3D печать в электронике

3 D -печать электроники — это прорыв в создании электронных устройств, где аддитивные технологии (АТ) позволяют интегрировать проводники, изоляторы и функциональные компоненты в одном процессе. Это открывает путь к компактным, кастомизированным и сложным системам, недоступным традиционным методам, таким как травление плат или пайка. Рассмотрим материалы, технологии и приложения.

1. Материалы для 3 D-печати электроники

Электроника требует сочетания проводящих, изоляционных и структурных материалов:

Полимеры:

Проводящие полимеры: PLA или PETG с углеродными нанотрубками (CNT), графеном — для проводников с сопротивлением ~10 Ом/см.
Изоляторы: ABS , нейлон (PA), поликарбонат (PC) — для корпусов и подложек.
Фотополимеры: Смолы (SLA) с добавками для гибкости или прочности.

Металлы:

Проводники: Серебро (Ag), медь (Cu) в виде наночернил или порошков — высокая проводимость (10 ⁻ ⁶ Ом·м).
Структуры: Титан ( Ti -6Al -4V), алюминий ( AlSi10Mg) — для жёстких каркасов.

Керамика:

Диэлектрики: Al2O3 (оксид алюминия), ZrO2 — для изоляции и термостойкости (до 1000 °C).

Смеси:

Композиты: PLA + графен для гибких схем.
Гибриды: Ag -наночернила + ABS — проводящие дорожки на пластике.
Многослойные: Cu + Al 2O3 — проводник и изолятор в одном изделии.

Материалы подбираются для совместимости с печатью и электрических свойств.

2. Методы 3 D -печати для электроники

Разные технологии АТ адаптированы под электронику:

Экструзия материалов (MEX): Печать проводящих нитей ( PLA + CNT ) и изоляторов ( ABS ). Простота, но низкая точность (±0,2 мм).
Material Jetting ( MJ ): Капельная печать наночернил (Ag , Cu) и фотополимеров. Точность ±0,01 мм, подходит для схем.
Aerosol Jet Printing ( AJP ): Аэрозоль из металлических частиц (Ag) наносится на подложку. Высокая детализация (±0,005 мм) для микросхем.
Direct Ink Writing (DIW): Экструзия паст (графен, Cu) для гибких проводников. Гибкость дизайна.
Фотополимеризация в ванне (SLA): Фотоотверждаемые смолы для изолирующих структур с последующим нанесением проводников.
Селективное лазерное плавление (LPBF): Cu , Ag для металлических контактов или антенн. Прочность, но не для мягких схем.

MJ и AJP лидируют для точных схем, FDM — для простых устройств.

3. Актуальные примеры:

3 D -печать электроники уже применяется:

Антенны: NASA (2023) напечатала медную антенну ( LPBF ) для спутников. Встроенные каналы улучшают сигнал — традиционно это сборка.
Датчики: MIT (2022) создал гибкий сенсор давления (DIW, графен + силикон). Лёгкий, носимый, невозможен травлением.
Печатные платы: Nano Dimension (2023) напечатала многослойную плату (MJ , Ag + диэлектрик). Компактнее традиционных PCB.
Светодиоды: Университет Принстона (2021) интегрировал LED в полимерную матрицу (AJP , Ag + смола). Для миниатюрных дисплеев.
Батареи: Harvard (2023) разработал микробатарею (DIW, Li -ионная паста). Сложная 3D-структура повышает ёмкость.

Эти примеры показывают переход от прототипов к функциональным изделиям.

4. Чем уникальна 3D-печать электроники

Интеграция: Проводники и изоляторы в одном процессе (MJ), а не сборка вручную.
Сложность: Встроенные каналы или 3 D -схемы (LPBF), недоступные травлению.
Кастомизация: Датчики под конкретные задачи (DIW), а не стандартные платы.

Традиционные методы (пайка, литография) ограничены 2D -плоскостями и массовостью, тогда как АТ даёт свободу дизайна.

5. Пред- и постобработка

Предобработка:

Проверка проводимости (Ag -наночернила), сушка нитей (FDM), фильтрация, контроль состава паст (DIW).
Точность состава (графен в полимерах — 5–10% для проводимости).

Постобработка:

Спекание (Ag, Cu — 200–300 °C) для повышения проводимости.
УФ-отверждение (SLA-изоляторы).
Полировка или нанесение защитных слоёв.

6. Электронная "лаборатория на чипе"

3D - печать электроники пересекается с биопринтингом в создании "лабораторий на чипе" — мини-устройств с каналами и датчиками ( MJ , Ag + смола) для анализа жидкостей. Пример: чип для мониторинга глюкозы (2023, Stanford).