华中科技大学团队：一种疏水涂层辅助混合增材制造的高精度PEEK基三维电子
三维共形电子能够将功能电路集成到三维实体表面或内部，具有重量轻、集成度高、体积小等优点，是未来电子产品的主要发展趋势，在航空航天、智能家居及无线通信等领域均有广泛应用前景。然而，传统的电路（IC和PCB）制造技术多为基于镀膜蚀刻的减成技术，自由度低，不适用于三维曲面衬底表面的电路制备，因此亟需发展高效高质量的三维共形电子器件制造新方法。
增材制造技术作为一种高柔性的智能制造手段，有望成为下一代三维电子的主流制造技术之一。近期，华中科技大学武汉光电国家研究中心的吴烈鑫博士生、孟丽博士后、王月月博士生、吕铭博士后、欧阳韬源博士后、王怡霖硕士生和曾晓雁教授在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《一种疏水涂层辅助混合增材制造的高精度PEEK基三维电子》的论文，提出将激光活化金属化技术和熔融沉积成型介质3D打印技术结合，用于PEEK基三维共形电子的复合增材制造。研究发现熔融成型基板的打印纹理和孔隙会导致化学镀层沉积精度下降，针对该问题，提出了疏水涂层辅助激光活化的方法，即利用疏水涂层封孔结合激光选择性刻蚀实现了打印PEEK基板表面的亲/疏水性调控，提升了前驱体溶液的浸润选择性，最终将沉积的铜线分辨率提升至60μm。
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亮点
- 提出了基于熔融沉积成型和激光活化金属化的复合增材制造技术，实现了PEEK基三维电子的一体化制造;
- 揭示了影响熔融沉积PEEK基板表面镀层沉积行为的主要因素;
- 提出了疏水涂层辅助激光活化的方法来提升导线沉积精度;
- 提升了沉积导线分辨率，最细线宽达60 μm，线精度不受基板表面质量影响。
图1 熔融沉积成型-疏水涂层辅助激光活化金属化复合增材制造技术示意图：（a）涂覆疏水涂层涂覆；（b）激光刻蚀；（c）PdCl2浸润；（d）激光活化；（e）活性籽晶；（f）超声清洗；（g）化学镀铜；（h）去除疏水涂层。
研究背景
飞行器表面复杂的服役环境与装载平台对机载、弹载电子组件提出许多限制要求，通常需要电子器件具备优异的耐高温耐腐蚀性、稳定的机械性能、高的结构压缩比、较轻的重量，且不破坏载体的外形结构及空气动力学特性。然而，传统平面结构电子存在功耗大、占用空间大、与载体兼容性差等主要问题，影响飞行器工作效能。因此，三维共形电子应运而生，其与载体的共形化能有效减小雷达散射截面积，提高飞行器隐身性能；其高功能密度的特点则能有效减小工作电路的体积和重量，进而减小平台的负载和阻尼，提升飞行器灵活性、准确性和可靠性，因此是未来机载及弹载电子组件的一个发展趋势。共形电子的制造离不开三维电子的一体化成型技术，激光活化金属化作为一种理想的电路增材制造技术，具有高柔性、低成本的特性，因此基于激光活化金属化技术开展曲面三维电路一体化成型技术的研究具有极高的应用价值。在本文中，曾晓雁教授等将激光活化金属化技术与熔融沉积成型介质3D打印技术结合，成功实现了PEEK基三维电路的一体化制造。
研究进展
首先，为了尽可能获得高致密度、低粗糙度的PEEK介质基体，重点研究了打印填充间距和后处理工艺对于熔融沉积成型PEEK基体致密度及表面粗糙度的影响规律，在此基础上得到了优化后的PEEK打印参数，如图2所示。
图2 不同工艺参数下的熔融沉积成型PEEK性能：（a）致密度；（b）表面粗糙度。
其次，系统研究了飞秒激光对PEEK及PdCl2前驱体的作用机理，筛选得到使改性区域既具有高催化活性，又具有高表面积、高极性微观形貌的激光工艺参数，从而能够触发化学镀得到均匀致密且结合强度可靠的铜层，如图3所示。
图3 不同激光参数改性样品的镀铜形貌：（a）0.78 J/cm2；（b）2.49 J/cm2；（c）12.35 J/cm2；（d）3M胶带测试前；（e）3M胶带测试后。
然后，探索了熔融沉积成型PEEK基体表面的铜层“溢镀”机理。熔融沉积成型的PEEK基板表面存在打印纹理和孔隙，其在增材制造成型构件中均无法完全避免，使得PdCl2前驱体在表面铺展时，极易渗入孔隙/搭接纹理内，且在清洗过程中很难被完全去除，最终导致金属层沉积精度下降，如图4所示。
图4 不同基板表面的铜层沉积形貌：（a）熔融沉积成型PEEK；（b）熔融沉积成型PEEK+机械打磨；（c）注塑成型PEEK。
针对上述问题，本文提出疏水涂层辅助激光活化的新方法，提升了PdCl2前驱体溶液在基板表面的浸润选择性，避免了活化液流入孔隙导致的“溢镀”问题，最终将铜线精度提升至60 μm，如图5所示。
图5 通过疏水涂层辅助激光活化金属化制备的铜层：（a铜层边缘；（b）截面形貌；（c, d）60μm铜线。
最后，采用FDM成型和疏水涂层辅助激光活化金属化的复合增材制造方法制备了各种三维共形电子，如图6所示。
图6 三维共形电路：（a, b）半球样；（c, d）斜面样；（e, f）跨面样；（g, h）嵌入样。
未来展望
激光活化金属化技术兼具高柔性、低成本和高界面结合的优势，是共形电路制造的理想工艺，将其与高自由度的熔融沉积成型介质3D打印技术融合，为三维电子器件的一体化制造提供了一种可行性方法。另外，由于化学镀液的随形制造优势，该复合增材制造技术在多层异质材料叠层制造、孔内金属化及高密度多层互联领域同样具有广阔前景。同时，相关技术的发展可以帮助面向未来应用的电路结构设计不再受制于现有的工艺制造水平，助力各平台电路功能的跨越性发展和颠覆性创新。
论文引用信息：
Wu L X, Meng L, Wang Y Y, Lv M, Ouyang T Y, Wang Y L, Zeng X Y. 2023. Fabrication of polyetheretherketone (PEEK)-based 3D electronics with fine resolution by a hydrophobic treatment assisted hybrid additive manufacturing method. Int. J. Extrem. Manuf. 5 035003.
https://doi.org/10.1088/2631-7990/acd826
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