CC BY
11Международный научный журнал «ВЕСТНИК НАУКИ» № 1 (70) Том 1. ЯНВАРЬ 2024 г. УДК 004.9
Добрынин С.П.
магистр
Казанский (Приволжский) федеральный университет (г. Казань, Россия)
ПРИМЕНЕНИЕ 3Б-ПЕЧАТИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ
Аннотация: аддитивные технологии, в частности ЗБ-печать, позволяют создавать физические объекты любой геометрической формы, представленной в CAD-формате, без необходимости механической обработки или удаления материала. Технологии SD-печати включают SLS, SLA, IJM, и LOM. Основной процесс включает создание SD-модели с помощью специализированного программного обеспечения и физическое создание объекта. В данной работе представлена гибридная производственная система, объединяющая SL и DP технологии для изготовления 3D структур со встроенными электронными схемами, позволяя производить монолитные 3D объекты с электроникой.
Ключевые слова: аддитивные технологии, струйная печать, печатная электроника, токопроводящие чернила, лазерное спекание.
Введение.
Последние достижения в микроэлектромеханических системах, включают как традиционные, так и аддитивные технологии производства, принципы их работы и практические возможности. В статье также подробно обсуждается использование аддитивного производства в нескольких областях (механические машины), таких как микроэлектроника, схемотехника, микрофлюидика, лаборатория на кристалле, упаковка и структурные микроэлектромеханических систем.
Кроме того, исследуются возможности и ограничения аддитивного производства в отношении требований к микроэлектромеханических систем [1, с. 1].
Инновации в разработке и производстве интегральных схем и электронного оборудования предоставляют новые возможности для развития производства. Существующая технология изготовления микросхем включает использование печатных плат для соединения электронных компонентов путем нанесения на изоляционную основу плоских проводящих линий. Однако, этот процесс сопровождается потерями материалов. Кроме того, электронные компоненты должны располагаться на печатной плате в виде плоского слоя, что ограничивает возможности размещения и увеличивает требования к свободному пространству. Интеграция электронных схем на различных глубинах в геометрически сложных основах может помочь уменьшить объем и вес.
Сегодня использование технологии ЭЭ-печати в электронике сталкивается с рядом технических проблем. Ограниченная точность и качество ЭЭ-печатных изделий из-за ограниченной разрешающей способности принтеров является одной из них. Отсутствие большого разнообразия материалов для 3D-печати электроники также ограничивает ее применение. Несмотря на эти трудности, 3D-печать предлагает много преимуществ для производства электронных устройств. Это включает большую гибкость в дизайне и геометрии продуктов, улучшение их производительности и эффективности, а также снижение затрат на производство и уменьшение отходов материалов.
Традиционные процессы микропроизводства хорошо зарекомендовали себя, но их возможности, как правило, ограничены простыми и 2D-экструдированными геометриями. Аддитивное производство обеспечивает возможность создания действительно сложных геометрических форм в 3D, быстрое проектирование для производства, массовую кастомизацию, экономию материалов и высокую точность, что вызвало повышенный интерес к производству микроэлектромеханических систем.
Использование технологии BD-печати в производстве экономически эффективных интеллектуальных устройств промышленного применения позволит значительно сократить время и затраты на производство, а также создать новые возможности для дизайна и инноваций. Будущие исследования и разработки в этой области будут направлены на улучшение качества и скорости печати, а также на разработку новых материалов и методов производства.
Традиционные процессы микропроизводства хорошо зарекомендовали себя, но их возможности, как правило, ограничены простыми и 2D-экструдированными геометриями. Аддитивное производство обеспечивает возможность создания действительно сложных геометрических форм в 3D, быстрое проектирование для производства, массовую кастомизацию, экономию материалов и высокую точность, что вызвало повышенный интерес к производству микроэлектромеханических систем.
Основные понятия об аддитивных технологиях
Аддитивные технологии (3D-печать) предусматривают послойное создание физического объекта практически любой геометрической формы, который соответствует математической модели, представленной в CAD формате. В отличие от традиционных методов производства, аддитивные технологии не предусматривают удаление материала (фрезерование, сверление, стачивание) или изменение формы изделия, при получении изделий из печатного материала не требуется механическая обработка (удаление грата, облоя, литников и др.).
Существует несколько основных технологии 3D-печати:
Selective Laser Sintering (SLS),
Stereo Lithography Apparatus (SLA),
Ink Jet Modelling (IJM),
Laminated Object Manufacturing (LOM).
Любая аддитивная технология включает в себя две основные стадии. На первой стадии создается математическая трехмерная модель изделия с использованием специализированного программного обеспечения в одном из
форматов *.WRL, *.PLY, *.3DS. На второй стадии осуществляется печать
модели на специальном принтере. Возможна замена стадии создания математической моде ли, если существует образец необходимого изделия, на стадию 3D сканирования.
Технологии 3D-печати
В России и за рубежом конкретная классификация аддитивных технологий пока не принята. Поэтому сведения о классификации, публикуемые в известных учебных пособиях и монографиях, различаются. Например, аддитивные технологии подразделяют (табл. 1, 2):
по используемым материалам (жидкие, сыпучие, полимерные, металлопорошковые и др.),
по наличию или отсутствию лазера,
по методам подвода энергии для фиксации слоя построения (с помощью теплового воздействия, облучения ультрафиолетовым или видимым светом, посредством связующего состава и др.), по способу формирования слоя.
Наибольшее распространение получила классификация по типу наращивания слоев материала.
Таблица 1. Технологии, использующие принцип ламинирования.
Керамические и
SLS Selective Laser Sintering (селективное металлические
лазерное спекание порошки, термо пластик
Практически любой
DMLS Direct Metal Laser Sintering (прямое металлическое лазерное спекание) металлический сплав в виде порошка, крошки, гранул
LMS Laser micro sintering Металл, керамика, полимеры
ЕВМ Electron Beam Melting {электроннолучевая плавка) Сплавы титана
SHS Selective Heat Sintering (избирательное Термопластичный
тепловое спекание) пластиковый пор
3DP Three-Dimensional Printing (послойное спекание тонких слоев модельного порошка) Гипсоподобный порошок
Таблица 2. Технологии, использующие принцип экструдирования.
FDM Fused Deposition Modeling (моделирование посредством наплавленпя) Легкоплавкие металлы и сплавы, термопластики (ПЛА, АБС и т.п.),
DOD Jet Drop On Demand Jet (напыление капель нагретого материала) Литейный воск
SFF Solid Free form Fabrication (3D-печать еды) Шоколад, гидроколлоиды и др.
3В-печать проводящих материалов.
Область микроэлектроники, связанная с 3D-печатью, в основном фокусировалась на функциональности, или создании материалов для печати с заданными электрическими свойствами. В последнее время преобладали методы 3В-печати, основанные на экструзии, для использования в электронике, но эти процессы были адаптированы, чтобы открыть новые возможности. Авторы следующей работы [2, с. 1590, 1592], Ан и др. демонстрируют стратегию всенаправленной печати для получения гибких и охватывающих микроэлектродов с неплоскими переходными отверстиями.
Адамс и соавт. расширили этот метод для 3D-печати электропроводящих антенн на выпуклых и вогнутых подложках. Примечательно, что позже другие ученые расширили эту технологию до 3D-печати чернилами из серебряных наночастиц для создания как плоских, так и объемных пассивных радиочастотных структур (Я^), включая различные конструкции катушек индуктивности, трансформаторов и генераторов (рис.1).
Рис. 1. Конформная печать электрически малых антенн на выпуклой и вогнутой поверхностях.
Исследователи смогли интегрировать полностью печатные структуры с дискретными транзисторами для создания. Радиочастотные схемы, способные быть непосредственно интегрированными с комплементарными металлооксидно-полупроводниковыми чипами. Чтобы расширить возможности внеплоскостной BD-печати позже был продемонстрирован усовершенствованный лазером метод Direct Ink Writing (DIW), при котором лазер используется для выборочного отжига проводящих чернил в процессе нанесения для создания проводящих металлических соединений и отдельно стоящих спиральных архитектур.
В своей работе Лю [3, с. 934] представил дополнительную адаптацию DIW, получившую название "низкотемпературная DIW", которая позволила выполнять 3D-печать высокопористых 3D-электродов LiFePO4. Хотя вышеупомянутые работы предлагают ряд стратегий нанесения, по сути, именно проводимость печатных материалов лежит в основе к эффективности микроэлектроники, напечатанной на 3D-принтере.
Авторами было проведено сравнительное исследование электродов на основе литий-железо-фосфата (LFP), изготовленных различными методами: нанесением роликового покрытия, сушкой распылением и локальным тепловым сушением распылением. Для изготовления электродов использовались твердые частицы LFP. Исследование ртутной порометрии показало, что электроды имеют различную пористую структуру, включающую пористость, размеры пор и их распределение, в зависимости от используемого метода производства.
УФ-спекание чернил из наночастиц серебра.
Технология 3D-печати диэлектрическими полимерными материалами с использованием струйной печати и УФ-отверждения была тщательно изучена и стала доступна для коммерческого использования. Наиболее часто используемые токопроводящие материалы, такие как серебряные, медные и углеродные, обычно представляют собой прекурсоры - дисперсии наночастиц в растворителях с добавками для контроля агломерации и модификаторов вязкости для регулирования вязкости чернил. После нанесения чернил на
поверхность подложки требуется испарение растворителя, оставляя после себя функциональные наночастицы, которые в конечном итоге спекаются на подложке.
В работе А.И. Титков [4, с. 24-26] синтез бутирата серебра проводили в результате обменной реакции между натриевой солью каприловой кислоты и водным раствором нитрата серебра. Раствор органической соли (неодеканата) серебра получали по описанной ранее методике [5, с. 375-381]. Разработаны серебряные наночернила для струйной печати с предельно малым размером частиц. Тестовые изображения напечатаны на лабораторном струйном принтере на бумаге и полиимидной пленке. Оптимизированы режимы лазерного спекания, исследованы структура и электрические свойства пленок при различных условиях лазерного спекания. Получены электропроводящие пленки с низким удельным сопротивлением.
Вывод.
Технология 3D-печати с использованием струйной печати и ультрафиолетового отверждения была подробно изучена и сделала доступной для коммерческого использования, что позволило создавать объекты с высоким разрешением и точностью. Наиболее распространенные токопроводящие материалы, такие как серебро, медь и углерод, обычно используются в виде прекурсоров - дисперсий наночастиц в растворителе с добавками контроля агломерации, модификаторов вязкости и других компонентов для улучшения свойств чернил. Спекание чернил на подложке обычно осуществляется вне печатной платформы, при высокой температуре в течение примерно 15 минут на каждый слой. Толщина спеченных серебряных чернил обычно достигает 1 микрона. Синтез наночастиц серебра и органической соли этого металла, описанный в работе А. И. Титкова, может быть использован для создания электропроводящих чернил с улучшенными характеристиками.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Wu S.Y. 3D-printed microelectronics for integrated circuitry and passive wireless sensors / S.Y. Wu, C. Yang, W. Hsu, L. Lin // J. Microsystems & Nanoengineering. - 2015. - V.1. - N.1. - P. 1-9;
2. Ahn B.Y. Omnidirectional printing of flexible, stretchable, and spanning silver microelectrodes / B.Y. Ahn, E.B. Duoss, M.J. Motala, X. Guo, S.-I. Park, Y. Xiong, et al. // J.Science. - 2009. - V.323. - N.5921. - P. 1590-1593;
3. Liu C. Fabrication and characterization of 3D-printed highly-porous 3D LiFePO4 electrodes by low temperature direct writing process / C. Liu, X. Cheng, B. Li, Z. Chen, S. Mi, C. Lao // J. Materials. - 2017. - V.10. - N.8. - P. 934;
4. Титков А.И. и др. Селективное лазерное спекание токопроводящих чернил для струйной печати на основе композиции наночастиц и органической соли серебра / А.И. Титков, Р.М. Гадиров, С.Ю. Никонов, А.В. Одод и др. // Известия высших учебных заведений. - 2017. - Т. 60. - №. 10. - С. 24-29;
5. Titkov A.I. Conductive inks for inkjet printing based on composition of nanoparticles and organic silver salt / A.I. Titkov, O.G. Bukhanets, R.M. Gadirov, Y.M. Yukhin, N.Z. Lyakhov // J.Inorganic Materials: Applied Research. - 2015. - Т.
6. - С. 375-381.
Dobrynin S.P.
Kazan Federal University (Kazan, Russia)
USE OF 3D PRINTING TO CREATE HIGH-PERFORMANCE ELECTRONIC COMPONENTS
Abstract: additive technologies, in particular 3D printing, make it possible to create physical objects of any geometric shape, presented in CAD format, without the needfor mechanical processing or removal of material. 3D printing technologies include SLS, SLA, IJM, and LOM. The main process involves creating a 3D model using specialized software and physically creating the object. This paper presents a hybrid production system combining SL and DP technologies for the manufacture of 3D structures with embedded electronic circuits, allowing the production of monolithic 3D objects with electronics.
Keywords: additive technologies, inkjet printing, printed electronics, conductive ink, laser sintering.
