曹福來，盧 帥，晁艷普

（許昌學(xué)院，河南 許昌 461000）

0 引言

柔性混合電子是伴隨著柔性電子技術(shù)發(fā)展而來的一種新型技術(shù)，該技術(shù)將傳統(tǒng)的電子構(gòu)件集成到柔性基底上[1]，既保證了電子器件性能的穩(wěn)定又使整體像皮膚一樣具有柔韌性，可以滿足大多數(shù)柔性電子產(chǎn)品應(yīng)用要求的，同時降低了制造成本與工藝難度。國內(nèi)，清華大學(xué)馮雪課題組、林榮贊課題分別制作了可穿戴的揚聲監(jiān)測柔性混合電子[2]與無線心電圖充電柔性混合電子[3]；國外，Ota等利用3D打印技術(shù)制作了可編程的柔性混合加熱器[4]，Valentine 等利用液態(tài)金屬直寫技術(shù)制作了微控制器柔性混合電子[5]。目前柔性混合電子器件已應(yīng)用于生物醫(yī)藥、可穿戴設(shè)備、印刷射頻天線、軟機(jī)器人等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景[6-9]，本文提出了一種基于3D打印的柔性混合電子集成制造方法。

1 基本原理

柔性混合電子的結(jié)構(gòu)復(fù)雜如圖1所示，其結(jié)構(gòu)層包含了襯底層、導(dǎo)線、功能器件、封裝層，不同結(jié)構(gòu)層需要不同的功能模塊來實現(xiàn)[10]。本方法將柔性材料PVC作為性襯底，導(dǎo)線采用液態(tài)金屬直寫技術(shù)，在壓力的作用下完成導(dǎo)線的打印，作為功能器件的電子元件則通過真空吸附裝置來放置在預(yù)先設(shè)定好的位置，最后通過打印封裝層來實現(xiàn)整體的封裝。實驗前將預(yù)先處理好的實驗材料裝入料筒，通過軟件將打印路徑代碼導(dǎo)入3D打印機(jī)中, XYZ 三軸精密運動平臺按照規(guī)劃好的路徑來運動。制造工藝流程可以實現(xiàn)除了功能器件之外其余的封裝層、導(dǎo)線均由XYZ 三軸精密運動3D實驗平臺來完成，在保證打印精度的同時保證了功能器件的使用壽命和性能的穩(wěn)定，體現(xiàn)了“從無到有”的成型優(yōu)勢，其制造流程如圖1所示。

圖1 柔性混合電子制造流程圖

2 實驗平臺設(shè)計

本實驗平臺需要有運動模塊、氣壓模塊、控制模塊、監(jiān)測模塊等。運動模塊硬件主要是XYZ三軸精密平臺，其中X-Y軸運動平臺完成二維平面運動，Z軸運動平臺完成高度的運動，兩者相互配合完成運動平臺的三維運動；運動模塊軟件是在Otostudio軟件平臺自行開發(fā)的打印系統(tǒng)，可以控制平臺運動速度和位移。氣壓模塊包含氣泵、調(diào)壓閥、真空發(fā)生器等來保證打印所需的背壓以及吸附電子元件所需的負(fù)壓；監(jiān)控系統(tǒng)采用德國Silicon Software公司圖像采集板卡將采集到的圖像經(jīng)PCI總線傳送電腦硬盤中保存，進(jìn)行分析計算處理。采用美國蒙那多DA/DB型頻閃儀作為頻閃光源。試驗中采用頻閃光源與CCD相機(jī)同步曝光的方法實現(xiàn)熔滴沉積瞬間影像的拍攝，高速CCD攝像機(jī)快門與頻閃光源由外部觸發(fā)器提供的TTL信號同時驅(qū)動以實現(xiàn)同步工作，實驗平臺如圖2所示。

圖2 3D打印柔性混合電子實驗平臺

3 實驗研究

3.1 打印導(dǎo)線

液態(tài)金屬直寫柔性電路過程中，液態(tài)金屬在背壓作用下流出然后黏附在印刷材料表面形成電路。液態(tài)金屬在不同印刷基板表面的潤濕特性、印刷速度和書寫壓力是影響印刷線成形質(zhì)量的主要因素。實驗研究了不同書寫基板表面、書寫速度和書寫壓力下形成的液態(tài)金屬電路形狀和尺寸的變化特性，建立了獲得最佳電路質(zhì)量的有效工藝窗口，這是實現(xiàn)柔性復(fù)雜電路和功能性電子圖案的必要保證。不同基體材料表面液態(tài)金屬的形態(tài)特征如圖3所示。

圖3 液態(tài)金屬在不同基板材料表面的形貌

在圖3中，實驗材料選用鎵銦合金(GaIn24.5),其熔點為15.7 ℃，密度為6.3 g/cm3，黏度為0.27 Cst，表面張力為0.60 N/m。圖3中(a)、(b)、(c)選用的基材分別為玻璃、PVC、覆銅板。經(jīng)過測量液態(tài)金屬與3個基底之間的潤濕角分別為112.5°、90°、131.2°，可以看出PVC對液態(tài)金屬的潤濕能力較好，表現(xiàn)出較強(qiáng)的附著力，相比之下其他兩種基質(zhì)的黏附行為很少。

不同工藝參數(shù)下的24條直寫打印線如圖4所示。

圖4 不同工藝參數(shù)下的直寫打印線

在圖4中，所有的樣品都是在W=1N的書寫壓力下制備的。印刷材料選用GaIn24.5合金，印刷頭由直徑0.5 mm的碳化鎢球和不銹鋼球座組成，印刷基板選用厚度為0.5 mm的PVC薄膜。第一次的打印速度設(shè)置為F100，以后每次增加100直到F2400，每個印刷速度下的印刷線條的形態(tài)是用微距鏡頭捕捉的。使用Image Pro軟件測量不同位置的打印線條寬度。根據(jù)4次測量值計算平均值，根據(jù)測量結(jié)果可知隨著打印速度的增加，打印行的寬度會減小。設(shè)置打印速 度VF為F100、F200、F300、F400、F500、F600時，打印線平均測量寬度分別為1122 μm、809 μm、650 μm、588 μm、566 μm和534 μm。線寬明顯大于書寫球直徑。設(shè)置打印速度VF為F700和F800時，打印線平均測量寬度分別為510 μm和498 μm，在這種情況下線寬基本等于書寫球的直徑。設(shè)置打印速度VF為F900、F1000、F1100、F1200、F1300、F1400、F1500、F1600、F1700和F1800時，打印線平均測量寬度分別為472 μm、460 μm、447 μm、436 μm、438 μm、434 μm、428 μm、425 μm、423 μm和421 μm。線條寬度明顯小于書寫球的直徑(0.5 mm)，此外印刷線的寬度下降迅速。 設(shè)置打印速度VF為F1900、F2000、F2100、F2200、F2300和F2400時，打印線平均測量寬度分別為404 μm、322 μm、210 μm、183 μm、158 μm和124 μm，線條寬度明顯小于書寫球的直徑。

3.2 封裝層

本實驗中因為液態(tài)金屬的印刷線很細(xì)，硫化硅膠的密封層很薄，RTV硅膠是液態(tài)金屬印刷密封件的絕佳選擇。實驗選用卡夫特705透明RTV硅膠。硅膠具有良好的彈性和絕緣性，固化后的彈性體具有優(yōu)異的耐冷熱變化和耐老化性能，以及優(yōu)異的防潮、防水、抗震和防漏性能。使用這種硅膠作為液態(tài)金屬電路的密封材料，密封的液態(tài)金屬電子產(chǎn)品在潮濕、高溫等惡劣環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的性能。

單組分硫化硅是一種非常黏稠的膠體，需要很大的擠出壓力，在封裝液態(tài)金屬打印線時，需要將噴嘴的移動速度控制在一定值。移動過快將在噴嘴的移動方向上產(chǎn)生水平推力，導(dǎo)致硅膠會推開附著在PVC膜上的鎵銦合金液體，使硅膠中的液態(tài)金屬線路不完整。此外，當(dāng)噴嘴移動過快時，從針尾擠出的硅膠在落在基板進(jìn)料器上之前會被噴嘴移動帶走，液態(tài)金屬回路無法完全密封。正確的打印高度在硅膠從打印針擠出后對其產(chǎn)生較小的壓力，使硅膠溶液穩(wěn)定擴(kuò)散并密封打印線。

實驗中選擇內(nèi)徑為0.5 mm的精密塑料鋼針作為硅橡膠硫化打印針，將噴嘴設(shè)置為以100 mm/min的速度移動。實驗中設(shè)置了6組打印壓力，分別為20 kPa、25 kPa、30 kPa、35 kPa、40 kPa和45 kPa。打印針距PVC膜的高度參數(shù)設(shè)置為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm，通 過 打 印15 mm直線觀察不同參數(shù)下硫化硅的打印效果。經(jīng)過對比選擇的硅膠密封打印參數(shù)為：速度100 mm/min，高度0.2～0.25 mm，壓力設(shè)定為40 kPa。

4 典型案例

1）打印預(yù)處理。將打印基底清潔后固定在打印平臺，設(shè)計電路圖案生成打印路徑代碼并導(dǎo)入3D打印機(jī)中；將電子元件燈放置在基底專用位置，打印系統(tǒng)運動平臺回零后設(shè)置打印參數(shù)。

2）打印導(dǎo)線。調(diào)整系統(tǒng)氣壓，運行電路路徑G代碼按照設(shè)計好的線路在PVC板材上打印導(dǎo)線，打印完成電路呈現(xiàn)“”字。

3）放置電子元件LED燈。利用真空吸放裝置運動到LED燈位置并進(jìn)行吸取，然后將LED燈放置在事先預(yù)留的位置處，要確保LED燈的引腳與液態(tài)金屬接觸。

4）打印封裝層。調(diào)整合適氣壓用RTV硅膠進(jìn)行封裝，封裝尺寸與柔性襯底尺寸基本一致，接入電源改變裝置的彎曲度觀察電路通斷情況。

圖5 “ ”字柔性混合電子LED 燈

5 結(jié)論

本文提出了一種3D打印柔性混合電子方法，以柔性材料作為性襯底，采用液態(tài)金屬直寫技術(shù)完成電路的打印，通過真空吸附裝置來將功能電子元件放置在預(yù)先設(shè)定好的位置，最后通過打印封裝層來實現(xiàn)整體的封裝。以“”字柔性混合電子LED 燈為應(yīng)用案例，當(dāng)PVC板發(fā)生嚴(yán)重彎曲變形時LED燈依然保持點亮，證明了本方案的可行性。