美國Draper實驗室採用氣溶膠噴射列印技術，實現電子元器件和系統從概念到原型的快速製造

美國Charles Stark Draper實驗室研究出可對電路進行3D列印的技術，能夠將原型製造的時間從數周大幅縮減為數天。在3D印表機中，器件直接黏貼在襯底上，然後使用導電性墨水進行實時互連。

Draper將該硅基微處理器的概念原型製造時間從數周縮減為幾天

背景

在傳統設計過程中，電路原型需要使用CAD工具進行冗長的版圖設計，然後將這些設計轉移到一個製造印刷電路板的設備上，再使用拾取-放置機械臂將元器件精準地放置在印刷電路板上，最後使用一個焊接步驟來在器件和電路板間建立電互連。原型工程師在進行電路板測試前通常需要等待數周，在發現缺陷後仍需重複上述步驟，直至得到想要的結果。

核心進展

Draper實驗室的研究人員提出將3D列印技術用於原型的製造。為了驗證該理念，Draper實驗室的核心技術人員Brain Smith和另一名技術人員Peter Lewis使用來自Optomec公司一個3D印表機和適宜的墨水，實現器件的氣溶膠噴射列印，然後使用NovaCentrix公司的HPS-030AE1銀薄片墨水和NeXolve公司的Corin XLS聚醯亞胺墨水分別作為氣溶膠噴射列印中的導體和絕緣體材料。

Smith表示：「我們正在製造所有類型的3D電子器件，然後將其翻轉向下粘貼至電路板，接著列印銀互聯線——直接以3D方式接連到晶元的焊盤端。此外，我們有3D列印的微流體器件，通過列印他們的銀感測器電極和環氧樹脂來在正確的地方來精準地密封電路。」

研究人員安裝了一個3D印表機，使用基於金屬的導電性多材料墨水實現了概念驗證的原型。這裡展示的是專門向下粘貼的互聯器件。該技術可作為一個可噴射印刷電路板和其他未來電子器件的基礎。

效果驗證

使用氣溶膠噴射列印技術和全新基於金屬的墨水，Lewis、Smith和Robert White一起製造了多層系統級晶元微處理器，並將其放在一系列環境和快速老化測試中，將其暴露在熱衝擊中，溫度從-55攝氏度變換到125攝氏度，以及潮氣和絕緣電阻測試。這些測試顯示導電性墨水能夠在密集的老化環境下保持功能，使器件的壽命更長；由於可以減少微處理器的鍵合線數量，可進一步減小體積。

難點

Peter Lewis表示，「電子器件是基礎性多材料系統，挑戰並不僅僅在材料的選擇，也包括材料和材料的相互反應，如化學兼容性、粘性、溫度工藝和應力。」

應用

使用氣溶膠噴氣列印，產品研發者能夠以極高的精度在塑料、陶瓷和金屬結構上列印集成電子器件。「這支持3D列印器件的大量生產，如天線或感測器，並與下面的工業器件緊密集成。」

White表示：「毋庸置疑，氣溶膠噴射技術能夠使電子系統製造有更多的靈活性。在我們的發現中，我們最驚奇的是發現3D多金屬印表機能夠減少從概念到原型的製造時間，對於微處理器而言，能夠將時間從數周甚至數月縮小至幾天，我們看到氣溶膠噴射列印技術的很多應用場景，整個系統能夠放置在一個3D柔性襯底上，並不局限在二維平面。特別是，物聯網應用是一個好的領域，因為他們需要小的、合適的模塊，要將標準商用現貨器件集成到能夠快速上市的簡單電路上。」

相關研究成果

Lewis表示實驗室同樣在使用可列印的電介質、碳納米管和其他特殊生物材料來列印從螺旋形3D天線到可植入生物系統。螺旋形3D天線已佔據了傳統電路板天線的一部分份額，而可植入生物系統中是不能使用金屬的。

研究工作背景

這項工作是Draper持續進行的電子器件領域增材製造的研究和投資的一部分。Draper的增材製造能為設計者提供其他技術所不能的。例如，Draper使用氣溶膠噴射金屬3D列印技術研發出天線，還有一個正在申請專利的混合3D微電子工藝，以及其他3D列印技術和微電子器件。該基於功能的研發方法可減少製造成本、尺寸、重量和功耗要求，支持在新興技術領域的多樣化設計形狀和結構。

下一步工作

Smith表示，「有很多3D印表機製造商正在致力於製造量產產品，但是這並不是我們在Draper工作的一部分。Draper下一步是解決電遷移問題，這是3D列印導體中的「瘟疫」。尤其是銀，很容易出現電遷移，導致出現短路情況。通過與氣溶膠噴氣列印墨水的供應商一同工作，Draper的技術人員希望能夠帶來更好的構想，為3D列印導體帶來更長期可靠性解決方案。

意義

Draper並不製造產品，他僅是一個研發站，為軍事和商業應用提供概念驗證的原型工作，然後將設計方案提交給客戶用於優化和批量製造。對於Draper的團隊而言，3D印表機是天賜之物，可將原型測試的時間減少的幾個數量級。

參考文獻

Lessons Learned in the Implementation of Aerosol Jet Printing for Fabricating Multilayer Circuit Boards

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