一种复杂曲面电子系统的共形制造设备及方法技术方案

本发明专利技术属于电子制造技术相关领域，更具体地，涉及一种复杂曲面电子系统的共形制造设备，该系统包括支撑台，以及各自安装在该支撑台上且彼此独立可控的六自由度球形电机联动平台、三维测量模块、激光剥离模块、曲面转印模块和共形喷印模块，同时对这些关键组件的具体结构及设置工作方式进行了改进设计。本发明专利技术还公开了相应的制造方法。通过本发明专利技术，将能够复杂曲面电子系统共形制造过程中所需要的多个工艺流程高效集成于一体化设备中，实现任意面积的刚性/柔性曲面电子系统的共形混合制造，同时还具备高精度、高效率、自动化程度高等优点，显著拓宽了曲面电子制造工艺的应用范围。

Conformal manufacturing equipment and method for complex curved surface electronic system

The invention belongs to the related field of electronic manufacturing technology, and more specifically relates to a conformal manufacturing equipment for a complex curved surface electronic system, which comprises a support platform and a six-degree-of-freedom spherical motor linkage platform, a three-dimensional measurement module, a laser peeling module, and a curved surface respectively installed on the support platform and controlled independently by each other. Transfer module and conformal spray printing module, and the specific structure and settings of these key components are improved and designed. The invention also discloses a corresponding manufacturing method. The invention integrates multiple process flows needed in the conformal manufacturing process of complex curved surface electronic system into an integrated device, realizes the conformal hybrid manufacturing of rigid/flexible curved surface electronic system with arbitrary area, and has the advantages of high precision, high efficiency and high automation degree, and greatly widens The application scope of surface electronic manufacturing technology.

【技术实现步骤摘要】
一种复杂曲面电子系统的共形制造设备及方法
本专利技术属于电子制造技术相关领域，更具体地，涉及一种复杂曲面电子系统的共形制造设备及方法。
技术介绍
目前对于曲面集成电路、超薄/柔性传感器、刚性微芯片等多类电子器件而言，它们通常是基于平面制造工艺形成的。该工艺过程较为复杂，既要适用于各种不同尺寸及特征的元器件，又要涉及到如光刻、剥离、转印和封装等多项工艺步骤。上述工艺流程目前较为成熟的应用主要针对的仍是平面的、硅基微电子芯片的制造，却难于满足大面积、具备复杂曲面的电子器件的制造要求。更具体展开分析的话，现有技术的电子器件制造技术主要存在以下的不足。首先，对作为整个制造基础的曲面定位工序来说，传统的基于平面加工的微电子系统主要采用视觉方式来定位，但视觉采集图像的二维属性导致其只能针对二维平面进行有效定位，而无法满足刚性/柔性曲面电子系统的三维定位要求；此外，传统的测量方式主要采用三坐标机对曲面表面逐点测量，相应不可避免地带来测量数据量大、测量效率慢、数据处理慢、以及光环境的影响较大等问题。其次，曲面电子系统中的高性能电子元件需要采用光刻工艺制备，需要将超薄的柔性电子器件从平面硅/玻璃基板上剥离下来(硅基微电子封装过程也需要将小尺寸的微电子器件从弹性蓝膜上剥离下来)，现有技术中较常见的剥离技术主要包括顶针剥离技术，即主要利用顶针使微电子器件和基板在边界处发生断裂，如中国专利申请CN201510531234.3等披露了一种多顶针剥离技术等，然而由于其需要利用微电子器件和基板的脆性特征，所以难于应用在柔性电子基板的剥离过程中，同时无法满足大面积、超薄、柔性电子器件的高可靠性及高兼容性的剥离需求。再次，当超薄的柔性电子器件从平面基板上完成剥离后，需要利用转印技术将柔性电子器件从平面基板转移到曲面基板上；目前的转印工艺通常是通过控制器件与基板、拾取装置两个界面之间粘附力相对大小来实现转移过程，较常见的转印方式包括动力控制转印、表面凸纹辅助转印、改变转印头负载转印、静电吸附转移等。然而，这类柔性电子转印方法更适用于平面到平面的转印，无法高精度实现平面到曲面的转印。此外，HaoyiWu等在《ConformalPad-PrintingElectricallyConductiveCompositesontoThermoplasticHemispheres:TowardSustainableFabricationof3-CentsVolumetricElectricallySmallAntennas》中提出了一种曲面转印方法，利用了软性转印头的变形特性可初步实现平面到曲面的转印，但转印过程取决于软性转印头自身的变形，无法控制且过大的变形会加剧转印过程中器件产生内应力；HeungChoKo等在《CurvilinearElectronicsFormedUsingSiliconMembraneCircuitsandElastomericTransferElements》中提出了一种弹性体结构转印法改善了上述问题，但这种方法工艺过程复杂，无法保证转移精度，且无法适用于较高温度的工况。最后，在完成多个柔性电子器件、微小芯片从平面基板转移到曲面基板之后，需要进行导电互连完成整个柔性电子系统的功能集成，这要求曲面基板上实现低成本制备具有良好导电性的互连结构。然而，目前的光刻工艺需要经过涂胶、掩膜、光刻、显影等繁琐过程，而且整个工艺无法再曲面上完成。喷墨打印技术虽然可以以共形的方式在曲面表面喷印图案，但是传统压电/热泡喷印技术所兼容墨水粘度为5-100cps，无法满足电路板领域最常用的高粘度纳米银浆材料(粘度为3000-10000cps)的喷印，此外存在着喷印分辨率低、喷嘴容易堵塞、不兼容高粘度墨水等缺点。也就是说，目前还没有能够兼容高粘度纳米银浆、可实现曲面共形喷印导电互连结构的理想喷墨打印技术。综上，本领域亟需针对以上多个技术难题做出进一步的改善或改进，以便更好地面向各类复杂曲面电子系统的综合生产实现更高自动化、更高质量和更高效率的现代化制造需求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种复杂曲面电子系统的共形制造设备及方法，其中不仅对该共形制造设备的整体构造布局重新进行了研究和设计，而且还针对其中多个关键组件如曲面转印模块、激光剥离模块、共形喷印模块等元件的具体组成结构和设置工作方式等多个方面进行改进，相应与现有的电子制造设备相比，不仅可更好地满足各类刚性/柔性复杂曲面电子系统的高精度制造需求，而且具备自动化程度高、适于大批量规模生产等特点，因而尤其适用于诸如航空航天智能蒙皮、柔性曲面显示器、柔性传感器、家用电器和柔性能源等复杂曲面电子系统的制造应用。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种复杂曲面电子系统的共形制造设备，该共形制造设备同时适用于刚性或者柔性的曲面电子器件的混合制造，并包括支撑台，以及各自安装在该支撑台上且彼此独立可控的球形电机联动平台、三维测量模块、激光剥离模块、曲面转印模块和共形喷印模块，其特征在于：所述球形电机联动平台包括联动平台平面运动部分和球形电机部分，其中该联动平台平面运动部分直接设置于所述支撑台上，且具备可沿着X轴方向运动的X向运动轴和可沿着Y轴方向运动的Y向运动轴；该球形电机部分继续设置在所述联动平台平面运动部分上且随其一同运动，此外它的上面还粘附有刚性曲面基板或附有柔性曲面基板的曲面衬底，并带动该曲面基板或曲面衬底在空间内旋转至所需的任意姿态；所述三维测量模块包括测量传感器支撑架、测量模块平面运动部分、三维激光测量传感器和测量光源，其中该测量传感器支撑架直接设置于所述支撑台上；该测量模块平面运动部分安装在所述测量传感器支撑架上，且具备可沿着Y轴方向运动的Y向测量运动轴和可沿着Z轴方向运动的Z向测量运动轴；此外，该三维激光测量传感器继续安装在所述测量模块平面运动部分上且随其一同运动至所需位置，并在所述测量光源的配合下用于对粘附在所述球形电机部分上的曲面基板或曲面衬底执行点云采集，然后生成点云模块与对应的设计模型进行匹配计算；所述激光剥离模块包括激光器、剥离模块平面运动部分、剥离支撑夹具和剥离观测相机，其中该激光器布置在所述支撑台的下方，并用于通过配套的光路部分来发射激光辐射，由此将光刻在透明硬质平面基板上的电子器件从平面基板予以剥离；该剥离模块平面运动部分布置在所述激光器的上方，且具备可沿着X轴方向运动的X向剥离运动轴和可沿着Y轴方向运动的Y向剥离运动轴；该剥离支撑夹具继续安装在所述剥离模块平面运动部分且随其一同运动至所需位置，并用于固定夹持住上述光刻在平面基板上的电子器件以便执行激光剥离操作；此外，该剥离观测相机设置在所述剥离模块平面运动部分附近，并在剥离光源的配合下用于对该剥离模块平面运动部分的位置信息予以采集；所述曲面转印模块包括转印头支撑架、转印模块平面运动部分、曲面转印头和转印定位相机，其中该转印头支撑架直接设置于所述支撑台上；该转印模块平面运动部分安装在所述转印头支撑架上，且具备可沿着X轴方向运动的X向转印运动轴和可沿着Z轴方向运动的Z向转印运动轴；此外，该曲面转印头继续安装在所述转印模块平面运动部分上且随其一同运动至所需位置，然后用于将经由所述激光剥离模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复杂曲面电子系统的共形制造设备，该共形制造设备同时适用于刚性或者柔性的曲面电子器件的混合制造，并包括支撑台(100)，以及各自安装在该支撑台上且彼此独立可控的球形电机联动平台(200)、三维测量模块(300)、激光剥离模块(400)、曲面转印模块(500)和共形喷印模块(600)，其特征在于：所述球形电机联动平台(200)包括联动平台平面运动部分(210)和球形电机部分(220)，其中该联动平台平面运动部分(210)直接设置于所述支撑台上，且具备可沿着X轴方向运动的X向运动轴(211)和可沿着Y轴方向运动的Y向运动轴(212)；该球形电机部分(220)继续设置在所述联动平台平面运动部分(210)上且随其一同运动，此外它的上面还粘附有刚性曲面基板或承载柔性曲面基板的曲面衬底，并带动该曲面基板或衬底在空间内旋转至所需的任意姿态；所述三维测量模块(300)包括测量传感器支撑架(310)、测量模块平面运动部分(320)、三维激光测量传感器(330)和测量光源(340)，其中该测量传感器支撑架(310)直接设置于所述支撑台上；该测量模块平面运动部分(320)安装在所述测量传感器支撑架上，且具备可沿着Y轴方向运动的Y向测量运动轴(321)和可沿着Z轴方向运动的Z向测量运动轴(322)；此外，该三维激光测量传感器(330)继续安装在所述测量模块平面运动部分(320)上且随其一同运动至所需位置，并在所述测量光源(340)的配合下用于对粘附在所述球形电机部分(220)上的曲面基板或曲面衬底执行点云采集，然后生成点云模块与对应的设计模型进行匹配计算；所述激光剥离模块(400)包括激光器(410)、剥离模块平面运动部分(420)、剥离支撑夹具(470)和剥离观测相机(450)，其中该激光器(410)布置在所述支撑台(100)的下方，并用于通过配套的光路部分(440)来发射激光辐射，由此将光刻在透明硬质平面基板上的电子器件从平面基板予以剥离；该剥离模块平面运动部分(420)布置在所述激光器(410)的上方，且具备可沿着X轴方向运动的X向剥离运动轴(421)和可沿着Y轴方向运动的Y向剥离运动轴(322)；该剥离支撑夹具(470)继续安装在所述剥离模块平面运动部分(420)且随其一同运动至所需位置，并用于固定夹持住上述光刻在平面基板上的电子器件以便执行激光剥离操作；此外，该剥离观测相机(450)设置在所述剥离模块平面运动部分(420)附近，并在剥离光源(453)的配合下用于对该剥离模块平面运动部分(420)的位置信息予以采集；所述曲面转印模块(500)包括转印头支撑架(510)、转印模块平面运动部分(520)、曲面转印头(530)和转印定位相机(540)，其中该转印头支撑架(310)直接设置于所述支撑台上；该转印模块平面运动部分(520)安装在所述转印头支撑架上，且具备可沿着X轴方向运动的X向转印运动轴(321)和可沿着Z轴方向运动的Z向转印运动轴(322)；此外，该曲面转印头(530)继续安装在所述转印模块平面运动部分上且随其一同运动至所需位置，然后用于将经由所述激光剥离模块(400)执行剥离操作后的电子器件转印至所述曲面基板上；此外，该转印定位相机(540)在转印光源(543)的配合下用于对所述转印模块平面运动部分(520)的位置信息予以采集；所述共形喷印模块(600)包括喷头支撑架(610)、喷印模块平面运动部分(620)、喷头部分(630)、喷印观测相机(640)和墨滴观测相机(650)，其中该喷头支撑架(610)沿着Z轴方向设置于所述支撑台上；该喷印模块平面运动部分(620)安装在所述喷头支撑架上，且具备可沿着X轴方向运动的X向喷印运动轴(621)和可沿着Z轴方向运动的Z向喷印运动轴(622)；该喷头部分(630)继续安装在所述喷头模块平面运动部分上且随其一同运动至所需位置，然后用于对经由所述曲面转印模块(500)执行转印操作后的所述曲面基板表面继续喷印浆料，由此实现导电互连结构的制造；此外，该喷印观测相机(640)在喷印光源(643)的配合下用于对所述曲面基板上的喷印轨迹和效果予以采集，该墨滴观测相机(650)则在墨滴观测光源(653)的配合下用于对所述喷头部分所喷出的墨滴状态予以采集。...

【技术特征摘要】
1.一种复杂曲面电子系统的共形制造设备，该共形制造设备同时适用于刚性或者柔性的曲面电子器件的混合制造，并包括支撑台(100)，以及各自安装在该支撑台上且彼此独立可控的球形电机联动平台(200)、三维测量模块(300)、激光剥离模块(400)、曲面转印模块(500)和共形喷印模块(600)，其特征在于：所述球形电机联动平台(200)包括联动平台平面运动部分(210)和球形电机部分(220)，其中该联动平台平面运动部分(210)直接设置于所述支撑台上，且具备可沿着X轴方向运动的X向运动轴(211)和可沿着Y轴方向运动的Y向运动轴(212)；该球形电机部分(220)继续设置在所述联动平台平面运动部分(210)上且随其一同运动，此外它的上面还粘附有刚性曲面基板或承载柔性曲面基板的曲面衬底，并带动该曲面基板或衬底在空间内旋转至所需的任意姿态；所述三维测量模块(300)包括测量传感器支撑架(310)、测量模块平面运动部分(320)、三维激光测量传感器(330)和测量光源(340)，其中该测量传感器支撑架(310)直接设置于所述支撑台上；该测量模块平面运动部分(320)安装在所述测量传感器支撑架上，且具备可沿着Y轴方向运动的Y向测量运动轴(321)和可沿着Z轴方向运动的Z向测量运动轴(322)；此外，该三维激光测量传感器(330)继续安装在所述测量模块平面运动部分(320)上且随其一同运动至所需位置，并在所述测量光源(340)的配合下用于对粘附在所述球形电机部分(220)上的曲面基板或曲面衬底执行点云采集，然后生成点云模块与对应的设计模型进行匹配计算；所述激光剥离模块(400)包括激光器(410)、剥离模块平面运动部分(420)、剥离支撑夹具(470)和剥离观测相机(450)，其中该激光器(410)布置在所述支撑台(100)的下方，并用于通过配套的光路部分(440)来发射激光辐射，由此将光刻在透明硬质平面基板上的电子器件从平面基板予以剥离；该剥离模块平面运动部分(420)布置在所述激光器(410)的上方，且具备可沿着X轴方向运动的X向剥离运动轴(421)和可沿着Y轴方向运动的Y向剥离运动轴(322)；该剥离支撑夹具(470)继续安装在所述剥离模块平面运动部分(420)且随其一同运动至所需位置，并用于固定夹持住上述光刻在平面基板上的电子器件以便执行激光剥离操作；此外，该剥离观测相机(450)设置在所述剥离模块平面运动部分(420)附近，并在剥离光源(453)的配合下用于对该剥离模块平面运动部分(420)的位置信息予以采集；所述曲面转印模块(500)包括转印头支撑架(510)、转印模块平面运动部分(520)、曲面转印头(530)和转印定位相机(540)，其中该转印头支撑架(310)直接设置于所述支撑台上；该转印模块平面运动部分(520)安装在所述转印头支撑架上，且具备可沿着X轴方向运动的X向转印运动轴(321)和可沿着Z轴方向运动的Z向转印运动轴(322)；此外，该曲面转印头(530)继续安装在所述转印模块平面运动部分上且随其一同运动至所需位置，然后用于将经由所述激光剥离模块(400)执行剥离操作后的电子器件转印至所述曲面基板上；此外，该转印定位相机(540)在转印光源(543)的配合下用于对所述转印模块平面运动部分(520)的位置信息予以采集；所述共形喷印模块(600)包括喷头支撑架(610)、喷印模块平面运动部分(620)、喷头部分(630)、喷印观测相机(640)和墨滴观测相机(650)，其中该喷头支撑架(610)沿着Z轴方向设置于所述支撑台上；该喷印模块平面运动部分(620)安装在所述喷头支撑架上，且具备可沿着X轴方向运动的X向喷印运动轴(621)和可沿着Z轴方向运动的Z向喷印运动轴(622)；该喷头部分(630)继续安装在所述喷头模块平面运动部分上且随其一同运动至所需位置，然后用于对经由所述曲面转印模块(500)执行转印操作后的所述曲面基板表面继续喷印浆料，由此实现导电互连结构的制造；此外，该喷印观测相机(640)在喷印光源(643)的配合下用于对所述曲面基板上的喷印轨迹和效果予以采集，该墨滴观测相机(650)则在墨滴观测光源(653)的配合下用于对所述喷头部分所喷出的墨滴状态予以采集。2.如权利要求1所述的共形制造设备，其特征在于，对于所述三维测量模块(300)而言，其中在所述三维激光测量传感器(330)的整个点云采集过程中，它优选被不断调整位置，并使得与所述曲面基板或曲面衬底在Z轴方向也即竖直方向间距保持不变。3.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永安，吴昊，陈建魁，尹周平，李文龙，白坤，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42