利用3D打印封装立体电路

除了金属结构和电子器件之外，有一定功能的立体电路也可以采用复合模式进行打印。图7.6a显示了一个三层LED立体电路的原理图，该电路由6个LED灯和6个限流电阻组成，LED和限流电阻均为表面组装（surface mounted devices，SMD）元器件。电路分为3层，LED发光色分别为红色、黄色和绿色，限流电阻的阻值均是2Ω。整个打印物体包括三层金属结构和四层非金属结构，以及相邻金属层之间的连接柱，效果如图7.6b所示。金属层在打印之前，需要把元器件正面朝下放置在相应的位置上。打印过程中会遇到Bi35 In48.6 Sn16 Zn0.4与SMD元器件管脚上铜电极的连接性不佳的问题。解决办法是先在器件管脚的铜电极上加一层焊锡（成分为Sn63Pb37，熔点～183℃），在二者之间形成一层Cu-Sn合金起到固化作用，而后在焊锡上加一层打印墨水。这种处理可提高铜电极和打印墨水的连接可靠性，界面结构如图7.7所示。打印的LED灯立体电路的实物如图7.8a所示，当这个立体电路的正负极分别连接3.7V锂离子电池的正负极时，LED灯发出明亮的彩色（图7.8b）。该立体电路打印的例子说明了使用金属非金属墨水直接制作三维功能器件的可行性，立体电路的性能取决于两种打印材料的性质，电路的机械性能如硬度、剪切强度主要取决于705硅橡胶，而电学性能取决于Bi35 In48.6 Sn16 Zn0.4墨水。这种金属非金属打印方法显然具有很强的实用性，但仍有尚需改进的地方，即提高打印精度，增强电路中不同材料间连接的可靠性，缩短705硅橡胶的固化时间等。

图7.6　立体电路构成［1］

a.LED灯立体电路原理；b.立体电路的打印效果。

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图7.7　立体电路中SMD元器件管脚焊接处理的界面结构［1］

图7.8　混合打印出的立体电路［1］

a.LED灯立体电路的实物；b.通电状态时的立体电路。图中比例尺为10 mm。

复合式打印可以是多种墨水的交互打印，也可以是多种打印方式的结合，基于液态金属的金属非金属复合式3D打印，可以充分利用金属的导电导热性质，以及非金属705硅橡胶良好的绝缘、透明和封装特性。可以预见，复合式打印将会是未来3D打印技术发展的一个重要方向。