微筆直寫技術屬于廣泛應用的電子3D凹印技術，采用電子漿料為原料，用微細筆裝置以氣體為動力將電子漿料按照三維線路圖形布線要求沉積于預先成型的基板表面，然后輔助采用激光燒結或爐體固化，即可形成所需要的導電圖形，其成型原理如圖1所示。
圖1 微筆直寫原理圖及微筆直寫微觀形貌（100倍）
據麥姆斯咨詢報道，近期，中國電子科技集團公司第三十研究所創新性地嘗試采用微筆直寫技術打印天線陣面，通過打印材料選擇、打印參數優化實現天線陣面的打印，并通過專業測試，評估未來電子3D打印在天線陣面上制造應用的可行性。相關研究成果以論文形式發表于《電子工藝技術》期刊。
打印材料選取和打印參數優化
首先，研究人員根據材料黏度、介電性能、導電性能等因素，選取聚酰亞胺（PI）為介質基板打印材料，選取導電銀漿作為輻射陣元圖形打印材料，金屬基體采用常用的5A06材料，由數銑加工而成。接著，根據打印的聚酰亞胺介質板的介電常數測試和分析結果，針對陣元及介質板厚度開展尺寸調整設計。經樣件的測試，確定相應工作頻段內聚酰亞胺的介電常數值，并根據駐波、波束范圍、波束寬度等主要設計需求，綜合聚酰亞胺介電常數測試值、測試誤差等開展天線陣面單元設計以及容差設計，確保樣件的打印工藝性。最終，經天線仿真和計算，確定介質層厚度為0.4 mm，貼片尺寸為4.04 mm × 3.69 mm，貼片加工誤差為±0.0254 mm，孔位間距誤差為0.05 mm。
圖2 天線陣面打印樣件優化設計圖
天線陣面介質基板大面積打印
在微筆直寫設備上選用0.31 mm的針頭，分別采用“回”字形、“一”字形打印路徑進行大面積（100 mm × 100 mm）聚酰亞胺溶液的直寫打印（如圖3所示），并觀察打印效果。最終選定打印路徑為“一”字型策略，并選取每打印三層，以150℃中間預固化、保溫10 min的方案作為預固化參數，完成天線陣面介質基板的大面積打印。
圖3 不同打印路徑的效果圖
天線陣元圖形打印
首先采用已有的直寫打印技術在鋁合金天線基板上打印聚酰亞胺基板，再采用紫外激光對聚酰亞胺基板進行打孔加工。完成聚酰亞胺介質層打孔后，采用已有的直寫工藝在聚酰亞胺介質層0.6 mm孔內逐層打印銀漿以填充孔，且逐層激光燒結使孔內銀漿固化成形。與此同時，采用相同的直寫工藝及參數在聚酰亞胺介質層上繼續打印完成陣元貼片的打印。表層陣元貼片經激光燒結固化后，再次采用與聚酰亞胺介質層打孔相同的紫外激光及參數打出0.6 mm的饋電孔，最后形成陣元圖形。
圖4 天線基板上介質層打印并打孔
天線陣面打印
所選樣件陣面為非展開曲面，但整體曲率半徑較大，整體高度差在10 μm以內。就微筆直寫打印工藝特點而言，通過微筆直寫形成線條，再通過路徑形成整個面，可以從打印路徑上進行分解簡化，轉換為二維平面進行加工，以滿足打印成型需求。采用已經成熟應用的微筆直寫工藝參數、聚酰亞胺多層固化工藝參數及電子漿料激光燒結工藝參數，進行了打印樣件的制作（如圖5所示）。
圖5 天線陣面打印樣件效果圖
綜上所述，該研究采用微筆直寫3D打印技術打印微帶天線陣面，并通過聚酰亞胺及導電銀漿成功實現了微帶天線陣面的3D打印制造。經測試，微帶天線陣面孔精度、孔對位精度及電壓駐波比均滿足設計要求。因此，微筆直寫3D打印技術具備的快速制備和快速驗證，以及結構設計自由度大的特點，有效保證了電子產品研制的快速開發需求。但是，電子3D打印的后處理技術、成本及效率控制等方面均有待深入研究，以進一步促進電子3D打印技術的發展及在電子產品上的應用。
論文鏈接：
http://dx.doi.org/10.14176/j.issn.1001-3474.2022.06.013
延伸閱讀：
《3D打印材料技術及市場-2022版》
《3D打印和增材制造技術及市場-2022版》
