電場驅(qū)動噴射沉積微3D打印高分辨率氮化鋁陶瓷基電路

于志浩 張廣明 李紅珂 段培開 于尊 臺玉平 李汶海 許權(quán) 趙佳偉 蘭紅波

摘要：現(xiàn)有技術(shù)在高分辨率高密度電路的低成本批量化制造上仍然面臨巨大挑戰(zhàn)，無法滿足陶瓷基電路對高頻、高速、高密度集成的要求。提出了一種結(jié)合犧牲層的電場驅(qū)動噴射沉積微3D打印高分辨率氮化鋁陶瓷基電路的新方法，該方法利用犧牲層克服了因陶瓷表面粗糙導(dǎo)致的射流不穩(wěn)定問題，并借助犧牲層表面疏水特性進(jìn)一步縮小線寬，實現(xiàn)了高分辨率電路的制造。實驗研究了打印參數(shù)（電壓、氣壓、打印高度、打印速度）、犧牲層以及燒結(jié)工藝對打印銀線線寬和形貌的影響并優(yōu)化了工藝參數(shù)。最后，使用含銀量70%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的導(dǎo)電銀漿結(jié)合優(yōu)化的工藝參數(shù)，在氮化鋁基材表面實現(xiàn)了多種復(fù)雜電路圖案制造，包括線寬/線距為2/3的高密度高分辨率電路圖案以及目前已報道的最小線寬為8.1 μm的導(dǎo)電銀線。研究結(jié)果表明，結(jié)合犧牲層的電場驅(qū)動噴射沉積微尺度3D打印氮化鋁陶瓷基電路新方法可為小型化、高功率陶瓷基集成電路低成本批量化制造提供有效途徑。

關(guān)鍵詞：微尺度3D打??；犧牲層；氮化鋁陶瓷基電路；高分辨率

中圖分類號：TP391.73；TN03

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2023.11.011

Electric-field-driven Jet Deposition Micro 3D Printing of High Resolution

Aluminum Nitride Ceramic-based Circuits

YU Zhihao ZHANG Guangming LI Hongke DUAN Peikai YU Zun TAI Yuping

LI Wenhai XU Quan ZHAO Jiawei LAN Hongbo

Shandong Engineering Research Center for Additive Manufacturing，Qingdao University of Technology，

Qingdao，Shandong，266520

Abstract： At present， the existing technology still faced great challenges in the mass manufacturing of high resolution and high density circuits at low-cost， which might not meet the requirements of high frequency， high speed and high density integration of ceramic-based circuits. Therefore， a new method was proposed for electric-field-driven jet deposition micro 3D printing of high resolution aluminum nitride ceramic-based circuits in combination with sacrificial coatings. The sacrificial coating was used to overcome the instability of the jet flows caused by the roughnesses of the ceramic surfaces， and the line widths were further reduced by the hydrophobic characteristics of the sacrificial coating， and the fabrication of high-resolution circuits was realized. The effects of printing parameters（voltage， air pressure， printing height， printing speed）， sacrifice layer and sintering process on the width and morphology of the printed silver wire were studied by experiments and the processing parameters were optimized. Finally， using a conductive silver paste with 70%（mass fraction） silver content combined with optimized processing parameters， a variety of complex circuit patterns were fabricated on the surface of aluminum nitride substrates， including a high-density， high-resolution circuit pattern with a line width/line spacing of 2/3 and a conductive silver line with a minimum line width of 8.1 μm reported so far. The results show that the new method of electric-field-driven jet deposition microscale 3D printing of aluminum nitride ceramic-based circuits in combination with sacrificial coatings may provide an effective way for the low-cost mass manufacturing of miniaturized and high-power ceramic-based integrated circuits.

Key words： microscale 3D printing; sacrificial coating; aluminum nitride ceramic-based circuit; high resolution

0 引言

近年來隨著5G通信［1-3］、人工智能［4］、無人駕駛［5］、物聯(lián)網(wǎng)［6-7］等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，高頻、高速和高密度集成已成為當(dāng)今微電子產(chǎn)品的重要發(fā)展趨勢和方向。傳統(tǒng)有機(jī)電路板、金屬基電路板導(dǎo)熱性和耐熱性較差［8-9］，而陶瓷基電路板因其高熱導(dǎo)率、低介電系數(shù)、低介電損耗、高機(jī)械性能、耐高溫、絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)已成為可靠的替代基板［10-12］。常用的陶瓷基板有氧化鋁陶瓷、氧化鈹陶瓷和氮化鋁陶瓷。氧化鋁陶瓷的熱導(dǎo)率較?。?5～30 W/（m·K）），其熱膨脹系數(shù)（7.9×10-6/K）與半導(dǎo)體硅材料（（3.5～4.0）×10-6/K）不太匹配［13］，氧化鈹陶瓷生產(chǎn)成本較高，且有劇毒的缺點(diǎn)［14］，相比之下，氮化鋁陶瓷因具有更高的熱導(dǎo)率（100～250 W/（m·K））、與半導(dǎo)體硅材料匹配的熱膨脹系數(shù)（4.6×10-6/K）以及無毒環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)［15-17］已廣泛應(yīng)用于高功率LED及高端光電器件封裝［18-21］、微波衰減器［22-24］、5G通信［25-26］等領(lǐng)域，成為目前最有前景的新一代高導(dǎo)熱電子基板和封裝材料。

小型化及高功率的混合集成電路發(fā)展方向需要電路具有更高的分辨率，即更小的線寬和線距。目前，制備陶瓷基電路板的工藝主要包括絲網(wǎng)印刷［27］、直接覆銅（DBC）［28-29］、直接鍍銅（DPC）［30-31］、激光活化金屬化（LAM）［32-33］、噴墨打印活化材料＋選擇性化學(xué)鍍［34-35］等。絲網(wǎng)印刷廣泛應(yīng)用于高溫共燒陶瓷（HTCC）和低溫共燒陶瓷（LTCC），但使用絲網(wǎng)印刷制造的厚膜電路（幾微米到幾十微米不等）精度較低，其線寬一般大于40 μm［27］。DBC工藝制造的厚膜電路（105～700 μm）可以獲得更強(qiáng)的載流能力，但制造的線寬通常大于100 μm［28-29］，難以獲得高分辨率圖案；DPC工藝制造的陶瓷基電路線寬可達(dá)10～30 μm［30-31］，但通常采用磁控濺射沉積，沉積的金屬膜厚小于2 μm，并且DBC和DPC工藝都需要首先在陶瓷基片上沉積一層銅，隨后采用光刻、刻蝕等工藝實現(xiàn)金屬銅圖案化，生產(chǎn)成本高、工藝復(fù)雜（覆/鍍銅、涂鋪光刻膠、光刻、刻蝕、去除光刻膠、后處理等）、效率低，易造成大量銅材料浪費(fèi)，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染（易產(chǎn)生大量廢液、廢棄物、廢渣）。LAM工藝使用激光掃描陶瓷基板，使陶瓷基板表面產(chǎn)生具有催化能力的活性中心，再結(jié)合化學(xué)鍍沉積金屬導(dǎo)線，但化學(xué)鍍成形的金屬導(dǎo)線邊緣稀疏、毛刺較多［32-33］，且需要較長時間的化學(xué)鍍才能獲得相對大的膜厚。噴墨打印活化材料＋選擇性化學(xué)鍍雖然工藝簡單，但精度較差，導(dǎo)電線路邊緣粗糙度差［34-35］。綜上，現(xiàn)有的各種陶瓷基電路板制造技術(shù)都無法滿足高分辨率陶瓷電路板的低成本綠色制造要求。

本文提出一種結(jié)合犧牲層的電場驅(qū)動噴射沉積微3D打?。?6-37］高分辨率氮化鋁陶瓷基電路新方法，通過在氮化鋁陶瓷表面涂覆一層微米厚度的犧牲層材料，不僅解決了陶瓷粗糙表面導(dǎo)致的電場驅(qū)動噴射射流不穩(wěn)定問題，還通過表面的疏水特性進(jìn)一步縮小了線寬和高寬比（即線高與線寬之比）。該方法不需要光刻和濺射設(shè)備，沒有復(fù)雜多步驟的工藝過程，也不會造成大量的導(dǎo)電材料浪費(fèi)，解決了當(dāng)前技術(shù)無法低成本、高效率、環(huán)保無毒地實現(xiàn)陶瓷金屬化的難題，兼顧了薄膜陶瓷電路可以實現(xiàn)小線寬以及厚膜陶瓷電路可以實現(xiàn)大導(dǎo)電膜厚的優(yōu)點(diǎn)，為混合集成電路小型化、高密度、高功率制造提供了一種全新解決方案。

1 結(jié)合犧牲層的電場驅(qū)動噴射沉積微3D打印高分辨率氮化鋁陶瓷基電路的基本原理和工藝流程

本文提出結(jié)合犧牲層的電場驅(qū)動噴射沉積微3D打印陶瓷基高密度高分辨率電路的基本方法，在陶瓷表面涂覆一層極薄的犧牲層材料以改善陶瓷粗糙表面，犧牲層材料選用一種固化后具有疏水性的水性涂層液，從而使打印的導(dǎo)電材料具有更好的形貌和線粗糙度的同時，實現(xiàn)了大高寬比的厚膜陶瓷電路制造。電場驅(qū)動噴射沉積（EFD）微3D打印原理如圖1a所示，高壓電源正極連接噴嘴，無需接地的對電極，具有高電勢的噴嘴與襯底之間的靜電感應(yīng)產(chǎn)生自激發(fā)電場，使襯底表面電荷重新分布［38］，帶犧牲層的氮化鋁陶瓷相比無犧牲層氮化鋁陶瓷有著更加均勻的表面形貌，使電荷分布更加均勻，有利于打印材料噴射過程更加穩(wěn)定。本研究的工藝流程主要包括涂覆犧牲層材料、打印導(dǎo)電圖案、去除犧牲層及金屬圖案導(dǎo)電化處理，如圖1所示，其具體步驟如下：

（1）涂覆犧牲層材料。實驗采用厚度1 mm的氮化鋁陶瓷片。陶瓷表面粗糙的微觀結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致電場作用下陶瓷表面出現(xiàn)不均勻的電荷分布，難以實現(xiàn)在陶瓷表面沉積高分辨率的導(dǎo)電圖案，因此本研究選用一種常溫為液體的水性涂層液作為犧牲層材料，將它涂覆在陶瓷表面，如圖1b所示。將陶瓷片放在勻膠機(jī)中，用膠頭滴管取3 mL水性涂層液均勻滴放在陶瓷片上，旋涂時間設(shè)置為45 s，旋涂速度為1500 r/min，將涂層液均勻旋涂在陶瓷表面上。將涂覆好犧牲層的陶瓷片放入真空干燥箱，在70 ℃下干燥5 min，得到覆蓋有一層微米厚度犧牲層的陶瓷片。

（2）3D打印導(dǎo)電材料。編寫打印程序，導(dǎo)入3D打印機(jī)，將帶有犧牲層的陶瓷片放在打印平臺上，打印材料選用納米銀漿，根據(jù)設(shè)計的打印圖案選定優(yōu)化的打印工藝參數(shù)，在陶瓷基材表面打印出高分辨率高密度導(dǎo)電圖案，如圖1c所示。

（3）去除犧牲層及打印圖案導(dǎo)電化處理。打印完成后的圖案中含有較多的有機(jī)溶劑及其他非銀成分，導(dǎo)電性差，且?guī)в袪奚鼘拥奶沾苫娐窡o法滿足高溫、強(qiáng)化學(xué)腐蝕環(huán)境的使用要求，所以需要去除犧牲層材料以及進(jìn)行打印圖案導(dǎo)電化處理。將高溫氣氛爐升溫至870 ℃，將打印好的電路圖案和陶瓷基材放入高溫氣氛爐，燒結(jié)25 min后取出。在燒結(jié)的過程中，犧牲層材料被完全去除，同時銀漿中的有機(jī)溶劑及其他成分被熱解，導(dǎo)致打印線的進(jìn)一步收縮而減小線寬，犧牲層被去除的同時實現(xiàn)了打印圖案的導(dǎo)電化處理。

本文提出的結(jié)合犧牲層的電場驅(qū)動噴射沉積微尺度3D打印高密度高分辨率陶瓷基電路的方法具有以下優(yōu)勢：①工藝簡單，材料浪費(fèi)少，效率高；②可以實現(xiàn)線寬10 μm、線寬與線距之比（線寬/線距）為2/3的高分辨率高密度導(dǎo)電線路制造，結(jié)合了厚膜電路大高寬比及薄膜電路制造技術(shù)小線寬的優(yōu)點(diǎn)；③適合打印的陶瓷基材廣泛，包括氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷等。

2 實驗研究和工藝優(yōu)化

2.1 實驗材料和裝置

本實驗所用材料包括打印材料、犧牲層材料及打印襯底材料，其中打印材料為中科納通NT-TL20E導(dǎo)電銀漿，其動力黏度為310 dPa·s（25 ℃），銀含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）約為70%，銀顆粒直徑300～500 nm；犧牲層材料為大華博科CT-PT水性涂層液；打印襯底為尺寸50 mm×50 mm×1 mm的氮化鋁陶瓷片，其密度為3.3 g/cm3，熔點(diǎn)為2500 ℃，熱膨脹系數(shù)為4.6×10-6/K，熱導(dǎo)率大于或等于 200 W/（m·K）。

實驗所用裝置包括KW-4A勻膠機(jī)、電場驅(qū)動微3D打印機(jī)、真空干燥箱及高溫氣氛爐，其中使用KW-4A勻膠機(jī)在氮化鋁陶瓷表面涂覆犧牲層；使用電場驅(qū)動微3D打印機(jī)打印導(dǎo)電電路；使用真空干燥箱將帶有犧牲層的氮化鋁陶瓷片烘干；使用GR.AF 12/11高溫氣氛爐去除犧牲層以及對打印圖案進(jìn)行導(dǎo)電化處理，其中燒結(jié)溫度為870 ℃，燒結(jié)時間為25 min。

2.2 犧牲層對打印線寬及形貌的影響

為直觀地了解犧牲層對氮化鋁陶瓷基高分辨率電路制造的作用，實驗研究了帶犧牲層及無犧牲層氮化鋁陶瓷的表面形貌、粗糙度，以及在這兩種基材上打印的多層銀線形貌及高寬比。犧牲層涂覆前為乳白色半透明液體，如圖2所示。

圖3所示為無犧牲層氮化鋁陶瓷表面及帶犧牲層氮化鋁陶瓷表面形貌。氮化鋁陶瓷表面呈現(xiàn)密布的陶瓷晶粒，如圖3a所示，陶瓷晶粒尺寸在2～5 μm左右，且陶瓷表面存在較多尺寸在3～5 μm左右的孔洞結(jié)構(gòu)。氮化鋁陶瓷較為粗糙的微觀表面形貌使在其表面打印高分辨率、均勻一致且形貌好的金屬圖案非常困難，將犧牲層材料涂覆在氮化鋁陶瓷表面，70 ℃烘干后具有較好的耐水性和表面粗糙度，其表面微觀形貌如圖3b所示。

為進(jìn)一步研究氮化鋁陶瓷涂膜前后的差別，使用原子力顯微鏡（AFM）測試未帶犧牲層的氮化鋁陶瓷片和帶犧牲層的氮化鋁陶瓷片。測試區(qū)域為兩種基材上20 μm×20 μm的任意區(qū)域，圖4為無犧牲層氮化鋁陶瓷（圖4a）和帶犧牲層氮化鋁陶瓷（圖4b）在AFM下的3D表面形貌圖，圖4c為圖4a和圖4b虛線處的高度曲線圖。無犧牲層氮化鋁陶瓷的表面粗糙度Ra為478 nm，在虛線標(biāo)記處其最高點(diǎn)與最低點(diǎn)相差1895 nm；帶犧牲層氮化鋁陶瓷的表面粗糙度Ra為19 nm，在虛線標(biāo)記處其最高點(diǎn)與最低點(diǎn)相差177 nm。研究結(jié)果表明，帶犧牲層氮化鋁陶瓷基材相比不帶犧牲層的氮化鋁陶瓷具有更小的表面粗糙度，其平滑連續(xù)的表面將更有利于打印連續(xù)均勻一致的導(dǎo)電漿料。

氮化鋁陶瓷表面較差的潤濕性使打印在陶瓷表面的銀漿過度鋪展，難以實現(xiàn)多層打印，即在不增大線寬的基礎(chǔ)上增大高寬比，如圖5a所示。而犧牲層的作用除了提供連續(xù)平滑的低粗糙度表面外，其固化后較好的耐水性和疏水性可以使打印的導(dǎo)電漿料不會過度鋪展，有利于多層導(dǎo)電線路的打印。且經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，犧牲層被完全去除，銀線在高溫中與陶瓷表面的粗糙結(jié)構(gòu)形成互鎖，實現(xiàn)了與陶瓷基底的結(jié)合，如圖5b所示。

在兩種基材上打印4層的銀線，單層線寬均為12 μm，高溫?zé)Y(jié)后在SEM下觀察銀線的形態(tài)。圖5a為在無犧牲層氮化鋁陶瓷上打印4層銀線燒結(jié)后的SEM圖，線寬增大至48.8 μm，高寬比為0.08；圖5b為在帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印4層燒結(jié)后的SEM圖，線寬為12.8 μm，高寬比為1.34。

2.3 打印工藝對線寬及形貌的影響

結(jié)合犧牲層的電場驅(qū)動噴射沉積微3D打印高分辨率氮化鋁陶瓷基電路受多個因素影響，主要包括打印電壓、打印氣壓、打印高度（噴嘴距離基底的高度）、打印速度。其中打印電壓對打印的銀線形貌影響較大，打印氣壓、打印高度、打印速度這三個參數(shù)對打印銀線線寬的影響較大。為打印多種可選線寬尺度且銀線形貌較好的高密度電路，實驗研究了電壓、氣壓、打印高度、打印速度分別對在帶犧牲層氮化鋁陶瓷基材上打印銀線線寬和形貌的影響。通過對比相同打印參數(shù)下帶犧牲層氮化鋁陶瓷基底和無犧牲層氮化鋁陶瓷基底的銀線線寬和形貌，揭示犧牲層對打印的有利影響。

實驗選用內(nèi)徑40 μm的玻璃噴嘴。當(dāng)電壓太小時，電場強(qiáng)度不足以使泰勒錐形成穩(wěn)定的追射流；當(dāng)電壓太大時，過大的電場強(qiáng)度使射流偏轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，難以穩(wěn)定成線。為確定合適打印的電壓，保持氣壓150 kPa、打印高度70 μm、打印速度20 mm/s，逐漸增大電壓，通過光學(xué)顯微鏡觀察不同電壓參數(shù)下打印銀線的形貌，如圖6a所示。當(dāng)電壓小于500 V時，無法形成穩(wěn)定連續(xù)的銀線，因此取臨界電壓500 V，觀察銀線形貌。當(dāng)電壓在1000～2000 V時，打印的銀線均勻一致；當(dāng)電壓超過2000 V時，打印的銀線出現(xiàn)輕微的扭曲或線寬不均勻的現(xiàn)象；當(dāng)電壓到3000 V時，銀線出現(xiàn)明顯的彎曲；當(dāng)電壓為4000 V時，銀線彎曲得更加明顯。在無犧牲層氮化鋁陶瓷基材上的打印結(jié)果呈現(xiàn)同樣的規(guī)律，可知對于本研究適合打印的電壓范圍為1000～2000 V。對比圖6a和圖6b，當(dāng)所有參數(shù)一致的情況下，與在帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印的銀線相比，在無犧牲層氮化鋁陶瓷上打印的銀線線寬更大且銀線一致性和均勻性更差，線邊緣粗糙度更差。

圖7a所示為帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印氣壓與銀線線寬和形貌的關(guān)系。保持打印電壓1200 V、打印高度70 μm、打印速度15 mm/s不變，打印氣壓從0.05 MPa增大至0.5 MPa，線寬從6.2 μm增大至24.8 μm，其中當(dāng)打印氣壓為0.05 MPa和0.1 MPa時，打印銀線形貌較差，其他參數(shù)下銀線形貌和一致性較好。圖7b所示為帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印高度與銀線線寬和形貌的關(guān)系。保持打印電壓1200 V、打印氣壓0.2 MPa、打印速度 15 mm/s不變 ，打印高度從20 μm增大至100 μm，銀線線寬從21.5 μm減小至7.9 μm，且當(dāng)打印高度增大至90 μm時，銀線出現(xiàn)輕微彎曲的情況，當(dāng)打印高度增大至100 μm時，銀線彎曲的情況更加嚴(yán)重。這是由于隨著打印高度的增大，射流的長度隨之增大，過長的射流導(dǎo)致打印的穩(wěn)定性變差。圖7c所示為帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印速度與銀線線寬和形貌的關(guān)系。保持打印電壓1200 V、打印氣壓 0.2 MPa、打印高度80 μm不變，打印速度從1 mm/s增大至40 mm/s，銀線線寬從67.8 μm減小到了8.7 μm，當(dāng)打印速度提高至30 mm/s時，線寬雖然減小至9 μm以下，但銀線的形貌和一致性較差。圖7d所示為無犧牲層氮化鋁陶瓷上打印速度與銀線線寬和形貌的關(guān)系。保持打印電壓1200 V、打印高度80 μm、打印氣壓0.2 MPa不變，打印速度從1 mm/s增大至30 mm/s，銀線線寬從120 μm減小至13.3 μm。當(dāng)打印速度超過30 mm/s時，銀線會出現(xiàn)斷點(diǎn)的現(xiàn)象。對比圖7c和圖7d，在電壓、氣壓、速度、高度參數(shù)都一樣的情況下，在無犧牲層氮化鋁陶瓷上打印的銀線比在帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印的銀線線寬更大，形貌更差。結(jié)合氣壓、高度、速度三個參數(shù)對打印的影響，選定氣壓0.2 MPa、高度80 μm、速度20 mm/s的打印參數(shù)作為10 μm線寬尺度高密度電路制造的工藝參數(shù)。

2.4 燒結(jié)工藝對線寬和形貌的影響

為研究高溫?zé)Y(jié)工藝對銀線線寬及形貌的影響，實驗對比了在帶犧牲層氮化鋁陶瓷基底和不帶犧牲層氮化鋁陶瓷基底上打印銀線燒結(jié)后的均勻性及線寬變化。

圖8a、圖8b分別為帶犧牲層氮化鋁陶瓷基底上打印的銀線燒結(jié)前及燒結(jié)后的光鏡圖，圖8c、圖8d分別為不帶犧牲層氮化鋁陶瓷基底上打印的銀線燒結(jié)前及燒結(jié)后的光鏡圖。對燒結(jié)后的銀線進(jìn)行測量，可得到圖8的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖9a所示為兩種基底上打印不同線寬銀線燒結(jié)后，每種線寬銀線間隔30 μm測量36組線寬計算標(biāo)準(zhǔn)差得到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)值越大表明銀線一致性越差。研究結(jié)果表明，在帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印的銀線從10 μm到60 μm線寬的標(biāo)準(zhǔn)差均小于1，在不帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印的銀線其線寬標(biāo)準(zhǔn)差均大于1.9，相比之下，在帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印的銀線具有更好的一致性和線邊緣粗糙度。

圖9b所示為在兩種基底上打印銀線燒結(jié)后的線寬變化比較，數(shù)據(jù)結(jié)果為線寬收縮率，其計算公式為

其中，φ為線寬收縮率，B1為燒結(jié)前線寬，B2為燒結(jié)后線寬。研究結(jié)果表明，在帶犧牲層的氮化鋁陶瓷基底上打印線寬13.5 μm銀線燒結(jié)后的線寬為10.5 μm，在不帶犧牲層的氮化鋁陶瓷基底上打印線寬15.9 μm銀線燒結(jié)后的線寬為14.2 μm。線寬相同時，與不帶犧牲層的氮化鋁陶瓷相比，帶犧牲層氮化鋁陶瓷基底上的銀線燒結(jié)后收縮率更高，這是因為相同線寬下在無犧牲層氮化鋁陶瓷基底上打印的銀線厚度更小，形貌更差，銀線在高溫環(huán)境中，銀顆粒軟化聚集呈分散式。并且在無犧牲層氮化鋁陶瓷基底上打印的銀線燒結(jié)后存在大量孔隙和斷點(diǎn)，如圖10所示。

3 案例研究

3.1 電學(xué)性能研究

為探究結(jié)合犧牲層的電場驅(qū)動噴射沉積微3D打印高分辨率氮化鋁陶瓷基電路的電學(xué)性能，實驗研究了不同線寬銀線的單位長度電阻及電導(dǎo)率。電導(dǎo)率是用來描述物質(zhì)中電荷流動難易程度的參數(shù)，常用來描述導(dǎo)體導(dǎo)電性的好壞，電導(dǎo)率越大則導(dǎo)電性越好，反之越差。

在尺寸為50 mm×50 mm×1 mm的帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印15根長度35 mm的銀線，870 ℃高溫下燒結(jié)后在銀線兩端封涂銀漿，固化后使用精密直流電阻測試儀測量銀線電阻。換算后得到銀線每毫米的電阻。根據(jù)電導(dǎo)率與電阻計算公式

計算電導(dǎo)率。其中，L為導(dǎo)線長度，R為導(dǎo)電電阻，S為導(dǎo)線橫截面積。

圖11所示為高溫?zé)Y(jié)后不同線寬銀線的單位長度電阻以及由式（1）計算得到的電導(dǎo)率。研究結(jié)果表明，銀線電阻隨著線寬的增大而減小，其中線寬11 μm的銀線每毫米電阻為0.88 Ω，電導(dǎo)率為5.36×107 S/m。隨著線寬的增大，銀線的電導(dǎo)率略降低，60 μm線寬銀線的電導(dǎo)率為4.17×107 S/m。純銀的電導(dǎo)率為6.3×107 S/m，純銅的電導(dǎo)率為5.7×107 S/m，純金的電導(dǎo)率為4.52×107 S/m。DELAGE等［39］使用氣溶膠噴射打印（AJP）工藝在氧化鋁陶瓷基底上實現(xiàn)了最小線寬為16.5 μm的打印，燒結(jié)后的銀線電導(dǎo)率為2.7×107 S/m；KITTILA等［40］

使用直接凹版印刷（DGP）工藝在低溫共燒陶瓷（LTCC）片材上制造了最小線寬為20 μm的銀導(dǎo)線，燒結(jié)后的銀線電導(dǎo)率為4×107 S/m；ZHAO等［41］使用激光活化金屬化（LAM）工藝在氧化鋁陶瓷基底上制造了最小線寬為33.2 μm的導(dǎo)電銅線，其電導(dǎo)率為3.2 ×104 S/m。與上述研究相比，本研究的實驗結(jié)果能在實現(xiàn)更小導(dǎo)電線路線寬的同時，還可得到較高的電導(dǎo)率。盡管具有較高的電導(dǎo)率，但是導(dǎo)線線寬的減小必然會導(dǎo)致整體電阻的增大，而本方法的多層打印能力在不增大線寬的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了線厚的增大，從而彌補(bǔ)了小線寬導(dǎo)致的電阻增大問題，滿足實際工程應(yīng)用中可能需要的小線寬、小電阻要求。

3.2 復(fù)雜幾何圖案形貌表征

高分辨率陶瓷基電路板需要具有制造任意復(fù)雜圖案的能力，因此，采用優(yōu)化的工藝參數(shù)，在氮化鋁陶瓷基材上制造了各種復(fù)雜的導(dǎo)電圖案，用以展示本方法具有任意復(fù)雜圖案的制造能力。圖12所示為打印的四種幾何圖案，其中圖12a為線寬10 μm、面積7.5 mm×6 mm的隨機(jī)網(wǎng)格圖案，圖12b為線寬12.6 μm、面積307 mm2的菱形規(guī)則圖案，圖12c為線寬15.6 μm、面積7.4 mm×7.8 mm的六邊形圖案，圖12d為線寬14.6 μm的扁圓形圖案。由此，本方法具有實現(xiàn)大面積、一致性的高分辨復(fù)雜圖案制造能力。

3.3 小型化及高密度電路

小型化和高密度電路要求線寬和線距都盡可能地小。導(dǎo)線線寬和線間距越小，相同區(qū)域所能承載的導(dǎo)電線路越多，電子器件的尺寸越小。

圖13所示為打印的兩種小線寬、小間距圖案，分別是直線、折線形狀，其中圖13a中直線圖案的線寬為12 μm、線距為18 μm，圖13b中折線圖案的線寬為8.1 μm、線距為15 μm。

因此，借助于結(jié)合犧牲層的電場驅(qū)動噴射沉積微3D打印高分辨率氮化鋁陶瓷基電路新方法的高分辨率（小線寬）和高密度（小間距）電路制造能力，制造了一組具有相同功能、不同尺寸的陶瓷電路板來展示其制造能力。圖14a為面積35 mm×35 mm、線寬45 μm的導(dǎo)電圖案，圖14b為面積7 mm×7 mm、線寬15 μm、與圖14a相同的導(dǎo)電圖案，相同圖案在不改變線路布局和形狀的前提下，面積減小為原來的1/5，線寬減小為原來的1/3。實驗結(jié)果表明，本研究提出的結(jié)合犧牲層的電場驅(qū)動噴射沉積微3D打印氮化鋁陶瓷高分辨率高密度電路方法可以進(jìn)一步縮小相同功能的電路尺寸，該工藝在工業(yè)領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

（1）提出了一種結(jié)合犧牲層的電場驅(qū)動噴射沉積微3D打印高分辨率氮化鋁陶瓷基電路新方法，與現(xiàn)有絲網(wǎng)印刷、噴墨打印、激光金屬活化、直接鍍銅、直接覆銅等技術(shù)相比，該方法具有成本低、材料浪費(fèi)少、工藝簡單、打印分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，為陶瓷基電路小型化、集成化和低成本批量化制造提供了強(qiáng)有力的支持。

（2）探究了打印參數(shù)（電壓、打印高度、氣壓、打印速度）對打印銀線形貌及線寬的影響，并根據(jù)實驗結(jié)果優(yōu)化出各種線寬要求的最佳工藝參數(shù)。通過研究在帶犧牲層氮化鋁陶瓷基材和無犧牲層氮化鋁陶瓷基材上的打印結(jié)果，揭示了犧牲層對打印銀線形貌、線寬及高寬比的影響，還揭示了高溫?zé)Y(jié)下銀線的線寬變化規(guī)律。

（3）研究了不同線寬銀線燒結(jié)后的電阻及電導(dǎo)率，銀線電導(dǎo)率最高為5.36×107 S/m，接近純銀金屬的電導(dǎo)率，且多層打印不增大線寬的同時增大線厚，彌補(bǔ)了線寬減小帶來的電阻增大問題。

（4）在氮化鋁陶瓷基材表面制備了最小線寬為8.1 μm的導(dǎo)電銀線以及線寬（12 μm）與線距（18 μm）之比為2/3的高密度導(dǎo)電線路，為陶瓷基電路的發(fā)展提供了一種全新的制造工藝。

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