导电油墨3D打印PCB的优势与不足

2020-04-02

网印工业 2020年3期

电子工程3D打印产品性能（如电阻率、损耗、机械强度等一系列性能）均是由打印材料所决定的，因而打印最终的核心也在于基础材料的制备。目前导电纳米银等相关油墨已经商业化了，主要应用于印刷电子中如RFID天线、传感器、太阳能电池等领域。然而高性能的油墨仍主要来源于国外，国产油墨在性能及商业化程度上与国外仍有一定差距，随着3D打印电子领域、印刷电子的发展，在电子行业细分领域的油墨有必要储备研发以应对未来的需求缺口。由此，本文分享了来自美国的Simon Fried关于3D打印PCB中导电油墨的一些看法。

用于电子和机械产品3D打印的工艺和材料已经非常广泛了，而对于产品设计师的创新想法仍在持续扩展。当这些想法遇到新的电子产品时，尤其是对PCB，这些材料的应用依赖于生产流程中独特的增材制造工艺。

这意味着设计师需要在设计环节考虑他们所用生产方式的工艺流程，因为这些工艺流程由于设备自身架构的问题会带来一些加工制造的局限性。金属材料沉积工艺通常会经历高温过程或者需要激光将材料熔化成固态导电体。由于这些工艺依赖于基板、量产及设备架构，因此对于PCB加工制造来说，这些工艺或许不是最佳的选择。

作为增材制造电子产品材料的新种类，在设计环节需考虑到导电油墨本身的优势和不足。固化后导电油墨的机械性能和电性能将影响到它在产品中的应用范围。尽管如此，导电油墨具有简单的合成方式，并且可以快速融入现有的打印工艺，使得它对3D打印电子而言是一个非常有优势的选择。

哪些材料可以用于3D打印电路板？

导电油墨是一种金属纳米粒子在主体溶剂中的悬浮态。纳米颗粒在溶剂中随着时间聚集成较大的团簇体。因而这些纳米颗粒之间需要形成一种配位体结构，以阻止它们在悬浮态中团聚。这种配位体和主溶剂的选择会影响悬浮液的粘度和在基板上的亲水性。这些特点都是在选择基板时配合使用哪种导电油墨及合适的沉积工艺过程中需要考虑的。

一旦这些纳米悬浮液沉积后，悬浮液中的溶剂会蒸发，金属颗粒必须熔合成一个固态导体。这可能涉及到高温工艺流程，像热处理、或者低温处理，像光学辅助的烧结，UV曝光等。当所选择的导电油墨大致符合你的设备和生产工艺时，这些细节方面都是需要考虑到的。

导电油墨的优势与不足

在3D打印电子产品中使用导电油墨的主要优势在于它的灵活性。它们可以很容易地沉积于各种平面和非平面的基材上。导电油墨可以适用于喷墨或气溶胶喷射打印。沉积于基板上的效果是决定这种油墨是不是合适的主要因素。陶瓷或者其他硬质基板可以匹配更高的热处理温度且不会出现性能退化。但当选择一块有机基板时则会需要较低的热处理温度。

导电油墨可以从很大范围的纳米金属颗粒中制备。只要纳米颗粒可以用合适的配位体连接，粘度和油墨的亲水性能可以通过选择合适的悬浮溶剂来适应沉积工艺，或者通过添加剂和表面活性剂来调整。

尽管各种形态和尺寸的金属纳米颗粒已经逐渐商业化，但并不是所有的增材制造系统和供料系统都可以适用于这些金属材料。在喷墨打印和气溶胶喷射打印过程中，为了保证喷孔不堵，因而用于阻止材料团聚的配位体至关重要。至少要保证配位体在沉积之前进行添加或更换，然而这无疑会使这些昂贵的材料成本进一步增加。因此，打印系统供应商会花大量的时间用于将这些材料和他们的系统协调一致，并且对第三方而言，想要合成新的导电油墨来适用他们的系统将会非常困难。然而对于增材制造的发展空间而言，材料方面仍有很大的空缺，可适用的材料范围仍有望扩大。

纳米导电油墨的固化温度方面仍被视为是一项劣势。纳米颗粒的熔化温度与其纳米颗粒的尺寸成比例关系，这是需要在打印工艺中考虑的。对于一些导电油墨而言，如果工艺流程中固化温度太低，纳米颗粒则不会熔化成为一个连续的固体薄膜，任何残存在薄膜内的结构缺陷都将会降低导电率和机械强度。

用于喷墨打印的导电油墨

在电子增材制造领域中，导电油墨喷墨打印中的应用并不算是什么显著的进步。因为制造工艺流程中的温度可以相当低，且可以采用光学辅助固化，但导电油墨可以很快适应于复合沉积导电油墨和介质基材的喷墨系统中。相比气溶胶喷射沉积、激光直接成型（LDS）或者熔融沉积（FDM），这是一个很大的优势。

同时沉积导电油墨和介电油墨，随后采用高密度能量的光源同时固化，这种工艺相比气溶胶沉积、FDM、LDS或其他类似的工艺可以提供更高的产量。这样可以允许PCB通过层层沉积成型，也使喷墨打印成为制造PCB板或其他非平面的几何体自然而然的选择。

这种由喷墨打印和复合沉积导电油墨、介电油墨技术所带来的灵活性，能够为设计者在采用这项独特的系统制作PCB的过程中提供很大的自由。多层互联的几何结构并不局限于PCB、天线类的导电体、传感器或者绝缘体中传统的线路和垂直互联孔，这些都可以通过喷墨沉积应用于非平面几何体。设计者应用这类型的系统可以使设计思路从传统的设计束缚中解脱出来。