ナノマテリアル付加製造が電子製品開発を促進

出典: 電子工学 3Dプリンティング

付加製造とその中核プロセスである 3D プリントは、関連があるとはあまり考えられていません。 3D プリンティングは、3D CAD モデルからプラスチック構造部品を製造するためのツールと見なされることが多いですが、現在では 3D プリントされた金属部品が多くの産業用途で使用されています。粉末床溶融結合、ジェット堆積、圧電インクジェット、直接エネルギー堆積などの数多くの 3D 印刷プロセスは、さまざまな用途向けにナノ材料から直接金属部品を積層製造するのに非常に役立ちます。

PCB 製造において、ナノマテリアルの付加製造の応用は、絶縁基板 (平面に限定されない) 上にパッド、相互接続穴、およびワイヤを印刷するための非常に有用なプロセスです。上記の PCB 製造プロセスにナノマテリアルを適用すると、FR4 基板または標準 PCB 基板上の溶融堆積成形 (FDM) 金属合金などの現在のそれほど進歩していないプロセスをはるかに超える多くの利点がもたらされます。

銀は製造性を高めるために一般的に使用されるナノマテリアルの一つである。
ナノ材料を使用した PCB の付加製造
3D 印刷技術における従来の金属材料の応用は、主に低融点の金属合金を必要とする押し出しプロセス (FDM など) を中心に展開されています。金属合金線は金や銀などの貴金属に比べると比較的安価ですが、電気伝導性が低いため、電子機器には理想的な材料とは言えません。押し出しプロセスでは、フィラメントの直径と押し出し開口部が印刷精度を制限する主な要因となります。

グラフェンインクやグラフェン-金属ハイブリッドなどのナノ材料は電子アプリケーションに可能性を秘めており、ヘリオットワット大学のセンサー、信号、システム研究所の研究者は、インクジェット3D印刷プロセスを使用して柔軟な電子デバイスを製造できることを実証しました。学術誌「Advanced Functional Materials」に最近発表された論文で、研究者らは、コンフォーマルスクリーン印刷されたグラフェンインクを使用して作られた単層および多層電子デバイスをいくつか実証した。

酸化されたナノ鉄と炭素から作られた酸化グラフェンシート（TEM）
導電性ポリマーフィラメントとナノ材料<br /> ポリマーは、絶縁体から導体まで幅広い電子特性を持ち、低温成形プロセスに使用できます。固体導電性ポリマーフィラメントは、押し出しプロセス（FDM プロセスなど）で使用できます。同様に、導電性ポリマーナノ材料は、溶液または懸濁液として、噴射技術を使用して堆積させることができます。溶液堆積法は、その後の焼結工程が不要になるため、より一般的に使用されます。溶液と懸濁液の両方からの堆積では、連続フィルムを生成するために堆積後の重合ステップが必要です。

ポリマーの電子的および光学的特性は大きく異なるため、機能化によって調整することができます。これらの材料は、3D プリント半導体デバイスに最適です。中国の研究チームは最近、ポリマーナノ材料（PEDOT）を使用して3Dプリントされた圧電ユニットと透明電極を実証し、PCB上の光電子デバイスへの潜在的な応用を示しました。導電性ポリマーナノ材料は、フレキシブル PCB 基板上の導体にも使用できます。

導電性酸化ポリチオフェンナノ粒子（SEM）
ナノマテリアル PCB 積層造形における将来のイノベーション<br /> ここで説明する材料は、ナノ材料の形態に応じて、有機機能成分を追加することで簡単に機能化できるため、材料の光電子特性を溶液/懸濁液中の単純な化学反応プロセスに関連付けて調整できます。積層造形アプリケーションにおけるナノマテリアルの材料選択と機能化に関するさらなる指針を探しているエンジニアや研究者は、この最近の記事で優れたガイダンスを見つけることができます。彼らは、ナノマテリアルの付加製造に関するより包括的なレビューを提供しました。

現在、この分野の研究および商用システムの多くは、製造中の単一材料の堆積に重点を置いています。付加製造が成長を続けるにつれて、さらなる革新が見られ、さまざまな用途の製品向けに複合堆積マルチマテリアルシステムがさらに増えると予想されます。絶縁材料と導電性材料の複合堆積は、電子製品、システム、プロセスの分野で他のプロセスよりも大きな進歩をもたらすことができます。

圧電インクジェットプロセスは、高解像度、材料の無駄の削減、生産時間の固定を実現するため、導電性ナノインクを使用した電子機器の積層製造に最適です。適切な付加製造システムを使用すると、導電性インクと絶縁性インクの複合堆積が可能になり、完全に機能する PCB の 3D 印刷に最適です。レイヤーごとの印刷プロセスにより、特殊な形状の PCB ボードを製造したり、任意のレイヤー内で構造を相互接続したり、デバイスの埋め込みや任意の幾何学的形状を実現したりできます。

電子機器設計エンジニアの場合、ナノマテリアルやその他の先進材料を使用した積層造形には、PCB 製造の複雑な堆積プロセスに対応できるシステムが必要です。 Nano の LDM システムは、複雑な平面/非平面構造を持つ電子製品を独自に印刷できる優れた選択肢です。

筆者は、今後の電子3Dプリンティング技術の発展において、印刷精度と電子特性を向上させるためには、優れた電子特性を持つナノ材料や有機材料が不可欠であると考えています。ナノ材料の性能は、その形成原理の観点からは従来のバルク材料に比べて若干劣りますが、電子製品の応用の観点からは、導電特性は評価の一側面に過ぎず、機能特性は総合的な評価結果となります。おそらくナノマテリアルは、導電性や機械的特性の一部を犠牲にして、他の機能特性を改善できる可能性があります。今後、この記事で述べたオプトカップルド PCB に適したオプトエレクトロニクス材料など、インクジェット印刷に適したより多様な種類の材料の開発により、印刷電子デバイスの機能特性が飛躍的に拡大し、市場のアプリケーションポイントとの統合が容易になります。ただし、これにより、積層造形システムの開発に対する要件も高くなります。

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