導(dǎo)電油墨3D打印PCB的優(yōu)勢(shì)與不足

電子工程3D打印產(chǎn)品性能（如電阻率、損耗、機(jī)械強(qiáng)度等一系列性能）均是由打印材料所決定的，因而打印最終的核心也在于基礎(chǔ)材料的制備。目前導(dǎo)電納米銀等相關(guān)油墨已經(jīng)商業(yè)化了，主要應(yīng)用于印刷電子中如RFID天線、傳感器、太陽能電池等領(lǐng)域。然而高性能的油墨仍主要來源于國(guó)外，國(guó)產(chǎn)油墨在性能及商業(yè)化程度上與國(guó)外仍有一定差距，隨著3D打印電子領(lǐng)域、印刷電子的發(fā)展，在電子行業(yè)細(xì)分領(lǐng)域的油墨有必要儲(chǔ)備研發(fā)以應(yīng)對(duì)未來的需求缺口。由此，本文分享了來自美國(guó)的Simon Fried關(guān)于3D打印PCB中導(dǎo)電油墨的一些看法。

用于電子和機(jī)械產(chǎn)品3D打印的工藝和材料已經(jīng)非常廣泛了，而對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的創(chuàng)新想法仍在持續(xù)擴(kuò)展。當(dāng)這些想法遇到新的電子產(chǎn)品時(shí)，尤其是對(duì)PCB，這些材料的應(yīng)用依賴于生產(chǎn)流程中獨(dú)特的增材制造工藝。

這意味著設(shè)計(jì)師需要在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)考慮他們所用生產(chǎn)方式的工藝流程，因?yàn)檫@些工藝流程由于設(shè)備自身架構(gòu)的問題會(huì)帶來一些加工制造的局限性。金屬材料沉積工藝通常會(huì)經(jīng)歷高溫過程或者需要激光將材料熔化成固態(tài)導(dǎo)電體。由于這些工藝依賴于基板、量產(chǎn)及設(shè)備架構(gòu)，因此對(duì)于PCB加工制造來說，這些工藝或許不是最佳的選擇。

作為增材制造電子產(chǎn)品材料的新種類，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需考慮到導(dǎo)電油墨本身的優(yōu)勢(shì)和不足。固化后導(dǎo)電油墨的機(jī)械性能和電性能將影響到它在產(chǎn)品中的應(yīng)用范圍。盡管如此，導(dǎo)電油墨具有簡(jiǎn)單的合成方式，并且可以快速融入現(xiàn)有的打印工藝，使得它對(duì)3D打印電子而言是一個(gè)非常有優(yōu)勢(shì)的選擇。

哪些材料可以用于3D打印電路板？

導(dǎo)電油墨是一種金屬納米粒子在主體溶劑中的懸浮態(tài)。納米顆粒在溶劑中隨著時(shí)間聚集成較大的團(tuán)簇體。因而這些納米顆粒之間需要形成一種配位體結(jié)構(gòu)，以阻止它們?cè)趹腋B(tài)中團(tuán)聚。這種配位體和主溶劑的選擇會(huì)影響懸浮液的粘度和在基板上的親水性。這些特點(diǎn)都是在選擇基板時(shí)配合使用哪種導(dǎo)電油墨及合適的沉積工藝過程中需要考慮的。

一旦這些納米懸浮液沉積后，懸浮液中的溶劑會(huì)蒸發(fā)，金屬顆粒必須熔合成一個(gè)固態(tài)導(dǎo)體。這可能涉及到高溫工藝流程，像熱處理、或者低溫處理，像光學(xué)輔助的燒結(jié)，UV曝光等。當(dāng)所選擇的導(dǎo)電油墨大致符合你的設(shè)備和生產(chǎn)工藝時(shí)，這些細(xì)節(jié)方面都是需要考慮到的。

導(dǎo)電油墨的優(yōu)勢(shì)與不足

在3D打印電子產(chǎn)品中使用導(dǎo)電油墨的主要優(yōu)勢(shì)在于它的靈活性。它們可以很容易地沉積于各種平面和非平面的基材上。導(dǎo)電油墨可以適用于噴墨或氣溶膠噴射打印。沉積于基板上的效果是決定這種油墨是不是合適的主要因素。陶瓷或者其他硬質(zhì)基板可以匹配更高的熱處理溫度且不會(huì)出現(xiàn)性能退化。但當(dāng)選擇一塊有機(jī)基板時(shí)則會(huì)需要較低的熱處理溫度。

導(dǎo)電油墨可以從很大范圍的納米金屬顆粒中制備。只要納米顆?？梢杂煤线m的配位體連接，粘度和油墨的親水性能可以通過選擇合適的懸浮溶劑來適應(yīng)沉積工藝，或者通過添加劑和表面活性劑來調(diào)整。

盡管各種形態(tài)和尺寸的金屬納米顆粒已經(jīng)逐漸商業(yè)化，但并不是所有的增材制造系統(tǒng)和供料系統(tǒng)都可以適用于這些金屬材料。在噴墨打印和氣溶膠噴射打印過程中，為了保證噴孔不堵，因而用于阻止材料團(tuán)聚的配位體至關(guān)重要。至少要保證配位體在沉積之前進(jìn)行添加或更換，然而這無疑會(huì)使這些昂貴的材料成本進(jìn)一步增加。因此，打印系統(tǒng)供應(yīng)商會(huì)花大量的時(shí)間用于將這些材料和他們的系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致，并且對(duì)第三方而言，想要合成新的導(dǎo)電油墨來適用他們的系統(tǒng)將會(huì)非常困難。然而對(duì)于增材制造的發(fā)展空間而言，材料方面仍有很大的空缺，可適用的材料范圍仍有望擴(kuò)大。

納米導(dǎo)電油墨的固化溫度方面仍被視為是一項(xiàng)劣勢(shì)。納米顆粒的熔化溫度與其納米顆粒的尺寸成比例關(guān)系，這是需要在打印工藝中考慮的。對(duì)于一些導(dǎo)電油墨而言，如果工藝流程中固化溫度太低，納米顆粒則不會(huì)熔化成為一個(gè)連續(xù)的固體薄膜，任何殘存在薄膜內(nèi)的結(jié)構(gòu)缺陷都將會(huì)降低導(dǎo)電率和機(jī)械強(qiáng)度。

用于噴墨打印的導(dǎo)電油墨

在電子增材制造領(lǐng)域中，導(dǎo)電油墨噴墨打印中的應(yīng)用并不算是什么顯著的進(jìn)步。因?yàn)橹圃旃に嚵鞒讨械臏囟瓤梢韵喈?dāng)?shù)?，且可以采用光學(xué)輔助固化，但導(dǎo)電油墨可以很快適應(yīng)于復(fù)合沉積導(dǎo)電油墨和介質(zhì)基材的噴墨系統(tǒng)中。相比氣溶膠噴射沉積、激光直接成型（LDS）或者熔融沉積（FDM），這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)沉積導(dǎo)電油墨和介電油墨，隨后采用高密度能量的光源同時(shí)固化，這種工藝相比氣溶膠沉積、FDM、LDS或其他類似的工藝可以提供更高的產(chǎn)量。這樣可以允許PCB通過層層沉積成型，也使噴墨打印成為制造PCB板或其他非平面的幾何體自然而然的選擇。

這種由噴墨打印和復(fù)合沉積導(dǎo)電油墨、介電油墨技術(shù)所帶來的靈活性，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)者在采用這項(xiàng)獨(dú)特的系統(tǒng)制作PCB的過程中提供很大的自由。多層互聯(lián)的幾何結(jié)構(gòu)并不局限于PCB、天線類的導(dǎo)電體、傳感器或者絕緣體中傳統(tǒng)的線路和垂直互聯(lián)孔，這些都可以通過噴墨沉積應(yīng)用于非平面幾何體。設(shè)計(jì)者應(yīng)用這類型的系統(tǒng)可以使設(shè)計(jì)思路從傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)束縛中解脫出來。

NanoDimension導(dǎo)電納米銀油墨性能（AgCite）

盡管導(dǎo)電油墨有一些自身的優(yōu)勢(shì)和不足，但不能否認(rèn)，對(duì)于3D打印成型特殊的電子結(jié)構(gòu)體而言，它們是一種非常具有潛力材料。目前Nano已經(jīng)采用了噴墨復(fù)合沉積技術(shù)為客戶提供了應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)及打印的創(chuàng)新型解決方案。（上表為Nano的導(dǎo)電油墨性能。）