制造先进电子产品三维电路的新技术
与传统的平面印刷电路板不同，3D 电路可以垂直堆叠和集成组件，从而大大减少了设备所需的占用空间。新加坡国立大学 (NUS) 的研究人员团队在 3D 印刷电路领域取得进展，开发出一种最先进的技术，称为张力驱动 CHARM3D，用于制造三维 (3D) 自修复电子电路。这项新技术可以 3D 打印独立金属结构，无需支撑材料和外部压力。
由新加坡国立大学设计与工程学院材料科学与工程系副教授 Benjamin Tee 领导的研究团队使用 Field 的金属展示了 CHARM3D 如何制造各种电子产品，从而可以在可穿戴传感器、无线通信系统和电磁超材料等设备中实现更紧凑的设计。
例如，在医疗保健领域，CHARM3D 促进了非接触式生命体征监测设备的开发，提高了患者的舒适度，同时实现了连续监测。在信号传感方面，它优化了 3D 天线的性能，从而改善了通信系统，提高了医学成像的准确性，并增强了安全应用。
该团队的研究成果于 2024 年 7 月 25 日发表在《自然电子》杂志上。Tee副教授是该研究论文的通讯作者。
图片来源：新加坡国立大学
更简化的 3D 电路制造方法
3D 电子电路日益成为现代电子产品的基础，从电池技术到机器人技术再到传感器，增强了其功能，同时实现了进一步的小型化。例如，3D 架构具有较大的有效表面积，可提高电池容量并增强传感器灵敏度。
直接墨水书写 (DIW) 是一种很有前途的 3D 打印技术，目前用于制造 3D 电路，但它也存在重大缺陷。关键在于它使用复合墨水，这种墨水的电导率低，需要支撑材料来帮助打印后固化。这些墨水也太粘稠，限制了打印速度。
菲尔德金属是一种由铟、铋和锡组成的共晶合金。共晶合金在低于其组成金属熔点的单一温度下熔化和凝固，为 3D 打印提供了一种颇具吸引力的替代材料。菲尔德金属的熔点低至 62°C，具有高电导率和低毒性，与复合油墨不同，它凝固速度快，这一关键特性使打印过程能够避免使用支撑材料和外部压力。
CHARM3D 技术利用 Field 金属的低熔点，充分利用喷嘴中熔融金属与打印部件前缘之间的张力，最终形成均匀、光滑的微丝结构，宽度可调，为 100 至 300 微米，大约相当于一至三根人类头发的宽度。至关重要的是，CHARM3D 中也没有压力驱动 DIW 特有的珠状和不平整表面等现象。
与传统的 DIW 相比，CHARM3D 的打印速度更快，高达每秒 100 毫米，分辨率更高，从而在电路制造中提供更高的细节和准确性。CHARM3D 省去了后处理步骤，可以制造复杂的独立 3D 结构，例如垂直字母、立方体框架和可扩展螺旋。此外，这些 3D 架构具有出色的结构保持力和自修复能力，这意味着它们可以自动从机械损坏中恢复，并且可以回收利用。
Tee 副教授表示：“CHARM3D 提供了一种更快、更简单的 3D 金属打印方法，作为先进电子电路制造的解决方案，为工业规模生产和复杂 3D电子电路的广泛应用带来了巨大的希望。”
科学家们应用 CHARM3D 技术设计和制造了可穿戴无电池温度传感器系统的 3D 电路，如图所示，该系统佩戴在人手上。这证明了创新的 CHARM3D 技术在医疗保健领域实现广泛应用的巨大潜力。图片来源：新加坡国立大学
深远的应用
研究人员成功打印了用于可穿戴无电池温度传感器的 3D 电路、用于无线生命体征监测的天线和用于电磁波操纵的超材料——捕捉了 CHARM3D 实现的应用多样性。
传统的医院设备（如心电图仪和脉搏血氧仪）需要皮肤接触，这可能会导致不适和感染风险。通过 CHARM3D，非接触式传感器可以集成到智能服装和天线中，在医院、辅助生活设施或家庭环境中提供持续、准确的健康监测。
此外，通过 CHARM3D 制造的 3D 天线阵列或电磁超材料传感器可以优化信号传感和处理应用。这可以提高信噪比和带宽。该技术开辟了创建用于定向通信的专用天线的可能性，从而实现更准确的医学成像，例如用于早期肿瘤检测的微波乳房成像，以及高级安全应用，例如检测隐藏的设备或发射特定电磁信号的违禁品。
此项研究的其他合作者包括美国科学技术研究局高性能计算研究所的刘庄健博士和北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程系的迈克尔·迪基教授。
下一步
研究团队设想，这项技术可以扩展到其他类型的金属和结构应用。该团队还在寻找机会将这种独特的金属打印方法商业化。
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