一种用于柔性混合电子制造的3D打印系统及方法与流程

一种用于柔性混合电子制造的3d打印系统及方法
技术领域
[0001]
本公开涉及3d打印技术领域，特别涉及一种用于柔性混合电子制造的3d打印系统及方法。


背景技术：

[0002]
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
[0003]
柔性混合电子(flexible hybrid electronics，fhe)是指在柔性基板(基材、基底、衬底等)上集成刚性电子元件、柔性电子元件、柔性连接(互联)电路、柔性电极、功能结构、打印电子、介质层、封装层结构等的新一代电子产品，它同时结合了传统刚性电子元件(如硅基ic、传感器等)和新兴柔性电子/可拉伸电子产品二者的优势，在可穿戴电子、软体机器人、电子皮肤、生物医疗电子、健康监测、可植入电子、物联网等诸多领域具有非常广泛的应用。
[0004]
柔性混合电子也是非硅电子系统级实现的核心使能技术。不同于现有的传统硅基微电子和光电子器件的制造、柔性电子的制备，柔性混合电子的制造是基于增材制造的原理，通过印刷电子技术或打印电子技术而实现。柔性混合电子制造不但涉及多种油墨材料，例如导电材料、介电材料、半导体材料、有机材料、无机材料、纳米材料等。而且还需要具有宏/微/纳跨尺度制造能力(大部分柔细混合电子均需要在柔性基板或者衬底上实现从纳米特征、微观结构到宏观器件大面积集成的跨尺度制造)，例如连接电路通常采用纳米导电材料，连接电路的线宽(特征尺寸)在亚微米、微米尺度，长度在毫米和厘米尺度；尤其是用于连接各种电子元件(如传感器、显示、存贮、处理器、无线通讯等)和外部接口的连接电路还应具有较好的柔性或者可拉伸性能。此外，还应具备能制造多种几何图案尤其是三维成形的能力，包括点、线、面(膜)和三维的体结构；还应具有刚性/柔性电子元件的拾取和精准定位放置固定能力。
[0005]
然而，本公开发明人发现，现有的各种生产技术和装备都不能满足柔性混合电子的制造实际要求，尤其是还完全无法实现柔性基板(基材、衬底)、柔性互联电路、系统级封装、刚性/柔性电子元件的拾取和放置的集成制造，尤其是多材料多尺度制造和多层结构一体化制造的能力。


技术实现要素：

[0006]
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种用于柔性混合电子制造的3d打印系统及方法，不仅能够实现柔性混合电子的制造，尤其还能实现柔性基板、刚性/柔性电子元件、柔性互联电路、柔性电极、介电层、系统级封装的集成一体化制造，具有多材料跨尺度制造和多层柔性结构一体化制造的能力，而且还具有生产工艺简单、适应性强、高效和低成本制造的突出优势，此外对于生产环境和设备的要求较低，无需真空、高温、超净的苛刻环境。
[0007]
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
[0008]
本公开第一方面提供了一种用于柔性混合电子制造的3d打印系统。
[0009]
一种用于柔性混合电子制造的3d打印系统，包括：底座、打印平台、x轴运动平台、用于与打印喷头连通的正压气路和负压气路，打印平台设置在x轴运动平台上并能够沿x轴方向移动，x轴运动平台置于底座中心并沿x方向固定设置；
[0010]
还包括沿x轴运动平台的中心线方向依次顺序设置的柔性基板打印模块、连接电路和功能结构打印模块、电子元件拾取放置模块、烧结固化和封装层打印模块，各个模块的中心线均共同与x轴精密运动平台的中心线平行或共线。
[0011]
作为可能的一些实现方式，柔性基板打印模块包括第一柔性基材打印喷头、第二柔性基材打印喷头、第三柔性基材打印喷头、uv/加热辅助固化单元、第一y-z运动模组、第一气缸模组、第一支架、第一连接架、第一柔性基材打印气压调节阀表、第二柔性基材打印气压调节阀表、第三柔性基材打印气压调节阀表；
[0012]
第一y-z运动模组通过第一支架固定在底座上，各个柔性基材打印喷头分别通过柔性基材打印气压调节阀表与正压气路和负压气路连接，各个柔性基材打印喷头分别与第一气缸模组连接，第一气缸模组与正压气路和负压气路相连接，且各个柔性基材打印喷头以及uv/加热辅助固化单元均通过第一连接架与第一y-z运动模组连接。
[0013]
作为可能的一些实现方式，连接电路和功能结构打印模块包括第一电场驱动打印喷头、第二电场驱动打印喷头、第三电场驱动打印喷头、狭缝精密涂布头、打印辅助观测相机、激光测距仪、辅助定位和多层打印定位相机、第二y-z运动模组、第二气缸模组、第二支架、第二连接架、第一电场驱动打印气压调节阀表、第二电场驱动打印气压调节阀表、第三电场驱动打印气压调节阀表、高压电源；
[0014]
第二y-z运动模组通过第二支架固定在底座上，各个电场驱动打印喷头分别通过电场驱动打印气压调节阀表与正压气路和负压气路连接，各个电场驱动打印喷头以及狭缝精密涂布头分别与第二气缸模组连接，第二气缸模组与正压气路和负压气路连接，且各个电场驱动打印喷头以及狭缝精密涂布头均通过第二连接架与第二y-z运动模组连接；
[0015]
打印辅助观测相机、激光测距仪以及辅助定位和多层打印定位相机均通过第二连接架与第二y-z运动模组连接，打印辅助观测相机正对三个电场驱动打印喷头的针头位置，激光测距仪以及辅助定位和多层打印定位相机的中心线均与打印平台表面垂直；
[0016]
高压电源放置在底板上，高压电源的正极分别与第一电场驱动打印喷头、第二电场驱动打印喷头和第三电场驱动打印喷头的针头连接，负极接地。
[0017]
作为可能的一些实现方式，电子元件拾取放置模块包括电子元件自动拾取和放置单元、视觉辅助定位相机、第三y-z运动模组、第三气缸模组、第三支架、第三连接架、电子元件放置x轴工作台和电子元件放置平台；
[0018]
第三y-z运动模组通过第三支架固定在底座上，电子元件自动拾取和放置单元与第三气缸模组连接，且电子元件自动拾取和放置单元通过第三连接架与第三y-z运动模组连接，第三气缸模组与正压气路和负压气路连接；
[0019]
视觉辅助定位相机通过第三连接架与第三y-z运动模组连接，电子元件放置x轴工作台沿x方向放置并固定在底座上，电子元件放置平台安装在电子元件放置x轴工作台上。
[0020]
作为可能的一些实现方式，烧结固化和封装层打印模块包括第一柔性封装层打印喷头、第二柔性封装层打印喷头、原位烧结单元、第四y-z运动模组、第四气缸模组、第四支架、第四连接架、第一柔性封装层打印气压调节阀表、第二柔性封装层打印气压调节阀表和
激光器；
[0021]
第四y-z运动模组通过第四支架固定在底座上，第一柔性封装层打印喷头、第二柔性封装层打印喷头和原位烧结单元分别通过柔性封装层打印气压调节阀表与第四气缸模组连接，第四气缸模组与正压气路和负压气路连接；
[0022]
第一柔性封装层打印喷头、第二柔性封装层打印喷头和原位烧结单元分别通过第四连接架与第四y-z运动模组连接，激光器设置在底板上并与原位烧结单元连接。
[0023]
本公开第二方面提供了一种用于柔性混合电子制造的3d打印方法。
[0024]
一种用于柔性混合电子制造的3d打印方法，应用于具有单层电路结构的柔性混合电子，利用本公开第一方面所述的3d打印系统，包括以下步骤：
[0025]
打印预处理；
[0026]
打印柔性基板；
[0027]
打印连接电路和功能结构；
[0028]
拾取放置电子元件；
[0029]
固化和导电化处理；
[0030]
打印隔离介质层；
[0031]
打印封装层；
[0032]
打印后处理。
[0033]
作为可能的一些实现方式，打印预处理，具体为：
[0034]
打印平台移动到第一工位(柔性基板打印模块所在位置)，打印平台加热到设定的温度，所有打印喷头装满相应的打印材料；
[0035]
电子元件拾取放置模块的放置平台按照预设顺序放置需要嵌入或放置到柔性混合电子的元器件；
[0036]
正压气路和负压气路调整至初始工作状态。
[0037]
作为可能的一些实现方式，打印柔性基板，具体为：
[0038]
打印平台处于第一工位，利用柔性基板打印模块打印出需要的柔性基板；
[0039]
采用第一柔性基材打印喷头制造单一材料和结构的柔性基板，或者采用各个柔性基材打印喷头的组合制造复合柔性基板；
[0040]
在柔性基板打印过程中，利用uv/加热辅助固化单元，实现每层打印中的快速固化成型。
[0041]
作为可能的一些实现方式，打印连接电路和功能结构，具体为：
[0042]
打印平台移动到第二工位(连接电路和功能结构打印模块所在位置)，利用连接电路和功能结构打印模块打印柔性连接电路、柔性电极、打印电子、功能结构或介质层；
[0043]
采用第一电场驱动打印喷头打印导电图案或者连接电路或者柔性电极，采用第二电场驱动打印喷头打印功能结构；
[0044]
采用狭缝精密涂布头制造超精密薄膜功能结构或者介质层结构。
[0045]
作为可能的一些实现方式，拾取放置电子元件，具体为：
[0046]
打印平台移动到第三工位(电子元件拾取放置模块所在位置)，按照规划的电子元件放置顺序和放置路径，在视觉辅助定位单元的辅助下，通过电子元件自动拾取和放置单元将需要放置和嵌入到该层的电子元件逐个从电子元件放置平台取出，并放置到柔性基板
该层相应的位置。
[0047]
作为可能的一些实现方式，固化和导电化处理，具体为：
[0048]
打印平台移动到第四工位(烧结固化和封装层打印模块所在位置)，由原位烧结单元按照设定的烧结温度和时间对于连接电路、柔性电极、功能结构和打印电子进行固化和导电化处理。
[0049]
作为可能的一些实现方式，打印隔离介质层，具体为：
[0050]
打印平台移动到第二工位，利用连接电路和功能结构打印模块打印隔离介质层；
[0051]
采用第三电场驱动打印喷头打印隔离介电层，完成隔离介质层打印。
[0052]
作为可能的一些实现方式，打印封装层，具体为：
[0053]
打印平台移动到第四工位，采用第一柔性封装层打印喷头或者结合第一柔性封装层打印喷头和第二柔性封装层打印喷头完成封装层结构的制造。
[0054]
作为可能的一些实现方式，打印后处理，具体为：
[0055]
将打印完成的柔性混合电子器件从打印平台上取下，所有打印模组返回到打印初始工位；
[0056]
柔性混合电子器件放置到真空固化箱中，按照设定的温度和时间，实现柔性混合电子各组成部分的充分固化。
[0057]
本公开第三方面提供了一种用于柔性混合电子制造的3d打印方法。
[0058]
一种用于柔性混合电子制造的3d打印方法，应用于具有多层电路结构的柔性混合电子，利用本公开第一方面所述的3d打印系统，包括以下步骤：
[0059]
打印预处理；
[0060]
打印柔性基板；
[0061]
打印连接电路和功能结构；
[0062]
拾取放置电子元件；
[0063]
固化和导电化处理；
[0064]
打印隔离介质层/层间互联可拉伸电路；
[0065]
打印封装层；
[0066]
打印后处理。
[0067]
作为可能的一些实现方式，打印预处理，具体为：
[0068]
打印平台移动到第一工位，打印平台加热到设定的温度，所有打印喷头装满相应的打印材料；电子元件拾取放置模块的放置平台按照预设顺序放置需要嵌入或放置到柔性混合电子的元器件；正压气路和负压气路调整至初始工作状态。
[0069]
作为可能的一些实现方式，打印柔性基板，具体为：
[0070]
打印平台处于第一工位，利用柔性基板打印模块打印出需要的柔性基板；
[0071]
采用第一柔性基材打印喷头制造单一材料和结构的柔性基板，或者采用各个柔性基材打印喷头的组合制造复合柔性基板；
[0072]
在柔性基板打印过程中，利用uv/加热辅助固化单元，实现每层打印中的快速固化成型。
[0073]
作为可能的一些实现方式，打印连接电路和功能结构，具体为：
[0074]
打印平台移动到第二工位，利用连接电路和功能结构打印模块打印柔性连接电
路、柔性电极、打印电子、功能结构或介质层；
[0075]
采用第一电场驱动打印喷头打印导电图案或者连接电路或者柔性电极，采用第二电场驱动打印喷头打印功能结构；
[0076]
采用狭缝精密涂布头制造超精密薄膜功能结构或者介质层结构。
[0077]
作为可能的一些实现方式，拾取放置电子元件，具体为：
[0078]
打印平台移动到第三工位，按照规划的电子元件放置顺序和放置路径，在视觉辅助定位单元的辅助下，通过电子元件自动拾取和放置单元将需要放置和嵌入到该层的电子元件逐个从电子元件放置平台取出，并放置到柔性基板该层相应的位置。
[0079]
作为可能的一些实现方式，固化和导电化处理，具体为：
[0080]
打印平台移动到第四工位，由原位烧结单元按照设定的烧结温度和时间对于连接电路、柔性电极、功能结构和打印电子进行固化和导电化处理。
[0081]
作为可能的一些实现方式，打印隔离介质层/层间互联可拉伸电路，具体为：
[0082]
打印平台移动到第二工位，利用连接电路和功能结构打印模块打印隔离介质层；
[0083]
采用第三电场驱动打印喷头打印隔离介电层，完成隔离介质层打印；
[0084]
继续打印层间互联可拉伸电路，开启打印辅助观测相机和高压电源，采用第一电场驱动打印喷头打印层间互联可拉伸电路。
[0085]
循环打印连接电路和功能结构到打印隔离介质层/层间互联可拉伸电路之间的步骤，直至完成所有连接电路和功能结构打印。
[0086]
作为可能的一些实现方式，打印封装层，具体为：
[0087]
打印平台移动到第四工位，采用第一柔性封装层打印喷头或者结合第一柔性封装层打印喷头和第二柔性封装层打印喷头完成封装层结构的制造。
[0088]
作为可能的一些实现方式，打印后处理，具体为：
[0089]
将打印完成的柔性混合电子器件从打印平台上取下，所有打印模组返回到打印初始工位；
[0090]
柔性混合电子器件放置到真空固化箱中，按照设定的温度和时间，实现柔性混合电子各组成部分的充分固化。
[0091]
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
[0092]
(1)本公开实现了柔性混合电子的制造，尤其是能实现柔性基板、刚性/柔性电子元件、柔性连接电路、柔性电极、打印电子、介电层、系统级封装的集成一体化制造。具有集成化程度高、高效和低成本制造的突出优势。
[0093]
(2)本公开提出的制造方法和装置，无需使用光刻、纳米压印、蒸镀、溅射、电镀等复杂工艺和昂贵的设备，尤其是材料利用率几乎是100％，无需在真空、高温、超净的苛刻环境。具有工艺简单、绿色环保、柔性化程度高的优势。
[0094]
(3)本公开提出的制造方法和装置具有多种材料打印、宏/微/纳跨尺度制造的能力。解决了现有技术无法满足柔性混合电子对于多材料多尺度制造的实际要求。
[0095]
(4)本公开能实现功能梯度基板、功能梯度材料封装，即能实现柔性混合电子具有高度柔性的要求，又能很好的保护嵌入的刚性电子、连接电路、柔性电极等，在实际使用时具有长的使用寿命、稳定性和可靠性高的突出优势。
[0096]
(5)本公开能够实现各种图案诸如点、线、膜、三维体结构的高精度高效制造，满足
柔性混合电子实际生产要求。
[0097]
(6)本公开既能实现串行生产，又能实现并行制造，生产柔性高，可扩展性强，可裁剪性、可定制化的独特优势。根据不同的需要，选用不同的功能模块合理配置。
[0098]
(7)本公开解决了可穿戴电子、软体机器人、电子皮肤、生物医疗电子、健康监测、可植入电子、物联网等产品一体化制造的难题。
[0099]
(8)本公开能够实现具有多层结构柔性混合电子的制造。
[0100]
(9)本公开用原位烧结技术，实现打印连接电路、打印电子、柔性电极、功能结构等的同步烧结固化，解决了一体化封装和多层功能结构打印的难题。
[0101]
(10)本公开制造的柔性混合电子具有性能稳定、异构层间结合性能好、自动化程度高的突出优势。
[0102]
(11)采用本公开所述的系统及方法得到的打印电路分辨率较高，最小可打印100nm线宽的导电线路，并能通过多层堆积实现高深宽比电路的打印。
[0103]
(12)本公开采用ccd相机辅助定位，并对打印过程实时监控，能及时根据打印情况调整工艺参数，便于操作和观察的优势。
[0104]
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
[0105]
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
[0106]
图1为本公开实施例1提供的柔性混合电子结构示意图。
[0107]
图2为本公开实施例1提供的柔性混合电子3d打印系统结构示意图。
[0108]
图3为本公开实施例1提供的柔性基板打印模块结构示意图。
[0109]
图4为本公开实施例1提供的连接电路和功能结构打印模块结构示意图。
[0110]
图5为本公开实施例1提供的电子元件拾取放置模块结构示意图。
[0111]
图6为本公开实施例1提供的烧结固化和封装层打印模块结构示意图。
[0112]
图7为本公开实施例2和实施例3提供的用于柔性混合电子制造的3d打印方法的工艺流程图。
[0113]
图8为本公开实施例2提供的具有单层电路结构的柔性混合电子结构示意图。
[0114]
图9为本公开实施例3提供的具有多层电路结构的柔性混合电子结构示意图。
[0115]
1、底座；2、柔性基板打印模块；3、连接电路和功能结构打印模块；4、电子元件拾取放置模块；5、烧结固化和封装层打印模块；6、打印平台；7、正压气路；8、负压气路；9、x轴精密运动平台；
[0116]
1001、衬底层1；1002、衬底层2；1003、衬底层3；1004、连接电路；1005、薄膜功能结构；1006、电子元件；1007、隔离介质层(绝缘层)；1008、封装层1，1009、封装层2；
[0117]
201、第一柔性基材打印喷头；202、第二柔性基材打印喷头；203、第三柔性基材打印喷头；204、uv/加热辅助固化单元；205、第一y-z运动模组；206、第一气缸模组；207、第一支架；208、第二连接架；209、第一柔性基材打印气压调节阀表；210、第二柔性基材打印气压调节阀表；211、第三柔性基材打印气压调节阀表；
[0118]
301、第一电场驱动打印喷头；302、第二电场驱动打印喷头；303、第三电场驱动打印喷头；304、狭缝精密涂布头；305、打印辅助观测相机；306、激光测距仪；307、辅助定位和多层打印定位相机；308、第二y-z运动模组；309、第二气缸模组；310、第二支架；311、第二连接架；312、第一电场驱动打印气压调节阀表；313、第二电场驱动打印气压调节阀表；314、第三电场驱动打印气压调节阀表；315、高压电源；
[0119]
401、电子元件自动拾取和放置单元；402、视觉辅助定位相机；403、第三y-z运动模组；404、第三气缸模组；405、第三支架；406、第三连接架；407、电子元件放置x轴工作台；408、电子元件放置平台；
[0120]
501、第一柔性封装层打印喷头；502、第二柔性封装层打印喷头；503、原位烧结单元；504、第四y-z运动模；505、第四气缸模组；506、第四支架；507、第四连接架；508、第一柔性封装层打印气压调节阀表；509、第二柔性封装层打印气压调节阀表；510、激光器。
具体实施方式
[0121]
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
[0122]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0123]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0124]
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
[0125]
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
[0126]
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0127]
实施例1：
[0128]
基于背景技术中提及的现有技术中所存在的问题，迫切需要开发新的制造技术和装置满足柔性混合电子的制造要求，以实现柔性混合电子高效、低成本批量化制造，突破柔性混合电子广泛工程应用的技术瓶颈。
[0129]
因此，本公开实施例1提供了一种用于柔性混合电子制造的3d打印系统，如图1所示，它包括：底座1、柔性基板打印模块2、连接电路和功能结构打印模块3、电子元件拾取放置模块4、烧结固化和封装层打印模块5、打印平台6、正压气路7、负压气路8、x轴精密运动平台9；
[0130]
其中，柔性基板打印模块2、连接电路和功能结构打印模块3、电子元件拾取放置模
块4、烧结固化和封装层打印模块5共用同一个x轴精密运动平台9，x轴精密运动平台9置于底座1中心并沿x方向放置和固定；
[0131]
打印平台6安装在x轴精密运动平台9上；柔性基板打印模块2、连接电路和功能结构打印模块3、电子元件拾取放置模块4、烧结固化和封装层打印模块5沿着x轴精密运动平台9的方向从右到左依次顺序放置，这4个模块的中心线与x轴精密运动平台9的中心线平行(重合或共线)。
[0132]
图2为本实施例所要制造的一种柔性混合电子结构示意图，它包括：衬底层11001，衬底层2 1002，衬底层3 1003，连接电路1004，薄膜功能结构1005，电子元件1006，隔离介质层(绝缘层)1007，封装层1 1008，封装层2 1009。
[0133]
图3为本实施例提供的柔性基板打印模块结构示意图。柔性基板打印模块2包括第一柔性基材打印喷头201、第二柔性基材打印喷头202、第三柔性基材打印喷头203、uv/加热辅助固化单元204、第一y-z运动模组205、第一气缸模组206、第一支架207、第一连接架208、第一柔性基材打印气压调节阀表209、第二柔性基材打印气压调节阀表210、第三柔性基材打印气压调节阀表211；
[0134]
其中第一y-z运动模组205通过第一支架207固定在底座1上；第一柔性基材打印喷头201、第二柔性基材打印喷头202、第三柔性基材打印喷头203分别与第一柔性基材打印气压调节阀表209、第二柔性基材打印气压调节阀表210、第三柔性基材打印气压调节阀表211相连接，第一柔性基材打印气压调节阀表209、第二柔性基材打印气压调节阀表210、第三柔性基材打印气压调节阀表211均与正压气路7和负压气路8相连接；
[0135]
第一柔性基材打印喷头201、第二柔性基材打印喷头202、第三柔性基材打印喷头203与第一气缸模组206相连接，第一柔性基材打印喷头201、第二柔性基材打印喷头202、第三柔性基材打印喷头203均通过第一连接架208与第一y-z运动模组205相连接；
[0136]
第一气缸模组206与正压气路7和负压气路8相连接；uv/加热辅助固化单元204通过第一连接架208与第一y-z运动模组205的z轴运动件相连接。
[0137]
本实施例中，柔性基板打印模块所在的位置称为第一工位，第一柔性基材打印喷头用于打印柔性材料，诸如pdms、ecoflex、sebs、tpu，第二柔性基材打印喷头用于打印刚度较大的柔性材料，诸如h-pdms等，第三柔性基材打印喷头用于打印复合材料\功能梯度材料等；
[0138]
柔性基材打印喷头采用挤出成形、直写、喷墨打印等3d打印工艺；柔性基板打印模块用于单一材料、复合结构(如变刚度)功能梯度结构柔性基板的制造；
[0139]
所述第一气缸模组至少包括三个气缸，分别与第一柔性基材打印喷头、第二柔性基材打印喷头、第三柔性基材打印喷头相连接。
[0140]
图4为连接电路和功能结构打印模块结构示意图。连接电路和功能结构打印模块3包括第一电场驱动打印喷头301、第二电场驱动打印喷头302、第三电场驱动打印喷头303、狭缝精密涂布头304、打印辅助观测相机305、激光测距仪306、辅助定位和多层打印定位相机307、第二y-z运动模组308、第二气缸模组309、第二支架310、第二连接架311、第一电场驱动打印气压调节阀表312、第二电场驱动打印气压调节阀表313、第三电场驱动打印气压调节阀表314、高压电源315；
[0141]
其中第二y-z运动模组308通过第二支架310固定在底座1上；第一电场驱动打印喷
头301、第二电场驱动打印喷头302、第三电场驱动打印喷头303、狭缝精密涂布头304与第二气缸模组309相连接，它们并通过第二连接架311与第二y-z运动模组308相连接；
[0142]
第一电场驱动打印喷头301、第二电场驱动打印喷头302、第三电场驱动打印喷头303分别与第一电场驱动打印气压调节阀表312、第二电场驱动打印气压调节阀表313、第三电场驱动打印气压调节阀表314相连接，第一电场驱动打印气压调节阀表312、第二电场驱动打印气压调节阀表313、第三电场驱动打印气压调节阀表314均与正压气路7和负压气路8相连接；
[0143]
第二气缸模组309与正压气路7和负压气路8相连接；打印辅助观测相机305、激光测距仪306、辅助定位和多层打印定位相机307通过第二连接架311与第二y-z运动模组308相连接，打印辅助观测相机305对准第一电场驱动打印喷头301、第二电场驱动打印喷头302、第三电场驱动打印喷头303的针头处，激光测距仪306、辅助定位和多层打印定位相机307的中心线与打印平台垂直；
[0144]
高压电源315放置在底板上，其正极分别与第一电场驱动打印喷头301、第二电场驱动打印喷头302、第三电场驱动打印喷头303的针头相连接，负极接地。
[0145]
本实施例中，连接电路和功能结构打印模块所在的位置称为第二工位，第一电场驱动打印喷头用于打印导电材料(诸如纳米银浆、纳米银线、碳纳米管、石墨烯、导电聚合物、导电胶等)，使用电场驱动喷射微纳3d打印、微挤出成型等工艺，实现柔性连接(互联)电路、柔性电极等导电图案的打印；
[0146]
第二电场驱动打印喷头用于打印介电材料，使用电场驱动喷射微纳3d打印、微挤出成型等，实现介电层(绝缘层、多层打印的隔离层)的打印；
[0147]
第三电场驱动打印喷头用于打印功能材料，用电场驱动喷射微纳3d打印、微挤出成型等，实现功能结构点、线、膜的打印；狭缝精密涂布头用于功能材料、介电材料、导电材料的精密薄膜结构的制造。
[0148]
所述第二气缸模组至少包括四个气缸，分别与第一电场驱动打印喷头、第二电场驱动打印喷头、第三电场驱动打印喷头、狭缝精密涂布头相连接。
[0149]
图5是电子元件拾取放置模块结构示意图。电子元件拾取放置模块4包括电子元件自动拾取和放置单元401、视觉辅助定位相机402、第三y-z运动模组403、第三气缸模组404、第三支架405、第三连接架406、电子元件放置x轴工作台407、电子元件放置平台408；
[0150]
其中第三y-z运动模组403通过第三支架405固定在底座1上；电子元件自动拾取和放置单元401与第三气缸模组404相连接，电子元件自动拾取和放置单元通过第三连接架406与第三y-z运动模组403相连接；第三气缸模组404与正压气路7和负压气路8相连接；
[0151]
视觉辅助定位相机402通过第三连接架406与第三y-z运动模组403相连接；电子元件放置x轴工作台407沿x方向放置并被固定在底座1上，电子元件放置平台408安装在电子元件放置x轴工作台407上。
[0152]
本实施例中，所述电子元件拾取放置模块所在位置称为第三工位，第三气缸模组至少包括一个气缸，它与电子元件自动拾取和放置单元相连接。
[0153]
图6为本实施例提供的烧结固化和封装层打印模块结构示意图。烧结固化和封装层打印模块5包括第一柔性封装层打印喷头501、第二柔性封装层打印喷头502、原位烧结单元503、第四y-z运动模504、第四气缸模组505、第四支架506、第四连接架507、第一柔性封装
层打印气压调节阀表508、第二柔性封装层打印气压调节阀表509、激光器510；
[0154]
其中第四y-z运动模504通过第四支架506固定在底座1上；第一柔性封装层打印喷头501、第二柔性封装层打印喷头502、原位烧结单元503与第四气缸模组505相连接，第一柔性封装层打印喷头501、第二柔性封装层打印喷头502、原位烧结单元503均通过第四连接架507与第四y-z运动模504相连接；
[0155]
第一柔性封装层打印喷头501、第二柔性封装层打印喷头502分别与第一柔性封装层打印气压调节阀表508、第二柔性封装层打印气压调节阀表509相连接，第一柔性封装层打印气压调节阀表508、第二柔性封装层打印气压调节阀表509均与正压气路7和负压气路8相连接；
[0156]
第四气缸模组505与正压气路7和负压气路8相连接；激光器510放置在底板上，并与原位烧结单元503相连接。
[0157]
本实施例中，烧结固化和封装层打印模块所在位置称为第四工位，第一柔性封装层打印喷头用于打印柔性封装材料，诸如pdms、环氧树脂、有机硅类、聚酰亚胺类、环氧模塑料材料等；
[0158]
第二柔性封装层打印喷头用于打印复合材料封装层，包括增加刚度、散热性能的复合封装材料，原位烧结单元用于对于打印的连接电路、电子器件进行固化和烧结处理。
[0159]
第四气缸模组至少包括三个气缸，分别与第一柔性封装层打印喷头、第二柔性封装层打印喷头、原位烧结单元相连接；
[0160]
可以理解的，在其他一些实施方式中，所述气缸模组可替换为电动位移台、直线定位平台和液压缸等，本领域技术人员可以根据具体工况进行选择，这里不再赘述。
[0161]
本实施例中，所述打印平台具有加热和真空吸附定位的功能，打印平台的加热温度范围0-160℃，打印平台的平面度不低于
±
3μm，设有加热装置为电加热棒或电加热片，电加热装置实现对基板材料和功能材料的快速固化，以及导电材料的辅助固化等。
[0162]
本实施例中，所述x轴精密运动平台包括直线电机模组、伺服电机模组、步进电机模组等精密运动平台，x轴精密运动平台的工作行程0-3000mm，定位精度不低于
±
3μm，重复定位精度不低于
±
1μm，最大速度500mm/s。
[0163]
本实施例中，所述的第一y-z运动模组、第二y-z运动模组、第三y-z运动模组、第四y-z运动模组分别和x轴精密运动平台组成的四个三轴运动平台均采用龙门式结构，x轴精密运动平台置于底座中心并沿x方向放置和固定，四个三轴运动平台的y轴运动平台均垂直于x轴精密运动平台且平行于y方向，四个三轴运动平台的z轴运动平台均垂直于x轴精密运动平台和打印平台且平行于z方向；
[0164]
所述的四个三轴运动平台包括直线电机模组、伺服电机模组、步进电机模组等精密运动平台，x轴精密运动平台工作行程0-3000mm，定位精度不低于
±
3μm，重复定位精度不低于
±
1μm，最大速度500mm/s。
[0165]
四个三轴运动平台的y轴运动平台工作行程0-700mm，定位精度不低于
±
3μm，重复定位精度不低于
±
1μm，最大速度500mm/s。四个三轴运动平台的z轴运动平台工作行程0-300mm，定位精度不低于
±
3μm，重复定位精度不低于
±
1μm，最大速度300mm/s。
[0166]
本实施例中，所述高压电源能够输出直流高压；输出交流高压；输出脉冲高压，且能够设置偏压，设置的偏压范围0-2kv连续可调，直流高压0-5kv，输出脉冲直流电压0
-±
4kv连续可调，输出脉冲频率0-3000hz连续可调，交流高压0
-±
4kv。
[0167]
本实施例中，所述连接电路和功能结构打印模块的第一电场驱动打印喷头打印的导电材料包括但不限定于导电银浆、纳米银导电墨水、纳米铜导电墨水、碳纳米管导电墨水、石墨烯、导电聚合物、导电水凝胶、液态金属或导电胶等。
[0168]
本实施例中，所述打印喷头使用的喷嘴包括但不限定于金属喷嘴、塑料喷嘴、玻璃喷嘴、硅材料喷嘴等，喷嘴的内径尺寸0.3μm-1mm。
[0169]
本实施例中，所述正压气路的工作范围0.1bar-8bar，负压气路的工作范围-1bar-0bar。
[0170]
实施例2：
[0171]
本公开实施例2提供了一种用于柔性混合电子制造的3d打印方法，利用实施例1提供的3d打印系统，打印图8所示的具有单层电路结构的柔性混合电子，包括以下步骤：
[0172]
步骤1：打印预处理
[0173]
所有打印模组处于打印初始工作状态，打印平台6移动到第一工位，并加热到指定温度，保持打印平台6加热温度为90℃；
[0174]
将pdms、pdms/sic、pdms/al2o3、拉伸银浆、导电胶、pdms、ecoflex、pdms、pdms/sic分别装入第一柔性基材打印喷头201、第二柔性基材打印喷头202、第三柔性基材打印喷头203、第一电场驱动打印喷头301、第二电场驱动打印喷头302、第三电场驱动打印喷头303、狭缝精密涂布头304、第一柔性封装层打印喷头501、第二柔性封装层打印喷头502；
[0175]
电子元件拾取放置模块的电子元件放置平台408按照一定顺序放置需要嵌入或放置到柔性混合电子的电子元件(包括温度传感器、信号转换芯片、蓝牙芯片、柔性电池等)，正压气路7和负压气路8调整至初始工作状态。
[0176]
步骤2：打印柔性基板
[0177]
打印平台6处于第一工位，由第一柔性基材打印喷头201打印pdms衬底层，pdms衬底层打印结束后切换第二柔性基材打印喷头202打印pdms/sic衬底层，并预留出电子元件放置位置的区域，在该区域采用第三柔性基材打印喷头203打印pdms/al2o3衬底层，提高该区域硬度。打印过程中，利用uv/加热辅助固化单元204辅助固化，实现每层打印中的快速固化成型，提高打印效率和精度。
[0178]
可以理解的，第一柔性基材打印喷头使用的打印材料包括但不限定于以下材料如pdms、ecoflex、sebs、tpu等；第二柔性基材打印喷头使用的打印材料包括但不限定于以下材料如h-pdms、光敏树脂材料、环氧树脂等；第三柔性基材打印喷头使用的打印材料包括但不限定于以下材料如pdms基复合材料(添加二氧化硅、碳化硅等填料)、树脂基复合材料、功能梯度材料等。
[0179]
步骤3：打印连接电路和功能结构
[0180]
打印平台6移动到第二工位，开启打印辅助观测相机305和高压电源315，采用第一电场驱动打印喷头301打印可拉伸连接电路，采用第二电场驱动打印喷头302在电子元件放置的引脚处打印导电胶，采用狭缝精密涂布头304打印超精密ecoflex薄膜功能结构，完成连接电路和功能结构制造。
[0181]
可以理解的，第一电场驱动打印喷头打印的导电材料包括但不限定于导电银浆、拉伸银浆、纳米银导电墨水、纳米铜导电墨水、碳纳米管导电墨水、导电聚合物、导电水凝胶
或液态金属等；第二电场驱动打印喷头打印的功能材料包括但不限于导电胶、石墨烯等；第三电场驱动打印喷头打印的介质层材料包括但不限定于pdms、ecoflex、sebs、光敏树脂、环氧树脂、有机硅氧材料、纳米颗粒/聚合物复合介电材料等绝缘材料。
[0182]
步骤4：拾取放置电子元件
[0183]
打印平台6移动到第三工位，按照规划的电子元件放置顺序和放置路径，在视觉辅助定位相机402的辅助下，通过电子元件自动拾取和放置单元401将温度传感器、信号转换芯片、蓝牙芯片、柔性电池等电子元件从电子元件放置平台408拾取起来并放置到柔性基板上的相应位置，完成全部电子元件的放置和嵌入(放置到提前打印的孔、槽结构中)。
[0184]
步骤5：固化和导电化处理
[0185]
打印平台6移动到第四工位，由原位烧结单元503对打印的可拉伸连接电路进行原位烧结固化和导电化处理，完成可拉伸电路的固化和导电化处理。
[0186]
可以理解的，固化方式可以是热固化、光固化等，包括但不限于加热板、红外灯、紫外灯等。导电化处理包括但不限于原位激光烧结、加热烧结、光子烧结、等离子体烧结、电烧结等。
[0187]
步骤6：打印隔离介质层
[0188]
打印平台6移动到第二工位，开启打印辅助观测相机305和高压电源315，采用第三电场驱动打印喷头303打印pdms隔离介质层，完成隔离介质层打印。
[0189]
步骤7：打印封装层
[0190]
打印平台6移动到第四工位，采用第一柔性封装层打印喷头501打印pdms/sic封装层，采用第二柔性封装层打印喷头502打印pdms封装层，完成封装层打印。
[0191]
可以理解的，第一柔性封装层打印喷头只用于单一结构/材料的封装层打印。结合第一柔性封装层打印喷头和第二柔性封装层打印喷头能实现复合结构、功能梯度结构复合封装层结构的制造。第一柔性封装层打印喷头打印的封装材料包括但不限定于柔性封装材料，诸如pdms、ecoflex、sebs、环氧树脂、有机硅类、聚酰亚胺类、环氧模塑料材料等。第二柔性封装层打印喷头打印的封装复合材料包括但不限定于柔性封装材料，诸如pdms基复合材料(添加二氧化硅、碳化硅等填料)等。
[0192]
步骤8：打印后处理
[0193]
将打印完成的柔性混合电子器件从打印平台6上取下，所有打印模组等返回到打印初始工位；柔性混合电子器件放置到真空固化箱中，按照设定的温度和时间，实现柔性混合电子的柔性基板、导电线路、封装层等充分固化。
[0194]
本实施例中，步骤2选用的柔性基板材料和所述步骤3选用的导电材料应考虑匹配性，所使用导电材料的烧结温度不能超过柔性基板材料允许的温度。
[0195]
实施例3：
[0196]
本公开实施例3提供了一种用于柔性混合电子制造的3d打印方法，利用实施例1提供的3d打印系统，打印图9所示的具有多层电路结构的柔性混合电子，包括以下步骤：
[0197]
步骤1：打印预处理
[0198]
所有打印模组处于打印初始工作状态，打印平台6移动到第一工位，并加热到指定温度，保持打印平台6加热温度为90℃；
[0199]
将pdms、pdms/sic、pdms/al2o3、拉伸银浆、导电胶、pdms、ecoflex、pdms、pdms/sic
分别装入第一柔性基材打印喷头201、第二柔性基材打印喷头202、第三柔性基材打印喷头203、第一电场驱动打印喷头301、第二电场驱动打印喷头302、第三电场驱动打印喷头303、狭缝精密涂布头304、第一柔性封装层打印喷头501、第二柔性封装层打印喷头502；
[0200]
电子元件拾取放置模块的电子元件放置平台408按照一定顺序放置需要嵌入或放置到柔性混合电子的电子元件(包括温度传感器、信号转换芯片、蓝牙芯片、柔性电池等)，正压气路7和负压气路8调整至初始工作状态。
[0201]
步骤2：打印柔性基板
[0202]
打印平台6处于第一工位，由第一柔性基材打印喷头201打印pdms衬底层，pdms衬底层打印结束后切换第二柔性基材打印喷头202打印pdms/sic衬底层，并预留出电子元件放置位置的区域，在该区域采用第三柔性基材打印喷头203打印pdms/al2o3衬底层，提高该区域硬度。打印过程中，利用uv/加热辅助固化单元204辅助固化，实现每层打印中的快速固化成型，提高打印效率和精度。
[0203]
可以理解的，第一柔性基材打印喷头使用的打印材料包括但不限定于以下材料如pdms、ecoflex、sebs、tpu等；第二柔性基材打印喷头使用的打印材料包括但不限定于以下材料如h-pdms、光敏树脂材料、环氧树脂等；第三柔性基材打印喷头使用的打印材料包括但不限定于以下材料如pdms基复合材料(添加二氧化硅、碳化硅等填料)、树脂基复合材料、功能梯度材料等。
[0204]
步骤3：打印连接电路和功能结构
[0205]
打印平台6移动到第二工位，开启打印辅助观测相机305和高压电源315，采用第一电场驱动打印喷头301打印可拉伸连接电路，采用第二电场驱动打印喷头302在电子元件放置的引脚处打印导电胶，采用狭缝精密涂布头304打印超精密ecoflex薄膜功能结构，完成连接电路和功能结构制造。
[0206]
可以理解的，第一电场驱动打印喷头打印的导电材料包括但不限定于导电银浆、拉伸银浆、纳米银导电墨水、纳米铜导电墨水、碳纳米管导电墨水、导电聚合物、导电水凝胶或液态金属等；第二电场驱动打印喷头打印的功能材料包括但不限于导电胶、石墨烯等；第三电场驱动打印喷头打印的介质层材料包括但不限定于pdms、ecoflex、sebs、光敏树脂、环氧树脂、有机硅氧材料、纳米颗粒/聚合物复合介电材料等绝缘材料。
[0207]
步骤4：拾取放置电子元件
[0208]
打印平台6移动到第三工位，按照规划的电子元件放置顺序和放置路径，在视觉辅助定位相机402的辅助下，通过电子元件自动拾取和放置单元401将温度传感器、信号转换芯片、蓝牙芯片、柔性电池等电子元件从电子元件放置平台408拾取起来并放置到柔性基板上的相应位置，完成全部电子元件的放置和嵌入(放置到提前打印的孔、槽结构中)。
[0209]
步骤5：固化和导电化处理
[0210]
打印平台6移动到第四工位，由原位烧结单元503对打印的可拉伸连接电路进行原位烧结固化和导电化处理，完成可拉伸电路的固化和导电化处理。
[0211]
可以理解的，固化方式可以是热固化、光固化等，包括但不限于加热板、红外灯、紫外灯等。导电化处理包括但不限于原位激光烧结、加热烧结、光子烧结、等离子体烧结、电烧结等。
[0212]
步骤6：打印隔离介质层/层间互联可拉伸电路
[0213]
打印平台6移动到第二工位，开启打印辅助观测相机305和高压电源315，采用第三电场驱动打印喷头303打印pdms隔离介质层，再采用第一电场驱动打印喷头301打印层间互联可拉伸电路，并循环步骤3～步骤6，直至完成所有连接电路和功能结构打印。
[0214]
步骤7：打印封装层
[0215]
打印平台6移动到第四工位，采用第一柔性封装层打印喷头501打印pdms/sic封装层，采用第二柔性封装层打印喷头502打印pdms封装层，完成封装层打印。
[0216]
步骤8：打印后处理
[0217]
将打印完成的柔性混合电子器件从打印平台6上取下，所有打印模组等返回到打印初始工位。柔性混合电子器件放置到真空固化箱中，按照设定的温度和时间，实现柔性混合电子的柔性基板、导电线路、封装层等充分固化。
[0218]
本实施例中，步骤2选用的柔性基板材料和所述步骤3选用的导电材料应考虑匹配性，所使用导电材料的烧结温度不能超过柔性基板材料允许的温度。
[0219]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

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