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打印带有免钻过孔的高性能多层柔性电路

打印机不仅可以打印图片和文字,亦可用来打印功能性的电子器件。比起传统的电子器件的生产方式,基于增材制造的打印电子技术有着低成本,环保,短生产周期,高度可定制化等优点。近年来,随着物联网,可穿戴电子及工业4.0的快速发展,各行业对拥有多层结构的打印电子设备需求快速增加,以满足其对电子设备低成本,低能耗,小体积,多功能,高性能等多方面的要求。纸,作为一种环保,低成本的柔性材料,近年来也被越来越多的用作打印电子的衬底。

当前,在纸上打印多层电路主要有两个严峻的挑战,一个是在纸上印制高导电性的导线,另一个则是制作高导电性的过孔。由于纸张是一种多孔材料,墨水会顺着孔隙渗入到纸张内部而非留在表面,导致墨水中的导电材料(纳米颗粒等)无法互相充分接触,使得打印的导线呈现较低的导电率。对于过孔, 目前的制造工艺依赖于诸多繁琐的步骤,如钻孔,校对,涂覆绝缘材料以及额外的打印,不仅增加了生产成本和次品率,也使这样生产出的过孔导电率较低,从而降低整个设备的性能。整个打印过程中对纳米材料的大量使用,也使得此类打印电子的成本居高不下。

打印带有免钻过孔的高性能多层柔性电路

为了解决上述问题,加拿大西安大略大学机械与材料学院杨军课题组研发出一种高效,低成本并无需额外工艺便可在纸上直接制作多层柔性电路的方法。虽然纸张的多孔性对于普通打印电子的生产是一个不利的因素,然而,该课题组却充分利用其多孔性,通过无电沉积和对喷墨打印机的催化型墨滴间距(droplet spacing)的精确控制,实现了纸张不同深度的金属化以及高导电性免钻过孔的制作。借助于纸张独特的微观三维结构,铜的生长也在三维(3D)活化范围内发生,并最终形成类似钢筋混凝土(纤维素纤维-铜)的加强型高导电性结构。该课题组研发的此项工艺全程无需任何纳米材料介入,不仅降低了生产成本,同时也提高了电路和过孔的导电率。按此方法制作的多层电路,单层电路的片电阻低至4.8 mΩ/sq, 过孔片电阻仅有2.6 mΩ/sq,均远远优于目前市场上同类产品(50 mΩ/sq)。基于这种方法,带有“免钻过孔”双层电路结构的无电池照明设备也第一次被成功制造出来。

此项研究不仅克服了在纸上制造多层柔性电路的各种挑战,同时也把诸多不利因素变成了独特的优势,为高性能打印电子的生产提供了新的思路。我们相信,此项工艺不仅可以运用在纸上,也可以运用到其它多孔性材料,如纺织品及各类多孔性聚合物,为其在可穿戴电子,工业4.0,物联网等领域的应用提供了无限可能。

相关论文在线发表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201700346)上。

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