【PI研究進展】3D打印聚酰亞胺材料

作者：Fan Zhang和Yinfeng He。

材料噴射（Material Jetting，MJ）是增材制造領(lǐng)域主流3D打印技術(shù)之一，隨著MJ技術(shù)在印刷電路板（PCB）的發(fā)展，制備出了各種類型的印刷電子器件，包括晶體管、電容器、電傳感器、柔性電路板等。所有這些研究均基于單面電路板設(shè)計，然而單面電路板的電路設(shè)計自由度和電路密度有限，為了避免可能的短路故障，導(dǎo)電線軌不允許在其路徑中具有任何交叉點。在工業(yè)制造中通常使用雙面PCB電路，導(dǎo)電線路通常被放置在板的兩側(cè)，以獲得更緊湊的結(jié)構(gòu)和增加電路板密度。為實現(xiàn)高的電路密度，在交叉點需要有選擇地沉積絕緣材料，為電路創(chuàng)建絕緣橋接。聚酰亞胺（PI）作為一種高性能的層間介電材料，在微電子領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，在集成電路制造和微機電系統(tǒng)器件中起到至關(guān)重要的保護作用。

噴墨打印的PAA合成示意及可打印參數(shù)

近期，研究人員開發(fā)了一種可噴墨打印PI的方法，引入馬來酸酐（MA）合成了可用于MJ的高性能PI前驅(qū)體墨水�；�于實時的熱酰亞胺與反應(yīng)注射成型技術(shù)，該PI前驅(qū)體墨水可通過印刷法制備形成具有可控尺寸、均勻致密的PI薄膜，避免了開裂等缺陷且形貌顯著改善，利用該PAA墨水進行了復(fù)雜電路板的制備。

(a) differentsubstrate temperatures (120, 150, 180℃) and number of layers (1, 3 and 6 layers);

(b) inkjet printing and (c) casting.

打印PI薄膜的表面形貌和SEM照片

打印PI薄膜的表面粗糙度

FTIR分析結(jié)果表明，在180℃下加熱15min以上，打印的PAA液滴可在印刷過程轉(zhuǎn)化為PI，從而使印刷打印成為連續(xù)制程。研究了不同基材溫度對PAA試樣的成核及表面形貌的影響。與之前報道的產(chǎn)品相比，該打印PI油墨沒有顯示出明顯的咖啡環(huán)效應(yīng)。結(jié)果表明，隨著襯底溫度的升高，薄膜的直徑減小，但表面高度增大，同時薄膜的表面粗糙度降低，從而產(chǎn)生銳利邊緣。研究表明，所印刷制備的PI薄膜的介電常數(shù)為3.41±0.09，熱降解溫度約為500℃，兩者均與市售PI薄膜產(chǎn)品相當(dāng)。

打印PI薄膜的制備工藝及表征

該PI體系可用來生產(chǎn)復(fù)雜的電路板結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)導(dǎo)電銀線路與PI電介質(zhì)絕緣層的共同印刷。研究人員先后打印了一系列PI絕緣膜，尺寸為200×200μm~ 500×500μm，并將其用于兩條交叉導(dǎo)電線路的絕緣，即在兩個電路圖案的交叉點處選擇性地沉積4μm厚度左右的絕緣層。

PAA噴墨制備復(fù)雜電路板過程示意

打印PI薄膜對導(dǎo)電線路的分割及所制備電路

結(jié)果表明，此類連續(xù)PI印刷工藝可以為復(fù)雜的單層電路制備提供了一種更通用、更有效的方法，為用戶提供了更高設(shè)計自由度來實現(xiàn)更緊湊高性能PCB結(jié)構(gòu)。

研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊 Additive Manufacturing（2019，25：477-484），第一作者和通訊作者分別為英國University of Nottingham的Fan Zhang和Yinfeng He。


來源： 聚酰亞胺科技