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學(xué)術(shù)分享 I 電場(chǎng)金屬直寫3D打印技術(shù)：制備高分辨率、高厚徑比陶瓷電路板
該技術(shù)通過在陶瓷基板覆蓋犧牲涂層，結(jié)合 EFD 微 3D 打印，解決傳統(tǒng)方法難以兼顧小線寬與大厚度的問題。流程分三步：覆蓋犧牲涂層、印刷銀漿、高溫?zé)Y(jié)。犧牲涂層可改善電場(chǎng)均勻性，實(shí)現(xiàn)高縱橫比（AR）多層堆疊，促進(jìn)銀線均勻收縮。
實(shí)驗(yàn)顯示，該方法在 Al?O?等基板上實(shí)現(xiàn) 7μm 最小線寬、2.3 最大 AR，導(dǎo)電性達(dá) 5.1×10?S/m
一、研究背景
隨著5G通信、航空航天、人工智能、自動(dòng)駕駛汽車和物聯(lián)網(wǎng)等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，陶瓷電路板（CCBs）憑借其高導(dǎo)熱性、高耐熱性、優(yōu)異的介電性能和機(jī)械強(qiáng)度，已成為傳統(tǒng)樹脂基印刷電路板（PCB）的可靠替代品。
當(dāng)前電子設(shè)備朝著小型化和高功率方向發(fā)展，對(duì)陶瓷電路板提出雙重要求：一方面，小型化需要高分辨率（小線寬/線間距）電路以減少占用面積；另一方面，小線寬會(huì)導(dǎo)致電阻增加，限制載流能力。增加縱橫比（AR）是恒定線寬下提升載流能力的關(guān)鍵，但現(xiàn)有制造技術(shù)存在顯著瓶頸——光刻、納米壓印等方法雖能實(shí)現(xiàn)高分辨率，卻難以適配陶瓷基板的粗糙表面；絲網(wǎng)印刷（SP）、直接鍵合銅（DBC）等陶瓷金屬化方法雖能制造厚膜，卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)高分辨率（如SP線寬通常＞40μm，DBC＞100μm），形成“小線寬與大厚度”的技術(shù)空白。
圖1：直立式陶瓷電路板（S-CCBs）示意圖、優(yōu)勢(shì)及犧牲涂層輔助電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)（EFD）微3D打印制造流程機(jī)制
a：大線寬、低膜厚的商用陶瓷電路板（CCBs）示意圖；b：小線寬、大膜厚的直立式陶瓷電路板（S-CCBs）示意圖；
c：不同制造方法的線寬與膜厚對(duì)比圖（DBC=直接鍵合銅，IJP=噴墨印刷，AJP=氣溶膠噴射印刷，DPC=直接鍍銅，LAM=激光活化金屬化，SP=絲網(wǎng)印刷，LPBF=激光粉末床熔融），插圖展示CCBs與S-CCBs導(dǎo)線橫截面（線寬，膜厚）；
d：粗糙Al?O?基板電荷分布不均導(dǎo)致噴射不穩(wěn)定；e：犧牲涂層（SC）-Al?O?基板電荷分布均勻，噴射穩(wěn)定；
f：Al?O?與SC-Al?O?表面電場(chǎng)強(qiáng)度變化；g：Al?O?上無(wú)法堆疊高AR銀線；h：SC-Al?O?上可印刷高AR銀線；
i：銀漿在兩種基板上的接觸角；j：Al?O?上銀線局部收縮并出現(xiàn)孔洞；k：SC-Al?O?上銀線均勻收縮；
l：有無(wú)犧牲涂層的銀漿熱重（TG）分析曲線；m：Al?O?基板上45mm×45mm、線寬40μm的電路（與商用PCB分辨率相近）；
n：5mm×5mm、線寬10μm的微型集成電路；o：子圖l的高倍圖像；p：線寬10μm、AR=1.37的4層銀線SEM圖。
二、研究?jī)?nèi)容
2.1 核心技術(shù)：犧牲涂層輔助EFD微3D打印
研究提出犧牲涂層輔助微3D打印策略，結(jié)合平坦疏水的犧牲涂層與電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)（EFD）微3D打印，制備兼具高分辨率和高AR的直立式陶瓷電路板（S-CCBs），制造流程分三步：
在陶瓷基板表面覆蓋犧牲涂層（水性聚氨酯乳液，CT-PT）；
通過EFD微3D打印工藝印刷銀漿（固含量70wt%，粘度35000mPa·s）；
870℃燒結(jié)25分鐘，固化銀線并去除犧牲涂層（犧牲涂層去除溫度＞銀漿分離溫度且＜銀漿凝固溫度）。
犧牲涂層的核心作用：① 改善陶瓷基板粗糙表面的電場(chǎng)均勻性，避免噴射不穩(wěn)定；② 隔離銀漿與基板，結(jié)合電荷誘導(dǎo)自對(duì)準(zhǔn)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高AR多層堆疊；③ 消除基板鎖定效應(yīng)，使銀線燒結(jié)時(shí)均勻收縮，提升導(dǎo)電性與附著力。
2.2 基板印刷行為對(duì)比（Al?O? vs SC-Al?O?）
圖2：Al?O?基板與犧牲涂層（SC）-Al?O?基板上的印刷行為
a：兩種基板表面形貌；b：10×10μm區(qū)域Al?O?粗糙度（Ra=153nm，Rz=1240nm）；c：10×10μm區(qū)域SC-Al?O?粗糙度（Ra=33nm，Rz=170nm）；
d：兩種基板表面輪廓對(duì)比；e：線寬標(biāo)準(zhǔn)偏差（Al?O?為3.1-5μm，SC-Al?O?穩(wěn)定在0.7μm）；f：燒結(jié)線寬收縮率（SC-Al?O?約為Al?O?的2倍，10.6μm線寬收縮后達(dá)7μm）；
g：AR與層數(shù)關(guān)系（SC-Al?O?上1-8層AR從0.24升至2.3，Al?O?上AR基本不變）；h：線寬與層數(shù)關(guān)系（SC-Al?O?線寬基本不變，Al?O?線寬持續(xù)增加）；
i-j：Al?O?上印刷/燒結(jié)銀線（存在斷裂）；k-l：Al?O?上多層銀線輪廓（線寬增加）；m-n：SC-Al?O?上印刷/燒結(jié)銀線（形貌完整）；o-p：SC-Al?O?上多層銀線輪廓（AR提升）。
關(guān)鍵結(jié)論：SC-Al?O?基板粗糙度顯著降低（Ra從153nm降至33nm），電場(chǎng)均勻性提升，使印刷線寬一致性提高、燒結(jié)收縮更充分，且多層堆疊時(shí)可保持線寬穩(wěn)定并提升AR。
2.3 典型結(jié)構(gòu)制造與性能測(cè)試
圖3：通過所提方法制造的典型S-CCBs結(jié)構(gòu)
a：60匝、線寬10μm的微型電感器；b：線寬/線間距10μm/10μm的叉指電極（IDEs）；c：3×4 LED陣列（通過銀電路連接）；
d-f：三種陶瓷基板（Al?O?、AlN、ZrO?）上10μm銀線（面積40mm×40mm）；g：五角星陣列（線寬7.8μm，邊長(zhǎng)470μm）；
h：圓形陣列（線寬14μm，直徑500μm）；i-k：2/6/8層銀線（線寬10μm，AR分別為0.46/1.75/2.3）。
圖4：S-CCBs的電性能與環(huán)境適應(yīng)性
a：方阻/電阻與線寬關(guān)系（線寬增加則電阻降低）；b：層數(shù)對(duì)電阻的影響（層數(shù)增加則電阻降低）；c：銀網(wǎng)電阻與線間距關(guān)系（線間距減小則電阻降低）；
d：銀線電阻變化率與溫度關(guān)系（與純銀趨勢(shì)一致）；e：與其他技術(shù)的性能對(duì)比（本方法線寬7μm、導(dǎo)電性5.1×10?S/m，優(yōu)于AJP、LAM等）；
f：1000次附著測(cè)試（電阻變化率僅0.64%）；g：1000次刮擦測(cè)試（電阻變化率穩(wěn)定在7%）；h：500小時(shí)化學(xué)腐蝕（水/鹽酸/NaOH中電阻變化率分別為2.1%/8.5%/7.2%）；
i：500小時(shí)熱老化（500℃下電阻變化率9.8%，800℃后期急劇上升）。
圖5：S-CCBs在電路與無(wú)源元件中的應(yīng)用性能
a：溫升測(cè)試示意圖；b：帶4個(gè)LED的測(cè)試電路；c：1層/6層電路實(shí)物；d：電壓-電流關(guān)系（6層電路6V下電流4.49A，為1層的3倍）；
e：不同層數(shù)電路的溫升對(duì)比（1.5A下1層160℃、2層90.7℃、6層＜38.9℃）；f：不同條件下溫度分布；g-h：0-350℃加熱穩(wěn)定性（200次循環(huán)穩(wěn)定）；
i-j：平面電感器（L1=單層20μm線寬，L2=6層10μm線寬）的電感與Q值（L2電阻更低、Q值更高）；k：電感器溫升對(duì)比（L2溫度低于L1）；
l-m：叉指電極傳感器（S1=單層20μm線寬，S3=6層10μm線寬）的阻抗測(cè)試（S3對(duì)0.01-0.03ppm溶液靈敏度更高）。
三、研究結(jié)論
技術(shù)突破：犧牲涂層輔助EFD微3D打印填補(bǔ)“小線寬-大厚度”技術(shù)空白，實(shí)現(xiàn)7μm最小線寬、2.3最大AR，線寬/線間距達(dá)1:1，優(yōu)于傳統(tǒng)光刻/電鍍技術(shù)；
性能優(yōu)勢(shì)：S-CCBs導(dǎo)電性達(dá)5.1×10?S/m，在1000次附著/刮擦測(cè)試、500小時(shí)500℃熱老化及化學(xué)腐蝕下性能穩(wěn)定，電阻變化率可忽略；
通用性強(qiáng)：可在Al?O?、AlN、ZrO?等陶瓷基板上制造任意圖案，適配5G、航空航天等領(lǐng)域?qū)Ω吖β市⌒突娮釉O(shè)備的需求；
應(yīng)用價(jià)值：在平面電感器（面積減小56%、溫升降低）和叉指?jìng)鞲衅鳎`敏度提升、體積減小50%）中展現(xiàn)顯著優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)無(wú)源元件小型化。
四、論文信息
4.1 基礎(chǔ)信息
論文標(biāo)題：Directly printed standing ceramic circuit boards for rapid prototyping of miniaturization and high-power of electronics
發(fā)表期刊：Nature Communications
發(fā)表信息：2025年，16卷5258期，9頁(yè)
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60408-x
時(shí)間線：接收2024.04.08，接受2025.05.05，在線發(fā)表2025.06.06
4.2 作者與單位
核心作者：Guangming Zhang（青島理工大學(xué)）、Zhihao Yu（青島理工大學(xué)，同等貢獻(xiàn)）、Hongbo Lan（通訊作者）
作者單位： 1. 青島理工大學(xué)山東省增材制造工程研究中心； 2. 香港理工大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程學(xué)系； 3. 西安交通大學(xué)制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
聯(lián)系方式：ustbzgm@163.com（G.Z.）、zhuxiaoyang@qtech.edu.cn（X.Z.）、hblan99@126.com（H.L.）
4.3 材料與方法
關(guān)鍵材料：銀漿（NT-TL20E，70wt%固含量）、陶瓷基板（Al?O?、AlN、ZrO?）、犧牲涂層（CT-PT水性聚氨酯乳液）
表征設(shè)備：AFM（表面粗糙度）、SEM（形貌）、毫歐表（電阻）、電化學(xué)工作站（阻抗）、氣氛爐（燒結(jié)）
數(shù)據(jù)可用性：原始數(shù)據(jù)存于figshare（https://doi.org/10.6084/m9.figshare.28558604），補(bǔ)充信息見論文在線版本
3D打印機(jī)功能應(yīng)用分析
全面解析森工DIW墨水直寫3D打印機(jī)在該類研究中功能匹配情況及需定制功能，幫助用戶更好地選擇合適的3D打印設(shè)備及功能模塊。
靜場(chǎng)直寫模塊：
a. 電壓 ：最高電壓30KV，額定電流1mA，0到最高電壓連續(xù)可調(diào)，輸出正負(fù)單一極性；
b. 電源精度：電壓精度±(0.5%+1)，電流精度±(4%+3)；
c. 氣體壓力：最高0.8MPa；
d. 氣體壓力精度：±1KPa；（這個(gè)決定了擠出量穩(wěn)定性）
e. 噴嘴規(guī)格：0.15mm 0.2mm 0.25mm 0.3mm 0.4mm；
f. 平板可用面積：200 *160 mm；通過高壓靜場(chǎng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)μm級(jí)別的銀漿材料打印，精確堆疊
①常溫噴頭進(jìn)行陶瓷基底3D打印，可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化材料配方以及基底結(jié)構(gòu)個(gè)性化設(shè)計(jì);
②刮涂操作平臺(tái)，通過旋轉(zhuǎn)刮涂，實(shí)現(xiàn)μm級(jí)別的犧牲涂層打??；
③為了提高實(shí)驗(yàn)效率，可使用獨(dú)立二級(jí)平臺(tái)搭配顯微鏡，實(shí)時(shí)對(duì)每一層進(jìn)行打印精度觀察，包含了材料線寬的一致性以及基板表面平整度問題，及時(shí)修正實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
2、涉及模塊介紹：
①常溫噴頭打?。?/span>配備精密的調(diào)壓模塊，調(diào)壓精度±1KP，氣壓實(shí)時(shí)可調(diào)；
②刮涂操作平臺(tái)：刮涂速度實(shí)時(shí)可調(diào)，時(shí)間可調(diào)
③獨(dú)立二級(jí)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)：
a. 獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，支持獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，模塊化快拆快裝，拆卸后不影 響原來(lái)行程；
b. XYZ軸定位精度≤0.01mm；
c. 二級(jí)平臺(tái)尺寸：257x290x69.5mm；
d. 二級(jí)平臺(tái)可打印范圍：200x150x30mm；
e. 二級(jí)平臺(tái)獨(dú)立移動(dòng)范圍：X≥100mm；Y≥160mm；Z軸≥6.5mm；便于打印過程中，通過顯微鏡實(shí)時(shí)查看每層的微觀變化及中途干預(yù)。
①常溫噴頭打?。?/span>配備精密的調(diào)壓模塊，調(diào)壓精度±1KP，氣壓實(shí)時(shí)可調(diào)；
②刮涂操作平臺(tái)：刮涂速度實(shí)時(shí)可調(diào)，時(shí)間可調(diào)
③獨(dú)立二級(jí)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)：
a. 獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，支持獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，模塊化快拆快裝，拆卸后不影 響原來(lái)行程；
b. XYZ軸定位精度≤0.01mm；
c. 二級(jí)平臺(tái)尺寸：257x290x69.5mm；
d. 二級(jí)平臺(tái)可打印范圍：200x150x30mm；
e. 二級(jí)平臺(tái)獨(dú)立移動(dòng)范圍：X≥100mm；Y≥160mm；Z軸≥6.5mm；便于打印過程中，通過顯微鏡實(shí)時(shí)查看每層的微觀變化及中途干預(yù)。
由于小編學(xué)識(shí)所限，文中內(nèi)容難免存在疏漏或不足之處。若您發(fā)現(xiàn)任何錯(cuò)誤或值得商榷的觀點(diǎn)，懇請(qǐng)不吝指正，
小編將第一時(shí)間修正完善。感謝您的包容與支持！
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