研究论文报告：面向热敏3D电子与智能可穿戴器件的熔融金属选择性焊接技术

主要作者与发表信息

本研究由来自德国弗莱堡大学（University of Freiburg）微系统工程系（IMTEK）微机电系统应用实验室（Laboratory for MEMS Applications）及Hahn-Schickard研究所的Dániel Straubinger、Peter Koltay、Roland Zengerle、Sabrina Kartmann和Zhe Shu等人完成。论文于2025年发表于*Advanced Functional Materials*期刊，论文标题为“Versatile Selective Soldering via Molten Metal Printing for Heat-Sensitive 3D Electronics and Smart Wearables”，DOI为10.1002/adfm.202419653。该研究以开放获取（open access）形式发表。

研究背景

电子产业在印刷电路板（PCB）替代技术领域正经历深刻变革。表面贴装技术（surface mount technology, SMT）仍然是电子领域最主流的大规模生产手段，然而增材制造（additive manufacturing, AM）、智能可穿戴、柔性电子、可回收及可生物降解电子等新兴领域对元器件组装与互连提出了严峻挑战。传统的回流焊（reflow soldering）或激光焊接（laser soldering）由于对基板材料的温度耐受性有严格要求，且缺乏工艺自动化能力，应用受到极大限制。导电胶（conductive adhesive）作为热敏基板上连接元器件的常用替代方案，其由聚合物树脂基体中的导电颗粒（主要为银）组成，电导率、热导率和机械承载能力均逊于焊接接头，且通常需要100°C以上的固化温度。液态金属虽然可在柔性和可拉伸电子中提供金属接触，但需要封装来维持其位置和完整性。此外，增材制造领域中SMD元件焊接主要限于研究阶段，因为即使是低温焊接，大多数熔融沉积成型（fused filament fabrication, FFF）打印聚合物的热变形问题仍然突出。针对这些挑战，本研究旨在提出一种通用且可持续的元器件集成方案，通过增材式熔融金属打印在室温下实现可靠的选择性焊接。

研究流程与实验方法

本研究基于StarJet技术构建熔融金属打印系统。该打印头由加热储料器和定制硅喷嘴芯片（nozzle chip）组成，芯片具有星形旁路通道（star-shaped bypass channels），喷嘴口径在44至260 μm之间可选。打印通过压力控制氮气驱动，并辅以同轴氮气（rinse gas）保护射流和液滴免受氧化。该技术支持两种工作模式：按需滴落模式（drop-on-demand, DOD）和连续射流模式（jet mode）。本研究用于实现焊接接头的射流模式被称为按需喷射（jet-on-demand, JOD），通过控制阀门开启时间（valve opening time, VOT）精确沉积熔融焊料体积。实验使用的焊料合金为57Bi-42Sn-1Ag（熔点137–139°C）和SAC305（Sn-3Ag-0.5Cu，熔点217°C）。DOD打印的导电迹线采用183 μm喷嘴，平均液滴直径约290 μm；喷射焊接采用44 μm喷嘴，VOT为350 ms。

研究首先通过定制热电偶支架测量了打印熔融焊料射流的热分布。该支架由低热导率的PETG材料制成，使焊料直接沉积在热电偶热点（直径约700 μm）上，实现连续热传导和可重复测量。实验测量了不同初始储料温度（300°C和450°C）和不同VOT（200 ms、350 ms和500 ms）下的温度曲线。

随后，在FR4 PCB（表面处理为化学镀镍浸金，ENIG）和热敏增材制造基板（PETG基板，含3D打印的SAC305金属迹线）上进行了焊接实验。0805尺寸（2 mm × 1.25 mm）SMD LED被用作表征的标准元件。元件先浸蘸Bio SF1000液体助焊剂，再手动放置在焊盘上。焊接过程在无基板预热条件下进行。储料温度在300°C至450°C范围内变化。为评估局部预热效果，部分样品在打印焊接接头前对打印区域进行了60秒的StarJet预热处理。

焊接接头的表征采用了多种分析方法。X射线分析使用SkyScan 1276 microCT（100 kV，200 μA）检测接头内部的空洞含量。截面分析包括将样品嵌入丙烯酸或环氧树脂中，经湿磨（SiC纸）和金刚石悬浮液抛光至1 μm粒度后，使用Zeiss Axiphot光学显微镜和配备能谱仪（EDS）的TESCAN Maia3场发射扫描电子显微镜（FE-SEM，加速电压20 kV）进行微观结构与成分分析。机械强度通过Dage 4000剪切测试仪在100 μm/s速度下进行剪切测试，评估了不同储料温度下的FR4基板焊接样品（共41个元件）及混合打印3D基板样品（共16个元件）。

在上述系统表征之外，研究还拓展了应用实验。使用SAC305合金对不同尺寸的元件（0603、0805和1206）进行焊接，储料温度为475°C，喷嘴口径60 μm，VOT根据元件尺寸分别设为175 ms、200 ms和300 ms。此外，还展示了在PLA（聚乳酸）可生物降解聚合物基板、聚酯纺织物、导电刺绣纱线以及PET箔柔性电路上的焊接应用。

主要研究结果

热分布测量结果表明，峰值温度随储料温度的升高而增大，VOT的长度决定达到峰值温度所需的时间。在冷却阶段，当合金开始凝固时可检测到温度突然变化，凝固期间温度保持近似恒定，凝固结束后温度再次快速下降。整个焊接过程在数秒内完成，远快于传统回流焊的4–7分钟。这种快速热管理特性使得焊接过程从峰值温度开始几乎即刻降温至室温附近，热影响区域被局限在最小范围，避免了基板材料的热降解。

X射线分析显示，打印焊点内无宏观空洞（macrovoids），仅在与焊盘和元件金属化层的界面处检测到数量有限的微空洞（microvoids）。这与回流焊中因焊膏含约50%体积分数助焊剂而导致严重空洞形成的现象形成鲜明对比。StarJet沉积的是100%体金属合金，仅在助焊剂薄涂层上打印，从根本上减少了气体包裹的可能性。

截面与微观结构分析证实焊点无裂纹、无去润湿（de-wetting）、无宏观空洞。在储料温度为350°C、450°C以及450°C配合StarJet局部预热的FR4样品中，均观察到焊料对元件底面的润湿，且润湿程度随温度升高而改善，局部预热条件下的润湿最佳。SEM-EDX分析显示，在ENIG表面处理与Bi-Sn-Ag焊料的界面处，检测到（Ni,Au）Sn₂和（Au,Ni）Sn₄等金属间化合物（intermetallic compound, IMC）层。焊料中分散着细小Ag₃Sn IMC，未出现板状Ag₃Sn IMC——板状IMC的存在通常会导致接头脆性增加，而快速冷却速率有助于避免其形成。在混合基板上，预打印的SAC305迹线与打印的57Bi-42Sn-1Ag接头之间实现了完美冶金熔合，界面处观察到细小的Bi析出物和垂直于SAC305界面的β-Sn晶粒。

剪切强度测试显示，储料温度为300°C时，平均剪切强度仅为12.3 N，最低值为3.8 N，表明液相以上时间（time above liquidus, TAL）不足，金属间化合物层形成不充分。储料温度提升至450°C后，平均剪切强度显著增加到31.8 N。StarJet局部预热进一步将平均剪切强度提升至39.6 N。在热敏PETG混合基板上，剪切强度平均为29.2 N，与FR4基板上的结果相近，且标准偏差更低，表明工艺具有良好的可重复性。剪切断裂均发生在元件金属化层与焊点之间，打印迹线与焊点的熔合区域保持完好，未发生迹线剥离。这一强度水平已超过典型导电胶的10–30 N剪切强度范围，并可与回流焊工艺中57Bi-42Sn-1Ag合金的接头强度相媲美。

在应用拓展实验中，SAC305合金成功焊接了0603、0805和1206三种不同尺寸的元件，焊接接头在预打印迹线上实现了有效润湿且无空洞。在PLA基板上的演示表明，即使基板熔点在约150°C，仍可在室温基板上实现选择性焊接，且组件的焊接未破坏预打印的同类型或相似类型导电迹线。在聚酯纺织物上，DOD打印的SAC305迹线展示了良好的柔性和拉伸性，焊接的LED在基板拉伸时保持完整。在PET箔上构建的柔性电路经共形涂层（conformal coating）涂覆后弯折成型，焊接接头和迹线保持完整。此外，还对导电刺绣纱线（银镀层聚酰胺纱线）成功实现了互连。

研究结论与价值

本研究展示了一种在室温下通过非接触式熔融金属打印实现电子元器件选择性焊接的高柔性方法，特别适用于3D、柔性和热敏基板。焊接过程无需基板预热或惰性气氛，打印高度从1毫米到40毫米均可实现，能够应对高表面粗糙度和3D拓扑结构。通过调节储料温度和VOT，可以精确控制热输入和焊料体积，从而实现局部化焊接而不损伤周围材料。

该技术的科学价值在于：通过系统性的热管理分析、微观结构表征和力学性能评估，证明了熔融金属按需喷射焊接能够在数秒时间尺度内形成具有冶金结合的高质量焊点，其微观结构与传统回流焊焊点相当，且无宏观空洞。在方法学上，该研究建立了一套完整的热分析、X射线检测、SEM-EDX微观结构分析和剪切强度评估的工作流程，为增材制造领域中的焊接质量评价提供了参考框架。

在应用价值方面，该技术为满足工业4.0、医疗保健5.0和可持续电子制造目标提供了一种成本高效、可自动化的解决方案。它能够在可生物降解PLA、热敏织物（聚酯）、柔性PET箔以及混合打印3D电路等材料上实现可靠的元器件互连，克服了传统焊接方法在温度限制和工艺自动化方面的瓶颈。此外，该方法使用无焊膏的体金属合金沉积，减少了生产与能源成本，且打印出的无空洞焊点和迹线可实现回收和再利用，符合可持续制造的核心理念。

研究亮点

本研究的核心亮点包括五个方面。第一，实现了完全非接触、室温基板条件下的选择性焊接，打印高度可达40 mm，无需基板预热或惰性气氛保护，这是传统焊接技术难以实现的。第二，通过实测热分布曲线揭示了熔融金属快速凝固的动态过程，凝固潜热的释放可在温度曲线中被清晰识别，为焊接参数优化提供了直接依据。第三，焊点呈现近乎无宏观空洞的特征，这得益于沉积100%体金属合金而非含助焊剂的焊膏，为太空等高可靠性应用提供了可能。第四，剪切强度可通过储料温度和局部预热灵活调节，最高可达39.6 N，超过了导电胶的典型水平。第五，成功实现了在多种热敏和可降解材料上的焊接演示，包括3D拓扑的PLA结构、聚酯织物、PET箔柔性电路以及导电刺绣纱线，展示了该技术跨材料、跨应用的广泛适应性。

此外，研究还指出，未来可通过结合高精度激光局部共热系统来进一步扩展工艺窗口，使较高熔点的合金（如SAC305或高熔点锌合金）在保持较小热影响区的前提下实现充分润湿。这种激光辅助共热方法有望在精细间距（fine-pitch）焊接和需要更小焊料体积的应用中发挥优势。