一種用于超薄、柔性電子器件轉(zhuǎn)移的裝置、方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微電子封裝與制造領(lǐng)域，具體涉及一種針對(duì)不同大小和厚度的電子器 件轉(zhuǎn)移的裝置、方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，電子器件在極大的市場(chǎng)需求下發(fā)展迅速。柔性電子技術(shù)開(kāi)拓了更為廣闊的 應(yīng)用區(qū)域，如智能皮膚、電子紙、柔性顯示器等。柔性電子要求電子器件如1C芯片、電子結(jié) 構(gòu)、集成微器件等具備一定的曲面適應(yīng)能力，驅(qū)使電子器件變的越來(lái)越薄，目前實(shí)驗(yàn)用的1C 芯片其厚度已經(jīng)達(dá)到10ym。然而，超薄器件極易彎曲和碎裂，不易承受極大的沖擊力，這就 給目前器件從供體轉(zhuǎn)移至接收基板或者電路上的轉(zhuǎn)移技術(shù)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。如何快速有效 的轉(zhuǎn)移薄/超薄電子器件是當(dāng)前電子封裝領(lǐng)域中亟待解決的難題之一。
[0003] 傳統(tǒng)的方式是利用自動(dòng)半自動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)移裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)移，其通過(guò)利用一個(gè)/組頂針 并輔助真空吸附等來(lái)分離器件和承載體。其具體工藝過(guò)程包括利用頂針頂起從承載體上剝 離器件，然后利用真空吸附轉(zhuǎn)移并放置器件至合適的位置。這種轉(zhuǎn)移方式采用機(jī)械強(qiáng)制分 離，會(huì)影響器件碎裂、分離成功率和效率，特別是面對(duì)越來(lái)越薄的器件，這種技術(shù)已經(jīng)不能 滿足目前的需求。
[0004] 為克服上述轉(zhuǎn)移方式的缺陷，后來(lái)陸續(xù)出現(xiàn)了一些優(yōu)化的技術(shù)方案，比如真空吸 附式（CN1669119A、CN1768422A)、采用刮取式分離器件的方法（CN101383274A)等。然而， 這些雖然從力學(xué)角度上緩解了器件破碎的問(wèn)題，但是卻降低了效率，工藝參數(shù)調(diào)節(jié)也十分 的不方便，面對(duì)日益發(fā)展的器件輕薄化，亟需更為先進(jìn)的技術(shù)手段以提高器件轉(zhuǎn)移效率和 可靠性。
[0005] 盡管使用激光等熱剝離電子器件技術(shù)是最近備受關(guān)注的器件轉(zhuǎn)移技術(shù)之一，其利 用激光對(duì)粘膠粘性的破壞從而使得器件脫離粘性束縛，這種方法剝離速度快，但激光作用 屬于破壞性的剝離方式，產(chǎn)生熱量也可能影響鄰近的器件附著和定位；并且，由于基板或者 薄膜一般屬于有機(jī)聚合物，熱作用下產(chǎn)生的氣體會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。
[0006] 專利US7943491B2中披露了 一種利用粘彈性膠體拾取并放置電子器件的方案。粘 取時(shí)，移動(dòng)的方向和速度是關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)，該方案利用不同速度下的粘接強(qiáng)度來(lái)從承載 體上取走電子器件；放置器件則相反，利用粘彈性材料本身的低速運(yùn)動(dòng)時(shí)粘接強(qiáng)度松弛，從 而喪失粘彈性印章對(duì)器件的粘附。但是，由于粘接強(qiáng)度松弛過(guò)程是需要時(shí)間的，不同的材 料，性能上也大有差別，因此存在轉(zhuǎn)移效率的問(wèn)題。
[0007] 為克服上述轉(zhuǎn)移效率的問(wèn)題，近年，專利US2013/0069275A1中公開(kāi)了一種可以提 高粘彈性印章放置效率的方法，其粘接表面采用犄角式的印章形式。其中的犄角結(jié)構(gòu)采用 多層的PDMs微結(jié)構(gòu)搭建而成，布置在粘膠表面的四個(gè)邊角處。這種粘接表面布局可以在器 件放置時(shí)，依靠犄角層疊結(jié)構(gòu)的彈性來(lái)頂起電子器件，從而加快芯片脫離粘接印章。然而， 這種多層的微結(jié)構(gòu)依然需要依靠PDMs本身的松弛特性，犄角設(shè)計(jì)和特殊層疊結(jié)構(gòu)起到加 快粘接力松弛的效果，但是頂起時(shí)間仍舊取決材質(zhì)本身特性，其依然存在芯片脫粘時(shí)間相 對(duì)較長(zhǎng)，無(wú)法適應(yīng)目前對(duì)電子器件快速轉(zhuǎn)移需求，而且其中的微結(jié)構(gòu)由于其特殊的結(jié)構(gòu)，使 得其制造成形過(guò)程復(fù)雜，對(duì)制備工藝要求較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種用于超薄/柔性電子器 件的轉(zhuǎn)移裝置、方法及應(yīng)用，其通過(guò)對(duì)放置方式和原理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而顯著降低器件脫粘 時(shí)間，使得電子器件的放置速度大為提高，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，電子器件轉(zhuǎn)移效率可以得到明 顯提尚。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于電子器件轉(zhuǎn)移的裝置，實(shí) 現(xiàn)電子器件從供體基板至受體基板的轉(zhuǎn)移，該裝置包括：
[0010] 上電極層和下電極層，其對(duì)置間隔布置，通電后在兩者之間可產(chǎn)生電場(chǎng)；
[0011] 粘性層，其固結(jié)在下電極層的下表面，用于粘接待轉(zhuǎn)移的電子器件以將其從供體 基板上拾取并從而可轉(zhuǎn)移；
[0012] 其特征在于，還包括設(shè)置在上電極層和下電極層之間的電活性層，當(dāng)電子器件被 移動(dòng)到受體基板上方后，其可在兩電極層通電而產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下被擠壓而產(chǎn)生縱向以及 橫向的變形，該變形驅(qū)動(dòng)電極層和粘性層產(chǎn)生變形，從而產(chǎn)生剪力和/或凹凸頂起力，作用 在附著于粘性層表面的電子器件上，使其被脫粘并放置于受體基板上。
[0013] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述電活性層材料可以為電致伸縮聚合物 (Electrostrictivepolymers)如PVDF類材料、或者介電彈性體（dielectric elastomers)如娃燒基類聚合物（silicone)。
[0014] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述電活性層根據(jù)具體的工藝的不同，其厚度可以在數(shù)十微 米到百微米之間。
[0015] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述電活性層可以為堆疊式互連結(jié)構(gòu)，該互連結(jié)構(gòu)中的電活 性層厚度應(yīng)控制在數(shù)個(gè)微米。
[0016] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述電活性層尺寸可以根據(jù)變形公式=/w^t///VAP)2 來(lái)確定，式中，n是堆疊的電活性層層數(shù)，kJPk^分別代表電活性材料本身的介電常數(shù)和 真空介電常數(shù)，電壓U施加在厚度為hEAP的電活性層上。
[0017] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，電極表面優(yōu)選具有一定圖案，其可實(shí)現(xiàn)在電場(chǎng)作用下電活性 層在圖案的空隙中產(chǎn)生凸起，該凸起產(chǎn)生的頂起力耦合橫向產(chǎn)生的剪力可實(shí)現(xiàn)電氣器件更 好的脫粘。該圖案的存在，使得在電極電場(chǎng)作用下將對(duì)電活性層產(chǎn)生擠壓，從而電活性層將 在圖案的空隙中產(chǎn)生凸起，進(jìn)而使得所述的粘性層表面呈現(xiàn)凹凸?fàn)?。器件放置時(shí)，利用凸起 產(chǎn)生的頂起力耦合橫向產(chǎn)生的剪力可以更好的適應(yīng)大薄類型的電子器件剝離。
[0018] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述電極表面的圖案優(yōu)選為多個(gè)小孔或凹槽。
[0019] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，上述電子器件的橫向尺寸要小于粘結(jié)層的尺寸，便于電子器 件在粘結(jié)層變形的作用下主動(dòng)脫粘。
[0020] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述粘性層的材料可為PDMs，其具備粘彈性能力。
[0021] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，上電極頂部附著具有一定彈性的有機(jī)材料用于連接該裝置與 動(dòng)力裝置。
[0022] 作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述的裝置可以結(jié)合真空吸附作用力，從而更好的完成電子 器件的拾取與放置。
[0023] 本發(fā)明的用于電子器件轉(zhuǎn)移的裝置、方法與工藝，其可以完成電子器件完好無(wú)損 地從供體基板轉(zhuǎn)移至受體基板。該過(guò)程一般可以分解為從供體基板拾取電子器件，和通過(guò) 該拾取頭轉(zhuǎn)移到受體基板合適位置上并放置電子器件。
[0024] 本發(fā)明采用的拾取方法是利用粘彈性材料或者對(duì)剪力敏感的粘性材料作為粘取 器件的粘性層，通過(guò)合理的控制接觸壓力、拾取速度等參數(shù)來(lái)完成電子器件的拾取。同時(shí)利 用電活性材料在電場(chǎng)作用下的變形來(lái)完成電子器件的主動(dòng)脫附和放置。
[0025] 本發(fā)明采用的電子器件轉(zhuǎn)移裝置包括一層或者多層電活性材料構(gòu)成的電活性驅(qū) 動(dòng)層；包括用于構(gòu)建電場(chǎng)的上、下電極層；包括具有一定粘性的粘性層。具體特征包括所述 的上電極層和下電極層分別固結(jié)在電活性層的上下表面；所述的粘性層固結(jié)在下電極層的 下表面。
[0026] 進(jìn)一步的，在所述的電活性層，根據(jù)具體的工藝的不同，其厚度可以在數(shù)十微 米到百微米之間，進(jìn)一步的，如果需要減小所需電場(chǎng)大小，可以制造成堆疊式互連結(jié)構(gòu)， 該互連結(jié)構(gòu)中的電活性層厚度應(yīng)控制在數(shù)個(gè)微米。具體制作尺寸可以根據(jù)變形公式 廣「=%%(^///?|.^2來(lái)確定，式中，n是堆疊的電活性層層數(shù)，\和k汾別代表電活性 材料本身的介電常數(shù)和真空介電常數(shù)，電壓U施加在厚度為hEAP的電活性層上，為變形 量。根據(jù)此公式，當(dāng)單個(gè)電活性層可以控制在微米級(jí)，同樣變形下，電極電壓可以降低到百 伏左右，從而實(shí)現(xiàn)低壓控制。所述的電活性層可以使用電致伸縮聚合物（Electrostrictive polymers)如PVDF類材料、或者介電彈性體（dielectricelastomers)如娃燒基類聚合物 (silicone)，如polydimethylsiloxane等具備一定機(jī)械性能的材料。
[0027] 進(jìn)一步的，所述的電極材料為延展性較好的導(dǎo)電聚合物或者金屬材料，如聚乙炔 (摻雜碘或溴）、聚苯胺、金等。所述的導(dǎo)電聚合物電極可以在微米級(jí)；所述的金屬電極厚度 一般在數(shù)十納米級(jí)。
[0028] 進(jìn)一步的，所述的電極可以具有一定圖案，在電極電場(chǎng)作用下，電極將對(duì)電活性層 產(chǎn)生擠壓，從而點(diǎn)活性層將在圖案的空隙中產(chǎn)生凸起，進(jìn)而使得所述的粘性層表面呈現(xiàn)凹 凸?fàn)?。器件放置時(shí)，利用凸起產(chǎn)生的頂起力耦合橫向產(chǎn)生的剪力可以更好的適應(yīng)大薄類型 的電子器件剝離。無(wú)圖案的電極同樣可以對(duì)粘性層產(chǎn)生剪力，也可以剝離一定規(guī)格的電子 器件。
[0029] 進(jìn)一步的，上電極頂部附著具有一定彈性的有機(jī)材料用于連接該裝置與動(dòng)力設(shè) 備，涉及的動(dòng)力裝置包括電機(jī)或者氣缸，提供所需壓力和位移。
[0030] 進(jìn)一步的，所述的裝置可以結(jié)合真空吸附作用力，從而更好的完成電子器件的拾 取與放置。
[0031] 按照本發(fā)明的另一方面，提供一種利用上述裝置進(jìn)行電子器件轉(zhuǎn)移的方法，以將 電子器件從供體基板轉(zhuǎn)移至受體基板，其特征在于，該方法包括：
[0032] (1)所述的轉(zhuǎn)移裝置中的粘性層下表面充分接觸電子器件上表面，并施加一定的 壓力，從而使得粘性層充分粘接器件；
[0033] (2)所述的轉(zhuǎn)移裝置充分接觸器件表面后，電子器件的供體基板固定后，所述的轉(zhuǎn) 移裝置帶動(dòng)電子器件以一定的速度完成器件與供體基板的剝離。
[0034] (3)電子器件被轉(zhuǎn)移至靠近受體基板目標(biāo)位置上方，在所述的上下電極施加電場(chǎng)， 使得電活性層產(chǎn)生變形，帶動(dòng)粘性層產(chǎn)生變形，進(jìn)而完成器