[发明专利]一种复杂曲面电路共形喷印方法和设备

说明书

本发明属于电流体动力喷印领域，并公开了一种复杂曲面电路共形喷印方法和设备。该设备包括球形电机模块、平动模块和共形喷印模块，平动模块带动所述球形电机模块在平面内做X和Y轴方向的移动；共形喷印模块包括喷头部分和电气信号部分，喷头部分上下运动实现Z轴方向的自由度，电气信号部分向墨盒中的墨液和电极环施加电压；球形电机模块绕X、Y和Z方向旋转实现待喷印物六自由度运动，曲面基板接地使得待喷印物电势为零，墨液中被施加电压高于电极环中施加电压，从而使得所述墨液、电极环和待喷印物上形成梯度电势差。通过本发明，实现了复杂曲面的共形图案化电喷印工艺，提高电喷印工艺的应用范围，降低制造成本，提高喷印精度。

技术领域

本发明属于电流体动力喷印领域，更具体地，涉及一种复杂曲面电路共形喷印设备。

背景技术

柔性曲面电子技术是当今最令人激动和最有前景的信息技术之一，它是建立在可弯曲基板(塑料、金属薄板、玻璃等)上的新兴电子技术，曲面电子涉及新材料和制造技术，在航空航天、柔性显示、柔性传感和柔性能源等领域有着广泛的应用。现阶段较为成熟的应用领域为民用柔性显示和柔性传感领域，如触摸屏、曲面可穿戴设备等曲面电子产品。同时，军用曲面电子技术的发展和投入比重也越来越大，欧美发达国家纷纷制定了针对柔性电子的重大研究计划，如美国FDCASU计划、日本TRADIM计划、欧盟地平线计划等；柔性曲面电子制造工艺范围较大，包含光刻工艺、转印工艺、喷印工艺等等。在柔性曲面电子制作的过程中，可大致分为两种模式：一种为首先单独制造独立的封装器件，通过转印工艺将其转印到目标曲面柔性基板上，之后在曲面柔性基板上制作大量的导电线路进行互联；另一种是直接在曲面柔性基板上制造导电功能线路，从而完成柔性曲面电子的制造过程。综上，无论选择哪种模式，大量高品质的曲面电子导电线路制备无疑是柔性曲面电子制造的重要环节。

针对曲面导电线路或功能电路，并没有成熟的光刻制备工艺，目前主要研究的全息光刻工艺，难以应对复杂的曲面，而且对镀膜的要求非常高，在使用中受到一定限制，此外光刻工艺同时具有成本昂贵、工艺过程繁琐、材料浪费率太大等缺点，越来越多的人采用喷墨打印技术替代光刻工艺，达到曲面功能线路制备的目的。黄进在(专利申请号：201610052704.2)中提出了一种非展开曲面导电图形的三维打印装置及打印方法，即采用传统喷墨打印的方式结合五轴数控技术对目标曲面基底进行打印。而传统喷墨打印技术主要采用静电连续式、压电式和热气泡式喷墨，存在着喷印打印分辨率低、液滴尺寸受限于喷嘴直径、喷嘴容易堵塞、喷嘴制造工艺复杂；与传统喷印采用“推”方式不同，电流体动力喷印采用电场驱动以“拉”方式从所形成的“泰勒锥”锥顶端产生极细的射流，具有颗粒或聚合物溶液易于喷出而不发生堵塞，可打印高粘度导电液体等优势，其打印分辨率不受喷嘴直径的直接影响，可实现亚微米分辨率打印，可用于柔性电子电路、可穿戴电子设备、太阳能电池、生物功能器件等领域。所以，以电流体动力喷印工艺取代传统喷墨打印技术进行柔性电子制备研究被越来越多的人广泛接受和应用。但是，电流体动力喷印工艺的形成与稳定同时受多种参数同时影响，包括所施加的电压幅值、频率、占空比，喷嘴高度、直径、流量等。在喷印过程中，只有在稳定电场的作用下，形成稳定的锥射流，才能保证液滴连续、均匀的喷出。因此，目前的较成熟的电流体动力学喷印设备出于保证电场稳定的原因，限制了喷印方向同基板保持垂直以及喷嘴和基板高度不变的条件，从而只能在平面基板上完成喷印作业，具体包括在如硅、玻璃等硬质平面基板以及PI等柔性平面介质上完成喷印和套印；由于曲面基板的形状复杂，局部法线方向与基板距喷嘴距离实时变化，依靠现有喷印方法不能形成稳定电场，所以可以完成曲面图案化电路共形喷印的电流体动力喷印设备较少。仅有的可以曲面图案化电路共形喷印设备或方法所针对的也只能是简单曲面，如曲率比较小的球形或椭球形，针对复杂曲面如任意曲面、曲率半径变化较大的曲面或含有正余弦函数的参数曲面则不能完成喷印过程。