專利名稱：柔性基宏電子制造中微結構的大面積逆輥壓印方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微納制造技術領域，特別涉及一種柔性基宏電子(基于薄膜
晶體管(TFT)的電子器件)制造中三維功能性微結構的大面積逆壓印方法。 該方法主要用于可展巻大幅面顯示器、電子紙、0LED、薄膜RFID、柔性太 陽能帆、便攜式x射線成像儀、便攜式雷達、柔性太陽能供電系統(tǒng)和天線裝 置、附著于任意三維結構表面的機電智能蒙皮等宏電子系統(tǒng)的制造。
背景技術：
基于薄膜晶體管(TFT: Thin-Film-Transitor)的玻璃平板基或柔性薄 膜基的電子系統(tǒng)不斷趨向大面積集成(例如單邊跨度超過1米)，形成所謂 的宏電子系統(tǒng)(Macro electronics),典型的宏電子系統(tǒng)產(chǎn)品包括目前正廣 泛應用的玻璃基PDP和LCD大面積平板顯示器。大面積柔性薄膜基材上構造 有機或無機光電子器件被視為宏電子系統(tǒng)未來發(fā)展的動力，這種大面積的柔 性基光電子系統(tǒng)目前最為突出的應用為0LED柔性顯示器、應用于電子書 (e-book)等的電子紙、柔性基聚合物太陽能電池等。大面積柔性基宏電子 系統(tǒng)的突出特點為成本低、重量輕、形狀薄、有良好的柔韌性和便攜性、 可任意彎曲折疊。
柔性基宏電子制造的主要工藝節(jié)點包括薄膜基材(塑料薄膜或無機材料 箔)制備、無機或有機電子材料制備和涂鋪、微結構圖型化 (Micro-patterning)、聯(lián)機、封裝等。未來主流的宏電子系統(tǒng)制造工藝必 須體現(xiàn)低溫、常氣壓、連續(xù)制作的特征，以達到大幅面、低成本、高產(chǎn)能的 要求。
大面積基材上的微結構圖型化被認為是宏電子制造中最為關鍵的工藝
環(huán)節(jié)。目前國際上受到較大關注的大面積圖型化技術可以歸成四大范疇噴 射打印技術、掩膜式光去除技術、微納結構化無機材料轉移技術和微壓印成 形技術。其中微壓印成型技術被認為是一種高效率、低成本的微結構制作技 術。為了提高微壓印生產(chǎn)的效率和適應大幅面要求，模具制作成圓柱輥狀，
以實現(xiàn)連續(xù)輥壓印成型。韓國KAIST大學與Samsung公司合作，研制了光固 化電子聚合物材料，發(fā)展了光固化的連續(xù)輥壓工藝，可實現(xiàn)常溫下的大面積 柔性基宏電子的制作。
但是上述微壓印方法存在如下不足
第一，該壓印方法實質(zhì)為機械強迫成型，需要較大的壓印力，容易造成
柔性基和微結構中的應力集中；
第二，該壓印方法不可避免地在成形后的電子材料上形成一定厚度的 "留膜"，為實現(xiàn)宏電子系統(tǒng)的功能，必須通過附加的工藝手段將"留膜" 去除，例如刻蝕、化學腐蝕、離子銑削等，去除"留膜"的工藝極為復雜， 尤其對于大面積的柔性基宏電子系統(tǒng)而言，存在設備的適用性問題，既要適 于大面積的去除"留膜"，又不能損傷柔性基底和功能性三維微結構。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提出一種柔 性基宏電子制造中微結構的大面積逆輥壓印方法。該方法可以消除常規(guī)壓印 產(chǎn)生的留膜，從而免除了留膜處理所需要的附加工藝，縮短了工藝流程。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下技術解決方案
一種柔性基宏電子制造中微結構的大面積逆輥壓印方法，該方法采用逆 壓印技術，采用電子材料從輥壓模具表面向柔性基底的圖型化轉移。其主要 特征在于，首先將電子材料涂布于表面雕刻有微結構的圓柱輥壓模具上，在 輥壓模具表面上完成電子材料的圖型化；然后通過連續(xù)輥壓方式將模具表面 已經(jīng)圖型化的電子材料轉移到柔性基材上；該轉移過程通過控制電子材料在
模具表面和基材表面的流變及粘附特性來實現(xiàn)。
上述柔性基宏電子制造中微結構的大面積逆輥壓印方法，具體包括以下 步驟
(1) 柔性基底材料的制備。柔性基底選擇具有一定的抗拉強度且有透 光性能的柔性塑料薄膜，在柔性塑料薄膜上蒸鍍一層IT0薄膜，使塑料薄膜 具有導電性，以作為宏電子器件的電極，在柔性基底的ITO薄膜上進行0, 刻蝕以增強其表面能，使電子漿料對柔性基則呈現(xiàn)強潤濕性；
(2) 輥壓模具制備。輥壓模具為輥筒式結構，采用金屬材料制作；用
激光燒結方式在輥壓模具表面加工出功能性微結構，并在輥壓模具上制作出
相應的對準標記；加工形成微結構之后，在輥壓模具表面上蒸鍍一層特富龍 材料，用以降低輥壓模具的表面能，使得電子漿料對輥壓模具表面呈現(xiàn)出不 潤濕或弱潤濕性；
(3) 宏電子系統(tǒng)中微結構大面積復型的輥壓系統(tǒng)建立。該系統(tǒng)包括送 料環(huán)節(jié)、輥壓復型環(huán)節(jié)、收料環(huán)節(jié)。其中送料、收料環(huán)節(jié)采用印刷機械中的 收、送料結構及相應的張力控制、光電糾偏結構。輥壓系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)—— 輥壓復型環(huán)節(jié)包括模具裝卡部分、布簾式鋪膠部分、平臺吸附部分、運動 控制部分、紫外光固化部分。為實現(xiàn)不同長度，不同直徑的模具的裝卡，并 利于模具的裝卸，以便經(jīng)常清洗模具，模具裝卡部分采用三爪卡盤傳動輔助 以頂針定位的結構，頂針支座安裝在滑移臺上，以實現(xiàn)模具的易于裝卸，在 頂針支座和卡盤上方各固定一個力傳感器，以檢測輥壓力；布簾式鋪膠部分 通過對連續(xù)供膠系統(tǒng)的參數(shù)控制，實現(xiàn)不同粘度的電子材料達到均勻、膜厚 可控的涂鋪；平臺吸附部分采用真空吸附，使得柔性基平展的固定在輥壓平 臺上；運動控制部分要保證輥壓模具的轉動的線速度與平動速度的匹配，以 實現(xiàn)輥壓模具上微結構與所復型的微結構之間無滑擦，避免復型缺陷，采用 步進電機作為動力源，精密絲杠與直線導軌配合作為傳動部分，細分后傳動
實現(xiàn)微米級精度的傳動；紫外固化部分包括紫外光源、扁平的紫外光出口及 相應的光路部分，以實現(xiàn)輥壓復型區(qū)域的均勻曝光；
(4) 兩步式套印對準測量系統(tǒng)建立。采用CCD圖像采集的方式對柔性 基材上兩側的對準標記及輥壓模具上的標記進行視覺測量，獲得柔性基材與 模具的相對位置參數(shù)，然后進行如下兩步對準調(diào)整:第一，通過輥壓平臺的 微驅動，進行位置校正，使得輥壓模具的軸線與柔性基底的兩側的對準標記 的連線平行；第二，通過對模具上的對準標記的視覺采集，并與柔性基材上 對準標記的圖像進行對比，調(diào)整模具的轉角及水平位置，設置初始的復型位 置；通過上述對準調(diào)整，可實現(xiàn)壓印后多層微結構在基材上的精確定位。在 連續(xù)輥壓過程中，模具每轉動一周，進行一次對準校正，重復上述兩步對準 調(diào)整過程。
(5) 輥壓過程的實現(xiàn)第一，在張力控制下，送料輥轉動，使柔材移 動一個幅面的長度(即輥壓平臺的長度)，然后釋放張力，使柔性基材處于 接近零張力的狀態(tài)；第二，輥壓平臺上升，與柔性基材接觸并對其真空吸附 固定；第三，進行如步驟(4)中所述的兩步對準調(diào)整過程；第四，輥壓平 臺帶動真空吸附的柔性基材上升，壓在輥壓模具上，并形成一定的輥壓力； 第五，啟動供膠系統(tǒng)，啟動輥壓系統(tǒng)的運動控制部分及紫外固化部分，運動 控制部分保證模具轉動線速度與平動線速度匹配，紫外固化部分保證模具與 柔性基材接觸出的電子材料均勻固化。
對于多層微結構的宏電子系統(tǒng)，采用步驟(5)所述的輥壓過程，對于 單層微結構的宏電子器件，不需要層間對準套印過程，去掉步驟(5)中的 第三步對準調(diào)整過程即可。
本發(fā)明中所述的布簾式涂鋪裝置采用細長縫隙的容器對圓柱輥模具表 面連續(xù)供膠，對于小粘度的電子漿料，通過抽真空控制容器內(nèi)真空度，使得 容器處于負壓力狀態(tài)，以平衡布簾漿料薄膜的重力作用；對大粘度的電子漿 料，則啟動容器底部配置的超聲驅動膜，使容器中的壓力動態(tài)的按超聲頻率 變化，通過超聲頻率與電子漿料粘度的匹配，使容器中的大粘度電子漿料在 此脈動壓力下的作用下均勻從線縫中流出；布簾漿料的厚度由圓柱輥牽引線 速度和容器的線縫寬度決定，容器的線縫寬度可調(diào)，以實現(xiàn)不同粘度的電子 漿料涂鋪到預定的厚度；涂鋪過程中，電子材料通過電子材料補償口進入容 器，使得容器內(nèi)電子材料達到動態(tài)平衡。
本發(fā)明中所述的電子槳料使用聚酯多元醇類為基體，在其中添加陽離子 聚合光引發(fā)劑，賦予其紫外光固化特性，同時在原電子材料基體中添加附著 力促進劑，并調(diào)整其物理粘度。
本發(fā)明的方法成形的宏電子微結構，其結構特征完全取決于輥壓模具上 的三維微結構特征；對多層宏電子系統(tǒng)而言，層間套印精度取決于光學測量 系統(tǒng)精度及輥壓平臺微驅動控制、模具轉角控制的精度；形成的宏電子器件 幅面取決于輥壓平臺的尺寸。
本發(fā)明的方法消除了常規(guī)壓印產(chǎn)生的留膜，從而免除了留膜處理所需要 的附加工藝；同時，該方法所需壓印力小，可有效降低薄膜基材的面內(nèi)變形， 減少了應力集中；并且在電子功能材料中加入光固化劑，使用冷紫外光源進 行固化，減小了柔性材料的熱變形。


附圖1 圖7為柔性基宏電子制造中微結構的大面積逆壓印工藝流程 圖。圖中的標號分別表示1、柔性基底，2、 IT0薄膜，3、用于增強表面 能的活性分子，4、輥壓模具，5、輥壓模具上的凸起部分，6、特富龍薄膜， 7、柔性基底儲存輥，8、柔性基底收集輥，9、定型后的微結構，10、紫外 光固化光源，11、布簾式電子漿料薄膜，12、布簾式鋪膠裝置，13、勻膠后 圖型化的電子漿料，14、模具旋轉方向，15、基材收集輥旋轉方向，16、模 具轉動的驅動電機，17、三爪卡盤，18、輥壓平臺，19、系統(tǒng)底座，20、光
電糾偏系統(tǒng)，21、系統(tǒng)支架，22、直線導軌，23、滾珠絲杠，24、模具平動 的驅動電機，25、抽真空口， 26、布簾式鋪膠的滴膠嘴，27、超聲波震蕩膜， 28、電子材料補償口， 29、輥壓模具的對準標記，30、柔性基底上的對準標 記，31、半透半反透鏡，32、 CCD攝像機，33、全反鏡。
附圖中，圖1為在柔性基底上制備電極及表面處理，圖2為輥壓模具進 行表面處理后的結構，圖3是逆輥壓復型過程示意圖，圖4為逆輥壓系統(tǒng)的 三維結構圖，圖5為布簾式鋪膠系統(tǒng)結構，圖6為兩步式套印對準測量系統(tǒng) 原理圖，圖7為大面積套印的對準標記布置圖。
以下結合附圖對本發(fā)明的工藝流程作進一步的詳細說明。
具體實施例方式
參見附圖，圖1 圖7分別表示了柔性基宏電子制造中微結構的大面積 逆壓印工藝流程圖。
本發(fā)明的基本工作原理為將電子材料涂布于刻有微結構的模具表面， 完成電子材料的圖型化，然后通過連續(xù)輥壓方式將模具表面已經(jīng)圖型化的電 子材料轉移到柔性基材上。在電子功能材料中加入光固化劑，使用冷紫外光 源進行逆壓印后的固化。模具輥勻速回轉的同時平動，轉動的線速度與平動 速度相匹配，以實現(xiàn)模具上微結構與所復型的微結構之間無滑擦。印制多層 電路圖型時，模具上的圖型與薄膜基材上已有的電路特征圖型先進行光學對 準調(diào)整，然后進行套印。
柔性基宏電子制造中微結構的大面積逆輥壓印技術主要的工藝要素包 括輥壓模具4的制備、柔性基底l (表面已制備ITO電極)的表面處理、 電子材料13在輥壓模具4上的填充涂鋪過程、輥壓過程中的輥壓力及輥壓 模具轉動速度與水平運動的速度的匹配、障壁材料的紫外固化、多層套印對 準過程。其中，電子材料13的布簾式涂鋪、輥壓過程中輥壓力的設置、輥 壓模具4轉動與平動速度的匹配及多層套印過程是微結構輥壓復型的關鍵
工藝要素。電子材料13的涂鋪厚度及輥壓力的設置與所要復型的微結構高
度有關，必須保證足夠的電子材料圖型化并轉移到柔性基底l上；輥壓過程
中輥壓模具轉動與水平運動的速度匹配直接影響復型后微結構的側壁形貌；
多層套印精度直接影響功能性宏電子器件的成品率。
以塑料薄膜PET材料作為柔性基底1，柔性基宏電子制造中微結構的大 面積逆壓印工藝包括以下幾個階段
(1) 輥壓模具4及柔性基材1 (表面己制備IT0電極2)的表面處理 如圖l，圖2所示輥壓模具4為輥筒式結構，采用金屬材料制作，外徑加 工出輥壓模具上的凸起部分5。用超快激光或濕法刻蝕方法在輥壓模具4的 表面加工出微結構特征。為便于輥壓復型過程中的定位對準要求，制作輥壓 模具4的對準標記29。在輥壓模具4上形成微結構特征之后，在輥壓模具4 的外表面上蒸鍍一層特富龍(Teflon)材料層6，以降低其表面能，使得電 子漿料對輥壓模具4表面呈現(xiàn)出不浸潤或或弱潤濕性；而對柔性基底PET 表面的IT0薄膜2進行02刻蝕或其它化學處理，以增強其表面能，使電子 漿料對柔性基底1呈現(xiàn)強潤濕性;通過對輥壓模具4及柔性基1的表面處理， 使二者的表面性能相配，以便電子材料能夠順利從輥壓模具4的表面轉移到 柔性基底1上。
(2) 圓柱輥模具表面連續(xù)供膠系統(tǒng)——布簾式鋪膠系統(tǒng)12的建立，如 圖5所示。采用細長縫隙的容器對圓柱輥模具表面連續(xù)供膠。對于小粘度的 電子漿料，抽真空口25工作，以控制容器內(nèi)的真空度，使容器處于負壓力 狀態(tài)，以平衡布簾漿料薄膜的重力作用；對大粘度的電子漿料，則啟動容器 底部配置的超聲振動膜27，產(chǎn)生頻率可調(diào)的超聲波，使容器滴膠嘴26處的 壓力動態(tài)地按超聲頻率變化，通過超聲頻率與電子材料粘度的匹配，使容器 中的大粘度電子漿料在此脈動壓力下的作用下均勻從滴膠嘴26中流出；通 過電子材料補償口 28，使得電子材料不斷補充到容器內(nèi)，建立容器內(nèi)電子
材料的動態(tài)平衡；這樣布簾衆(zhòng)料的厚度由圓柱輥牽引線速度和滴膠嘴26寬 度決定。滴膠嘴26的寬度可調(diào)，可實現(xiàn)不同粘度的電子漿料涂鋪到預定的 厚度。
(3) 套印對準過程，如圖6、圖7所示在套印時，首先將前次壓印 的柔性基底1用基材收集輥8拖至輥壓平臺18上用真空吸附固定。前次壓 印時已將輥壓模具4上的對準標記29轉移至柔性基底1上,形成柔性基底上 的對準標記30。采用CCD顯微鏡32和CCD光路透鏡31組成的CCD圖像采 集系統(tǒng)，對輥壓模具4上的對準標記29及柔性基底1兩側的對準標記30 進行視覺測量，獲得兩者的位置參數(shù)，通過微驅動使輥壓平臺沿y向、繞z 軸的轉動^進行調(diào)整，實現(xiàn)位置校正，使得輥壓模具軸線與柔性基底兩側的 對準標記的連線平行；通過對輥壓模具上對準標記29的視覺采集，并與柔 性基底1上標記的圖像進行對比，調(diào)整壓模具4的轉角及水平位置，設置初 始的復型位置；通過上述兩步調(diào)整，可實現(xiàn)套印多層微結構在基材上的精確 定位。在連續(xù)壓印過程中，可以在模具每行進一個圓周后進行一次套印對準， 即分段對準套印。
(4) 輥壓復型過程，如圖3、圖4所示第一，在張力控制下，基材 收集輥8轉動，使柔性基材移動一個幅面的長度(即輥壓平臺18的幅面長 度)，然后釋放張力，使柔性基材處于接近零張力的狀態(tài)；第二，輥壓平臺 18上升，與柔性基材接觸并對其進行真空吸附固定(圖4);第三，對多層 宏電子系統(tǒng)，進行上述(3)中的套印對準過程；第四，輥壓平臺帶動真空 吸附的柔性基材上升，使輥壓模具4與柔性基底1接觸，并在柔性基底1 上施加一定的輥壓力；第五，啟動布簾式鋪膠裝置12，開始輥壓復型過程。 輥壓模具4在沿柔性基底收集輥8的旋轉方向15所示的方向轉動，同時進 行水平方向的運動，控制保證輥壓模具4轉動的線速度與水平運動速度一 致，避免輥壓模具4與柔性基底1之間的相對滑動。在輥壓模具4與柔性基 底1的接觸處，附著在輥壓模具4上的電子漿料13經(jīng)過紫外光光源10照射，
使電子漿料13中的光敏材料被固化，附著在柔性基底l上，實現(xiàn)了圖型轉 移，即將輥壓模具4上的微結構復型在柔性基底1上。
權利要求
1、一種柔性基宏電子制造中微結構的大面積逆壓印方法，其特征在于，該方法包括下列步驟(1)柔性基材的準備柔性基底選擇具有一定的抗拉強度且有透光性能的柔性塑料薄膜，在柔性塑料薄膜上蒸鍍一層ITO薄膜，使塑料薄膜具有導電性，以作為宏電子器件的電極，在柔性基底的ITO薄膜上進行O2刻蝕以增強其表面能，使電子漿料對柔性基則呈現(xiàn)強潤濕性；(2)輥壓模具準備輥壓模具為輥筒式結構，采用金屬材料制作；用激光燒結方法在輥壓模具表面加工出功能性微結構，并在輥壓模具上制作出相應的對準標記；加工形成微結構之后，在輥壓模具表面上再蒸鍍一層特富龍材料，用以降低輥壓模具的表面能，使得電子漿料對輥壓模具表面呈現(xiàn)出不潤濕或弱潤濕性；(3)輥壓復型過程將柔性基底送在輥壓系統(tǒng)上，輥壓模具與柔性基底接觸，并在柔性基底上施加一定的輥壓力，啟動布簾式鋪膠裝置，開始輥壓復型，輥壓模具在轉動的過程中，同時進行水平方向的運動，控制保證模具轉動的線速度與水平運動速度一致，避免輥壓模具與柔性基底之間的相對滑動；在輥壓模具與柔性基底的接觸處，附著在輥壓模具上的電子漿料經(jīng)過紫外光照射，使電子漿料中的光敏材料被固化，附著在柔性基底上，實現(xiàn)圖型轉移，即輥壓模具上的微結構復型在柔性基底上；(4)套印對準過程將前次壓印的柔性基底用真空吸附固定，前次壓印時已將輥壓模具上的對準標記轉移至柔性基底上，采用CCD顯微鏡和CCD光路透鏡組成的CCD圖像采集系統(tǒng)對輥壓模具上的對準標記及柔性基底兩側的對準標記進行視覺測量，獲得兩者對準標記的位置參數(shù)，通過輥壓系統(tǒng)的微驅動，進行位置校正，使得輥壓模具的軸線與柔性基底兩側的對準標記的連線平行；通過對輥壓模具上對準標記的視覺采集，并與柔性基底上的對準標記的圖像進行對比，設置初始的復型位置，對準完成后，重復步驟(3)進行多層套印。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的布簾式涂鋪裝置采 用細長縫隙的容器對圓柱輥模具表面連續(xù)供膠，對于小粘度的電子漿料，通 過抽真空控制容器內(nèi)真空度，使得容器處于負壓力狀態(tài)，以平衡布簾漿料薄 膜的重力作用；對大粘度的電子漿料，則啟動容器底部配置的超聲驅動膜， 使容器中的壓力動態(tài)的按超聲頻率變化，通過超聲頻率與電子漿料粘度的匹 配，使容器中的大粘度電子漿料在此脈動壓力下的作用下均勻從線縫中流 出；布簾漿料的厚度由圓柱輥牽引線速度和容器的線縫寬度決定，容器的線 縫寬度可調(diào)，以實現(xiàn)不同粘度的電子漿料涂鋪到預定的厚度；涂鋪過程中， 電子材料通過電子材料補償口進入容器，使得容器內(nèi)電子材料達到動態(tài)平 衡。
3. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述的電子漿料使用聚酯 多元醇類為基體，在其中添加陽離子聚合光引發(fā)劑，賦予其紫外光固化特性， 同時在原電子材料基體中添加附著力促進劑，并調(diào)整其物理粘度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種柔性基宏電子制造中微結構的大面積逆輥壓印成型方法，采用逆輥壓印技術和相應的套印對準工藝、紫外固化工藝，在鍍有ITO薄膜的柔性塑料薄膜上制作出大面積的宏電子器件所需的三維功能性微結構。該方法消除了常規(guī)壓印產(chǎn)生的留膜，從而免除了留膜處理所需要的附加工藝；同時，該方法所需壓印力小，可有效降低薄膜基材的面內(nèi)變形，減少了應力集中；并且在電子功能材料中加入光固化劑，使用冷紫外光源進行固化，減小了柔性材料的熱變形。該方法適用于可展卷大幅面顯示器、電子紙、OLED、薄膜RFID、柔性太陽能帆、便攜式x射線成像儀、便攜式雷達、太空太陽能供電系統(tǒng)和天線裝置、附著于任意三維結構表面的機電智能蒙皮等宏電子系統(tǒng)的制造。
文檔編號H01L21/00GK101168438SQ20071001901
公開日2008年4月30日 申請日期2007年11月6日 優(yōu)先權日2007年11月6日
發(fā)明者丁玉成, 蘭紅波, 劉紅忠, 盧秉恒, 史永勝, 磊 尹, 昭 張, 蔣維濤, 邵金友 申請人:西安交通大學