)의 일부로서 고체 상태의 상부 표면(92) 상의 패턴을 가질 때 단계 1이 종료된다. 아래에서 상세히 설명될 것인 바와 같이, 최대 약 50 μm의 두께에서, 액체(44)의 두께는 전형적으로 중합된 첨가제층의 두께에 대응한다. 그러한 실시예들에서, 프로세서(11)는 해당 특정 층에 대응하는 미리 결정된 패턴을 샘플(99)의 표면과 이전 상부층 사이의 액체(44)의 전체 두께로 중합하기에 충분하게 액체(44)를 조명하도록 SLI(55)를 제어한다. 일 실시예에서, 단계 1을 종료한 후에, 샘플(99)의 상부 표면(92)은 액체(44)의 상부 표면(90)과 동일한 높이가 될 수 있다.
본 개시 및 청구범위의 맥락에서, "중합체 매트릭스"라는 용어는 조명 세션 동안 또는 그 이후에, 예를 들어, 추가적인 열처리로서, SLI(55)를 사용하여 액체(44)를 중합하는 것 또는 임의의 다른 적합한 유형의 중합 프로세스에 의해 생산되는 임의의 유형의 고체 중합체층을 지칭한다. 그러한 중합체층들 및 이를 생산하기 위한 프로세스들은 아래의 도 3 내지 도 9에 상세히 설명되어 있다.
단계 2에서, 프로세서(11)는 (a) 샘플(99)을 이동시키고 LDW(66)의 전술한 하나 이상의 도너 필름으로부터 미리 정의된 거리(57)에 상부 표면(92)을 위치시키도록 마운트(33)를 제어하고, (b) 금속 액적들(51)을 하나 이상의 도너 필름으로부터 상부 표면(92)에서의 전술한 미리 정의된 위치로 지향시키는 것에 의해 전기 트레이스(52)를 프린팅하도록 LDW(66)를 제어한다.
일부 실시예들에서, 프로세서(11)는 액체(44)에 침지된 대상물들의 지정된 체적에 기초하여 마운트(33)의 움직임을 제어할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 프로세서(11)는 SLV(22)에 통합된 감지 서브시스템(도시되지 않음)으로부터 수신되는 통(24) 내의 액체(44)의 감지된 레벨에 기초하여 마운트(33)를 제어할 수 있다.
일부 경우에, 유기 중합체들(예컨대, 중합된 액체(44))의 표면 상에 용융된 금속 액적들을 LIFT 분사하는 것(섭씨 수백 또는 수천 도에서 수행됨)은 중합된 층의 표면에 대한 프린팅된 재료(예를 들면, 전기 트레이스(52))의 불충분한 접착을 가질 수 있다. 불충분한 접착은 샘플(99)의 품질(예를 들면, 전기 트레이스(52)의 치수들을 제어하는 능력) 및 신뢰성(예를 들면, 중합된 층의 표면에 대한 전기 트레이스(52)의 박리 또는 이동)에 영향을 미칠 수 있다. 본 개시 및 청구범위의 맥락에서, "중합된 층의 표면" 및 "중합체 표면"이라는 용어들은 상호 교환 가능하게 사용되며, 그 위에 프린팅된 전기 트레이스(52) 또는, 예를 들어, 아래의 도 3 내지 도 9에서 설명될 것인 바와 같이 임의의 적합한 기술을 사용하여 그에 부착되거나 그 위에 장착되는 임의의 다른 유형의 층, 디바이스 또는 컴포넌트와 같은, 층을 갖는 중합된 층의 임의의 표면을 지칭한다.
일부 실시예들에서, 시스템(10)은 본 명세서에 설명된 다양한 기술들을 사용하여 이러한 한계를 극복하도록 구성된다. 일 실시예에서, 시스템(10)은 LDW(66)에 의해 전기 트레이스(52)를 생산하기 전에 중합된 층의 표면 상에 접착층을 프린팅할 수 있다. 예를 들어 (i) 상대적으로 낮은 용융 온도를 갖는 금속 합금들을, 예를 들면, 400°C 미만의 용융 온도를 갖는 솔더 또는 다른 금속 합금들을 프린팅하는 것, 및/또는 (ii) 유변학적 접착층, 예를 들어, 마이크로미터 규모 입자들로 로딩된 페이스트를 프린팅하는 것. 낮은 액적 온도는 고온 금속 액적이 중합체 표면에 충돌할 때 고온 금속 액적에 전형적인 반동 효과(recoil effect)를 극복한다. 반동은 액적들을 의도된 프린팅 위치로부터 멀어지게 전위시키고, 종종 액적들이 표면에 또다시 랜딩할 때 액적들을 충분히 차갑게 만들며 이는 또한 좋지 않은 접착을 초래한다.
다른 실시예들에서, 시스템(10)은 전기 트레이스(52)의 설계된 패턴의 공동들 및/또는 그루브들을 중합된 층에 패터닝하는 것을 포함하는 레이저 전처리 프로세스를 수행할 수 있고, 후속적으로 LDW(66)는 공동들 및/또는 그루브들을 금속 액적들로 채우고 전기 트레이스들(52)을 빌드업할 수 있다. 예를 들어, 설계된 패턴은 약 10 μm보다 작은 (예를 들면, x축 또는 y축을 따른) 전형적인 폭 및 약 2 μm 내지 5 μm의 전형적인 깊이를 가질 수 있다.
다른 실시예들에서, 전기 트레이스(52)와 중합된 층의 표면 사이의 접착력은 중합된 층의 표면을 조면화하는 것, 예를 들어, 레이저를 사용하여 중합된 층의 표면을 어블레이션하는 것에 의해 개선될 수 있다.
대안적인 실시예들에서, 접착은 중합된 층의 표면을 얇은 입자층으로 코팅하기 위해 입자 디스펜서를 사용하여 마이크로미터 규모 입자들을 퇴적시키는 것에 의해 개선될 수 있다.
이러한 실시예들에서, 전형적인 입자 크기는 LIFT 프린팅된 액적 크기(예를 들면, 약 5 μm 내지 15 μm) 정도이고, 입자 밀도는 중합된 층의 표면의 면적의 약 20% 내지 50% 정도이다. 입자들은 유리 비드들, 다이아몬드 분말, 중합체 분말, 및 다양한 유형들의 세라믹 입자들과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 임의의 적합한 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 시스템(10)은 중합된 층의 표면 위에 얇은 분말층을 살포(spread)하도록 구성된다. 예를 들어, 시스템(10)은 고휘발성 용제 중의 입자 현탁액의 희석 용액을 국부적으로 프린팅하도록 구성된 디스펜싱 서브시스템 또는 잉크젯 서브시스템을 포함할 수 있다. 희석 용액을 퇴적시킨 후에, 용제는 전형적으로 증발하고 입자들은 중합된 층의 표면에 남아 있다.
일부 실시예들에서, 디스펜싱 및 잉크젯 서브시스템들은, LIFT 프린트(예를 들면, 전기 트레이스(52))를 도포하도록 의도된 위치들과 같은, 중합된 층의 표면 상의 미리 정의된 위치들로 전술한 희석 용액을 지향시키도록 구성된다. 희석 용액의 재료가 이들 또는 이들의 임의의 조합 중 어느 것도 중합된 층의 빌드업을 방해하지 않도록 선택된다는 점에 유의한다. 더욱이, 이러한 재료들은 중합된 층들과, 예를 들어, 샘플(99)의 표면(92)에 결합되거나 샘플(99)의 표면(92) 상에 퇴적된 다른 재료들 사이의 접착을 개선시킬 수 있다.
다른 실시예들에서, 액체(44)와 안정된 현탁액을 형성하기 위해 액체(44)에 희석 용액, 또는 임의의 다른 적합한 재료들을 첨가하는 것에 의해 접착력이 더욱 개선될 수 있다. 일 실시예에서, 입자들과 액체(44) 사이의 양호한 습윤성을 달성하도록 전술한 입자들의 표면을 적응시키는 것에 의해 안정된 현탁액이 얻어질 수 있다.
대안적인 실시예들에서, 시스템(10)은 전기 트레이스(52)와의 접착을 개선시키기 위해 중합된 층의 표면을 조면화하기 위한 임의의 다른 적합한 방법을 적용할 수 있다.
단계 3에서, 프로세서(11)는 (a) SLI(55)의 위치와, z축으로, 정렬되게 샘플(99)을 위치시키도록 마운트(30)를 제어하고, (b) 샘플(99)이 액체(44)에 완전히 침지되도록 z축을 따라 샘플(99)을 이동시키도록 마운트(33)를 제어하며, (c) 샘플(99)에 이미지(20)를 투영하여 액체(44) 중의 패턴을 중합하기 위해 그리고 상부 표면(93)을 갖는 패터닝된 첨가제층을 샘플(99) 상에 형성하기 위해 SLI(55)를 제어한다.
일부 실시예들에서, 단계 3을 완료한 후에, 단계 1의 표면(92)이 샘플(99)의 벌크 내에 매립되고 그 위에 전기 트레이스(52)가 배치되며, 액체(44)가 중합되어 상부 표면(93)을 갖는 첨가제층을 생산한다. 도 2의 프로세스 시퀀스가 샘플(99)에 매립된 전기 트레이스(52)를 형성하는 반면 샘플(99)이 샘플(99)의 임의의 이동 및/또는 세척 단계들 없이 통(24) 내에 남아 있다는 점에 유의한다.
더욱이, 샘플(99)은 도 2의 전체 프로세스 시퀀스 동안, 및 아래의 도 3 내지 도 9에서 상세히 설명될 것인 바와 같이 시스템(10)에 의해 수행되는 추가적인 프로세스 동안 SLV(22) 내에 남아 있다.
중합체 매트릭스에 층간 전기적 인터커넥트들을 형성하기
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 중합체 매트릭스에 3차원(3D) 금속 구조체를 생산 및 매립하기 위한 방법 및 프로세스 시쿼스를 개략적으로 예시하는 다이어그램이다. 이 방법은, 단계 1에서, 기판(60)의 표면(63) 상에 하나 이상의 3D 금속 구조체 - 이들 각각은 하나 이상의 패드(62) 및 하나 이상의 필러(70)를 포함함 - 를 프린팅하는 것으로 시작된다. 기판(60)이 도 3에 도시된 바와 같이 샘플(99)의 기판일 수 있거나 임의의 다른 적합한 샘플의 기판일 수 있다는 점에 유의한다. 더욱이, 도 3은 위의 도 1 및 도 2에 묘사된 샘플(99)의 다른 섹션들과는 상이할 수 있는 샘플(99)의 섹션을 묘사한다.
일부 실시예들에서, 패드들(62) 및 필러들(70)의 생산은, 위의 도 1 및 도 2에 설명된 LIFT 프로세스 또는 임의의 다른 적합한 프로세스를 적용할 수 있는, 시스템(10)의 LDW(66)를 사용하여 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 필러들(70)의 3D 구조체는 (a) LDW(66)의 비대칭 레이저 빔을 성형하는 것, 또는 (b) 다중 패싯 도너 기판 상에 도너층을 갖는 것, 또는 (c) 도너 기판을 틸팅하는 것, 또는 이들의 임의의 다른 적합한 조합과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 임의의 적합한 기술을 사용하여 일정 각도로 금속 액적들을, LDW(66)의 도너(도시되지 않음)로부터, 분사하는 것에 의해 생산될 수 있다. 그러한 기술들은, 예를 들어, 미국 특허 출원 공보들 2017/0306495 A1 및 2018/0193948 A1에 상세히 설명되어 있으며, 이들의 개시들 모두는 본 명세서에 참고로 포함된다.
LIFT를 사용한 필러 빌드업의 추가 예들은 Zenou et al.의 "Printing of metallic 3D micro objects by laser, induced forward transfer," OPTICS EXPRESS, Vol. 24, No. 2, 1431, (2016); 및 Claas Willem Visser et al.의 "Toward 3D Printing of Pure Metals by Laser-Induced Forward Transfer," ADVANCED MATERIALS, Vol 27, Issue 2015, P4087에서 제공되며, 이들 모두는 본 명세서에 참고로 포함된다. 다른 실시예들에서, 패드들(60) 및 필러들(70)의 생산은 임의의 다른 적합한 금속 퇴적 및/또는 패터닝 기술들을 사용하여 수행될 수 있다.
다른 실시예들에서, 기판(60)은 패드들(60)을 포함할 수 있으며, 따라서 단계 1에서 LDW(66)는 각자의 패드(62) 상의 미리 정의된 위치에 필러(70)를 프린팅할 수 있다. 프로세서(11)가 금속 액적들을 미리 정의된 위치들로 지향시키기 위해 xyz 축들을 따라 LDW(66)에 대해 기판(60)을 이동시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어한다는 점에 유의한다.
다른 실시예들에서, 서브시스템(88)은 필러(70)와 각자의 패드(62)의 위치들 사이의 오버레이를 측정하기 위한 정합 계측 서브시스템을 포함할 수 있다.
본 개시의 맥락에서, 본 명세서에 설명된 실시예들에서 샘플들 및/또는 기판들의 이동들이 샘플들 및/또는 기판들이 SLV(22)의 통(24)에 유지될 때 수행된다는 점에 유의한다. 원칙적으로, 통(24)으로부터 샘플을 추출하는 것이 가능하지만, 본 발명자들은 본 명세서에 설명된 프로세스 시퀀스들의 전형적인 사용 사례들에서 통(24)에 샘플을 보유하는 것이 프로세스 시퀀스의 총 사이클 시간을 감소시킨다는 것을 발견하였다.
더욱이, 본 발명자들은 통(24)에 샘플을 보유하는 것이 셋업 시간을 감소시키고, 온도 및 점도 제어를 개선시키며, 오염 및 다른 유형의 결함들을 감소시키고, 프로세스 균일성을 증가시킨다는 것을 발견하였다.
일부 실시예들에서, LDW(66)에 의해 생산되는 필러들(70) 또는 임의의 다른 유형의 수직 금속 인터커넥트들(vertical metal interconnects, VMI) 또는 3D 구조체들은 z축을 따라 높을 수 있고(예를 들어, 수십 마이크로미터, 또는 수백 마이크로미터, 또는 수 밀리미터), x축 및 y축을 따라 가는 직경(예를 들면, 약 20 μm 또는 10 μm 또는 그 이하) 또는 길이 및 폭을 가질 수 있다. 그러한 VMI 기하형태들은 아래에서 설명될 것인 바와 같이 적합한 기계적 고정을 필요로 하는 고종횡비(high aspect ratio, HAR) VMI로도 지칭된다. LDW(66)가 10 μm보다 큰 임의의 직경을 갖는 필러들을 프린팅하도록 구성된다는 점에 유의한다.
일 실시예에서, LDW(66)는 그러한 HAR 구조체들을 생산하도록 구성되는데, 그 이유는 LDW(66)의 전술한 도너로부터 토출되는 액적들이 샘플(99)의 표면(예를 들어, 표면(63) 또는 패드들(62) 또는 필러들(70) 상에 이미 퇴적된 이전 액적들의 금속 표면)과 맞닿을 때 거의 즉각적으로 응고되기 때문이다.
일부 실시예들에서, 시스템(10)은, 마운트들(30 또는 33) 중 임의의 것에 결합되며 액체(44)의 적어도 일부를 제거하고/하거나 액체(44)의 상부 표면을 평탄화하도록 구성된, 와이퍼 어셈블리(80)를 포함한다.
일부 실시예들에서, 단계 2에서, 프로세서(11)는 (a) z축을 따라 샘플(99)의 위치를 하강시키고 액체(44)의 두께가 표면(90)과 표면(63) 사이의 거리에 의해 정의되는 것에 의해 샘플(99)을 액체(44)에 침지시키기 위해 SLI(55)에 대해 SLV(22)를 이동시키도록, (b) 감소된 두께가 표면(63)과 표면(91) 사이의 거리로서 정의되도록, 상이한 상부 표면(91)을 갖는 액체(44)의 두께를 감소시키기 위해 와이퍼(80)를 이동시키도록 마운트들(30 및 33)를 제어한다.
와이핑 이후에, 필러(70)의 상부 표면(64)이 표면(91)과 동일한 높이가 될 수 있거나 여전히 액체(44)에 침지될 수 있지만, 표면(64)과 표면(91) 사이의 거리가 표면(64)과 표면(91) 사이에서 측정되는 와이핑 이전의 거리보다 실질적으로 더 작다는 점에 유의한다.
다른 실시예들에서, 시스템(10)은 임의의 다른 액체 제거 기술을 사용하여 액체(44)의 두께를 감소시키도록 구성된 임의의 다른 유형의 서브시스템을 포함할 수 있다.
대안적인 실시예들에서, 프로세서(11)는 표면(64)이 액체(44)의 표면(90) 위로 (예를 들면, 약 10 μm 또는 20 μm) 연장되도록 샘플(99)을 침지시키기 위해 마운트(33)를 제어하도록 구성된다. 그러한 실시예들에서, 위에서 설명된 와이핑 프로세스는 생략될 수 있다.
일 실시예에서, 와이퍼(80)는, 실리콘 고무 또는 다른 적합한 유형의 중합체와 같은, 연질 재료를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 와이퍼(80)는, 임의의 적합한 유형의 폴리이미드, 예를 들면, Kapton®, 또는 스테인리스 강과 같은, 임의의 적합한 유형의 더 경질인 재료를 포함할 수 있다. 표면(64)이 액체(44)의 상부 표면 밖으로 돌출될 수 있도록 전술한 재료들 중 임의의 것이 이 실시예에서 액체(44)의 두께를 감소시키도록 구성된다는 점에 유의한다.
위에서 설명된 프로세스들이 액체(44)의 유변학적 특성(rheology), 액체(44)의 표면 장력 및 점도와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 다양한 파라미터들, 및 침지 프로세스의 다양한 파라미터들에 의존할 수 있다는 점에 유의한다.
일부 실시예들에서, 액체(44)의 점도는 다양한 기술들을 사용하여 제어될 수 있다. 예를 들어, 점도는 액체(44)를 실온(예를 들면, 약 25°C)으로부터 약 60°C로 가열하는 것에 의해 두 자릿수만큼 감소될 수 있다. 일 실시예에서, 가열은 임의의 적합한 기술을 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 적외선(IR) 조명(또는 임의의 다른 적합한 조명)을 사용하여 액체(44)의 상부층들을 조사하는 것은 액체(44)의 적어도 상부층들의 온도의 빠르고 정확한 제어를 달성할 수 있다.
일부 경우에, 일부 액체(44)가 필러(70)의 표면(64)에 남아 있을 수 있다. 액체(44)의 원하지 않는 잔류물은 LDW(66)의 레이저를 사용한 어블레이션과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 임의의 적합한 기술을 사용하여 표면(64)으로부터 제거될 수 있다. 잔류물의 제거가 아래의 단계 3 및 단계 4에서 설명될 것인 바와 같이 잔류물이 고체 상태일 때, 중합 프로세스 이후에, 예를 들면, LDW(66)의 레이저를 사용하여 수행될 수 있다는 점에 유의한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 시스템(10)은 임의의 다른 적합한 기술을 사용하여 액체 상태의 잔류물을 제거하도록 구성된다.
본 개시의 맥락에서, 임의의 수치 값들 또는 범위들에 대한 용어들 "약" 또는 "대략"은 컴포넌트들의 일부 또는 집합체가 본 명세서에 설명된 바와 같이 그의 의도된 목적을 위해 기능할 수 있게 하는 적합한 치수 허용오차를 나타낸다. 더 구체적으로는, "약" 또는 "대략"은 인용된 값의 ±20%의 값 범위를 지칭할 수 있으며, 예를 들면, "약 90%"는 71% 내지 99%의 값 범위를 지칭할 수 있다.
단계 3에서, 프로세서(11)는 패드들(62) 및 필러들(70)을 포함하는 3D 구조체와 표면들(91) 사이에 위치한 액체(44)의 상부층에 대상물 빌드업과 정렬되게 이미지(20)를 투영하도록 SLI(55)를 제어한다. 위의 도 2의 단계 3에서 설명된 바와 같이, 조명은 액체(44)를 중합하고 패드들(62) 및 필러들(70) 중 적어도 일부를 포함하는 고체층(65)을 형성한다.
일부 실시예들에서, 층(65)은 샘플(99)의 품질 및 신뢰성을 개선시키는 기계적 고정을, 필러들(70)과 같은, HAR VMI 구조체들에 제공한다. 환언하면, 필러들(70)과 층(65)의 조합은 매우 안정적인 수직 금속 인터커넥트들을 제공하는데 왜냐하면 금속이 중합체 매트릭스에 단단히 매립되기 때문이다. SLI(55)에 의해 조명되지 않은 위치들에 액체(44)가 남아 있다는 점에 유의한다.
일부 실시예들에서, LDW(66)의 레이저는 본 명세서에서 설명될 것인 바와 같이 샘플(99)의 고체층들을 어블레이션 및/또는 패터닝하는 데 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 시스템(10)은, 예를 들어, 서브시스템(88) 대신에, 섀시(31)에 결합된 레이저 어블레이션 서브시스템(도시되지 않음)을 포함한다. 단계 4에서, 프로세서(11)는 필러(70)를 LDW(66)의 레이저 또는 레이저 어블레이션 서브시스템의 레이저에 매우 근접하게 가져가도록 마운트들(30 및 33)을 제어한다. 후속적으로, 프로세서(11)는 필러(70)의 적어도 표면(64)을 드러내도록 필러(70)에 매우 근접하게 위치하는 층(65)을 어블레이션하기 위해 하나 이상의 빔(67)을 지향시키도록 레이저를 제어한다. 일부 실시예들에서, 레이저 어블레이션 서브시스템은 층(65)을 어블레이션하는 (z축을 따른) 깊이를 제어하기 위해 전형적으로 액적 직경 이하 정도의 스폿 크기들 및 몇 마이크로주울의 펄스 에너지를 갖는 하나 이상의 파장(예를 들면, 355 nm 또는 532 nm)을 방출하도록 구성된 짧은 펄스들(예를 들면, 수 나노초 또는 수 서브나노초)를 갖는 Q-스위칭 고체 레이저(Q-switched solid-state laser) 또는 펄스 파이버 레이저(pulsed fiber laser)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 단계 4는 도 3의 프로세스 시퀀스를 종료한다. 다른 실시예들에서, 도 3의 프로세스 시퀀스는 추가적인 프로세스 단계들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 레이저 어블레이션을 수행한 후에, 시스템(10)은 임의의 적합한 유형의 표면 세정 기술을 사용하여 어블레이션된 표면을 세정하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 남아 있는 액체(44)는 샘플(99)과 함께 추가적인 프로세스 시퀀스들로 계속될 수 있다. 다른 실시예들에서, 단계 4 이전 또는 이후에, 시스템(10)은, 예를 들어, 아래의 도 4 내지 도 6에서 설명될 것인 바와 같이 남아 있는 액체(44)의 적어도 일 부분을 처리하고/하거나 아래의 도 7에서 상세히 설명될 것인 바와 같이 샘플(99)에 걸쳐 남아 있는 액체(44)의 적어도 다른 부분을 배출시키도록 구성된다. 샘플(99)이 도 3의 전체 프로세스 시퀀스 동안 SLV(22) 내에 남아 있다는 점에 유의한다.
일부 실시예들에서, 시스템(10)은 단계 1 내지 단계 4를 반복하는 것에 의해, 필러들(70)과 같은, 하나 이상의 HAR VMI 구조체를 생산하도록 구성된다. 그러한 실시예들에서, 시스템(10)은 제1 층(65)의 중합 두께에 대응하는 높이에서 제1 필러(70)를 생산하고, 임의의 다른 기술의 레이저 어블레이션을 사용하여 제1 필러(70)의 표면(64)을 드러낸다. 후속적으로, 시스템(10)은 (위의 단계 1에서 설명된 기술들을 사용하여) 표면(64) 위에 제2 필러(70)를 생산하는 것에 의해 프로세스를 반복하고, 제2 필러(70)에 기계적 지지를 제공하기 위해 (위의 단계 2 및 단계 3에 설명된 기술들을 사용하여) 제1 층(65) 위에 제2 층(65)을 추가로 생산하며, 위의 도 4에 설명된 기술들을 사용하여 제2 필러(70)의 상부 표면을 드러낸다.
도 3의 프로세스를 여러 번 반복하는 것에 의해, 시스템(10)은 매우 높은 종횡비를 갖는 VMI 구조체들을 생산하도록 구성된다. 다른 실시예들에서, 시스템(10)은, 제1 및 제2 필러들(70)과 같은 수직 필러들 사이에, 필러들(70)의 폭보다 큰 (도 1에 도시된 xy 평면에서의) 폭을 갖는 얇은 전도성(예를 들면, 금속)층을 생산하도록 구성된다. 예를 들어, 패드(62)의 폭과 유사한 폭이다. 그러한 층은 제1 필러(70)와 제2 필러(70) 사이를 전기적으로 연결시키고, 제1 필러(70)와 제2 필러(70) 사이의 임의의 정합 오류를 보상하는 것에 의해 제1 및 제2 필러들(70)을 포함하는 VMI 구조체의 지정된 전기 전도도를 유지하도록 구성된다.
다른 실시예들에서, 금속 구조체는 패드들(62) 및 필러들(70)과 적어도 부분적으로 상이할 수 있는 임의의 적합한 3D 구조체를 포함할 수 있다. 그러한 3D 구조체는 최종 제품의 작동 동안 열을 소산시키고/시키거나, 최종 제품의 기계적 강도를 개선시키고/시키거나, 자기 실드(magnetic shield) 또는 전기 실드(electrical shield)로서 역할하도록 구성된 금속 벽들을 포함할 수 있다. 더욱이, 그러한 3D 구조체들은, 아래의 도 8에서 상세히 설명될 것인 바와 같이, 센서 및/또는 액추에이터들로서 사용될 수 있다.
샘플(99)이 도 3의 전체 프로세스 시퀀스 동안 SLV(22) 내에 남아 있다는 점에 유의한다.
스테레오리소그래피 프로세스를 사용하여 중합체 매트릭스의 층에 외부 디바이스를 고정시키기
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 중합체 매트릭스에 3D 전자 디바이스(40)를 고정시키기 위한 방법 및 프로세스 시퀀스를 개략적으로 예시하는 다이어그램이다. 본 발명 및 청구범위의 맥락에서, "3D 전자 디바이스"(40)라는 용어는 간결함을 위해 본 명세서에서 "디바이스"(40)로도 지칭되며, 임의의 유형의 전자 디바이스, 광전자 디바이스, 감지 디바이스, 배터리와 같은 전원, 수동 전기 컴포넌트, 마이크로미터 규모의 전기 기계 시스템 또는 임의의 다른 적합한 유형의 디바이스를 지칭한다.
도 4가 위의 도 1 내지 도 3에 묘사된 샘플(99)의 다른 섹션들과는 상이할 수 있는 샘플(99)의 섹션을 묘사한다는 점에 유의한다.
프로세스 시퀀스는, 단계 1에서, 위의 도 3의 단계 2에서 설명된 기술들을 사용하여, 기판(60)을 액체(44)에 침지시키고 액체(44)의 적어도 일 부분을 와이핑하는 것에 의해 액체(44)의 폭을 두께 "h"로 감소시키는 것으로 시작된다.
단계 2에서, PP(77)의 로봇 암은 외부 기판 또는 트레이(도시되지 않음)로부터 디바이스(40)를 집고 디바이스(40)를 샘플(99)에서의 미리 정의된 위치에, 본 예에서 기판(60)의 표면(63) 상에 배치한다(즉, 위치시킨다). 디바이스(40)를 표면(63) 상에 위치시킬 때, PP(77)의 로봇 암이 액체(44)의 저항을 극복하기 위해 z축으로 힘을 가해야 하며, 이는, 그 중에서도, 액체(44)의 점도에 의존한다는 점에 유의한다. 일부 경우에, 디바이스(40)의 적어도 일부는 중합체 매트릭스에 의해 커버되지 않은 채로 남아 있어야 한다. 따라서, 일부 실시예들에서, 단계 1에서 액체(44)를 와이핑하는 것에 의해 얻어지는 두께 "h"는 디바이스(40)의 두께 "H"에 비해 더 얇다. 그러한 실시예들에서, 디바이스(40)의 적어도 상부 표면(41)은 액체(44)에 침지되지 않는다.
단계 3에서, 프로세서(11)는 디바이스(40)를 SLI(55)에 매우 근접하게 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어하고, 표면(91)과 표면(63) 사이에 위치하는 액체(44)의 상부층에 이미지(20)를 투영하도록 SLI(55)를 제어한다. 위의 도 2의 단계 3에서 설명된 바와 같이, 조명은 액체(44)를 중합하여 패턴을 형성하고, 본 예에서, 층(45)의 두께 "h" 내에 위치된 디바이스(40)의 적어도 일부를 포함하는 고체층(45)을 형성한다.
일부 실시예들에서, 남아 있는 액체(44)는 샘플(99)과 함께 추가적인 프로세스 시퀀스들로 계속될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 4에 설명된 프로세스 시퀀스는 디바이스(40)의 두께보다 작은 두께를 갖는 층(45)에 디바이스(40)를 고정시키는 것을 가능하게 하고, 층(45)의 (예를 들면, x축 또는 y축을 따른) 폭 및 패턴이 액체(44) 상의 투영된 이미지(20)를 위치결정하는 것 및 또한 디바이스(40)를 둘러싸는 액체를 중합하는 것에 의해 제어 가능하다. 다른 실시예들에서, 층(45)은 디바이스(40)의 두께 "H"보다 크거나 작은 임의의 다른 적합한 두께를 가질 수 있다.
위의 단계 1 내지 단계 3에서 설명된 기술들은 작은 두께를 갖는, 예를 들면, 약 100 μm보다 작은, "베어 다이(bare die)"로도 지칭되는, 비패키징된 디바이스들을 고정시키고 캡슐화하는 데 사용될 수 있다.
다른 실시예들에서, 디바이스(40)를 고정시키는 것 외에도, 시스템(10)은 디바이스(40)에 매우 근접하지 않은 위치들에서, 층(45)과 같은, 고체 패턴을 생산하기 위해 추가적인 영역들에서 액체(44)를 조명하도록 구성된다. 그러한 실시예들에서, 시스템(10)은 디바이스(40)를 고정시키고 동시에 고체 패턴을 생산하는 이미지를 투영하도록 구성된다. 다른 실시예들에서, 조명은 상이한 시간들에서 위에서 설명된 고정 및 패터닝을 수행할 수 있다.
샘플(99)이 도 4의 전체 프로세스 시퀀스 동안 SLV(22) 내에 남아 있다는 점에 유의한다.
중합체 매트릭스에 전자 디바이스들을 캡슐화하고 전기 상호 연결을 드러내기
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 중합체 매트릭스에 디바이스들(40, 40A 및 40B)을 패키징하기 위한 방법 및 프로세스 시퀀스를 개략적으로 예시하는 다이어그램이다.
도 5가 위의 도 1 내지 도 4에 묘사된 샘플(99)의 다른 섹션들과는 상이할 수 있는 샘플(99)의 섹션을 묘사한다는 점에 유의한다.
이 방법은, 단계 1에서, (a) 디바이스(40)의 두께와 유사한 두께 "H"를 갖는 액체(44)(도시되지 않음)에 샘플(99)을 침지시키는 것, (b) PP(77)를 사용하여 디바이스(40)를 기판(60) 상의 미리 정의된 위치에 배치하는 것, 및 (c) 샘플(99)의 선택된 위치들에서 액체(44)를 중합하기 위한 SLI(55)를 사용하여, 중합체 매트릭스, 본 예에서, 층(46)을 형성하는 것으로 시작된다.
층(46)이 위의 도 4의 층(45)과 유사하지만 상이한 두께를 가지며, 예를 들어, 층(45)이 약 50 μm보다 작은 두께, 또는 임의의 다른 적합한 두께를 가질 수 있고, 층(45)이 약 100 μm보다 큰 두께를 가질 수 있다는 점에 유의한다.
일부 실시예들에서, 도 5의 단계 1은, 도 4의 단계 1에서 수행되지만 전형적으로 도 5의 단계 1에서는 필요하지 않은 와이핑 프로세스를 제외하고는, 위의 도 4에서 설명된 기술들과 유사한 기술들을 적용한다.
액체(44)가 투영된 이미지(20)의 UV 광의 흡수에 의해 중합될 수 있고, 따라서 약 50 μm보다 큰 두께를 갖는 액체(44)를 중합하는 데 더 긴 노출 시간이 요구된다는 점에 유의한다. 더욱이, 액체(44)에서의 UV 광 강도의 감쇠로 인해, UV 노출 시간은 기하급수적으로 증가할 수 있고, 심지어 더 긴 노출 시간에서도, 중합 깊이는 약 100 μm의 전술한 두께 미만으로 제한될 수 있다.
일부 실시예들에서, 시스템(10)은 약 50 μm의 두께를 갖는 고체층(46) 또는 그의 패턴을 생산하기 위한 단계들을 반복하는 것에 의해 층(46)의 임의의 적합한 두께를 생산하도록 구성된다. 이 단계들은, 위의 도 3에서 설명된 바와 같이, 약 50 μm의 두께를 갖는 액체(44)에 샘플(99)을 침지시키는 단계, 및 액체(44)를 중합하여 약 50 μm의 두께를 갖는 고체층(46) 또는 그의 패턴을 생산하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 시스템(10)은 단계 1을 다음과 같은 일련의 프로세스 서브단계들로 분할하기 위한 방법을 사용하여 이러한 한계를 극복할 수 있다: (a) 두께 "h"(예를 들면, 약 50 μm보다 작음)를 갖는 액체(44)에 샘플(99)을 침지시키는 단계, (b) PP(77)를 사용하여 디바이스(40)를 배치하는 단계, (c) SLI(55)에 의해 수행되는 UV 조명에 의해 액체(44)를 중합하는 단계, (d) 두께 "h" 또는 약 50 μm보다 작은 임의의 다른 두께를 갖는 액체(44)에 샘플(99)을 침지시키는 단계, 및 (e) SLI(55)에 의해 수행되는 UV 조명에 의해 액체(44)를 중합하는 단계. 이 방법은 중합된 층의 요구된 두께를 얻을 때까지 서브단계 (d) 및 서브단계 (e)를 반복할 수 있다.
일부 실시예들에서, 시스템(10)은 액체(44)의 레벨을 감지하고 이에 의해 서브단계 (a) 및 서브단계 (d)에서 샘플(99)을 침지시키는 액체(44)의 두께를 측정하기 위한 전술한 감지 서브시스템(도시되지 않음)을 포함한다. 그러한 실시예들에서, 프로세서(11)(또는 시스템(10)의 임의의 제어기)는 생산 가치가 있는(production-worthy) 조명 시간을 사용하여 (예를 들면, 서브단계들 (c) 및 (e)에서) SLI(55)에 의해 완전히 중합될 수 있는 원하는 두께 "h"를 얻도록 z축을 따라 샘플(99)을 이동시키기 위해 마운트(33)를 제어하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 프로세서(11)는, 액체(44)의 감지된 레벨에 기초하여, 저장조(26)와 통(24) 사이에서 액체(44)를 펌핑하도록 구성된다. 예를 들어, 프로세서(11)는 통(24)에 있는 액체(44)의 지정된 상부 레벨 및 하부 레벨을 나타내는 임계치들을 유지할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 프로세서는 (a) 액체(44)의 레벨이 지정된 하부 레벨 이내이거나 그 미만일 때 액체(44)를 저장조(26)로부터 통(24)으로 흐르게 하도록, 또는 (b) 액체(44)의 레벨이 지정된 상부 레벨 이내이거나 그 초과일 때 액체(44)를 통(24)으로부터 저장조(26)로 흐르게 하도록 펌프(도시되지 않음)를 제어할 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, SLI(55)의 적합한 조명 파장과 함께 액체(44)의 적합한 화학적 조성을 선택하는 것(예를 들어, 깊이를 줄이기 위해 흡수 염료를 첨가하는 것)에 의해 중합 깊이가 증가 또는 감소될 수 있다. 일부 실시예들에서, 화학적 조성 및 조명 파장은 또한 중합 지속 기간에 영향을 미칠 수 있으며, 중합 지속 기간은 단계 1의 총 사이클 시간에 영향을 미칠 수 있다.
단계 2에서, 프로세서(11)는 디바이스(40)를 LDW(66)에 매우 근접하게 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어한다. 디바이스(40)가, 본 명세서에서 접촉 패드들(도시되지 않음)로도 지칭되는, 전기 전도성 패드들을 갖는다는 점에 유의한다. 후속적으로, 프로세서(11)는 위의 도 3의 단계 1에서 설명된 바와 같이 전술한 접촉 패드들 상에 높이 "t"를 갖는 필러들(70)을 프린팅하도록 LDW(66)를 제어한다.
단계 3에서, 프로세서(11)는 샘플(99)을 액체(44)에 침지시키도록 마운트(33)를 제어하고, 후속적으로 표면(91)을 평탄화하도록 그리고 필러들(70)의 높이 "t"와 유사한 두께를 얻기 위해 액체(44)의 두께를 감소시키도록 와이퍼(80)를 제어한다. 그러한 실시예들에서, 와이핑 프로세스 이후에, 표면(91)과 표면(64)은 거의 동일한 높이가 된다.
"높이" 및 "두께"라는 용어들이 z축을 따른 층들의 크기를 지칭하며, 여기서 두께는 전체 층(예를 들면, 층(46))의 크기를 지칭할 수 있고 높이는 패터닝된 층(예를 들면, 필러들(70))의 크기를 지칭할 수 있다는 점에 유의한다. 그렇지만, 스테레오리소그래피에서는, 소위 "전체 층들"이 전형적으로 패터닝되며, 따라서 z축을 따라 각자의 패턴의 크기를 나타내기 위해 "높이" 및 "두께"라는 용어들이 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다.
단계 4에서, 프로세서(11)는 샘플(99)을 SLI(55)에 매우 근접하게 가져가도록 마운트들(30 및 33)을 제어하고, 후속적으로, 액체(44)의 상부층에 이미지(20)를 투영하도록 SLI(55)를 제어한다. 위에서 설명된 바와 같이, 조명은 액체(44)를 중합하고, 단계 4에서, 디바이스(40)의 표면(64)보다 약간(예를 들어, 약 10 μm) 높은 상부 표면(72)을 갖는 고체층(47)을 형성한다. 위의 도 3의 단계 4에서 설명된 바와 같이, 시스템(10)은 필러들(70)을 그에 결합되는 임의의 디바이스와 전기적으로 연결시키기 위해 필러(70)의 적어도 표면(64)을 드러내도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 단계 4 이후에, 디바이스(40)는, 필러들(70)을 통해, 샘플(99) 외부의 임의의 디바이스 또는 전기 트레이스에 전기적으로 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 5의 단계 1 내지 단계 4에 개시된 기술들은 샘플(99)의 디바이스들 사이를 전기적으로 연결시키는 데 사용될 수 있다.
단계 5에서, 프로세서(11)는 디바이스(40) 위에 디바이스들(40A 및 40B)을 수직으로 적층하기 위해 단계 1 내지 단계 4 및 선택적으로 추가적인 프로세스들을 적어도 두 번 반복한다.
일부 실시예들에서, 디바이스들(40, 40A, 및 40B) 각각은 디바이스들(40A, 40B)과 필러들(70) 사이 및 (b) 디바이스(40)와 기판(60) 사이에서 전기 신호들을 전도하도록 구성된, 실리콘 관통 비아(TSV), 접촉 패드들 또는 다른 적합한 유형들의 전기 전도체들과 같은, 전기 접점들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 디바이스들(40A 및 40B) 중 적어도 하나는 기판(60)을 향하는 - 본 명세서에서 "아래로 향하는"으로 지칭됨 - 패드들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 프로세서(11)는 전술한 접촉 패드들에 전기 전도성 접착제(예를 들면, 금속으로 채워진 에폭시 또는 실리콘), 또는 솔더, 또는 임의의 다른 적합한 물질을 도포하기 위해, 섀시(31)에 장착된, 디스펜서를 제어하도록 구성된다. 이러한 실시예들은 아래의 도 9에서 더 상세히 설명된다. 그러한 전기 접점들은 샘플(99)의 디바이스들(40, 40A, 및 40B)의 스택 내의 특정 전기 또는 전자 요소들(예를 들면, 디바이스들(40, 40A, 및 40B) 중 임의의 것의 트랜지스터들 또는 다이오드들, 및/또는 메모리 셀들 및/또는 수동 전기 요소들) 사이에서의 신호들의 선택적 라우팅을 가능하게 할 수 있다.
디바이스 적층 프로세스 시퀀스는 인접한 층들 사이의 계면들에서 접착력 및 전기 전도도를 개선시키기 위해 세정 또는 조면화 및 용융/어닐링/경화에 의한 표면 준비와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 추가적인 프로세스 단계들을 포함할 수 있다. 더욱이, 디바이스 적층 프로세스 시퀀스는, 예를 들어, 아래의 도 9에 도시된 바와 같이 추가적인 금속 패터닝 프로세스들(예를 들면, LDW(66)에 의해 수행되는 LIFT 프로세스들)을 포함할 수 있다. 샘플(99)이 도 5의 전체 프로세스 시퀀스 동안 시스템(10)의 SLV(22) 내에 남아 있다는 점에 유의한다.
상이한 치수들을 갖는 다수의 컴포넌트들을 패키징하기
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 중합체 매트릭스에 상이한 치수들을 갖는 다수의 컴포넌트들을 패키징하기 위한 방법 및 프로세스 시퀀스를 개략적으로 예시하는 다이어그램이다.
본 개시의 맥락에서, 그리고 특히 도 6에서, "컴포넌트들"이라는 용어는 전자 디바이스들과 같은 능동 컴포넌트, 또는 전기 컴포넌트들(예를 들면, 저항기들, 커패시터들, 또는 인덕터들)과 같은 수동 컴포넌트, 또는 임의의 2차원(2D) 또는 3D 구조체들을 지칭할 수 있다. 도 6이 위의 도 1 내지 도 5에 묘사된 샘플(99)의 다른 섹션들과는 상이할 수 있는 샘플(99)의 섹션을 묘사한다는 점에 유의한다.
이 방법은, 단계 1에서, 프로세서(11)가 샘플(99)을 액체(44)에 침지시키기 위해 z축을 따라 이동하도록 마운트(33)를 제어하는 것으로 시작된다.
단계 2에서, 프로세서(11)는 샘플을 SLI(55)에 매우 근접하게 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어하고, 예를 들어, 위의 도 4의 단계 3에서 설명된 중합 프로세스에 의해 이미지(20)를 액체(44)의 미리 정의된 위치들에 투영하여 고체층(45)을 형성하도록 SLI(55)를 추가로 제어한다.
일부 실시예들에서, 단계 2가 단일 조명 프로세스를 사용하여 수행될 수 있도록, 층(45)은 약 20 μm 내지 50 μm의 두께를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 층(45)의 형성이 임의의 다른 적합한 프로세스를 사용하여, 예를 들어, 위의 도 5의 단계 1에 설명된 바와 같이 층(46)을 생산하기 위한 프로세스 시퀀스들 중 하나를 사용하여, 수행될 수 있도록, 층(45)은 약 50 μm보다 큰(예를 들면, 약 100 μm보다 큰) 두께를 가질 수 있다.
단계 3에서, 프로세서(11)는 PP(77)와 정렬되게 샘플(99)을 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어하고, 두께(103)를 갖는 디바이스(100)를 층(45)의 상부 표면(105) 상의 미리 결정된 위치에 배치하도록 PP(77)를 추가로 제어한다. 일 실시예에서, 디바이스(100)는 본 명세서에서 도 6의 추후 프로세스 단계들에서 설명되고 아래의 도 9에서 더 상세히 추가로 설명될 것인 바와 같이 디바이스(100)를 전기 트레이스들과 전기적으로 연결시키도록 구성된 패드들(102)을 포함한다.
단계 4에서, 프로세서(11)는 디바이스(100)를 액체(44)에 침지시키고 SLI(55)와 정렬되게 샘플(99)을 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어한다. 일부 경우에, 시스템(10)은 액체(44)의 지정된 두께를 얻기 위해, 예를 들어, 위의 도 5의 단계 3에서 설명된 바와 같은, 와이핑 프로세스를 적용할 수 있다. 후속적으로, 프로세서(11)는 위의 도 4의 단계 3에서 설명된 중합 프로세스에 의해 이미지(20)를 액체(44)의 미리 정의된 위치들에 투영하여 고체층(45)을 형성하도록 SLI(55)를 제어한다. 단계 4를 종료한 후에, 디바이스(100)의 위치가 층(45)에 의해 샘플(99) 내에서 고정된다는 점에 유의한다.
단계 5에서, 프로세서(11)는 LDW(66)와 정렬되게 또는 LDW(66)에 매우 근접하게 샘플(99)을 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어한다. 후속적으로, 프로세서(11)는, 위의 도 2의 단계 2 및 도 5의 단계 2에서 설명된 바와 같이, 샘플(99)의 상부 표면 상의 미리 정의된 위치들에 전기 트레이스들(104)을 프린팅하도록(또는 임의의 다른 적합한 기술을 사용하여 퇴적시키도록) LDW(66)를 제어한다. 본 예에서, 전기 트레이스들(104) 중 하나 이상이 디바이스(100)의 패드들(102)과 전기적으로 연결되도록, LDW(66)는 층(45)의 상부 표면 및 패드들(102)의 상부 표면 상의 선택된 위치들에 전기 트레이스들(104)을 프린팅한다.
일부 경우에, PP(77)의 위치결정 정확도가 충분하지 않을 수 있으며 샘플(99) 내에서 정합 오류들을 야기할 수 있다. 예를 들어, 정합 오류가 단계 3에서 발생할 수 있으며, PP(77)는 디바이스(100)를 그의 지정된 위치로부터 이동된 위치에 위치시킬 수 있고, 단계 5에서 LDW(66)는 트레이스들(104)을 이들의 지정된 위치에 프린팅할 수 있다.
일부 실시예들에서, 시스템(10)은, PP(77)에, 또는 LDW(66)에, 또는 서브시스템(88) 대신에 결합될 수 있는, 광학 검사 서브시스템을 포함할 수 있다. 검사 서브시스템은, 예를 들어, 단계 3 이후에 샘플(99)의 표면을 스캔하고 디바이스(100)의 실제 위치를 확인하도록 구성된다. 위치결정 정확도 오류의 경우에, 프로세서(11)는 샘플(99)에서의 디바이스(100)의 배치를 재작업하도록 시스템(10)의 운영자에게 제안할 수 있거나, 디바이스(100)의 배치 오류를 보상하기 위해 트레이스들(104)의 위치를 조정하도록 LDW(66)를 제어할 수 있다.
다른 실시예들에서, 전기 트레이스들(104) 중 적어도 일부는 디바이스(100)의 작동 동안 생성되는 열을 소산시키거나 임의의 다른 능동 또는 수동 디바이스로부터 열을 전도하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 디바이스(100)는 샘플(99)에 적합한 임의의 유형의 디바이스 또는 구조체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 저항기들, 커패시터들, 인덕터들, 배터리들, 실리콘으로 제조된 다이들, 갈륨 비화물 또는 임의의 다른 유형들의 반전도성 기판들 및 LED들.
위에 설명된 열 전도도 실시예들은 전력 디바이스들, LED들 및 고전력 처리 유닛들을 포함하는, 샘플(99)과 같은, 제품들에 특히 중요하다. 그러한 실시예들에서, 전기 트레이스들(104) 중 일부는 히트 싱크(도시되지 않음)에 결합될 수 있고 과잉 열을 디바이스(100)로부터 히트 싱크로 전도할 수 있다. 이에 따라, 각자의 전기 트레이스들(104)은 샘플(99)의 하나 이상의 디바이스로부터 샘플(99)에 매우 근접하게 위치되거나 샘플(99)에 결합된 하나 이상의 히트 싱크로의 과잉 열의 소산을 향상시키는 임의의 적합한 패턴을 가질 수 있다.
단계 6에서, 프로세서(11)는 샘플(99)을 액체(44)에 침지시키기 위해 z축을 따라 샘플(99)을 이동시키도록 마운트(33)를 제어한다. 일부 실시예들에서, 프로세서(11)는, 위의 도 5의 단계 3에서 설명된 기술을 사용하여, 액체(44)의 상부 표면(91)을 전기 트레이스들(104)의 상부 표면(106)과 평평하게 하도록 와이퍼(80)를 제어한다.
일부 실시예들에서, 프로세서(11)는 SLI(55)와 정렬되게 또는 SLI(55)에 매우 근접하게 샘플(99)을 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어할 수 있고, 예를 들어, 위의 도 5의 단계 4에서 설명된 바와 같이, 샘플(99)의 섹션들(112)에 이미지(20)를 투영하여 액체(44)를 중합하고 이에 의해 층(45)을 형성하도록 SLI(55)를 추가로 제어한다.
다른 실시예들에서, 프로세서(11)는 와이퍼(80)를 사용하지 않고 상부 표면(91)이 상부 표면(106)과 동일한 높이가 되도록 z축을 따라 충분히 정확하게 샘플(99)을 위치시키도록 마운트(33)를 제어할 수 있다.
대안적인 실시예들에서, 프로세서(11)는 단계 6에서 이미지(20)를 섹션들(112)에 투영하는 데 SLI(55)를 사용하지 않는 것에 의해 액체(44)에 침지된 전기 트레이스들(104)을 보유할 수 있다.
단계 7에서, 프로세서(11)는 PP(77)와 정렬되게 샘플(99)을 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어하고, 두께(109)를 갖는 디바이스(110)를 샘플(99)의 섹션 내에서 미리 결정된 위치에 배치하도록 PP(77)를 추가로 제어한다. 섹션(113)이 액체(44)로 채워진 공동이고 따라서, 디바이스(110)를 위치결정하는 것에 의해, 액체(44)의 일 부분(디바이스(110)와 대략 동일한 부피를 가짐)이 섹션(113)을 둘러싸는 섹션들(112)의 표면(114) 상으로 흘러넘친다는 점에 유의한다.
일부 실시예들에서, 프로세서(11)는 흘러넘친 액체(44)를 표면(114)으로부터 와이핑하기 위해 와이퍼(80)를 적용할 수 있다. 와이핑되지 않은 액체(44) 부분이, 디바이스(110)와 함께, 섹션(113)의 공동 내에 남을 수 있다는 점에 유의한다. 일 실시예에서, 디바이스(110)는 상부 표면(108)을 갖는 패드들(107)을 포함한다. 본 명세서에서 도 6의 추후 단계들에서 설명될 것인 바와 같이 패드들(107)은 디바이스(110)를 상부 표면(108)에 결합된 전기 트레이스들과 전기적으로 연결시키도록 구성된다. 일 실시예에서, 프로세서(11)는, 표면들(106 및 108)이 서로 동일한 높이가 되도록, 위에서 설명된 단계 5 내지 단계 7을 제어하도록 구성된다.
도 6의 예에서, 각자의 디바이스들(100 및 110)의 두께들(103 및 109)은 양쪽 모두 (약 20 μm 내지 50 μm인) 스테레오리소그래픽 프로세스의 두께보다 크지만, 서로 상이하며, 개념적 명확성을 위해 단순화된 방식으로 도시되어 있다.
위의 도 1에서 설명된 바와 같이, SLI(55)는 액체(44)의 중합 깊이를 제어하기 위해 2 개 이상의 파장들 또는 파장 범위들을 방출하도록 구성된다. 예를 들어, SLI(55)는 400 nm보다 큰 파장을 갖는 투영된 이미지(20)로 액체(44)를 조명하거나 임의의 다른 적합한 파장 또는 파장 범위를 사용하는 것에 의해 더 큰 중합 깊이를 얻을 수 있다.
다른 실시예들에서, 프로세서(11)는 형상 및/또는 치수에서 임의의 다른 차이를 갖는 다수의 컴포넌트들을 함께 패키징하기 위해 단계 3 내지 단계 7에서 설명된 동일한 기술들을 적용할 수 있다.
단계 8에서, 프로세서(11)는 SLI(55)와 정렬되게 또는 SLI(55)에 매우 근접하게 샘플(99)을 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어하고, 위의 도 5의 단계 4에서 설명된 기술을 사용하여, 이미지(20)를 섹션(113)에 투영하여 디바이스(110)를 둘러싸는 액체(44)의 일 부분을 중합하고 이에 의해 층(45)을 형성하도록 SLI(55)를 추가로 제어한다. 디바이스(110)의 높이 및 표면(117)과 표면(115) 사이에 위치하는 액체(44)의 제한된 중합 깊이로 인해 액체(44)의 일부가 중합되지 않았다는 점에 유의한다.
일부 실시예들에서, 프로세서(11)는, 예를 들면, 서브시스템(88) 대신에 또는 서브시스템(88)에 추가적으로 전술한 어닐링 서브시스템 또는 섀시(31)에 결합된 임의의 다른 적절한 노(furnace) 서브시스템을 제어하는 것에 의해, 샘플(99)에 열 프로세스를 적용할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 열 프로세스는 액체(44)의 남아 있는 부분을 중합하는 것에 의해 층(45)을 형성할 수 있다. 열 프로세스는 디바이스(110)를 고정시키는 데 도움이 될 수 있으며, 따라서 본 명세서에서 "열 고정" 프로세스로도 지칭된다.
다른 실시예들에서, 열 프로세스는 프로세스의 추후 스테이지에서, 예를 들어, 샘플(99)의 생산을 종료한 후에 수행될 수 있는 열 경화 단계 동안 수행될 수 있다.
그러한 실시예들에서, 샘플(99)은 UV 노출과 열 경화 양쪽 모두를 사용하여 중합될 수 있는 재료들을 포함할 수 있다. 그러한 재료들은 본 명세서에서 이중 기능성(dual functionality)을 갖거나 이중 경화(dual curing) 메커니즘을 갖는 것으로 지칭된다.
단계 9에서, 프로세서(11)는 LDW(66)와 정렬되게 또는 LDW(66)에 매우 근접하게 샘플(99)을 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어한다. 후속적으로, 프로세서(11)는, 위의 단계 5에서 설명된 바와 같이, 샘플(99)의 상부 표면 상의 미리 정의된 위치들에 전기 트레이스들(116)을 프린팅하도록(또는 임의의 다른 적합한 기술을 사용하여 배치하도록) LDW(66)를 제어한다. 단계 9의 예에서, 디바이스(110)를 디바이스(100) 및 도 6에 도시되지 않은 외부 엔티티들과 전기적으로 연결시키기 위해, 전기 트레이스들(116)이 패드들(107) 및 전기 트레이스들(104) 상에 프린팅된다.
일부 실시예들에서, 시스템(10)은 전술한 광학 검사 서브시스템을 사용하여 정합 오류들에 대해 검사하고, 필요한 경우, 위의 단계 5에서 설명된 기술들 또는 임의의 다른 적합한 기술을 사용하여 그러한 오류들을 보상하도록 구성된다.
도 6에 도시된 방법을 종료하는 단계 10에서, 프로세서(11)는 샘플(99)을 액체(44)에 침지시키기 위해 z축을 따라 샘플(99)을 이동시키도록 마운트(33)를 제어한다. 후속적으로, 프로세서(11)는 SLI(55)와 정렬되게 또는 SLI(55)에 매우 근접하게 샘플(99)을 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어하고, 액체(44)를 중합하여 캡슐화층(118)을 형성하는 것에 의해 샘플(99)을 캡슐화하기 위해 표면(117)에 이미지(20)를 투영하도록 SLI(55)를 추가로 제어한다. 일부 실시예들에서, 단계 10은, 층(118)의 두께를 제어하기 위해, 중합 프로세스 이전에 액체의 상부 표면을 와이핑하는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 캡슐화층(118)은 위에서 설명된 층들(45)과 유사할 수 있다. 다른 실시예들에서, 캡슐화층(118)은 캡슐화 기능성 또는 샘플(99)의 유연성과 같은 다른 속성들을 개선시킬 수 있는 액체(44)에 대한 첨가제들 또는 다른 스테레오리소그래피 액체 물질을 포함할 수 있다.
도 6의 이 특정 프로세스 시퀀스는, 본 발명의 실시예들에 의해 다루어지는 상이한 크기 및/또는 형상 및/또는 폼 팩터를 갖는 디바이스들의 콤팩트한 패키징 및 상호 연결과 같은, 특정 문제들을 예시하기 위해 그리고 샘플(99)의 성능을 향상시키는 데 이러한 실시예들을 적용하는 것을 설명하기 위해, 예로서 도시되어 있다. 그렇지만, 본 발명의 실시예들은 이러한 특정 종류의 예시적인 프로세스 시퀀스로 결코 제한되지 않으며, 본 명세서에 설명된 원리들은 다른 종류의 프로세스들 또는 위에서 설명된 프로세스들 사이에서 다른 프로세스 파라미터들을 사용하는 것(예를 들면, SLI(55)에 의해 수행되는 조명 시간)에 유사하게 적용될 수 있다. 더 구체적으로, 디바이스들(100 및 110)을 액체(44)에 침지시키는 것 및 도 6에 설명된 다른 프로세스들을 사용하는 것은 샘플(99) 내의 디바이스들(100 및 110)의 콤팩트한 패키징 및 상호 연결을 가능하게 한다. 이에 의해 서로 상이한 기능성들을 갖는 컴포넌트들 또는 디바이스들의 이종 통합도 가능하게 한다.
샘플(99)이 도 6의 전체 프로세스 시퀀스 동안 시스템(10)의 SLV(22) 내에 남아 있다는 점에 유의한다. 더욱이, 위에서 설명된 바와 같이, 도 6의 프로세스 시퀀스는 개념적 명확성을 위해 단순화되어 있으며, 생산 프로세스 시퀀스는 표면 준비, 용융, 어닐링 및 경화, 세정 및 헹굼, 계측 및 검사와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 추가적인 프로세스들을 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 샘플(199)에 여러 유형들의 액체들을 매립하기 위한 방법 및 프로세스 시퀀스를 개략적으로 예시하는 다이어그램이다. 위의 도 1 내지 도 6에서 설명된 모든 프로세스들이 도 7에서 설명된 방법에서 수행되고 샘플(199)에 적용될 수 있도록, 샘플(199)은, 예를 들어, 위의 도 1의 샘플(99)를 대체할 수 있다.
이 방법은, 단계 1에서, 위의 도 6의 단계 1 및 단계 2에 설명된 기술들을 사용하여 샘플(199)에 공동(120)을 형성하는 것으로 시작된다. 일부 실시예들에서, 프로세서(11)는 샘플(99)을 액체(44)에 침지시키기 위해 z축을 따라 이동하도록 마운트(33)를 제어한다. 후속적으로, 프로세서(11)는 SLI(55)와 정렬되게 또는 SLI(55)에 매우 근접하게 샘플(99)을 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어하고, 위의 도 4의 단계 3에서 설명된 중합 프로세스를 사용하여 이미지(20)(도시되지 않음)를 액체(44)의 미리 정의된 위치들에 투영하여 고체층(45)의 패턴을 형성하도록 SLI(55)를 추가로 제어한다. 단계 1을 종료한 후에, 공동(120)이 SLI(55)에 의해 투영된 이미지(20)에 노출되지 않은 액체(44)를 포함한다는 점에 유의한다.
후속적으로, 이 방법은 공동(120)으로부터 액체(44)를 배출하기 위한 다양한 기술들을 포함한다. 도 7의 예에서, 이 방법은 2 개의 대안적인 분기, 즉 (a) 액체 흡인 분기 및 (b) 액체 거부 분기로서 도시된 2 개의 대안적인 기술을 포함한다. 일 실시예에서, 프로세서(11)는 전술한 대안적인 기술들 중 하나 또는 이들의 임의의 적합한 조합을 사용하여 액체 배출을 구현할 수 있다. 그렇지만, 본 발명의 실시예들은 이러한 특정 종류의 예시적인 기술들로 결코 제한되지 않으며, 프로세서(11)는 공동(120)으로부터 액체(44)를 배출시키기 위한 임의의 다른 적합한 기술을 적용할 수 있다.
이제 액체 흡인 분기를 참조한다. 일부 실시예들에서, 시스템(10)은 펌프(도시되지 않음)에 결합된 가는 튜브(121)를 갖는 액체 흡인 서브시스템을 포함한다. 일부 실시예들에서, 튜브(121)의 원위 단부(123)는 약 200 μm의 외경 및 약 100 μm의 내경, 또는 임의의 다른 적합한 직경을 갖는다. 펌프는 액체(44)를 튜브(121)를 통해 공동(120) 밖으로 펌핑하기 위해 약 0.5 기압의 저압(under-pressure)을 가하도록 구성된다. 단계 2에서, 프로세서(11)는 튜브(121)의 원위 단부(123)에 매우 근접하게 공동(120)의 하부 표면(119)을 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어한다.
후속적으로, 프로세서(11)는 공동(120) 밖으로 액체(44)를 펌핑하기 위해 튜브(121)에 전술한 압력을 가하도록 액체 흡인 서브시스템의 펌프를 제어한다.
이제 액체 거부 분기를 참조한다. 단계 2A에서, 프로세서(11)는 PP(77)와 정렬되게 공동(120)을 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어하고, 고체 요소(122)를 공동(120)에 삽입하도록 PP(77)를 추가로 제어한다. 고체 요소(122)가 공동(120)의 치수들과 유사한 치수들을 가지며, 따라서 공동(120) 내로 고체 요소(122)를 삽입하는 것에 응답하여, 액체(44)가 공동(120)으로부터 흘러넘치고 층(45)의 상부 표면(124)에 위치한다는 점에 유의한다.
단계 2B에서, 프로세서(11)는 상부 표면(124)으로부터 액체(44)를 제거하기 위해 화살표(126)로 나타낸 방향으로 공동(120)에 대해 이동하도록 와이퍼(80)를 제어한다.
단계 2C에서, 프로세서(11)는 PP(77)와 정렬되게 공동(120)을 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어하고, 공동(120)으로부터 고체 요소(122)를 후퇴시키도록 PP(77)를 추가로 제어한다.
액체 흡인 분기 또는 액체 거부 분기를 종료한 후에 위에서 설명된 바와 같이, 액체(44)는 공동(120)으로부터 배출되었다. 일부 실시예들에서, 시스템(10)은 섀시(31)에 결합된 디스펜싱 서브시스템(130)을 포함한다. 단계 3에서, 프로세서(11)는 디스펜싱 서브시스템(130)과 정렬되게 공동(120)을 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어하고, 공동(120) 내로 광감성인 액체(128)를 디스펜싱하도록 디스펜싱 서브시스템(130)을 추가로 제어한다. 다른 실시예들에서, 시스템(10)은 액체(128)를 공동(120) 내로 인가하도록 구성된 임의의 다른 적합한 유형의 서브시스템(예를 들면, 잉크젯)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광감성 액체(128)는 광감성 실리콘과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는, 중합 이후의 유연성 및/또는 신축성 재료를 포함할 수 있다. 재료의 유연성은 액체(44)를 더 유연하게 만드는 특정 첨가제들을 액체(44)에 첨가하는 것, 예를 들어, 폴리올들(주 사슬들과 가교하지 않으며 이에 의해 재료를 탄성으로/유연하게 만드는 긴 사슬)를 첨가하는 것에 의해 얻어질 수 있다. 대안적으로, 유연성은 유연한 주 사슬(예를 들면, 실리콘 사슬)에 결합된 에폭시 활성 모이어티들로 시작하는 것에 의해 얻을 수 있다.
그러한 실시예들에서, 매립된 유연성 재료들은 샘플(199)의 국부적 유연성을 개선시키고 샘플(199)의 강성 섹션들과 유연성 섹션들의 조합을 생성할 수 있다. 따라서, 강성 섹션들은 강성 컴포넌트들 또는 디바이스들을 포함할 수 있고, 유연성 또는 신축성 섹션들은 샘플(199)의 지정된 기능성을 수행하기 위해 지정된 유연성 또는 신축성을 갖는 샘플(199)의 구조체를 제공할 수 있다.
다른 실시예들에서, 기판(60)은 유연성 재료들을 포함할 수 있고, 액체(128)는 액체(44)를 사용하는 것에 의해 얻어지는 강성 중합체 매트릭스 대신에 유연성 중합체 매트릭스를 생산하기 위해 액체(44)를 대체할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 액체(44) 또는 임의의 다른 적합한 유형의 강성으로 중합된 재료는 위에서 설명된 유연성 중합체 매트릭스 내에서 특정 강성 섹션들을 얻기 위해(예를 들면, 특정 공동들을 채우고/채우거나 그 안에 강성 디바이스들이 매립되게 하기 위해) 사용될 수 있다. 더욱이, 그러한 실시예들에서, 전기 트레이스들 중 적어도 일부는 유연한 전도체들, 또는 미앤더 기반(meander-based) 고체 전도체들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 시스템(10)은 신축성 회로들에 적합한 전기 전도성 트레이스들을 생산하도록 구성된다. 예를 들어, 금속 프린팅에 LDW(66)을 사용하여 또는 위에서 설명된 임의의 적합한 유형의 디스펜싱 서브시스템을 사용하여.
일부 실시예들에서, 시스템(10)은 경화 프로세스 이후에 어느 정도의 신축성을 유지하는 전도성 페이스트들을 사용하여 전기 전도성 트레이스들을 프린팅하도록 구성된다. 그러한 페이스트들은, 예를 들어, 오하이오주 델라웨어에 있는 Engineered Materials Systems, Inc.(EMS, Inc)에 의해 생산되는 CI-1036과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 은 잉크 기반 제품들을 포함할 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 시스템(10)은 전술한 전도성 트레이스들을 미앤더 형상들로 프린팅하여 이러한 트레이스들이 신축할 수 있게 하부 표면서도 신축성 회로의 지정된 저항을 유지할 수 있게 하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 액체들(44 및 128)은, 액체상도 아니고 액체상/고체상도 아닌, 서로 혼합되지 않을 수 있는 적합한 재료들을 포함한다. 예를 들어, 액체(128)는 중합된 층(45)으로 확산되지 않을 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 액체들(44 및 128)은 샘플(199)의 상이한 섹션들에서 열 및 전기 전도도 및/또는 정전용량 또는 임의의 다른 특성들을 제어하기 위해 상이한 열적 또는 전기적 특성들을 가질 수 있다.
단계 4에서, 프로세서(11)는 샘플(199)을 액체(44)에 침지시키기 위해 z축을 따라 이동하도록 마운트(33)를 제어한다. 후속적으로, 프로세서(11)는 SLI(55)와 정렬되게 또는 SLI(55)에 매우 근접하게 샘플(199)을 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어하고, 위의 도 4의 단계 3에서 설명된 중합 프로세스를 사용하여 이미지(20)를 액체(44)의 섹션(132)에 투영하여, 섹션(132)에, 고체층(45)의 패턴을 형성하도록 SLI(55)를 추가로 제어한다.
일부 실시예들에서, 고체층(45)은 샘플(199)의 공동(120) 내에 액체(128)를 캡슐화하기 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 시스템(10)은 층(45) 대신에 또는 층(45)에 추가적으로 캡슐화층(118)(위의 도 6의 단계 10에서 도시되고 설명됨)을 생산하도록 구성된다. 샘플(199)이 도 7의 전체 프로세스 시퀀스 동안 시스템(10)의 SLV(22) 내에 남아 있다는 점에 유의한다.
일부 실시예들에서, 액체들(44 및 128)과 같은 다수의 액체들을 사용하는 것은 샘플(199)의 다양한 특성들에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 센서들, 액추에이터들 및 전원들(예를 들면, 배터리들)과 같은 새로운 제품들이 샘플의 기계적 및/또는 열적 및/또는 전기적 특성들을 국부적으로 조정하는 것에 의해 생산될 수 있다.
다른 실시예들에서, 공동(120)과 같은 샘플(199)의 하나 이상의 공동은 샘플(199)의 특성들(예를 들면, 기계적, 열적 또는 전기적)을 국부적으로 변경하도록 구성된, 파라핀 왁스와 같은, 고체 상 변화 재료(phase change material, PCM)로 채워질 수 있다.
그러한 실시예들에서, 프로세서(11)는 각자의 공동(120)에 들어맞을 수 있는 치수들을 갖는 고체 PCM의 벌크를 위치시키도록 PP(77)를 제어하는 것 또는 임의의 다른 적합한 구현 기술을 사용하는 것에 의해 샘플(199)에 고체 PCM(도시되지 않음)을 배치할 수 있다.
다른 실시예들에서, 고체층(45)을 생산하는 대신에, 시스템(10)은 샘플(199)의 공동(120) 내에 액체(128)를 캡슐화하기 위한 고체 캡핑 컴포넌트(도시되지 않음)를 위치시키도록 PP(77)를 제어할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 시스템(10)은 임의의 다른 적합한 기술을 사용하여, 예를 들어, 고체 캡핑 컴포넌트 아래 및/또는 위, 및/또는 그의 측면들에 생산되는 고체층(45)과 전술한 고체 캡핑 컴포넌트의 조합을 사용하여 공동(120) 내에 액체(128)를 캡슐화할 수 있다.
샘플의 기계적 및 열적 특성들을 국부적으로 조정하는 것에 의해 액추에이터들 및 센서들을 생산하기
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 액추에이터(200)를 생산하기 위한 방법 및 프로세스 시퀀스를 개략적으로 예시하는 다이어그램이다. 이 방법은, 단계 1에서, 시스템(10)을 사용하여 가열 요소(201)를 생산하는 것으로 시작된다.
일부 실시예들에서, 프로세서(11)는 LDW(66)와 정렬되게 또는 LDW(66)에 매우 근접하게 액추에이터(200)의 기판(206)을 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어한다. 후속적으로, 프로세서(11)는 패드들(202) 및 저항기(204)를 포함하는 가열 요소(201)를 프린팅하도록(또는 임의의 다른 적합한 기술을 사용하여 퇴적시키고 패터닝하도록) LDW(66)를 제어한다.
이제 기판(206) 상에 형성되는 가열 요소(201)의 평면도를 보여주는 삽도(inset)(211)를 참조한다. 일부 실시예들에서, 패드들(202)은 구리 또는 임의의 적합한 낮은 전기 저항률(예를 들면, 약 15 mW.cm보다 작은 저항률)을 갖는 임의의 다른 적합한 재료 또는 합금을 포함한다. 저항기(204)는 니켈-크롬 또는, 패드들(202)의 전기 저항률보다 큰, 약 200 mW.cm보다 큰 전기 저항률을 갖는 임의의 다른 적합한 재료 또는 합금을 포함한다.
일부 실시예들에서, LDW(66)는 단일 프로세스 단계에서 패드들(202) 및 저항기(204)를 생산하도록 구성된다. 예를 들어, LDW(66)의 도너(도시되지 않음)는 도너 상의 제1 위치에 구리를 포함하는 적어도 제1 도너 필름, 및 각각이 (함께 또는 개별적으로) 니켈 및 크롬을 포함하고 도너 필름 상의 제2 상이한 위치에 위치하는 하나 이상의 제2 도너 필름을 포함할 수 있다.
다른 실시예들에서, LDW(66)는 2 개 이상의 프로세스 단계들에서 가열 요소(201)를 생산하도록 구성된다. 예를 들어, 제1 도너에 구리를 갖고 제2 도너에 니켈과 크롬을 가지는 것 및 프로세스 단계들 사이에서 제1 및 제2 도너들을 대체하는 것에 의해. 대안적인 실시예들에서, LDW(66)는 임의의 다른 적합한 프로세스 시퀀스 및 퇴적 기술들을 사용하여 가열 요소(201)를 생산할 수 있다.
일부 실시예들에서, 패드들(202)은, 예를 들면, 전기 트레이스들(도시되지 않음)을 통해, 전원(도시되지 않음)에 전기적으로 결합될 수 있다. 액추에이터(200)의 작동 동안, 전원은 저항기(204)의 전기 저항에 의해 야기되는 가열 요소(201)의 온도를 증가시키기 위해 미리 정의된 전압 레벨을 패드들(202)에 인가할 수 있다.
이제 도 8의 단계 2를 참조한다. 일부 실시예들에서, 시스템(10)은 저항기(204) 위에 공동(208)을 생산하고 공동(208)을, 액체(210)와 같은, 임의의 적합한 물질로 채우기 위해 위의 도 7에서 설명된 기술들 중 하나 이상을 적용할 수 있다. 일 실시예에서, 액체(210)는 가열 요소(201)의 패드들(202)에 전술한 전압 레벨을 인가하는 것에 의해 야기되는 증가된 온도에 응답하여, 예를 들면, 작동을 위해 팽창하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 프로세서(11)는, 액체(210) 대신에, 작동을 위한 유사한 팽창 특성들을 갖는 고체 부재(도시되지 않음)를 위치시키기 위해 PP(77)를 적용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 물질(예를 들면, 액체(210) 또는 고체 부재)은 층(45)의 열 팽창 계수(CTE)보다 큰 CTE를 갖는다. 추가적으로 또는 대안적으로, 물질은 층(45)의 기계적 강성보다 작은 기계적 강성을 가질 수 있다. 환언하면, 샘플(200)에 가해지는 주어진 기계적 힘에 응답하여, 액체(210) 또는 전술한 고체 부재는 변형될 것인 반면, 층(45)은 변형되지 않을 것이다.
단계 3에서, 프로세서(11)는 PP(77)와 정렬되게 공동(208)을 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어하고, 액체(210) 위에 유연성 멤브레인(212)을 배치하도록 PP(77)를 추가로 제어한다. 일부 실시예들에서, 유연성 멤브레인(212)은 폴리이미드 또는 실리콘 또는 임의의 다른 적합한 재료 또는 이들의 임의의 적합한 조합을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 시스템(10)은 임의의 적합한 기술을 사용하여 유연성 멤브레인(212)을 퇴적시키도록 구성된다. 유연성 부재(212)가 층(45)의 기계적 유연성보다 더 큰 기계적 유연성을 가질 수 있다는 점에 유의한다.
단계 4에서, 프로세서(11)는 디바이스(100)를 액체(44)에 침지시키고 SLI(55)와 정렬되게 또는 SLI(55)에 매우 근접하게 공동(208)을 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어한다. 후속적으로, 프로세서(11)는 위의 도 4의 단계 3에서 설명된 중합 프로세스에 의해 이미지(20)를 액체(44)의 미리 정의된 위치들에 투영하여 고체층(45)을 형성하도록 SLI(55)를 제어한다. 단계 4를 종료한 후에, 유연성 부재(212)가 층(45)에 의해 고정된다는 점에 유의한다. 일 실시예에서, 액체(44)의 표면(215)과 층(45)의 표면(214)은 서로 동일한 높이가 되며, 액체(212)의 표면(216)은 표면(214)보다 아래에 위치한다.
일부 실시예들에서, 단계 4는 액추에이터(200)의 생산 프로세스를 종료하고, 액체(44)의 잔류물은 위의 도 7에서 설명된 액체 흡인 또는 액체 거부와 같은 임의의 적합한 기술을 사용하여 제거되거나, 액추에이터(200)를 헹구는 것에 의해 간단히 세척된다.
이제 액추에이터(200)의 생산을 완료한 후에 수행되는 작업 단계인 단계 5를 참조한다. 일부 실시예들에서, 패드들(204)에 전압을 인가하기 전에, 액추에이터(200)의 표면(214)이 외부 디바이스 또는 제품(도시되지 않음)의 표면에 결합된다.
일부 실시예들에서, 단계 5에서, 전술한 전원은 위의 단계 1에서 설명된 바와 같이 가열 요소(201)의 저항기(204)의 온도를 증가시키기 위해 패드들(202)에 미리 정의된 전압 레벨을 인가한다. 증가된 온도에 응답하여, 액체(210)의 부피가 증가하는 것에 의해, 적어도 유연성 멤브레인(212), 및 선택적으로 액체(210)의 일 부분이 표면(214)을 넘도록 공동(208)으로부터 돌출되어, 열 구동 액추에이터로서 기능하도록 한다.
다른 실시예들에서, 위에서 설명된 온도의 증가에 응답하여, 액체의 적어도 일부는 액체로부터 기체로 상전이되어, 더욱 팽창하고 유연성 부재(212)에 의해 가해지는 작동력을 증가시킨다.
다른 실시예들에서, 위에서 설명된 기술들은, 다양한 유형들의 센서들과 같은, 다른 제품들을 생산하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 저항기(204) 대신에, 서로로부터 미리 정의된 거리에서 표면(214)에 평행하게 배치된 2 개의 전극을 갖는 커패시터(도시되지 않음)를 생성하는 것에 의해 스트레인 게이지(도시되지 않음)가 형성될 수 있으며, 여기서 전극들 각각은 상이한 패드(202)에 전기적으로 결합된다. 센서는 층(45)의 표면(214)과 같은 높이로 있는 유연성 부재(212)의 표면(216)을 추가적으로 가질 수 있다. 후속적으로, 센서는 유연성 부재(212)에 기계적 힘을 가하도록 의도된 외부 디바이스 또는 제품에, 예를 들면, 표면(214)을 통해, 결합된다.
또 다른 실시예들에서, 시스템(10)은 페라이트 코어를 갖는 수직 인덕터 코일들 및 프린팅된 수직 코일들과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 임의의 다른 적합한 유형의 수동 요소들을 생산하도록 구성된다.
그러한 실시예들에서, 기계적 힘이 센서에 가해질 때, 유연성 부재(212)는 기계적 힘에 의해 액체(210)를 향해 밀리게 된다. 이에 응답하여, 전극들 사이의 거리가 감소되고 임의의 적합한 기술을 사용하여 측정되는 커패시터의 커패시턴스를 변경하도록, 액체(210)는 가장 가까운 전극을 이동시킨다. 프로세서(11)는, 커패시턴스의 변화에 기초하여, 외부 엔티티에 의해 유연성 부재(212)에 가해지는 기계적 힘의 양을 추정할 수 있다.
위의 도 1 내지 도 8에 설명된 프로세스 시퀀스들에서, 액체들(44, 128 및 210)은 다양한 유형들의 재료들(예를 들면, 금속, 세라믹들, 중합체들), 다양한 거칠기 정도들 및 액체들(44, 128 및 210) 중 임의의 것과 각자의 고체 표면 사이의 습윤에 영향을 미칠 수 있는 다른 특성들을 갖는 고체 표면들과 접촉한다. 습윤 효과는 원하지 않는 현상들, 예를 들어, 액체(44)와 고체 표면 사이의 불충분한 접착, 액체(44) 및 어쩌면 중합 프로세스 이후의 층(45)에 의한 3D 기하형태들의 불충분한 커버리지를 야기할 수 있다.
본 발명자들은 습윤 효과가 각자의 액체의 점도를 제어하는 것에 의해 제어될 수 있음을 발견하였다. 일부 실시예들에서, 프로세서(11)는 전술한 IR 레이저 기반 용융/어닐링/경화 가열 서브시스템과 정렬되게 처리된 샘플을 위치시키도록 마운트(30)를 제어할 수 있고, 후속적으로, 액체를 순간적으로 가열하고, 이에 의해 그의 점도를 감소시키기 위해 IR에 의해 액체(예를 들면, 액체(44))를 조사하도록 용융/어닐링/경화 가열 서브시스템을 제어할 수 있다. 감소된 점도는 액체(44)에 의한 각자의 고체 표면의 습윤성을 개선시킨다. 후속적으로, 프로세서(11)는 샘플(99)을 SLI(55)에 매우 근접하게 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어할 수 있고, 액체(44)를 응고시키는 것에 의해 각자의 고체 표면의 개선된 습윤성을 유지하기 위해 액체(44)를 중합하도록 SLI(55)를 추가로 제어한다.
다른 실시예들에서, 샘플(200)의 하나 이상의 공동(208)은 액체(210) 대신에 또는 액체(210)에 추가적으로 고체 상 변화 재료(PCM)로 채워질 수 있다. 위의 도 7에 설명된 바와 같이, PCM은 샘플(200)의 기계적 및/또는 열적 및/또는 전기적 또는 다른 특성들을 국부적으로 변경하도록 구성된다.
샘플(200)이 도 8의 전체 프로세스 시퀀스 동안 시스템(10)의 SLV(22) 내에 남아 있다는 점에 유의한다.
중합체 매트릭스에서의 전자 디바이스들의 수직 적층
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 중합체 매트릭스에 다수의 디바이스들을 패키징하기 위한 방법 및 프로세스 시퀀스를 개략적으로 예시하는 다이어그램이다. 도 9의 프로세스 시퀀스는 위의 도 5에서 상세하게 설명된 것과 유사한 프로세스 단계들 및 기술들을 포함하고, 따라서 본 명세서에서 간략하게 설명될 것이다. 그러나, 도 9의 샘플(250)의 구조는 위의 도 5의 샘플(99)의 구조와는 상이하다. 샘플(99)과 샘플(250) 사이의 구조적 차이들은 본 명세서에서 상세히 설명될 것이다.
이 방법은, 단계 1에서, (a) 디바이스(240)의 높이보다 작은 두께를 갖는 액체(246)에 샘플(250)을 침지시키는 것, (b) PP(77)를 사용하여 기판(260)의 표면(273) 상의 미리 정의된 위치에 디바이스(240)를 배치하는 것, (c) 샘플(250)의 선택된 위치들에서 액체(246)를 중합하는 것에 의해, 중합체 매트릭스, 본 예에서, 층(263)을 형성하는 것 - 본 예에서, 중합체 매트릭스는 디바이스(240)의 위치를 고정시키기 위해 디바이스(240)를 둘러싸고 있음 -, (d) LDW(66)를 사용하여 필러들(270)을 생산하는 것, (e) 필러들(270)의 높이보다 큰 두께를 갖는 액체(246)에 샘플(250)을 침지시키는 것, 예를 들어, 위의 도 3의 단계 2 및/또는 위의 도 5의 단계 3에서 설명된 바와 같이, 와이핑 프로세스를 사용하여 액체(246)의 두께를 감소시키는 것, 및 샘플(250)의 선택된 위치들에서 액체(246)를 중합하는 것으로 시작된다. 액체(246)의 중합은 필러들(270)의 위치를 고정시키기 위해 적어도 필러들(270)을 둘러싸는 위치들에서 수행될 수 있다. 서브단계 (a) 내지 서브단계 (e)가 위의 도 5의 단계 1 내지 단계 4와 유사하다는 점에 유의한다.
서브단계 (f)에서, 프로세서(11)는 LDW(66)와 정렬되게 또는 LDW(66)에 매우 근접하게 필러들(270)을 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어하고, (예를 들어, 위의 도 3의 단계 4에서 설명된 바와 같이) 필러들(270)의 상부 표면을 드러내고, 그 후에, 필러들(270)에 전기적으로 연결되는 전기 트레이스들(272)을 프린팅하도록 LDW(66)를 추가로 제어한다. 후속적으로, 이 방법은 위의 서브단계 (e)에서 설명된 바와 같이 액체(246)의 침지 및 중합 프로세스들을 사용하여, 전기 트레이스들(272)의 위치를 고정시키기 위해, 전기 트레이스들(272)에 매우 근접하게 층(263)을 형성하는 단계를 포함한다.
단계 1을 종료하는 서브단계 (g)에서, 프로세서(11)는 LDW(66)와 정렬되게 또는 LDW(66)에 매우 근접하게 샘플(250)을 위치시키도록 마운트들(30 및 33)을 제어하고, 전기 트레이스들(272)에 전기적으로 연결되는 필러들(274)을 프린팅하도록 LDW(66)를 추가로 제어한다.
단계 2에서, 이 방법은 위에서 설명된 기술들을 사용하여 공동(280)을 형성하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 도 3의 단계 3에서 설명된 기술 및/또는 도 7의 단계 1에서 설명된 기술. 단계 2에서, 이 방법이 층(263)에 필러들(274)을 고정시키는 단계를 더 포함한다는 점에 유의한다.
단계 3에서, 프로세서(11)는 디바이스(242)를 공동(280) 내에 위치시키도록 PP(77)를 제어하고, 디바이스(242)의 삽입으로 인해 공동(280)로부터 거부되는 액체(246)를 와이핑하도록 와이퍼(80)를 추가로 제어한다. 후속적으로, 프로세서(11)는 디바이스(242)의 패드들(도시되지 않음)과 전기적 접촉을 갖는 전기 트레이스들(276)를 프린팅하도록, 그리고 전기 트레이스들(276)과 전기적 접촉을 갖는 필러들(278)을 프린팅하도록 LDW(66)를 제어한다. 전기 트레이스들(276) 및 필러들(278)의 프린팅이 단일 프로세스 단계 또는 다수의 프로세스 단계들에서 LDW(66)에 의해 수행될 수 있다는 점에 유의한다.
도 9의 방법을 종료하는 단계 4에서, 이 방법은 (a) 위의 단계 2의 기술들을 사용하여 공동(282)을 형성하는 단계, (b) 위의 단계 3에서 설명된 바와 같이, 디바이스(244)를 공동(282)에 배치하고 디바이스(244)의 패드들(도시되지 않음)과 전기적 접촉을 갖는 전기 트레이스들(284)을 생산하는 단계, 및 (c) 위의 도 6의 단계 10에서 설명된 기술과 같은, 임의의 적합한 기술을 사용하여 샘플(250)을 캡슐화하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 위에서 설명된 프로세스들 중 임의의 것의 지속 기간은, 액체(44)의 중합 속도, LDW(66)에 의한 주어진 층의 퇴적 속도, 및 작동 시퀀스와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 다양한 파라미터들에 의해 좌우될 수 있다(스테이션들 간의 샘플(99)의 이동이 많을수록, 각자의 프로세스의 지속 기간이 길어진다).
일부 실시예들에서, 액체(44)의 중합 속도는 (a) 액체(44)의 화학적 조성(예를 들면, 유변학적 특성들) 및 온도, (b) SLI(55)에 의해 수행되는 조명 강도 및 파장, (c) 액체(44)의 두께의 정밀 제어, 및 이들의 임의의 조합에 의해 영향을 받을 수 있다.
일부 실시예들에서, (a) 샘플(99)의 최종 제품의 설계, 예를 들면, PP(77)에 의해 배치되는 디바이스들의 두께, 층들의 두께, 및 (컴포넌트들 및 /또는 지정된 화학적 조성 및 기계적 구조에 대한 손상을 방지하기 위한) 프로세스의 열 버짓(thermal budget), 및 (b) 위에서 설명된 프로세스 한계들에 기초하여, 프로세서(11)는 제품 품질의 트레이드오프들과 최종 제품의 제조 프로세스의 총 지속 기간 사이를 최적화하는 프로세스 단계 시퀀스를 선택하도록 구성된다.
추가적으로 또는 대안적으로, 시스템(10)은 다수의 샘플들(99)을 병렬로 처리하는 것에 의해 각각의 제품의 평균 생산 사이클 시간을 개선시키도록 구성된다. 예를 들어, (a) 시스템은 서브시스템(88) 대신에 또는 서브시스템(88)에 추가적으로 섀시(31)에 결합되는 긴 및/또는 주로 사용되는 프로세스들의 다수의 서브시스템들(예를 들면, SLV(22) 및 SLI(55) 서브시스템들의 2 개의 세트)을 포함할 수 있으며, (b) 프로세서(11)는 프로세스 시퀀스의 단계들 사이에서 지정된 대기열 시간들에 따라 상이한 서브시스템들에서 상이한 샘플들을 동시에 처리할 수 있다.
샘플(250)이 도 9의 전체 프로세스 시퀀스 동안 시스템(10)의 SLV(22) 내에 남아 있다는 점에 유의한다.
일부 실시예들에서, 디바이스들(240, 242 및 244) 중 적어도 하나는 플립 칩 기술들의 임의의 적합한 프로세스를 사용하여 플리핑될 수 있다. 예를 들어, 디바이스(244)는 기판(260)을 향하는 - 본 명세서에서 "아래로 향하는"으로 지칭됨 - 활성 영역을 가질 수 있다.
다른 실시예들에서, 디바이스들(240A 및 240B) 중 적어도 하나는 아래로 향하는(즉, 기판(260)을 향하는) 패드들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 디바이스(240A)의 활성 영역은 트레이스(284)를 향하고 있을 수 있으며, 디바이스(240A)의 비활성 표면은 기판(260)을 향하고 있을 수 있다. 이 구성에서, 디바이스(240A)의 비활성 표면은 전기 전도성 접촉 패드들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 프로세서(11)는 접촉 패드들에 전기 전도성 접착제(예를 들면, 금속으로 채워진 에폭시 또는 실리콘), 또는 솔더, 또는 임의의 다른 적합한 유형의 전기 전도성 물질 또는 합금을 도포하기 위해, 섀시(31)에 장착된, 디스펜서를 제어하도록 구성된다. 후속적으로, 시스템(10)은, 전도성 접착제를 경화시키고 전도성 접착제와 접촉 패드 사이의 접착력 및 전기 전도성을 개선시키기 위해, 경화 프로세스 단계를 수행하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 경화 단계는 국부 가열 디바이스(240)에 의해 전도성 접착제를 도포한 직후에 수행될 수 있다. 예를 들어, 예를 들면, 본 명세서에 참고로 포함되는, Abbel et al.의 "Roll-to-Roll Fabrication of Solution Processed Electronics," ADV. ENG. MATER. 2018, 1701190, DOI: 10.1002/ADEM.201701190에 설명된 바와 같은, 광 경화 프로세스를 사용하여. 그러한 광 경화 제품들은, 예를 들어, Novacenttrix(400 Parker Dr., Suite 1110, Austin TX)에 의해 제공된다.
다른 실시예들에서, 전도성 접착제가 액체(246) 또는 임의의 다른 적합한 유형의 스테레오리소그래피 수지와 상용성인 경우, 시스템(10)은 샘플(250)의 제품의 빌드업을 완료한 후에 열 프로세스를 사용하여 접착제 경화 프로세스 단계를 수행하도록 구성된다.
다른 실시예들에서, 시스템(10)은 접촉 패드 상에 전도성 접착제 또는 솔더를 도포하는 것을 가능하게 하기 위해 액체(246) 또는 층(263)의 섹션을 제거하도록 그리고, 후속적으로, 위에서 설명된 경화 프로세스 단계를 수행하도록 구성된다.
본 명세서에 설명된 실시예들이 주로 3D 전자 및 광전자 디바이스들의 생산을 다루고 있지만, 다양한 형태들의 고급 전자 패키징은 물론 다양한 유형들의 센서들 및 액추에이터들을 생산하는 것을 가능하게 하기 위해, 본 명세서에 설명된 방법들 및 시스템들은, 예를 들면, 의료 또는 엔터테인먼트를 위한 신체 착용형 기능 디바이스들, 보청기와 같은 다른 콤팩트하고 복잡한 형상의 의료 디바이스들, 또는 감지 및 통신 능력을 갖는 사물 인터넷(internet of things, IOT) 디바이스들과 같은, 다른 응용 분야들에서도 사용될 수 있다.
따라서, 위에서 설명된 실시예들이 예로서 열거되고, 본 발명이 이상에서 특별히 도시되고 설명된 것으로 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 오히려, 본 발명의 범위는 이상에서 설명된 다양한 특징들의 조합들 및 하위 조합들은 물론, 전술한 설명을 읽을 때 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 안출되고 선행 기술에 개시되지 않은 변형들 및 수정들 양쪽 모두를 포함한다. 임의의 용어들이 본 명세서에서 명시적으로 또는 암시적으로 이루어진 정의들과 모순되는 방식으로 이러한 포함된 문서들에서 정의되는 한, 본 명세서에서의 정의들만이 고려되어야 한다는 것을 제외하고는, 본 특허 출원에 참고로 포함되는 문서들은 본 출원의 불가분의 부분으로 간주되어야 한다.
Claims (87)
- 제조를 위한 방법에 있어서,
샘플을 마운트에 결합시키고, 광감성 액체(photosensitive liquid)와 주변 환경 사이의 계면을 정의하는 상부 표면을 갖는 상기 광감성 액체에 상기 샘플의 적어도 일부를 침지(immerse)시키는 단계; 및
상기 샘플의 적어도 섹션에 결합되는 적어도 중합체층을 형성하는 단계로서,
상기 상부 표면에 대해 상기 샘플의 위치를 제어하는 것에 의해 상기 중합체층의 두께를 설정하는 것; 및
상기 광감성 액체를 중합하여 상기 중합체층을 형성하기 위해 적어도 상기 상부 표면을 조명하는 것
에 의해 상기 샘플의 적어도 섹션에 결합되는 적어도 중합체층을 형성하는 단계
를 포함하는, 제조를 위한 방법. - 제1항에 있어서, 적어도 상기 상부 표면을 조명하는 것은, 2 개 이상의 파장들 또는 2 개 이상의 파장 범위들을 사용하는 것을 포함하는 것인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 중합체층을 형성하는 단계는, 상기 중합체층을 상기 샘플의 적어도 섹션에 결합시키기 위해 상기 광감성 액체의 점도를 제어하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 점도를 제어하는 단계는, 상기 광감성 액체의 온도 및 화학적 조성 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 중합체층의 두께를 설정하는 것은, 상기 상부 표면으로부터 상기 광감성 액체의 적어도 일부를 와이핑(wiping)하는 것을 포함하는 것인, 방법.
- 제1항에 있어서, 미리 정의된 패턴에 따라 상기 샘플의 적어도 고체 표면을 향해 용융된 재료(molten material)의 액적(droplet)들을 지향시켜 상기 액적들이 상기 고체 표면 상에서 경화(harden)되어 상기 고체 표면 상에 하나 이상의 층의 구조체를 프린팅하도록 하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 고체 표면은, 상기 중합체층의 적어도 일부를 포함하는 것인, 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 구조체의 적어도 주어진 표면을 상기 주변 환경에 노출시키기 위해 상기 중합체층의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제8항에 있어서, 추가적인 미리 정의된 패턴에 따라 상기 주어진 표면 상의 미리 정의된 위치를 향해 추가적인 액적들을 지향시키는 것에 의해 상기 주어진 표면 상에 전기 접점(electrical contact)을 형성하여 상기 추가적인 액적들이 상기 주어진 표면 상에서 경화되어 상기 미리 정의된 위치에 상기 전기 접점을 프린팅하도록 하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 구조체는, 3차원(three-dimensional, 3D) 구조체를 포함하는 것인, 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 중합체층에 공동을 형성하고 상기 공동을 향해 상기 액적들을 지향시켜 상기 공동에 상기 구조체의 적어도 일부를 프린팅하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 적어도 중합체층을 형성하는 단계는, 상기 구조체를 상기 고체 표면에 고정시키는 단계를 포함하는 것인, 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 적어도 중합체층을 형성하는 단계는, 적어도 상기 중합체층으로 상기 구조체를 커버하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
- 제1항에 있어서, 적어도 접촉 패드를 갖는 전자 디바이스를 상기 샘플에 결합시키는 단계, 및 상기 전자 디바이스의 적어도 섹션 상에 적어도 상기 중합체층을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제14항에 있어서, 미리 정의된 패턴에 따라 패드 표면을 향해 추가적인 액적들을 지향시키는 것에 의해 적어도 상기 접촉 패드의 패드 표면 상에 전기 접점을 형성하여 상기 추가적인 액적들이 상기 패드 표면 상에서 경화되도록 하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 전기 접점은, 상기 전자 디바이스로 또는 상기 전자 디바이스로부터 전기 신호들을 전도하도록 상기 패드 표면에 결합된 필러(pillar)를 포함하는 것인, 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 전자 디바이스를 결합시키는 단계는 상기 전자 디바이스의 적어도 일부를 상기 광감성 액체에 침지시키는 단계를 포함하고, 상기 방법은 상기 광감성 액체의 적어도 일부를 중합하여 상기 중합체층의 적어도 일부를 형성하기 위해 상기 샘플을 가열하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 중합체층에서의 선택된 위치에 공동을 형성하고 주어진 액체로 상기 공동을 채우는 단계를 포함하는, 방법.
- 제18항에 있어서, 상기 공동을 형성하는 단계는, (a) 상기 광감성 액체가 상기 선택된 위치에서 중합되지 않도록 상기 선택된 위치를 둘러싸는 하나 이상의 위치에서 상기 광감성 액체를 조명하는 단계, 및 (b) 상기 선택된 위치로부터 상기 광감성 액체를 제거하여 상기 공동을 형성하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 광감성 액체를 제거하는 것은, (a) 상기 광감성 액체를 상기 선택된 위치 밖으로 펌핑하는 것, 및 (b) 고체 요소를 상기 공동 내로 삽입하는 것 중 하나를 포함하는 것인, 방법.
- 제18항에 있어서, 상기 공동을 채우는 단계는, 상기 주어진 액체를 상기 공동 내로 디스펜싱하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
- 제18항에 있어서, 상기 주어진 액체는, (a) 기계적 특성, (b) 열적 특성, (c) 전기적 특성, 및 (d) 화학적 특성으로 이루어진 특성 목록으로부터 선택되는 적어도 하나의 특성에 의해 상기 광감성 액체와는 상이한 것인, 방법.
- 제18항에 있어서, 상기 주어진 액체는 주어진 광감성 액체를 포함하고, 상기 방법은 상기 주어진 광감성 액체의 선택된 패턴을 중합하여 상기 공동 내의 주어진 중합체층을 포함하는 상기 선택된 패턴을 형성하기 위해 상기 주어진 광감성 액체의 선택된 패턴을 조명하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
- 제1항에 있어서, (a) 상기 중합체층 위에 또는 아래에 전기 컴포넌트를 형성하는 단계, (b) 상기 중합체층에 공동을 패터닝하는 단계, (c) 상기 중합체층과는 상이한 물질(substance)로 상기 공동을 채우는 단계, 및 (d) 적어도 상기 물질 상에 유연성 부재(flexible member)를 배치하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제24항에 있어서, 상기 전기 컴포넌트는 저항기를 포함하고, 상기 물질은 상기 중합체층의 제2 열팽창 계수(coefficient of thermal expansion, CTE)보다 큰 제1 CTE를 갖는 것인, 방법.
- 제24항에 있어서, 상기 전기 컴포넌트는 커패시터를 포함하고, 상기 물질은 상기 중합체층의 제2 기계적 강성(mechanical rigidness)보다 작은 제1 기계적 강성을 갖는 것인, 방법.
- 제24항에 있어서, 상기 유연성 부재는, 폴리이미드 또는 실리콘을 포함하는 것인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 광감성 액체는, (a) 에폭시 또는 실리콘 중합체들을 형성하도록 광중합 가능한(photopolymerizable) 화학적 모이어티(chemical moiety)들, (b) 폴리이미드, (c) 폴리우레탄들, (d) 폴리디시클로펜타디엔(polydicyclopentadiene), (e) 광감성 중합가능 실란들, 및 광중합가능 모이어티들로 이루어진 목록으로부터 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것인, 방법.
- 제1항에 있어서, 적어도 상기 상부 표면을 조명하는 것은, 자외선(ultraviolet, UV) 방사선을 사용하여 상기 광감성 액체를 조명하는 것을 포함하는 것인, 방법.
- 제1항에 있어서, 층을 도포하거나 디바이스를 상기 주어진 표면에 결합시키기 전에 상기 중합체층의 주어진 표면을 준비하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 층을 도포하는 것은, 미리 정의된 패턴에 따라 상기 중합체층의 주어진 표면을 향해 용융된 재료의 액적들을 지향시켜 상기 액적들이 상기 주어진 표면 상에서 경화되어 상기 주어진 표면 상에 상기 층을 프린팅하도록 하는 것을 포함하는 것인, 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 주어진 표면을 준비하는 단계는, 상기 층을 도포하기 전에 상기 주어진 표면에 접착층을 도포하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 주어진 표면을 준비하는 단계는, 상기 주어진 층에 공동을 패터닝하고 상기 공동의 적어도 일부에 상기 층을 도포하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 주어진 표면을 준비하는 단계는, 레이저 어블레이션을 사용하여 상기 주어진 표면의 적어도 섹션을 조면화(roughen)하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 주어진 표면을 준비하는 단계는, 상기 주어진 표면의 적어도 섹션에 마이크로미터 규모 입자(micron-scale particle)들을 도포하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
- 제35항에 있어서, 상기 마이크로미터 규모 입자들을 도포하는 단계는, 휘발성 용제(volatile solvent)에 침지된 상기 마이크로미터 규모 입자들을 포함하는 희석 용액을 디스펜싱하거나 분사(jet)하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
- 제1항에 있어서, 미리 정의된 패턴에 따라 상기 샘플의 적어도 고체 표면을 향해 용융된 재료의 제1 액적들을 지향시키는 것에 의해 제1 3차원(3D) 구조체를 형성하여 상기 제1 액적들이 상기 고체 표면 상에서 경화되어 상기 고체 표면 상에 제1 3D 구조체를 프린팅하도록 하는 상기 단계 - 상기 제1 3D 구조체는 상기 고체 표면을 향하는 하부 표면을 갖는 제1 단부 및 상기 하부 표면 반대편의 상부 표면을 갖는 제2 단부를 포함함 - 를 포함하고, 상기 상부 표면을 향해 용융된 재료의 제2 액적들을 지향시키는 것에 의해 제2 3D 구조체를 상기 상부 표면 상에 형성하여 상기 제2 액적들이 상기 상부 표면 상에서 경화되어 상기 제1 3D 구조체의 상부 표면 상에 상기 제2 3D 구조체를 프린팅하도록 하는 단계 - 상기 적어도 중합체층을 형성하는 단계는, (i) 상기 고체 표면 상의 상기 제1 3D 구조체의 위치를 고정시키기 위한 제1 중합체층을 형성하는 단계, 및 (ii) 상기 제1 3D 구조체의 상부 표면 상의 상기 제2 3D 구조체의 위치를 고정시키기 위한 제2 중합체층을 형성하는 단계를 포함함 - 를 포함하는, 방법.
- 제37항에 있어서, 상기 제1 3D 구조체 및 상기 제2 3D 구조체 중 적어도 하나는 필러를 포함하는 것인, 방법.
- 제37항에 있어서, 상기 두께를 설정하는 것은, 상기 상부 표면을 조명하는 것이 주어진 두께 내의 모든 상기 광감성 액체를 중합하는 것을 포함하도록 상기 주어진 두께를 설정하는 것을 포함하는 것인, 방법.
- 제37항에 있어서, 상기 두께를 설정하는 것은, 상기 광감성 액체의 제1 상부 표면으로부터 상기 광감성 액체의 적어도 일부를 와이핑하는 것에 의해 상기 제1 중합체층의 적어도 제1 두께를 설정하는 것을 포함하는 것인, 방법.
- 제조를 위한 시스템에 있어서,
통(vat)에 담겨 있고 광감성 액체와 주변 환경 사이의 계면을 정의하는 상부 표면을 갖는 광감성 액체;
마운트에 결합된 샘플을 갖고 상기 샘플을 상기 상부 표면에 대해 이동시키는 것에 의해 상기 샘플의 적어도 일부를 상기 광감성 액체에 침지시키도록 구성된 상기 마운트;
상기 광감성 액체를 중합하여 중합체층을 형성하기 위해 적어도 상기 상부 표면을 조명하도록 구성된 광학 어셈블리; 및
상기 상부 표면에 대해 상기 샘플의 위치를 제어하는 것에 의해 상기 중합체층의 두께를 설정하도록 구성된 프로세서
를 포함하는, 제조를 위한 시스템. - 제41항에 있어서, 상기 광학 어셈블리는, 2 개 이상의 파장들 또는 2 개 이상의 파장 범위들 사용하여 적어도 상기 상부 표면을 조명하도록 구성되는 것인, 시스템.
- 제41항에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 중합체층을 상기 샘플의 적어도 섹션에 결합시키도록 상기 광감성 액체의 점도를 제어하게 구성되는 것인, 시스템.
- 제43항에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 광감성 액체의 온도 및 화학적 조성 중 적어도 하나를 제어하도록 구성되는 것인, 시스템.
- 제41항에 있어서, 상기 상부 표면으로부터 상기 광감성 액체의 적어도 일부를 와이핑하도록 구성된 와이퍼를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 와이퍼를 제어하는 것에 의해 상기 중합체층의 두께를 설정하도록 구성되는 것인, 시스템.
- 제41항에 있어서, 미리 정의된 패턴에 따라 상기 샘플의 적어도 고체 표면을 향해 용융된 재료의 액적들을 지향시켜 상기 액적들이 상기 고체 표면 상에서 경화되어 상기 고체 표면 상에 하나 이상의 층의 구조체를 프린팅하게 하도록 구성된 레이저 직접 쓰기 서브시스템(laser direct writing subsystem, LDW)을 포함하는, 시스템.
- 제46항에 있어서, 상기 고체 표면은, 상기 중합체층의 적어도 일부를 포함하는 것인, 시스템.
- 제47항에 있어서, 상기 구조체의 적어도 주어진 표면을 상기 주변 환경에 노출시키기 위해 상기 중합체층의 적어도 일부를 제거하도록 구성된 와이퍼를 포함하는, 시스템.
- 제48항에 있어서, 상기 LDW는, 추가적인 미리 정의된 패턴에 따라 상기 주어진 표면 상의 미리 정의된 위치를 향해 추가적인 액적들을 지향시키는 것에 의해 상기 주어진 표면 상에 전기 접점을 형성하여 상기 추가적인 액적들이 상기 주어진 표면 상에서 경화되어 상기 미리 정의된 위치에 상기 전기 접점을 프린팅하게 하도록 구성되는 것인, 시스템.
- 제46항에 있어서, 상기 구조체는, 3차원(3D) 구조체를 포함하는 것인, 시스템.
- 제46항에 있어서, 상기 LDW는, 상기 중합체층에 공동을 형성하고 상기 공동을 향해 상기 액적들을 지향시켜 상기 공동에 상기 구조체의 적어도 일부를 프린팅하게 하도록 구성되는 것인, 시스템.
- 제46항에 있어서, 상기 프로세서는, 적어도 상기 중합체층을 형성하도록 상기 광학 어셈블리를 제어하는 것에 의해 상기 구조체를 상기 고체 표면에 고정시키도록 구성되는 것인, 시스템.
- 제46항에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 중합체층의 두께를 설정하는 것에 의해 상기 구조체를 적어도 상기 중합체층으로 커버하도록 구성되는 것인, 시스템.
- 제41항에 있어서, 적어도 접촉 패드를 갖는 전자 디바이스를 상기 샘플에 결합시키도록 구성된 픽 앤 플레이스 서브시스템(pick and place subsystem)(PP)을 포함하고, 상기 프로세서는 상기 전자 디바이스의 적어도 섹션 상에 적어도 상기 중합체층을 형성하도록 상기 마운트 및 상기 광학 어셈블리를 제어하게 구성되는 것인, 시스템.
- 제54항에 있어서, 미리 정의된 패턴에 따라 패드 표면을 향해 추가적인 액적들을 지향시키는 것에 의해 적어도 상기 접촉 패드의 패드 표면 상에 전기 접점을 형성하여 상기 추가적인 액적들이 상기 패드 표면 상에서 경화되게 하도록 구성된 레이저 직접 쓰기 서브시스템(LDW)을 포함하는, 시스템.
- 제55항에 있어서, 상기 전기 접점은, 상기 전자 디바이스로 또는 상기 전자 디바이스로부터 전기 신호들을 전도하도록 상기 패드 표면에 결합된 필러를 포함하는 것인, 시스템.
- 제54항에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 전자 디바이스의 적어도 일부를 상기 광감성 액체에 침지시키도록 상기 마운트를 제어하게, 그리고 상기 광감성 액체의 적어도 일부를 중합하여 상기 중합체층의 적어도 일부를 형성하기 위해 상기 샘플을 가열하도록 히터를 제어하게 구성되는 것인, 시스템.
- 제41항에 있어서, 상기 중합체층에서의 선택된 위치에 공동을 형성하도록 구성된 레이저, 및 주어진 액체를 상기 공동 내로 디스펜싱하도록 구성된 디스펜서를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 공동을 형성하도록 상기 레이저를 제어하게 그리고 상기 주어진 액체로 상기 공동을 채우도록 상기 디스펜서를 제어하게 구성되는 것인, 시스템.
- 제58항에 있어서, 상기 프로세서는, (a) 상기 광감성 액체가 상기 선택된 위치에서 중합되지 않도록 상기 선택된 위치를 둘러싸는 하나 이상의 위치에서 상기 광감성 액체를 조명하도록 상기 광학 어셈블리를 제어하게, 그리고 (b) 상기 선택된 위치로부터 상기 광감성 액체를 제거하여 상기 공동을 형성하도록 구성되는 것인, 시스템.
- 제59항에 있어서, 상기 프로세서는, (a) 상기 선택된 위치 밖으로 상기 광감성 액체를 펌핑하도록 구성된 펌프, 및 (b) 고체 요소를 상기 공동에 삽입하도록 구성된 픽 앤 플레이스 서브시스템(PP) 중 하나를 제어하는 것에 의해 상기 선택된 위치로부터 상기 광감성 액체를 제거하도록 구성되는 것인, 시스템.
- 제58항에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 주어진 액체를 상기 공동 내로 디스펜싱하는 것에 의해 상기 공동을 채우도록 상기 디스펜서를 제어하게 구성되는 것인, 시스템.
- 제58항에 있어서, 상기 주어진 액체는 (a) 기계적 특성, (b) 열적 특성, (c) 전기적 특성, 및 (d) 화학적 특성으로 이루어진 특성 목록으로부터 선택되는 적어도 하나의 특성에 의해 상기 광감성 액체와는 상이한 것인, 시스템.
- 제58항에 있어서, 상기 주어진 액체는 주어진 광감성 액체를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 주어진 광감성 액체의 선택된 패턴을 중합하여 상기 공동 내의 주어진 중합체층을 포함하는 상기 선택된 패턴을 형성하기 위해 상기 주어진 광감성 액체의 선택된 패턴을 조명하도록 상기 광학 어셈블리를 제어하게 구성되는 것인, 시스템.
- 제41항에 있어서, 상기 프로세서는, (a) 상기 중합체층 위에 또는 아래에 전기 컴포넌트를 형성하기 위해 레이저 직접 쓰기 서브시스템(LDW)을 제어하고, (b) 상기 중합체층에 공동을 패터닝하기 이해 상기 LDW를 제어하고, (c) 상기 중합체층과는 상이한 물질로 상기 공동을 채우기 위해 디스펜서를 제어하며, (d) 적어도 상기 물질 상에 유연성 부재를 배치하도록 픽 앤 플레이스 서브시스템(PP) 또는 상기 디스펜서를 제어하게 구성되는 것인, 시스템.
- 제64항에 있어서, 상기 전기 컴포넌트는 저항기를 포함하고, 상기 물질은 상기 중합체층의 제2 CTE보다 큰 제1 열팽창 계수(CTE)를 갖는 것인, 시스템.
- 제64항에 있어서, 상기 전기 컴포넌트는 커패시터를 포함하고, 상기 물질은 상기 중합체층의 제2 기계적 강성보다 작은 제1 기계적 강성을 갖는 것인, 시스템.
- 제64항에 있어서, 상기 유연성 부재는, 폴리이미드 또는 실리콘을 포함하는 것인, 시스템.
- 제41항에 있어서, 상기 광감성 액체는, (a) 에폭시 또는 실리콘 중합체들을 형성하도록 광중합 가능한 화학적 모이어티들, (b) 폴리이미드, (c) 폴리우레탄들, (d) 폴리디시클로펜타디엔, (e) 광감성 중합가능 실란들, 및 광중합가능 모이어티들로 이루어진 목록으로부터 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것인, 시스템.
- 제41항에 있어서, 상기 광학 어셈블리는, 자외선(UV) 방사선을 사용하여 상기 광감성 액체를 조명하도록 구성되는 것인, 시스템.
- 제41항에 있어서, 레이저 직접 쓰기 서브시스템(LDW)을 포함하고, 상기 프로세서는 층을 도포하거나 디바이스를 상기 주어진 표면에 결합시키기 전에 상기 중합체층의 주어진 표면을 준비하도록 상기 LDW를 제어하게 구성되는 것인, 시스템.
- 제70항에 있어서, 상기 프로세서는, 미리 정의된 패턴에 따라 상기 중합체층의 주어진 표면을 향해 용융된 재료의 액적들을 지향시켜 상기 액적들이 상기 주어진 표면 상에서 경화되어 상기 주어진 표면 상에 상기 층을 프린팅하도록 상기 LDW를 제어하게 구성되는 것인, 시스템.
- 제70항에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 층을 도포하기 전에 접착층을 상기 주어진 표면에 도포하도록 상기 LDW를 제어하게 구성되는 것인, 시스템.
- 제70항에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 주어진 층에 공동을 패터닝하고 상기 공동의 적어도 일부에 상기 층을 도포하도록 상기 LDW를 제어하게 구성되는 것인, 시스템.
- 제70항에 있어서, 상기 프로세서는, 레이저 어블레이션을 사용하여 상기 주어진 표면의 적어도 섹션을 조면화하도록 상기 LDW를 제어하게 구성되는 것인, 시스템.
- 제70항에 있어서, 상기 주어진 표면에 마이크로미터 규모 입자들을 도포하도록 구성된 입자 디스펜서를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 주어진 표면의 적어도 섹션에 마이크로미터 규모 입자들을 도포하도록 상기 입자 디스펜서를 제어하게 구성되는, 시스템.
- 제75항에 있어서, 상기 디스펜서는, 휘발성 용제에 침지된 상기 마이크로미터 규모 입자들을 포함하는 희석 용액을 디스펜싱하거나 분사하도록 구성되는 것인, 시스템.
- 제41항에 있어서, 미리 정의된 패턴에 따라 상기 샘플의 적어도 고체 표면을 향해 용융된 재료의 제1 액적들을 지향시키는 것에 의해 제1 3차원(3D) 구조체를 형성하여 상기 제1 액적들이 상기 고체 표면 상에서 경화되어 상기 고체 표면 상에 상기 제1 3D 구조체를 프린팅하게 하도록 구성된 레이저 직접 쓰기 서브시스템(LDW)을 포함하고, 상기 제1 3D 구조체는 상기 고체 표면을 향하는 하부 표면을 갖는 제1 단부 및 상기 하부 표면 반대편의 상부 표면을 갖는 제2 단부를 포함하고, 상기 LDW는 상기 상부 표면을 향해 용융된 재료의 제2 액적들을 지향시키는 것에 의해 상기 제2 3D 구조체를 상기 상부 표면 상에 형성하여 상기 제2 액적들이 상기 상부 표면 상에서 경화되어 상기 제1 3D 구조체의 상부 표면 상에 제2 3D 구조체를 프린팅하게 하도록 구성되며, 상기 프로세서는 (i) 상기 고체 표면 상의 상기 제1 3D 구조체의 위치를 고정시키기 위한 제1 중합체층을 형성하고, (ii) 상기 제1 3D 구조체의 상부 표면 상의 상기 제2 3D 구조체의 위치를 고정시키기 위한 제2 중합체층을 형성하도록 상기 마운트 및 상기 광학 어셈블리를 제어하게 구성되는 것인, 시스템.
- 제77항에 있어서, 상기 제1 3D 구조체 및 상기 제2 3D 구조체 중 적어도 하나는 필러를 포함하는 것인, 시스템.
- 제77항에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 광학 어셈블리가 상기 상부 표면을 조명할 때, 주어진 두께 내의 모든 상기 조명된 광감성 액체가 중합되도록, 주어진 두께를 설정하도록 상기 마운트를 제어하게 구성되는 것인, 시스템.
- 제77항에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 광감성 액체의 제1 상부 표면으로부터 상기 광감성 액체의 적어도 일부를 와이핑하도록 구성된 와이퍼를 제어하는 것에 의해 상기 제1 중합체층의 적어도 제1 두께를 설정하도록 구성되는 것인, 시스템.
- 제조를 위한 방법에 있어서,
미리 정의된 패턴으로 기판을 향해 용융된 재료의 액적들을 토출(eject)하여 상기 액적들이 상기 기판 상에서 경화되어 상기 기판 상에 3차원(3D) 구조체를 프린팅하도록 하는 단계;
상기 3D 구조체가 상부에 있는 상기 기판을 광감성 액체에 침지시키는 단계; 및
상기 광감성 액체를 중합하여 상기 3D 구조체의 적어도 일부를 포함하는 하나 이상의 중합체층을 형성하기 위해 상기 광감성 액체를 조사(irradiate)하는 단계
를 포함하는, 제조를 위한 방법. - 제81항에 있어서, 상기 액적들은, 용융된 금속을 포함하는 것인, 방법.
- 제82항에 있어서, 상기 기판 상에 전자 디바이스를 배치하는 단계를 포함하고, 상기 액적들을 토출하는 것은 상기 전자 디바이스에의 전도성 연결을 이루는 것을 포함하는 것인, 방법.
- 제83항에 있어서, 상기 전도성 연결을 이루는 것은, 상기 광감성 액체를 중합하는 것에 의해 형성되는 상기 중합체층들 중 하나 이상을 통해 연장되는 필러를 프린팅하는 것을 포함하는 것인, 방법.
- 제1항 내지 제84항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액적들을 토출하는 것은, 도너 필름에 충돌하도록 레이저 빔을 지향시켜 상기 액적들이 레이저 유도 전방향 전사(laser-induced forward transfer, LIFT)에 의해 토출되도록 하는 것을 포함하는 것인, 방법.
- 제1항 내지 제85항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광감성 액체를 조사하는 단계는, 스테레오리소그래피 프로세스에서 다수의 중합체층들을 빌드업하기 위해, 패터닝된 방사선을 상기 광감성 액체에 인가하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
- 제86항에 있어서, 상기 액적들을 토출하는 것은 상기 3D 구조체를 위한 상기 기판으로서 역할하는 제1 스테레오리소그래픽층 상에 상기 3D 구조체를 프린팅하는 단계를 포함하고, 상기 패터닝된 방사선을 인가하는 단계는 상기 제1 스테레오리소그래픽층 위에 적어도 제2 스테레오리소그래픽층을 형성하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
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