CN111267333B - 一种三维电子器件的料池制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维电子器件的料池制备方法和应用，属于三维成型与电子器件领域。具体为采用无模直写技术在料池中用牺牲材料构筑所需三维结构，料池由封装材料构成，在将牺牲材料去除后，封装材料内部留下相应的孔道结构，最后将形成的三维孔道金属化，形成三维的导电结构。该制备方法中封装材料为牺牲材料提供了支撑，可以制备复杂悬空的三维结构，大大降低了复杂三维电子器件的制作难度，提高了制备速度。对根据实际需求构造复杂的三维结构适应性强，解决了常规无模直写技术难以制备悬空结构的难题。根据封装材料的不同可实现柔性和非柔性电子器件的制作，可应用于制备天线、传感器、波导等电子器件。

Description

一种三维电子器件的料池制备方法和应用
技术领域
本发明涉及三维成型与电子器件制作技术领域，具体涉及一种三维电子器件的料池制备方法和应用。
背景技术
随着电子产品的功能越来越多，其体积也越来越大，因此对电子器件小型化的需求越来越紧迫。通常小型化手段是将电子器件如天线集成到电路板上，常常会占据很大面积，而且其平面化的特点大大限制了天线结构设计的可能性，因而限制其性能。电子器件三维化可以有效降低其面积，并且扩展了结构设计自由度。Adams等人制造了电小天线，证明了空间曲线构成的天线相对于平面天线其带宽更宽和增益更高，而其占有的面积却更小(Adv.Mater.2011,23,1335–1340)。
常用的三维结构加工方法是机加工，这种方法很难制造精密而结构复杂的器件。从二维光刻技术发展而来的3D光刻技术报废率很高。增材制造又称3D打印技术，对于三维结构的构造有其独特的优势，近来也用于一些制造电器元件如传感器、透镜等。常用于电子器件打印的3D打印方法有喷墨打印法、熔融沉积法等。使用3D打印方法可以实现器件的整体制造，无需组装，给器件结构优化提供了很大空间，不仅提高效率还节省材料减轻重量。但是一般情况下3D打印效率较低。
无模直写技术是3D打印技术的一种，可打印的材料广泛，金属、陶瓷、树脂等均可用于无模直写打印。传统的无模直写打印与其他3D打印方法一样，都是通过逐层打印的方法实现三维物体的制造，效率不高，而且打印精度越高则打印效率越低。另外，常规的无模直写技术在实现复杂三维悬空(或镂空)结构的制备时，往往在考虑浆料的流变性能的同时还要考虑浆料挤出成型后的刚性。由于材料本身特性的限制，通常来说很难在兼顾合适的挤出特性的前提下，开发出刚性较强的浆料体系，也就是说常规的无模直写技术很难制备出悬空跨度很大的复杂三维结构。这就在一定程度上限制了无模直写技术和三维电子功能单元的发展。发展新型的无模直写技术来适应三维电子功能单元的发展，具有重要的科学意义和现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维电子器件的料池制备方法和应用，采用三维无模直写技术，在封装材料构成的料池中用牺牲材料构筑所需三维结构，在将牺牲浆料去除后，封装材料内部留下相应的孔道结构；最后将形成的三维孔道金属化，形成三维的导电网络，即获得所述三维电子器件。本发明方法可以实现三维电子器件的快速制造，如天线、波导、传感器等。
为实现上述目的，本发明采用以下方案：
一种三维电子器件的料池制备方法，首先采用三维无模直写技术，在料池中用牺牲材料构筑所需三维结构，料池由封装材料构成；在将牺牲浆料去除后，封装材料内部留下相应的孔道结构；最后将形成的三维孔道金属化，形成三维的导电网络，即获得所述三维电子器件。该方法包括以下步骤：
(1)在容器中放置封装材料，获得封装材料构成的料池；
所述料封装材料在无模直写打印过程中为半固体状，能够实时支撑所打印的牺牲浆料形成所需的三维结构且不阻碍针头的运动，打印完成后固化为刚性材料或柔性材料；当封装材料为刚性材料时，可获得刚性的三维电子器件，当封装材料为柔性材料时，可获得柔性的三维电子器件。所述封装材料为硅胶、玻璃胶和光敏胶中的一种或几种材料。
(2)通过三维无模直写技术在步骤(1)获得的料池中用牺牲浆料构筑所需的三维结构；所述牺牲浆料为温敏凝胶、石蜡和凡士林中的一种或几种材料。
(3)将步骤(2)获得的含有三维结构的封装材料进行固化处理后，再去除牺牲浆料，除去牺牲浆料的位置形成三维孔道结构；所述固化处理是指通过静置、光照或加热等方式使封装材料固化的过程。所述去除牺牲浆料是指将牺牲浆料转变为气相或液相，然后去除的操作。
(4)将步骤(3)获得的孔道结构金属化，得到所需三维电子器件。
所述金属化是指通过涂覆、电镀或化学镀的操作，将三维孔道构筑成为导电的网络。所制备的三维电子器件可作为一种三维导电网络而应用于天线、传感器以及能量收集器领域。
本发明的优点和有益效果如下：
1、本发明制备电子器件的方法扩展了可打印的结构范围，提高了打印速度，可高效制作三维电子结构。
2、本发明根据封装材料的不同可实现柔性和非柔性电子器件的制备，可用于天线、传感器、波导等电子器件的制造。同时由于很多封装材料都是柔性的，可以实现柔性电子器件的制作。
附图说明
图1为料池法改进的无模直写快速制备三维电子器件流程图。
图2为料池法改进的无模直写快速制备三维器件过程示意图。
图3为料池法改进的无模直写螺旋天线实物图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详述本发明。
本发明为一种三维电子器件的料池法制备，方法流程如图1所示。该方法是一种三维电子器件的快速制备方法。其过程为：将封装材料放置在容器中，获得封装材料构成的料池；采用三维无模直写技术，在料池中用牺牲材料构筑所需三维结构；使封装材料固化，将牺牲浆料去除后，封装材料内部留下相应的孔道结构；将形成的三维孔道金属化，形成三维的导电网络。
使用的牺牲剂液化条件要易于实现，以下实施例中牺牲剂为Pluronic F-127水凝胶，其制备过程为：将32g的Pluronic F-127溶解到68g离子水中，搅拌条件下溶解，形成浓度为32wt％的水凝胶。用的是sigma公司的P2443-250G型号的F127。该32wt％温敏凝胶F-127，室温状态下为凝胶状半固体，0℃左右为液态。
使用的封装材料能够支撑所打印的结构且不阻碍针头的运动，实施例中使用的是道康宁中性透明(半透明)玻璃胶，此外还可以使用光敏胶、硅胶等封装材料。
金属化方法有涂覆、电镀或化学镀等，如涂导电金属漆、填充液态金属，实施例中采用填充液态金属(镓铟合金)的方法。
实施例1
本实施例为三维天线器件的制备。过程如图2所示，具体如下：
1.在8ml的离心管中填满玻璃胶，并在其上覆盖一层PDMS1800。
2.配制质量分数为32％的F-127溶液，装入30ml料筒中，常温(25℃)放置使之凝胶化。
3.使用三维无模直写方法，以F-127凝胶为浆料在料池中打印螺旋天线结构；
4.将离心管放置于空气中3天使之完全固化，并从容器中取出。
5.将固化完全的样品放到冰箱冷藏室放置1h，凝胶变液体后即可使用注射器抽出。再注入乙醇冲刷出残留的F-127，并真空干燥。
6.向孔道结构注入镓铟合金(液态，镓75wt.％，铟25wt.％)，使用玻璃胶封住出口防止泄露。
本实施例所制备的三维天线器件如图3。
本发明改进了无模直写打印技术，将所需的导电结构直接打印在封装材料中，封装材料起到封装与支撑的作用，不仅扩展了可打印的结构范围，而且由于无需打印支撑结构部分而大大提高了打印速度。
上述实例仅作参考，具有和本专利相似或者从本专利思路出发而延伸的基于料池法无模打印牺牲浆料的电子器件的制造方法，均在本专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种三维电子器件的料池制备方法，其特征在于：该方法首先采用三维无模直写技术，在料池中用牺牲材料构筑所需三维结构，料池由封装材料构成；在将牺牲浆料去除后，封装材料内部留下相应的孔道结构；最后将形成的三维孔道金属化，形成三维的导电网络，即获得所述三维电子器件；该制备工艺包括以下步骤：
（1）在容器中放置封装材料，获得封装材料构成的料池；所述封装材料为硅胶、玻璃胶和光敏胶中的一种或几种材料；
（2）通过三维无模直写打印技术在步骤（1）获得的料池中用牺牲浆料构筑所需的三维结构；所述牺牲浆料具有打印性，一定条件下能发生相变转变为液相或气相以便于去除，所述条件为温度条件或酸碱条件；
（3）将步骤（2）获得的含有三维结构的封装材料进行固化处理后，再去除牺牲浆料，除去牺牲浆料的位置形成三维孔道结构；
（4）将步骤（3）获得的孔道结构金属化，所述金属化是指通过涂覆、电镀或化学镀的操作，将三维孔道构筑成为导电的网络；金属化后得到所需三维电子器件；
所述封装材料在无模直写打印过程中为半固体状，能够实时支撑所打印的牺牲浆料形成所需的三维结构且不阻碍针头的运动，打印完成后固化为刚性材料或柔性材料；当封装材料为刚性材料时，获得刚性的三维电子器件，当封装材料为柔性材料时，获得柔性的三维电子器件。
2.根据权利要求1所述的三维电子器件的料池制备方法，其特征在于：所述牺牲浆料为温敏凝胶、石蜡和凡士林的一种或几种材料。
3.根据权利要求1所述的三维电子器件的料池制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述固化处理是指通过静置、光照或加热方式使封装材料固化的过程。
4.根据权利要求1所述的三维电子器件的料池制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述去除牺牲浆料是指将牺牲浆料转变为气相或液相，然后去除的操作。
5.一种利用权利要求1所述方法制备的三维电子器件的应用，其特征在于：所述三维电子器件作为一种三维导电网络而应用于天线、传感器以及能量收集器领域。
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