电场驱动喷射沉积微纳3D打...先进电路和电子制造中的应用_兰红波.pdf

第 59 卷第 9 期 2023 年 5 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.59 No.9 May 2023 DOI：10.3901/JME.2023.09.230 电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印及其在先进电路 和电子制造中的应用*兰红波1 李红珂1 钱 垒2 张广明1 于志浩1 孙 鹏1 许 权1 赵佳伟1 王 飞1 朱晓阳1 (1.青岛理工大学山东省增材制造工程技术研究中心 青岛 266520；2.香港理工大学工业与系统工程系 香港 999077)摘要：微纳 3D 打印是近年出现的一种颠覆性新技术，经过 10 多年的迅猛发展，国内外学者已经提出 10 多种微纳 3D 打印工艺，但现有微纳 3D 打印大都面临打印材料和基材的普适性和兼容性差、大面积宏/微跨尺度结构制造困难、生产成本高，尤其是还存在成形效率(尺寸)和打印精度相矛盾的挑战性难题。经过近 10 年的研究与技术攻关，提出并建立了一种电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印新技术，围绕该技术在基础理论、数值模拟、关键技术和装备、打印材料、实验研究和工艺优化、工程应用等方面开展了较为系统和深入研究。主要综述了电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印基本原理和近年取得重要进展，尤其是系统介绍了该技术在先进电路和电子制造中的典型应用，旨在为先进电路和电子的制造提供了一种低成本、普适性好的具有工业化应用前景的全新解决方案。关键词：微纳尺度 3D 打印；电场驱动喷射沉积；微纳增材制造；先进电路；电子制造 中图分类号：TG156 Electric-field-driven Jet Deposition Micro-nano 3D Printing and Its Applications in Manufacturing Advanced Circuits and Electronics LAN Hongbo1 LI Hongke1 QIAN Lei2 ZHANG Guangming1 YU Zhihao1 SUN Peng1 XU Quan1 ZHAO Jiawei1 WANG Fei1 ZHU Xiaoyang1(1.Shandong Engineering Research Center for Additive Manufacturing,Qingdao University of Technology,Qingdao 266520;2.Department of Industrial&Systems Engineering,The Hong Kong Polytechnic University,Hong Kong 999077)Abstract：Micro-nano 3D printing is a disruptive new technology that has emerged in recent years.More than a dozen micro-nano 3D printing processes have been proposed after nearly ten years of rapid development.However,most of the existing micro-nano 3D printing technologies face a series of challenges,such as poor universality and compatibility of printing materials and substrates,difficulties in manufacturing large area macro/micro cross-scale structures,high production costs,and especially the challenging problem of conflicting forming efficiency(size)and printing accuracy.After a decade of technical research,An original electric-field-driven jet deposition micro-nano 3D printing new technology has been proposed and developed.Furthermore,a series of basic theories,numerical simulations,key technologies and equipment,printing materials,experimental research and process optimization,engineering applications,and other aspects have been carried out in more systematic and in-depth research.The basic principles of electric-field-driven jet deposition micro-nano 3D printing and the significant progress achieved in recent years are *国家自然科学基金(52175331)、山东省自然科学基金重大基础研究(ZR2020ZD04)和山东省高等学校青创科技支持计划(2020KJB003)资助项目。20220508 收到初稿，20221124 收到修改稿 月 2023 年 5 月 兰红波等：电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印及其在先进电路和电子制造中的应用 231 reviewed,especially the typical applications of the technology in advanced circuit and electronics manufacturing are systematically introduced,aiming to provide a new solution for the manufacturing of advanced circuits and electronics with low cost and good universality with industrial application prospects.Key words：micro-nano scale 3D printing；electric-field-driven jet deposition；micro-nano additive manufacturing；advanced circuits；electronic manufacture 0 前言 微纳增材制造(微纳 3D 打印)是近年出现的一种前沿颠覆性新技术，它基于增材原理制造微纳结构或者包含微纳尺度特征功能性产品的新型微纳加工技术。与传统微纳制造技术相比，它具有成本低、工艺简单、适合硬质和柔性以及曲面等各种基材或表面、材料利用高、可用材料种类广、无需掩模或模具、直接成形的优点，尤其是在复杂三维微纳结构、大高(深)宽比微纳结构、复合(多材料)材料微纳结构、宏/微/纳跨尺度结构以及嵌入式异质结构制造方面具有非常突出的潜能和独特优势1-6。微纳尺度3D 打印被美国麻省理工学院(MIT)的技术评论列为 2014 年十大具有颠覆性的新兴技术。经过 10 多年快速发展，国内外学者已经开发出10 多种微纳增材制造工艺，代表性工艺主要包括：微立体光刻、双光子聚合微纳 3D 打印、电流体动力喷射打印(电喷印)、电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印、气溶胶喷射打印、微选区激光烧(-SLS)、激光诱导前向转移(LIFT)、墨水直写(DIW)、电化学沉积、混合/复合微纳增材制造等4-18。目前微尺度 3D 打印日趋成熟，生产效率和精度不断提高，工程应用领域不断扩大，无论是产业界还是学术界都有重要进展。例如美国 Optomec 公司气溶胶喷射(Aerosol jet printing，AJP)技术目前已经实现特征尺寸 10 m高精度电路打印，打印材料粘度达到 1 000 mPas，具有 3D 曲面和非平整表面共形打印能力，已尝试用于天线、传感器等电子产品的中小批量化生产，但是面临着打印效率较低、设备昂贵、适合打印材料有限的问题19。德国 3D MicroPrint 公司微激光烧结制造的金属材料微结构分辨率已经达到 15 m，表面粗糙度 Ra 为 1.5 m，高宽比达到 300，烧结后的相对密度高于 95%，该工艺打印同样面临效率低、成本高、适合打印材料少的问题(目前只提供两种不锈 钢 打 印 材 料)20。美 国 Microfabrica 开 发EFAB(Electrochemical Fabrication，电化学制造)实现了复杂三维金属微结构/器件制造，具有最小特征尺寸 10 m，最小层厚 5 m 的工艺能力21。尽管其在复杂金属三维结构制造方面具有独特的优势，但该技术存在的不足是生产效率非常低，工艺复杂、适合成形材料少(目前主要是铜、镍等材料)。微立体光 刻(面 投 影 微 立 体 光 刻Projection micro stereolithography，PSL)、连续液体界面生产技术(Continuous liquid interface pulling，CLIP)在打印效率方面有了巨大提高，尤其是 CLIP 将 3D 打印速度提升 100 倍，Carbon 的 CLIP 打印精度 200 m(最高分辨率 75 m)，PSL 公开报道的最高打印分辨率是 0.6 m13，国内魔方精密公司实现了光学精度为2 m，打印幅面为 50 mm 50 mm PSL 打印机的商业化。但是 PSL 和 CLIP 主要适合打印材料是光敏树脂，而且生产成本高。亚微米和纳尺度 3D 打印代表着未来增材制造的发展方向，近年在分辨率、打印材料以及应用等方面持续不断获得突破，是当前增材制造最为活跃和创新性最强的研究领域。基于双光子聚合 3D 打印已经实现了亚微尺度任意复杂三维结构的制造，德国 Nanoscribe 公司代表该技术最高水平，目前打印最小特征尺寸(XY)160 nm22，但是该技术面临的不足是效率低、设备昂贵、成形尺寸小、打印材料限于光敏树脂。电喷印实验室最高精度已达到 50 nm，结合自组装工艺分辨率已经达到 15 nm，适合打印的材料非常广泛23。瑞士 IBM研究中心(NanoFrazor，3D 纳米打印)利用热探针扫描刻写技术及新型的直写胶技术实现了 10 nm 以下复杂三维微纳结构制造。2021 年自然报道了一种以带电气溶胶为基础的 3D 纳米打印技术，实现了纳米级金属 3D 打印，并适用多种材料24。2022年科学以封面文章形式报道了一种体曝光固化3D 打印玻璃微结构的突破性技术，制造出内径为150 m 的三维微流体，表面粗糙度为 6 nm 的自由形式微光学元件，以及最小特征尺寸为 50 m 的复杂高强度桁架和晶格结构25。其他诸如 NASA 等离子3D纳米打印、聚焦电子束诱导沉积3D纳米打印、石墨烯 3D 打印新的纳尺度增材制造相继被开发。机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 232 但是亚微米和纳尺度增材制造目前还基本停留在实验室阶段，距离实际工业化应用尚有一段距离。因此，尽管目前已经开发了 10 多种微纳 3D 打印工艺，并在多个方面取得比较大的突破，但是现有微纳 3D打印还面临以下亟待突破的难题和技术瓶颈：效率低、成本高(设备昂贵)、打印材料兼容性差、难以实现宏/微跨尺度制造，这制约微纳 3D 打印更广泛的工业化应用。国内外已有研究结果显示，与现有其他微纳 3D打印工艺相比，电喷印、电流体