中文| EN

学术分享 I 电场金属直写3D打印技术:制备高分辨率、高厚径比陶瓷电路板

发布时间:2025-10-20   浏览量:   分享到:

电场金属直写.pdf 论文解读

一、研究背景

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。

图1:直立式陶瓷电路板(S-CCBs)示意图、优势及牺牲涂层辅助电场驱动(EFD)微3D打印制造流程机制

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。

二、研究内容

2.1 核心技术:牺牲涂层辅助EFD微3D打印

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:

  1. 在陶瓷基板表面覆盖牺牲涂层(水性聚氨酯乳液,CT-PT);
  2. 通过EFD微3D打印工艺印刷银浆(固含量70wt%,粘度35000mPa·s);
  3. 870℃烧结25分钟,固化银线并去除牺牲涂层(牺牲涂层去除温度>银浆分离温度且<银浆凝固温度)。

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。

2.2 基板印刷行为对比(Al₂O₃ vs SC-Al₂O₃)

图2:Al₂O₃基板与牺牲涂层(SC)-Al₂O₃基板上的印刷行为

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。

2.3 典型结构制造与性能测试

图3:通过所提方法制造的典型S-CCBs结构

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)。

图4:S-CCBs的电性能与环境适应性

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)。

图5:S-CCBs在电路与无源元件中的应用性能

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)。

三、研究结论

  1. 技术突破:牺牲涂层辅助EFD微3D打印填补“小线宽-大厚度”技术空白,实现7μm最小线宽、2.3最大AR,线宽/线间距达1:1,优于传统光刻/电镀技术;
  2. 性能优势:S-CCBs导电性达5.1×10⁷S/m,在1000次附着/刮擦测试、500小时500℃热老化及化学腐蚀下性能稳定,电阻变化率可忽略;
  3. 通用性强:可在Al₂O₃、AlN、ZrO₂等陶瓷基板上制造任意图案,适配5G、航空航天等领域对高功率小型化电子设备的需求;
  4. 应用价值:在平面电感器(面积减小56%、温升降低)和叉指传感器(灵敏度提升、体积减小50%)中展现显著优势,推动无源元件小型化。

四、论文信息

4.1 基础信息

  • 论文标题:Directly printed standing ceramic circuit boards for rapid prototyping of miniaturization and high-power of electronics
  • 发表期刊:Nature Communications
  • 发表信息:2025年,16卷5258期,9页
  • DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-60408-x
  • 时间线:接收2024.04.08,接受2025.05.05,在线发表2025.06.06

4.2 作者与单位

  • 核心作者:Guangming Zhang(青岛理工大学)、Zhihao Yu(青岛理工大学,同等贡献)、Hongbo Lan(通讯作者)
  • 作者单位: 1. 青岛理工大学山东省增材制造工程研究中心; 2. 香港理工大学工业与系统工程学系; 3. 西安交通大学制造系统工程国家重点实验室
  • 联系方式:ustbzgm@163.com(G.Z.)、zhuxiaoyang@qtech.edu.cn(X.Z.)、hblan99@126.com(H.L.)

4.3 材料与方法

  • 关键材料:银浆(NT-TL20E,70wt%固含量)、陶瓷基板(Al₂O₃、AlN、ZrO₂)、牺牲涂层(CT-PT水性聚氨酯乳液)
  • 表征设备:AFM(表面粗糙度)、SEM(形貌)、毫欧表(电阻)、电化学工作站(阻抗)、气氛炉(烧结)
  • 数据可用性:原始数据存于figshare(https://doi.org/10.6084/m9.figshare.28558604),补充信息见论文在线版本
森工3D打印机功能分析

3D打印机功能应用分析

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。

 该研究中涉及的3D打印策略
1、森工可匹配模块:

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

小编对该类研究的拓展设想
1、拓展思路:

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;

       ③为了提高实验效率,可使用独立二级平台搭配显微镜,实时对每一层进行打印精度观察,包含了材料线宽的一致性以及基板表面平整度问题,及时修正实验数据。
2、涉及模块介绍:

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。

由于小编学识所限,文中内容难免存在疏漏或不足之处。若您发现任何错误或值得商榷的观点,恳请不吝指正,

小编将第一时间修正完善。感谢您的包容与支持!

本文内容来源于网络公开素材,发布的目的在于学术交流、研讨分享,

如相关内容涉及侵权,请联系我们,将第一时间下架内容!

森工科技 AutoBio系列药物3D打印机

  • 1. 科研型定位,满足科研实验可视化参数需求;
  • 2. 材料支持范围广,兼容多学科多领域材料;
  • 3. 支持自调配材料,灵活适应科研实验要求;
  • 4. 少量材料即可打印测试,高效产出,节约实验成本;
  • 5. 支持多喷头多通道多材料多模式打印;
  • 6. 支持各种外场辅助功能拓展和定制。


AutoBio 3D打印机示意图
最新文章
优质文章推荐
阅读最多文章推荐



电话:0755-27370002 地址:深圳市宝安区福海街道新和社区新兴工业园三区一期12号(A4栋)601
公司主要销售:教育应用3d打印机_大尺寸FDM3D打印机_桌面级3d打印机_工业3d打印机_商业3d打印机和各种3d打印材料
亿鸽在线客服系统