供稿人:连伟龙、连芩 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2019-09-13
当前电子设备中大量使用平面印刷电路板（PCB）。但是，如果相同的平面电路可以直接制成三维立体结构电路，将会带来巨大的好处。由Gilbert T. Carranza等领导的团队，通过混合直写3-D打印方法，在三维环境中建模并制造了第一个完全意义上的三维立体电路，即3-D电路[1]。这个真正3-D电路在x，y和z方向上具有相等的自由度。组件可以放置在任何位置并朝向任何角度，可以实现最小化迹线长度、体积和重量。互连可以遵循样条路径平滑地蜿蜒整个电路，降低寄生阻抗，使带宽和效率最大化。3-D电路本质上可以形成非常规的形状原件和性能，而传统的平面电路则不具备这些优点。
研究团队首先开发了一个如图1所示，用于3-D电路的设计和布局工具。这是在开源图形设计软件Blender下开发的布局、布线的CAD环境和3D设计工具。
图1 工具的用户界面
图2 （a）闪烁555定时器电路的电路示意图 （b）显示组件、互连和切片基板的相应模型
Blender软件利用表面网格来绘制和操纵3-D对象，并控制Python控制台和文本编辑器来编写脚本和附加组件。3D设计工具通过开发导入来自DipTrace的信息，执行零件放置、路线互连，并导出3-D设计组件。图2为使用该工具设计的一个555定时器的三维电路CAD模型。
图3 555定时器电路元件的三维布局
如图3，是打印出的3D电路的三维布局图。然后，需要对各个组件进行互联，使其成为一个完整的一体。当所有的组件布局和互连完成后，形成了如图4所示的情况。
图4 电路和部件之间的互连
图5 3-D电路的打印过程（a）与完成的3-D电路（b）
在制造方案上，利用多材料混合nScrypt 3-D打印机，即采用熔融沉积成型（FDM）和微喷方法制造3-D电路。如图5（a）所示，其打印过程为：塑料和墨水工具路径首先作为FDM打印和微喷打印生成，然后分别通过FDM打印塑料，微喷打印金属。图5（b）显示了该团队利用nScrypt打印机和3-D软件的功能布局工具，通过自动化流程生产的世界上第一个三维立体电路。这是通过混合3-D打印制造的真正3-D电路的首次演示。这种方法提供了一种制造几乎任何形状和因素的电路的能力，为未来的电子设备的发展提供了新的方案和市场。