# 基于3D多层器件增材制造技术的学术报告 ## 一、研究基本信息 本文所报道的研究由E. Olsen、K. Pflieger、A. Evertz和L. Overmeyer共同完成，他们均来自德国莱布尼茨汉诺威大学（Leibniz University Hannover）运输与自动化技术研究所（Institute of Transport and Automation Technology）。该研究成果收录于R. Lachmayer等人主编的学术专著《Innovative Product Development by Additive Manufacturing 2021》中，由Springer Nature Switzerland AG于2023年出版，章节DOI为https://doi.org/10.1007/978-3-031-05918-6_15。 ## 二、研究背景与目的 本研究属于增材制造（Additive Manufacturing, AM）与机电一体化集成器件（Mechatronic Integrated Device, MID）交叉领域。随着电子系统集成度需求的持续提升，传统印刷电路板（Printed Circuit Board, PCB）已发展出高密度互连（High-Density Interconnect, HDI）技术，通过增加导体层数、缩小线距和实现垂直互连访问（Vertical Interconnect Access, VIA）来满足集成要求。然而，类似的集成度提升在MID技术领域始终未能实现。现有MID工艺大多受限于基材表面，通常只能制造单层导电路径，其应用也局限于RFID天线、简单传感器等低复杂度场景。 以激光直接成型（Laser Direct Structuring, LDS）为代表的MID工艺依赖化学金属化浴，存在基础设施复杂、维护成本高、化学品采购及环保处理困难等突出问题。虽然已有研究尝试在3D打印过程中直接打印导电线路，但在规模化生产和大型部件上的应用仍面临技术瓶颈。基于上述背景，本研究旨在提出一种全新的多层打印（Multilayer Printing, MLP）技术，实现在自由曲面三维表面上直接生成导电线路和垂直互连访问，从而拓展3D MID技术领域，推动产品小型化和功能集成化的发展。 ## 三、研究方法与工作流程 MLP技术的基本原理是在部件表面交替涂覆绝缘油墨和含金属导电油墨，再通过局部激光加工实现导电线路的生成和层间互连。其完整工艺流程由九个步骤构成，形成了可重复循环的多层制造序列。 ### （一）基材准备 工艺的第一步是准备3D基材（如图2a所示）。基材需要满足低粗糙度、高热稳定性和小圆角半径三项关键要求。当基材表面质量不满足要求时，可通过涂覆底漆（Primer）进行预处理，以降低表面粗糙度并提高热稳定性，从而确保后续涂层的均匀附着。 ### （二）金属油墨全表面涂覆 第二步采用浸涂（Dip Coating）方式在基材表面形成全表面铜油墨涂层（Copper Ink Coating）。铜油墨在涂覆后处于非导电状态，其内部的铜纳米颗粒为后续导电线路的生成提供了原材料。 ### （三）局部激光烧结 第三步利用激光烧结（Laser Sintering）技术实现导电线路的生成。激光光斑在3D表面上扫描，通过短时能量输入和快速冷却速率，选择性地烧结铜纳米颗粒，形成导电铜线路。本研究采用的激光系统为LPKF 160i Nd:YAG激光器，配备三轴光学系统（x、y、z轴），能够沿3D表面精确移动激光光斑。相较于连续激光，脉冲激光烧结的主要优势在于短时能量输入和快速冷却，这使得在热敏性聚合物基材上的电气功能化成为可能。铜相比银在导电性相近的前提下具有显著的成本优势，且快速冷却可以有效抑制铜在烧结过程中的氧化。此前的研究已证明，在经底漆预处理的增材制造3D表面上，单层导电铜线路的导电率可达到纯铜导电率的10%。 ### （四）绝缘层涂覆 第四步在已烧结的第一导电层上涂覆绝缘层（Insulator Coating）。本研究采用DM-INI-7003环氧基绝缘油墨，通过手工方式或浸涂方式涂覆，随后使用宽带紫外灯（BlueWave 50 UV）进行固化。 ### （五）激光烧蚀生成VIA空腔 第五步利用激光烧蚀（Laser Ablation）在绝缘层上生成VIA空腔（Via Cavity）（如图2e所示）。相比机械钻孔，激光烧蚀能够实现更小的VIA直径。文献报道中，标准激光系统可实现的VIA直径范围较宽：CO2激光器约为100 μm，UV激光器约为25 μm，超短脉冲激光器可小于10 μm。烧蚀形成的VIA侧壁应呈锥形且具有较低深宽比，以保证后续VIA涂覆和烧结步骤的顺利进行。本研究此前的工作已证明，使用CO2激光器烧蚀环氧绝缘层时可以得到理想的抛物线形侧壁形状。CO2激光器的一个特殊之处在于它既能用于烧蚀也能用于烧结。 ### （六）第二次铜油墨涂覆 第六步再次涂覆铜油墨（如图2f所示），在这步中，铜油墨填充VIA空腔，同时为第二层导电线路和VIA的烧结提供纳米颗粒材料。 ### （七）第二层激光烧结 第七步对第二层进行激光烧结（如图2g所示），与此相关的，VIA填充的铜油墨也在同一步骤中完成烧结，由此形成了层间电气连接。实验结果显示，增材制造的铜VIA内部电阻平均值约为1 Ω，VIA成功工作率超过99%。 ### （八）可选激光清洗 在烧结完成后，可选择执行激光清洗（Laser Cleaning）步骤。该步骤使用较高激光功率和较快的结构化速度，去除未被烧结的残余铜油墨。清洗后的层结构更加均匀，仅由烧结导电线路和介电绝缘材料构成，有利于改善电气特性和机械稳定性。 ### （九）接触与组装 最终步骤包括使用焊膏或导电胶进行接触（Contacting），并完成电子元器件的组装（Assembly）。 值得注意的是，步骤（四）至（七）构成的循环过程可以根据电路复杂度和所需层数重复多次。已有研究表明，通过重复执行该循环，可堆叠五层或更多层。 ## 四、主要实验结果 研究通过三组实验验证了MLP方法的可行性，分别针对平面双层、3D表面多层和垂直互连访问三个维度。 ### （一）平面双层打印实验 实验在Stratasys Eden260 VS打印的Vero Blue聚合物平面基材上进行。第一层导电线路通过浸涂铜油墨（DM-CUI-5002，Dycotec Materials Ltd.）、热风枪干燥和CO2激光烧结完成。随后手工涂覆DM-INI-7003绝缘油墨并使用紫外灯固化。第二层铜油墨以相同方式涂覆和烧结。抛光截面图（图4b）显示两层之间存在清晰的分离，绝缘层厚度约为200 μm。电阻测量证明：绝缘层完全阻断了层间电流，顶层烧结未对第一层造成任何负面影响。该实验证明了MLP方法在平面表面上制造双层结构的可行性。 ### （二）3D多层器件组件实验 实验使用了3D MID助听器组件作为基材。处理步骤与平面实验类似，但绝缘层厚度约为20 μm。激光烧结采用LPKF 160i Nd:YAG激光系统完成，其配备的三轴光学系统确保激光光斑能够精确追踪3D曲面。实验结果表明，第二层打印同样未对第一层造成负面影响，介电强度测量值远超10 kV/mm。该实验成功实现了3D曲面上的多层打印，证明了MLP工艺向三维表面转移的可行性。 ### （三）垂直互连访问实验 实验在FR4 PCB（第一层为PCB铜层）上打印绝缘层和第二层铜层。通过额外的CO2激光烧蚀去除绝缘层以形成VIA空腔，随后铜油墨填充空腔，并在第二层导电线路烧结的同时完成VIA烧结。截面图（图6b）显示的VIA电阻为6 Ω。当底层为PCB铜层时，烧蚀对绝缘材料具有高度选择性。然而，在厚度小于5 μm的打印铜层上方创建VIA更具挑战性，但Overmeyer等人（2021）已成功实现了这一目标，内部VIA平均电阻为1 Ω，工作率超过99%。 ## 五、结论与研究价值 MLP技术作为一种全新的多层MID技术，成功实现了在3D空间表面上制造多层导电结构。该工艺的核心优势在于：数字化的激光加工使电路布局具有极高的可变性；避免了化学金属化过程，降低了环境负担；工艺链步骤少，可转移至大型部件；与增材制造部件兼容，适合快速原型制造和小批量定制生产。在科学价值方面，该研究首次将全表面涂覆与局部激光烧结/烧蚀策略系统性地整合到3D多层电路制造工艺链中，为后续的高密度集成研究提供了方法学基础。在应用价值方面，该技术可望替代HDI-PCB在部件表面的多层电路集成，直接支援智能设备的小型化趋势。 ## 六、研究亮点 本研究的主要亮点体现在以下几个方面： 其一，工艺的几何灵活性。MLP技术同时兼容2D和3D表面，突破了传统MID工艺对基材形状的限制。其二，激光烧结与VIA烧结在同一工艺步骤中完成，产生了显著的协同效应，简化了工艺链并提高了制造效率。其三，全数字化的激光加工路径使电路布局的高度定制化成为可能，特别适用于个性化驱动的生物医学应用和快速原型制造场景。其四，研究展示了一个具有超过四层导电线路的3D LED阵列照明器设计（图7），该设计包含100多个独立可控的LED和细间距球栅阵列（Ball Grid Array, BGA）封装，这种复杂度的3D多层器件在MLP技术出现之前是无法通过其他技术制造的。 ## 七、其他重要内容 研究还讨论了四类涂覆技术的适用性（表1）。喷墨打印（Ink Jet）和气溶胶喷印（Aerosol Jet）等局部沉积工艺材料利用率高但速度较慢，而喷涂（Spraying）和浸涂（Dipping）等全表面工艺速度更快但材料消耗较大。虽然本研究以浸涂为主，但所描述的层形成原理同样可推广至更高材料效率的局部涂覆技术。 此外，论文还引用了功能性油墨领域的广泛进展，包括铜、银、碳纳米管、铂等导电油墨，以及紫外固化环氧、热固化环氧、硅酸锆、钛酸钡、六方氮化硼等介电油墨，为MLP技术的材料选择提供了丰富的可选空间。论文作者在致谢中特别感谢了德国联邦经济与能源部（BMWi）资助的“3D-MLD”项目（21780 N/1）以及德国研究基金会（DFG）卓越集群PhoenixD（EXC 2122，项目编号390833453）的支持。