電場驅動噴射沉積微3D打印高分辨率氮化鋁陶瓷基電路

于志浩 張廣明 李紅珂 段培開 于尊 臺玉平 李汶海 許權 趙佳偉 蘭紅波

摘要：現有技術在高分辨率高密度電路的低成本批量化制造上仍然面臨巨大挑戰，無法滿足陶瓷基電路對高頻、高速、高密度集成的要求。提出了一種結合犧牲層的電場驅動噴射沉積微3D打印高分辨率氮化鋁陶瓷基電路的新方法，該方法利用犧牲層克服了因陶瓷表面粗糙導致的射流不穩定問題，并借助犧牲層表面疏水特性進一步縮小線寬，實現了高分辨率電路的制造。實驗研究了打印參數（電壓、氣壓、打印高度、打印速度）、犧牲層以及燒結工藝對打印銀線線寬和形貌的影響并優化了工藝參數。最后，使用含銀量70%（質量分數）的導電銀漿結合優化的工藝參數，在氮化鋁基材表面實現了多種復雜電路圖案制造，包括線寬/線距為2/3的高密度高分辨率電路圖案以及目前已報道的最小線寬為8.1 μm的導電銀線。研究結果表明，結合犧牲層的電場驅動噴射沉積微尺度3D打印氮化鋁陶瓷基電路新方法可為小型化、高功率陶瓷基集成電路低成本批量化制造提供有效途徑。

關鍵詞：微尺度3D打??；犧牲層；氮化鋁陶瓷基電路；高分辨率

中圖分類號：TP391.73；TN03

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2023.11.011

Electric-field-driven Jet Deposition Micro 3D Printing of High Resolution

Aluminum Nitride Ceramic-based Circuits

YU Zhihao ZHANG Guangming LI Hongke DUAN Peikai YU Zun TAI Yuping

LI Wenhai XU Quan ZHAO Jiawei LAN Hongbo

Shandong Engineering Research Center for Additive Manufacturing，Qingdao University of Technology，

Qingdao，Shandong，266520

Abstract： At present， the existing technology still faced great challenges in the mass manufacturing of high resolution and high density circuits at low-cost， which might not meet the requirements of high frequency， high speed and high density integration of ceramic-based circuits. Therefore， a new method was proposed for electric-field-driven jet deposition micro 3D printing of high resolution aluminum nitride ceramic-based circuits in combination with sacrificial coatings. The sacrificial coating was used to overcome the instability of the jet flows caused by the roughnesses of the ceramic surfaces， and the line widths were further reduced by the hydrophobic characteristics of the sacrificial coating， and the fabrication of high-resolution circuits was realized. The effects of printing parameters（voltage， air pressure， printing height， printing speed）， sacrifice layer and sintering process on the width and morphology of the printed silver wire were studied by experiments and the processing parameters were optimized. Finally， using a conductive silver paste with 70%（mass fraction） silver content combined with optimized processing parameters， a variety of complex circuit patterns were fabricated on the surface of aluminum nitride substrates， including a high-density， high-resolution circuit pattern with a line width/line spacing of 2/3 and a conductive silver line with a minimum line width of 8.1 μm reported so far. The results show that the new method of electric-field-driven jet deposition microscale 3D printing of aluminum nitride ceramic-based circuits in combination with sacrificial coatings may provide an effective way for the low-cost mass manufacturing of miniaturized and high-power ceramic-based integrated circuits.

Key words： microscale 3D printing; sacrificial coating; aluminum nitride ceramic-based circuit; high resolution

0 引言

近年來隨著5G通信［1-3］、人工智能［4］、無人駕駛［5］、物聯網［6-7］等戰略性新興產業的飛速發展，高頻、高速和高密度集成已成為當今微電子產品的重要發展趨勢和方向。傳統有機電路板、金屬基電路板導熱性和耐熱性較差［8-9］，而陶瓷基電路板因其高熱導率、低介電系數、低介電損耗、高機械性能、耐高溫、絕緣性能好等優點已成為可靠的替代基板［10-12］。常用的陶瓷基板有氧化鋁陶瓷、氧化鈹陶瓷和氮化鋁陶瓷。氧化鋁陶瓷的熱導率較小（15～30 W/（m·K）），其熱膨脹系數（7.9×10-6/K）與半導體硅材料（（3.5～4.0）×10-6/K）不太匹配［13］，氧化鈹陶瓷生產成本較高，且有劇毒的缺點［14］，相比之下，氮化鋁陶瓷因具有更高的熱導率（100～250 W/（m·K））、與半導體硅材料匹配的熱膨脹系數（4.6×10-6/K）以及無毒環保的優點［15-17］已廣泛應用于高功率LED及高端光電器件封裝［18-21］、微波衰減器［22-24］、5G通信［25-26］等領域，成為目前最有前景的新一代高導熱電子基板和封裝材料。

小型化及高功率的混合集成電路發展方向需要電路具有更高的分辨率，即更小的線寬和線距。目前，制備陶瓷基電路板的工藝主要包括絲網印刷［27］、直接覆銅（DBC）［28-29］、直接鍍銅（DPC）［30-31］、激光活化金屬化（LAM）［32-33］、噴墨打印活化材料＋選擇性化學鍍［34-35］等。絲網印刷廣泛應用于高溫共燒陶瓷（HTCC）和低溫共燒陶瓷（LTCC），但使用絲網印刷制造的厚膜電路（幾微米到幾十微米不等）精度較低，其線寬一般大于40 μm［27］。DBC工藝制造的厚膜電路（105～700 μm）可以獲得更強的載流能力，但制造的線寬通常大于100 μm［28-29］，難以獲得高分辨率圖案；DPC工藝制造的陶瓷基電路線寬可達10～30 μm［30-31］，但通常采用磁控濺射沉積，沉積的金屬膜厚小于2 μm，并且DBC和DPC工藝都需要首先在陶瓷基片上沉積一層銅，隨后采用光刻、刻蝕等工藝實現金屬銅圖案化，生產成本高、工藝復雜（覆/鍍銅、涂鋪光刻膠、光刻、刻蝕、去除光刻膠、后處理等）、效率低，易造成大量銅材料浪費，對環境造成嚴重污染（易產生大量廢液、廢棄物、廢渣）。LAM工藝使用激光掃描陶瓷基板，使陶瓷基板表面產生具有催化能力的活性中心，再結合化學鍍沉積金屬導線，但化學鍍成形的金屬導線邊緣稀疏、毛刺較多［32-33］，且需要較長時間的化學鍍才能獲得相對大的膜厚。噴墨打印活化材料＋選擇性化學鍍雖然工藝簡單，但精度較差，導電線路邊緣粗糙度差［34-35］。綜上，現有的各種陶瓷基電路板制造技術都無法滿足高分辨率陶瓷電路板的低成本綠色制造要求。

本文提出一種結合犧牲層的電場驅動噴射沉積微3D打?。?6-37］高分辨率氮化鋁陶瓷基電路新方法，通過在氮化鋁陶瓷表面涂覆一層微米厚度的犧牲層材料，不僅解決了陶瓷粗糙表面導致的電場驅動噴射射流不穩定問題，還通過表面的疏水特性進一步縮小了線寬和高寬比（即線高與線寬之比）。該方法不需要光刻和濺射設備，沒有復雜多步驟的工藝過程，也不會造成大量的導電材料浪費，解決了當前技術無法低成本、高效率、環保無毒地實現陶瓷金屬化的難題，兼顧了薄膜陶瓷電路可以實現小線寬以及厚膜陶瓷電路可以實現大導電膜厚的優點，為混合集成電路小型化、高密度、高功率制造提供了一種全新解決方案。

1 結合犧牲層的電場驅動噴射沉積微3D打印高分辨率氮化鋁陶瓷基電路的基本原理和工藝流程

本文提出結合犧牲層的電場驅動噴射沉積微3D打印陶瓷基高密度高分辨率電路的基本方法，在陶瓷表面涂覆一層極薄的犧牲層材料以改善陶瓷粗糙表面，犧牲層材料選用一種固化后具有疏水性的水性涂層液，從而使打印的導電材料具有更好的形貌和線粗糙度的同時，實現了大高寬比的厚膜陶瓷電路制造。電場驅動噴射沉積（EFD）微3D打印原理如圖1a所示，高壓電源正極連接噴嘴，無需接地的對電極，具有高電勢的噴嘴與襯底之間的靜電感應產生自激發電場，使襯底表面電荷重新分布［38］，帶犧牲層的氮化鋁陶瓷相比無犧牲層氮化鋁陶瓷有著更加均勻的表面形貌，使電荷分布更加均勻，有利于打印材料噴射過程更加穩定。本研究的工藝流程主要包括涂覆犧牲層材料、打印導電圖案、去除犧牲層及金屬圖案導電化處理，如圖1所示，其具體步驟如下：

（1）涂覆犧牲層材料。實驗采用厚度1 mm的氮化鋁陶瓷片。陶瓷表面粗糙的微觀結構會導致電場作用下陶瓷表面出現不均勻的電荷分布，難以實現在陶瓷表面沉積高分辨率的導電圖案，因此本研究選用一種常溫為液體的水性涂層液作為犧牲層材料，將它涂覆在陶瓷表面，如圖1b所示。將陶瓷片放在勻膠機中，用膠頭滴管取3 mL水性涂層液均勻滴放在陶瓷片上，旋涂時間設置為45 s，旋涂速度為1500 r/min，將涂層液均勻旋涂在陶瓷表面上。將涂覆好犧牲層的陶瓷片放入真空干燥箱，在70 ℃下干燥5 min，得到覆蓋有一層微米厚度犧牲層的陶瓷片。

（2）3D打印導電材料。編寫打印程序，導入3D打印機，將帶有犧牲層的陶瓷片放在打印平臺上，打印材料選用納米銀漿，根據設計的打印圖案選定優化的打印工藝參數，在陶瓷基材表面打印出高分辨率高密度導電圖案，如圖1c所示。

（3）去除犧牲層及打印圖案導電化處理。打印完成后的圖案中含有較多的有機溶劑及其他非銀成分，導電性差，且帶有犧牲層的陶瓷基電路無法滿足高溫、強化學腐蝕環境的使用要求，所以需要去除犧牲層材料以及進行打印圖案導電化處理。將高溫氣氛爐升溫至870 ℃，將打印好的電路圖案和陶瓷基材放入高溫氣氛爐，燒結25 min后取出。在燒結的過程中，犧牲層材料被完全去除，同時銀漿中的有機溶劑及其他成分被熱解，導致打印線的進一步收縮而減小線寬，犧牲層被去除的同時實現了打印圖案的導電化處理。

本文提出的結合犧牲層的電場驅動噴射沉積微尺度3D打印高密度高分辨率陶瓷基電路的方法具有以下優勢：①工藝簡單，材料浪費少，效率高；②可以實現線寬10 μm、線寬與線距之比（線寬/線距）為2/3的高分辨率高密度導電線路制造，結合了厚膜電路大高寬比及薄膜電路制造技術小線寬的優點；③適合打印的陶瓷基材廣泛，包括氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷等。

2 實驗研究和工藝優化

2.1 實驗材料和裝置

本實驗所用材料包括打印材料、犧牲層材料及打印襯底材料，其中打印材料為中科納通NT-TL20E導電銀漿，其動力黏度為310 dPa·s（25 ℃），銀含量（質量分數）約為70%，銀顆粒直徑300～500 nm；犧牲層材料為大華博科CT-PT水性涂層液；打印襯底為尺寸50 mm×50 mm×1 mm的氮化鋁陶瓷片，其密度為3.3 g/cm3，熔點為2500 ℃，熱膨脹系數為4.6×10-6/K，熱導率大于或等于 200 W/（m·K）。

實驗所用裝置包括KW-4A勻膠機、電場驅動微3D打印機、真空干燥箱及高溫氣氛爐，其中使用KW-4A勻膠機在氮化鋁陶瓷表面涂覆犧牲層；使用電場驅動微3D打印機打印導電電路；使用真空干燥箱將帶有犧牲層的氮化鋁陶瓷片烘干；使用GR.AF 12/11高溫氣氛爐去除犧牲層以及對打印圖案進行導電化處理，其中燒結溫度為870 ℃，燒結時間為25 min。

2.2 犧牲層對打印線寬及形貌的影響

為直觀地了解犧牲層對氮化鋁陶瓷基高分辨率電路制造的作用，實驗研究了帶犧牲層及無犧牲層氮化鋁陶瓷的表面形貌、粗糙度，以及在這兩種基材上打印的多層銀線形貌及高寬比。犧牲層涂覆前為乳白色半透明液體，如圖2所示。

圖3所示為無犧牲層氮化鋁陶瓷表面及帶犧牲層氮化鋁陶瓷表面形貌。氮化鋁陶瓷表面呈現密布的陶瓷晶粒，如圖3a所示，陶瓷晶粒尺寸在2～5 μm左右，且陶瓷表面存在較多尺寸在3～5 μm左右的孔洞結構。氮化鋁陶瓷較為粗糙的微觀表面形貌使在其表面打印高分辨率、均勻一致且形貌好的金屬圖案非常困難，將犧牲層材料涂覆在氮化鋁陶瓷表面，70 ℃烘干后具有較好的耐水性和表面粗糙度，其表面微觀形貌如圖3b所示。

為進一步研究氮化鋁陶瓷涂膜前后的差別，使用原子力顯微鏡（AFM）測試未帶犧牲層的氮化鋁陶瓷片和帶犧牲層的氮化鋁陶瓷片。測試區域為兩種基材上20 μm×20 μm的任意區域，圖4為無犧牲層氮化鋁陶瓷（圖4a）和帶犧牲層氮化鋁陶瓷（圖4b）在AFM下的3D表面形貌圖，圖4c為圖4a和圖4b虛線處的高度曲線圖。無犧牲層氮化鋁陶瓷的表面粗糙度Ra為478 nm，在虛線標記處其最高點與最低點相差1895 nm；帶犧牲層氮化鋁陶瓷的表面粗糙度Ra為19 nm，在虛線標記處其最高點與最低點相差177 nm。研究結果表明，帶犧牲層氮化鋁陶瓷基材相比不帶犧牲層的氮化鋁陶瓷具有更小的表面粗糙度，其平滑連續的表面將更有利于打印連續均勻一致的導電漿料。

氮化鋁陶瓷表面較差的潤濕性使打印在陶瓷表面的銀漿過度鋪展，難以實現多層打印，即在不增大線寬的基礎上增大高寬比，如圖5a所示。而犧牲層的作用除了提供連續平滑的低粗糙度表面外，其固化后較好的耐水性和疏水性可以使打印的導電漿料不會過度鋪展，有利于多層導電線路的打印。且經過高溫燒結，犧牲層被完全去除，銀線在高溫中與陶瓷表面的粗糙結構形成互鎖，實現了與陶瓷基底的結合，如圖5b所示。

在兩種基材上打印4層的銀線，單層線寬均為12 μm，高溫燒結后在SEM下觀察銀線的形態。圖5a為在無犧牲層氮化鋁陶瓷上打印4層銀線燒結后的SEM圖，線寬增大至48.8 μm，高寬比為0.08；圖5b為在帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印4層燒結后的SEM圖，線寬為12.8 μm，高寬比為1.34。

2.3 打印工藝對線寬及形貌的影響

結合犧牲層的電場驅動噴射沉積微3D打印高分辨率氮化鋁陶瓷基電路受多個因素影響，主要包括打印電壓、打印氣壓、打印高度（噴嘴距離基底的高度）、打印速度。其中打印電壓對打印的銀線形貌影響較大，打印氣壓、打印高度、打印速度這三個參數對打印銀線線寬的影響較大。為打印多種可選線寬尺度且銀線形貌較好的高密度電路，實驗研究了電壓、氣壓、打印高度、打印速度分別對在帶犧牲層氮化鋁陶瓷基材上打印銀線線寬和形貌的影響。通過對比相同打印參數下帶犧牲層氮化鋁陶瓷基底和無犧牲層氮化鋁陶瓷基底的銀線線寬和形貌，揭示犧牲層對打印的有利影響。

實驗選用內徑40 μm的玻璃噴嘴。當電壓太小時，電場強度不足以使泰勒錐形成穩定的追射流；當電壓太大時，過大的電場強度使射流偏轉不穩定，難以穩定成線。為確定合適打印的電壓，保持氣壓150 kPa、打印高度70 μm、打印速度20 mm/s，逐漸增大電壓，通過光學顯微鏡觀察不同電壓參數下打印銀線的形貌，如圖6a所示。當電壓小于500 V時，無法形成穩定連續的銀線，因此取臨界電壓500 V，觀察銀線形貌。當電壓在1000～2000 V時，打印的銀線均勻一致；當電壓超過2000 V時，打印的銀線出現輕微的扭曲或線寬不均勻的現象；當電壓到3000 V時，銀線出現明顯的彎曲；當電壓為4000 V時，銀線彎曲得更加明顯。在無犧牲層氮化鋁陶瓷基材上的打印結果呈現同樣的規律，可知對于本研究適合打印的電壓范圍為1000～2000 V。對比圖6a和圖6b，當所有參數一致的情況下，與在帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印的銀線相比，在無犧牲層氮化鋁陶瓷上打印的銀線線寬更大且銀線一致性和均勻性更差，線邊緣粗糙度更差。

圖7a所示為帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印氣壓與銀線線寬和形貌的關系。保持打印電壓1200 V、打印高度70 μm、打印速度15 mm/s不變，打印氣壓從0.05 MPa增大至0.5 MPa，線寬從6.2 μm增大至24.8 μm，其中當打印氣壓為0.05 MPa和0.1 MPa時，打印銀線形貌較差，其他參數下銀線形貌和一致性較好。圖7b所示為帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印高度與銀線線寬和形貌的關系。保持打印電壓1200 V、打印氣壓0.2 MPa、打印速度 15 mm/s不變 ，打印高度從20 μm增大至100 μm，銀線線寬從21.5 μm減小至7.9 μm，且當打印高度增大至90 μm時，銀線出現輕微彎曲的情況，當打印高度增大至100 μm時，銀線彎曲的情況更加嚴重。這是由于隨著打印高度的增大，射流的長度隨之增大，過長的射流導致打印的穩定性變差。圖7c所示為帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印速度與銀線線寬和形貌的關系。保持打印電壓1200 V、打印氣壓 0.2 MPa、打印高度80 μm不變，打印速度從1 mm/s增大至40 mm/s，銀線線寬從67.8 μm減小到了8.7 μm，當打印速度提高至30 mm/s時，線寬雖然減小至9 μm以下，但銀線的形貌和一致性較差。圖7d所示為無犧牲層氮化鋁陶瓷上打印速度與銀線線寬和形貌的關系。保持打印電壓1200 V、打印高度80 μm、打印氣壓0.2 MPa不變，打印速度從1 mm/s增大至30 mm/s，銀線線寬從120 μm減小至13.3 μm。當打印速度超過30 mm/s時，銀線會出現斷點的現象。對比圖7c和圖7d，在電壓、氣壓、速度、高度參數都一樣的情況下，在無犧牲層氮化鋁陶瓷上打印的銀線比在帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印的銀線線寬更大，形貌更差。結合氣壓、高度、速度三個參數對打印的影響，選定氣壓0.2 MPa、高度80 μm、速度20 mm/s的打印參數作為10 μm線寬尺度高密度電路制造的工藝參數。

2.4 燒結工藝對線寬和形貌的影響

為研究高溫燒結工藝對銀線線寬及形貌的影響，實驗對比了在帶犧牲層氮化鋁陶瓷基底和不帶犧牲層氮化鋁陶瓷基底上打印銀線燒結后的均勻性及線寬變化。

圖8a、圖8b分別為帶犧牲層氮化鋁陶瓷基底上打印的銀線燒結前及燒結后的光鏡圖，圖8c、圖8d分別為不帶犧牲層氮化鋁陶瓷基底上打印的銀線燒結前及燒結后的光鏡圖。對燒結后的銀線進行測量，可得到圖8的相關統計數據。

圖9a所示為兩種基底上打印不同線寬銀線燒結后，每種線寬銀線間隔30 μm測量36組線寬計算標準差得到的數據，數據值越大表明銀線一致性越差。研究結果表明，在帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印的銀線從10 μm到60 μm線寬的標準差均小于1，在不帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印的銀線其線寬標準差均大于1.9，相比之下，在帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印的銀線具有更好的一致性和線邊緣粗糙度。

圖9b所示為在兩種基底上打印銀線燒結后的線寬變化比較，數據結果為線寬收縮率，其計算公式為

其中，φ為線寬收縮率，B1為燒結前線寬，B2為燒結后線寬。研究結果表明，在帶犧牲層的氮化鋁陶瓷基底上打印線寬13.5 μm銀線燒結后的線寬為10.5 μm，在不帶犧牲層的氮化鋁陶瓷基底上打印線寬15.9 μm銀線燒結后的線寬為14.2 μm。線寬相同時，與不帶犧牲層的氮化鋁陶瓷相比，帶犧牲層氮化鋁陶瓷基底上的銀線燒結后收縮率更高，這是因為相同線寬下在無犧牲層氮化鋁陶瓷基底上打印的銀線厚度更小，形貌更差，銀線在高溫環境中，銀顆粒軟化聚集呈分散式。并且在無犧牲層氮化鋁陶瓷基底上打印的銀線燒結后存在大量孔隙和斷點，如圖10所示。

3 案例研究

3.1 電學性能研究

為探究結合犧牲層的電場驅動噴射沉積微3D打印高分辨率氮化鋁陶瓷基電路的電學性能，實驗研究了不同線寬銀線的單位長度電阻及電導率。電導率是用來描述物質中電荷流動難易程度的參數，常用來描述導體導電性的好壞，電導率越大則導電性越好，反之越差。

在尺寸為50 mm×50 mm×1 mm的帶犧牲層氮化鋁陶瓷上打印15根長度35 mm的銀線，870 ℃高溫下燒結后在銀線兩端封涂銀漿，固化后使用精密直流電阻測試儀測量銀線電阻。換算后得到銀線每毫米的電阻。根據電導率與電阻計算公式

計算電導率。其中，L為導線長度，R為導電電阻，S為導線橫截面積。

圖11所示為高溫燒結后不同線寬銀線的單位長度電阻以及由式（1）計算得到的電導率。研究結果表明，銀線電阻隨著線寬的增大而減小，其中線寬11 μm的銀線每毫米電阻為0.88 Ω，電導率為5.36×107 S/m。隨著線寬的增大，銀線的電導率略降低，60 μm線寬銀線的電導率為4.17×107 S/m。純銀的電導率為6.3×107 S/m，純銅的電導率為5.7×107 S/m，純金的電導率為4.52×107 S/m。DELAGE等［39］使用氣溶膠噴射打?。ˋJP）工藝在氧化鋁陶瓷基底上實現了最小線寬為16.5 μm的打印，燒結后的銀線電導率為2.7×107 S/m；KITTILA等［40］

使用直接凹版印刷（DGP）工藝在低溫共燒陶瓷（LTCC）片材上制造了最小線寬為20 μm的銀導線，燒結后的銀線電導率為4×107 S/m；ZHAO等［41］使用激光活化金屬化（LAM）工藝在氧化鋁陶瓷基底上制造了最小線寬為33.2 μm的導電銅線，其電導率為3.2 ×104 S/m。與上述研究相比，本研究的實驗結果能在實現更小導電線路線寬的同時，還可得到較高的電導率。盡管具有較高的電導率，但是導線線寬的減小必然會導致整體電阻的增大，而本方法的多層打印能力在不增大線寬的基礎上實現了線厚的增大，從而彌補了小線寬導致的電阻增大問題，滿足實際工程應用中可能需要的小線寬、小電阻要求。

3.2 復雜幾何圖案形貌表征

高分辨率陶瓷基電路板需要具有制造任意復雜圖案的能力，因此，采用優化的工藝參數，在氮化鋁陶瓷基材上制造了各種復雜的導電圖案，用以展示本方法具有任意復雜圖案的制造能力。圖12所示為打印的四種幾何圖案，其中圖12a為線寬10 μm、面積7.5 mm×6 mm的隨機網格圖案，圖12b為線寬12.6 μm、面積307 mm2的菱形規則圖案，圖12c為線寬15.6 μm、面積7.4 mm×7.8 mm的六邊形圖案，圖12d為線寬14.6 μm的扁圓形圖案。由此，本方法具有實現大面積、一致性的高分辨復雜圖案制造能力。

3.3 小型化及高密度電路

小型化和高密度電路要求線寬和線距都盡可能地小。導線線寬和線間距越小，相同區域所能承載的導電線路越多，電子器件的尺寸越小。

圖13所示為打印的兩種小線寬、小間距圖案，分別是直線、折線形狀，其中圖13a中直線圖案的線寬為12 μm、線距為18 μm，圖13b中折線圖案的線寬為8.1 μm、線距為15 μm。

因此，借助于結合犧牲層的電場驅動噴射沉積微3D打印高分辨率氮化鋁陶瓷基電路新方法的高分辨率（小線寬）和高密度（小間距）電路制造能力，制造了一組具有相同功能、不同尺寸的陶瓷電路板來展示其制造能力。圖14a為面積35 mm×35 mm、線寬45 μm的導電圖案，圖14b為面積7 mm×7 mm、線寬15 μm、與圖14a相同的導電圖案，相同圖案在不改變線路布局和形狀的前提下，面積減小為原來的1/5，線寬減小為原來的1/3。實驗結果表明，本研究提出的結合犧牲層的電場驅動噴射沉積微3D打印氮化鋁陶瓷高分辨率高密度電路方法可以進一步縮小相同功能的電路尺寸，該工藝在工業領域中有著廣闊的應用前景。

4 結論

（1）提出了一種結合犧牲層的電場驅動噴射沉積微3D打印高分辨率氮化鋁陶瓷基電路新方法，與現有絲網印刷、噴墨打印、激光金屬活化、直接鍍銅、直接覆銅等技術相比，該方法具有成本低、材料浪費少、工藝簡單、打印分辨率高等優點，為陶瓷基電路小型化、集成化和低成本批量化制造提供了強有力的支持。

（2）探究了打印參數（電壓、打印高度、氣壓、打印速度）對打印銀線形貌及線寬的影響，并根據實驗結果優化出各種線寬要求的最佳工藝參數。通過研究在帶犧牲層氮化鋁陶瓷基材和無犧牲層氮化鋁陶瓷基材上的打印結果，揭示了犧牲層對打印銀線形貌、線寬及高寬比的影響，還揭示了高溫燒結下銀線的線寬變化規律。

（3）研究了不同線寬銀線燒結后的電阻及電導率，銀線電導率最高為5.36×107 S/m，接近純銀金屬的電導率，且多層打印不增大線寬的同時增大線厚，彌補了線寬減小帶來的電阻增大問題。

（4）在氮化鋁陶瓷基材表面制備了最小線寬為8.1 μm的導電銀線以及線寬（12 μm）與線距（18 μm）之比為2/3的高密度導電線路，為陶瓷基電路的發展提供了一種全新的制造工藝。

參考文獻：

［1］ ZIKRIA Y B， KIM S W， AFZAL M K， et al. 5G Mobile Services and Scenarios：Challenges and Solutions［J］. Sustainability， 2018， 10（10）：3626.

［2］ YU H， LEE H， JEON H. What Is 5G？ Emerging 5G Mobile Services and Network Requirements［J］. Sustainability， 2017， 9（10）：1848.

［3］ QURESHI H N， MANALASTAS M， ZAIDI S M A， et al. Service Level Agreements for 5G and Beyond：Overview， Challenges and Enablers of 5G-Healthcare Systems［J］. IEEE Access， 2021， 9：1044-1061.

［4］ SHI F， WANG J， SHI J， et al. Review of Artificial Intelligence Techniques in Imaging Data Acquisition， Segmentation， and Diagnosis for COVID-19［J］. IEEE Reviews in Biomedical Engineering， 2021， 14：4-15.

［5］ MACRINA G， DI PUGLIA PUGLIESE L， GUERRIERO F， et al. Drone-aided Routing：A Literature Review［J］. Transportation Research Part C：Emerging Technologies， 2020， 120：102762.

［6］ BOURSIANIS A D， PAPADOPOULOU M S， DIAMANTOULAKIS P， et al. Internet of Things（IoT） and Agricultural Unmanned Aerial Vehicles（UAVs） in Smart Farming：A Comprehensive Review［J］. Internet of Things， 2022， 18：100187.

［7］ RATTA P， KAUR A， SHARMA S， et al. Application of Blockchain and Internet of Things in Healthcare and Medical Sector：Applications， Challenges， and Future Perspectives［J］. Journal of Food Quality， 2021（1）：1-20.

［8］ 方明， 王愛琴， 謝敬佩， 等. 電子封裝材料的研究現狀及發展［J］. 熱加工工藝， 2011， 40（4）：84-87.

FANG Ming， WANG Aiqin， XIE Jingpei， et al. Research Status and Progress of Electronic Packaging Materials［J］. Hot Working Technology， 2011，40（4）：84-87.

［9］ 張臣， 沈能玨. 電子封裝材料現狀與發展［J］. 新材料產業， 2003（3）：5-11.

ZHANG Chen， SHEN Nengyu. Current Status and Development of Electronic Packaging Materials［J］. Advanced Materials Industry， 2003（3）：5-11.

［10］ 麥久翔. 一代全新的印制電路板——陶瓷印制電路板［J］. 上海航天， 1989（6）：46-50.

MAI Jiuxiang. A Brand New Generation of Printed Circuit Board—Ceramic Printed Circuit Board［J］. Aerospace Shanghai， 1989（6）：46-50.

［11］ 秦典成， 李保忠， 肖永龍. 陶瓷金屬化研究現狀及發展趨勢［J］. 中國陶瓷工業， 2017， 24（5）：30-36.

QIN Diancheng， LI Baozhong， XIAO Yonglong. Current Status and Development of Ceramic Metallization［J］. China Ceramic Industry， 2017， 24（5）：30-36.

［12］ 王玲， 康文濤， 高朋召，等. 陶瓷金屬化的方法、機理及影響因素的研究進展［J］. 陶瓷學報， 2019， 40（4）：411-417.

WANG Ling， KANG Wentao， GAO Pengzhao， et al. Research Progress of Methods， Mechanisms and Influencing Factors of Ceramic Metallization［J］. Juurnal of Ceramics， 2019， 40（4）：411-417.

［13］ 郭燕龍. Al2O3陶瓷表面金屬圖形化制備及其應用研究［D］. 成都：電子科技大學， 2017.

GUO Yanlong. Research on Fabrication of Metallic Pattern Based on Alumina Ceramics Surface and Its Application［D］. Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China， 2017.

［14］ 李文芳， 黃小忠， 楊兵初， 等. 氧化鈹陶瓷的應用綜述［J］. 輕金屬， 2010（2）：20-23.

LI Wenfang， HUANG Xiaozhong， YANG Bingchu， et al. The Application of Beryllia Ceramics［J］. Light Metals， 2010（2）：20-23.

［15］ 劉華珠， 孟昭光， 雷秋麗， 等. 陶瓷基印制電路板的關鍵技術研究［J］. 印制電路信息， 2019， 27（2）：30-33.

LIU Huazhu， MENG Zhaoguang， LEI Qiuli， et al. Research on the Key Technology of Ceramic Substrate PCB［J］. Printed Circuit Information， 2019， 27（2）：30-33.

［16］ 袁文杰， 李曉云， 丘泰. 高熱導率氮化鋁陶瓷的研究進展［J］. 材料導報， 2013（7）：43-46.

YUAN Wenjie， LI Xiaoyun， QIU Tai. Reserach Progress on Aluminum Nitride with High Thermal Conductivity［J］. Materials Reports， 2013（7）：43-46.

［17］ BELYAKOV A V， KUZNETSOVA I G， KUFTYREV R Y， et al. Metallization of Aluminun Nitride Ceramic（Review）［J］. Glass and Ceramics， 2012， 69（7）：270-273.

［18］ 薛生杰. 大功率LED散熱用陶瓷金屬基板的制備與性能研究［D］. 重慶：重慶大學， 2014.

XUE Shengjie. Preparation and Performance of the Metalized Ceramic Substrate for High-power Light Emitting Doxides（LED） Heat Dissipation［D］. Chongqing：Chongqing University， 2014.

［19］ 謝金平， 范小玲， 宗高亮. 淺談大功率LED陶瓷基板制作工藝及填通孔技術［J］. 電鍍與涂飾， 2021， 40（13）：1023-1026.

XIE Jinping， FAN Xiaoling， ZONG Gaoliang. Discussion on Manufacturing Process and Through-hole Filling Technology of Ceramic Substrate Applied to High-powered LEDs［J］. Electroplating & Finishing， 2021， 40（13）：1023-1026.

［20］ 王新中，劉文，鮑鋒輝.氮化鋁陶瓷基板在高功率LED中應用研究［J］. 科技視界， 2014（16）：19-20.

WANG Xinzhong， LIU Wen， BAO Fenghui. Application of Aluminum Nitride Ceramic Substrate in High-power LED［J］. Science & Technology Vision， 2014（16）：19-20.

［21］ 倪羽茜， 井紅旗， 孔金霞， 等. 高功率半導體激光器陶瓷封裝散熱性能研究［J］. 發光學報， 2016， 37（5）：561-566.

NI Yuqian， JING Hongqi， KONG Jinxia， et al. Thermal Performance of High-power Semiconductor Laser Packaged by Ceramic Submount［J］. Chinese Journal of Luminescence， 2016， 37（5）：561-566.

［22］ 張永清， 陰生毅， 高向陽， 等. 新型高熱導率氮化鋁基微波衰減陶瓷研究［J］. 稀有金屬材料與工程， 2020， 49（2）：655-660.

ZHANG Yongqing， YIN Shengyi， GAO Xiang-yang， et al. Study on Aluminum Nitride Microwave Attenuation Ceramics with High Thermal Conductivity［J］. Rare Metal Materials and Engineering， 2020， 49（2）：655-660.

［23］ 何端鵬， 黃雪吟， 任剛，等. 高熱導電絕緣氮化鋁陶瓷在宇航器件中的應用：概述，挑戰和展望［J］. 硅酸鹽學報， 2022， 50（6）：1701-1714.

HE Duanpeng， HUANG Xueyin， REN Gang， et al. Development on High Thermal Conductiveand Electric Insulative AlN Ceramics in Aerospace Devices［J］. Journal of Chinese Ceramic Society， 2022， 50（6）：1701-1714.

［24］ 高鵬. 高導熱氮化鋁基微波衰減材料的制備及性能研究［D］. 北京：北京科技大學， 2015.

GAO Peng. Study on Preparation and Property of Thermal Conductivity AlN Microwave Attenuation Composite Ceramics［D］. Beijing：University of Science and Technology Beijing， 2015.

［25］ 劉會靈. 基于氮化鋁薄膜的高頻、高性能壓電聲波諧振器的設計與制備研究［D］. 上海：上海師范大學， 2022.

LIU Huiling. Design and Fabrication of High Frequency and High Performance Piezoelectric Acoustic Resonator Based on Aluminum Nitride Thin Film［D］. Shanghai：Shanghai Normal University， 2022.

［26］ HICKMAN A L， CHAUDHURI R， BADER S J， et al. Next Generation Electronics on the Ultra-wide-bandgap Aluminum Nitride Platform［J］. Semiconductor Science and Technology， 2021， 36（4）：044001.

［27］ WANG P R， LI J， WANG G Q， et al. Multimaterial Additive Manufacturing of LTCC Matrix and Silver Conductors for 3D Ceramic Electronics［J］. Advanced Materials Technologies， 2022， 7（8）：2101462.

［28］ MOUAWAD B， THOLLIN B， BUTTAY C， et al. Direct Copper Bonding for Power Interconnects：Design， Manufacturing， and Test［J］. IEEE Transactions on Components Packaging & Manufacturing Technology， 2017， 5（1）：143-150.

［29］ WEI X， XU H， ZHAN J， et al. Comparative Studies on Microstructures， Strengths and Reliabilities of Two Types of AlN Direct Bonding Copper Substrates［J］. Ceramics International， 2018， 44（15）：18935-18941.

［30］ MA S， LIU L， BROMBERG V， et al. Electroless Copper Plating of Inkjet-printed Polydopamine Nanoparticles：a Facile Method to Fabricate Highly Conductive Patterns at Near Room Temperature［J］. ACS Applied Material & Interfaces， 2014， 6（22）：19494-19498.

［31］ XU W Z， XU J B， LU H S. Direct Copper Plating on Ultra-thin Sputtered Cobalt Film in an Alkaline Bath［J］. Journal of the Electrochemical Society， 2013， 160（12）：D3075.

［32］ LYU M， LIU J， WANG S， et al. Higher-resolution Selective Metallization on Alumina Substrate by Laser Direct Writing and Electroless Plating［J］. Applied Surface Science， 2016， 366：227-232.

［33］ ZHANG J， FENG J， JIA L， et al. Laser-induced Selective Metallization on Polymer Substrates Using Organocopper for Portable Electronics［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2019， 11（14）：13714-13723.

［34］ 林國強. 陶瓷元件免燒型賤金屬電極制備技術研究［D］. 成都：電子科技大學， 2017.

LIN Guoqiang. Research on Preparation Technology of Ceramic Component with Sintering-free Base Metal Electrode［D］. Chengdu：University of Electronic Science and Technology， 2017.

［35］ 張景. 噴墨印制用銀基功能性油墨的制備及應用研究［D］. 成都：電子科技大學， 2017.

ZHANG Jing. Research on Preparation and Application of Inkjet Printing with Silver Based Functional Inks［D］. Chengdu：University of Electronic Science and Technology， 2017.

［36］ 錢壘， 蘭紅波， 趙佳偉， 等. 電場驅動噴射沉積3D打?。跩］. 中國科學：技術科學， 2018， 48（7）：773-782.

QIAN Lei， LAN Hongbo， ZHAO Jiawei， et al. Electric-field-driven Jet Deposition 3D Printing［J］. Scientia Sinica（Technological）， 2018， 48（7）：773-782.

［37］ 張勇霞， 張廣明， 周龍健，等. 電場驅動噴射微3D打印的高性能紙基電路制造工藝研究［J］. 中國機械工程， 2022， 33（10）：1244-1259.

ZHANG Yongxia， ZHANG Guangming， ZHOU Longjian， et al. High performance Paper-based Electronic Fabricated by Electric-field-driven Jet Micro 3D Printing［J］. China Mechanical Engineering， 2022，33（10）：1244-1259.

［38］ ZHANG G， LAN H， QIAN L， et al. A Microscale 3D Printing Based on the Electric-field-driven Jet［J］. 3D Printing and Additive Manufacturing， 2020， 7（1）：37-44.

［39］ DELAGE A， DELHOTE N， VERDEYME S， et al. Aerosol Jet Printing of Millimeter Wave Transmission Lines on 3D Ceramic Substrates Made by Additive Manufacturing［C］∥2018 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium-IMS. Philadelphia：IEEE， 2018：1557-1560.

［40］ KITTILA M， HAGBERG J， JAKKU E， et al. Direct Gravure Printing（DGP） Method for Printing Fine-line Electrical Circuits on Ceramics［J］. IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing， 2004， 27（2）：109-114.

［41］ ZHAO F， JIAO C， XIE D. Research on Laser-assisted Selective Metallization of a 3D Printed Ceramic Surface［J］. RSC Advances， 2020， 10（72）：44015-44024.