導(dǎo)電油墨3D打印PCB的優(yōu)勢與不足

來源： 電子工程3D打印

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，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外生產(chǎn)，國產(chǎn)油墨在性能及商業(yè)化與國外仍有一定差距，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)域的油墨有必要儲備研發(fā)以應(yīng)對未來的需求缺口。本文分享了來自美國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，而對于產(chǎn)品設(shè)計師的創(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，尤其是對PCBs，這些材料的應(yīng)用依賴于生產(chǎn)流程中獨特的增材制造工藝。

這意味著設(shè)計師需要在設(shè)計環(huán)節(jié)考慮他們所用生產(chǎn)方式的工藝流程，因為這些工藝流程由于設(shè)備自身架構(gòu)的問題會帶來一些加工制造的局限性。金屬材料沉積工藝通常會經(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)的原因，對于PCB加工制造來說這些工藝或許不是最佳的選擇。

金納米顆粒的TEM圖像

作為增材制造電子產(chǎn)品材料的新種類，在設(shè)計環(huán)節(jié)需考慮到導(dǎo)電油墨有它的優(yōu)勢和不足。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3D打印電子而言是一個非常有吸引力的選擇。

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)阻止它們在懸浮態(tài)中團(tuán)聚。這種配位體和主溶劑的選擇會影響懸浮液的粘度和在基板上的親水性。這些特點都是在選擇基板時配合使用哪種導(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，懸浮液中的溶劑會蒸發(fā)，金屬顆粒必須熔合成一個固態(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，這些細(xì)節(jié)方面都是需要考慮到的。

納米銀油墨（圖片來源于NanoDimension）

導(dǎo)電油墨的優(yōu)勢與不足
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)電油墨是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。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出現(xiàn)性能退化。但當(dāng)選擇一塊有機(jī)基板時則會需要較低的熱處理溫度。

導(dǎo)電油墨可以從很大的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)商業(yè)化了，但并不是所有的增材制造系統(tǒng)和供料系統(tǒng)可以適用這些金屬材料。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，然而這無疑將會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)商會花大量的時間用于將這些材料和他們的系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致，并且對第三方而言想要合成合成新的導(dǎo)電油墨來適用他們的系統(tǒng)這將會非常困難。然而對于增材制造的發(fā)展空間材料這塊仍是很大的空缺，可適用的材料范圍仍有望擴(kuò)大。

納米導(dǎo)電油墨的固化溫度這方面仍被視為是一項劣勢。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，納米顆粒則不會熔化成為一個連續(xù)的固體薄膜，任何殘存在薄膜內(nèi)結(jié)構(gòu)缺陷將會降低導(dǎo)電率和機(jī)械強(qiáng)度。

適用于導(dǎo)電油墨及介電油墨打印的噴墨系統(tǒng)（NanoDimension）

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。因為制造工藝流程中的溫度可以相當(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），這是一個很大的優(yōu)勢。

  同時沉積導(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)電油墨和介電油墨技術(shù)所帶來的靈活性，能夠為設(shè)計者在采用這項獨特的系統(tǒng)制作PCB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)計者應(yīng)用這類型的系統(tǒng)可以使設(shè)計思路從傳統(tǒng)的設(shè)計束縛中解脫出來。

  盡管導(dǎo)電油墨有一些自身的優(yōu)勢和不足，但不能否認(rèn)對于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)計及打印的創(chuàng)新型解決方案。下表附上Nano的導(dǎo)電油墨性能，下圖為Nano油墨的納米顆粒形貌。

表 NanoDimension 導(dǎo)電納米銀油墨性能（AgCite）

屬性	數(shù)據(jù)
粘度@35℃（噴射溫度）	5-35 cP
表面張力	27-37 mN/m
密度	1.3-2.7 g/mL(取決于銀含量)
銀含量	20-70%
溶劑	乙二醇醚基親水性
燒結(jié)溫度	＞130℃
可用的粒子尺寸	10-100nm
電阻率≥	2.8μΩ·cm
電導(dǎo)率≤	35700000S/m
燒結(jié)方法	加熱，紅外，激光，光子，電子束，化學(xué)
合適的基材	PET,PEN,PEEK,,PI,金屬，陶瓷，涂層紡織品
天線性能	在2GHz時達(dá)到89%的效率