综述：增材制造技术用于电子集成与封装

《Electronic Materials》：Additive Manufacturing Technologies for Electronic Integration and Packaging Arashdeep Singh and Ahsan Mian

　　

增材制造（AM）和基于印刷的制造技术已成为下一代电子集成与封装的有力推动者，解决了传统减材制造技术日益增长的局限性。随着电子系统持续向更高工作频率（10–110 GHz及更高）和更高功能密度（>10⁴ 互连/cm²）扩展，传统封装方法面临刚性设计约束、复杂工艺步骤（>15–25个制造步骤）、高模具成本（掩模和模具$10,000–$100,000）以及与异质集成兼容性有限的问题。本综述从电子组装与封装的角度，对主要增材制造和印刷技术（包括气溶胶喷印、喷墨打印、槽式光聚合、熔丝制造（FFF）和nScrypt打印）进行了全面且批判性的概述。系统讨论了每种技术的基本工作机制、材料兼容性、分辨率极限、可扩展性和可靠性考虑。从制造角度看，与减材PCB加工相比，AM减少了50–90%的材料浪费并消除了模具成本，使得小批量（<100个单元）的每单元制造成本降低了30–70%的低批量原型制作成为可能。生产吞吐量差异很大，从高分辨率直写系统的1–20 cm²/min到可扩展喷墨系统的>100 cm²/min。此外，还讨论了这些技术如何实现先进封装架构，如印刷信号交叉、三维互连、斜坡和嵌入式芯片组件。分析近期研究工作和报道的演示，以突出增材制造在高频、射频和系统级封装（SoP）应用中的优势与当前局限性。最后，讨论了未来方向和剩余挑战，包括材料进步、定制和按需制造、增强的设计自由度、多功能集成、成本效益和智能封装解决方案。本综述旨在为寻求利用增材制造实现高性能电子集成和下一代电子封装解决方案的研究人员和工程师提供参考。

论文主体部分总结如下：

**1. 引言**
电子系统持续向更高功能、更高工作频率和更小外形尺寸发展，对电子集成与封装技术提出了前所未有的要求。传统封装方法（如引线键合、倒装芯片互连和多层印刷电路板）受到寄生效应、刚性设计规则、复杂工艺步骤和制造成本上升的制约，尤其在毫米波（mm-wave）通信、5G及更高无线系统、电力电子和异质集成等新兴应用领域更为突出。电子封装已从被动机械外壳转变为直接影响信号完整性、功率处理、热耗散和长期可靠性的主动系统级技术。传统减材制造方法依赖掩模、蚀刻、钻孔和层压，限制了几何自由度并阻碍了快速设计迭代，且对先进三维（3D）集成策略的兼容性有限。增材制造（AM）和基于印刷的制造技术作为变革性工具出现，能够实现功能材料（包括导电、介电和结构聚合物）在平面和非平面基板上的直接、无掩模和数字控制沉积。本文讨论了五种印刷技术：气溶胶喷印、喷墨打印、槽式光聚合、熔丝制造（FFF，也称为熔融沉积建模（FDM））和基于流体分配的nScrypt打印，这些技术可实现传统方法无法达到的设计自由度。近年来，这些技术已从简单原型制作工具转变为印刷电子、系统级封装（SoP）架构、嵌入式芯片组件和智能电子封装的可行制造平台。众多研究证明了它们在制造印刷天线、射频传输线、信号交叉、三维斜坡互连以及嵌入式无源和有源组件方面的有效性。本综述的主要动机是从电子集成与封装的角度提供AM和印刷技术的全面且批判性的概述，评估不同印刷方法的操作方式、材料兼容性、分辨率极限、可扩展性、可靠性及其如何战略性地结合以实现先进封装解决方案，重点放在印刷信号交叉、三维互连、斜坡封装拓扑和芯片嵌入式组件等应用上。

**2. 印刷技术**
**2.1. 气溶胶喷印（AJP）**
气溶胶喷印是直写（DW）工艺之一，可打印多种可雾化液体墨水，如胶体墨水、纳米颗粒墨水、稀释厚膜浆料和紫外固化聚合物溶液。液体墨水首先雾化产生1–5 μm直径液滴的致密气溶胶云，使用气动雾化器（粘度20–1000 cP）或超声波雾化器（粘度1–20 cP）。颗粒直径受限于雾化器类型（气动<1 μm，超声波<0.2 μm）。载气将气溶胶输送到打印头，在打印头内第二股同轴鞘气将液滴聚焦成10–100 μm直径射流，液滴以高达100 m/s的速度从喷嘴射出。
**2.1.1. 优势与劣势**
AJP在可打印材料方面具有出色灵活性，支持宽粘度范围，可沉积基于纳米颗粒的导电、介电聚合物和功能复合材料。非接触特性允许在脆弱基板、先前制造组件和非平面表面上打印而无需机械损伤。精细分辨率和三维沉积能力使其特别适合制造垂直互连、介电斜坡和共形导电迹线。鞘气的使用减少了喷嘴堵塞并增强了工艺稳定性。然而，AJP面临吞吐量和可扩展性挑战，聚焦气溶胶射流限制了沉积速率，大面积打印耗时。设备复杂性和运营成本高于传统喷墨系统，实现一致打印质量需要仔细优化墨水墨水配方、气溶胶动力学和工艺参数。
**2.1.2. 与电子集成和封装的相关性**
AJP已广泛用于电子封装应用，包括细间距芯片间互连、印刷射频传输线、介电信号交叉和替代传统引线键合的三维斜坡结构，尤其在毫米波和射频电子中，可最大限度地减少寄生效应。
**2.2. 喷墨打印（IJP）**
喷墨打印是一种数字控制材料沉积技术，通过微米尺寸喷嘴选择性地喷射皮升量级功能墨水液滴。现代喷墨打印主要采用按需滴落（DoD）操作，通过压电致动器产生压力波喷射单个液滴。液滴形成、飞行和撞击受流体动力学、表面张力和基板润湿行为控制，通过光栅图像处理（RIP）软件、波形优化和打印头控制进行管理。颗粒最大直径受喷嘴尺寸约束（10–50 μm），需小于喷嘴直径的25%。沉积后，溶剂蒸发和后续固化或烧结将印刷图案转化为功能基板。
**2.2.1. 优势与劣势**
喷墨打印成本效益高、可扩展且兼容高通量制造。无掩模特性允许通过简单修改打印文件实现快速设计变更，适用于原型制作和定制封装解决方案。支持多层印刷，可实现再分布层、印刷天线和嵌入式无源组件。短互连长度减少了寄生电阻和电感，改善了高频封装电气性能。然而，喷墨打印对墨水性能高度敏感，需严格控制粘度、表面张力和颗粒尺寸以防止喷嘴堵塞。维护程序（如冲洗和清洁）增加材料浪费和停机时间。实现超精细分辨率（低于几微米）仍具挑战性，印刷特征可能存在厚度不均匀和咖啡环效应，降低射频性能。
**2.2.2. 与电子集成和封装的相关性**
喷墨打印广泛用于电子封装中的印刷互连、再分布层、天线和多层射频结构，与其他AM技术结合时，可实现将电气功能直接集成到结构组件中的混合封装平台。
**2.3. 槽式光聚合（Vat Polymerization）**
槽式光聚合是一类AM技术，利用紫外（UV）或可见光选择性固化液态光聚合物树脂，以逐层方式形成固体三维结构。系统分为基于扫描的立体光刻（SLA）和基于投影的数字光处理（DLP）。在SLA中，聚焦激光束逐层扫描固化树脂；在DLP中，整个层同时通过数字微镜器件（DMD）投影图案光固化。构建平台和升降机构是主要组成部分，树脂通常使用刮刀均匀分布。投影系统每层单次打印，速度更快；SLA可用于大规模打印，但分辨率、平台、光学和控制系统成本较高。
**2.3.1. 优势与劣势**
槽式光聚合提供极高的尺寸精度和光滑表面光洁度，可达亚微米粗糙度，有利于高频应用中最小化导体粗糙度引起的损耗。能够制造复杂三维几何形状（如内部空腔和精细特征），适用于空气填充基板、波导和机械集成外壳。投影系统提供高吞吐量。主要限制在于材料可用性，大多数商用光聚合物树脂热稳定性、机械强度和介电性能有限，后处理（树脂去除、清洁和UV后固化）增加时间和复杂性。传统方法不直接产生金属导电特征，但可通过功能化树脂（如多壁碳纳米管填充光聚合物或本征导电聚合物配方）实现导电结构，然而与直写技术的混合集成仍更有利。
**2.3.2. 与电子集成和封装的相关性**
槽式光聚合作为结构和介电制造平台，在电子封装中发挥关键作用，与喷墨或气溶胶喷印结合时，可实现全增材制造的结构电子，包括集成天线、射频基板和多功能封装外壳，尤其适用于毫米波和射频封装。
**2.4. 挤出式印刷**
**2.4.1. 熔丝制造（FFF）**
FFF（也称为熔融沉积建模（FDM））是一种基于挤出的AM工艺，热塑性丝材加热至玻璃化转变或熔融温度以上，通过喷嘴挤出到构建平台上。丝材存储在辊轴上，直接连接到沿X、Y方向移动的挤出头，构建平台沿Z方向移动。通常使用支撑材料和构建材料两种丝材。大多数FFF系统层厚分辨率约10–100 μm，最小XY特征尺寸受喷嘴直径约束（通常200–400 μm）。一些系统允许使用额外喷嘴同时沉积多种材料。工艺包括预处理（CAD设计、构建方向、温度、切片参数）、生产和后处理（去除支撑结构、表面处理）。
**2.4.1.1. 优势与劣势**
FFF是最易获得且成本效益最高的AM技术之一，提供多种热塑性材料，具有不同机械、热学和电学性能。多材料打印可实现结构组件与绝缘或导热材料的结合。系统坚固简单，适用于电子外壳、夹具和低成本封装基板的快速原型制作。然而，FFF分辨率较低，最小特征尺寸受喷嘴直径和挤出动力学限制，打印件通常具有高表面粗糙度和因层间结合导致的各向异性机械性能，对高频电性能产生负面影响，通常需要后处理改善表面质量。
**2.4.1.2. 与电子集成和封装的相关性**
在电子封装中，FFF主要用于结构组件，如封装外壳、夹具和低频基板。虽然不适用于细间距互连或高频电路，但在混合制造工作流中，当导电特征通过喷墨或气溶胶喷印技术打印在FFF制造结构上时，FFF变得有价值。
**2.4.2. 基于流体分配的nScrypt打印**
nScrypt打印是一种精密微分配型AM技术，采用专利SmartPump阀门系统在皮升尺度控制材料流动。与传统挤出方法不同，nScrypt系统使用位于分配孔附近的有源驱动阀门，实现材料沉积的精确启停控制。阀杆由电机驱动，在阀体通道内以0.1 μm分辨率移动，专利笔尖形状最小化通过小孔（如100 μm或更小）分配材料的压力要求。可处理高粘度和加载颗粒材料。材料在正压下从注射器或料筒进入阀室，阀门打开时通过精细喷嘴分配到基板，关闭时产生轻微反向流动，防止液滴形成和拉丝。系统支持高速打印，具有卓越的X、Y、Z方向位置精度，打印图案由CAD软件生成并通过nStudio软件转换为脚本文件。
**2.4.2.1. 优势与劣势**
nScrypt打印支持宽范围高粘度和颗粒加载材料，包括导电浆料、介电聚合物和焊料墨水。高流动控制水平可实现精细互连和三维特征制造，材料浪费最小。真正的三维打印能力使其特别适用于先进封装应用。然而，系统相对昂贵，采用率低于喷墨或FFF技术，构建体积有限，系统复杂性增加维护需求，市场采用仍在发展中，限制标准化工作流。
**2.4.2.2. 与电子集成和封装的相关性**
nScrypt打印广泛用于微电子封装，包括通孔填充、焊料分配、印刷互连、嵌入式组件和异质集成，其三维精细特征打印能力使其成为下一代电子封装的有力工具。
**2.5. 增材制造（AM）技术比较**
AJP特别适用于高分辨率导电互连、共形电路和复杂或弯曲基板上的精细特征电子集成；IJP实现可扩展、成本效益高的2D功能材料沉积，广泛用于电路图案化和柔性电子；槽式光聚合（SLA/DLP）提供高结构精度和光滑表面，适用于微流控器件、精密外壳和需要严格公差的封装组件；FFF最适合低成本和结构原型制作以及电子组件的机械外壳或支撑结构；nScrypt打印通过在同一平台内结合导电、介电和结构材料，实现真正的混合制造，支持集成电子封装、嵌入式系统和多功能器件制造。表1系统总结了这些工艺的区别性技术能力和局限性，突出其在结构制造、印刷电子和集成封装应用中的适用性。

**3. AM技术示例应用**
虽然五种AM技术各有优点，但气溶胶喷印、喷墨打印和nScrypt打印能够精确沉积导电、介电和结构材料于复杂几何形状上，支持嵌入式电子、共形迹线和多材料集成。FFF和槽式光聚合（SLA/DLP）由于分辨率或材料限制，主要用于基板制造。因此，以下讨论集中于AJP、IJP和nScrypt打印。
**3.1. 使用增材制造的印刷信号交叉**
信号交叉是高密度电子封装中的关键构建块，允许多个电信号交叉而不发生电短路，同时保持信号完整性。射频/直流（RF/DC）信号交叉需要高隔离度、低插入损耗、高直流承载能力和高射频功率处理能力。传统方法如表面贴装技术（SMT）组件或多层设计存在局限性。AJP能够精确沉积介电材料于RF-DC交叉位置，随后沉积导电材料建立与顶部信号迹线的连接。L. Clark等人使用AJP制造信号交叉结构，通过X波段高频S参数测量评估电性能，显示最小信号退化，热和功率处理测试表明交叉结构可维持功能性射频操作。S. Romaguera等人展示了使用喷墨打印的全印刷信号交叉结构，制造金属-绝缘体-金属（MIM）交叉架构，其中印刷介电层电隔离两个交叉导电银迹线，建立了基本制造框架并突出层均匀性和对准精度等挑战。F. Rasheed提出交叉感知布局和路由以最小化重叠导电迹线，增强柔性基板上的可靠性和印刷产量。A. Microwave Inc.展示了一种新颖的表面贴装方法，在传统SMT电路中实现交叉信号而不增加额外PCB层。激光增强直接打印增材制造（LE-DPAM）结合AJP和局部激光烧结，Firat等人演示了低损耗悬浮交叉互连，通过将交叉导体抬高至基板之上，电磁场主要通过空气传播，改善了插入损耗。
**3.2. 用于封装拓扑的印刷3D互连和斜坡**
三维互连和斜坡过渡是AM在电子集成中最具影响力的应用之一，尤其作为传统引线键合的替代方案。这些互连对于现代封装中多个芯片和组件在不同高度水平间的连接至关重要。部分研究显示SLA印刷的高速互连实现了低串扰结构，喷墨和AJP印刷的斜坡结构支持高达数十GHz的高频操作，适用于毫米波和射频封装。这些互连可在组装后制造，实现修复、定制和设计迭代。斜坡封装拓扑在异质集成中越来越重要，其中不同尺寸、材料和高度的芯片需在同一封装内互连。2016年引入的“斜坡”互连结构利用喷墨打印技术展示了实用封装拓扑，可后处理制造封装上组件、天线和超材料结构。Feng等人展示了使用AJP制造共形互连用于毫米波射频系统，直接沉积导电银纳米颗粒互连于射频封装三维表面，显著减少高达110 GHz的寄生电感和信号损耗。Kexin等人展示了全喷墨打印的三维斜坡互连，优化用于5G/毫米波频段（20–40 GHz）的柔性和共形电子，制造多层SU-8介电斜坡和印刷银纳米颗粒导电迹线，连接微带线与芯片焊盘。
**3.3. 提升性能的先进封装方法**
AM已成为先进电子封装和高频器件的关键技术。PCB嵌入式设计、3D芯片堆叠、金属嵌入式芯片组件（MECA）、多芯片模块（MCM）、单片微波集成电路（MMIC）和异质集成等举措推动了发展。PCB嵌入式技术通过垂直堆叠PCB层和预浸料层，在之间创建空腔容纳嵌入式器件，但存在对准和热膨胀问题。Aga等人引入基于AM的策略，将半导体芯片嵌入金属基质填充的PCB内，利用增材沉积和金属基质灌注技术，将裸芯片直接纳入电路板基板，形成单片复合结构，增强电互连密度、热管理和机械鲁棒性。Estrada等人引入金属嵌入式芯片组件（MECA）工艺，将有源射频芯片和无源组件嵌入金属接地结构，同时改善电互连质量、热耗散和设计灵活性，使用光刻定义的桥接传输线作为互连，替代引线键合，实现精确阻抗控制，显著降低寄生电感和损耗。实验表明MECA互连在宽频率范围内提供优越射频性能，通过集成GaN功率放大器验证了增益和功率附加效率的改善。Z. Shen等人研究了AM用于多芯片模块（MCM），展示如何实现精确互连、紧凑布局和改进模块集成。A. Obeidat等人关注嵌入式射频芯片封装和多芯片相控阵模块的增材电子，表明AM可简化组装流程、增强设计灵活性。A. Mohamed讨论了激光增强直接打印AM应用于W波段MMIC芯片组装，实现毫米波频率下的高精度放置和优异射频性能。嵌入式封装架构为三维堆叠集成提供了基础，改善电性能和热管理。

**4. AM在电子组装与制造中的未来**
AM预计在未来电子组装与制造中发挥越来越关键的作用，其长期影响将由材料、工艺集成、可扩展性和可靠性的进步决定。具体包括：(a) 材料进步：先进导电墨水、介电材料和混合复合材料将扩展AM在电子领域的能力，实现更高性能和可靠性，例如柔性电路和嵌入式系统。(b) 定制和按需制造：按需生产电子组件允许快速原型制作和定制，缩短开发周期并减少库存。(c) 增强设计自由度：AM允许创建传统方法难以实现的复杂几何形状和定制设计，推动轻量紧凑器件创新。(d) 多功能集成：AM将传感器、天线和电路等不同功能直接嵌入结构或器件，减少组装步骤并增强系统性能。(e) 可持续性和成本效益：通过减少材料浪费、能耗和生产步骤，AM提供更可持续和成本效益高的替代方案，可回收和生物基材料进一步强化环保潜力。(f) 智能封装解决方案：基于增材的智能封装，如斜坡拓扑和嵌入式互连，将进一步提升电子器件在特别是高频应用中的可靠性和功能性。

**5. 总结**
本文从电子集成与封装角度综述了多种AM技术，系统检查了气溶胶喷印、喷墨打印、槽式光聚合、熔丝制造和基于流体分配的nScrypt打印，突出每种技术在分辨率、材料兼容性、可扩展性和可靠性方面的独特能力与限制。这些技术共同提供了前所未有的设计自由度，并实现了传统减材方法难以或无法实现的先进封装架构。印刷信号交叉、三维互连、斜坡过渡和嵌入式芯片组件等应用展示了AM增强集成密度和支持高频操作的潜力。讨论了AM在电子组装与制造中的未来。最终，AM有望成为下一代电子封装的关键使能技术，支持紧凑、高性能和特定应用电子系统的开发。