表面改性 3D 打印基板与基于光合成金属纳米粒子联合制造高性能电子系统

供稿人：张智航，连芩 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

增材制造能够生产高度复杂和个性化的产品，然而，要实现现代大规模生产的电子系统的性能、可靠性和小型化，需要材料科学和加工方面的创新。英国利兹大学机械工程学院研究人员介绍了一种新的数字制造策略，该策略将高性能聚合物（聚醚酰亚胺）的 3D 打印与通过聚合物表面的化学改性和计算机控制的功能器件和结构组装结合光基选择性金属化铜迹线。使用这种方法，可以在柔性共形表面上制造精确且坚固的导电电路，而无需连接和组装单独的电路。

为了展示该工艺如何与现有的电子封装技术兼容，一系列现代元件被焊接到表面贴装组装到选择性金属化焊盘上。为了突出这种新功能的潜在应用，研究人员制造并表征了高频无线通信、感应供电和位置传感演示器。结果显示了该过程如何为机器人、医学和可穿戴技术领域的未来实际应用提供所需的机械、电气、热和电磁特性。

图 1. 数字驱动制造过程的示意图 (a) PEI 基板的熔丝制造。 (b) (i) 功能性酰亚胺结构的表面化学改性。 (ii) 水解裂解酰亚胺环， (iii) 离子交换形成聚酰胺酸银。 (c) 通过 (i) 选择性紫外激光照射诱导银纳米颗粒，(ii) 化学镀铜进行金属图案化。 (d) 计算机控制的膏体分配和电子元件的表面贴装组装。

该工艺首先使用熔融长丝制造 (FFF)工艺 3D 打印基于聚醚酰亚胺 (PEI) 的长丝 (ULTEM 1010)，其中熔融 PEI 从喷嘴逐层选择性地挤出以构建 3D 几何结构（图 1a）.基于PEI的材料是可进行 3D 打印的无定形热塑性聚合物，具有化学稳定性、生物相容性，并具有下一代应用所需的机械、热和介电性能。该工艺的第二阶段包括使用由金属纳米颗粒的局部光还原引发的化学镀工艺选择性地金属化 PEI 表面。这是通过使用两阶段反应对聚合物的酰亚胺组分（图 1b-i）进行化学改性来实现的，该反应包括使用氢氧化钾进行碱性水解以形成聚酰胺酸钾（图 1b-ii），然后通过浸入硝酸银中进行离子交换，形成聚酰胺酸银（图 1b-iii）。在暴露于405 nm光时，银离子通过光解还原以合成 20-70 nm 的金属纳米颗粒（图 1c-i）。然后去除任何未暴露的残留银离子，以使剩余的银纳米颗粒充当使用酒石酸盐溶液进行化学铜沉积的种子位点（图1c-ii）。该过程的最后一部分涉及使用计算机控制的分配和机器人拾取和放置组件（图 1d）结合附加功能。
参考文献：

    1. Esfahani RN、Shuttleworth MP、Doychinov V 等。 用于高性能电子系统的表面改性 3D 打印基板上基于光的金属纳米粒子合成[J]. 增材制造，2020 年，34：101367。