3D打印制备直立式陶瓷电路板用于电子器件微型化与高功率化快速原型制造

      在5G通信、航空航天及人工智能等战略新兴产业中，陶瓷电路板（CCBs）因高导热性、高耐热性和优异介电性能成为传统树脂基印刷电路板的可靠替代品，但现有制造技术难以同时兼顾电路的高分辨率（小线宽）和高高宽比（大厚度），导致电子器件微型化与高功率化发展受限——小线宽会增加电路电阻、降低载流能力，而传统工艺（如光刻、电镀）或侧重厚膜低分辨率（如丝网印刷、直接键合铜），或侧重薄膜高分辨率（如直接电镀、激光活化金属化），技术路径间存在性能鸿沟。   
     针对这一难题，青岛理工大学的兰红波教授、张广明教授团队开发了牺牲涂层辅助微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（EFD）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。   
     相关工作以“Directly printed standing ceramic circuit boards for rapid prototyping of miniaturization and high-power of electronics”为题发表在《Nature Communications》上。张广明教授为第一作者，兰红波教授、张广明教授、朱晓阳教授为通讯作者。

研究内容
1. 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。   

2. 氧化铝基板与牺牲涂层基板的打印行为对比，通过原子力显微镜和3D光学显微镜表征表面粗糙度，结合电镜观察银线形貌，研究了基板粗糙度对打印线宽、边缘粗糙度及烧结收缩率的影响。结果表明，牺牲涂层使基板粗糙度从153nm降至33nm，打印线宽标准偏差从5μm降至0.7μm，烧结收缩率提升至34%，有效解决传统工艺中粗糙基板导致的打印不稳定问题。   

3. 典型结构打印能力验证，通过优化工艺参数，研究了小尺寸电感器、叉指电极、LED阵列等复杂结构的打印成型能力。结果表明，该技术可制备线宽10μm的60匝电感器、线宽/间距10μm的叉指电极，以及多层银线堆叠结构（高宽比0.46-2.3），验证了在微型化电子元件和高密度集成领域的应用潜力。   

4. 电路电气与机械性能表征，通过四探针法、划痕测试和环境老化实验，研究了银线导电性、附着力及耐化学腐蚀/高温性能。结果表明，银线电导率达5.1×10⁷ S/m，经1000次附着力测试后电阻变化率仅0.64%，在pH=2.11盐酸和pH=13.67氢氧化钠溶液中腐蚀500小时后电阻变化率分别为8.5%和7.2%，展现出优异的环境稳定性。   

5. 多层银线散热性能与被动元件应用，通过红外热成像和阻抗分析，研究了不同打印层数对电路产热及平面电感器、叉指电极传感器性能的影响。结果表明，6层银线在1.5A电流下温度仅38.9℃，较单层降低121.1℃；高高宽比叉指电极可检测低至0.01ppm的溶液浓度，灵敏度较传统结构提升50%。   

研究结论
本研究开发了牺牲涂层辅助微3D打印技术，制备出兼具高分辨率（7 μm线宽）与高宽比（2.3）的直立式陶瓷电路板（S-CCBs）。通过牺牲涂层改善电场均匀性、促进银浆均匀收缩，解决了传统工艺中粗糙陶瓷基板导致的打印不稳定与分辨率-厚度难以兼顾的问题。所制电路电导率达5.1×10⁷ S/m，经1000次附着力测试、500小时高温（500℃）老化及化学腐蚀后，电阻变化率均小于10%，展现出优异的机械强度与环境适应性。此外，多层堆叠结构可降低热生成（6层银线在1.5 A电流下温度较单层降低121.1℃），并成功用于微型电感器（11.8 μH电感）和高灵敏度叉指电极传感器（检测限0.01 ppm）。该技术无需传统光刻-电镀流程，为电子器件微型化与高功率化提供了高效、环保的快速原型制造方案。

文章来源：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-60408-x