在图形上多层电路的印刷

本申请要求于2018年10月15日提交的美国临时申请No.62/750，702的优先权，其全部内容在此引入作为参考，如同其全部内容所述。

背景技术

技术领域

本发明一般涉及增材制造印刷，更具体地，涉及用于在图形上印刷多层电路的装置、系统和方法。

背景技术

在人机接口(HMI)、传感器读出器和驱动器电路的已知技术中，通常使用柔性印刷电路板(PCB)技术来制造电路。当出现对图形的需要时，例如对于用于电器的HMI，通常根据需要将有源导电电路结合或胶合到图形。在很大程度上是由于以下事实：只有这种结合或胶合的实施方式适于承受HMI的复杂制造工艺中出现的问题，诸如通常用于创建HMI的热成型或包覆成型。不幸的是，使用胶合和接合制造的费用和复杂性，以及诸如在柔性或非柔性印刷电路板(PCB)上单独创建有源电路，限制了目前在典型的HMI中使用的电路的可用复杂性和性能。

此外，这些基于结合、胶合和/或PCB的实施方式的复杂性要求在制造过程中使用许多不同类型的设备以产生HMI。因此，需要具有使用附加工艺在多层中以一组小且一致的设备制造HMIs、传感器读出器和驱动器电路，从而允许HMI的额外复杂性和改进的性能。

因此，需要一种在图形上印刷多层电路的装置、系统和方法。

发明内容

本发明是以及包括至少一种在图形上印刷多层电路的装置、系统和方法。多层印刷可以包括形成电子人机接口、传感器读出器或驱动器电路，例如可包括在包括热成型件和包覆成型件中的一个的基底上连续印刷至少两个功能油墨层，所述至少两个功能油墨层包括至少一个导电层和至少一个介电层；在连续印刷的序列中印刷至少一个非导电性图形化油墨层；在印刷每一个连续印刷的层之后固化每一个连续印刷的层，其中连续印刷的功能油墨层的固化包括至少紫外线固化；以及用具有低硬度的例如小于大约70硬度的刮涂器刮涂至少所述一个导电层。

连续印刷的功能油墨层的序列可以包括导电层，接着是两个介电层，接着是另一个导电层，接着是介电层。实施方式还可以包括在连续印刷的层中的最后一个之上印刷封装层。图形化油墨层还可包括非碳。

本发明还可以包括形成人机接口的装置、系统和方法。该装置、系统和方法可以包括热成型基底；多个紫外线固化的功能油墨层，其至少包括触摸响应电路、适于点亮触摸响应电路的背光驱动电路、以及至少赋予触摸响应和背光驱动电路功能性和保护性的多个介电层；以及将图形与触摸响应电路相关联的至少一个图形化油墨层。

因此，本发明提供了一种在图形上印刷多层电路的装置、系统和方法。

附图说明

在附图中以示例而非限制的方式表示本发明，其中相同的标号表示相似的元件，并且其中：

图1表示多个增材制造的印刷层；

图2A-2C表示用于人机接口的示例性多层打印实施方式；

图3A和3B分别表示断开和未断开的多层印刷电路；

图4表示多层印刷品中的应力点和封装层；以及

图5是表示多层印刷方法的流程图。

具体实施方式

本文提供的附图和描述可能已经被简化以说明与清楚地理解本文描述的装置、系统和方法相关的方面，同时为了清楚起见，去掉了可以在典型的类似装置、系统和方法中发现的其它方面。本领域的普通技术人员可以认识到，对于实现本文所述的装置、系统和方法，其它元件和/或操作可能是需要的和/或必要的。但是因为这样的元件和操作在本领域中是公知的，并且因为它们不促进对本发明的更好理解，所以在此可能不提供对这样的元件和操作的讨论。然而，本发明被认为固有地包括本领域普通技术人员将已知的对所描述的方面的所有这样的元件、变化和修改。

本文所使用的术语仅是为了描述特定示例性实施例，而不是为了进行限制。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也可旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包含(comprises)”、“包含(comprising)”、“包括(including)”和“具有(having)”是包含性的，因此指定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。除非明确地确定为执行顺序，否则这里描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序执行。还应当理解，可以采用附加的或替代的步骤。

当元件或层被称为在另一元件或层“上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一元件或层时，其可以直接在另一元件或层上、直接接合到、直接连接到或直接联接到另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一元件或层时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应当以类似的方式解释(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。

尽管术语第一、第二、第三等可以在这里用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个元件、部件、区域、层或部分区分开。除非上下文清楚地指出，否则诸如“第一”、“第二”和其它数字术语的术语当在本文中使用时不暗示顺序或次序。因此，在不脱离示例性实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。

本文公开了计算机实现的平台、引擎、系统和使用方法。这些平台、引擎、系统和方法的所述实施例旨在是示例性的而非限制性的。因此，本文所述的系统和方法可适于提供多种类型的交互、数据交换等，并且可被扩展以提供对所述的示例性平台、引擎、系统和方法的增强和/或添加。因此，本发明旨在包括所有这样的扩展。

此外，能够理解的是，如本文所使用的术语“模块”或“引擎”不将功能性限于特定物理模块，而是可以包括任何数量的对系统的至少一部分具有变换效应的有形实施的软件和/或硬件组件。通常，根据一个实施例的计算机程序产品包括有形计算机可用介质(例如，标准RAM、光盘、USB驱动器等)，其具有在其中体现的计算机可读程序代码，其中计算机可读程序代码适于由处理器(与操作系统结合工作)执行以实现如下所述的一个或多个功能和方法。在这点上，程序代码可以以任何期望的语言实现，并且可以实现为机器代码、汇编代码、字节代码、可解释的源代码等(例如，通过C、C++、C#、Java、Actionscript、Objective-C、Javascript、CSS、XML等)。

为了解决热成型和包覆成型中的困难，例如用于人机接口(HMI)的控制台，例如用于例如洗衣机的家电，实施方式提供了匹配的油墨组和改进的3D打印工艺，用于包括图形和功能油墨层的多层印刷。也就是说，所提供的油墨组和改进的印刷方法允许使用印内标记，例如用于前述HMI。此外，如本文通篇所用，术语“印刷(print)”、“印刷物(printing)”、“印刷(prints)”、“印刷物(printings)”等可以表示任何已知类型的印刷方法，尽管某些实施例可具体使用附加的印刷方法，诸如丝网印刷方法。实施例中使用的印刷类型可以基于印刷所用的基底(例如热成型对包覆成型对稍后添加在热成型或包覆成型上的薄或厚膜基底)、基于用于印刷的最终食用环境而变化，和/或可以在给定印刷中逐层变化。

如本文所用，热成型是将热塑性片材加热至柔韧成型温度的制造工艺。然后将热成型体成型为特定形状，并根据需要进行模制和/或修整以产生可用的产品。历史上，在热成形之前或之后，在热成形上印刷是非常困难的，这是由于热成形装配到诸如器具HMI的产品中所需的处理。如果在对其加热之前在热成型件上进行增材制造印刷，则增材印刷通常将由于热而遭受破坏；并且如果在热成形之后进行印刷，则印刷物暴露于制造工艺的剩余部分和热成型件的装配通常会导致附加印刷物的破坏。在已知技术中，在热成型环境中的增材印刷的这种破坏中加剧，其中增材印刷包括由功能性和图形化油墨层组成的多个印刷层。

包覆成型是一种注塑工艺，它提供了显著的产品弹性和改善的产品外观。因此，历史上它在制造中被经常使用，其中最终产品，例如具有HMI的成品电器，使用复杂的最终模制组件设计。在典型的包覆成型工艺中，预模具由一种材料嵌入模制，然后转移到第二模具。在嵌件上的模制在冷却时与主件成为一体。简而言之，在包覆成型中，在第一模制部件周围形成新的塑料层。如上文关于热成型的情况，在任何试图在包覆成型HMI中使用增材印刷的努力中，形成包覆成型HMI所需的工艺历来会导致故障，尤其是如果增材印刷包括功能油墨层及图形化油墨层两者。

如本文所使用的短语，人机接口(HMI)包括发出信号以及控制设备和机器的状态所需的电子器件，其中控制信号基于人与HMI的交互而生成。作为非限制性示例，HMI的范围可以从基本LED状态指示器到背光手动按钮、到具有响应性背光和电容式或类似触摸屏接口的大型HMI面板。HMI应用需要机械坚固性和防水、防尘、防潮、宽温度范围，并且在一些环境中，应当提供通信和/或安全网络通信。

简而言之，热成型或包覆成型的HMI可能需要使用图形化油墨和功能油墨这两者。作为非限制性示例，HMI可具有两个图形化油墨层和至少三个，诸如五个功能油墨层。相应地，在各种功能层和非功能层之间的油墨特性和基底特性必须包括匹配的油墨组，以便提供HMI的最佳可操作性，并且进一步确保HMI的长寿命。

图1表示示例性的7层油墨组实施方式，并将功能和图形化油墨组组合在统一印刷(uniform print)中。如图所示，层1和2中，102、104可以包括图形化油墨102a、104a，层3中106可以提供导电电路106a，例如电容式触摸电路，其允许人与部分打印形成的HMI交互。层4和5中的108、110可以包括介电层，层7的112也是如此。层6的114还可提供允许额外的电子传导的导电层，以提供示范性实施例的特定有源HMI方面。

值得注意的是，在实施例中，层1的102可以是在多层印刷的剩余部分的基底上形成的图形化油墨层。此后，基底可以例如通过粘合剂固定到例如包覆成型件或热成型件上。或者，层1的102可形成直接印刷在接收基材(例如接收包覆成型件或热成型件)上的基底印刷层。

图2更具体地表示用于HMI装置的三个油墨层印刷物。如图所示，并且如图1的图示中的情况，层1的202包括图形化油墨印刷。出于贯穿本文所讨论的原因，通过非限制性示例，本文所采用的(一个或多个)图形化油墨层可以是非导电的墨，即非碳基的墨。在该图示中，增材层，即层2的204，包括电容式触摸电路204a的功能油墨层，所述电容式触摸电路204a还适于提供LED背光照明。如本文所述，功能导电油墨层可使用银导电油墨印刷，作为非限制性实例，例如Henkel提供的那些。如通篇所讨论的，功能介电油墨层可由杜邦公司(DuPont)提供，作为非限制性示例，诸如例如DuPont的ME773和/或ME775介电墨。

在说明性实施例中，电容性触摸电路204a可以包括用于电容性触摸屏的LED背光206a的LED驱动能力，如图2C所示。也就是说，在图2C的图示中，LEDs 206a用于点亮HMI中的电容式触摸按钮。不必说，在诸如图2所示的实施例中，可以采用微控制器210以便提供LED操作以及电容触摸数据的接收。作为示例，示例性微控制器可以是基于Atmel SAM D10智能ARM的微控制器。

不必说，所示的导电层可以包括导电性质的印刷功能油墨，例如HenkelAbestlek2030 SC。LED驱动能力可以由本领域技术人员已知的任何方式提供，例如使用Panasonic DMC26404驱动器。此外，至少为了提供LED操作和数据交换，所示的导电层可以连接到电源。作为非限制性示例，可以由HMI接口所连接到的设备/机器，例如器具，提供电力。例如，5V的电源可以连接地提供给图2B和2C中所示的(一个或多个)电路，该电路可以由HMI连接到的设备120V或220V的公用电源来转换。

更特别地，并且仅作为非限制性的例子，下面的表1-5表示示例性的油墨、屏幕、基底、打印机、刮涂器等，以允许生成图1和/或2中所示的HMI，更具体地，尽管表1-5的例子中的油墨固化可以通过基于烘箱加热来执行，但是在示例性实施例中，一个或多个层可以通过油墨的紫外线固化而不是基于烘箱固化。

表1

表2

表3

表4

表5

在某些实施方案中使用紫外线固化可以提供优于已知技术的各种优点。例如，在烘箱/热固化实施方案中，紫外固化限制或消除了在烘箱/热固化实施方案中的印刷油墨层中针孔的存在，针孔是至少因为油墨趋于塌陷，从而使油墨层的部分收缩。这种层塌陷可能导致在印刷迹线的区域中比其它区域更薄而形成针孔。另一方面，因为基于光的固化包括交联而不是加热，所以使用光固化的印刷层在任何部分都不会塌陷，从而基本上消除了针孔。当然，本领域技术人员将理解，可以在实施方案的一个或多个层中使用其他方法来解决针孔，例如在那些其他任何层中使用烘箱/热固化的程度。例如，印刷的油墨层的厚度可增加，或者在任何给定的印刷层上可出现多余的印刷，以便允许热固化和层收缩而没有显著的针孔。

如图3所示，在没有实施方式中提供的补救特征的情况下，如在实施例中所提供的多层印刷可能会产生另外的问题。作为非限制性示例，图3A表示第一导电层迹线304和与第一迹线304处于同一层中的第二导电层迹线306之间的断路302，其中，相同导电层的第二迹线306印刷在介电层部分308上，但是第一迹线304不是。在先前已知的实施例中，由在第二导电迹线306下方添加介电层部分308所引起的变化的台阶高度310通常导致导电性302的中断，例如当在包括第一和第二迹线304、306的印刷导电层上刷刮涂器时。如本领域技术人员将理解的，在增材印刷工艺中经常使用刮涂器以使印刷层变平，从而允许随后的印刷，和/或去除过量的印刷材料。

在示例性实施例中，因此，如图3B所示，使用较低硬度的刮涂器320，以在改变台阶高度时在印刷的层上刷刮涂器时提供附加的“宽容性”。作为非限制性的例子，所公开的实施例可以采用具有75或更小范围内的硬度的刮涂器320，例如具有大约60的硬度的刮涂器，这种优于已知技术的附加宽容度允许在台阶高度310处去除较少的印刷厚度，从而消除了已知技术中频繁出现的并且如图3A所示的电导率302的中断。

此外，如将理解的，在已知的多层印刷实施例中经常使用封装以便保护部件。然而，以类似于(上面讨论的)台阶高度的方式，封装层402可以在印刷层中产生一个或多个应力点404。图4表示了通过封装层402产生应力点404，因此，具有与导电层408“匹配”的油墨的介电层406可以被印刷在导电层上，使得随后的封装层402不接触导体，从而不能在各种应力点中的任何一个处对导体施加应力。

值得注意的是，过印刷介电层406可以仅覆盖导电层408的最可能遭受应力点的部分，可以仅覆盖导电层的导电迹线部分，或者可以覆盖整个导电层。由此，作为非限制性示例，例如图1中的层7，可以被全局或局部地用于保护导电层免受由图4中所示的封装层402引起的应力点的影响。

如上所述，如本领域技术人员所理解的，具有匹配的油墨组的多层电路，例如本文所公开的，可能需要固化每个连续印刷的油墨层。因此，必须使一个油墨层的固化不会对先前印刷和固化的油墨层的性能产生额外的损害。因此，如全文所引用的，如果不是所公开印刷物的所有层，实施例可以使用紫外固化方法，即基于光的固化方法，用于至少那些紧邻导电层的层。

例如，再次参考图1，下面的表6表示了从印刷导电层到印刷第一和第二电介质层(例如图1的层4和5)而在导电层中保持基本相似的电阻。导电层(例如图1的层3)的电阻的这种一致性表明，尽管在导电层固化(即第一和第二介电层固化)之后导电层经受多次固化，仍保持导电层的性能。通过多次固化保持导电层的性能部分地是由于在实施例中使用了紫外线固化。

表6

当然，可将其它考虑因素结合到本文所述的匹配的油墨组的开发中。例如，优选的是，非功能的即图形化的油墨层是非导电的和/或需要最小的固化。因此，如本文所讨论的，非碳油墨可以优选用于图形层，和/或紫外线固化可以用于这些层上。

此外，关于匹配的油墨组，图形化油墨层印刷的RMS(表面高度的均方根)值，即粗糙度应该小于印刷在图形层上的导电层的厚度。也就是说，如果图形层的粗糙度太大，则在印刷导电层时产生的峰和谷可能导致导电层的导电性以类似于上述台阶高度问题的方式中断。在示例性实施例中，导电层的厚度范围可以是图形层中的粗糙度的至少2-3倍。当然，本领域技术人员可以理解，可以采用其它方法以便“平滑”图形层印刷的粗糙度。例如，可以提供具有特定厚度、溶解能力或扩散的中间介电层，其将“吸收”图形层的粗糙度，使得当导电层印刷在中间介电层上时，导电层经受呈中间介电层形式的相对平滑的印刷基底。

图5是示出根据实施例的形成HMI的方法500的流程图。值得注意的是，将理解的是，关于图5所讨论的层的数量和类型仅以示例的方式提供。也就是说，在不脱离图5的说明的情况下，层的数量和类型可以出于不同目的而变化。

步骤501中提供了基底，例如用于HMI中的热成型件。在步骤502中，在基底上印刷由非导电、非碳油墨形成的图形层。在步骤504中，使用任何已知的方法固化该层。在步骤506，印刷介电层，并且在步骤508使用任何已知的方法固化该层。在步骤510，印刷导电层。在步骤512中，该层经受低硬度刮涂，并且在步骤514中进行UV固化。

在步骤516和520，印刷两个介电层，并且在步骤518和522都进行UV固化。在步骤530中印刷导电层，在步骤532使用低硬度刮涂器平整导电层，并在步骤534进行UV固化。最后，在步骤540印刷介电层，并在步骤542进行UV固化。

在前面的详细描述中，可以看出，为了实现以下目的，在单个实施例中将各种特征组合在一起以简化本发明。该公开的方法不应被解释为反映实施例需要比本文明确叙述的更多的特征的意图。也就是说，所列举的实施例仅是作为示例而提供的，并且本发明包括具有比示例性实施例更多或更少的元件的任何实施例，根据本文的讨论，这对于本领域技术人员来说将是显而易见的。