高性能電子システム向け表面改質3Dプリント基板と光合成金属ナノ粒子

寄稿者: 張志航、連秦寄稿部署: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室

付加製造により、非常に複雑でパーソナライズされた製品の製造が可能になりますが、現代の大量生産電子システムの性能、信頼性、小型化を実現するには、材料科学と処理における革新が必要です。英国リーズ大学機械工学部の研究者らは、高性能ポリマー（ポリエーテルイミド）の3Dプリントと、ポリマー表面の化学修飾による銅トレースの光ベースの選択的金属化、および機能デバイスと構造のコンピューター制御による組み立てを組み合わせた新しいデジタル製造戦略を導入しました。このアプローチを使用すると、個別の回路を接続して組み立てる必要なく、柔軟なコンフォーマル表面上に正確で堅牢な導電回路を製造できます。

このプロセスが既存の電子パッケージング技術とどのように互換性があるかを実証するために、さまざまな最新コンポーネントが選択的に金属化されたパッド上の表面実装アセンブリにはんだ付けされました。この新しい機能の潜在的な用途を強調するために、研究者らは高周波無線通信、誘導電力供給、位置検知のデモンストレーターを製作し、特性を評価しました。結果は、ロボット工学、医療、ウェアラブル技術の分野での将来の実用化に向けて、このプロセスがどのようにして望ましい機械的、電気的、熱的、電磁気的特性を提供できるかを示しています。

図 1. デジタル駆動型製造プロセスの概略図。(a) PEI 基板上のヒューズ製造。（b）（i）機能性イミド構造の表面化学修飾。 (ii)加水分解によりイミド環が切断され、(iii)イオン交換によりポリアミック酸銀が形成される。 (c) 銀ナノ粒子を誘導するための選択的UVレーザー照射と(ii)無電解銅めっきによる金属パターン形成。（d）コンピュータ制御によるペースト塗布および電子部品の表面実装組立。
このプロセスでは、まず、溶融フィラメント製造 (FFF) プロセスを使用して、ポリエーテルイミド (PEI) ベースのフィラメント (ULTEM 1010) を 3D プリントします。このプロセスでは、溶融した PEI がノズルから層ごとに選択的に押し出され、3D 幾何学的構造が構築されます (図 1a)。PEI ベースの材料は、化学的に安定し、生体適合性があり、次世代のアプリケーションに必要な機械的、熱的、および誘電的特性を備えた、3D プリント可能な非晶質熱可塑性ポリマーです。プロセスの第 2 段階では、金属ナノ粒子の局所的な光還元によって開始される無電解めっきプロセスを使用して、PEI 表面を選択的に金属化します。これは、水酸化カリウムを使用したアルカリ加水分解によるカリウムポリアミド酸（図 1b-ii）の形成と、続いて硝酸銀への浸漬によるイオン交換による銀ポリアミド酸（図 1b-iii）の形成という 2 段階反応を使用して、ポリマーのイミド成分（図 1b-i）を化学的に修飾することによって達成されました。 405 nmの光にさらすと、銀イオンは光分解によって還元され、20～70 nmの金属ナノ粒子が合成されます（図1c～i）。その後、露出していない残留銀イオンを除去し、残りの銀ナノ粒子が酒石酸溶液を使用した無電解銅めっきのシードサイトとして機能できるようにしました（図 1c-ii）。プロセスの最終段階では、コンピューター制御のディスペンシングとロボットによるピックアンドプレースコンポーネントを使用して追加機能を組み込みます (図 1d)。
参考文献:

1. Esfahani RN、Shuttleworth MP、Doychinov V、他高性能電子システム向け表面改質3Dプリント基板上への金属ナノ粒子の光ベース合成[J]。Additive Manufacturing、2020、34：101367。

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