高性能陶瓷基电路板突破性研究进展

近日，团队在电场驱动喷射沉积微纳3D打印研究取得重要突破性进展，该成果利用牺牲涂层辅助微 3D 打印制备直立式陶瓷电路板，解决了现有技术难以同时兼顾陶瓷基电路高分辨率（小线宽）和大高宽比（大厚度）的制造难题，为电子器件微型化和高功率化发展提供助力。相关研究成果以题为《Directly printed standing ceramic circuit boards for rapid prototyping of miniaturization and high-power of electronics》的论文在国际著名期刊《Nature Communications》发表。

文章链接:Directly printed standing ceramic circuit boards for rapid prototyping of miniaturization and high-power of electronics | Nature Communications

随着5G通信、航空航天、人工智能（AI）、自动驾驶汽车和物联网（IoT）等战略新兴产业的快速发展，近年来，陶瓷电路板（CCBs）因其高导热性、高耐热性、优良的介电性能和机械强度，已成为传统树脂基印刷电路板（PCB）的可靠替代品。如今，无论是工业领域、消费电子领域还是通信领域，相关电子设备正朝着小型化和高功率的方向发展。这不仅对作为集成电子载体的CCBs提出了更高的要求。一方面，小型化要求电路具有高分辨率（小线宽/线间距），以减少占用面积；另一方面，小线宽/线间距会导致电路电阻不可逆地增加，严重限制了电流承载能力。提高高宽比（AR）是提高电流承载能力或在保持线宽/线间距不变的情况下降低功耗的有效方法之一。因此，具有高分辨率和高纵横比的高性能CCBs已成为电子小型化和高功率的关键因素之一。

针对这一难题，兰红波教授团队开发了牺牲涂层辅助电场驱动喷射微3D打印技术，制备出兼具7 μm线宽和2.3高宽比的直立式陶瓷电路板（S-CCBs）。团队通过在陶瓷基板表面涂覆疏水牺牲层，结合电场驱动微纳3D打印打印技术，解决了粗糙基板表面电场分布不均导致的喷射不稳定问题，并利用牺牲层在烧结过程中的完全去除，实现银浆导线的均匀收缩和高导电性（电导率达5.1×10⁷ S/m）。该技术无需传统光刻、蚀刻和电镀工艺，可在氧化铝、氮化铝、氧化锆等多种陶瓷基板上实现高密度集成与大电流承载能力，且制得的电路在机械测试（1000次附着力测试、划痕测试）和恶劣环境（500℃老化500小时、化学腐蚀500小时）中表现出优异稳定性。

直立式陶瓷电路板示意图及牺牲涂层辅助电场驱动微3D打印机制，通过电场驱动喷射微3D打印结合牺牲涂层技术，研究了氧化铝基板表面电场分布、银浆喷射稳定性及烧结收缩行为。结果表明，牺牲涂层可改善电场均匀性，抑制银浆在粗糙基板上的局部收缩缺陷，实现线宽7μm、高宽比2.3的高分辨率电路成型，且烧结后银线与基板形成机械互锁，提升附着力。  

图1立式陶瓷电路板（S-CCBs）原理示意图及其优势，以及牺牲涂层辅助电场驱动（EFD）微3D打印的制造过程。a现有商用陶瓷电路板（CCBs）的示意图，其电路具有较大的线宽和较低的厚度。b 立式陶瓷电路板结构示意图，其电路具有较小的线宽和较大的厚度。c不同制造方法陶瓷电路线宽与厚度对比图表。DBC直接覆铜法（DBC），喷墨打印（IJP），气溶胶喷射打印（AJP），直接镀铜（DPC），激光金属活化（LAM），丝网印刷（SP），激光粉末床熔融（LPBF）。插图展示了CCBs和S-CCBs的电路横截面，其中Ws表示线宽，Hs表示薄膜厚度。d不规则的电荷分布导致粗糙氧化铝上的喷射不稳定；e在牺牲涂层（SC）-Al₂O₃上均匀分布的电荷则能形成稳定的喷射。f氧化铝和SC-Al₂O₃表面沿X轴方向的电场强度变化。g银线无法在Al₂O₃上以大高宽比堆叠。H银线可以在SC-Al₂O₃表面形成大高宽比结构打印。i银浆在氧化铝和SC-Al₂O₃上的接触角。j在有孔的氧化铝上，银线局部收缩；k在SC-Al₂O₃上，银线均匀收缩。l有无牺牲涂层的银浆热重分析曲线。m在氧化铝基板上形成尺寸为45mm×45mm，40μm线宽的电路，其分辨率与商用印刷电路板（PCB）相当。n 尺寸为5mm×5mm，10μm线宽的缩放集成电路。o图(l)的高倍率图像。p厚度为13.7μm、线宽为10μm、高宽比比为1.37的四层打印银线的SEM图像。

图2 在Al₂O₃基材和牺牲涂层(SC)-Al₂O₃基材上的打印效果对比。a Al₂O₃和SC-Al₂O₃衬底表面形貌示意；b Al₂O₃在10×10 μm范围内的表面粗糙度；c SC-Al₂O₃在10×10 μm范围内的表面粗糙度；d SC-Al₂O₃基板与Al₂O₃基板表面形貌的比较；e在SC-Al₂O₃和Al₂O₃基板上印刷的线宽的标准偏差；f SC-Al₂O₃和Al₂O₃基板烧结后的线宽收缩；g 在SC-Al₂O₃和Al₂O₃基板上打印银导线高宽比与打印层数的关系；插图是SC-Al₂O₃上数值的放大图。h 在SC-Al₂O₃和Al₂O₃基板上打印银导线线宽与打印层数的关系；i在Al₂O₃（10.2 μm）基板上打印银线形貌；j在Al₂O₃ （8.6 μm）基板上烧结后银线形貌；k在Al₂O₃基板上烧结6层银导线形貌，线宽为44μm；l Al₂O₃基板上多层银线的等高线；m在SC-Al₂O₃基板（10.6 μm）上打印的银线形貌。n在SC-Al₂O₃ （7 μm）基板上烧结后的银线形貌；o在SC-Al₂O₃衬底上烧结6层银线形貌，线宽为10 μm， AR为1.7；p SC-Al₂O₃基板上多层银线的截面轮廓线。数据以平均值±SD表示，n = 3个独立样本（e-h）。

图3 采用所提出打印方法制备的典型结构。

a小型电感器（60匝，线宽10μm）的宏观形貌和SEM图像；b线宽为10 μm，线间距为10 μm的叉指电极（IDEs）图案宏观形貌和SEM图像；c通过打印的银导线连接的 LED阵列；d在粗糙度为Ra=153 nm的Al₂O₃衬底上，打印面积为40 mm×40 mm，线宽为10 μm的银线SEM图像，插图是(d) 的放大图；e在粗糙度为Ra=386 nm的AlN衬底上，打印面积为40 mm×40 mm，线宽为10 μm的银线SEM图像，插图为(e)的放大图；f在粗糙度为Ra = 62 nm的ZrO2衬底上，打印面积为40 mm×40 mm，线宽为10 μm的银线SEM图像，插图为(f)的放大图；g五角星阵列（线宽7.8 μm，边长470 μm）的SEM图像；h圆形阵列（线宽14 μm，直径500 μm）的SEM图像；i线宽为10μm，AR为0.46的2层银线SEM图像；j线宽为10μm，AR为1.75的6层银线SEM图像；k线宽为10μm，AR为2.3的8层银线SEM图像。

图4 打印银线的性能。

a电阻和线宽之间的关系；b银线层数对电阻的影响；c银网格方阻与线间距的关系 ；d银线的电阻变化率随温度的变化；e导线线宽与电导率关系，对比我们的研究与其他技术最新研究结果；气溶胶打印、直接凹版印刷、激光辅助金属化、丝网印刷、墨水直写、喷墨打印；f用3M胶带测量粘附试验次数对电阻变化率的影响；g 电阻变化率随银网格刮擦试验次数的变化；h化学腐蚀（水、HCl和NaOH）后Rs的变化；i在500℃和800℃下进行500h时效试验时Rs的变化。

图5 直立式陶瓷电路板电路和无源元件打印案例。

a s-ccbs温升试验示意图；b采用4个LED的电路进行温升测试；c打印1层和6层陶瓷基电路；d不同层数（N=1、2、6）电路的外加电压与电流的关系；e不同层数（N=1、2、6）打印电路在不同电流（1A、1.5A、2A）作用下发热比较；f不同条件下的温度分布：(i)样品未通电，（ii） 6层电路1.5 A, (iii) 2层电路1.5 A, (iv) 1层电路1.5 A；g 0-350℃温度范围内加热稳定性试验；h是 (g)的局部放大图；i不同尺寸平面电感示意图(L1线宽 20 μm，线间距 20 μm，单层，匝数52；L2线宽10μm，线间距10μm， 6层，转数60次)；j L1和L2电感器的电感和质量因数(Q)与频率的关系；k在50 mA和100 mA电流下L1和L2的发热量比较；l叉指电极（IDEs）传感器原理图(S1，线宽20μm，线间距20μm，单层，40对；S3线宽10μm，线间距10μm，6层，40对)；m 叉指电极传感器阻抗测试结果（S1, S3）。