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电子功能器件三维打印关键技术研究摘要:随着电子线路日益向微型化、集成化和高频化的方向发展，集中了厚膜技术和高温共烧陶瓷技术(HighTemperatureCo-firedCeramic,HTCC)的优点的LTCC技术，根据预先设计的结构，将电极材料、基板一次性烧成，基本满足了电子元件尺寸微小、高频、高可靠性、价格低廉和高集成度的要求。但其复杂的工艺流程阻碍了其向低成本、高效率进一步发展的道路。通过查阅国内外相关领域文献资料，运用三维立体打印技术，结合LTCC技术与喷墨打印技术开发新的电子器件一体化成形技术。关键词：电子线路；LTCC技术；电子器件一体化成形Abstract:Withthecontinuousdevelopmentofelectroniccircuit,whichwillberequiredtomoreminiaturization、integrationandhighfrequency,Accordingtothestructurepreliminarydesigned,theLTCC,combinedwiththeadvantagesofthickfilmtechnologyandHTCCandthroughtheco-firedofelectrodematerialsandthebaseplate,whichisbasicallysatisfytherequirementsofminiaturization、integrationandhighfrequency.butthecomplicatedprocesshinderthistendencyofdevelopment.Throughconsultedanumberofbooksaboutthesubjectinthelibrary,basedonthreedimensionprintformingtechnology,theessaydevelopanewintegralformingtechnologyofelectrondevicewithcombinationbetweenHTCCandjet-inkprinttechnology.Keywords:electroniccircuit;LTCC;integralformingtechnologyofelectrondevice一、前言近年来,信息技术的发展要求高速数据和高电流密度传输,电子线路日益向微型化、集成化和高频化的方向发展,这就对电子元件提出了尺寸微小、高频、高可靠性、价格低廉和高集成度的要求。在大规模集成电路中,CI芯片集成度、速度、功率的提高,要求在封装上提高散热条件、增加I/0数目、减少互连线尺寸、减少信号损失、减少器件的体积和降低成本,这就要求基板材料必须具有高热导率、低介电常数和损耗等;多层陶瓷低温共烧基板由于设备简单、成本低、陶瓷元件与芯片材料的热膨胀系数匹配好、易于金属布线等优点而被广泛应用。80年代出现的LTCC技术（如图表1所示）集中了厚膜技术和高温共烧陶瓷技术(HighTemperatureCo-firedCeramic,HTCC)的优点，摒弃了二者明显的缺点，根据预先设计的结构，将电极材料、基板一次性烧成，是一种用于实现高集成度的电子封装技术；LTCC技术的工艺流程比较复杂，主要包括配料、流延、打孔、填孔、印刷导体浆料、叠层热压、切片和共烧等工序，其复杂的工艺流程阻碍了其向低成本、高效率进一步发展的道路。快速成型技术是一种全新的制造技术,它以极高的柔性获得制造业和学术界的极大关注。这种技术的原理就是计算机根据CAD模型所确定的几何信息,将模型离散化(切片)成一系列具有一定厚度的薄层,控制成型机对模型的层面加工,然后层层堆积可得到一个三维实体。因此，本文结合LTCC技术与三维打印技术，通过开发相应的电子功能器件三维打印试验装置，并对陶瓷膏体挤出及纳米金属导体材料喷射工艺进行探索。以实现电子功能器件一体化成形技术二、主题LTCC(低温共烧陶瓷)是1982年由休斯顿公司开发的新型材料，通过利用这种新材料，可将电阻、电感、电容、基板等元器件一次烧成，用于实现极高集成度的封装技术。20世纪90年代初期，许多日本和美国的电子厂商和陶瓷厂商开发了满足上述要求的多层基板[1~2]。其中富士通和IBM公司用铜作为导体和低介电常数陶瓷制造的多层基板首先成功地进入了商业应用[3~4]。从20世纪90年代的后半期至今，应用于移动通信设备（主要是移动电话）的电子器件、模块等已转向高频无线方面。目前，LTCC材料在日本、美国等国家已经进入产业化、系列化和可进行材料设计的阶段。在全球LTCC市场前九大厂商之中，日本厂商有Murata、Kyocera、TDK和TaiyoYuden；美国厂商有CTS，欧洲厂商有Bosch、CMAC、Epcos及Sorep-Erulec等。国外厂商由于投入研发已久，在产品质量、专利技术、材料掌控及规模主导权等均占有领先优势。在美国、日本等发达国家，LTCC多层基板的微组装技术已经可靠地应用于航空、空间技术和军事领域。在国内，43所研制的低温共烧多层基板已用于制造通信机T/R组件、星载合成孔径雷达T/R组件等6种高密度、高可靠性电路中[5]。在2012年12月的“陶瓷喷射铸造法”（CIM）研讨会上，荷兰企业FormatecCeramics展示了一款基于数字光处理（DLP）技术的3D陶瓷打印机。但脱脂完成后，才能进行烧结。目前，使用3D打印的方式打印陶瓷材料鲜有公开报道。喷墨打印技术是一种非接触式的数字成型技术,具有材料利用率高、低成本、适用于柔性和刚性衬底等特点而受到人们的广泛关注。喷墨打印技术已应用于微电机系统[6]、印刷电路板[7]、导电线路[8~9]、发光二极管[10~11]、无线射频标签[12~14]、传感器[15~16]等领域。美国可再生能源实验室(NationalRenewableEnergyLaboratory,NREL)的研究人员在这个领域做了许多前瞻性工作。首先,采用银墨水打印制备的银图案的电阻率仅为2μΩ/cm[17]。利用该墨水可以在包含减反层(SiNx)的太阳电池片上打印厚度为10m,宽度为250m的银栅线,在空气中850℃烧结10min,电池的转换效率为8%。为了降低烧结温度,该实验室研究人员采用先打印蚀刻剂(fire-throughagent),再打印银墨水的方法来制备栅线[18~19]。电池的烧结温度降低到750℃,电池的平均转换效率为10%,电池的最高转换效率提升至12%。导电油墨印刷法已从丝网印刷工艺扩展到平版印刷、柔性版印刷、凹版印刷、喷墨印刷工艺。丝网印刷的极限分辨率是50μm，而爱普生压电式CFP-Mark II喷墨印刷机，墨滴喷出的定位误差和定位精度导致墨滴实际上落在基板的误差将达±30μm，通过以CF4电浆进行表面处理，造成表面接触角的差异，使喷偏的墨滴利用表面能量差异自动地移动至适当的位置，墨滴定位的精确度能大幅提升至±1μm。国外的印刷电子发展已经如火如荼。2008年3月成立的中国全印制电子协会，表明印刷电子在国内也已经受到关注。从未来发展看，喷墨印刷技术将结合其它印刷技术，在印刷电子行业获得多方面应用[20~21]。三、总结传统印刷电路板大致可分为三类，即单面印刷电路板，双面印刷电路板和多层印刷电路板。双层印刷电路板是目前使用最为普遍的版型。单面板在设计线路上有许多严格的限制(因为只有一面,布线间不能交叉而必须绕独自的路径),所以只有早期的电路才使用这类的板子。印刷电路板的组装系统(SMT,SurfaceMountedTechnology),作为在印刷电路板或基底表面上印制贴装电子元器件的一种电子组装工艺技术,是目前电子组装行业里最流行的一种技术和工艺。当前,这一行业仍处于多品种,小批量的生产环境。SMT生产线虽然加工速度快,但相对小批量生产其准备时间较长,一般占到整个生产周期的20%-70%,影响了电子电路装备的快速研制。而PCB贴装生产线中最为关键的设备是贴片机,它的贴装工作效率极大地影响着整条生产线的生产能力。因此,怎样才能使得电子装备整机单位板级电路模块的多品种、小型化、变批量、低成本、短周期、高质量及升级快的要求得到充分满足,己经成为近年来国内外相关学者研究热点。传统配线的制造过程非常复杂，主要有蚀刻法制作工艺、电镀法制作工艺、导电油墨印刷法制作工艺，由于蚀刻工艺与电镀工艺自身缺陷，产生了一系列问题：大量使用化学试剂，严重的污染环境、繁琐的制作工艺，加上生产速度较慢，使得人们把视线转移到印刷工艺上。陶瓷底版上可印刷出的最精细线条的宽度一般在100～125μm。精度要求较高的封装密度对网版印刷的质量和细线条的精细度要求也越来越高。随着射频/微波发生器应用范围的不断扩大，要求版印刷过程的质量也越来越高，这其中包括线条精细度和重复精度的不断提高。随着科学技术的发展，微波射频上的某些设计需要很细小的形体尺寸，高密度的封装工艺对形体尺寸的要求也越来越高。而使用喷墨印刷技术来喷射金属浆料便可克服此问题，简化制造步骤。使用传统的制造技术，当配线形状改变时必须改变印刷制造过程所使用的丝网，这样不仅会增加丝网制作的时间和成本，连印刷电路板的种类或生产线都需要改变。相比之下，使用喷墨印刷技术，无须进行生产线的改变和元件的准备，只要将CAD资料直接输入喷墨打印装置，即可达到改变配线的目的。对连接密度和线条清晰度要求的不断提高，已导致不得不应用新的喷墨打印方法取代网版印刷方法。随着喷墨打印的应用，完全可以在多层结构中印刷线宽及线间距为50μm甚至更细的线条。丝网印刷对于基板的表面要求较高，喷墨打印改变了传统丝网印刷与陶瓷基板接触的特点，印刷效果通过喷头自上而下进行印刷，陶瓷基板不再与印刷工具直接接触，并且可以实现多角度喷射。做为一种通用的加工制造技术，印刷可以应用于多个涉及到电子与光电子器件加工的行业领域印刷已经部分取代或全部取代这些领域中传统需要光刻与腐蚀制造的加工技术。喷印成形技术作为一种典型的三维打印成形工艺，其基本原理是基于微滴喷射（micro-dropletjetting）原理的一种成形方法，即用外力迫使成形材料以微细液滴（或液流）的形式从喷头容腔的小孔（喷嘴）中射至底材上，形成二维图（形）文（字）、点阵或三维实体。具有分辨率高，喷射频率高，可用原材料广泛，集成度高，低能耗，低材料消耗，无腐蚀工艺，绿色环保，可一次成形多材料、多结构器件，可以在各种基材上制备电子器件，包括各种柔性基底材料。由于基于LTCC技术的片式元件的封装尺寸已经达到了极限、工艺流程复杂，制造要求高、工艺柔性差，设计灵活性受限制，本论文运用三维堆积成型原理结合LTCC技术与喷墨打印技术开发新的器件一体化成形技术，在同一成型室里打印陶瓷基板与金属导线，逐层打印陶瓷基板与金属导线，最终打印完成功能电子元件(如图表2所示)。采用一体化集成打印制造瓷电子元件技术能极大的简化传统的电子封装技术，提高生产效率、降低成本、安全环保、可靠性高，增加设计、制造的灵活性，对生产尺寸微小、高频、高可靠性、价格低廉和高集成度的电子元件有重大意义。四、参考文献：[1]Low-TemperatureFireableMulti-layerCeramicCircuitBoard.NIKKEINEWMATERIALS,1987,3:93-103[2]HighPerformanceandLowCostCopperPaste.NIKKEIELECTRONICS,1983,1:97-114[3]R.R.Tummala.CeramicsandGlass-CeramicPackaginginthe1990s.J.Am.Ceram.Soc,1991,74(5):895-908[4]K.Niwa,E.HorikoshiandY.Imanaka.RecentProgressinMultilayerCeramicSubstrates.CeramicTransactions,1999,97:1