电子电路打印！Aerosol Jet气雾喷射3D打印技术

美国Optomec的气雾喷射打印技术能够有效地制作3D打印的电子产品。它属于一种增材制造工艺技术(也称为3D打印或直接写印), 可将各种商购的市售导电、绝缘或半导体材料以及生物医学墨液准确地打印放置到各种2D或3D塑料、陶瓷、金属承印基底上。在这种增材制作的工艺流程,3D打印的电子或其他产品是由容易修改的计算机设计软件直接控制的逐点逐层材料堆积而形成的,无需制作光电平版印刷的掩码模板。

△Aerosol Jet气雾喷射3D打印机内部

△在一个球壳体表面打印电路

△打印出来的电路

有关气雾喷射技术在3D打印电子产品中的应用优势

气雾喷射的独特技术性能使得在各种形状的2D或3D基底上打印互连线路简单易行。例如,通常的多层互连电路可变为在2D基底上电路的交叉处增加一层打印的电介质材料,于是多层电路板的设计结构就能够在单一图层上制作出来。这是因为气雾喷射打印系统可以装置多种材料输入和交换的设备,它甚至允许在工艺过程中进行多种墨液的混合打印。

另外,气雾喷射系统还可以保形地在3D基底面上打印互联电路,并且不需要电线绑定的工序。这样的独特技术性能可用于打印连接3D堆叠裸片或LED芯片的电路制作。

气雾喷射3D打印电子产品的设备平台系列及其应用

△Aerosol Jet 5X Systems

• AEROSOL JET 200 用于可行性实验的简化入门级打印机

• AEROSOL JET 300 用于快速产品原型开发的打印机

• AEROSOL JET 5轴移转三维打印系统

• AEROSOL JET 批量生产打印设备

• 气雾喷射打印的天线

• 在国防及航空航天工业中的应用

• 在半导体封装中的应用

• 在产品、技术研发中的应用

Aerosol Jet 微米液滴气雾喷射打印工作原理

气雾喷射技术是运用了空气动力聚焦原理将电子材料墨液精确地喷射放置到基片上的。雾化器 (1) 将含功能材料的墨液雾化成稠密的、1 至 5 微米直径的雾滴(2)。所产生的墨液气雾再由惰性气流(通常为工业氮气)运载到打印喷头,在此由引进的环形圈护套气流(3)聚集成细窄的高速墨液气雾流束。

护套气和并行墨液气雾在流经喷嘴通道时不断地加速从而形成细窄紧凑的高速墨液气雾流束(4)。 护套气还起到隔离墨液气雾和喷嘴管壁的作用,以防止喷嘴被墨液材料堵塞。气雾喷射系统中使用的气流通常是清净、干燥的工业氮气或压缩空气。由此产生的高速墨液气雾流在喷向距离为 1 到 5 毫米处的基底面时能够基本上保持准直的流线,以维持在凸凹不平的3D基底面(5)上的打印分辨率。该系统采用由标准的 CAD 数据转换成的矢量打印路径文件来按照所需图案控制和驱动2D或3D承印基底相对于气雾喷嘴的运动。所打印的图案可以精细到 10 微米左右,也可以宽到数毫米。

△图 气雾喷射用于3D打印电子产品的工作示意图。 1) 内装功能墨液的超声雾化器, 2) 产生含有功能材料的微米墨滴(直径为 1 至 5 微米)的稠密气雾, 3) 护套气流在锥度喷嘴通道中将墨滴气雾加速聚集成其直径为 10 微米到数毫米(根据流量和喷嘴尺寸而定)的高速准直气雾流束, 4) 气雾流在打印喷嘴喷出的速度通常约为 50 米/秒, 在喷向距离为 1 到 5 毫米处的基底面时能够基本上保持准直的流线, 5)长束焦距的高速气雾流中的墨滴可被准确地打印到凸凹不平的3D承印基底面上。

与众不同的气雾喷射打印技术

可用于制造的电子产品的传统方法及新兴技术有许多。这些方法通常是从现有的艺术图形印刷工艺调整而来的, 也有专门为打印的电子产品新研发的技术。总的来说,许多在 2D平面上的打印工作是可以由许多传统的制造方法来完成的,但更小、更薄、要求巧妙连接的智能部件(例如那些在消费类电子产品、航空航天、医疗和物联网中使用的部件)的有效制作就需要新研发的 3D 打印方法了。下面的图表概述了在这些应用中启用气雾喷射技术的优势。

△气雾喷射直写打印的双频天线

气雾喷射打印技术在制作3D电子产品应用中的主要优越性

• 计算机数控直接打印 — 无需掩码或模板

• 不需要电镀或蚀刻工序

• 图案尺寸从 10 微米至数毫米

• 可打印互连电路和有源/或无源组件

• 能够打印生物材料

• 可打印薄至100 纳米的功能材料涂层

• 可打印各种市售功能材料

• 能在塑料、陶瓷、金属等承印基底上进行打印

• 能在凸凹不平的3D基底上进行保形打印

• 可调整扩展以满足批量生产的要求