劉淑杰，劉長林，趙云桐，張鵬，李宇杰

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 威海 264209；2. 哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院 機(jī)械工程系，山東 榮成 264300；3. 哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院 電氣工程系，山東 榮成 264300）

2017年 12月 13日，國家工業(yè)和信息化部等十二部門發(fā)布《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃》中提到，要加快推進(jìn)增材制造裝備用光電子器件的開發(fā)和應(yīng)用。打印電子技術(shù)是一種基于印刷原理的新興電子增材制造技術(shù)，該技術(shù)克服了傳統(tǒng)光刻工藝因大量腐蝕液帶來的環(huán)境污染[1]、“減材”材料利用率低以及生產(chǎn)工序復(fù)雜繁瑣導(dǎo)致生產(chǎn)效率低等一系列問題。增材制造作為一種綠色制造技術(shù)，近幾年已成為電子行業(yè)的研究熱點，主要應(yīng)用于電子顯示器[2—3]、場效應(yīng)晶體管[4]、射頻識別卡[5]、電子標(biāo)簽[6]、大型戶外顯示屏[7]、太陽能電池[8]、傳感器[9]以及透明電極[10]等產(chǎn)品的制造。不同互連金屬材料的打印機(jī)制不盡相同。Zheng等[11]提出輕敲式(tapping mode)電子打印概念，打印過程中利用打印頭球珠與基底摩擦力相互作用而轉(zhuǎn)動，使筆筒內(nèi)的液態(tài)金屬墨水流出，實現(xiàn)電子電路打印。1994年提出的直接書寫式液態(tài)金屬打印方法[12]，主要是基于掃描探針的納米光刻技術(shù)，使用原子力顯微鏡尖端或尖端陣列將化學(xué)試劑直接輸送到襯底表面的特定區(qū)域。此外，還有微接觸式液態(tài)金屬打印法[13]、掩膜沉積法[14]、霧化噴墨式液態(tài)金屬打印法[15]等。

上述打印技術(shù)的出現(xiàn)，促進(jìn)了打印電子新材料如納米導(dǎo)電墨水的研究與開發(fā)，其中以納米銀和納米銅研究最為廣泛。納米銀導(dǎo)電性好，但價格昂貴。納米銅導(dǎo)電性好、抗遷移能力強(qiáng)且成本低，但打印過程中存在一定的氧化問題。為了解決氧化問題，部分機(jī)構(gòu)選擇在導(dǎo)電墨水配比過程添加一些還原劑，導(dǎo)致電路中出現(xiàn)氣泡、副產(chǎn)物和殘留物，進(jìn)而影響成形電路的性能。部分研究結(jié)構(gòu)在打印成型后采用惰性氛圍對電路進(jìn)行燒結(jié)，使部分附屬產(chǎn)物或殘留物揮發(fā)，但這種方式制備時間長、效率低，并且制件大小受燒結(jié)管式爐限制。

為了更好地解決上述問題，文中基于打印電子技術(shù)思想，結(jié)合增材制造基本原理，利用易于實現(xiàn)功能的單片機(jī)作為設(shè)備控制中心，結(jié)合現(xiàn)代機(jī)械電子技術(shù)，將金屬電路增材制造所需要的5個功能，即增材送料機(jī)構(gòu)、原位加熱、原位激光燒結(jié)、原位輻照還原、氣體保護(hù)進(jìn)行集成并協(xié)同控制，設(shè)計出互聯(lián)電路的一體化增材制造系統(tǒng)，并制造樣機(jī)。通過實測樣機(jī)打印的成型電路性能，證明該制造系統(tǒng)的可行性和有效性。該制造系統(tǒng)對光電子器件等領(lǐng)域的增材制造具有一定意義。

1 系統(tǒng)功能和總體方案設(shè)計

互聯(lián)電路一體化增材制造系統(tǒng)主要是利用具有一定流動性和黏度的金屬導(dǎo)電墨水為原料，在惰性氣體保護(hù)下，通過出料裝置將金屬導(dǎo)電墨水按照一定軌跡打印在制件表面，形成電子線路。文中設(shè)計的制造系統(tǒng)在金屬，尤其是易氧化的金屬打印制備過程中，將增材送料機(jī)構(gòu)、原位加熱、原位激光燒結(jié)、原位輻照還原、氣體保護(hù)進(jìn)行集成并協(xié)同控制，最終實現(xiàn)互聯(lián)電路的原位一體化制造。該制造系統(tǒng)主要由PC端控制軟件、Arduino硬件控制和增材制造機(jī)械系統(tǒng)三部分組成。PC端控制軟件對設(shè)計好的互聯(lián)電路 3D模型按照一定的厚度進(jìn)行分層切片，即將零件的三維數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成一系列的二維輪廓信息并形成打印路徑后輸送指令，傳輸?shù)紸rduino硬件控制模塊，該模塊對PC傳輸過來的指令進(jìn)行解析，然后將數(shù)據(jù)傳輸并驅(qū)動增材制造機(jī)械系統(tǒng)的各個運(yùn)行機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)工作時，首先驅(qū)動氣體保護(hù)裝置，排出工作區(qū)域的空氣；其次開啟原位加熱裝置，使制件整體具有一定的溫度，干燥并低溫輔助燒結(jié)成型電路；然后，驅(qū)動xy機(jī)械軸運(yùn)動平臺和原位燒結(jié)裝置，實現(xiàn)單層成型電路制備。一層制備完后，打印工作平臺下降一個層厚，進(jìn)行下一個單層制造過程，直至完成整個成型電路的疊層制造。該一體化制造系統(tǒng)的工作流程見圖1。

圖1 增材制造系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall scheme of additive manufacturing system

2 增材制造系統(tǒng)的硬件設(shè)計

該一體化制造系統(tǒng)在制件表面進(jìn)行成型電路制備過程中，可以根據(jù)不同的打印材料選用一體化裝置中的全部或部分模塊單元進(jìn)行打印。增材制造結(jié)構(gòu)的簡化示意見圖2。該裝置的主要工作原理是：將制件置入樣品氣體保護(hù)臺中央的原位加熱板上，保護(hù)氣體從樣品臺兩側(cè)同時通入，對打印工作區(qū)形成氣體保護(hù)。送料機(jī)構(gòu)在制件表面按照預(yù)先設(shè)定的互聯(lián)電路軌跡進(jìn)行打印制作，為了進(jìn)一步降低互聯(lián)電路的氧化，在送料機(jī)構(gòu)噴嘴周圍進(jìn)行氣體二次保護(hù)?；ヂ?lián)電路制備過程中，同時輔以原位加熱輻照光源和還原光源，對可能產(chǎn)生的氧化進(jìn)一步還原。利用激光對單層打印材料進(jìn)行燒結(jié)，能迅速使金屬熔化而粘結(jié)在一起，同時不損傷基底。

為了滿足上述互聯(lián)電路增材制造結(jié)構(gòu)和功能?；贏rduino主控開發(fā)板，設(shè)計增材制造系統(tǒng)硬件技術(shù)路線見圖 3。接通電源，Arduino主控開發(fā)板通過熱電偶檢測底板溫度是否達(dá)到，如果未達(dá)到，繼續(xù)加熱，直到加熱到預(yù)定溫度；氣體保護(hù)通過Arduino內(nèi)部定時器進(jìn)行定時，檢測保護(hù)氣體是否達(dá)到預(yù)定充氣時間（充氣時間由工作區(qū)充滿保護(hù)氣體的容量與流速時間比值來計算），如未達(dá)到，保護(hù)氣體閥門接通，繼續(xù)通氣，直到達(dá)到預(yù)定的時間；當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)定值，并且保護(hù)氣體達(dá)到預(yù)定的充氣時間時，Arduino主控開發(fā)板發(fā)送指令，開始工作打印。接受打印指令后，開始進(jìn)行打印，即原位還原模塊（還原光源）開始工作（如紫外還原燈開啟）；同時原位輔助加熱模塊開始工作（紅外光源開啟），原位激光燒結(jié)模塊（激光頭）開始工作（激光開啟），并且實時通過相應(yīng)模塊檢測制件表面溫度、光斑大小、發(fā)散角等參數(shù)，反饋到Arduino主控開發(fā)板上，進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)；當(dāng)接收到打印完成操作指令后，關(guān)閉激光燒結(jié)、原位還原和原位加熱，關(guān)閉加熱底板，關(guān)閉保護(hù)氣體，完成本次打印。

圖3 增材制造系統(tǒng)硬件工作流程Fig.3 Work flow diagram of hardware for additive manufacturing system

3 增材制造系統(tǒng)的軟件設(shè)計

增材制造系統(tǒng)軟件設(shè)計主要技術(shù)難點在于實現(xiàn)一體化自動控制。依據(jù)圖2互聯(lián)電路一體化增材制造原理以及圖3系統(tǒng)的硬件工作流程，給出增材制造系統(tǒng)軟件設(shè)計流程，如圖4所示。互聯(lián)電路一體化增材制造過程的軟件控制主要包括以下幾個步驟：① 對程序進(jìn)行初始化，開啟電源，增材制造系統(tǒng)內(nèi)部程序進(jìn)行初始化，包括一些斷電保存的參數(shù)和設(shè)置，以及硬件驅(qū)動的初始化等；② 發(fā)送起始信號，初始化完畢后，打印機(jī)會向電腦發(fā)出起始信號，通知上位機(jī)軟件開始工作；③ Arduino循環(huán)掃描串口數(shù)據(jù)處理，接收電腦發(fā)給打印機(jī)的信息，當(dāng)收到結(jié)束標(biāo)志（即結(jié)束符號）時，打印機(jī)會將之前接收到的所有信息作為一個指令句進(jìn)行分析，確認(rèn)該指令為哪一種指令后，再通過相應(yīng)指令的指定方式進(jìn)行解析。

指令包括以下4部分：① 運(yùn)動控制指令，確認(rèn)接收到的指令為該指令后，Arduino會分析指令句中的所有內(nèi)容，解析出運(yùn)動所需的x坐標(biāo)、y坐標(biāo)、z坐標(biāo)、e坐標(biāo)、f移動速度以及其他相關(guān)參數(shù)，并轉(zhuǎn)換成可供底層硬件驅(qū)動的代碼，再進(jìn)行硬件的驅(qū)動，然后回到上述技術(shù)路線中步驟3；② 原位加熱控制指令，確認(rèn)指令為溫度控制指令后，Arduino分析出與原位加熱相關(guān)的指令，并解析成加熱裝置的硬件驅(qū)動參數(shù)，實時監(jiān)測當(dāng)前狀況并進(jìn)行原位加熱，然后回到上述技術(shù)路線中步驟3；③ 原位燒結(jié)控制指令，確認(rèn)該指令后，Arduino會分析出與原位燒結(jié)相關(guān)的指令，并解析成與硬件控制相關(guān)的驅(qū)動參數(shù)，調(diào)節(jié)燒結(jié)設(shè)備（激光器），然后回到上述技術(shù)路線中步驟3；④ 保護(hù)氣控制指令，確認(rèn)該指令后，Arduino會分析出與保護(hù)氣控制有關(guān)的指令，解析成硬件控制相關(guān)驅(qū)動參數(shù)，實時控制保護(hù)氣的控制裝置，然后回到上述技術(shù)路線中步驟3。

圖4 增材制造系統(tǒng)軟件設(shè)計流程Fig.4 Work flow diagram of software for additive manufacturing system

圖5 互聯(lián)電路增材制造過程Fig.5 Additive manufacturing process of interconnect circuits

4 增材制造系統(tǒng)的測試及結(jié)論

搭建好一體化增材制造設(shè)備并完成該控制系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)后，以自制納米銅導(dǎo)電墨水和市售納米銀漿為例進(jìn)行基本測試。根據(jù)導(dǎo)電墨水固相含量的不同，選取不同的送料速度。實驗中采用的納米銅導(dǎo)電墨水固相含量為40%，送料速度控制在0.8 mm/s，熱床溫度控制在50 ℃，打印速度為10 mm/s，空行程選用20 mm/s，層高設(shè)定在0.2 mm。惰性氣體流速控制在60 mL/min，原位輻照還原光源采用波長為365 nm的紫外燈，原位燒結(jié)激光采用自帶制冷和精確控溫系統(tǒng)的激光器作為光源，調(diào)整激光光斑直徑至合適大小。一層制備完畢后，z軸下降一個層厚，繼續(xù)打印，繼續(xù)燒結(jié)還原，直至達(dá)到所需要的高度。納米銀漿增材制造過程相同，但打印速度略低。納米銅導(dǎo)電墨水/納米銀漿打印過程見圖5，打印獲得的互聯(lián)電路實物見圖6?；ミB電路的最小線寬約為1 mm，線寬均勻性好，無橋連；直角位置垂直度較好且沒有發(fā)生變形；所得電路結(jié)構(gòu)致密，未出現(xiàn)空洞等缺陷。采用自制的納米銅導(dǎo)電墨水制備納米銅互連電路，測得未經(jīng)管式爐燒結(jié)的打印態(tài)電路電阻率小于200 μ?·cm，導(dǎo)電性良好，表面帶有金屬光澤。采用市售的納米銀漿料打印納米銀互連電路，測得未經(jīng)管式爐燒結(jié)的打印態(tài)電路在膜厚小于30 μm時，方塊電阻小于5 mΩ/cm。

圖6 納米銀增材制造互聯(lián)電路實物Fig.6 A typical image of nano-Ag interconnects

5 結(jié)論

基于Arduino開發(fā)出互聯(lián)電路的一體化增材制造系統(tǒng)，完成了互聯(lián)電路增材制造的總體方案設(shè)計，并結(jié)合簡化原理示意圖闡述其制造過程，對該系統(tǒng)軟、硬件模塊的開發(fā)進(jìn)行了分析，并形成相應(yīng)的技術(shù)路線框圖。最后，通過在樣機(jī)上進(jìn)行納米金屬互聯(lián)電路的成型制作，進(jìn)一步驗證了該系統(tǒng)的可行性。該一體化制造增材制造系統(tǒng)，能實現(xiàn)復(fù)雜的互聯(lián)電路制備，且電路不需要受管式爐燒結(jié)工藝的限制，提高了制件選擇范圍的靈活性。實驗中，對于極易氧化的納米銅材料，未經(jīng)管式爐燒結(jié)的打印態(tài)電路電阻率小于200 μ?·cm。這說明將原位加熱、原位燒結(jié)、原位還原和保護(hù)氣體一體化集成設(shè)計，能從根本上解決互聯(lián)電路制作過程中的氧化問題。同時，由于采用集成一體化制備，還大大提高了效率。所得電路結(jié)構(gòu)致密，未出現(xiàn)空洞等缺陷，說明這種一體化的裝置系統(tǒng)解決了因添加還原劑所帶來的氣泡、副產(chǎn)物和殘留物等問題，提高了電路致密性和一致性，可以獲得性能優(yōu)良的電路。

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