[发明专利]一种纳米金属电路原位一体化增材制造装置

说明书

本发明公开了一种纳米金属电路原位一体化增材制造装置，该制造装置采用模块化设计，将纳米金属的增材送料模块、原位加热、原位激光烧结、原位辐照还原、气体保护进行高度集成并协同控制。不仅能实现二维平面电路制备，还可以实现具有复杂曲面曲率以及曲率变化的三维电路制备。本发明将纳米金属电路的成型、原位还原、原位烧结进行一体化制备，解决了纳米金属氧化问题，提高了效率，制件形状和尺寸也无须受烧结炉的限制，扩大了增材制造方法的适用范围，改善了传统纳米金属电路制备过程中纳米金属颗粒分布不匀或者烧结后残留孔隙问题，提高了电路致密性和一致性，最终获得性能优良的电路。

技术领域

本发明属于印刷电子技术领域，主要涉及一种纳米金属电路原位一体化增材制造装置。

背景技术

在电子工业中金属布线或者电子线路制造至关重要。传统印制电路中，多采用光刻技术。该技术作为一种“减材”制造技术，存在环境污染、浪费原料、工序多、效率和成品率低等问题。对于复杂的电子线路尤其是三维电路的制造，该技术具有一定的局限性。增材制造技术作为一种新型制造技术，可以有效地解决上述问题。作为增材制造重要材料之一的纳米金属材料特别是纳米金属导电墨水/浆料，近几年也得到了学者们的广泛关注和研究。随着纳米金属导电墨水/浆料制备技术的逐渐成熟，利用其进行电子线路制备的方法主要包括以下几种：

1）喷墨印刷作为一种非接触式印刷，与其他印刷技术比较，工艺有所简化；2）轻敲式电子打印，该方法的工作原理与圆珠笔类似，主要利用打印头的球珠与基底摩擦驱使球珠转动，使笔筒内的液态金属墨水流出，实现电路的直写【Zheng Y, He Z Z, Yang J, LiuJ. Personal electronics printing viatapping mode composite liquid metal inkdelivery and adhesion mechanism[J]. Scientific Reports, 2014, 4: 4588】。该方法对导电墨水颗粒要求极其严格甚至需要采用无颗粒型导电墨水，材料使用具有一定局限性。此外，还有雾化喷墨式液态金属打印法【 Zhang Q, Gao Y X, Liu J. Atomizedspraying of liquid metal droplets on desired substrate surfaces as ageneralized way for ubiquitous printed electronics[J]. Applied Physics A,2013,113(4): 17】、微接触式液态金属打印法【Tabatabai A, Fassler A, Usak C,Majidi C.Liquid phase gallium indium alloy electronics with microcontactprinting[J]. Langmuir, 2013, 29(20):6194-6200】等。

这些打印技术往往都是先制备电子线路，然后进行烧结。制备烧结过程中纳米金属，尤其是纳米铜等材料存在易氧化问题。为了解决这个问题，一些研究机构在易氧化的纳米铜导电墨水或浆料配置和使用过程中加一些还原剂如水合肼做保护，制备过程中不可避免会产生气泡、副产物和残留物，致使最终获得的电路出现孔隙，致密性、一致性受到影响。另一种解决方案则是在烧结过程中采用可以进行惰性气体保护的烧结炉进行烧结。制备时间长，效率低，且烧结制件尺寸大小还要受到烧结炉尺寸的限制。除了上述问题外，很多电子线路打印本质上仍属于二维平面打印，不能满足在复杂三维曲面上自由设计和制造电子线路的需求。因此，需要一种新的机制创新来实现纳米金属导电墨水或浆料进行三维电路的一体化制造。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种纳米金属电路原位制备的增材制造装置，该装置可以结合三维机械运动平台技术或者机械臂运动，实现纳米金属导电墨水在制件表面（平面或者三维曲面）的电子线路增材制造，通过原位成型、原位还原和原位烧结的一体化制备，获得致密性、一致性性能优良的电子线路。

为了实现上述技术目标，本发明采用以下技术方案：