液态金属打印电路的精度分析

印制电路的精度是印刷电子技术中的一项重要参数。虽然利用该液态金属打印机能顺利在PVC柔性基底上制造相关电子结构，但还需进一步分析所印制的液态金属电路的相关精度，并研究不同的设定压力、打印速度对液态金属印刷电路精度及质量的影响［10］。当前主要的印刷电子技术的性能参数如表7.1所示，其打印精度均在100 μm以内，而应用最广泛的喷墨打印技术的打印速度相对较慢，为1～100 m/min。

图7.2　利用所研发的液态金属打印机打印的中英文字［10］

图7.3　液态金属打印机快速印制的各种电路图［10］

a.电路打印过程；b.RFID天线电路；c.电子芯片结构；d.柔性集成电路板；e.电路板可弯曲；f.圣诞树形状的电子贺卡电路。

图7.4　使用液态金属打印机快速打印的液态金属人像结构［10］

图7.5　利用液态金属打印机制作的各种艺术风景电路结构［10］

虽然该液态金属打印机的速度可设定为0～400 mm/s，压力可设定为0～800 g。但研究发现当速度过快时（大于200 mm/s），打印机打印的液态金属电子结构的印刷质量会受到较大影响。此外，打印精度与印刷速度、印刷压力也有一定关系，在不同的设定压力、打印速度条件下，利用扫描电子显微镜（SEM）分析了相应的印刷液态金属电路线宽［10］，如图7.6所示。图7.6a为打印压力设定为90（对应282 g）时，印刷液态金属电路精度与打印速度的关系。从图中可以看出，随着打印速度的加快，液态金属电路线宽逐步减小。但是对于该接触式打印技术来说，速度过快会对印刷质量产生较大影响，即液态金属油墨没有足够的时间润湿转印在PVC柔性打印基底上。从图7.6b可以看出，随着打印压力的增加，印刷电路线宽略微增加，经研究发现其对打印质量无较大影响。图内插入的是速度、压力分别设定为30、90以及10、60时液态金属导线的SEM图，从中可以看出液态金属导线均有较好的均匀性。因此，为保证打印质量，推荐的打印速度范围为0～200 mm/s，对压力则无特别要求，只要不对柔性基底带来损坏即可。(www.xing528.com)

表7.1　当前主要打印技术的参数比较［20］

图7.6　电路宽度影响因素［10］

a.电路宽度与设定打印速度之间的关系；b.电路宽度与压力之间的关系。内置SEM图为相应打印速度、压力印刷条件下液态金属电路扫描电镜图。

印刷电子技术除了对印刷电路的打印精度有相关要求之外，对其空间精度即所能印制的导电线路间的距离也有一定要求。由于液态金属具有较大的表面张力，线与线之间间隔过小会黏合在一块，因此考虑到机器本身的打印精度，该液态金属打印机的空间精度如图7.7a所示，可达到200 μm级别，已能满足部分电子器件特别是大尺寸电子结构的要求。

印刷电子对于印制导线的宽度需求是多样性的，有时需要宽导线以增加电流负载能力，有时为了布线密集又需要特别精细的导线。实验中分别考察了采用1.00 mm、0.70 mm、0.50 mm、0.38 mm、0.35 mm、0.30 mm、0.28 mm、0.20 mm等8种不同直径打印笔头的运行情况。将液态金属打印机的打印速度和压力调节到常用的参数，每一种笔头都打印了10条10 mm的导线。通过SEM对液态金属打印机所印刷出的导线的表面形态进行分析，并利用SEM测量了每种笔头所打印的10条导线线宽，结果如图7.7b所示。从图中可以看出，笔头直径越大，打印出的线宽越宽，且导线宽度的波动随着导线宽度的减小有减小的趋势。通过使用直径不同的笔头，获得了从100 μm到600 μm的导线宽度，同时结合不同的打印速度和压力，可以从几十到几百微米的范围内印刷出任意想要的线宽，扩展了液态金属打印机的适用范围。

图7.7　液态金属印刷导线打印精度［10］

a.液态金属印刷导线的线与线之间的间距；b.不同大小笔头对应的导线线宽。