基于Arduino的互聯電路一體化增材制造系統

劉淑杰，劉長林，趙云桐，張鵬，李宇杰

（1. 哈爾濱工業大學（威海）材料科學與工程學院，山東 威海 264209；2. 哈爾濱理工大學榮成學院 機械工程系，山東 榮成 264300；3. 哈爾濱理工大學榮成學院 電氣工程系，山東 榮成 264300）

2017年 12月 13日，國家工業和信息化部等十二部門發布《增材制造產業發展行動計劃》中提到，要加快推進增材制造裝備用光電子器件的開發和應用。打印電子技術是一種基于印刷原理的新興電子增材制造技術，該技術克服了傳統光刻工藝因大量腐蝕液帶來的環境污染[1]、“減材”材料利用率低以及生產工序復雜繁瑣導致生產效率低等一系列問題。增材制造作為一種綠色制造技術，近幾年已成為電子行業的研究熱點，主要應用于電子顯示器[2—3]、場效應晶體管[4]、射頻識別卡[5]、電子標簽[6]、大型戶外顯示屏[7]、太陽能電池[8]、傳感器[9]以及透明電極[10]等產品的制造。不同互連金屬材料的打印機制不盡相同。Zheng等[11]提出輕敲式(tapping mode)電子打印概念，打印過程中利用打印頭球珠與基底摩擦力相互作用而轉動，使筆筒內的液態金屬墨水流出，實現電子電路打印。1994年提出的直接書寫式液態金屬打印方法[12]，主要是基于掃描探針的納米光刻技術，使用原子力顯微鏡尖端或尖端陣列將化學試劑直接輸送到襯底表面的特定區域。此外，還有微接觸式液態金屬打印法[13]、掩膜沉積法[14]、霧化噴墨式液態金屬打印法[15]等。

上述打印技術的出現，促進了打印電子新材料如納米導電墨水的研究與開發，其中以納米銀和納米銅研究最為廣泛。納米銀導電性好，但價格昂貴。納米銅導電性好、抗遷移能力強且成本低，但打印過程中存在一定的氧化問題。為了解決氧化問題，部分機構選擇在導電墨水配比過程添加一些還原劑，導致電路中出現氣泡、副產物和殘留物，進而影響成形電路的性能。部分研究結構在打印成型后采用惰性氛圍對電路進行燒結，使部分附屬產物或殘留物揮發，但這種方式制備時間長、效率低，并且制件大小受燒結管式爐限制。

為了更好地解決上述問題，文中基于打印電子技術思想，結合增材制造基本原理，利用易于實現功能的單片機作為設備控制中心，結合現代機械電子技術，將金屬電路增材制造所需要的5個功能，即增材送料機構、原位加熱、原位激光燒結、原位輻照還原、氣體保護進行集成并協同控制，設計出互聯電路的一體化增材制造系統，并制造樣機。通過實測樣機打印的成型電路性能，證明該制造系統的可行性和有效性。該制造系統對光電子器件等領域的增材制造具有一定意義。

1 系統功能和總體方案設計

互聯電路一體化增材制造系統主要是利用具有一定流動性和黏度的金屬導電墨水為原料，在惰性氣體保護下，通過出料裝置將金屬導電墨水按照一定軌跡打印在制件表面，形成電子線路。文中設計的制造系統在金屬，尤其是易氧化的金屬打印制備過程中，將增材送料機構、原位加熱、原位激光燒結、原位輻照還原、氣體保護進行集成并協同控制，最終實現互聯電路的原位一體化制造。該制造系統主要由PC端控制軟件、Arduino硬件控制和增材制造機械系統三部分組成。PC端控制軟件對設計好的互聯電路 3D模型按照一定的厚度進行分層切片，即將零件的三維數據信息轉換成一系列的二維輪廓信息并形成打印路徑后輸送指令，傳輸到Arduino硬件控制模塊，該模塊對PC傳輸過來的指令進行解析，然后將數據傳輸并驅動增材制造機械系統的各個運行機構。該系統工作時，首先驅動氣體保護裝置，排出工作區域的空氣；其次開啟原位加熱裝置，使制件整體具有一定的溫度，干燥并低溫輔助燒結成型電路；然后，驅動xy機械軸運動平臺和原位燒結裝置，實現單層成型電路制備。一層制備完后，打印工作平臺下降一個層厚，進行下一個單層制造過程，直至完成整個成型電路的疊層制造。該一體化制造系統的工作流程見圖1。

圖1 增材制造系統總體方案Fig.1 Overall scheme of additive manufacturing system

2 增材制造系統的硬件設計

該一體化制造系統在制件表面進行成型電路制備過程中，可以根據不同的打印材料選用一體化裝置中的全部或部分模塊單元進行打印。增材制造結構的簡化示意見圖2。該裝置的主要工作原理是：將制件置入樣品氣體保護臺中央的原位加熱板上，保護氣體從樣品臺兩側同時通入，對打印工作區形成氣體保護。送料機構在制件表面按照預先設定的互聯電路軌跡進行打印制作，為了進一步降低互聯電路的氧化，在送料機構噴嘴周圍進行氣體二次保護。互聯電路制備過程中，同時輔以原位加熱輻照光源和還原光源，對可能產生的氧化進一步還原。利用激光對單層打印材料進行燒結，能迅速使金屬熔化而粘結在一起，同時不損傷基底。

為了滿足上述互聯電路增材制造結構和功能。基于Arduino主控開發板，設計增材制造系統硬件技術路線見圖 3。接通電源，Arduino主控開發板通過熱電偶檢測底板溫度是否達到，如果未達到，繼續加熱，直到加熱到預定溫度；氣體保護通過Arduino內部定時器進行定時，檢測保護氣體是否達到預定充氣時間（充氣時間由工作區充滿保護氣體的容量與流速時間比值來計算），如未達到，保護氣體閥門接通，繼續通氣，直到達到預定的時間；當溫度達到預定值，并且保護氣體達到預定的充氣時間時，Arduino主控開發板發送指令，開始工作打印。接受打印指令后，開始進行打印，即原位還原模塊（還原光源）開始工作（如紫外還原燈開啟）；同時原位輔助加熱模塊開始工作（紅外光源開啟），原位激光燒結模塊（激光頭）開始工作（激光開啟），并且實時通過相應模塊檢測制件表面溫度、光斑大小、發散角等參數，反饋到Arduino主控開發板上，進行相應調節；當接收到打印完成操作指令后，關閉激光燒結、原位還原和原位加熱，關閉加熱底板，關閉保護氣體，完成本次打印。

圖3 增材制造系統硬件工作流程Fig.3 Work flow diagram of hardware for additive manufacturing system

3 增材制造系統的軟件設計

增材制造系統軟件設計主要技術難點在于實現一體化自動控制。依據圖2互聯電路一體化增材制造原理以及圖3系統的硬件工作流程，給出增材制造系統軟件設計流程，如圖4所示。互聯電路一體化增材制造過程的軟件控制主要包括以下幾個步驟：① 對程序進行初始化，開啟電源，增材制造系統內部程序進行初始化，包括一些斷電保存的參數和設置，以及硬件驅動的初始化等；② 發送起始信號，初始化完畢后，打印機會向電腦發出起始信號，通知上位機軟件開始工作；③ Arduino循環掃描串口數據處理，接收電腦發給打印機的信息，當收到結束標志（即結束符號）時，打印機會將之前接收到的所有信息作為一個指令句進行分析，確認該指令為哪一種指令后，再通過相應指令的指定方式進行解析。

指令包括以下4部分：① 運動控制指令，確認接收到的指令為該指令后，Arduino會分析指令句中的所有內容，解析出運動所需的x坐標、y坐標、z坐標、e坐標、f移動速度以及其他相關參數，并轉換成可供底層硬件驅動的代碼，再進行硬件的驅動，然后回到上述技術路線中步驟3；② 原位加熱控制指令，確認指令為溫度控制指令后，Arduino分析出與原位加熱相關的指令，并解析成加熱裝置的硬件驅動參數，實時監測當前狀況并進行原位加熱，然后回到上述技術路線中步驟3；③ 原位燒結控制指令，確認該指令后，Arduino會分析出與原位燒結相關的指令，并解析成與硬件控制相關的驅動參數，調節燒結設備（激光器），然后回到上述技術路線中步驟3；④ 保護氣控制指令，確認該指令后，Arduino會分析出與保護氣控制有關的指令，解析成硬件控制相關驅動參數，實時控制保護氣的控制裝置，然后回到上述技術路線中步驟3。

圖4 增材制造系統軟件設計流程Fig.4 Work flow diagram of software for additive manufacturing system

圖5 互聯電路增材制造過程Fig.5 Additive manufacturing process of interconnect circuits

4 增材制造系統的測試及結論

搭建好一體化增材制造設備并完成該控制系統的軟硬件開發后，以自制納米銅導電墨水和市售納米銀漿為例進行基本測試。根據導電墨水固相含量的不同，選取不同的送料速度。實驗中采用的納米銅導電墨水固相含量為40%，送料速度控制在0.8 mm/s，熱床溫度控制在50 ℃，打印速度為10 mm/s，空行程選用20 mm/s，層高設定在0.2 mm。惰性氣體流速控制在60 mL/min，原位輻照還原光源采用波長為365 nm的紫外燈，原位燒結激光采用自帶制冷和精確控溫系統的激光器作為光源，調整激光光斑直徑至合適大小。一層制備完畢后，z軸下降一個層厚，繼續打印，繼續燒結還原，直至達到所需要的高度。納米銀漿增材制造過程相同，但打印速度略低。納米銅導電墨水/納米銀漿打印過程見圖5，打印獲得的互聯電路實物見圖6。互連電路的最小線寬約為1 mm，線寬均勻性好，無橋連；直角位置垂直度較好且沒有發生變形；所得電路結構致密，未出現空洞等缺陷。采用自制的納米銅導電墨水制備納米銅互連電路，測得未經管式爐燒結的打印態電路電阻率小于200 μ?·cm，導電性良好，表面帶有金屬光澤。采用市售的納米銀漿料打印納米銀互連電路，測得未經管式爐燒結的打印態電路在膜厚小于30 μm時，方塊電阻小于5 mΩ/cm。

圖6 納米銀增材制造互聯電路實物Fig.6 A typical image of nano-Ag interconnects

5 結論

基于Arduino開發出互聯電路的一體化增材制造系統，完成了互聯電路增材制造的總體方案設計，并結合簡化原理示意圖闡述其制造過程，對該系統軟、硬件模塊的開發進行了分析，并形成相應的技術路線框圖。最后，通過在樣機上進行納米金屬互聯電路的成型制作，進一步驗證了該系統的可行性。該一體化制造增材制造系統，能實現復雜的互聯電路制備，且電路不需要受管式爐燒結工藝的限制，提高了制件選擇范圍的靈活性。實驗中，對于極易氧化的納米銅材料，未經管式爐燒結的打印態電路電阻率小于200 μ?·cm。這說明將原位加熱、原位燒結、原位還原和保護氣體一體化集成設計，能從根本上解決互聯電路制作過程中的氧化問題。同時，由于采用集成一體化制備，還大大提高了效率。所得電路結構致密，未出現空洞等缺陷，說明這種一體化的裝置系統解決了因添加還原劑所帶來的氣泡、副產物和殘留物等問題，提高了電路致密性和一致性，可以獲得性能優良的電路。

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