導電油墨3D列印PCB的優勢與不足

2021-01-16 電子工程3D列印

前序：電子工程3D列印產品性能如電阻率、損耗、機械強度等一系列性能均是由列印材料所決定，因而列印最終的核心也在於基礎材料的製備。目前導電納米銀等相關油墨已經商業化了，主要應用於印刷電子中如RFID天線、傳感器、太陽能電池等領域。然而高性能的油墨仍主要來源於國外生產，國產油墨在性能及商業化與國外仍有一定差距，隨著3D列印電子領域、印刷電子的發展，在電子行業細分領域的油墨有必要儲備研發以應對未來的需求缺口。本文分享了來自美國Simon Fried 關於3D列印PCB中導電油墨的一些看法。

用於電子和機械產品3D列印的工藝和材料已經非常廣泛了，而對於產品設計師的創新想法仍在持續擴展。當這些想法遇到新的電子產品時，尤其是對PCBs，這些材料的應用依賴於生產流程中獨特的增材製造工藝。

這意味著設計師需要在設計環節考慮他們所用生產方式的工藝流程，因為這些工藝流程由於設備自身架構的問題會帶來一些加工製造的局限性。金屬材料沉積工藝通常會經歷高溫過程或者需要雷射將材料熔化成固態導電體。由於這些工藝依賴於基板、量產及設備架構的原因，對於PCB加工製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


作為增材製造電子產品材料的新種類，在設計環節需考慮到導電油墨有它的優勢和不足。固化後導電油墨的機械性能和電性能將影響到它在產品中的應用範圍。儘管如此，導電油墨具有簡單的合成方式，並且可以快速融入現有的列印工藝，使得它對3D列印電子而言是一個非常有吸引力的選擇。


哪些材料可以用於3D列印電路板？


導電油墨是一種金屬納米粒子在主體溶劑中的懸浮態。納米顆粒在溶劑中隨著時間聚集成較大的團簇體。因而這些納米顆粒之間需要形成一種配位體結構阻止它們在懸浮態中團聚。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後，懸浮液中的溶劑會蒸發，金屬顆粒必須熔合成一個固態導體。這可能涉及到高溫工藝流程，像熱處理、或者低溫處理，像光學輔助的燒結，UV曝光等。當所選擇的導電油墨大致符合你的設備和生產工藝時，這些細節方面都是需要考慮到的。


      導電油墨的優勢與不足


在3D列印電子產品中使用導電油墨的主要優勢在於它的靈活性。它們可以很容易地沉積於各種平面和非平面的基材上。導電油墨是可以適用於噴墨或氣溶膠噴射列印。沉積於基板上的效果是決定這種油墨是不是合適的。陶瓷或者其他硬質基板可以匹配更高的熱處理溫度且不會出現性能退化。但當選擇一塊有機基板時則會需要較低的熱處理溫度。

 

導電油墨可以從很大的範圍的納米金屬顆粒中製備。只要納米顆粒可以用合適的配位體連接，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沉積工藝，或者通過添加劑和表面活性劑來調整。

 

儘管各種形態和尺寸的金屬納米顆粒已經商業化了，但並不是所有的增材製造系統和供料系統可以適用這些金屬材料。在噴墨列印和氣溶膠噴射列印過程中為了保證噴孔不堵，因而用於阻止材料團聚的配位體至關重要。至少要保證配位體在沉積之前進行添加或更換，然而這無疑將會使這些昂貴的材料成本進一步增加。

因此，列印系統供應商會花大量的時間用於將這些材料和他們的系統協調一致，並且對第三方而言想要合成合成新的導電油墨來適用他們的系統這將會非常困難。然而對於增材製造的發展空間材料這塊仍是很大的空缺，可適用的材料範圍仍有望擴大。

納米導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係，這是需要在列印工藝中考慮的。對於一些導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的固體薄膜，任何殘存在薄膜內結構缺陷將會降低導電率和機械強度。

適用於導電油墨及介電油墨列印的噴墨系統（NanoDimension）


     用於噴墨列印的導電油墨


在電子增材製造領域中導電油墨噴墨列印中的應用並不算是什麼顯著的進步。因為製造工藝流程中的溫度可以相當低，且可以採用光學輔助固化，但導電油墨可以很快適應於複合沉積導電油墨和介質基材的噴墨系統中。相比氣溶膠噴射沉積、雷射直接成型（LDS）或者熔融沉積（FDM），這是一個很大的優勢。

  同時沉積導電油墨和介電油墨，隨後採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量。這樣可以允許PCB通過層層沉積成型，也使噴墨列印成為製造PCB板或其他非平面的幾何體自然而然的選擇。

  這種由噴墨列印和複合沉積導電油墨和介電油墨技術所帶來的靈活性，能夠為設計者在採用這項獨特的系統製作PCB過程中提供很大的自由。多層互聯的幾何結構並不局限於PCB、天線類的導電體、傳感器或者絕緣體中傳統的線路和垂直互聯孔，這些都可以通過噴墨沉積應用於非平面幾何體。設計者應用這類型的系統可以使設計思路從傳統的設計束縛中解脫出來。

  儘管導電油墨有一些自身的優勢和不足，但不能否認對於3D列印成型特殊的電子結構體而言它們是一種非常具有潛力材料。目前Nano已經採用了噴墨複合沉積技術為客戶提供了應用於電子設計及列印的創新型解決方案。下表附上Nano的導電油墨性能，下圖為Nano油墨的納米顆粒形貌。


表 NanoDimension 導電納米銀油墨性能（AgCite）

屬性

數據

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(取決於銀含量)

銀含量

20-70%

溶劑

乙二醇醚基親水性

燒結溫度

＞130℃

可用的粒子尺寸

10-100nm

電阻率≥

2.8μΩ·cm

電導率≤

35700000S/m

燒結方法

加熱，紅外，雷射，光子，電子束，化學

合適的基材

PET,PEN,PEEK,,PI,金屬，陶瓷，塗層紡織品

天線性能

在2GHz時達到89%的效率

 

納米銀油墨（圖片來源於NanoDimension）

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