3D 打印制備直立式陶瓷電路板用于電子器件微型化與高功率化快速原型制造

來(lái)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(shù)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(shí)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(huì)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(duì)這一難題，青島理工大學(xué)的蘭紅波教授、張廣明教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(tuán)隊(duì)通過(guò)在陶瓷基板表面涂覆疏水犧牲層，結(jié)合電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)（EFD）打印技術(shù)，解決了粗糙基板表面電場(chǎng)分布不均導(dǎo)致的噴射不穩(wěn)定問(wèn)題，并利用犧牲層在燒結(jié)過(guò)程中的完全去除，實(shí)現(xiàn)銀漿導(dǎo)線的均勻收縮和高導(dǎo)電性（電導(dǎo)率達(dá)5.1×10⁷ S/m）。該技術(shù)無(wú)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(shí)現(xiàn)高密度集成與大電流承載能力，且制得的電路在機(jī)械測(cè)試（1000次附著力測(cè)試、劃痕測(cè)試）和惡劣環(huán)境（500℃老化500小時(shí)、化學(xué)腐蝕500小時(shí)）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(yáng)教授為通訊作者。

研究?jī)?nèi)容
1. 直立式陶瓷電路板示意圖及犧牲涂層輔助電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)微3D打印機(jī)制，通過(guò)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(chǎng)均勻性，抑制銀漿在粗糙基板上的局部收縮缺陷，實(shí)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(jī)械互鎖，提升附著力。   

圖1. 直立式陶瓷電路板原理與打印機(jī)制示意圖。   

2. 氧化鋁基板與犧牲涂層基板的打印行為對(duì)比，通過(guò)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(wèn)題。   

圖2. 不同基板表面打印行為及銀線燒結(jié)特性對(duì)比。   

3. 典型結(jié)構(gòu)打印能力驗(yàn)證，通過(guò)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(yàn)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。   

圖3. 直立式陶瓷電路板典型結(jié)構(gòu)打印實(shí)例。   

4. 電路電氣與機(jī)械性能表征，通過(guò)四探針?lè)ā澓蹨y(cè)試和環(huán)境老化實(shí)驗(yàn)，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(dá)5.1×10⁷ S/m，經(jīng)1000次附著力測(cè)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(shí)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。   

圖4. 銀線電氣性能與環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試結(jié)果。   

5. 多層銀線散熱性能與被動(dòng)元件應(yīng)用，通過(guò)紅外熱成像和阻抗分析，研究了不同打印層數(shù)對(duì)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(cè)低至0.01ppm的溶液濃度，靈敏度較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提升50%。   

圖5. 直立式陶瓷電路板散熱性能與被動(dòng)元件應(yīng)用測(cè)試。

研究結(jié)論
本研究開(kāi)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(guò)犧牲涂層改善電場(chǎng)均勻性、促進(jìn)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(wèn)題。所制電路電導(dǎo)率達(dá)5.1×10⁷ S/m，經(jīng)1000次附著力測(cè)試、500小時(shí)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(jī)械強(qiáng)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(cè)限0.01 ppm）。該技術(shù)無(wú)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(lái)源：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-60408-x