【期刊】用于大面积复杂3D曲面电子器件的可编程机器人化“转印-喷印”混合制造 | 极端制造
The following article is from 极端制造 IJEM Author Editorial Office
作者
黄永安等
单位
华中科技大学
文章信息
Huang Y A,Wu H,Zhu C,Xiong W N,Chen F R et al. Programmable robotized ‘transfer-and-jet’ printing for large, 3D curved electronics on complex surfaces Int. J. Extrem. Manuf. 3, 045101(2021).
阅读全文
https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac115a
撰稿 | 文章作者
01
文章导读
大型3D曲面电子器件直接共形集成在复杂表面，同时兼具传统微电子器件高性能的特点，开拓了许多创新的电子应用，例如飞行器智能蒙皮、机器人电子皮肤、汽车智能玻璃等。目前，可拉伸电子可以很好地与曲面共形，但其尺寸受制于晶片尺寸，而且由于其基板材料在极端环境下应用受限。软接触印刷通过软图章可以与曲面共形，实现功能材料转印，但在高曲率表面上制造电子器件时受限。机器人喷印技术具有良好的灵活性和增材制造特性，但无法在复杂曲面上实现精细电子器件的制造。近期，华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室黄永安教授、吴昊博士等人在《极端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《用于大型复杂3D曲面电子器件的可编程机器人化“转印-喷印”混合制造》的论文，提出了机器人化混合制造方法，即以可编程方式实现多工艺的排列组合，集成了“2D-3D”映射、共形喷印、激光剥离、曲面转印等核心技术与方法，可以满足不同材料、形状、尺寸、功能、性能电子器件的系统集成，突破了电子器件小面积、平面化制造的限制，为复杂曲面电子制造提供了新型的、有效的解决方案，特别适合于集设计、测试、制造于一体的研发式、定制化电子器件制造。
关键词
共形喷印、曲面电子、复杂表面、机器人制造
02
研究背景
图1a展示了一个典型的复杂3D曲面电子系统，在飞行器表面共形制造大面积智能蒙皮，包括微处理器芯片、共形天线、柔性传感器、互连电路, 和功能微结构。与传统微电子系统不同，复杂曲面电子系统的基板几何形状为不可展曲面或自由曲面，制造幅面> 1m2，而微薄芯片、柔性器件、共形天线、互联电路等电子器件尺寸横跨100μm至1cm、厚度从10μm到1mm变化、特征宽度甚至<1μm。
图1b是机器人化“转印-喷印”混合制造的基本过程和涉及的关键工艺，能够将计算机所设计的电子器件共形制造在复杂3D表面，利用机器人系统的灵活性，可以根据不同功能电子系统的结构特点，将多种工艺（例如喷印、转印、等离子、烧结）进行排列和组合，满足个性化、可定制系统的快速实现。
图1 (a) 大面积飞行器智能蒙皮电子系统示意图；(b) 机器人化“转印-喷印”混合制造
03
最新进展
复杂曲面电子与平面电子器件最大不同和挑战就是基底的复杂形状，需要解决涉及实际衬底与计算机模型匹配的曲面到曲面映射、机器视觉定位中的平面到曲面映射、三维电路平面设计的曲面到平面映射等（如图2）。通过激光扫描仪和机器视觉方法保证曲面定位精度，然后借助控制系统对数据进行分析、操作和打印路径规划，机器人混合打印系统最终通过共形喷印、曲面转印和等离子处理的排列组合，以可编程的方式制造电子系统。例如，共形喷印能够直接制造各种材料的点、线和薄膜；共形转印能够剥离、拾取和转移小型刚性芯片和柔性电子器件；等离子直写能够蚀刻、改性和焊接各种薄膜；电流体光刻可以打破平面掩膜的限制，将光刻工艺拓宽至任意复杂曲面上。
图2 机器人化混合制造中的曲面映射技术：(a) 通过激光位移传感器进行协调的曲面到曲面映射；(b) 通过机器视觉进行精确定位的平面到曲面映射；(c) 通过曲面组装的曲面到平面映射。
图3a为机器人化“转印-喷印”混合制造装备，集成了曲面测量与重构、共形喷印、激光剥离、曲面转印、机器视觉、五轴/六轴联动等模块，可在3D曲面上制造/集成各种电子器件，例如刚性芯片、柔性传感器和共形电路等等。例如图3b所示，在复杂曲面上以增材制造方式得到导电的中国地图，以电流体光刻方式制造了球形加热器和透明共形天线，以及机翼模型上集成了柔性智能蒙皮。结果证明，机器人化混合制造成为3D曲面电子器件的灵活制造方法。
图3 机器人化混合制造装备及其应用：(a) 自主研发的机器人化混合制造装备；(b)曲面电子应用：复杂曲面电路、曲面加热器、共形透明天线；(c) 飞行器标准翼型模型上的大面积柔性智能蒙皮（iFlexSense）
04
未来展望
机器人化混合制造设备是以机器人为运动载体的制造系统，集成了工艺系统、测量系统、规划系统等。通过测量数据和过程知识自主控制其组件，赋予机器人化混合制造系统高度的灵活性，适用于在复杂表面上制造大面积微纳结构和功能器件。它带来了电子技术的技术革命，从“平面”到“曲面”、“刚性”到“柔性”、“小面积”到“大面积”等，从单纯的增材印刷或减材光刻工艺到混合制造过程。尽管机器人化混合制造在大面积、多功能曲面电子系统中显示出巨大的潜力，但在制造过程中仍然存在许多挑战，例如多尺度结构或多层异质结构制造、大规模曲面共形超材料结构的高效制造等。
05
作者简介
黄永安，华中科技大学机械科学与工程学院教授，数字制造装备与技术国家重点实验室副主任，致力于柔性电子器件与制造方面的研究，包括电流体喷印/激光剥离/共形转印/巨量转移等制造技术与装备，以及智能蒙皮/表皮电子/电子皮肤/柔性显示等创新应用。
期刊专栏:https://www.koushare.com/periodical/periodicallist?ptid=142
编辑：黄琦
欢迎大家提供各类学术会议或学术报告信息，以便广大科研人员参与交流学习。