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《智造将来》现颠覆性技术——秒级电路打印成为现实
2019-02-26

2019年2月17日,浙江卫视播出的《智造将来》科普综艺中,一家从事液态金属材料及技术研发的公司,发布了一项国内外首创的颠覆性技术——两秒钟打印电路。

几秒钟的时间,你能做什么?喝口水?眨一眨眼睛?或者稍微走走神...而近日,清华大学与中科院理化所液态金属联合研究团队公布了一项他们最新的原创研究成果——秒级电路印刷技术!可在数秒钟之内打印出大面积高精度复杂液态金属电路,速度远远超过迄今已发展的各种电子加工技术,同时还是一种具有普适意义的超快速柔性电子制造技术。

该联合研究团队由清华大学教授、中科院理化所研究员刘静博士领导,是全球范围内液态金属材料及其应用研究的开拓者与引领者。团队很早就提出了液态金属快速印刷电路技术原理,通过长期持续论证及试验,最终得以实现。并于近期在《中国科学:材料科学》(Science China Materials)上在线发表了题为“基于半液态金属选择性黏附机理的滚动涂覆与转印技术:普适性柔性电子快速制造方法”(Semi-liquid Metal and Adhesion-selection enabled Rolling and Transfer (SMART) Printing: A Generalized Method towards Fast Fabrication of Flexible Electronics, 2019)的研究论文,引发业界巨大轰动。在此次新成果的基础上,研究团队与北京梦之墨科技有限公司合作,共同设计开发了首台液态金属快速印刷电路样机,成功将该技术付诸于工程实现,该项技术将为全球印刷电子行业带来颠覆性变革。

 众所周知,随着电子技术的快速发展,印刷电路板被广泛应用于各个领域,几乎所有的电子设备中都包含相应的印刷电路板,在如今的电子工业中已经占据绝对统治的地位,在人们日常生活中更是扮演中十分重要的角色。

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图1 印刷电路板示意图

历经上百年的发展,印刷电路技术已趋于成熟。然而,传统的印刷电路板生产流程十分复杂,需要经过从开料到最终成形电测等十几道工序,生产所需专业设备众多,全流程下来耗时耗电,且伴有大量环境污染。因此,目前印刷电路生产模式多以专业生产厂为主。经过不断的技术改进,部分厂商已具备二十四小时内完成制作的能力,但在现有技术体系下也已经到达瓶颈。近年来,柔性电子异军突起,日益受到人们关注。不同于传统刚性电路板,柔性电路板可以随意弯曲、折叠乃至拉伸,这使其在可穿戴设备、便携式医疗、皮肤电子等领域有着重大价值。

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图2 传统PCB生产工艺流程图

如何在打破传统技术瓶颈的同时还能兼顾新技术要求?可以说,SMART Printing完美满足了这两大需求。

早期,中科院理化所与清华大学联合研究组就已提出将液态金属用于电子增材制造的理论体系,出版了《液态金属印刷电子学》、《液态金属柔性电子技术》等学术专著,并与北京梦之墨科技有限公司合作开展电子电路打印机等系列产品的研发生产,已经实现将印刷电路板的制作缩短至1小时内。如今,研究组提出液态金属SMART Printing,是对这一理论体系的深化补充,进一步将印刷电路的制作效率提升上千倍!通过对打印基材的特殊处理实现液态金属电子线路的精准绘制,印制的速度可达60m/s,线路精度达到40μm,具有适用基材广、幅面大、速度快、精度高等特点。液态金属SMART Printing可适用于如塑料,布料,纸张,玻璃,陶瓷,不锈钢等多种基材的电路印刷,因而能轻松制作从传统的刚性到新兴的柔性电路板,甚至于不再受限于“板”的形态,身边形形色色的物体都有可能被快速赋予电路功能。

正是看到这一先进技术良好的应用前景,北京梦之墨科技有限公司联合研究组设计研制了液态金属快速印刷设备。在大幅度提升制作效率的同时,将传统工艺的十几项步骤简单缩减至两步:

1.       激光打印底图:采用经过特殊处理后的纸张或聚合物作为打印基材,使用普通的激光打印机即可完成。如下图所示,白色部分即为电子线路。

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图3 液态金属电路底图

2.      快速印刷:步骤1制作完成的液态金属底图中,白色部分经快速印刷机即可形成液态金属电子线路,而黑色部分保持不变。整个印刷过程,以一个A4幅面的电路板为例,仅需1~2秒。其中,使用的导电材料为专业配备的液态金属油墨,具有导电率高、附着力强、安全环保等优良特性。

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图4 液态金属快速印刷原理样机

下图所示为使用液态金属快速印刷设备制作的柔性电路板:

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图5 液态金属印刷电路板

液态金属快速印刷电路技术的出现,一方面满足了桌面级、小批量快速制造的需求,另一方面为后期大批量生产制造奠定了基础。新技术体系突破了当前的技术瓶颈,将电路印刷效率提升至“秒级”,为印刷电路制造业带来了全新的思路,将推动整个行业进入一个高速变革时代!无论从生产效率的提升、设备及工艺流程精简、生产过程环保安全的角度,都有着其无可匹敌的优势。该技术将可大规模应用在智能包装和FPC天线、太阳能薄膜电池、柔性电子等领域。

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图6 采用SMART Printing制备并组装的可拉伸传感器功能电子电路及性能

此外,我们还了解到,科研团队已经在实验室实现了液态金属半导体集成电路的快速打印。结合快速印刷电路技术,不难想象,功能电子器件的一体化成形技术已经不远,未来的电子器件可以变得像墙纸一样轻薄柔软贴附在任何物体的表面。不久的将来,我们身边的每一个物件,桌椅、墙壁、水杯都将化身为一个个智能硬件,为我们提供更高品质的生活体验,未来已来!