納米材料增材制造推動電子產品開發(fā)

來源： 電子工程3D打印

增材制造和它的核心工藝3D打印常常并不被認為是相關的。3D打印通常被看作用于從3D CAD模型生產塑料結構部件，但是3D打印生產的金屬部件現在已經被應用在許多工業(yè)領域。眾多3D打印工藝，像粉床熔融、噴射沉積、壓電噴墨、直接能量沉積以及其他等，這些工藝方法對于面向不同應用場合直接從納米材料增材制造金屬零件是非常有用的。

在PCB制造中，應用納米材料增材制造對于在絕緣基材上（并不限制在平面內）打印焊盤、互聯(lián)孔、導線是非常有用的工藝。在上述提及的工藝中應用納米材料于PCB板制造帶來了許多優(yōu)勢，遠超現在不太先進的工藝，人員熔融沉積（FDM）金屬合金于FR4基板上或者標準的PCB基材。

銀是常用的增進制造納米材料之一

應用納米材料增材制造PCB
在3D打印工藝中應用傳統(tǒng)金屬材料主要圍繞在擠出工藝（如：FDM），這樣需要金屬合金具有較低的熔點。相比貴族金屬如金和銀，金屬合金絲材相比較為便宜，但是它們的導電性卻較低，使得它們不是電子器件的理想材料。在擠出工藝中，絲材的直徑和擠出孔徑是限制打印精度的主要因素。

  像石墨烯墨水及石墨烯金屬混合納米材料為在電子應用方面提供了潛在的可能，赫瑞瓦特大學傳感器、信號和系統(tǒng)研究所的研究人員已經展示了可以應用噴墨3D打印工藝制造柔性電子器件。最近在期刊《Advanced Functional Materials》發(fā)表的文章，研究人員展示了采用共形絲網印刷石墨烯墨水制造的幾種單層、多層電子器件。

由氧化納米鐵碳混合而成的氧化石墨烯片層（TEM）

導電聚合物絲材和納米材料
聚合物具有很大范圍的電子特性，從絕緣到導體，可以被用于低溫成型工藝中。固體導電聚合物絲材可以用在擠出工藝中（如FDM工藝）。類似，導電聚合物納米材料可以采用噴射技術沉積，溶液和懸浮液都可以。更多采用的是溶液態(tài)沉積的方式，因為這樣可以消除隨后的燒結步驟。從溶液和懸浮液沉積都需要在沉積后聚合環(huán)節(jié)來生成連續(xù)的薄膜。

  由于聚合物的電子和光學特性差異性很大，它們可以通過功能化而被調整。這些材料對于3D打印半導體器件是非常理想的。一個中國研究團隊近期展示了采用聚合物納米材料（PEDOT）3D打印的壓電單元和透明電極，說明其在PCB上潛在的光電器件的應用。導電聚合物納米材料也可以被用于柔性PCB板上的導線。

導電氧化聚噻吩納米粒子 （SEM）

納米材料PCB增材制造未來的創(chuàng)新
根據不同的納米材料形態(tài)，在這里討論的材料可以通過添加有機功能組分很容易被功能化，可以使材料的光電特性可以被調整為與溶液/懸浮液中簡單的化學反應過程相關。工程師和研究人員在材料的選擇方面正在尋找更具指導性的原則和納米材料增材制造的功能化方面的應用，通過最近這篇文章（https://www.mdpi.com/1996-1944/11/1/166）可以找到非常好的指導性原則。他們已經針對納米材料增材制造提供了更加全面的綜述。

目前，很多在這個領域的研究和商業(yè)系統(tǒng)主要集中在制造過程中的單材料沉積。由于增材制造的發(fā)展空間我們將會看到更多持續(xù)的創(chuàng)新，期望可以看到更多針對不同應用產品的復合沉積多材料系統(tǒng)。在電子產品、系統(tǒng)及工藝的領域內相比其他工藝可以使復合沉積絕緣材料和導電材料帶來更大的突破。

壓電噴墨工藝對于采用導電納米油墨增材制造電子產品是非常理想的，由于它提供了高分辨率、減少材料浪費及固定的生產時間。合適的增材制造系統(tǒng)可以允許復合沉積導電油墨和絕緣油墨，對于3D打印全功能的PCB再合適不過了。層層打印工藝可以制造特殊形狀的PCB板、任意層內互聯(lián)結構，允許器件嵌置及任意幾何形狀。

如果你是一個電子設計工程師，采用納米材料和其他先進材料的增材制造需要一個系統(tǒng)，可以適應PCB生產的復雜沉積工藝。Nano的LDM系統(tǒng)是個不錯的選擇，可以自主打印平面/非平面復雜結構的電子產品。

小編認為未來電子3D打印技術的發(fā)展，為了提高打印精度及電子特性，納米材料及具有優(yōu)異電子特性的有機材料是應用的必然。雖然目前納米材料從其成型原理角度相比傳統(tǒng)塊體材料相比性能略差，但是電子產品應用的角度而言，導電特性或只是其評價的一方面，其功能特性是一個綜合化的評價結果。或許納米材料在犧牲了部分導電性或者機械特性能帶來其他方面功能特性的提升。未來開發(fā)適用于噴墨打印材料種類的多樣化，如文中提及適用于光電耦合PCB的光電材料，打印電子器件的功能特性則會呈指數擴大，與市場應用點的結合將變得更加容易，但這對增材制造系統(tǒng)的開發(fā)也提出了更高的要求。