用于不规则基底上混合电子器件三维组装的全印刷多层柔性结构

《Advanced Electronic Materials》：Fully Printed Multilayer Flexible Structure for 3D Assembly on Irregular Substrates for Hybrid Electronics

　　

本研究开发了一种用于三维不规则表面三维组装的功能性多层结构。顺应性柔性器件采用压电喷墨（Piezojet）打印、螺杆式油墨点胶及刮刀涂覆技术，在可拉伸的热塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane, TPU）薄膜上进行印刷。银片油墨（CI-1036）用作导电材料，丙烯酸基介电油墨（DI-7542）用作导电层之间的绝缘材料。研究人员提出了两种实现多层堆叠的方法：选择性涂覆法，即在层间连接点处点胶介电油墨；以及刮刀涂覆法，即将介电材料均匀分布于目标区域。电学绝缘仅通过刮刀涂覆法实现，其介电湿膜厚度为50至100 μm。多层样品采用热床层压技术在印刷电路板（Printed Circuit Board, PCB）上进行三维组装。样品在120°C的工艺温度下实现了表面适应性，同时保持电学功能性。本工作的创新性在于开发了一种增材制造全印刷多层器件的集成工艺，该器件成功层压于具有不规则表面轮廓的刚性三维结构上，同时保持电学绝缘与功能性，为功能扩展与混合电子器件发展提供了机遇。

## 一、研究背景与意义

柔性电子技术与传统刚性PCB的集成是现代混合电子系统的核心发展方向，该技术将刚性PCB的机械可靠性与高密度互连优势，同柔性电子的可共形贴合特性及新型功能相结合。随着可穿戴设备、大面积传感器及先进封装解决方案需求的不断增长，柔性与可靠性兼备的电子设备已成为重要研究方向。然而，尽管柔性与刚性电子的独立制造工艺已较为成熟，二者的系统集成仍面临挑战：刚性材料固有的不可弯曲性限制了其在减重和柔性化场景中的应用需求；材料属性的差异导致刚柔过渡区域出现机械不连续性；热学性能的不匹配进一步加剧了多材料集成的复杂性。此外，传统PCB系统的功能扩展能力有限，升级通常需要重新设计封装和制造新单元。这些局限性促使研究人员探索新型结构设计，开发利用柔性功能材料的制造方法，以及改进柔性基底和可拉伸导电油墨等关键材料。

针对电子器件在非平面表面的集成难题，研究人员已提出多种制造策略，包括转印、直写、曲面光刻和三维组装技术等。转印技术仅适用于曲面且依赖供体与受体基底间的粘附力；直写和曲面光刻难以适应高度不规则的表面轮廓，且在曲率过大区域可能出现图案质量下降。相比之下，基于三维组装的共形涂覆技术可通过热、机械或其他外部刺激将柔性二维器件附着于三维结构表面，且能利用平面印刷技术进行器件制造，具有显著优势。在增材制造领域，多材料点胶技术已展现出解决多层结构层间互联等挑战的能力，而计算机数控（Computer Numerical Controlled, CNC）平台的出现则实现了精确的材料定位和高度可定制的设计。

本研究发表于《Advanced Electronic Materials》，聚焦于开发一种薄型多层结构，通过增材制造技术实现其在不规则表面轮廓上的共形柔性应用。该工作区别于以往主要关注平面柔性电子或单层集成的研究，其创新性在于实现了全印刷薄型多层电子结构的制造及其向刚性PCB的层压集成，同时保持电学隔离与功能完整性，为混合电子系统的功能扩展提供了重要技术路径。

## 二、关键技术方法

本研究采用的核心技术方法包括：（1）基于压电喷墨模块的导电银油墨沉积技术；（2）螺杆式点胶头介电油墨选择性涂覆技术；（3）结合聚酰亚胺掩模的自动刮刀涂覆技术；（4）UV/臭氧固化处理技术；（5）热床层压技术，层压参数为35 psi（241.3 kPa）、保温5 min，温度梯度设置为100°C、110°C和120°C；（6）扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）及能谱分析（Energy-Dispersive Spectrometer, EDS）技术；（7）基于数字万用表的四探针电阻测量技术。样品基底采用Covestro公司LPT5302 MR7X型号的TPU薄膜。

## 三、研究结果

### 3.1 多层印刷工艺

研究人员首先对单层印刷质量进行分析。导电银油墨打印的30 mm直径圆形测试图案呈现均匀连续的覆盖，但存在由喷嘴运动轨迹导致的油墨堆积线；蛇形线图案打印连续且无显著畸变。介电油墨打印的圆形图案则出现多处空洞，蛇形线图案存在局部油墨堆积，线宽度变异系数高达264.3 μm，表明该油墨的均匀沉积较为困难。通过触针式轮廓仪测量，圆形样品中银油墨厚度为35.95 ± 2.50 μm，介电油墨为14.11 ± 8.62 μm；蛇形线图案中二者厚度分别为15.99 ± 1.21 μm和18.59 ± 7.88 μm。

多层结构初始采用选择性涂覆法，即在导电层交叉点处点胶介电材料，但电学测试显示层间存在短路，表明介电覆盖不完全。研究人员转而采用刮刀涂覆法结合聚酰亚胺掩模进行介电层沉积。实验表明，湿膜厚度在50–100 μm范围内可实现电学绝缘；低于50 μm无法保证绝缘，超过100 μm则导致上层导电层不连续。20个样品的工艺良率测试显示，选择性涂覆法良率仅为15%，而刮刀涂覆法达到75%，提升达五倍，证明了均匀介电沉积对电学隔离的关键作用。刮刀涂覆法样品的电阻率保持在较窄范围内。

### 3.2 层压工艺

采用刮刀涂覆法制备的样品被层压至Raspberry Pico PCB上以评估共形适应性。温度选择需兼顾多方因素：PCB元器件可靠性在125°C以上下降；TPU软化范围为165°C–195°C；介电油墨闪点约为160°C。研究人员在100°C、110°C和120°C三个温度点进行测试。

100°C层压导致微控制器拐角处介电材料破裂；110°C时介电成形性改善，但外层导电层出现不连续；两个温度下均存在最大间隙区域（如微控制器下方）的轻微变形，TPU与PCB间粘附最小。120°C层压实现了最佳轮廓适配，保持电学绝缘与功能完整性。随着层压温度接近TPU软化范围，表面接触增加，粘附性改善。介电层及上层导电层在100°C–120°C间表现出玻璃化转变温度（Glass Transition Temperature, T_g）特征，表明多层堆叠的T_g起始值位于该区间。失效分析显示，破裂始于介电层，由层压过程中的弯曲应力及表面轮廓间隙导致，应变集中于多层结构的内层。10个样品的层压工艺良率为70%，30%的失效由脱层引起。SEM横截面图像显示，层压后导电银片倾向于沿水平面排列；在变形区域，上层导电片出现轻微位移，源于层压机械张力及表面高度差。

EDS分析未发现显著的银向介电层迁移现象，验证了热机械应力后电学隔离的稳健性。实验观察表明，层压样品在元器件与板面高度差形成的间隙处，倾向于形成约45°的弯曲曲率。

### 3.3 混合电子中共形柔性器件的多层结构性能

电学表征显示，单层蛇形线与多层结构第一层导电层的方阻值相当，表明介电层沉积对下层导电迹线影响甚微。第二层导电层方阻显著增加，归因于介电层表面粗糙度和厚度差异导致的银片排列不利。层压后第一层电阻变化微小，第二层电阻降低约37%，与既往研究中层压降低银油墨结构电阻率的发现一致。该效应源于油墨中聚合物基体的塑性变形，以及热机械应力下银片的增强排列与致密堆积，与SEM形貌观察相符。

具体而言，单层蛇形线方阻为31 ± 3 mΩ/sq，电阻率为78.1 ± 7.5 μΩ·cm；多层第一层方阻25 ± 2 mΩ/sq，电阻率65.4 ± 6.7 μΩ·cm；多层第二层方阻53 ± 15 mΩ/sq，电阻率129.6 ± 38.5 μΩ·cm；层压后第一层方阻24 ± 4 mΩ/sq，电阻率62.0 ± 10.3 μΩ·cm；层压后第二层方阻33 ± 3 mΩ/sq，电阻率83.9 ± 8.2 μΩ·cm。实测值高于CI-1036理论值25.4 μΩ·cm，归因于银片排列不完美、孔隙率及打印层厚变化。

介电性能初步表征显示，绝缘电阻随输入电压增加而增大，最大值达100 GΩ（10¹⁰ Ω）量级；泄漏电流为100 pA（10^?11 A）量级，确认了绝缘层性能。

## 四、讨论与结论

研究人员认为，刚柔电子集成强烈依赖于材料属性、打印设计和工艺参数，与既往文献中图案设计重要性的结论相呼应。热塑性材料对复杂表面轮廓的适应性挑战亦在文献中有所报道。本工艺对多层柔性电子，特别是混合电子系统中的功能扩展和传感器集成，展现出显著潜力。

研究结论表明：本工作成功演示了通过热层压工艺将全印刷柔性多层器件集成至不规则三维表面的制造流程。刮刀涂覆法介电湿膜厚度50–100 μm可实现75%的工艺良率；120°C以上层压温度可获得最佳共形效果，介电T_g介于100°C–120°C之间；层压后第二层导电电阻降低37%。该工艺为柔性功能层与传统刚性元器件的集成，以及现有全刚性电子系统的功能扩展实施提供了技术基础。