[发明专利]用于在3D结构、结构组件以及具有3D结构的电子、电磁和机电组件/设备中连接层间导体和组件的方法和系统

说明书

本发明提供的是通过在三维结构、三维结构组件或具有三维结构的电子、电磁或机电组件/设备中使用丝线来构建层间机械或电子附着或连接的系统和方法。

技术领域

本发明一般涉及制造3D结构以及具有3D结构的电子、电磁和机电组件及设备，并且具体地涉及的是用于连接三维结构、结构组件和具有三维结构的电子、电磁和机电组件/设备中的层间导体和组件的方法和系统。

背景技术

在不对本发明的范围构成限制的情况下，本发明的背景技术是结合用于制造3D物体、结构和具有3D结构的电子、电磁和电子组件和设备的方法而被描述的。

增材制造在3D电子设备方面的应用仍旧处于发展初期。其大规模的采用因为基于低温固化的导电墨水的当前技术的可靠性低、性能差以及成本高而受到限制。[16]结果，传统的印刷电路板(PCB)技术在电子产业中继续处于主导地位。在全世界各地实际只有少量的研究人员在对3D电子设备进行改进，并且大多数的研究人员都致力于导电墨水技术。其中一个例外是模塑互连设备(MID)，所述MID包括一个注塑成型件，并且该注塑成型件被暴露于名为激光直接成型(LDS)的选择性激光蚀刻过程以及后续的无电式电镀处理。这些设备展现出了某种3D自由度，并且已被广泛应用于汽车和个人通信市场；然而，与本发明相比，由于源于电镀过程的导电迹线被限制于易受激光影响的模制件外表面上，并且由此无法展示本发明的嵌入多层性能，因此，此类设备在应用方面受到了限制。此外，这些无电式电镀处理提供的所制造的导线的截面面积有限，由此限制了高电流应用。

因此，在使用增材制造(AM)处理(此类处理是在ASTM 2792-12a中描述和定义的)创建具有3D结构的电子设备的方面，迄今为止所做的工作集中于使用在直接打印(DP)(也被称为直接写入(DW))或其他处理中分配的导电墨水，以便在组件之间提供电互连。分别于2010年2月和2012年8月发布的美国专利7,658,603和8,252,223描述了通过将液体点胶技术与立体光刻和其他AM处理相集成来创建3D电路的细节。这些低温固化墨水在导电性和持续性方面存在缺点[17]，而这会导致使用AM制造的具有3D结构的电子设备仅限于被应用在不会遭受机械冲击、振动、强电流或功率密度、极端温度或是可靠性需求很高的应用的简单设备上。

2003年9月发布的美国专利6,626,364描述了一种通过使用运动控制系统上安装的超声变幅杆以及使用一种通过该变幅杆来将天线用线提供给工作表面的机制而将天线用线快速嵌入薄热塑智能卡的方法。该天线是以超声波的方式嵌入平整光滑的固态塑料片的。

然而，在制造内嵌了电子设备、传感器和致动器的几何结构错综复杂的3D结构的过程中，有必要具有用于在热塑设备中嵌入丝线(例如电线、丝网等等)的方法和系统。此外还需要改进如Ahn等人[18]所述的用AM制造的3D零件的机械性能，其中对于用丙烯腈·丁二烯·苯乙烯(ABS)构成并用熔融沉积成型(FDM)这种众所周知的材料挤压AM处理制造的测试零件来说，其极限抗拉强度约为同材料的模具注塑件(26MPa的UTS)的10-73％。用AM制造的零件与注塑成型件之间的这种差距会将所传递的拉伸性能扩大至包含冲击、弯曲、压缩、蠕变和疲劳性能，并且这些性能共同将使用AM制造的零件限制成应用于原型。

发明内容

本发明提供的是用于在制造几何结构错综复杂的3D结构、结构组件或是内嵌了电子设备、传感器和致动器的结构的过程中将丝线(例如电线，丝网等等)嵌入热塑衬底的系统和方法。此外，该丝线可被嵌入到热塑设备的多个层中。本发明提供了导电性和耐久度能与传统的印刷电路板(PCB)技术相比拟的电互连。