納米材料增材制造推動電子產(chǎn)品開發(fā)

來源： 電子工程3D打印

增材制造和它的核心工藝3D打印常常并不被認(rèn)為是相關(guān)的。3D打印通常被看作用于從3D CAD模型生產(chǎn)塑料結(jié)構(gòu)部件，但是3D打印生產(chǎn)的金屬部件現(xiàn)在已經(jīng)被應(yīng)用在許多工業(yè)領(lǐng)域。眾多3D打印工藝，像粉床熔融、噴射沉積、壓電噴墨、直接能量沉積以及其他等，這些工藝方法對于面向不同應(yīng)用場合直接從納米材料增材制造金屬零件是非常有用的。

在PCB制造中，應(yīng)用納米材料增材制造對于在絕緣基材上（并不限制在平面內(nèi)）打印焊盤、互聯(lián)孔、導(dǎo)線是非常有用的工藝。在上述提及的工藝中應(yīng)用納米材料于PCB板制造帶來了許多優(yōu)勢，遠(yuǎn)超現(xiàn)在不太先進(jìn)的工藝，人員熔融沉積（FDM）金屬合金于FR4基板上或者標(biāo)準(zhǔn)的PCB基材。

銀是常用的增進(jìn)制造納米材料之一

應(yīng)用納米材料增材制造PCB
在3D打印工藝中應(yīng)用傳統(tǒng)金屬材料主要圍繞在擠出工藝（如：FDM），這樣需要金屬合金具有較低的熔點(diǎn)。相比貴族金屬如金和銀，金屬合金絲材相比較為便宜，但是它們的導(dǎo)電性卻較低，使得它們不是電子器件的理想材料。在擠出工藝中，絲材的直徑和擠出孔徑是限制打印精度的主要因素。

  像石墨烯墨水及石墨烯金屬混合納米材料為在電子應(yīng)用方面提供了潛在的可能，赫瑞瓦特大學(xué)傳感器、信號和系統(tǒng)研究所的研究人員已經(jīng)展示了可以應(yīng)用噴墨3D打印工藝制造柔性電子器件。最近在期刊《Advanced Functional Materials》發(fā)表的文章，研究人員展示了采用共形絲網(wǎng)印刷石墨烯墨水制造的幾種單層、多層電子器件。

由氧化納米鐵碳混合而成的氧化石墨烯片層（TEM）

導(dǎo)電聚合物絲材和納米材料
聚合物具有很大范圍的電子特性，從絕緣到導(dǎo)體，可以被用于低溫成型工藝中。固體導(dǎo)電聚合物絲材可以用在擠出工藝中（如FDM工藝）。類似，導(dǎo)電聚合物納米材料可以采用噴射技術(shù)沉積，溶液和懸浮液都可以。更多采用的是溶液態(tài)沉積的方式，因?yàn)檫@樣可以消除隨后的燒結(jié)步驟。從溶液和懸浮液沉積都需要在沉積后聚合環(huán)節(jié)來生成連續(xù)的薄膜。

  由于聚合物的電子和光學(xué)特性差異性很大，它們可以通過功能化而被調(diào)整。這些材料對于3D打印半導(dǎo)體器件是非常理想的。一個中國研究團(tuán)隊(duì)近期展示了采用聚合物納米材料（PEDOT）3D打印的壓電單元和透明電極，說明其在PCB上潛在的光電器件的應(yīng)用。導(dǎo)電聚合物納米材料也可以被用于柔性PCB板上的導(dǎo)線。

導(dǎo)電氧化聚噻吩納米粒子 （SEM）

納米材料PCB增材制造未來的創(chuàng)新
根據(jù)不同的納米材料形態(tài)，在這里討論的材料可以通過添加有機(jī)功能組分很容易被功能化，可以使材料的光電特性可以被調(diào)整為與溶液/懸浮液中簡單的化學(xué)反應(yīng)過程相關(guān)。工程師和研究人員在材料的選擇方面正在尋找更具指導(dǎo)性的原則和納米材料增材制造的功能化方面的應(yīng)用，通過最近這篇文章（https://www.mdpi.com/1996-1944/11/1/166）可以找到非常好的指導(dǎo)性原則。他們已經(jīng)針對納米材料增材制造提供了更加全面的綜述。

目前，很多在這個領(lǐng)域的研究和商業(yè)系統(tǒng)主要集中在制造過程中的單材料沉積。由于增材制造的發(fā)展空間我們將會看到更多持續(xù)的創(chuàng)新，期望可以看到更多針對不同應(yīng)用產(chǎn)品的復(fù)合沉積多材料系統(tǒng)。在電子產(chǎn)品、系統(tǒng)及工藝的領(lǐng)域內(nèi)相比其他工藝可以使復(fù)合沉積絕緣材料和導(dǎo)電材料帶來更大的突破。

壓電噴墨工藝對于采用導(dǎo)電納米油墨增材制造電子產(chǎn)品是非常理想的，由于它提供了高分辨率、減少材料浪費(fèi)及固定的生產(chǎn)時間。合適的增材制造系統(tǒng)可以允許復(fù)合沉積導(dǎo)電油墨和絕緣油墨，對于3D打印全功能的PCB再合適不過了。層層打印工藝可以制造特殊形狀的PCB板、任意層內(nèi)互聯(lián)結(jié)構(gòu)，允許器件嵌置及任意幾何形狀。

如果你是一個電子設(shè)計(jì)工程師，采用納米材料和其他先進(jìn)材料的增材制造需要一個系統(tǒng)，可以適應(yīng)PCB生產(chǎn)的復(fù)雜沉積工藝。Nano的LDM系統(tǒng)是個不錯的選擇，可以自主打印平面/非平面復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電子產(chǎn)品。

小編認(rèn)為未來電子3D打印技術(shù)的發(fā)展，為了提高打印精度及電子特性，納米材料及具有優(yōu)異電子特性的有機(jī)材料是應(yīng)用的必然。雖然目前納米材料從其成型原理角度相比傳統(tǒng)塊體材料相比性能略差，但是電子產(chǎn)品應(yīng)用的角度而言，導(dǎo)電特性或只是其評價的一方面，其功能特性是一個綜合化的評價結(jié)果�；蛟S納米材料在犧牲了部分導(dǎo)電性或者機(jī)械特性能帶來其他方面功能特性的提升。未來開發(fā)適用于噴墨打印材料種類的多樣化，如文中提及適用于光電耦合PCB的光電材料，打印電子器件的功能特性則會呈指數(shù)擴(kuò)大，與市場應(yīng)用點(diǎn)的結(jié)合將變得更加容易，但這對增材制造系統(tǒng)的開發(fā)也提出了更高的要求。