來源:EFL生物3D打印與生物制造
在5G通信、航空航天及人工智能等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)中,陶瓷電路板(CCBs)因高導(dǎo)熱性、高耐熱性和優(yōu)異介電性能成為傳統(tǒng)樹脂基印刷電路板的可靠替代品,但現(xiàn)有制造技術(shù)難以同時兼顧電路的高分辨率(小線寬)和高高寬比(大厚度),導(dǎo)致電子器件微型化與高功率化發(fā)展受限——小線寬會增加電路電阻、降低載流能力,而傳統(tǒng)工藝(如光刻、電鍍)或側(cè)重厚膜低分辨率(如絲網(wǎng)印刷、直接鍵合銅),或側(cè)重薄膜高分辨率(如直接電鍍、激光活化金屬化),技術(shù)路徑間存在性能鴻溝。
針對這一難題,青島理工大學(xué)的蘭紅波教授、張廣明教授團隊開發(fā)了犧牲涂層輔助微3D打印技術(shù),制備出兼具7 μm線寬和2.3高寬比的直立式陶瓷電路板(S-CCBs)。團隊通過在陶瓷基板表面涂覆疏水犧牲層,結(jié)合電場驅(qū)動(EFD)打印技術(shù),解決了粗糙基板表面電場分布不均導(dǎo)致的噴射不穩(wěn)定問題,并利用犧牲層在燒結(jié)過程中的完全去除,實現(xiàn)銀漿導(dǎo)線的均勻收縮和高導(dǎo)電性(電導(dǎo)率達5.1×10⁷ S/m)。該技術(shù)無需傳統(tǒng)光刻、蝕刻和電鍍工藝,可在氧化鋁、氮化鋁、氧化鋯等多種陶瓷基板上實現(xiàn)高密度集成與大電流承載能力,且制得的電路在機械測試(1000次附著力測試、劃痕測試)和惡劣環(huán)境(500℃老化500小時、化學(xué)腐蝕500小時)中表現(xiàn)出優(yōu)異穩(wěn)定性。
相關(guān)工作以“Directly printed standing ceramic circuit boards for rapid prototyping of miniaturization and high-power of electronics”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。張廣明教授為第一作者,蘭紅波教授、張廣明教授、朱曉陽教授為通訊作者。
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2025-7-9 17:49 上傳
研究內(nèi)容
1. 直立式陶瓷電路板示意圖及犧牲涂層輔助電場驅(qū)動微3D打印機制,通過電場驅(qū)動微3D打印結(jié)合犧牲涂層技術(shù),研究了氧化鋁基板表面電場分布、銀漿噴射穩(wěn)定性及燒結(jié)收縮行為。結(jié)果表明,犧牲涂層可改善電場均勻性,抑制銀漿在粗糙基板上的局部收縮缺陷,實現(xiàn)線寬7μm、高寬比2.3的高分辨率電路成型,且燒結(jié)后銀線與基板形成機械互鎖,提升附著力。
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圖1. 直立式陶瓷電路板原理與打印機制示意圖。
2. 氧化鋁基板與犧牲涂層基板的打印行為對比,通過原子力顯微鏡和3D光學(xué)顯微鏡表征表面粗糙度,結(jié)合電鏡觀察銀線形貌,研究了基板粗糙度對打印線寬、邊緣粗糙度及燒結(jié)收縮率的影響。結(jié)果表明,犧牲涂層使基板粗糙度從153nm降至33nm,打印線寬標準偏差從5μm降至0.7μm,燒結(jié)收縮率提升至34%,有效解決傳統(tǒng)工藝中粗糙基板導(dǎo)致的打印不穩(wěn)定問題。
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圖2. 不同基板表面打印行為及銀線燒結(jié)特性對比。
3. 典型結(jié)構(gòu)打印能力驗證,通過優(yōu)化工藝參數(shù),研究了小尺寸電感器、叉指電極、LED陣列等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印成型能力。結(jié)果表明,該技術(shù)可制備線寬10μm的60匝電感器、線寬/間距10μm的叉指電極,以及多層銀線堆疊結(jié)構(gòu)(高寬比0.46-2.3),驗證了在微型化電子元件和高密度集成領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
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圖3. 直立式陶瓷電路板典型結(jié)構(gòu)打印實例。
4. 電路電氣與機械性能表征,通過四探針法、劃痕測試和環(huán)境老化實驗,研究了銀線導(dǎo)電性、附著力及耐化學(xué)腐蝕/高溫性能。結(jié)果表明,銀線電導(dǎo)率達5.1×10⁷ S/m,經(jīng)1000次附著力測試后電阻變化率僅0.64%,在pH=2.11鹽酸和pH=13.67氫氧化鈉溶液中腐蝕500小時后電阻變化率分別為8.5%和7.2%,展現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性。
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圖4. 銀線電氣性能與環(huán)境適應(yīng)性測試結(jié)果。
5. 多層銀線散熱性能與被動元件應(yīng)用,通過紅外熱成像和阻抗分析,研究了不同打印層數(shù)對電路產(chǎn)熱及平面電感器、叉指電極傳感器性能的影響。結(jié)果表明,6層銀線在1.5A電流下溫度僅38.9℃,較單層降低121.1℃;高高寬比叉指電極可檢測低至0.01ppm的溶液濃度,靈敏度較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提升50%。
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圖5. 直立式陶瓷電路板散熱性能與被動元件應(yīng)用測試。
研究結(jié)論
本研究開發(fā)了犧牲涂層輔助微3D打印技術(shù),制備出兼具高分辨率(7 μm線寬)與高寬比(2.3)的直立式陶瓷電路板(S-CCBs)。通過犧牲涂層改善電場均勻性、促進銀漿均勻收縮,解決了傳統(tǒng)工藝中粗糙陶瓷基板導(dǎo)致的打印不穩(wěn)定與分辨率-厚度難以兼顧的問題。所制電路電導(dǎo)率達5.1×10⁷ S/m,經(jīng)1000次附著力測試、500小時高溫(500℃)老化及化學(xué)腐蝕后,電阻變化率均小于10%,展現(xiàn)出優(yōu)異的機械強度與環(huán)境適應(yīng)性。此外,多層堆疊結(jié)構(gòu)可降低熱生成(6層銀線在1.5 A電流下溫度較單層降低121.1℃),并成功用于微型電感器(11.8 μH電感)和高靈敏度叉指電極傳感器(檢測限0.01 ppm)。該技術(shù)無需傳統(tǒng)光刻-電鍍流程,為電子器件微型化與高功率化提供了高效、環(huán)保的快速原型制造方案。
文章來源:
https://doi.org/10.1038/s41467-025-60408-x
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