供稿人：张梦慧、曹毅 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-06-25
三维电子产品能够将功能电路集成到3D器件中，具有轻量化、高集成度和小尺寸等优点，是航空航天等领域未来电子产品的发展趋势。然而，采用喷墨、气溶胶喷射打印等电路制造工艺，需要对组件整体进行烧结处理来实现导电层性能，通用性低。因此亟需发展高效高质量的三维共形电子器件制造新方法。
华中科技大学武汉光电国家研究中心团队提出将熔融沉积成型和激光活化金属技术结合，在3D打印的PEEK零件上创建三维共形金属图案的复合增材制造。研究发现熔融成型基板的打印纹理和孔隙会导致导电镀层精度下降，为了克服上述问题，在激光活化金属之前对熔融沉积成型PEEK进行疏水处理，以改变其表面性能，最终将沉积的铜线分辨率提升至60μm。
图1 熔融沉积成型-疏水涂层辅助激光活化金属化复合增材制造技术示意图
首先，为了尽可能获得低粗糙度的PEEK介质基板，重点研究了打印填充间距和后处理工艺对于熔融沉积成型PEEK基板表面粗糙度的影响规律，当填充间距分布在0.38mm-0.40mm范围内时，获得了最低的表面粗糙度，通过抛光处理后，其粗糙度可降低到0.47μm；其次，研究了激光对PEEK以及PdCl2的作用机制，得到了具有高表面积。高极性微观形貌的激光工艺参数，从而得到了均匀致密且粘结性能良好的铜层；然后，针对熔融沉积成型PEEK基板表面存在打印孔隙导致金属层沉积精度下降的问题，研究者提出疏水涂层辅助激光活化的方法，提升了PdCl2前驱体溶液在基板表面的浸润选择性，避免了活化液流入孔隙导致的“溢镀”现象，并最终将铜线精度提升至60μm。
图2 通过疏水涂层辅助激光活化金属化制备的铜层：（a）铜层边缘；（b）截面形貌；（c、d）60μm铜线
熔融沉积成型PEEK基板不可避免的存在缺陷，如印刷边框和孔隙，具有较低表面质量，导致的沉积Cu图案精度较低，该研究引入一种可去除的疏水涂层，在激光活化金属之前改变熔融沉积成型PEEK的表面性能，获得高精度的三维共形电路，为三维电子器件的一体化制造提供了一种可行性方法，该复合增材制造技术在多层异质材料叠层制造、孔内金属化以及高密度多层互联领域具有广阔应用前景。