嵌入式封装电子一体化双喷头复合3D打印机的研制

发布时间：2020-07-17 16:09

【摘要】：增材制造技术被称为“第三次工业革命”的重要标志,颠覆了传统制造理念,不受制造结构限制成为增材制造的一大亮点。一体化制造嵌入式封装电子产品是伴随增材制造技术发展而出现的一种新型电子产品制造工艺,具有广泛的发展空间与应用前景。嵌入式封装电子产品的出现改变了传统电子产品单一的制造工艺模式,是增材制造技术在多材料、多尺度方向上发展的重要产物。嵌入式封装电子产品在无人机、软体机器人、物联网产品、柔性电子、可穿戴设备等领域具有广泛应用前景。但一体化制造嵌入式封装电子产品尚处于起步阶段,现有的制造工艺成本高昂、制造类型单一,现有的喷墨打印技术无法满足变高度、高精度、低沉本喷印导电油墨,无法满足嵌入式电子产品高精度、低成本、多功能的要求。针对以上问题,本文设计开发一台用于一体化制造嵌入式封装电子产品的双喷头复合3D打印机,采用电场驱动喷射导电油墨方法,用于打印嵌入式封装电子产品的连接电路,并确定导电材料为导电银胶。为实现高分辨率、高效率、低成本制造嵌入式封装电子产品提供了全新的思路与工艺方法,并为实现材料、结构、电子元器件以及多层电路的一体化制造提供了全新的解决方案。具体研究内容如下:1、设计并开发了一台用于一体化制造嵌入式封装电子产品的双喷头复合3D打印机,创建了一体化复合3D打印嵌入式封装电子产品的原理与工艺流程,并对双喷头复合3D打印设备的设备结构、运动方式、控制系统、打印材料等进行了详细分析,给出了打印机的详细设计方案。2、分析了高粘度导电材料目前所采用的打印方法及其不足,提出了一种适用于嵌入式封装电子产品电路连接的打印方法,电场驱动喷射3D打印。理论方面分析了微流道结构对流体流速的影响,通过仿真数值模拟验证了微流道结构对流体流速的影响,仿真结果显示,采用收缩管道设计的喷嘴在相同入口压力、相同出口内径下,流速快于直管针头,实验也验证了这一结论,从而为实现电场驱动喷射打印高粘度导电材料提供了理论指导。3、导线打印过程中,喷头与接收层间距、打印平台移动速度、电压以及气压都会对连接电路产生影响。采用单一变量法,研究了喷头到接收层间距、打印平台移动速度、电压值、气压值四个因素对电场驱动喷射连接电路的成线形貌与成线精度的影响,确定出了最佳打印参数范围。4、电路导电率对嵌入式封装电子产品的性能以及能耗具有重要影响,在电子元器件耐受温度范围内,研究了不同固化温度对导电银胶导电率的影响,确定出了最佳固化温度范围。5、以双层嵌入式电路光控夜视灯为例,在自主搭建的双喷头复合3D打印机上完成了光控夜视灯的一体化制造。通过熔融沉积打印喷头打印光控夜视灯的结构部分,电场驱动喷射喷头打印光控夜视灯的连接电路,验证了双喷头复合3D打印机在多层嵌入式封装电子产品上的制造能力,实现了嵌入式封装电子产品短周期、低成本、个性化、高效的一体化制造。
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP334.8
【图文】：

案例,电子,材料,光合微生物

图1-2 Voxel 8多材料电子3D打印打印案例Fig 1-2 Printing case of multi-material electronic 3D printer of Voxeman 教授及其研究团队利用美国 Stratasys 公司的“三重发出了世界首个内嵌生命物质的 3D 打印光合ri。该装置具有内部中空管道，在管道中放入共生的光合微生物科技通过扫描皮肤、修复受损组织、维持身体来增，Sung Hyun Jang 等人通过复合增材制造（AM）与直写三维电子装置，如图 1-3 所示，由 SL 技术打印光敏聚合物由 DW 喷印导电液体材料，与传统电子装置制造相比，缩不受电路板（PCB）限制[30]。

电子装置

图1-2 Voxel 8多材料电子3D打印打印案例Fig 1-2 Printing case of multi-material electronic 3D printer of Voxel 8Neri Oxman 教授及其研究团队利用美国 Stratasys 公司的“三重喷射”3D 打印技术，开发出了世界首个内嵌生命物质的 3D 打印光合可穿戴装置——Mushtari。该装置具有内部中空管道，在管道中放入共生的光合蓝藻和大肠杆菌，这些微生物科技通过扫描皮肤、修复受损组织、维持身体来增强穿戴者的体能[29]。2015 年，Sung Hyun Jang 等人通过复合增材制造（AM）与直写打印（DW）技术制造了三维电子装置，如图 1-3 所示，由 SL 技术打印光敏聚合物制造电子装置结构层，由 DW 喷印导电液体材料，与传统电子装置制造相比，缩短了生产周期与成本，不受电路板（PCB）限制[30]。

热疗,手套,电子

图1-4 3D打印嵌入电子热疗治疗手套Fig 1-4 3D print embedded electronic hyperthermia treatment gloves2016 年，崔歆等分别采用熔融沉积打印与电喷印两种工艺，制作出了单层嵌入式电子产品——具有显示产品保质期的智能瓶盖。该瓶盖首先由 FDM 打印瓶盖结构层，完成后取下结构层进行后处理并嵌入电子元器件，再由电喷印打印瓶盖内部连接电路，之后再放回 FDM 打印机进行产品封装[32]。2017 年 9 月，哈佛大学威斯研究所（Wyss Institute）和美国空军研究实验室合作开发了一种新的软电子“混合 3D 打印”技术，将柔性导电墨水、基体材料与刚性电子元件集成到单个可拉伸的设备中，电子传感器可以被直接 3D 打印到软质材料上，同时该工艺还可以数字化地拾取和放置电子元件，以及为读取传感器数据所需的电子电路打印导电互连。一种由热塑性聚氨酯（TPU）制成的、混合有银片的可拉伸导电墨水被 3D 打印到 TPU 基板上，银片会沿着打印方向自动对齐，并重叠在一起。这种制造方式能“完全控制电子电路的图案模式”，能制

【参考文献】