随着5G通信、航空航天、人工智能、自动驾驶汽车和物联网等战略性新兴产业的快速发展,陶瓷电路板(CCBs)凭借其高导热性、高耐热性、优异的介电性能和机械强度,已成为传统树脂基印刷电路板(PCB)的可靠替代品。
当前电子设备朝着小型化和高功率方向发展,对陶瓷电路板提出双重要求:一方面,小型化需要高分辨率(小线宽/线间距)电路以减少占用面积;另一方面,小线宽会导致电阻增加,限制载流能力。增加纵横比(AR)是恒定线宽下提升载流能力的关键,但现有制造技术存在显著瓶颈——光刻、纳米压印等方法虽能实现高分辨率,却难以适配陶瓷基板的粗糙表面;丝网印刷(SP)、直接键合铜(DBC)等陶瓷金属化方法虽能制造厚膜,却无法实现高分辨率(如SP线宽通常>40μm,DBC>100μm),形成“小线宽与大厚度”的技术空白。
a:大线宽、低膜厚的商用陶瓷电路板(CCBs)示意图;b:小线宽、大膜厚的直立式陶瓷电路板(S-CCBs)示意图;
c:不同制造方法的线宽与膜厚对比图(DBC=直接键合铜,IJP=喷墨印刷,AJP=气溶胶喷射印刷,DPC=直接镀铜,LAM=激光活化金属化,SP=丝网印刷,LPBF=激光粉末床熔融),插图展示CCBs与S-CCBs导线横截面(线宽,膜厚);
d:粗糙Al₂O₃基板电荷分布不均导致喷射不稳定;e:牺牲涂层(SC)-Al₂O₃基板电荷分布均匀,喷射稳定;
f:Al₂O₃与SC-Al₂O₃表面电场强度变化;g:Al₂O₃上无法堆叠高AR银线;h:SC-Al₂O₃上可印刷高AR银线;
i:银浆在两种基板上的接触角;j:Al₂O₃上银线局部收缩并出现孔洞;k:SC-Al₂O₃上银线均匀收缩;
l:有无牺牲涂层的银浆热重(TG)分析曲线;m:Al₂O₃基板上45mm×45mm、线宽40μm的电路(与商用PCB分辨率相近);
n:5mm×5mm、线宽10μm的微型集成电路;o:子图l的高倍图像;p:线宽10μm、AR=1.37的4层银线SEM图。
研究提出牺牲涂层辅助微3D打印策略,结合平坦疏水的牺牲涂层与电场驱动(EFD)微3D打印,制备兼具高分辨率和高AR的直立式陶瓷电路板(S-CCBs),制造流程分三步:
牺牲涂层的核心作用:① 改善陶瓷基板粗糙表面的电场均匀性,避免喷射不稳定;② 隔离银浆与基板,结合电荷诱导自对准效应实现高AR多层堆叠;③ 消除基板锁定效应,使银线烧结时均匀收缩,提升导电性与附着力。
a:两种基板表面形貌;b:10×10μm区域Al₂O₃粗糙度(Ra=153nm,Rz=1240nm);c:10×10μm区域SC-Al₂O₃粗糙度(Ra=33nm,Rz=170nm);
d:两种基板表面轮廓对比;e:线宽标准偏差(Al₂O₃为3.1-5μm,SC-Al₂O₃稳定在0.7μm);f:烧结线宽收缩率(SC-Al₂O₃约为Al₂O₃的2倍,10.6μm线宽收缩后达7μm);
g:AR与层数关系(SC-Al₂O₃上1-8层AR从0.24升至2.3,Al₂O₃上AR基本不变);h:线宽与层数关系(SC-Al₂O₃线宽基本不变,Al₂O₃线宽持续增加);
i-j:Al₂O₃上印刷/烧结银线(存在断裂);k-l:Al₂O₃上多层银线轮廓(线宽增加);m-n:SC-Al₂O₃上印刷/烧结银线(形貌完整);o-p:SC-Al₂O₃上多层银线轮廓(AR提升)。
关键结论:SC-Al₂O₃基板粗糙度显著降低(Ra从153nm降至33nm),电场均匀性提升,使印刷线宽一致性提高、烧结收缩更充分,且多层堆叠时可保持线宽稳定并提升AR。
a:60匝、线宽10μm的微型电感器;b:线宽/线间距10μm/10μm的叉指电极(IDEs);c:3×4 LED阵列(通过银电路连接);
d-f:三种陶瓷基板(Al₂O₃、AlN、ZrO₂)上10μm银线(面积40mm×40mm);g:五角星阵列(线宽7.8μm,边长470μm);
h:圆形阵列(线宽14μm,直径500μm);i-k:2/6/8层银线(线宽10μm,AR分别为0.46/1.75/2.3)。
a:方阻/电阻与线宽关系(线宽增加则电阻降低);b:层数对电阻的影响(层数增加则电阻降低);c:银网电阻与线间距关系(线间距减小则电阻降低);
d:银线电阻变化率与温度关系(与纯银趋势一致);e:与其他技术的性能对比(本方法线宽7μm、导电性5.1×10⁷S/m,优于AJP、LAM等);
f:1000次附着测试(电阻变化率仅0.64%);g:1000次刮擦测试(电阻变化率稳定在7%);h:500小时化学腐蚀(水/盐酸/NaOH中电阻变化率分别为2.1%/8.5%/7.2%);
i:500小时热老化(500℃下电阻变化率9.8%,800℃后期急剧上升)。
a:温升测试示意图;b:带4个LED的测试电路;c:1层/6层电路实物;d:电压-电流关系(6层电路6V下电流4.49A,为1层的3倍);
e:不同层数电路的温升对比(1.5A下1层160℃、2层90.7℃、6层<38.9℃);f:不同条件下温度分布;g-h:0-350℃加热稳定性(200次循环稳定);
i-j:平面电感器(L1=单层20μm线宽,L2=6层10μm线宽)的电感与Q值(L2电阻更低、Q值更高);k:电感器温升对比(L2温度低于L1);
l-m:叉指电极传感器(S1=单层20μm线宽,S3=6层10μm线宽)的阻抗测试(S3对0.01-0.03ppm溶液灵敏度更高)。
全面解析森工DIW墨水直写3D打印机在该类研究中功能匹配情况及需定制功能,帮助用户更好地选择合适的3D打印设备及功能模块。
静场直写模块:
a. 电压 :最高电压30KV,额定电流1mA,0到最高电压连续可调,输出正负单一极性;
b. 电源精度:电压精度±(0.5%+1),电流精度±(4%+3);
c. 气体压力:最高0.8MPa;
d. 气体压力精度:±1KPa;(这个决定了挤出量稳定性)
e. 喷嘴规格:0.15mm 0.2mm 0.25mm 0.3mm 0.4mm;
f. 平板可用面积:200 *160 mm;通过高压静场环境实现μm级别的银浆材料打印,精确堆叠
①常温喷头进行陶瓷基底3D打印,可以实现个性化材料配方以及基底结构个性化设计;
②刮涂操作平台,通过旋转刮涂,实现μm级别的牺牲涂层打印;
①常温喷头打印:配备精密的调压模块,调压精度±1KP,气压实时可调;
②刮涂操作平台:刮涂速度实时可调,时间可调
③独立二级运动平台:
a. 独立的运动控制系统,支持独立运动,模块化快拆快装,拆卸后不影 响原来行程;
b. XYZ轴定位精度≤0.01mm;
c. 二级平台尺寸:257x290x69.5mm;
d. 二级平台可打印范围:200x150x30mm;
e. 二级平台独立移动范围:X≥100mm;Y≥160mm;Z轴≥6.5mm;便于打印过程中,通过显微镜实时查看每层的微观变化及中途干预。
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