表面改性 3D 打印基板與基于光合成金屬納米粒子聯(lián)合制造高性能電子系統(tǒng)

供稿人：張智航，連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

增材制造能夠生產(chǎn)高度復(fù)雜和個性化的產(chǎn)品，然而，要實現(xiàn)現(xiàn)代大規(guī)模生產(chǎn)的電子系統(tǒng)的性能、可靠性和小型化，需要材料科學(xué)和加工方面的創(chuàng)新。英國利茲大學(xué)機械工程學(xué)院研究人員介紹了一種新的數(shù)字制造策略，該策略將高性能聚合物（聚醚酰亞胺）的 3D 打印與通過聚合物表面的化學(xué)改性和計算機控制的功能器件和結(jié)構(gòu)組裝結(jié)合光基選擇性金屬化銅跡線。使用這種方法，可以在柔性共形表面上制造精確且堅固的導(dǎo)電電路，而無需連接和組裝單獨的電路。

為了展示該工藝如何與現(xiàn)有的電子封裝技術(shù)兼容，一系列現(xiàn)代元件被焊接到表面貼裝組裝到選擇性金屬化焊盤上。為了突出這種新功能的潛在應(yīng)用，研究人員制造并表征了高頻無線通信、感應(yīng)供電和位置傳感演示器。結(jié)果顯示了該過程如何為機器人、醫(yī)學(xué)和可穿戴技術(shù)領(lǐng)域的未來實際應(yīng)用提供所需的機械、電氣、熱和電磁特性。

圖 1. 數(shù)字驅(qū)動制造過程的示意圖 (a) PEI 基板的熔絲制造。 (b) (i) 功能性酰亞胺結(jié)構(gòu)的表面化學(xué)改性。 (ii) 水解裂解酰亞胺環(huán)， (iii) 離子交換形成聚酰胺酸銀。 (c) 通過 (i) 選擇性紫外激光照射誘導(dǎo)銀納米顆粒，(ii) 化學(xué)鍍銅進行金屬圖案化。 (d) 計算機控制的膏體分配和電子元件的表面貼裝組裝。

該工藝首先使用熔融長絲制造 (FFF)工藝 3D 打印基于聚醚酰亞胺 (PEI) 的長絲 (ULTEM 1010)，其中熔融 PEI 從噴嘴逐層選擇性地擠出以構(gòu)建 3D 幾何結(jié)構(gòu)（圖 1a）.基于PEI的材料是可進行 3D 打印的無定形熱塑性聚合物，具有化學(xué)穩(wěn)定性、生物相容性，并具有下一代應(yīng)用所需的機械、熱和介電性能。該工藝的第二階段包括使用由金屬納米顆粒的局部光還原引發(fā)的化學(xué)鍍工藝選擇性地金屬化 PEI 表面。這是通過使用兩階段反應(yīng)對聚合物的酰亞胺組分（圖 1b-i）進行化學(xué)改性來實現(xiàn)的，該反應(yīng)包括使用氫氧化鉀進行堿性水解以形成聚酰胺酸鉀（圖 1b-ii），然后通過浸入硝酸銀中進行離子交換，形成聚酰胺酸銀（圖 1b-iii）。在暴露于405 nm光時，銀離子通過光解還原以合成 20-70 nm 的金屬納米顆粒（圖 1c-i）。然后去除任何未暴露的殘留銀離子，以使剩余的銀納米顆粒充當(dāng)使用酒石酸鹽溶液進行化學(xué)銅沉積的種子位點（圖1c-ii）。該過程的最后一部分涉及使用計算機控制的分配和機器人拾取和放置組件（圖 1d）結(jié)合附加功能。
參考文獻：

    1. Esfahani RN、Shuttleworth MP、Doychinov V 等。 用于高性能電子系統(tǒng)的表面改性 3D 打印基板上基于光的金屬納米粒子合成[J]. 增材制造，2020 年，34：101367。