新加坡國立大學(xué)CHARM3D技術(shù)3D打印微電子三維電路，無支撐

2024年8月1日，南極熊獲悉，新加坡國立大學(xué)(NUS)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型3D打印技術(shù)CHARM3D，無支撐，可以進(jìn)一步推動(dòng)電子產(chǎn)品微型化的發(fā)展。

通過CHARM3D技術(shù)微電子行業(yè)能夠制造出多種緊湊型電子產(chǎn)品，包括可穿戴傳感器、無線通信系統(tǒng)以及電磁超材料。該技術(shù)的獨(dú)特之處在于，它能夠在不依賴傳統(tǒng)支撐材料的情況下構(gòu)建穩(wěn)定的金屬結(jié)構(gòu)，并且這些結(jié)構(gòu)具備自修復(fù)能力，大大提高了制造靈活性和產(chǎn)品耐用性。

新加坡國立大學(xué)材料科學(xué)與工程系副教授Benjamin Tee領(lǐng)導(dǎo)了該研究的進(jìn)展，他表示：“"CHARM3D的研發(fā)標(biāo)志著我們?cè)?D打印技術(shù)應(yīng)用方面的重大突破。我們相信這項(xiàng)技術(shù)將為電子產(chǎn)品的微型化和醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展帶來全新的可能性。”

△該研究已發(fā)表在《Nature Electronics》期刊，題目為“基于張力驅(qū)動(dòng)的3D打印獨(dú)立式Field金屬結(jié)構(gòu)”（傳送門）

更簡(jiǎn)化的3D電路制造方法

現(xiàn)代電子產(chǎn)品，包括機(jī)器人、機(jī)器人技術(shù)和傳感器，越來越依賴3D電子電路來提高功能并實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步小型化。例如，3D結(jié)構(gòu)由于其巨大的有效表面積而提高了傳感器靈敏度和電池容量。

目前用于構(gòu)建3D電路的一種潛在3D打印方法是直接墨水書寫（DIW），但它存在一定的局限性。這種方法使用復(fù)合墨水，其中包含支撐成分，有助于打印后固化，但它的導(dǎo)電性較差。此外，墨水的高粘度會(huì)影響打印速度。

△利用CHARM3D技術(shù)能夠打印獨(dú)立金屬結(jié)構(gòu)，無需支撐材料和外部壓力

相比之下，F(xiàn)ield金屬是一種由銦、鉍和錫組成的共晶合金，具有較低的熔點(diǎn)和良好的導(dǎo)電性，因此成為3D打印的理想材料替代品。Field金屬的硬化速度快，打印過程中不需要支撐材料或外部壓力。

CHARM3D技術(shù)利用Field金屬的低熔點(diǎn)，通過控制噴嘴中的熔融金屬與打印部件之間的張力，形成均勻、光滑的微線結(jié)構(gòu)。這些微線的寬度可調(diào)節(jié)，通常在100至300微米之間，大致相當(dāng)于一至三根人類頭發(fā)的寬度。CHARM3D技術(shù)避免了DIW中常見的珠狀和不平整表面問題，具有高達(dá)每秒100毫米的打印速度，比傳統(tǒng)DIW技術(shù)有更高的分辨率，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜和精確的電路構(gòu)造。

另外，CHARM3D無需后處理，能夠創(chuàng)造出復(fù)雜的獨(dú)立3D結(jié)構(gòu)，如垂直字母、立方體框架和可伸縮螺旋。這些設(shè)計(jì)具有良好的結(jié)構(gòu)保持性和自修復(fù)能力，能夠從機(jī)械損傷中恢復(fù)，并支持可回收利用。

△通過應(yīng)用CHARM3D技術(shù)，設(shè)計(jì)和制造了一種可穿戴的無電池溫度傳感器系統(tǒng)的3D電路。該系統(tǒng)可以佩戴在人手上

深遠(yuǎn)的應(yīng)用

該團(tuán)隊(duì)特別指出，CHARM3D技術(shù)在醫(yī)療保健領(lǐng)域具有顯著應(yīng)用潛力。他們成功打印了無需電池的可穿戴溫度傳感器的3D電路、用于無線生命體征監(jiān)測(cè)的天線，以及用于電磁波操控的超材料，展示了CHARM3D在多種應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)的醫(yī)院設(shè)備如脈搏血氧儀和心電圖需要與皮膚接觸，這可能令人不適且增加感染風(fēng)險(xiǎn)。利用CHARM3D技術(shù)，非接觸式傳感器可以集成到智能服裝和天線中，從而在家庭、輔助生活機(jī)構(gòu)和醫(yī)院中實(shí)現(xiàn)持續(xù)精確的健康監(jiān)測(cè)。

△該設(shè)備由NFC供電，由LCD演示溫度變化

此外，利用CHARM3D創(chuàng)建的3D天線陣列或電磁超材料傳感器可能改善信號(hào)檢測(cè)和處理應(yīng)用，提升信噪比并增加帶寬。這項(xiàng)技術(shù)為開發(fā)用于特定通信的定制天線，以及更精確的醫(yī)學(xué)成像（如微波乳房成像用于早期腫瘤檢測(cè)）和先進(jìn)的安全應(yīng)用（如探測(cè)隱藏設(shè)備或違禁品發(fā)出的特定電磁特征）鋪平了道路。

Tee表示：“作為先進(jìn)電子電路制造的解決方案，CHARM3D提供了一種更快、更簡(jiǎn)單的金屬3D打印方法，為工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)和復(fù)雜3D電子電路的廣泛應(yīng)用帶來了巨大的希望。”