微筆直寫技術(shù)屬于廣泛應(yīng)用的電子3D凹印技術(shù)，采用電子漿料為原料，用微細(xì)筆裝置以氣體為動力將電子漿料按照三維線路圖形布線要求沉積于預(yù)先成型的基板表面，然后輔助采用激光燒結(jié)或爐體固化，即可形成所需要的導(dǎo)電圖形，其成型原理如圖1所示。

圖1 微筆直寫原理圖及微筆直寫微觀形貌（100倍）

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所創(chuàng)新性地嘗試采用微筆直寫技術(shù)打印天線陣面，通過打印材料選擇、打印參數(shù)優(yōu)化實現(xiàn)天線陣面的打印，并通過專業(yè)測試，評估未來電子3D打印在天線陣面上制造應(yīng)用的可行性。相關(guān)研究成果以論文形式發(fā)表于《電子工藝技術(shù)》期刊。

打印材料選取和打印參數(shù)優(yōu)化

首先，研究人員根據(jù)材料黏度、介電性能、導(dǎo)電性能等因素，選取聚酰亞胺（PI）為介質(zhì)基板打印材料，選取導(dǎo)電銀漿作為輻射陣元圖形打印材料，金屬基體采用常用的5A06材料，由數(shù)銑加工而成。接著，根據(jù)打印的聚酰亞胺介質(zhì)板的介電常數(shù)測試和分析結(jié)果，針對陣元及介質(zhì)板厚度開展尺寸調(diào)整設(shè)計。經(jīng)樣件的測試，確定相應(yīng)工作頻段內(nèi)聚酰亞胺的介電常數(shù)值，并根據(jù)駐波、波束范圍、波束寬度等主要設(shè)計需求，綜合聚酰亞胺介電常數(shù)測試值、測試誤差等開展天線陣面單元設(shè)計以及容差設(shè)計，確保樣件的打印工藝性。最終，經(jīng)天線仿真和計算，確定介質(zhì)層厚度為0.4 mm，貼片尺寸為4.04 mm × 3.69 mm，貼片加工誤差為±0.0254 mm，孔位間距誤差為0.05 mm。

圖2 天線陣面打印樣件優(yōu)化設(shè)計圖

天線陣面介質(zhì)基板大面積打印

在微筆直寫設(shè)備上選用0.31 mm的針頭，分別采用“回”字形、“一”字形打印路徑進(jìn)行大面積（100 mm × 100 mm）聚酰亞胺溶液的直寫打印（如圖3所示），并觀察打印效果。最終選定打印路徑為“一”字型策略，并選取每打印三層，以150℃中間預(yù)固化、保溫10 min的方案作為預(yù)固化參數(shù)，完成天線陣面介質(zhì)基板的大面積打印。

圖3 不同打印路徑的效果圖

天線陣元圖形打印

首先采用已有的直寫打印技術(shù)在鋁合金天線基板上打印聚酰亞胺基板，再采用紫外激光對聚酰亞胺基板進(jìn)行打孔加工。完成聚酰亞胺介質(zhì)層打孔后，采用已有的直寫工藝在聚酰亞胺介質(zhì)層0.6 mm孔內(nèi)逐層打印銀漿以填充孔，且逐層激光燒結(jié)使孔內(nèi)銀漿固化成形。與此同時，采用相同的直寫工藝及參數(shù)在聚酰亞胺介質(zhì)層上繼續(xù)打印完成陣元貼片的打印。表層陣元貼片經(jīng)激光燒結(jié)固化后，再次采用與聚酰亞胺介質(zhì)層打孔相同的紫外激光及參數(shù)打出0.6 mm的饋電孔，最后形成陣元圖形。

圖4 天線基板上介質(zhì)層打印并打孔

天線陣面打印

所選樣件陣面為非展開曲面，但整體曲率半徑較大，整體高度差在10 μm以內(nèi)。就微筆直寫打印工藝特點而言，通過微筆直寫形成線條，再通過路徑形成整個面，可以從打印路徑上進(jìn)行分解簡化，轉(zhuǎn)換為二維平面進(jìn)行加工，以滿足打印成型需求。采用已經(jīng)成熟應(yīng)用的微筆直寫工藝參數(shù)、聚酰亞胺多層固化工藝參數(shù)及電子漿料激光燒結(jié)工藝參數(shù)，進(jìn)行了打印樣件的制作（如圖5所示）。

圖5 天線陣面打印樣件效果圖

綜上所述，該研究采用微筆直寫3D打印技術(shù)打印微帶天線陣面，并通過聚酰亞胺及導(dǎo)電銀漿成功實現(xiàn)了微帶天線陣面的3D打印制造。經(jīng)測試，微帶天線陣面孔精度、孔對位精度及電壓駐波比均滿足設(shè)計要求。因此，微筆直寫3D打印技術(shù)具備的快速制備和快速驗證，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計自由度大的特點，有效保證了電子產(chǎn)品研制的快速開發(fā)需求。但是，電子3D打印的后處理技術(shù)、成本及效率控制等方面均有待深入研究，以進(jìn)一步促進(jìn)電子3D打印技術(shù)的發(fā)展及在電子產(chǎn)品上的應(yīng)用。

審核編輯：郭婷