本工作由哈尔滨工业大学（威海）先进焊接与连接国家重点实验室的Wenbo Li、Shujie Liu、Qingzhong Zhou、Jianzhu Li、Tianyu Hou以及Yujie Li等人，联合威海神州信息技术研究院的Hui Guo和山东卡尔电气股份有限公司的Xihan Yu共同完成。研究成果发表于2023年第24届电子封装技术国际会议（2023 24th International Conference on Electronic Packaging Technology, ICEPT），论文题为“Additive fabrication of 3D surface conformal circuits using a modified screen-printing technology”。

该研究属于电子封装与增材制造交叉领域，主要针对三维表面共形电路（3D surface conformal circuits）的高精度、低成本制造问题。共形电路是直接制造在机械壳体或零件表面的电路，能够省去传统印制电路板（PCB），缩短互连长度，实现系统的小型化和轻量化，并避免导线之间的空间干涉。目前，制造三维共形电路的主要方法包括三维模塑互连器件（3D-MID）技术、3D打印和传统丝网印刷。然而，3D-MID成本高、效率较低，其电镀或化学镀工艺与现有电子制造流程兼容性差且不利于环保；3D打印逐点成形，制造周期长，难以规模化生产；传统丝网印刷则仅适用于柱面等简单规则表面。此外，共形电路通常以金属为导电层、陶瓷或有机聚合物为绝缘基底，金属与绝缘材料之间物理化学性质差异大，界面结合力较弱，在高温、低温或温度交变等苛刻环境下容易出现裂纹、孔隙、拱起甚至整体分层。针对上述问题，该研究团队在前期工作基础上，采用一种改进的丝网印刷方法，在复杂三维聚氨酯丙烯酸酯（polyurethane acrylate, PUA）基底表面制备了高性能共形电路，并系统研究了导电浆料粒径、后处理条件对电路形貌和电学性能的影响，分析了PUA/Ag界面结构及其可靠性，最终将其应用于大功率LED灯具设计并验证了散热性能。

在实验方法方面，研究采用“自适应表面分区”（adaptive surface partition）算法对复杂三维曲面进行重构，将其划分为若干变形足够小、精度足够高的子区域，并为每个子区域单独制作网版。与传统的刚性网框不同，本研究使用具有适当刚度的橡胶条作为柔性网框（flexible mesh frames），丝网被固定并张紧在柔性网框顶部，网版与基底之间的距离约为1 mm，刮刀以约50 ± 10 mm/s的速度、70 ± 10°的角度在网版上运动。各区域电路依次印刷，在曲率变化显著的位置通过叠印（overprinting）实现连接。研究中使用的丝网为250目聚酯丝网，孔径为53.6 μm。印刷材料分别采用微米银浆（micro-Ag paste，Ausbond/3811，固含量65 wt%，粘度60~500 Pa·s）和纳米银浆（nano-Ag paste，Daicel/PICOSIL，固含量60~70 wt%，粘度40~200 Pa·s）。印刷后的电路按制造商数据手册在空气或氮气气氛中于150 ℃烧结30分钟。研究以铝合金基底上先喷涂PUA绝缘层作为共形电路基体，采用四探针法测试电路薄层电阻并计算电阻率，利用Zeiss Merlin VP Compact扫描电子显微镜（SEM）结合EDAX能谱仪（EDS）表征微观结构和元素分布，通过划格试验（cross-cut test）按照GB/T 9286-1998标准定性评价银层附着力，并根据JESD22-B117A和GB/T 5210-2006/ISO 4624:2002标准印刷2 mm×2 mm焊盘并制作Sn42Bi58低温焊料凸点，进行剪切试验以定量测量界面结合强度。可靠性测试按照GB/T 2423标准，在150 ℃、-40 ℃和常温下分别存储72小时，并对存储前后的电学性能和力学性能进行比较。样品每组3个，每个样品包含7条相同图案的共形电路，电路长度为42 mm、宽度为2 mm、平均厚度为8 μm。此外，研究还设计并制造了基于共形电路的大功率LED灯具，利用K型热电偶测量芯片在额定电流下的温度变化。

在结果方面，研究首先考察了银颗粒尺寸对电路性能的影响。结果表明，在曲率变化范围为-1000 m⁻¹至1000 m⁻¹的复杂三维表面上，印刷出的共形电路线宽偏差小于±50 μm，线宽一致性优于±43 μm，电路长度范围142~300 mm，最大长宽比达到320:1。电路厚度可以控制在3~10 μm范围。对于电阻率和几何尺寸，微米银浆印刷电路受后处理气氛影响明显，厚度均匀性较差；而纳米银浆印刷电路在不同气氛下厚度和电阻率变化很小，表现出更好的工艺稳定性和性能可控性。微米银浆在150 ℃烧结温度下形成的烧结颈很少，导电主要来源于溶剂挥发体积收缩导致的银片接触，但体积收缩不均匀会造成局部厚度和致密度差异，并在PUA/微米银界面产生孔隙、裂纹甚至整体分层。纳米银浆则因纳米颗粒更易形成烧结颈，烧结后电路致密、残余应力小，PUA/纳米银界面未发现孔隙和裂纹。EDS线扫描显示，PUA/纳米银界面处Ag和C含量呈渐变分布，说明金属和有机聚合物相互渗透形成了厚度约700 nm的界面互锁层。这种互锁层源于两种材料在界面处的机械互锁和物理渗透，有利于提高附着力，但同时也会使纳米银电路的电阻率略高于标称值。微米银和纳米银电路的实际电阻率分别是标称值的15.6~24.4倍和约2倍。划格试验显示，6个相同样品均未发生网格点剥落，附着力达到ISO 0级，说明共形电路附着强度高且均匀。剪切试验测得最大剪切力为28.6 N，对应界面结合强度为12.7 MPa，表明电路在机械应力作用下具有较高的抗剪能力，可以满足复杂环境下的使用要求。

在可靠性方面，不同温度存储后的共形电路电阻率均低于打印态，150 ℃、-40 ℃和常温存储后的平均电阻率分别为10.6 μΩ·cm、11.2 μΩ·cm和10.3 μΩ·cm，较打印态分别下降34.6%、30.8%和36.4%。尽管存储后电阻率仍高于标称值，但存储过程并未导致性能退化，反而出现一定程度的改善。研究认为这可能是由于高温下PUA中溶剂挥发以及低温下冷缩使互锁层内PUA体积和结构发生变化所致。电路形貌和界面结构在存储前后未发现明显变化，表明纳米银浆制成的共形电路能够在不同环境温度下可靠工作。

在应用方面，研究将共形电路用于大功率LED灯具的设计和制造。该灯具由48颗大功率LED芯片组成，最大输出功率为94 W，最大外径仅10 cm。在铝壳内壁先喷涂PUA绝缘层，再用纳米银浆在绝缘层上印刷共形电路以连接LED芯片，并使用Sn42Bi58低温焊膏将芯片焊接到银焊盘上。印刷共形电路宽度为872 ± 52 μm，主要电路等长，长度为4 cm，电阻为680 ± 70 mΩ。在额定电流下，LED芯片温度在约20 min后趋于稳定，最高温度始终低于55 ℃，整个铝壳温度均匀，表明共形电路设计有效增强了散热能力。该灯具总重量约为0.9 kg，而同等功率的市售LED灯具重量通常可达5 kg以上，实现了小型化和轻量化目标。

该研究的结论指出，利用改进的丝网印刷方法可以在复杂三维表面实现与平面印刷相当的质量，线宽精度优于±50 μm。影响共形电路性能的主要因素是导电浆料颗粒粒径和后处理条件。纳米银共形电路在150 ℃和-40 ℃极端温度下存储后，形貌和界面结构无明显变化，电阻率反而改善30%~36%。通过将该方法应用于大功率LED灯具，在无额外散热器和主动散热手段的情况下，灯具温度保持在55 ℃以下，验证了共形电路在实际产品中的散热优势。本研究提出的改进丝网印刷技术具有低成本、高可靠性以及与现有电子制造工艺兼容性好的特点，为复杂三维共形电路的规模化制造提供了可行的技术路径。