混合3D打印技术:实现定制化三维立体电子电路系统的新方法

混合3D打印技术是3D打印领域的重要研究方向之一。与传统3D打印仅能制造单一材料、单一功能的零部件相比,混合3D打印技术的技术优势在于集成多种制造工艺,加工不同类型材料,并能在产品三维结构基体打印过程中植入功能型元器件,并进行三维电路互连,从而实现高性能、高附加值、定制化产品的一体化直接制造。该技术在微机电系统、精密医疗件、生物医学检测、柔性电子器件等领域存在巨大应用潜力和产业需求,将成为消费电子、航空航天、汽车、国防等高端产业的使能技术。目前混合3 D打印技术面临的最大问题是无法在复杂三维结构表面或体内实现可靠性高、导电性优良的三维电路互连。现今常见的混合3D打印技术多采用直写工艺实现电路互连,该工艺可以在平面或曲面涂覆不同类型功能材料,主要方法包括:点胶工艺、气溶胶喷射、激光直写、喷墨打印等。然而直写工艺主要存在以下缺陷:第一,导电墨水的电导率相对于传统PCB电路板上的铜箔导线有较大差距;第二,多依赖高精度多轴运动平台实现三维定位,设备价格昂贵;第三,导电墨水中所含的部分溶剂对3D打印基底有腐蚀性,造成导电材料与基底材料的粘附力不足,且导电墨水固化后的机械强度有限,容易脱落或断裂。

针对以上问题,东南大学MEMS教育部重点实验室李霁课题组将多材料熔融沉积成型3D打印工艺和化学镀工艺相结合,研发出一种新型混合3D打印技术。该技术关键是在3D打印制造的复杂三维结构上选择性沉积金属,成功攻克了三维电路互连的难题。该组研究人员经系统性试验发现:通过专门配置的粗化、敏化活化、解胶及化学镀试液,并配合长期试验摸索出的工艺参数,可以在不同熔融沉积成型材料表面实现选择性化学镀。由此,研究人员应用多材料FDM 3D打印工艺制造出由可镀塑料和不可镀塑料共同组成的三维结构基体,并在可镀塑料表面沉积金属/合金层形成电路互连。在该技术中,首先,三维电路图形由熔融沉积成型3D打印工艺直接实现,无需进行额外的图形化工艺,大大简化了工艺流程。其次,电路互连通过金属镀层实现,电导率可达到传统PCB工艺水平,显著提升了三维电路系统的性能。另外,金属镀层机械强度较高,与塑料基底粘附力优于直写工艺所采用的导电墨水,大幅改善了三维电路互连的可靠性。经测试发现:镍磷合金镀层与塑料基底间结合力可达胶带剥离试验的最高强度等级(5B),而其电阻率仅为6.7 × 10−5 Ω cm。

该课题组研究提出的混合3D打印技术,工艺流程简单,实用性和经济性好,可以满足未来定制化电子产品结构和功能一体化制造的需要。相关成果论文发表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201800529)上。

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