CN103380003B - 用于oled打印的模块化打印头 - Google Patents

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Abstract

本发明总体上涉及一种配置成便于打印头的接近和快速置换的模块化打印头。在一个实施例中，本发明涉及一种集成打印头，其包括：打印头片，所述打印头片在其上支撑多个微孔；支撑结构，其用于支撑打印头片；加热器，其插介于打印头片与支撑结构之间；以及电迹线，其将加热器连接至电源。支撑结构容纳有通过过孔且形成在所述支撑结构内的电迹线，以便形成将所有连接包含在内部并提供可容易置换的打印头的固态打印头。

Description

用于OLED打印的模块化打印头
本申请要求2011年6月6日提交的申请号为13/154,419的申请的优先权，所述申请要求2011年2月4日提交的临时申请号为61/439,816的临时申请的优先权；本申请还要求2008年6月13日提交的申请号为12/139,409的申请的优先权，所述申请本身又要求2007年6月16日提交的临时申请号为60/944,000的临时申请的优先权；所有标识申请的公开内容在此全文并入。
技术领域
本发明涉及用于有机发光装置或有机发光二极管(OLED)的材料的蒸发打印的打印头。更具体地说，本公开涉及一种MEMS打印头，所述MEMS打印头由硅材料制造，并且利用背侧支撑结构装配，以便限定易于构成、附接和装配的模块化打印头。
背景技术
诸如用于平板显示器的有机发光二极管(OLED)之类的有机光电装置是通过下述来制成的：将有机膜的层沉积在目标衬底上，并且将膜堆的顶部和底部耦联至电极。利用先进的技术，能实现100纳米量级的膜层厚度。
一种这样的技术通过有机材料从热打印头的热蒸发来将OLED膜层沉积在衬底上。有机墨材料首先溶解在液体载体中，以形成液态墨。液态墨被传输至打印头，并且目标衬底和打印头被拉至非常接近。液态墨于是被分阶段地加热。第一阶段使溶剂蒸发。在第二阶段期间，墨被迅速加热至高于其升华温度，直到有机墨材料蒸发从而导致有机蒸汽冷凝到目标衬底上为止。该过程可重复，直到实现所期望的膜层厚度为止。墨的成分可改变，以实现不同的颜色，并且优化诸如粘性和升华温度之类的其他特性。
在打印这样的膜中，同样重要的是，将干燥的膜沉积在表面上，使得被沉积的材料在与衬底接触时形成大致固体的膜。固体膜必须具有均匀的厚度。这与将湿墨沉积在表面上并且然后干燥所述墨以形成固体膜的墨打印形成了对比。由于墨打印沉积湿膜，所以通常称为湿式打印法。
湿式打印法具有多个显著的缺点。首先，随着墨变干，墨中的固体内含物可能不均匀地沉积在沉积区上。也就是说，随着溶剂蒸发，膜的均匀性和厚度相当大地改变。对于需要精确的均匀性和膜厚的应用，均匀性和厚度中的这样的变化是不可接受的。第二，湿墨可能与在下的衬底相互作用。这种相互作用当在下的衬底预涂有精细的膜时尤其成问题。最后，打印的膜的表面可能是不均匀的。对OLED沉积来说，其中解决了这些问题的应用是重要的。
湿式打印的问题可通过利用干式转印打印技术部分地解决。通常在转印打印技术中，首先将要沉积的材料涂在转印片材上，然后使片材与材料要转印在上面的表面接触。这是在染料升华打印背后的原理，其中，染料从与材料要转印在上面的表面相接触的带状物升华。这还是在复写纸背后的原理。然而，干式打印方法引入了新的问题。由于在转印片材与目标表面之间需要接触，所以如果目标表面精细，则其可能被该接触损坏。此外，转印可能不利地受到在转印片材或目标表面上存在的少量颗粒的影响。这样的颗粒将产生妨碍转印的接触不良区域。
颗粒问题在转印区域具有大面积的情况下（如典型地用于对诸如平板电视机之类的大面积电子装置进行的处理中那样）尤其尖锐。另外，传统的干式转印技术仅利用了转印介质上的材料的一部分，导致了低的材料利用率和相当大的浪费。当膜材料非常昂贵时，膜材料利用率是重要的。
另外，高分辨率OLED显示器可能需要100微米或更低量级的像素特征尺寸。为了实现该程度的质量控制，打印头间隙，也就是说打印头与目标衬底之间的间隙应规定在与所期望的像素特征尺寸相称的数量级上。已经提出了将MSMS技术用来制造用于具有该精度水平的蒸发沉积的热打印头。要由该方法解决并且也是由本发明所要解决的问题之一是如何在使足够小的打印间隙成为可能的同时将热能输送至MEMS热打印头的打印表面。
发明内容
本发明总体上涉及一种被构造成用在小于50微米的打印间隙的模块化打印头。在一个实施例中，本发明涉及一种集成打印头，包括：打印头片，所述打印头片在其上支撑多个微孔；支撑结构，所述支撑结构用于支撑打印头片；加热器，所述加热器插置于打印头片和支撑结构之间；以及电迹线，所述电迹线将加热器连接至电源。支撑结构容纳有通过电气过孔且形成在所述支撑结构内的电迹线，以便形成将所有连接包含在内部并提供容易置换的打印头的固态打印头。
一种用于构成打印头的方法，包括步骤：在打印头片的远侧表面上形成多个微孔；在打印头片的近侧表面上形成加热器；在支撑结构上形成至少一根电迹线；以及通过连接接头将支撑结构连接至电加热器或打印头片中的一个。支撑结构提供了电源与加热器之间的固态连接，并且其中，连接接头提供了用于所述连接的路径。打印头可限定集成的固态装置。
本发明的另一实施例涉及一种用于打印OLED材料的打印头模块。该打印头包括具有近侧表面和远侧表面的打印头片，远侧表面限定多个微孔。加热器与打印头片的近侧表面热连通。支撑结构还设置成接纳并支撑打印头片。支撑结构提供了用于将加热器连接至电源的迹线。打印头片与加热器和支撑结构结合以形成打印头。在一个实施例中，打印头片的远侧表面限定了小于20微米的平面度公差。
附图说明
将参考以下示例性且非限制性的说明来讨论本发明的这些及其他的实施例，其中相同的元件被相似地编号，并且附图中：
图1示意性地示出了包含OLED膜的衬底；
图2是传统的开式打印头的示意性图示；
图3示意性地示出了利用传统开式打印头的OLED打印；
图4图示了闭式OLED打印头；
图4B示意性地示出分送过程；
图5示意性地示出本发明的一个实施例的截面视图；
图6A和6B示出了根据本发明的一个实施例的打印过程；
图7A示出了根据本发明的一个实施例的集成装配件；
图7B示出了根据本发明的一个实施例的打印头片；
图8A示出了根据本发明的一个实施例的集成打印头支撑结构；
图8B是图8A的集成打印头支撑结构的分解图；
图8C示出了图8A的集成打印头装配件的背侧；
图9是用于实现本发明的实施例的示例性过程；以及
图10A-10C示意性地示出了根据本发明的一个实施例来打印OLED膜。
具体实施方式
OLED材料的应用需要在衬底上产生大致平坦的OLED层。厚度的变化可能导致不合需要的结果和制造后的失效。
图1示意性地示出了支撑OLED膜的衬底。具体地，图1示出了在其上具有OLED膜110的衬底100。如所阐述的那样，期望沉积具有均匀厚度的OLED膜。在图1的示意图中，OLED膜110具有平坦表面。
图2是传统的OLED打印头的示意性图示。图2的OLED打印头210定位在衬底200上方。打印头210接纳以液体形式的OLED材料230。在一个实施例中，OLED材料230由悬浮和/或溶解在载体液体中的固体OLED颗粒限定。传统的载体液体包括可具有低的蒸汽压力的溶剂。
打印头210可包括一个或多个电阻加热器。在图2中，电阻加热器220被示出在打印头210的远侧表面上。尽管图2的示意性图示示出了电阻元件220在打印头210的远侧(底)表面上，但是将加热器安置在近侧(顶)表面上也是可能的。还能够在打印头的近侧和远侧表面上都包括电阻加热器。在操作性实施例中，在打印头210的近侧表面处接收液体材料230，并且液体材料230被吸入微孔212。电阻加热器220从OLED材料230大致去除所有载体流体，并且在分送之前使固体OLED材料蒸发。该过程示意性地示出于图3中，其中从打印头310分送OLED蒸汽330。可在分送之前使OLED颗粒蒸发。升华的颗粒被接纳在比打印头310的远侧表面(和加热器320)冷的衬底300处。温差使OLED材料330冷凝在衬底300上，从而形成OLED膜340。
图4A图示了传统的闭式OLED打印头。同图3所示的打印头比较起来，闭式打印头具有在一端封闭的微孔。在图4A中，微孔412形成为打印头410中的微盲孔。加热器420定位在打印头410的近侧表面上。加热器420经由丝焊导线440与电压源450连通。
在操作中，打印头410的盲孔412接收包含了悬浮和/或溶解在载体液体中的一些固体颗粒的OLED材料460。OLED材料460通过微孔的毛细作用被吸入微孔412。然后启动加热器420，并且然后使打印头410如由箭头所示地绕轴线旋转成(或相对于衬底定位成)面对衬底400。图4B示意性地示出了从打印头410的盲孔进行的分送过程。在此，加热器420已使载体流体从OLED材料460中蒸发。另外，固体颗粒已大致蒸发。在面对衬底400时，蒸发的OLED材料460从微盲孔进行分送，并且蒸发的OLED材料460冷凝在衬底400上，以形成OLED膜470。
如所阐述的那样，最优制造需要OLED膜470具有均匀的厚度和足够的打印分辨率。OLED材料460从打印头410喷射，并且当其接近衬底时侧向展开。打印头420与衬底400的接近程度可直接影响OLED膜470的厚度均匀性和分辨率。因此，需要使打印间隙最小化至可与能接受的打印特征的边缘展开比较的距离，所述打印间隙对于典型的应用可为大约20～30微米。小于50微米的打印间隙从打印头的远侧表面排除了对丝焊或其他突出特征的使用。
图5示意性地示出了本发明的一个实施例。与传统的打印头形成对比，图5的实施例限定了一种集成装置，其在不需要具有从打印头表面突出的丝焊（wire-bonds）的情况下能容易地装配至大的打印机阵列(或从大的打印机阵列拆卸)。丝焊还妨碍了以获得足够的特征分辨率和厚度均匀性的小间隙来打印OLED材料。在图5中，打印头510示出为在其远侧表面上具有盲孔512。打印头510可由硅片形成。电阻加热器550连接至打印头的近侧表面。支撑结构520通过一系列互连件耦联至打印头/加热器，所述一系列互连件包括在下的金属块526、焊料块524和封装焊盘522的。这些互连件通过连接线562和564提供了电阻加热器550与电源560之间的电连接。支撑结构520可包括一种或多种陶瓷或半导体材料。支撑结构520包括分别与连接线562和564连通的内部电迹线542和544。
控制器590可包括用于控制电压源560的一个或多个处理器电路(未示出)和一个或多个存储电路(未示出)。控制器590控制一个或多个打印头的加热。为此，存储电路可包含用于处理器的指令，以加热OLED材料，从而大致去除所有载体流体，并且启动加热器，从而蒸发固体OLED颗粒并使其从微孔512喷射在衬底上。在示例性实施例中，存储电路还可包含使打印头紧邻打印衬底的指令。这样的指令可在处理器电路和一个或多个致动系统的帮助下实现，通过所述致动系统，衬底和/或打印头中的一个或两者在打印之前相对于彼此定位(对准)。
图6A和图6B示意性地示出了根据本公开的实施例的打印过程。在图6A中，打印头片610定位成在微孔612处接纳OLED材料605。OLED材料605包括载体溶液中的固体和溶解的OLED颗粒。集成系统601包括打印头片610、支撑结构620、加热器650、UMB金属626、焊料球624、封装焊盘622和电触点630。支撑结构620包括用于将加热器650连接至电源(未示出)和/或控制器(未示出)的迹线640。在接纳OLED材料605时，可启动电阻加热器650，以大致将所有的载体液体从打印头的远侧表面蒸发。
间隙613形成在打印头片610中，以形成隔离结构，从而减少打印头的加热部分的热质量。因而，能快速并且有效地加热打印头的墨接纳部分。应指出的是，间隙613仅出现在图6的结构的轮廓中。以下将讨论集成打印头的平面图。
可使UMB金属626、焊料球624和封装焊盘622导电，以便将电功率传送至电阻加热器650。根据本发明的实施例，集成系统601限定了排除丝焊的固态系统。
参考图6B，集成打印头现在相对于衬底定位并对准，使得打印头的远侧表面面对衬底600。在本发明的一个实施例中，在对准之后，电阻加热器可用于使剩余在微孔中的任何OLED材料蒸发。蒸发的OLED材料607冷凝在衬底600上，以形成OLED膜609。
如所阐述的那样，沉积具有均匀厚度和足够的特征限定的OLED膜607可能是非常需要的。申请人已发现，OLED膜607的厚度均匀性和打印分辨率与位于打印头片610的远侧表面和衬底600之间的间隙611直接相关。在本发明的实施例中，间隙611构造成小于30微米。在优选的实施例中，间隙在25～30微米的范围内。在另一优选的实施例中，间隙小于20微米。在示例性实施例中，打印头片的远侧表面限定了小于20微米的平面度公差。在另一示例性实施例中，所述远侧的公差在5～10微米的范围内。
图7A示出了根据本发明的一个实施例的集成装配件。集成装配件700包括支撑结构760、焊料块接头750、悬置结构720和悬置平台710。如所阐述的那样，支撑结构760可由陶瓷材料形成。在图7A中还示出了分别与图5和图6中所示的间隙513和613对应的隔离沟槽770。悬置结构720使得将打印头中的微孔与固体质量的其余部分热隔离成为可能。
图7B示出了根据本发明的一个实施例的打印头片。打印头片705示出了悬置平台710、悬置结构720、加热器金属730和UBM焊盘740。能从图7A和图7B容易看到的是，打印头片705在支撑结构760上的装配包括耦联这两部分并且使焊料块接头750重熔（或软熔）。因而，所公开的实施例导致了相当高的制造效率。
图8A示出了根据本发明实施例的集成打印头支撑结构。集成打印头支撑结构800示出为在其两端具有提供保持系统的凸缘810。打印头支撑结构800还示出为具有结合焊盘820，所述结合焊盘820可由金、银或可被焊料润湿的任何其他导电材料制成。
图8B是图8A的打印头支撑结构的分解图。在此，结合焊盘820示出为在集成打印头装配件的顶层上，继之以第一组电气过孔830、内部布线迹线840和第二组电气过孔850。如从图8A和图8B所看到地，模块化设计能提供相当高的制造效率。分层设计可制成具有氧化铝和钨的电迹线。在示例性实施例中，这些层是丝网印刷的。喷射焊料球或电镀焊料可用于低熔点重熔的片附接。在一个实施例中，具有95wt.%的锡、低于5wt.%的银和低于1wt.%的锡的近似成分的焊料球被用于提供电的、热的和机械的连接。焊料球可设计成在打印头与支撑结构之间提供在大约100～400μm间隙的范围内的间隔。在另一实施例中，间隙在大约200～300μm的范围内。
图8C示出了图8A所示的支撑结构的下侧。具体地，图8C示出了允许控制器(590，图5)和/或电源(560，图5)与打印头连通的电接触焊盘870。在图8中还示出了凸缘810。由加热器730产生的热通过热接触区域880从集成打印头传输至散热器。
图9是用于实现本发明的实施例的示例性过程。图9的过程开始于步骤910，其中在片中形成一个或多个微孔。在一个实施例中，微孔是微盲孔。在另一实施例中，微孔限定了连接片的顶面和底面的腔。在又一实施例中，一系列精加工的微盲孔形成在硅片上。在步骤920中，在片的一个或两个表面上形成电阻加热器。电阻加热器可由传统材料制成。在步骤930中，利用陶瓷材料形成支撑结构，其中，支撑结构配置有用于与电阻加热器连通的电迹线。在步骤940中，利用一个或多个连接接头将支撑结构耦联至打印头。连接接头可通过以下来形成：提供在加热器上的在下的金属块(UBM)、将焊料块沉积在UBM上并且使封装焊盘插介于焊料块与支撑结构之间。当结合时，打印头与支撑结构形成无延伸的丝焊的固态集成单元。另外，由于打印头提供固态单元，所以在打印头的远端上没有导线；这使得能够将打印头定位成格外紧邻衬底，这继而允许打印显著改善的平坦OLED膜。
图10A-10C示意性地表示了根据本发明的一个实施例打印OLED膜。在图10A-10C中，打印头相对于OLED供应部和衬底是固定的。参考图10A，OLED供应部1010将OLED滴1015分送在打印头1030的表面上。尽管未示出，但打印头包括如上所述的一个或多个微孔和电阻加热器(包括控制电路)。打印头1030由卡具1020保持固定。在图10B中，玻璃板衬底1050定位在打印头上方。另外，启动与打印头1030相关联的加热器，以便大致使包含于OLED滴1015中的所有载体液体蒸发(图1)。在图10C中，电阻加热器引起OLEC材料从打印头1030的蒸发，并且其在衬底1050上冷凝。在图10A～10C所示的过程期间，在OLED供应部1010和衬底1050相对于打印头移动并对准的同时，打印头1030保持固定。在打印头1050上形成的膜1055限定了具有所期望的厚度和表面形貌的OLED膜。
尽管已相对于在此示出的示例性实施例说明了本发明的原理，但本发明的原理不限于此，而是包括其任何变型、变体或置换。

Claims (29)

1.一种用于OLED打印的集成打印头，包括：
打印头片，所述打印头片在其上支撑多个微孔；
支撑结构，所述支撑结构用于支撑所述打印头片；
加热器，所述加热器在所述打印头片上并且插介于所述打印头片与所述支撑结构之间；以及
电迹线，所述电迹线将所述加热器连接至电源；
其中，所述支撑结构容纳有通孔并且穿过所述支撑结构形成的所述电迹线，所述打印头片还包括形成了通过所述打印头片的腔的第一沟槽。
2.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述多个微孔中的至少一个是微盲孔。
3.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述支撑结构包括陶瓷材料。
4.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述加热器被线性地设置在所述打印头片的近侧表面上，并且所述多个微孔设置在所述打印头片的远侧表面上。
5.根据权利要求4所述的打印头，其中，所述打印头的所述远侧表面限定了5～10微米的平面度公差。
6.根据权利要求1所述的打印头，还包括将所述加热器连接至辅助电源的辅助电迹线。
7.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述集成打印头限定了排除丝焊的固态装置。
8.根据权利要求1所述的打印头，还包括用于将所述支撑结构连接至所述打印头片上的至少一个加热器的至少一个连接接头。
9.根据权利要求8所述的打印头，其中，所述连接接头包括焊料块、封装焊盘或在下的金属块中的至少一个。
10.根据权利要求8所述的打印头，其中，所述连接接头接纳所述电迹线。
11.一种用于形成用于OLED打印的集成打印头装置的方法，所述方法包括：
在打印头片的远侧表面上形成多个微孔；
在所述打印头片的近侧表面上形成加热器；
形成通过所述打印头片的沟槽；
在支撑结构上形成至少一根电迹线；
通过连接接头将所述支撑结构连接至所述加热器或所述打印头片中的一个；
其中，所述支撑结构提供了电源与所述加热器之间的固态连接，并且其中，所述连接接头提供了用于所述连接的路径。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述至少一个微孔限定微盲孔。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述打印头片包括硅材料。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述支撑结构还包括陶瓷材料。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述打印头的所述远侧表面限定了5～10微米的平面度公差。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括通过辅助电迹线将所述加热器连接至辅助电源。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述集成打印头限定了排除丝焊的固态装置。
18.根据权利要求11所述的方法，还包括通过多个连接接头将所述支撑结构连接至所述加热器或所述打印头片中的至少一个。
19.根据权利要求11所述的方法，还包括通过下述来形成连接接头：在所述加热器上的连接部位处形成在下的金属块、将焊料块沉积在所述在下的金属块上、以及使封装焊盘插介于所述焊料块与所述支撑结构之间。
20.一种用于在衬底上打印OLED的打印头，包括：
打印头片，所述打印头片具有近侧表面和远侧表面，所述远侧表面限定多个微孔；
加热器，所述加热器与所述打印头片的所述近侧表面热连通；以及
支撑结构，所述支撑结构用于支撑所述打印头片，并且所述支撑结构提供了用于将所述加热器连接至电源的迹线；
其中，所述打印头片与所述加热器和所述支撑结构结合从而形成固态打印头，并且其中，所述打印头片的所述远侧表面限定了小于20微米的平面度公差，所述打印头片还包括形成了通过所述打印头片的腔的第一沟槽。
21.根据权利要求20所述的打印头，其中，所述打印头片限定了小于10微米的平面度公差。
22.根据权利要求20所述的打印头，其中，所述打印头片限定了在5～10微米的范围内的平面度公差。
23.根据权利要求20所述的打印头，其中，所述多个微孔中的至少一个是微盲孔。
24.根据权利要求20所述的打印头，其中，所述支撑结构包括陶瓷材料。
25.根据权利要求20所述的打印头，其中，所述迹线包括用于将所述加热器连接至所述电源的连接。
26.根据权利要求20所述的打印头，还包括用于将所述支撑结构连接至所述加热器的连接接头。
27.根据权利要求26所述的打印头，其中，所述连接接头包括焊料块、封装焊盘或在下的金属块中的至少一个。
28.根据权利要求26所述的打印头，其中，所述连接接头接纳所述迹线。
29.根据权利要求20所述的打印头，其中，所述打印头在打印时定位成离所述衬底不超过40微米。
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