前沿綜述：Advanced Science-高精度3D打印在電子學領(lǐng)域的應用

電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的多樣化導致對新興電子學中自由外形（即自由形態(tài)）架構(gòu)的需求不斷增加，這些領(lǐng)域包括可穿戴電子設(shè)備、生物電子學、光電子學、電池和軟機器人。此外，對高性能、小型化電子設(shè)備的需求推動了電子芯片密度及集成復雜度的指數(shù)級增長。電子設(shè)備需要具備占據(jù)z軸空間的3D形態(tài)，同時保持小型化的平面尺寸 。為滿足當前制造工藝的這些需求，已引入并開發(fā)了增材制造（如3D打印）來制造高分辨率的自由形態(tài)3D結(jié)構(gòu)。

基于光刻的工藝是電子學建模和制造的傳統(tǒng)方法。盡管這種方法通過可擴展性顯著提升了電子學的完整性，但它只能在平面上創(chuàng)建2D結(jié)構(gòu)，難以全部應用于具有復雜3D幾何形狀的前沿電子學。為形成各種材料（包括絕緣體、半導體和導體）的3D結(jié)構(gòu)，已經(jīng)有多種3D打印方法，如材料噴射、擠出、聚合、熔融和燒結(jié)，從而為3D打印電子學的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。研究表明，在電子設(shè)備的集成度、復雜性、性能和適用性方面已取得顯著研究進展。

圖1  3D打印方法、材料和應用的概述，適用于具有多功能材料、高長寬比結(jié)構(gòu)、微型化和可擴展性的自由形態(tài)電子領(lǐng)域

如圖所示，本綜述討論了與形成自由形態(tài)電子學的高分辨率3D打印技術(shù)相關(guān)的研究進展，重點關(guān)注可打印電子材料及其3D打印方法。從墨水材料和打印方法的角度，討論了3D打印在電子學中的代表性應用，包括互連、能量存儲設(shè)備、射頻（RF）器件和傳感器。此外，還綜述了實現(xiàn)高性能集成電子學所需3D打印技術(shù)的額外要求（可擴展性、小型化、高縱橫比結(jié)構(gòu)、多功能材料打印）以及進一步的挑戰(zhàn)、機遇和前景。

圖2 導體作為可打印墨水

圖3 半導體作為可打印墨水

圖4 絕緣體作為可打印墨水

圖5 基于噴墨的3D打印

圖6 基于直寫的3D打印

圖7 基于光固化的3D打印

表1：不同3D打印方法在自由形態(tài)電子學中的特性

圖8 3D打印互連結(jié)構(gòu)

圖9 3D打印電池

圖10 3D打印天線

圖11 3D打印傳感器

材料設(shè)計和打印方法的革新為形成3D電子結(jié)構(gòu)帶來了突破，推動了各種電子器件制造技術(shù)的巨大進步。從絕緣體、半導體到導體，從硬質(zhì)無機材料到軟性有機材料，3D可打印電子材料的多樣性使各種具有不同機械、電氣和光學性能的器件組件能夠在任意空間中異質(zhì)集成。

為使未來3D電子器件具有可與傳統(tǒng)2D電子器件媲美的高性能，結(jié)構(gòu)尺度應能從納米級到微米級可控。對于工業(yè)適用性，需實現(xiàn) 3D 打印的可擴展制造，如通過多噴嘴3D打印等高通量系統(tǒng)可實現(xiàn)高分辨率圖案的快速生產(chǎn)；如可穿戴電子器件，需實現(xiàn)3D打印的可適配貼合性。此外，電子油墨材料的生物相容性以及低溫加工技術(shù)是需要考慮的關(guān)鍵點。通過該領(lǐng)域持續(xù)的研究，3D打印技術(shù)中許多關(guān)鍵的挑戰(zhàn)正得到有序的解決。

論文鏈接：

doi.org/10.1002/advs.202104623

光固化微納3D打印技術(shù)，托托科技推出的織雀^®系列超高精度3D光刻設(shè)備在復雜三維微納結(jié)構(gòu)、高深寬比微納結(jié)構(gòu)以及復合材料三維微納結(jié)構(gòu)制造方面具有突出的潛能和優(yōu)勢，而且還具有制造周期短、打印成本低、成型精度高、可使用材料種類多和模具直接成型的優(yōu)點。

織雀^®系列3D光刻設(shè)備核心功能：

光學精度高1 μm / 2 μm / 5μm /10 μm /20 μm 

加工效率高

不同容量料池體積可選（15-1200 ml）

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兼容常規(guī)樹脂、陶瓷、水凝膠類墨水體系

光學實時監(jiān)控

輕松調(diào)平/對焦

駁接打印

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