《電子技術(shù)應(yīng)用》
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在紙上“打印”電路板

2015-02-12
關(guān)鍵詞: 電路板 打印

  “打印”在銅版上的電子元件。

  中科院理化所供圖

  是否想過,你在家里能像打印word文檔一樣輕松地“打”出一張電路板,然后組裝出自己喜歡的玩具?

  近日,一項(xiàng)研究或許可以讓這一想象變成現(xiàn)實(shí)。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員劉靜帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì),首次研制出紙上直接生成電子電路的技術(shù),并做出了桌面式3D自動(dòng)打印原型樣機(jī)。有了這臺(tái)設(shè)備,設(shè)定好程序,就可以“打”出自己需要的電路系統(tǒng)了。

  “墨水”就是液態(tài)金屬,電路直接打印在紙上

  紙上“打印”電子電路,得益于室溫狀態(tài)下液態(tài)金屬直接印刷電子方法的突破。

  劉靜介紹,常規(guī)的電路板制造工序通常較為耗時(shí)、耗材、耗能,而印刷電子方法就像印刷文字一樣,直接在基板上形成能導(dǎo)電的線路和圖案,能將傳統(tǒng)的7—8道工序縮短至3—4道,快速靈活。

  但這種方法受到“墨水”的束縛。為了讓印上去的“墨水”導(dǎo)電,常常需要采用導(dǎo)電聚合物或添加納米顆粒材料并通過高溫固化或特定化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。液態(tài)金屬印刷電子方法則將印刷電子向前推進(jìn)了一大步,它的基本觀念在于:“墨水”就是液態(tài)金屬,打出來就能成為電路。

  傳統(tǒng)工藝下,電子工程師若需更改電路板,需用化學(xué)藥水做處理,經(jīng)過刻蝕等步驟才能形成自己的設(shè)計(jì)。而新的液態(tài)金屬打印方法,讓漫長的設(shè)計(jì)過程變得唾手 可得。劉靜介紹,他們已經(jīng)在紙上打印出各種相對(duì)簡單的電子電路,測(cè)試后導(dǎo)電性、可靠性良好。理論上,特別復(fù)雜的電路或電子元器件也可以打出來。據(jù)了解,打 印一張A4紙大小的紙基電路板,目前只需要十幾分鐘,但對(duì)復(fù)雜電路圖案,時(shí)間可能會(huì)長一些。

  劉靜表示,相比于常用的塑料基底,紙張具有成本低、便攜、易降解、折疊,回收利用方便等特點(diǎn),是一種綠化、環(huán)保、價(jià)廉的電路材料。

  新方法將顯著擴(kuò)展3D打印的應(yīng)用范圍

  印刷電子的實(shí)現(xiàn)前提是“墨水”應(yīng)具備流動(dòng)性。為尋找室溫下直接生產(chǎn)電子電路的方法,劉靜團(tuán)隊(duì)通過對(duì)液態(tài)金屬輸送機(jī)理的深入剖析,終于攻克了這一難題。 值得一提的是,研究團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了3D機(jī)電復(fù)合系統(tǒng)的直接打印。這意味著,新方法不但可以打印平面電路,還能完成立體復(fù)雜電路及其支撐件的直接生成。

  “當(dāng)前的3D打印大多只能打印模型自身,還不能打出包含電子功能在內(nèi)的器件。”劉靜說,液態(tài)金屬印刷電子方法將顯著擴(kuò)展3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍。

  紙張代替塑料、直接打印取代集成生產(chǎn),雖然離現(xiàn)實(shí)還很遠(yuǎn),但劉靜更看重的,是這一理念背后蘊(yùn)含的未來電子器件個(gè)性化制造的可能性。專家認(rèn)為,這一技術(shù) 有望改變傳統(tǒng)電子電路制造規(guī)則。個(gè)性化的電路設(shè)計(jì)方法,使其在電子工程、個(gè)性化電子元件設(shè)計(jì)和制造加工、創(chuàng)意設(shè)計(jì)等方面有較大的應(yīng)用空間。劉靜認(rèn)為,這一 技術(shù)還有望占領(lǐng)電子紙市場(chǎng)一展拳腳。據(jù)總部設(shè)在英國劍橋的市場(chǎng)研究咨詢公司IDTechEx預(yù)測(cè),2013年電子紙市場(chǎng)估計(jì)約160億美元,這一數(shù)字在 2023年將增長至近770億美元。

  未來電子制造業(yè)可能不在工廠里,而是在辦公室或家里,這是劉靜勾畫出的未來圖景。

  “紙張能作為電子元件的集成載體,意義很大。”劉靜認(rèn)為,目前紙張載體還存在吸水、強(qiáng)度不足等弱點(diǎn),但潛力很大,隨著技術(shù)完善,將開發(fā)出更多種類適合打印電路的紙張,也能促成更多應(yīng)用。

  當(dāng)前,大規(guī)模的集成電路生產(chǎn)方式仍是主流,技術(shù)成熟,有規(guī)模成本優(yōu)勢(shì)?;谝簯B(tài)金屬印刷電子方法,要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模運(yùn)用還有很大距離。

  其一,便是對(duì)金屬“墨水”劑量的控制。此外,液態(tài)金屬的種類很有限,而要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計(jì),得依賴多種“墨水”交互自動(dòng)化使用。在硬件發(fā)展方面,還需提高 打印設(shè)備的自動(dòng)化水平,只有研發(fā)出適用面廣、成本適中的桌面自動(dòng)打印系統(tǒng),才能真正進(jìn)入“尋常百姓家”。另外,足夠豐富的應(yīng)用程序和軟件也是推廣的重要前 提。劉靜希望,今后有更多的科研人員參與研發(fā)相關(guān)應(yīng)用,以確保即便沒有電子設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人士也能借助預(yù)設(shè)于計(jì)算機(jī)中的控制軟件,打印出電子賀卡、顯示器、廣 告牌、機(jī)器人乃至光伏電池陣列等電子產(chǎn)品。

  雖然困難重重,但正如業(yè)界評(píng)價(jià)的那樣:這意味著打開了極為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域乃至通過家用打印機(jī)制造電子器件的大門。

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