多层增材制造电子器件的设计准则：通过FFF打印部件中原位嵌入各向同性导电胶

《Materials & Design》：Design guidelines for multi-layer additively manufactured electronics via in-situ embedding of isotropic conductive adhesive in FFF printed parts

　　

ICA导体路径通过熔融热塑性塑料的热量原位固化。推导了多层打印电子器件的几何设计准则。通过线性回归量化了压接接触的接触电阻。多层平面电感器展示了与近场通信（NFC）应用的兼容性。

**论文解读：多层增材制造电子器件的设计准则——基于FFF打印中原位嵌入各向同性导电胶**

**研究背景与问题**
传统电子制造中，基板、导体和元件需分别制造后组装，而增材制造（AM）技术通过一次性打印介电与导电材料，可实现结构功能一体化。当前多功能材料增材制造电子（AME）系统（如nScrypt、Nano Dimensions等）依赖金属纳米颗粒（NP）墨水，需额外烧结步骤，设备成本高达30万至200万美元。基于熔融沉积成型（FFF）的方法虽成本低、操作简单，但导电复合丝材电导率远低于NP墨水。现有研究将FFF与直写成型（DIW）结合，但仍需单独热后处理（如烧结、固化），且缺乏系统性几何与工艺限制表征。为简化流程，研究人员提出利用FFF打印中熔融热塑性塑料的热量原位固化各向同性导电胶（ICA）的方法，但尚未系统评估其工艺极限。因此，本研究旨在通过实验解决三个关键应用问题：导体路径距热床的最小距离、可靠电气接触（外部接触与层间互连）的实现，以及二维几何特征（拐角与曲线）的可打印性，并最终制定设计准则，验证多层平面电感器的实用性。

**主要关键技术方法**
研究采用定制化E3D ToolChanger打印机，结合双FFF打印头（用于聚碳酸酯（PC）主体与固化丝材沉积）与ICA分配工具。ICA材料为LOCTITE^? ABLESTIK 2030SC（含银颗粒的丙烯酸树脂），主体为白色PolyMax? PC，透明PolyLite? PC用于光学评估。通过G代码控制分配与嵌入过程，利用四探针法测量电阻，数字显微镜观察截面形貌。接触电阻通过基于传输线法（TLM）的线性回归间接测定，并采用红外热成像测量温度分布。

**研究结果**
**1. 热床间隙**
通过改变导体路径距热床距离（1–30 mm）测量电导率与截面形貌，发现≥3 mm时电导率无明显差异（7.68–8.00×10⁵ S/m），但2 mm和1 mm处电导率降至6.31和6.56×10⁵ S/m。显微镜显示，≤2 mm时固化丝材无法穿透ICA，因通道温度升高（73–79°C）导致ICA提前固化。推荐最小距离10 mm（通道温度52°C），以确保对称截面且无空洞。

**2. 电气接触与互连**
对0.3、0.4、0.5 mm三种钻孔直径进行压接接触实验，通过线性回归提取接触电阻。0.3 mm直径导致接触电阻高且不稳定（均方根误差RMSE=75.6 mΩ），0.4 mm次之（RMSE=13.9 mΩ），0.5 mm最优（外部接触电阻68.2 mΩ，垂直互连143 mΩ）。显微镜下，0.5 mm钻孔的导体路径保持完整，仅边缘剪切。推荐0.5 mm作为设计准则，该方案在总电阻数百毫欧的背景下视为适用。

**3. 二维几何：拐角与曲线**
评估45°、90°、135°拐角及1、2、3 mm曲线半径，结果表明：45°和90°拐角无缺陷，135°拐角因FFF喷嘴圆角导致固化丝材未完全覆盖导体路径；曲线半径实际值与目标值偏差≤0.05 mm，且电阻均与直导路径预期值（693 mΩ）一致。推荐拐角≤90°以确保完全封装，曲线半径可小至1 mm。

**4. 打印多层电感器**
基于上述准则，制造两个8匝双层螺旋电感器（总路径长542 mm，外径35 mm，厚度1.8 mm）。预期总电阻6.539 Ω，实测值6.720 Ω和6.420 Ω，均在误差范围内。电感量1.35 μH，配合100 pF电容构成LC谐振电路（谐振频率13.70 MHz），实现近场通信（NFC）应用，无接触能量传输距离达8 mm。

**总结与讨论**
研究通过系统实验验证了原位嵌入ICA的FFF打印工艺的实用性，推导出四项设计准则：距热床≥10 mm（床温90°C）、0.5 mm钻孔压接、拐角≤90°、曲线半径≥1 mm。成功打印的多层电感器证明了与NFC应用的兼容性。**研究结论**：本研究通过一系列实验评估了新型原位制造工艺在3D打印电子中的实际应用性，推导出以下设计准则，确保功能性导电结构的一致性制造：①在床温90°C下，建议导体路径距热床最小距离10 mm，对应通道温度≤52°C；②外部接触与层间互连通过预钻0.5 mm孔并手动压接引脚实现；③建议拐角≤90°以确保导体路径完全封装；④曲线半径可小至1 mm，且对导电质量或电阻无显著影响。这些准则的整合成功打印出两个作为耦合LC电路工作的多层电感器，展示了与NFC应用的兼容性。研究结果推进了将导体路径集成到FFF打印部件中的简单、低成本方法的实际实施。所推导的设计准则针对所研究材料和打印平台，需进一步验证其可迁移性。未来应研究打印结构在相关工况下的机械与电气负载能力，以及特定应用（如天线、传感器）的适用性。