柔性PCB 3D打印工艺和材料
印刷电子产品包含了大量的产品，其中一些我们甚至没有注意到。传感器、显示器、RFID标签、甚至纺织品等组件只是在柔性材料上制造的创新设备的少数类别，并说明了集成到标准柔性PCB材料中的设计潜力。现在，柔性设计人员正在采用3D打印，一种不相关的制造过程，并使用它来构建更复杂的组件类型。
3D打印使用电子功能墨水在柔性基板上制造电子元件，如电容器、电阻，甚至晶体管。3D打印机制造商正在将气溶胶或墨滴沉积方法商业化，以在生产级环境中制造刚性pcb，但同样的技术也可用于制造柔性印刷电子产品。本文介绍了用于印刷电子产品制造的印刷技术和材料。
为什么是柔性印刷电子产品?
印刷电子市场正在迅速增长，预计从2020年到2025年，市场份额将增加约200亿美元。柔性印刷电子产品为广泛的工业应用打开了无数新可能性的大门，包括医疗、汽车、航空航天、纺织、工业4.0、物联网等。现在，随着新的制造技术变得越来越普遍，设计师可以使用这些工具进行原型设计或小规模生产。
首先，我们将介绍3D打印电子产品中使用的广泛材料。柔性印刷电子材料分为两个领域:绝缘基材和导电油墨。
基板
衬底材料决定了柔性印刷电子产品和pcb的性能和期望性能。除了对灵活性的明显需求外，基板还必须能够容纳导电层材料并充当绝缘体。聚酰亚胺是一种已经用于柔性pcb的常见材料，但它也可以用作3D打印柔性pcb的基板。聚酰胺薄膜在加热时不会软化，但在热固性后仍保持柔性。
除了聚酰亚胺，其他可作为柔性印刷电子产品基板的材料包括:
- 聚酯
- 聚四氟乙烯(poly-tetrafluoro-ethylene)
- 聚萘二甲酸乙二醇酯
- 其他可溶于溶剂的聚合物，包括半导体聚合物
印刷油墨
印刷过程中使用的油墨通常由粘合剂、溶剂、添加剂和功能元素组成。银是印刷油墨中最常用的金属功能材料，而半导体油墨可能包括氧化锌和氧化钛。用于电子设备的3D打印机所使用的墨水是专门的，并不是所有打印机都能普遍兼容。相反，必须仔细设计这些材料的粘度和气溶胶喷射特性，以确保一致的沉积和设备产量。
柔性电子印刷工艺
3D打印工艺必须针对特定的材料和打印机进行定制。电子制造中使用的3D打印工艺有两大类:冲击打印和非冲击打印。
影响印刷
顾名思义，冲击印刷需要一个印版(或者更一般地说，文献中提到的“图像载体介质”)，将图像转移到承印物上。冲击打印的一些例子是:
丝网印刷- 3D打印的一种简单形式，丝网打印机有一个橡胶胶纸，模板，和一个丝网的设计模板。丝网由塑料纤维、金属纤维或天然丝绸材料制成。丝网印刷可用于印刷电子设备的低成本pcb，很少或没有材料浪费，但只能在标准的2D平面格式。丝网印刷过程需要高粘性油墨，具有显著的固体功能材料浓度。
柔版印刷-这是一种卷对卷旋转间接冲击印刷方法，具有高通量，本质上是丝网印刷的缩放版本。它能够在相同的分辨率下提供不同的油墨厚度。然而，柔性印刷兼容的油墨并不容易获得，这不是在工业层面印刷柔性电子产品的常用技术。这项技术大多处于研发阶段。
凹版印刷-凹版印刷生产高质量的印刷品使用低粘度的油墨。电路图案/图像雕刻在镀铜钢凹版圆筒上。圆筒被浸在墨缸中，直到它被适当地涂上墨水为止。一个钢制刀片，被称为“医生”刀片，从凹印筒去除任何额外的墨水，以确保准确的图像转移到基材材料。凹版滚筒在高压下将油墨转移到承印物上。
在上述所有情况下，可以使用现成的聚酰亚胺而不需要打印，或者可以直接从合适的3D打印机打印另一种基板材料。
Non-impact印刷
这些方法不需要印版或图像载体，只需要沉积材料与承印物接触。这降低了污染和损坏衬底的风险，并且图案对齐更精确。对于柔性印刷电子产品，有两种主要的印刷工艺:喷墨印刷和气溶胶喷射印刷。
喷墨打印-这种技术不使用任何物理图像载体来打印设计。相反，它使用一个移动的打印头，将墨水滴喷洒到承印物上。它使用低粘度液体墨水。喷墨印刷最适合于需要有机半导体油墨或纳米颗粒油墨的应用。这是一个缓慢的过程，吞吐量非常低，但当使用介质油墨作为承印物时，整个产品可以打印出几乎任何结构。
示例喷墨3D打印机沉积的基片上的活性材料。
喷墨印刷-油墨在喷雾器中雾化，然后通过受控喷流沉积到承印物上。它是一种低温工艺，可以处理各种材料和基材。该工艺还可以扩大规模，以满足大规模生产的要求。三维打印也可以使用这种技术，因为颗粒流可以在z轴方向上控制和聚焦。
更多关于pcb的添加剂工艺
柔性印刷电子产品中的增材加工已经取得了显著的进展，3D打印只是用于制造增材制造电子产品的技术之一。其他化学工艺，如半添加剂加工，用于制造线宽窄、线密度高的刚性和柔性pcb。这些加工选项目前可从一些最先进的制造商，但他们最终将过滤到传统的制造供应商，并将广泛适用于更多的设计师。
- 谭，H. W.，等。“用于电子产品3D打印的金属纳米颗粒油墨。”先进电子材料5号;5(2019): 1800831。［链接］
- Wiklund, J.等人。印刷电子产品综述:制造方法、油墨、基材、应用和环境影响《制造与材料加工》第5期。3(2021): 89。［链接］
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