導電性インク 3D プリント PCB の利点と欠点

出典: 電子工学 3Dプリンティング

電子工学 3D プリント製品の性能、例えば抵抗率、損失、機械的強度などの特性はすべて印刷材料によって決まるため、印刷の究極の核心も基本材料の準備にあります。現在、導電性ナノ銀や関連インクは商品化されており、主にRFIDアンテナ、センサー、太陽電池などのプリンテッドエレクトロニクス分野で使用されています。しかし、高性能インクは依然として主に海外で生産されており、国産インクは性能や商品化の面で海外のものとまだ一定の差があります。3Dプリントエレクトロニクスやプリンテッドエレクトロニクスの発展に伴い、将来の需要ギャップに対応するために、電子産業の細分化された分野でインクの研究開発を確保する必要があります。この記事では、3D プリント PCB の導電性インクに関する米国の Simon Fried 氏の考えを紹介します。

電子製品や機械製品の 3D プリントに使用されるプロセスと材料の範囲はすでに広範囲にわたり、製品設計者にとって革新的なアイデアの範囲は拡大し続けています。これらのアイデアが新しい電子製品、特に PCB に採用される場合、これらの材料の応用は、製造プロセスにおける独自の付加製造プロセスに依存します。

つまり、設計者は設計段階で使用する生産方法のプロセスフローを考慮する必要があります。これは、これらのプロセスフローによって、機器自体のアーキテクチャに起因する処理および製造上の制限がもたらされるためです。金属堆積プロセスでは通常、材料を固体導体に溶かすために高温が必要であり、レーザーが必要になります。これらのプロセスは基板、大量生産、および機器アーキテクチャに依存するため、PCB 製造には最適な選択肢ではない可能性があります。

金ナノ粒子の TEM 画像積層製造された電子製品用の新しいタイプの材料として、導電性インクには設計段階で考慮する必要がある長所と短所があります。硬化後の導電性インクの機械的および電気的特性は、製品におけるその適用範囲に影響します。それにもかかわらず、導電性インクは合成が簡単で、既存の印刷プロセスに簡単に組み込むことができるため、3D プリントエレクトロニクスにとって非常に魅力的な選択肢となります。

3Dプリント基板にはどのような材料が使用できますか?
導電性インクは、バルク溶媒中の金属ナノ粒子の懸濁液です。ナノ粒子は溶媒中で時間の経過とともにより大きなクラスターに凝集します。したがって、これらのナノ粒子が懸濁状態で凝集するのを防ぐために、ナノ粒子間にリガンド構造を形成する必要があります。リガンドとホスト溶媒の選択は、懸濁液の粘度と基板上の親水性に影響します。これらの特性はすべて、基板、使用する導電性インク、適切な堆積プロセスを選択する際に考慮することが重要です。

これらのナノ懸濁液が堆積されると、懸濁液内の溶媒が蒸発し、金属粒子が融合して固体導体になります。これには、熱処理などの高温プロセス、または光アシスト焼結、紫外線照射などの低温プロセスが含まれる場合があります。機器や製造プロセスにほぼ適合する導電性インクを選択する際には、これらの詳細を考慮する必要があります。

ナノ銀インク（NanoDimension より画像）導電性インクの長所と短所<br /> 3D プリントエレクトロニクスで導電性インクを使用する主な利点は、その柔軟性です。さまざまな平面および非平面基板上に簡単に堆積できます。導電性インクは、インクジェット印刷やエアロゾルジェット印刷に適しています。インクが適切かどうかは、基材に付着したインクの品質によって決まります。セラミックまたはその他の硬質基板は、性能を低下させることなく、より高い熱処理温度に耐えることができます。しかし、有機基質を選択した場合は、より低い熱処理温度が必要となります。

導電性インクは、さまざまなナノ金属粒子から作成できます。ナノ粒子を適切なリガンドと結合できる限り、適切な懸濁溶媒を選択したり、添加剤や界面活性剤を使用したりすることで、インクの粘度と親水性を堆積プロセスに適合させることができます。

さまざまな形状やサイズの金属ナノ粒子が商品化されていますが、すべての積層造形システムや供給システムがこれらの金属材料と互換性があるわけではありません。インクジェット印刷やエアロゾルジェット印刷中にノズルが詰まらないようにするためには、材料の凝集を防ぐために使用するリガンドが重要です。少なくとも、堆積前に配位子を追加または置換する必要があり、これによりこれらの高価な材料のコストがさらに増加することは間違いありません。

そのため、印刷システムベンダーはこれらの材料を自社のシステムに適合させるために多くの時間を費やしており、サードパーティが自社のシステムに適合する新しい導電性インクを合成することは非常に困難です。しかし、積層造形の開発空間には材料面でまだ大きなギャップがあり、適用可能な材料の範囲は今後も拡大していくことが予想されます。

ナノ導電性インクの硬化温度は依然として欠点であると考えられています。ナノ粒子の融点はナノ粒子のサイズに比例するため、印刷プロセスではこれを考慮する必要があります。一部の導電性インクでは、硬化プロセス中に硬化温度が低すぎると、ナノ粒子が連続した固体フィルムに溶けず、フィルム内に残った構造欠陥によって導電性と機械的強度が低下します。

導電性および誘電性インク印刷用インクジェットシステム (NanoDimension)
インクジェット印刷用導電性インク<br /> 電子機器の積層造形のためのインクジェット印刷で導電性インクを使用することは、大きな進歩ではありません。製造工程の温度を非常に低く抑えることができ、光学的に補助された硬化を使用できることから、導電性インクは、導電性インクと誘電体基板を複合的に堆積するインクジェットシステムに迅速に適応できます。これは、エアロゾルジェット堆積法、レーザー直接構造化法 (LDS)、または熱溶解積層法 (FDM) と比較して大きな利点です。

このプロセスでは、導電性インクと誘電性インクを同時に堆積し、高エネルギー密度の光源を使用して同時に硬化させることで、エアロゾル堆積、FDM、LDS などの同様のプロセスよりも高いスループットを実現できます。これにより、層ごとに堆積して PCB を構築できるため、インクジェット印刷は PCB やその他の非平面形状の製造に最適な選択肢となります。

インクジェット印刷と導電性インクおよび誘電性インクの複合堆積によって得られる柔軟性により、設計者はこの独自のシステムを使用して PCB を作成するプロセスで大きな自由を得ることができます。多層相互接続ジオメトリは、PCB の従来のラインや垂直相互接続穴、アンテナ、センサー、絶縁体などの導体に限定されず、インクジェット堆積によって非平面ジオメトリに適用できます。デザイナーは、このタイプのシステムを使用して、従来の設計上の制約からデザインのアイデアを解放できます。

導電性インクには独自の長所と短所がありますが、特殊な電子構造を 3D 印刷するための非常に有望な材料であることは否定できません。 Nano は現在、インクジェット複合堆積技術を採用し、電子設計および印刷の革新的なソリューションを顧客に提供しています。下の表は Nano の導電性インクの性能を示しており、下の写真は Nano インクのナノ粒子の形態を示しています。

表 NanoDimension 導電性ナノ銀インクの性能 (AgCite)

財産	データ
粘度@35℃（射出温度）	5-35 CP
表面張力	27-37mN/m
密度	1.3～2.7 g/mL（銀含有量により異なる）
銀含有量	20～70%
溶剤	グリコールエーテルの親水性
焼結温度	＞130℃
利用可能な粒子サイズ	10-100nm
抵抗率 ≥	2.8μΩ·cm
導電率≤	35700000S/m
焼結法	加熱、赤外線、レーザー、光子、電子ビーム、化学
適切な基質	PET、PEN、PEEK、PI、金属、セラミック、コーティング繊維
アンテナ性能	2GHzで89%の効率

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