3D 打印制備直立式陶瓷電路板用于電子器件微型化與高功率化快速原型制造

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在5G通信、航空航天及人工智能等戰(zhàn)略新興產業(yè)中，陶瓷電路板（CCBs）因高導熱性、高耐熱性和優(yōu)異介電性能成為傳統(tǒng)樹脂基印刷電路板的可靠替代品，但現有制造技術難以同時兼顧電路的高分辨率（小線寬）和高高寬比（大厚度），導致電子器件微型化與高功率化發(fā)展受限——小線寬會增加電路電阻、降低載流能力，而傳統(tǒng)工藝（如光刻、電鍍）或側重厚膜低分辨率（如絲網印刷、直接鍵合銅），或側重薄膜高分辨率（如直接電鍍、激光活化金屬化），技術路徑間存在性能鴻溝。   

針對這一難題，青島理工大學的蘭紅波教授、張廣明教授團隊開發(fā)了犧牲涂層輔助微3D打印技術，制備出兼具7 μm線寬和2.3高寬比的直立式陶瓷電路板（S-CCBs）。團隊通過在陶瓷基板表面涂覆疏水犧牲層，結合電場驅動（EFD）打印技術，解決了粗糙基板表面電場分布不均導致的噴射不穩(wěn)定問題，并利用犧牲層在燒結過程中的完全去除，實現銀漿導線的均勻收縮和高導電性（電導率達5.1×10⁷ S/m）。該技術無需傳統(tǒng)光刻、蝕刻和電鍍工藝，可在氧化鋁、氮化鋁、氧化鋯等多種陶瓷基板上實現高密度集成與大電流承載能力，且制得的電路在機械測試（1000次附著力測試、劃痕測試）和惡劣環(huán)境（500℃老化500小時、化學腐蝕500小時）中表現出優(yōu)異穩(wěn)定性。   

相關工作以“Directly printed standing ceramic circuit boards for rapid prototyping of miniaturization and high-power of electronics”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。張廣明教授為第一作者，蘭紅波教授、張廣明教授、朱曉陽教授為通訊作者。

研究內容
1. 直立式陶瓷電路板示意圖及犧牲涂層輔助電場驅動微3D打印機制，通過電場驅動微3D打印結合犧牲涂層技術，研究了氧化鋁基板表面電場分布、銀漿噴射穩(wěn)定性及燒結收縮行為。結果表明，犧牲涂層可改善電場均勻性，抑制銀漿在粗糙基板上的局部收縮缺陷，實現線寬7μm、高寬比2.3的高分辨率電路成型，且燒結后銀線與基板形成機械互鎖，提升附著力。   

圖1. 直立式陶瓷電路板原理與打印機制示意圖。   

2. 氧化鋁基板與犧牲涂層基板的打印行為對比，通過原子力顯微鏡和3D光學顯微鏡表征表面粗糙度，結合電鏡觀察銀線形貌，研究了基板粗糙度對打印線寬、邊緣粗糙度及燒結收縮率的影響。結果表明，犧牲涂層使基板粗糙度從153nm降至33nm，打印線寬標準偏差從5μm降至0.7μm，燒結收縮率提升至34%，有效解決傳統(tǒng)工藝中粗糙基板導致的打印不穩(wěn)定問題。   

圖2. 不同基板表面打印行為及銀線燒結特性對比。   

3. 典型結構打印能力驗證，通過優(yōu)化工藝參數，研究了小尺寸電感器、叉指電極、LED陣列等復雜結構的打印成型能力。結果表明，該技術可制備線寬10μm的60匝電感器、線寬/間距10μm的叉指電極，以及多層銀線堆疊結構（高寬比0.46-2.3），驗證了在微型化電子元件和高密度集成領域的應用潛力。   

圖3. 直立式陶瓷電路板典型結構打印實例。   

4. 電路電氣與機械性能表征，通過四探針法、劃痕測試和環(huán)境老化實驗，研究了銀線導電性、附著力及耐化學腐蝕/高溫性能。結果表明，銀線電導率達5.1×10⁷ S/m，經1000次附著力測試后電阻變化率僅0.64%，在pH=2.11鹽酸和pH=13.67氫氧化鈉溶液中腐蝕500小時后電阻變化率分別為8.5%和7.2%，展現出優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性。   

圖4. 銀線電氣性能與環(huán)境適應性測試結果。   

5. 多層銀線散熱性能與被動元件應用，通過紅外熱成像和阻抗分析，研究了不同打印層數對電路產熱及平面電感器、叉指電極傳感器性能的影響。結果表明，6層銀線在1.5A電流下溫度僅38.9℃，較單層降低121.1℃；高高寬比叉指電極可檢測低至0.01ppm的溶液濃度，靈敏度較傳統(tǒng)結構提升50%。   

圖5. 直立式陶瓷電路板散熱性能與被動元件應用測試。

研究結論
本研究開發(fā)了犧牲涂層輔助微3D打印技術，制備出兼具高分辨率（7 μm線寬）與高寬比（2.3）的直立式陶瓷電路板（S-CCBs）。通過犧牲涂層改善電場均勻性、促進銀漿均勻收縮，解決了傳統(tǒng)工藝中粗糙陶瓷基板導致的打印不穩(wěn)定與分辨率-厚度難以兼顧的問題。所制電路電導率達5.1×10⁷ S/m，經1000次附著力測試、500小時高溫（500℃）老化及化學腐蝕后，電阻變化率均小于10%，展現出優(yōu)異的機械強度與環(huán)境適應性。此外，多層堆疊結構可降低熱生成（6層銀線在1.5 A電流下溫度較單層降低121.1℃），并成功用于微型電感器（11.8 μH電感）和高靈敏度叉指電極傳感器（檢測限0.01 ppm）。該技術無需傳統(tǒng)光刻-電鍍流程，為電子器件微型化與高功率化提供了高效、環(huán)保的快速原型制造方案。

文章來源：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-60408-x