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三维立体电路的设计与混合3D打印方法

三维立体电路的设计与混合3D打印方法

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
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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。

参考文献:

  1. Gilbert T. Carranza , Ubaldo Robles, Cesar L. Valle, et al.Design and Hybrid Additive Manufacturing of 3-D/Volumetric Electrical Circuits[J]. IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS, PACKAGING AND MANUFACTURING TECHNOLOGY, VOL. 9, NO. 6, JUNE 2019 .