以下文章來源於極端製造 IJEM ，作者Editorial Office
三維共形電子能夠將功能電路集成到三維實體表面或內部，具有重量輕、集成度高、體積小等優點，是未來電子產品的主要發展趨勢，在航空航天、智能家居及無線通信等領域均有廣泛應用前景。然而，傳統的電路（IC和PCB）製造技術多為基於鍍膜蝕刻的減成技術，自由度低，不適用於三維曲面襯底表面的電路製備，因此亟需發展高效高質量的三維共形電子器件製造新方法。
增材製造技術作為一種高柔性的智能製造手段，有望成為下一代三維電子的主流製造技術之一。近期，華中科技大學武漢光電國家研究中心的吳烈鑫博士生、孟麗博士後、王月月博士生、呂銘博士後、歐陽韜源博士後、王怡霖碩士生和曾曉雁教授在SCI期刊《極端製造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發表《一種疏水塗層輔助混合增材製造的高精度PEEK基三維電子》的論文，提出將雷射活化金屬化技術和熔融沉積成型介質3D列印技術結合，用於PEEK基三維共形電子的復合增材製造。研究發現熔融成型基板的列印紋理和孔隙會導致化學鍍層沉積精度下降，針對該問題，提出了疏水塗層輔助雷射活化的方法，即利用疏水塗層封孔結合雷射選擇性刻蝕實現了列印PEEK基板表面的親/疏水性調控，提升了前驅體溶液的浸潤選擇性，最終將沉積的銅線解析度提升至60μm。
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/ 亮點
圖1 熔融沉積成型-疏水塗層輔助雷射活化金屬化復合增材製造技術示意圖：（a）塗覆疏水塗層塗覆；（b）雷射刻蝕；（c）PdCl2浸潤；（d）雷射活化；（e）活性籽晶；（f）超聲清洗；（g）化學鍍銅；（h）去除疏水塗層。
/ 研究背景
飛行器表面複雜的服役環境與裝載平台對機載、彈載電子組件提出許多限制要求，通常需要電子器件具備優異的耐高溫耐腐蝕性、穩定的機械性能、高的結構壓縮比、較輕的重量，且不破壞載體的外形結構及空氣動力學特性。然而，傳統平面結構電子存在功耗大、占用空間大、與載體兼容性差等主要問題，影響飛行器工作效能。因此，三維共形電子應運而生，其與載體的共形化能有效減小雷達散射截面積，提高飛行器隱身性能；其高功能密度的特點則能有效減小工作電路的體積和重量，進而減小平台的負載和阻尼，提升飛行器靈活性、準確性和可靠性，因此是未來機載及彈載電子組件的一個發展趨勢。共形電子的製造離不開三維電子的一體化成型技術，雷射活化金屬化作為一種理想的電路增材製造技術，具有高柔性、低成本的特性，因此基於雷射活化金屬化技術開展曲面三維電路一體化成型技術的研究具有極高的應用價值。在本文中，曾曉雁教授等將雷射活化金屬化技術與熔融沉積成型介質3D列印技術結合，成功實現了PEEK基三維電路的一體化製造。
/研究進展
首先，為了儘可能獲得高緻密度、低粗糙度的PEEK介質基體，重點研究了列印填充間距和後處理工藝對於熔融沉積成型PEEK基體緻密度及表面粗糙度的影響規律，在此基礎上得到了優化後的PEEK列印參數，如圖2所示。
圖2 不同工藝參數下的熔融沉積成型PEEK性能：（a）緻密度；（b）表面粗糙度。
其次，系統研究了飛秒雷射對PEEK及PdCl2前驅體的作用機理，篩選得到使改性區域既具有高催化活性，又具有高表面積、高極性微觀形貌的雷射工藝參數，從而能夠觸發化學鍍得到均勻緻密且結合強度可靠的銅層，如圖3所示。
圖3 不同雷射參數改性樣品的鍍銅形貌：（a）0.78 J/cm2；（b）2.49 J/cm2；（c）12.35 J/cm2；（d）3M膠帶測試前；（e）3M膠帶測試後。
然後，探索了熔融沉積成型PEEK基體表面的銅層「溢鍍」機理。熔融沉積成型的PEEK基板表面存在列印紋理和孔隙，其在增材製造成型構件中均無法完全避免，使得PdCl2前驅體在表面鋪展時，極易滲入孔隙/搭接紋理內，且在清洗過程中很難被完全去除，最終導致金屬層沉積精度下降，如圖4所示。
圖4 不同基板表面的銅層沉積形貌：（a）熔融沉積成型PEEK；（b）熔融沉積成型PEEK+機械打磨；（c）注塑成型PEEK。
針對上述問題，本文提出疏水塗層輔助雷射活化的新方法，提升了PdCl2前驅體溶液在基板表面的浸潤選擇性，避免了活化液流入孔隙導致的「溢鍍」問題，最終將銅線精度提升至60 μm，如圖5所示。
圖5 通過疏水塗層輔助雷射活化金屬化製備的銅層：（a銅層邊緣；（b）截面形貌；（c, d）60μm銅線。
最後，採用FDM成型和疏水塗層輔助雷射活化金屬化的復合增材製造方法製備了各種三維共形電子，如圖6所示。
圖6 三維共形電路：（a, b）半球樣；（c, d）斜面樣；（e, f）跨面樣；（g, h）嵌入樣。
/ 未來展望
雷射活化金屬化技術兼具高柔性、低成本和高介面結合的優勢，是共形電路製造的理想工藝，將其與高自由度的熔融沉積成型介質3D列印技術融合，為三維電子器件的一體化製造提供了一種可行性方法。另外，由於化學鍍液的隨形製造優勢，該復合增材製造技術在多層異質材料疊層製造、孔內金屬化及高密度多層互聯領域同樣具有廣闊前景。同時，相關技術的發展可以幫助面向未來應用的電路結構設計不再受制於現有的工藝製造水平，助力各平台電路功能的跨越性發展和顛覆性創新。
論文引用信息：
Wu L X, Meng L, Wang Y Y, Lv M, Ouyang T Y, Wang Y L, Zeng X Y. 2023. Fabrication of polyetheretherketone (PEEK)-based 3D electronics with fine resolution by a hydrophobic treatment assisted hybrid additive manufacturing method. Int. J. Extrem. Manuf. 5 035003.
https://doi.org/10.1088/2631-7990/acd826
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